Nghiên cứu hiện tượng hiệu dịch trao đổi của màng hai lớp sắt từ/sắt điện bằng phương pháp Monte Carlo

MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống ở kỷ nguyên mà những thiết bị điện tử trở thành
những công cụ cốt yếu, thông dụng, và quen thuộc với con người trong tất cả
các phương diện đời sống xã hội. Những sản phẩm kỳ diệu mà chúng ta đang
có được, những thứ mà đã và đang làm thay đổi cuộc sống của chúng ta một
cách tiện lợi, chính là những thành tựu mang lại từ những tiến bộ khoa học và
kỹ thuật trong những thập kỷ qua. Trong đó, các nghành Vật lý, Hóa học và
Khoa học Vật liệu đóng vai trị then chốt.
Để làm việc với những ổ cứng có dung lượng và tốc độ truy cập dữ liệu
siêu cao như trong các điện thoại thế hệ mới hay máy tính cá nhân, và máy
tính xách tay thì các đầu nghi và đọc rõ ràng phải thiết kế và phát triển theo
một nguyên lý khác với những thiết kế truyền thống. Sự ra đời của spin tử
(spintronics) đã thay đổi một cách cách mạng những khái niệm cũng như thiết
kế về các thiết bị điện tử nói chung và các đầu nghi đọc từ nói riêng so với
nghành điện tử truyền thống. Những khái niệm mới như các thiết bị từ trở lớn
(giant magnetoresistive devices), các thiết bị van spin (spin valve devices),
hay những bộ nhớ ghi từ động khơng tự xóa (nonvolatile magnetic random
access memories-MRAMs), v.v. dường như bị bó hẹp một cách trừu tượng và
khó hiểu trong nghiên cứu khoa học cơ bản, song thực tế chúng đã thâm nhập
vào trong đời sống xã hội thông qua những thiết bị điện tử tuyệt vời mà chúng
ta đang có. Trong số các khái niệm đó, các thiết bị van spin trong các đầu
ghi/đọc trên nguyên lý từ trở lớn không thể thiếu được những cấu trúc màng
đa lớp, và rõ ràng trong các cấu trúc này hiệu ứng trao đổi hiệu dịch
[exchange bias (EB) effect] trở thành then chốt cho hoạt động của thiết bị. EB
được dùng trong thiết bị van spin để ổn định nhiệt đối với trật tự từ của lớp từ
cứng, mà thiếu đi nó các trạng thái đơmen của đầu đọc/ghi từ có thể khơng thể
dự đốn được và dẫn tới những vấn đề nan giải về độ tin cậy của thiết bị.
Khơng chỉ bó hẹp ứng dụng trong van spin, EB cịn có một ứng dụng nữa rất
quan trọng là nó có thể dùng để ổn định nhiệt các hạt từ, là viên gạch trong
công nghệ lưu trữ thông tin dưới dạng ghi từ (magnetic recording), giúp cho
việc giảm được kích thước hạt từ để tăng mật độ (dung lương) ghi trên một

đơn vị diện tích và thu nhỏ kích thước thiết bị mà khơng cịn sợ sự mất mát
1


thông tin do thăng giáng nhiệt (nghĩa là giới hạn siêu thuận từsuperparamagnetic limit).
Từ những ứng dụng to lớn đó, trong những năm gần đây, hiệu ứng trao
đổi hiệu dịch đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu trở lại bởi các nhà thực
nghiệm và lý thuyết trên nhiều đối tượng vật liệu khác nhau đặc biệt là các
màng mỏng hai lớp, qua đó nhiều hiện tượng và tính chất lý thú mới được
phát hiện. Cũng chính những lý do đó, EB trở thành một trong những lĩnh vực
then chốt của từ học và vật liệu từ. Lĩnh vực này đóng góp một cộng đồng
đơng đạo các nhà từ học trên thế giới. Mặc dù vậy nguồn gốc vi mô của hiệu
ứng này vẫn còn là một vấn đề tranh cãi, ngun nhân phía sau nó là sự thiếu
hụt những thông tin cũng như hiểu biết ở lớp tiếp xúc bề mặt tiếp xúc nằm sâu
bên trong màng mỏng, bao gồm các đặc trưng về cấu trúc hóa học và cấu hình
spin ở cấp độ vi mơ. Mặc dù vậy, tính ưu việt của hiệu dịch trao đổi cho ứng
dụng thực tiễn đòi hỏi sự hiểu biết một cách rõ ràng cơ chế vật lí chi phối hiệu
ứng đó, và đến lượt nó nảy sinh những vấn đề lý thú cho nghiên cứu cơ bản.
Lý do chọn đề tài:
Song song với những phát hiện quan trong gần đây, rằng hiệu dich trao
đổi cũng có thể quan sát trong các tiếp xúc khác với tiếp xúc sắt từ/phản săt từ
truyền thống, là phát hiện hiệu ứng trong các lớp sắt từ/sắt điện. Điều đặc biệt
quan trọng ở đây là trong lớp sắt điện có tồn tại pha phản sắt từ hoặc ferit từ
tương tác từ điện (magnetoelectric coupling effect) với pha sắt điện tạo nên 1
tổ hợp đa pha điện từ trong cùng một vật liệu. Đo đó, tổ hợp này cho phép
điều khiển hiệu dịch trao đổi không chỉ bằng mỗi từ trường thơng thường mà
cịn cả điện trường. Mặc dù tiềm năng hứa hẹn này, lĩnh vực này vẫn là một
hướng nghiên cứu non trẻ, đặc biệt, các hiểu biết lý thuyết chưa được chú
trọng tập trung. Chính vì lý do dó, những phương pháp mơ phỏng như Monte
Carlo có thể là cơng cụ hữu ích để nghiên cứu. Chính vì lí do đó, em chọn chủ

đề này cho nghiên cứu trong khóa luận của em. Khóa luận của em có tên là:
Nghiên cứu hiện tượng hiệu dịch trao đổi của màng hai lớp sắt từ/sắt điện
bằng phương pháp Monte Carlo
Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là: Hệ màng hai lớp sắt từ/sắt điện
(Ferromagnet/Ferroelectrics, viết tắt là FM/FE).
2


Phương pháp Nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu là phương pháp mô phỏng Monte Carlo, đây
là một phương pháp tiệm cận giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Mục tiêu đề tài:
- Tìm hiểu về tính chất và ứng dụng của sắt điện và sắt từ, đặc biệt là
hiệu ứng hiệu dịch trao đổi với hệ FM/FE và hệ sắt từ/phản sắt từ truyền
thống.
- Tìm hiểu phương pháp Monte Carlo để mơ phỏng hệ nhiệt động nói
chung, đặc biệt là mơ đường cong từ trễ của hệ sắt từ. Từ đó phát triển để
nghiên cứu hiệu dịch trao đổi trong màng FM/FE (xây dựng mơ hình và
chương trình mơ phỏng).
- Từ chương trình mơ phỏng đường cong từ trễ, nghiên cứu một số tính
chất của hiệu ứng hiệu dịch trao đổi trong hệ mơ hình màng FM/FE được xây
dựng.
Bố cục của khóa luận này gồm ba chương. Chương 1 trình bày tổng quan
tài liệu. Chương 2 trình bày phương pháp mơ phỏng Monte Carlo, mơ hình
màng hai lớp FM/FE và chương trình mô phỏng đường cong từ trễ để quan
sát hiệu dich trao đổi. Một số kết quả mô phỏng từ mô hình được trình bày và
bàn luận trong chương 3. Cuối cùng là phần kết luận chung.

3

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Phân loại vật liệu từ và vật liệu sắt từ
1.1.1. Nguồn gốc của tính chất từ
Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích, đó là cách
hiểu đơn giản nhất về nguồn gốc của từ trường. Có thể hiểu đơn giản là các
điện tích chuyển động trong nguyên tử tạo ra các dòng điện tròn, các dòng
điện tạo ra từ trường. Nếu coi nguyên tử là phần tử nhỏ bé cấu tạo nên các vật
thể thì sự hình thành từ tính của nguyên tử chính là nguồn gốc tính chất từ của
vật liệu
Bây giờ ta xét bài toán đơn giản một nguyên tử có một điện tử chuyển
động quanh hạt nhân theo mơ hình Borh. Mơ hình Borh xét điện tử chuyển
động trên quỹ đạo bán kính r, vận tốc v.
Lúc đó, mômen từ sinh ra do chuyển động của điện tử là:
Pm = I .S =

ev
1
π r 2 = evr
2π r
2

(1.1)

Với I là dịng điện trịn, S là diện tích mặt phẳng giới hạn bởi dịng điện
kín. Mặt khác, mơmen động lượng của điện tử là : L = π r = mvr . Theo mơ hình
Borh, mơmen động lượng của điện tử trên quỹ đạo bằng một số nguyên lần
hằng số Planck.
Do đó, ta có: vr =

nh
m

(1.2)

(n là một số nguyên, nhận giá trị 1, 2, 3…)
Thay (2) vào (1), ta có cơng thức tính mơmen từ quỹ đạo của điện tử như
sau:
1
1 nh
he
Pm = evr = e
=n
2
2 m
4π m
he
µB = n
= 9, 24.10−24 ( A.m 2 )
4π m

(1.3)

µ B gọi là Magneton Borh, dùng để làm đơn vị của mơmen từ ngun tử.

Đây là một tính tốn về nguồn gốc của từ tính là chuyển động của điện tử.
Tuy nhiên, vật lý hiện đại chỉ ra rằng từ tính cịn có đóng góp của spin của
4

điện tử. Có thể hiểu spin như là mơmen từ sinh ra do chuyển động tự quay
của điện tử (hiểu một cách đơn giản). Thực tế, spin là một thuộc tính cơ bản
có nguồn gốc lượng tử. Vậy, nguồn gốc của từ tính là do hai sự đóng góp:
+ Mơmen từ quỹ đạo của điện tử
+ Mômen từ riêng (mômen từ spin)
Với các nguyên tử phức tạp, lớp vỏ điện tử gồm nhiều điện tử, mômen từ
quỹ đạo tổng cộng và cả mômen từ spin, bằng tổng các mômen từ của các
điện tử riêng lẻ. Khi tính tổng các mơmen từ quỹ đạo và mơmen từ spin có thể
xảy ra trường hợp chúng bù trừ nhau và mômen tổng hợp của ngun tử bằng
0, cịn nếu khơng có bù trừ thì ngun tử sẽ có mơmen từ, tức là chúng có từ
tính các ngun tố kim loại chuyển tiếp có lớp vỏ 3d đầy một phần như Fe,
Co, Ni đều có từ tính trong khi lớp vỏ này lấp đầy điện tử như Cu thì khơng
có từ tính. Các hợp chất, đơn chất có chứa ngun tố có từ tính gọi là vật liệu
từ. Dưa vào đặc tính này cũng như đặc tính tương tác và trật tự từ vi mô để
phân loại vật liệu từ. Sự phụ thuộc của moment từ và độ cảm từ vào nhiệt độ
cũng là dấu hiệu thực nghiệm để phân loại vật liệu từ.
Nếu như mômen từ là thước đo độ mạnh yếu của nguồn từ, có đơn vị
A.m2 thì đặc trưng cho mức độ từ hóa của vật liệu từ, người ta dùng một đại
uu
r

lượng vật lý gọi là vectơ từ hóa _ ký hiệu là M .
Véctơ từ hóa là tổng mơmen từ trong một đơn vị thể tích:
uu
r
M = lim

∆v → 0

uu

r
Pm
∑
∆v

∆V

(1.4)

Theo cách định nghĩa này thì độ từ hóa có cùng thứ nguyên với cường độ
từ trường, là A/m.
Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau: B = μ 0 ( M + H ) , M = χH
Với χ là độ cảm từ, nói lên khả năng cảm ứng của vật chất với từ trường.
Do đó, ta có quan hệ :
B = μ0 ( M + H) = μ0 ( 1+ χ ) H

(

hay B = μ 0 1 + 1

)

χ M
5

(1.5)


Các vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vật
liệu từ.

1.1.2. Vật liệu nghịch từ (Diamagnet)
Khi chưa đặt vật liệu trong từ trường ngồi, tổng mơmen từ ngun tử
của chúng bằng khơng. Khi ta đặt vật liệu trong từ trường ngoài, mỗi nguyên
tử đều xuất hiện một mômen từ phụ, các mômen từ phụ này tạo ra từ trường
phụ ngược chiều với sự biến đổi của từ trường ngoài, dẫn đến độ cảm từ của
chất nghịch từ có giá trị âm và giảm tuyến tính khi từ trường tăng như Hình
1.1.

Hình 1.1 (a) Sơ đồ nguyên tử nghịch từ trong từ trường ngoài.
(b) Đường cong từ hóa của vật liệu nghịch từ.

Các chất nghịch từ điển hình như: H2O, He, Ne, Ar, Bi, Si, Cu, Ag, Pb,…
Mặc dù, Cu và Ag có mơmen từ khác khơng khi chưa đặt trong từ trường
ngồi nhưng vẫn là vật liệu nghịch từ khi đặt trong từ trường ngoài do hiệu
ứng nghịch từ chiếm ưu thế.
1.1.3. Vật liệu thuận từ (Paramagnet)
Vật liệu thuận từ có những nguyên tử hoặc ion từ mà mômen từ cô lập,
định hướng hỗn loạn do tác dụng nhiệt, dẫn đến độ từ hóa tổng cộng bằng
khơng khi khơng có mặt của từ trường ngoài. Khi đặt chất thuận từ trong từ
trường ngoài, thì từ trường làm quay các mơmen từ theo hướng của từ trường,
dẫn đến từ độ của chất có giá trị dương. Tuy nhiên, để định hướng hồn tồn
các mơmen từ ở nhiệt độ phòng theo hướng của từ trường thì, đối với chất
thuận từ cần một từ trường lớn cỡ 10 7Oe. Theo định luật Curie: χ =
đó, C là hằng số Curie. Xem Hình 1.2.

6

C
trong
T

Hình 1.2 (a) Sự sắp xếp các mơmen từ trong vật liệu thuận từ.
(b) Đường cong từ hóa của vật liệu thuận từ.
(c) Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ.

Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O 2, Pt…Trước đây, người ta coi
các chất thuận từ và nghịch từ là chất từ tính yếu, hay phi từ, gần đây, các
chất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên cứu ứng dụng
mạnh và khơng phải là từ tính yếu.
1.1.4. Vật liệu sắt từ (Ferromagnet)
Vật liệu sắt từ được biết đến là một chất có từ tính rất mạnh, có độ từ
thẩm rất lớn và độ từ hóa lớn hơn độ từ hóa của chất thuận từ. Chất sắt từ điển
hình như Fe, Co, Ni, Gd… Chất sắt từ gồm có những mômen từ nguyên tử,
nhưng khác với chất thuận từ ở chỗ các mơmen này lớn hơn và có khả năng
tương tác với nhau. Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lịng vật liệu
các vùng đơmen mà trong mỗi vùng đơmen này, các mơmen từ sắp xếp hồn
tồn song song nhau tạo thành từ độ tự phát (có nghĩa là tồn tại độ từ hóa
ngay cả khi khơng có từ trường ngồi). Và nếu khơng có từ trường ngồi, do
năng lượng nhiệt làm cho các mơmen từ trong các đơmen trong tồn khối sắp
xếp hỗn độn, do vậy tổng độ từ hóa của tồn khối vẫn bằng 0. Việc hình thành
đơmen là để giảm thiệu năng lượng từ do trường khử từ gây ra tức là năng
lương sẽ lớn khi các đường sức từ của mỗi một đôment vẫn cịn nằm bên
ngồi chất sắt từ. Tuy nhiên nếu các đường sức từ này được đóng kín do sự
sắp xếp hợp lý của các đơmen như trên Hình 1.3 thì sẽ có lợi về mặt năng
lượng. Một lý do khác là do sự cạnh tranh của dị hướng từ tinh thể (làm cho
moment từ định hướng theo trục dễ tinh thế) và tương tác trao đổi (làm cho
các moment từ định hướng song song với nhau) dẫn đến từ độ của toàn bộ
7

khối sắt từ bị phân chia thành những đômen (vùng) từ hóa tự phát để có lợi về
mặt năng lượng.

(a)

(b)

Hình 1.3 Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ, giữa các vùng đômen là những
vách ngăn, các vectơ mômen từ định hướng đối song song từng cặp dẫn đến từ độ
của tồn mẫu bằng 0.

Q trình từ hóa được thê hiện thông qua sự dịch vách thuận nghịch và bất
thuận nghịch (ở từ trương nhỏ) và quá trình quay thuận nghịch và bất thuận
nghịch của đômen (trong từ trường lớn) như sau. Nếu ta đặt từ trường ngoài
vào vật liệu sẽ có hai hiện tượng xảy ra:
+ Sự lớn dần của các đômen từ theo phương của từ trường và giảm dần
đômen ngược chiều với từ trường (dịch vách ddoomen)
+ Sự quay của các mômen từ theo hướng của từ trường.
Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta sẽ có hiện tượng bão hịa từ
(magnetic saturation), lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp xong song với nhau
và trong vật liệu, về mặt lý tưởng, chỉ có một đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ
trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn do thăng giáng nhiệt và lại
tạo thành các đômen, tuy nhiên, các đomen này vẫn còn tương tác với nhau.
Khi ta giảm từ trường về khơng tổng mơmen từ trong tồn khối không giảm
dẫn nhưng không bằng không ở từ trường bằng khơng. Từ độ cịn dư này gọi
là từ độ dư (remenant magnetization). Nếu ta đổi chiều từ trường và tăng độ
lớn, từ độ sẽ giảm dẫn từ giá trị dư về không. Khi từ độ bằng không, ta gọi là
trạng thái khử từ và giá trị từ trường tại đó từ độ bằng không gọi là lực kháng
từ (coercivity). Nếu từ trường càng âm thì từ độ tiếp tục giảm từ giá trị khơng

về giá trị bão hịa âm. Q trình tương tự như trên nếu ta tiếp tục tăng tư
trường về không và đổi chiều rồi tăng giá trị dương của nó. Điều này tạo
8


thành hiện tượng trễ (magnetic hysteresis) của vật liệu sắt từ như Hình 1.4.
Đường cong từ hóa của chất sắt từ và chất thuận từ có điểm khác biệt là
đường cong phi tuyến và đạt bão hòa khi từ trường đủ lớn đối với sắt từ, trong
khi từ độ của chất thuận từ phụ thuộc từ trường theo hàm Langevin.

Hình 1.4 Đường cong từ trễ của chất sắt từ

Hai đặc trưng cơ bản quan trọng của chất sắt từ là:
+ Đường cong từ trễ
+ Nhiệt độ Curie
Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó chất sắt từ bị mất trật tự sắt từ song
song, tại đó tính từ dư của nó mất hẳn và khi T > TC thì trật tự từ trở thành
thuận từ và nghịch đảo độ cảm từ tuân theo định luật tuyến tính với T (định
luật Curie) như hình 1.5. và khi T < T C thì chất là sắt từ. Nhiệt độ TC được gọi
là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ (là chuyển pha loại 2). TC là thông số
đặc trưng cho chất và phụ thuộc vào tương tác trao đổi giữa các moment từ
nguyên tử. Có một số sự khác biệt giữa trạng thái thuận từ của chât sắt từ và
chất thuận từ như sau. Đối với sắt từ, các moment từ vẫn còn tương tác song
do thăng giáng nhiệt nên trât tự tư hỗn loạn và độ cảm từ tuân theo định luật
Curie-Weiss

χ=

C
. Ngược lại, các moment trong chất sắt từ hồn tồn

T − TC

khơng tương tác và khơng có cạnh tranh giữa tương tác trao đổi và thăng
giáng nhiệt, độ cảm từ phụ thuộc nhiệt đô theo định luật Curie.

9


Hình 1.5 Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ bão hòa và nghịch đảo độ cảm từ của chất
sắt từ

Mỗi chất sắt từ có khả năng “từ hóa” và “khử từ” khác nhau. Từ tính chất
này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ
bản có 2 nhóm sắt từ:
a) Sắt từ mềm (soft ferromagnet)
Sắt từ mềm không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà “mềm” về
phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp
(lực kháng từ bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hịa rất cao, có
độ từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường
ngoài.
Các chất sắt từ mềm truyền thống đã được biết đến như là sắt non,
ferrite, Mn, Zn… Các chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châm
điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ…, có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từ
trường ngồi. Do vậy, đặc trưng mà người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ
và tổn hao xoáy:
+ Tổn hao trễ sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa,
được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm
“xịn” có đường trễ càng hẹp càng tốt.
+ Tổn hao xoáy sinh ra do các dòng Fuco sinh ra trong từ trường xoay
chiều làm nóng vật liệu, năng lượng tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ

trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu.
10


b) Sắt từ cứng (hard ferromagnet)
Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ “cứng” khơng phải do cơ tính cứng
mà nó là vật liệu sắt từ khó từ hóa và cũng khó bị khử từ (tức là từ tính có thể
giữ được tốt dưới tác dụng của từ trường ngoài). Một ví dụ đơn giản như nam
châm vĩnh cửu.
Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (trên 10 2 Oe), nhưng chúng thường
có từ độ bão hịa khơng cao, mặc dù người t among đợi càng cao càng tốt.
Tính “cứng” của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan đến năng
lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là, thơng thường
các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể đối xứng kém ví dụ như tứ
giác hay lục giác…
Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dung làm vật vật
liệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa
từ…). Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số
của vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ (B.H) max có đơn vị là mật độ năng
lượng J/m3, là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể
tích của vật. Để có (B.H) max lớn, cần có lực kháng từ lớn, từ độ cao và đương
trễ càng lồi càng tốt. Đơn vị thường dùng của (B.H) max là GOe, 1MGOe = 8
kJ/m3.
Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrit từ cứng
BaSr, hợp kim AlNiCo… Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các
nam châm đất hiếm nên giá thành cao, dễ bị oxi hóa.
Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn đến sự ra đời
của một loại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính chất của 2 loại nam châm từ
cứng và từ mềm, có thể khắc phục các điểm yếu của nam châm tốt nhất, có
giá thành hạ và cho phẩm chất cao hơn rất nhiều.

1.1.2.4. Vật liệu phản sắt từ (Antiferromagnet)
Vật liệu phản sắt từ có mơmen từ của các ngun tử cạnh tranh nhau sắp
xếp đối song (song song và ngược chiều) từng đôi một. Tức là trong vật liệu
11


phản sắt từ, có tồn tại hai phân mạng cấu trúc từ xen kẽ nhau. Mooment từ
trong mỗi phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều với
moment từ của phân mạng kia. Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đối
bằng nhau nhưng triệt tiêu nhau. (Vật liệu Ferrit từ là một dạng của phản sắt
từ, tuy nhiên hai phân mạng có từ độ khác nhau nên không triệt tiêu lẫn nhau,
dẫn tới từ độ tổng cộng khác khơng). Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở khơng độ
tuyệt đối và trong tư trường ngồi bằng khơng, độ từ hóa tộng cộng của chất
phản sắt từ bằng khơng (Hình 1.6 (a)). Trong phản sắt từ cũng tồn tại các
mômen từ tự phát xảy ra khi T < T N trong đó, TN là nhiệt độ chuyển pha phản
sắt từ sang thuân từ (nhiệt độ Neel). Khi T > T N thì sự sắp xếp mơmen từ trở
nên hỗn loạn, vật liệu trở thành thuận từ, như trường hợp của trật tự thuận từ
của chất sắt từ.

Hình.1.6 (a) Sự sắp xếp mơmen từ trong vật liệu phản sắt từ
(b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ trong AFM

Khi có từ trường ngồi mômen tổng cộng của các vật liệu AFM tăng tỉ lệ
với từ trường do sự định hướng của các spin. Ở nhiệt độ thấp, hệ số từ hóa
của AFM rất nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên sự sắp xếp đối song từng cặp một của
các phân mạng xen kẽ bị vi phạm và hệ số từ hóa tăng lên. Tại nhiệt độ T N,
vùng định hướng tự phát của các spin khơng cịn nữa, phản sắt từ chuyển
thành thuận từ. Tiếp tục tăng nhiệt độ, hệ số từ hóa giảm xuống.
1.2. Vật liệu điện môi và vật liệu sắt điện
Vật liệu điện mơi là một trong những vật liệu có ý nghĩa rất quan trọng

trong trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội. Chúng đã và
đang thu hút được nhiều quan tâm cả về nghiên cứu cơ bản cũng như nghiên
cứu khả năng triển khai ứng dụng từ các nhà nghiên cứu của Vật ly, Hóa học,
và Khoa học Vật liệu.
12


1.2.1.

Nguồn gốc của phân cực điện

Trong chất điện môi, các điện tử liên kết rất chặt với các iôn nguyên tử,
đến mức tại nhiệt độ phòng, dao động nhiệt và điện trường thông thường
không thể bứt chúng ra khỏi nguyên tử. Như vậy, chất điện môi không dẫn
điện. Tuy nhiên, dưới tác dụng của điện trường ngồi, các điện tích dương sẽ
bị dịch khỏi vị trí cân bằng theo hướng của điện trường, cịn các điện tích âm
thì dịch theo hướng ngược lại. Kết quả là tạo ra các mômen lưỡng cực điện
trong vật liệu. Vì vậy, trên bề mặt vật liệu ở điện cực hình thành các lớp điện
tích trái dấu nhau, mặt hướng về phía điện cực dương có lớp điện tích âm và
mặt hướng về phía điện cực âm có lớp điện tích dương. Hiện tượng này gọi là
hiện tượng phân cực điện mơi.
Nếu có một hệ điện tích qn thì mơmen lưỡng cực điện là một vectơ được
định nghĩa như sau:
ur
u
u
r
p = ∑ q n rn

(1.1)

Một cách hồn tồn tự nhiên, ta có thể lấy mơmen lưỡng cực của một
đơn vị thể tích chất điện mơi làm đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cực
của mẫu chất. Độ phân cực của chất điện môi tại một điểm cho trước được
định nghĩa là vectơ tổng mômen lưỡng cực trung bình trong một đơn vị thể
tích bao quanh điểm đó:
r
∑ p
ur
u
P = ΔV
ΔV

(1.2)
u
r

Dưới tác dụng của điện trường E , độ phân cực điện môi trong vật liệu
đẳng hướng tại một điểm cho trước bất kỳ tỷ lệ thuận với cường độ điện
trường tại điểm đó.
ur
u
u
r
P = χε 0 E

(1.3)

trong đó, χ được gọi là độ cảm điện môi của vật liệu, ε 0 = 8,85.10−12 Fm -1 là
hằng số điện môi chân không.

1.2.2. Cơ chế phân cực điện môi.

13


Chất điện môi được cấu tạo từ các phân tử khơng bị phân cực (khơng có
mơmen lưỡng cực điện). Trong điện trường ngồi, sự phân bố các điện tích bị
thay đổi, trọng tâm của điện tử trong phân tử và trọng tâm của các điện tích
dương và âm của các hạt nhân nguyên tử trở nên không trùng nhau nữa mà
dịch đi một khoảng d. Như vậy, phân tử vốn khơng có mơmen điện đặt trong
điện trường ngồi đã trở thành một lưỡng cực điện.
Đối với chất điện môi phân cực, gồm các mômen lưỡng cực điện xác
định, trong điện trường ngoài các lưỡng cực điện chịu tác dụng của mômen
ngẫu lực làm cho chúng định hướng theo chiều của điện trường ngoài. Ở nhiệt
độ T = 0K ngay cả với điện trường yếu, tất cả các lưỡng cực điện đều định
hướng theo chiều của điện trường. Tuy nhiên, khi T ≠ 0 K, năng lượng nhiệt
của các lưỡng cực điện có thể làm cho chúng quay đi một góc nào đó so với
chiều của điện trường ngồi. Khi đó, nói chung các lưỡng cực điện định
hướng có thứ tự hơn theo hướng ưu tiên dọc theo chiều của điện trường. Mức
độ trật tự của sự sắp xếp các lưỡng cực điện quyết định đến độ lớn của
mômen điện tổng cộng của chất điện môi. Như vậy, khi đặt chất điện mơi
phân cực vào trong một điện trường ngồi, mơmen điện tổng cộng xuất hiện
khi đó có độ lớn phụ thuộc vào nhiệt độ.
1.2.3. Vật liệu sắt điện (Ferroelectrics materials)
Các chất điện mơi có độ phân cực tự phát gọi là chất sắt điện. Vậy, chất
sắt điện là chất điện mơi có cực. Sự xuất hiện của tính sắt điện liên quan đến
sự tác động điện trường lên các ion liên kết yếu làm các ion này dịch chuyển
khỏi vị trí cân bằng. Kết quả là mơi trường bị phân cực
Đối với các chất điện mơi có cực, tùy thuộc vào q trình phân cực và
trật tự của các mơmen lưỡng cực dưới tác dụng của các tác nhân bên ngoài

như điện trường, áp suất, nhiệt độ, ngoại lực…mà ta có thể phân chia chúng
thành trật tự thuận điện, sắt điện, nghịch điện, áp điện. Các vật liệu sắt điện
nằm trong nhóm vật liệu hỏa điện. Chất hỏa điện là chất tồn tại sự phân cực tự
phát nhưng sự phân cực tự phát này có thể thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Tức
là các vật liệu sắt điện tồn tại sự phân cực tự phát nhưng nó khác với các vật
14


liệu hỏa điện khác ở chỗ mômen lưỡng cực điện có thể thay đổi thuận nghịch
dưới tác dụng của điện trường ngồi nhỏ hơn giới hạn điện trường đánh thủng
tính chất điện môi của vật liệu. Như vậy, điều kiện để một vật liệu thuộc họ
sắt điện đó là:
+ Tồn tại sự phân cực tự phát
+ Có phân cực tái định hướng.
Vật liệu sắt điện có những đặc trưng cần chú ý đó là:
a) Đơmen sắt điện
Trong vật liệu sắt điện các vectơ phân cực tự phát PS chỉ song song với
nhau trong những vùng xác định có tên là đơmen sắt điện. Các đơmen khác
nhau có thể có vectơ phân cực tự phát hướng theo các trục khác nhau, và được
phân cách bởi các vách đômen. Về phương diện hình học và hiện tượng luận,
ta có thể thấy cấu trúc đơmen của sắt điện và sắt từ hồn tồn tương tự khi
xem đường sức điện và sức từ ở phương diện vật lý là như nhau, cũng vậy đối
với mômen điện và mômen từ, từ trường và điện trường, v.v (xem Hình 1.7).

P

P

Hình 1.7 Cấu trúc đơmen và vách đơmen trong vật liệu sắt điện

Ngun nhân hình thành cấu trúc đơmen sắt điện chưa được giải thích
một cách hồn chỉnh nhưng chúng ta có thể hiểu q trình hình thành đơmen
sắt điện có mục đích làm cực tiểu hóa năng lượng tự do. Một cách vi mơ ta có
thể giải thích theo hai cách như sau. Thứ nhất, các đơmen được hình thành
trong q trình chuyển pha từ thuận điện sang pha sắt điện do sự thay đổi
tương tác tĩnh điện tổng cộng của trường ngoài và của các đơmen đã hình
thành trước đó. Thứ hai, cấu trúc đơmen hình thành là do các sai hỏng mạng
cũng như ứng suất nội trong tinh thể sắt điện gây ra.
15


Trạng thái đa đômen này thường bị biến đổi thành một đơn đômen dưới
tác dụng của điện trường song song với chiều phân cực. Các đơmen mà có
mơmen phân cực cùng chiều với điện trường sẽ lớn dần lên so với những
đơmen có chiều phân cực ngược lại và khi điện trường đủ lớn sẽ làm quay các
đômen phân cực theo hướng điện trường cho tới khi chỉ còn một đơn đơmen.
Qúa trình mà phân cực điện tự phát của đômen bị đảo chiều dưới tác dụng của
một điện trường gọi là q trình đảo đơmen.
b) Đường trễ sắt điện
Đối với vật liệu sắt điện, độ phân cực phụ thuộc vào điện trường có đặc
tính phi tuyến. Khi ta thay đổi điện trường ngồi thì có thể quan sát hiện
tượng trễ điện của vật liệu sắt điện (xem Hình 1.8).
+ Đầu tiên, chất sắt điện chịu tác dụng của điện trường nhỏ, thì đường
P(E) là thuận nghịch và tuyến tính, ứng với đoạn OA. Do điện trường quá
nhỏ, chưa thể lật được bất kì một đơmen nào.
+ Dưới tác dụng của một điện trường lớn hơn, một số đômen ngược
chiều với điện trường bị đảo chiều và độ phân cực của mẫu tăng nhanh, ứng
với đoạn AB cho tới khi tất cả các đơmen đều cùng chiều với điện trường
ngồi, ứng với đoạn BC. Lúc này mẫu ở trạng thái bão hịa đơ phân cực, và
được cấu tạo bởi một đômen duy nhất.

+ Khi điện trường giảm, độ phân cực sẽ giảm nhưng không trở về không.
Khi điện trường bằng không một số đômen vẫn giữ chiều phân cực theo chiều
điện trường trước đó và vật liệu tồn tại độ phân cực dư Pr. Điểm ngoại suy
của đoạn BC cắt trục tung tại Ps gọi là độ phân cực bão hịa.
+ Độ phân cực điện dư khơng bị triệt tiêu cho đến khi điện trường đảo
chiều (chiều âm) và đạt đến một giá trị Ec nào đó. Ec được gọi là cường độ
trường kháng điện. Nếu tiếp tục tăng cường độ điện trường theo chiều âm thì
tất cả các đơmen đều phân cực theo chiều điện trường và vật liệu lại ở trạng
thái bão hịa (điểm G) nhưng có chiều ngược với chiều bão hào tại điểm C.
Chu trình trễ điện hoàn thành khi ta tăng điện trường theo chiều dương tới
điểm bão hòa C.
16


Hình 1.8. Đường cong điện trễ của vật liệu sắt từ

c) Nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện
Nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện TC là nhiệt độ giới hạn tại đó vật liệu
chuyển từ trạng thái thuận điện sang trạng thái sắt điện. T > TC vật liệu trở
thành thuận điện, T < TC vật liệu mới có tính sắt điện. Nếu tồn tại nhiều pha
sắt điện tại các nhiệt độ khác nhau thì chỉ nhiệt độ tại đó vật liệu chuyển từ
trạng thái thuận điện sang sắt điện mới được gọi là nhiệt độ chuyển pha Curie.
Có thể nói ngun nhân của tính sắt điện là do sự méo mạng của cấu trúc
thuận điện, vì vậy đối xứng tinh thể của pha sắt điện bao giờ cũng nhỏ hơn
đối xứng tinh thể ở pha thuận điện
1.3. Hiệu ứng trao đổi hiệu dịch
Thuật ngữ “trao đổi hiệu dịch” được dùng để chỉ một hiệu ứng về sự dịch
đường cong từ trễ dọc theo trục từ trường. Hiện tượng này được phát hiện vào
năm 1956 bởi Meiklejohn và Bean [1] khi họ đo đường cong từ trễ của hệ các
hạt mịn ơxy hóa một phần được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ

TN (nhiệt độ Neel). Theo họ sự có mặt của lớp CoO hình thành trên bề mặt
của các hạt Co sinh ra dị hướng đơn hướng (hay còn gọi là dị hướng trao đổi)
đối với các hạt Co-một loại dị hướng khác ngoài dị hướng đơn trục và dị
hướng hình thành trong các vật liệu từ [1,2]. Kết quả là tâm đường cong từ trễ

17


bị dịch về phía từ trường âm. Hiệu ứng này là kết quả tương tác bề mặt trong
hệ FM/AFM như màng hai lớp hoặc hạt sắt từ kim loại có lớp vỏ ôxit AFM.
1.3.1. Cách quan sát hiệu dịch trao đổi
Cách thứ nhất, để quan sát được hiệu dịch trao đổi, chúng ta có thể đo
đường cong từ trễ sau khi làm lạnh hệ trong từ trường ngoài dưới nhiệt độ TN
của lớp phản sắt từ.

Hình 1.9 (a) Minh họa đường cong từ trễ với lực kháng từ H+C và H-C.
(b) Đường cong từ trễ bị dịch khỏi gốc tọa độ dọc theo trục của từ trường.

Trong phép đo này, hệ bắt đầu ở nhiệt độ thấp hơn TC của sắt từ và trên
nhiệt độ TN trong một từ trường khác khơng và từ trường ngồi được qt để
đo đường cong từ trễ. Đường cong từ trễ này được gọi là đường cong từ trễ
làm lạnh có từ trường, vì nó được đo sau khi làm lạnh hệ trong từ trường
ngồi. Như phác họa trên hình 1.9(b), tâm của đường cong từ trên dịch
chuyển tức là hiệu dịch khỏi gốc dọc theo trục từ trường thể hiện hiệu dịch
trao đổi. Trong khi đường cong từ trễ ở hình 1.9 (a), tâm của đường từ trễ
không hề dịch chuyển. Đường cong từ trễ này được đo trong chế độ khi làm
lạnh hệ xuống nhiệt độ đo, khơng có mặt của từ trường ngồi. Hay cịn gọi là
đường cong từ trễ làm lạnh khơng có từ trường ngồi. Hơn nữa, độ rộng của
đường cong từ trễ ở hình 1.9(b) lớn hơn so với hình 1.9.(a). Điều này được
gọi là sự tăng lực kháng từ đi kèm với sự dịch tâm từ trễ quan sát trong hiệu

18


dịch trao đổi. Trong đó, lực kháng từ H C =
dịch xác định như sau: H EB =

+
−
HC − HC
và trường trao đổi hiệu
2

+
−
HC + HC
.
2

Cách thứ hai, ta quan sát thí nghiệm như sau: khi người ta bốc màng sắt
từ (FM) trên màng phản sắt từ (AFM), người ta dùng một cái nam châm thì
nam châm làm cho các đomen và trật tự lớp AFM định hướng sẵn. Do đó, khi
bốc màng FM lên trên, thì hướng dễ từ hóa sẽ hướng theo lớp AFM. Điều này
thì cũng tương tự như khi ta làm lạnh trong từ trường thì lớp AFM theo hướng
của từ trường, do đó lớp FM phải sắp xếp spin theo hướng lựa chọn.
1.3.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM
uu
r

Khi làm lạnh trong H xuống nhiệt độ TN, nhiệt độ chuyển pha từ thuận từ

sang phản sắt từ, nhỏ hơn nhiều nhiệt độ Curie TC của FM, thì cả hai phần FM
và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự: FM thì song song, AFM thì sắp xếp
phản song song (xem Hình 1.10).

Hình 1.10. Cơ chế hiệu dịch trao đổi trong màng hai lớp FM/AFM.
uu
r

uu
r

Trong sự có mặt của H thì định hướng spin của FM theo hướng của H .
Giả sử tương tác trao đổi FM và AFM ở bề mặt là JFM-AFM > 0 thì lớp bề mặt
của AFM cũng phải sắp xếp theo hướng spin của FM. Còn lớp tiếp theo sắp
xếp ngược lại. Cứ như thế AFM sẽ sắp xếp phản song song, lớp sát bề mặt
FM phải song song với FM. Về mặt năng lượng thì lớp trên cùng của AFM và
lớp duới cùng của FM sắp xếp như thế là có lợi về năng lượng, kết quả là
19


năng lượng tổng cộng vẫn thấp hơn nếu như lớp trên cùng của AFM sắp xếp
vừa song song với lớp FM vừa song song với AFM. Do lớp bề mặt của AFM
sắp xếp phản song song nên đóng vai trị ghim giữ các spin của của lớp FM bề
mặt. Dẫn đến ngồi việc lớp FM có dị hướng đơn trục của chính tinh thể FM,
nó cịn bị một dị hướng đơn hướng (hay còn gọi là dị hướng trao đổi) của lớp
AFM ở trên mặt. Dị hướng này đóng vai trị như một từ trường thêm vào từ
trường ngồi, dẫn đến có từ trường hiệu dụng:
uu
r uu
r

uu
r
H = H ex + H external
uu
r

Gốc của đường cong từ trễ bị dịch đi một khoảng H ex và đây chính là cơ
chế của hiệu dịch trao đổi.
1.3.3 Hiệu dịch trao đổi trong màng FE/FM
Hiện tượng hiệu dịch trao đổi trong FM/AFM là do trật tự AFM dưới
nhiệt độ TN và tương tác từ giữa spin của lớp FM bề mặt và lớp AFM bề mặt
thì hiệu ứng này được quan sát trong hệ FM/FE nhờ vào trật tự sắt điện của
lớp sắt điện dưới nhiệt độ Curie sắt điện TC và tương tác từ điện giữa mômen
từ của lớp bề mặt của sắt từ và mômen điện của lớp sắt điện. Dưới nhiệt độ TC
của sắt từ, các mômen từ sẽ định hướng theo điện trường tạo nên những
đômen điện. Trật tự này giống như trật tự phản sắt từ, có vai trị ghim các
mơmen từ nằm trên lớp tiếp xúc theo hướng của mơmen điện để có lợi về mặt
năng lượng. Kết quả là khi làm lạnh hệ FM/FE trong một điện trường xuống
dưới nhiệt độ TC của sắt điện thì trật tự sắt điện sẽ đóng vai trị cung cấp một
dị hướng từ đơn hướng lên lớp sắt từ, dẫn đến đường cong từ trễ của lớp sắt từ
bị dịch. Tức là xuất hiện hiệu dịch trao đổi.
1.3.3.1. Hiệu ứng điện từ
Hiệu ứng điện từ là một tính chất nội tại quan trọng của vật liệu đa pha từ
điện. Hiện tượng gồm có sự phân cực từ khi có mặt một điện trường ngồi đặt
vào và có sự phân cực điện khi có từ trường ngồi đặt vào. Hiệu ứng này đáp
ứng tuyến tính hoặc phi tuyến với trường ngồi. Tức là, khi có mặt điện
trường E hoặc từ trường H ngồi thì có phân cực điện hoặc phân cực từ viết
dưới dạng:
20

Pi = ∑ α ij H j + ∑ βijk H j H k + ...

M i = ∑ α ij E j + ∑ β ijk E j Ek + ...

Trong đó, Pi, Ei là thành phần x, y, z của phân cực điện và điện trường;
Mi, Hi là thành phần x, y, z của từ độ và từ trường; α , β là các ma trận cảm
ứng điện từ tuyến tình và phi tuyến.
Hiệu ứng có thể quan sát trong một chất đơn pha hay các vật liệu
composit. Những vật liệu có hiệu ứng này là một loại vật liệu đa pha điện từ,
nghĩa là trong các vật liệu này tồn tại các pha sắt điện, sắt từ hoặc sắt điện,
phản sắt từ. Chúng được quan tâm nghiên cứu gần đây như một loại vật liệu
đa chức năng có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị vi điện tử mà chúng ta
có thể sử dụng điện trường hoặc từ trường ngoài để điều khiển các bậc tự do
như độ phân cực điện và từ độ. Một số ví dụ của vật liệu đơn pha điện từ là
Cr2O3 và những vật liệu đa pha từ điện trong đó xảy ra sự tương tác giữa các
tham số trật tự từ và điện. Vật liệu composite từ điện là sự kết hợp của các vật
liệu điện giảo và vật liệu từ giảo.
Mức độ của hiệu ứng phụ thuộc vào cơ chế vi mô. Trong các vật liệu từ
điện đơn pha, hiệu ứng có thể do sự tương tác của trật tự từ và điện như được
quan sát trong các vật liệu đa pha điện từ. Trong các vật liệu composite màng
đa lớp FM/FE, hoặc tổ hợp các hạt FE/FM tiếp xúc bề mặt nhau, hiệu ứng
xuất phát từ các hiệu ứng tương tác bề mặt như ứng suất. Một số ứng dụng
hứa hẹn của hiệu ứng từ điện bao gồm các cảm biến nhạy từ trường, các thiết
bị logic tiên tiến hoặc các đầu lọc sóng vi ba…
1.3.5.2. Quan sát thực nghiệm trên màng FE/FM
Sử dụng tính đa pha điện từ để điều khiển các tính chất dẫn của cấu trúc
spin-van đang là một hướng đi đầy hứa hẹn của những ứng dụng tiềm năng
cảu vật liệu đa pha điện từ. Một trong những ứng dụng là hiệu dịch trao đổi
trong được quan sát trong các lớp tiếp xúc FM/FE. Như được trình bày ở trên,

những kiến thức về hiệu ứng này giúp chúng ta biết được những nguyên lý tại
sao có thể kết hợp một chất đa pha sắt điện từ trong cấu trúc này.

21


Nếu chúng ta thay thế lớp AFM trong cấu trúc FM/AFM bằng một lớp
vật liệu đa pha từ điện thì một cấu trúc spin-van đa pha điện từ được phát
triển với một khái niệm hồn tồn mới. Thay vì sự tương tác giữa các spin bề
mặt của lớp AFM lên spin bề mặt lớp FM trong cấu trúc truyền thống để dẫn
đến hiệu dịch trao đổi thì tương tác giữa mômen điện hoặc mômen từ của lớp
vật liệu đa pha điện từ lên spin bề mặt của lớp FM sẽ dẫn đến hiệu dịch trao
đổi. Điều này có thể nhờ vào hiệu ứng từ điện nói trên, một mơmen từ và
mơmen điện có thể tương tác với nhau thơng qua hệ số từ điện.

Hình 1.11 Miêu tả sơ lược một lớp FM mềm bốc bay trên một màng đa pha điện từ.

Điện trường ngoài gây nên sự biến thiên từ độ của lớp FM/FE và cuối cùng gây ra sự
đảo chiều của từ độ trong lớp FM do hiệu ứng ghim từ.

Một cách tiếp cận khác mà được xây dựng mơ hình trong luận văn này ở
chương 2, là có thể thay thế lớp AFM bằng lớp FE có nhiệt độ Curie sắt điện
thấp hơn nhiệt độ Curie sắt từ.
Về mặt công nghệ, tiếp xúc giữa một pha sắt điện và một pha sắt từ có
thể tạo ra bằng cơng nghệ màng mỏng, tức là ta có thể bốc bay một lớp sắt từ
trên một lớp sắt điện, hoặc sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn, trong đó
ta có thể trộn lẫn các hạt gốm của hai pha sắt điện và sắt từ lại với nhau và
nung thiêu kết. Các tiếp xúc biên hạt giữa hai pha này là một ví dụ.
Bằng cách tiếp cận mới này, chúng ta có thể tạo ra tiếp xúc sắt điện, sắt
từ và tận dụng hiệu ứng từ điện, do tương tác giữa các mômen từ của lớp FM

và mômen điện của lớp sắt điện. Trong cách tiếp cận này, hiệu dịch trao đổi
có thể điều khiển nhờ vào một điện trường thay vì bởi từ trường như cách tiếp
cận truyền thống trên hệ FM/AFM. Cách tiếp cận này cho phép khả năng để
biến điệu, chuyển trạng thái từ độ của lớp sắt từ trong cấu trúc spin-van.
22


Thực nghiệm gần đây đã chứng minh tính ứng dụng của cách tiếp cận
này. Một trong số đó là hiệu dịch trao đổi được quan sát trong cấu trúc gồm
một màng sắt từ CoFeB được bốc bay trên một màng phản sắt từ BiFeO 3,
trong đó có đồng thời tồn tại pha sắt điện. Hiệu dịch trao đổi được quan sát
đáng kể trong cấu trúc này như trình bày trong Hình 1.12.

Hình 1.12 Mơ tả hiệu dịch trao đổi trên hệ CoFe/BiFeO 3. Sự phụ thuộc từ trường của từ độ màng đa lớp
CoFeB/BiFeO 3 trên đế SrTiO 3 với định hướng tinh thể [001] (hình trên bên trái); CoFeB/BiFeO 3 trên đế
SrTiO3 với định hướng tinh thể [111] (hình trên bên phải); CoFeB/BiFeO 3 trên tổ hợp đế
La0,7Sr0,3MnO3/SrTiO3 với định hướng tinh thể [001] (hình dưới bên trái); CoFeB/BiFeO 3 trên tổ hợp đế
La0,7Sr0,3MnO3/SrTiO3 với định hướng tinh thể [111] (hình dưới bên phải).

Ngồi cấu trúc van spin CoFeB/BiFe0 3 trình bày ở trên, một thí nghiệm
tương tự trên cấu trúc hai lớp Cr2O3/FM trong đó, Cr2O3 là một hợp chất từ
điện hơn là một hợp chất đa pha điện từ, đã được cơng bố. Tuy nhiên, tín hiệu
về dịch đường cong từ trễ rất nhỏ. Trong khi đó, hiệu dịch trao đổi rất lớn
trong tổ hợp Py/YMO 3 cũng đã được quan sát (xem Hình 1.13). Chi tiết về kết
quả thực nghiệm này được trình bày trong tài liệu [].

23


Hình 1.13 Dịch đường cong từ trễ trong hệ màng hai lớp Py/YMO 3.

1.4. Ứng dụng của hiệu dịch trao đổi
Như trình bày ở phần mở đầu, ứng dụng của hiệu dịch trao đổi rất quan
trọng trong thiết bị van spin để ổn định nhiệt lớp sắt từ cứng cũng như trong
các màng mỏng ghi từ để ổn định các hạt từ. Trong phần này, chi tiết về ứng
dụng của hiệu dịch trong hai ví dụ này sẽ được trình bày một cách cụ thể.
Trong lĩnh vực spin tử (spintronics), các thiết bị van spin được quan tâm
nghiên cứu và ứng dụng như một thiết bị cảm biến từ trở quan trọng trong các
cảm biến từ và đầu đọc/ghi từ của các bộ nhớ động từ (MRAMs). Về nguyên
lý, một van spin gồm hai hay nhiều lớp sắt từ dẫn điện (kim loại) và có thể
thay đổi điện trở của nó (từ thấp đến cao và ngược lại) phụ thuộc vào định
hướng của từ độ của các lớp sắt từ. Các lớp sắt từ có trạng thái từ độ “up” hay
“down” từ trường ngoài. Các lớp từ được tạo ra bởi hai vật liệu sắt từ có lực
kháng từ khác nhau. Do sự khác nhau về lực kháng từ, một lớp màng (lớp
màng sắt từ mềm) thay đổi độ phân cực từ ở từ trường nhỏ trong khi một lớp
màng (lớp sắt từ cứng) thay đổi độ phân cực từ ở từ trường cao. Khi từ trường
xiên qua mẫu được qt thì có hai trạng thái từ được thiết lập. Một trạng thái
với từ độ của 2 lớp màng song song ứng với điện trở thấp, còn một trạng thái
ứng với từ độ của hai lớp màng phản song song ứng với điện trở cao.
Để ổn đinh từ độ của lớp từ cứng, một lớp phản sắt từ được tạo ra tiếp xúc với
lớp sắt từ này (xem Hình 1.14) và tạo ra dị hướng từ đơn hướng (hệ quả của
trao đổi hiệu dịch) để ghim từ độ của lớp sắt từ cứng theo một hướng, nếu
không từ độ này cũng thay đổi theo từ trường và trạng thái điện trơ thấp và
cao khơng cịn rõ ràng dẫn đến độ tin cậy của van spin bị mất đi.
Một ví dụ khác là độ ổn định nhiệt của hạt từ trong môi trường ghi từ. Như
chúng ta biết, các hạt từ có thể xem như các nam châm vĩnh cửu thu nhỏ. Khi
đã đươc từ hóa (ghi từ) thi do thăng giáng nhiệt mà từ độ có thể bị mất đi là
phụ thuộc và lực kháng từ của mỗi hạt từ, lực kháng từ này tỷ lệ với dị hướng
tinh thể. Dị hướng từ tinh thể này lại tị lệ với kich thước của hạt từ. Khi hạt từ
24

càng nhở, thì mật độ sỗ hạt từ trên một đơn vị diện tích càng cao thì mật độ lư
trữ thơng tin càng cao. Tuy nhiên, hạt càng nhỏ thì lực kháng từ càng nhỏ và
do đó từ độ càng dễ bị mất, hiện tượng này gọi là giới hạn siêu thuận từ.
Nghĩa là khi thu nhỏ hạt từ để tăng mật độ lưu trữ và giảm kích thước thiết bị
thì ta sẽ gặp phải một giới hạn dưới của kích thước để thơng tin ghi trên hạt từ
khơng bị tự xóa (bay hơi). Tuy nhiên, nếu ta nhúng các hạt từ trong một dung
dịch rắn là một chất sắt từ thì tương tác trao đổi hiệu dịch giữa các hạt từ (pha
sắt từ) và ma trận phản sắt từ sẽ cung cấp thêm dị hướng cho hạt từ và dẫn
đến lực kháng từ tăng. Chú ý răng, hiện tượng trao đổi hiệu dịch có thể quan
sát bởi sự dịch dường cong từ trễ đồng thời tăng lực kháng từ của chất sắt từ.
Do đó, hiệu ứng này cho phép vượt qua giới hạn siêu thuận từ để giảm kích
thước hạt từ trong mơi trường ghi từ mật độ cao.

Hình 1.14. Cấu trúc một spin valve sự dụng hớp phản sắt từ để ghi giữ từ độ của lớp
từ cứng tiếp xúc với nó thơng qua hiệu dịch trao đổi. Trong cấu trúc này AF pinning
layer =lớp phản sắt từ, pinned layer =lớp sắt từ cứng bị ghim, free layer = lớp sắt từ
mềm có từ độ tự do lật trạng thái theo từ trường trong khi từ độ của lớp từ cứng bị
ghi giữ chỉ theo một hướng, và pacer layer = lớp phân cách là lớp kim loại phi từ,
thường là Cu

25