Đề tài " PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG " pdf

1
III - PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀ
NG
MỎNG TỪ TÍNH:
Thông thường, các màng mỏng để có thể sử dụng đều được
chế tạo trên các lớp đế, là các khối vật liệu đơn tinh thể (VD: Si,
MgO, Ge, GaAs, thạch anh ). Các kỹ thuật chế tạo màng
mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỷ 19, cho đến thời
điểm hiện tại, có rất nhiều phương pháp được dùng tùy theo
mục đích và điều kiện kinh tế, kỹ thuật:
 Kỹ thuật mạ điện
 Kỹ thuật phun tĩnh điện
 Bốc bay nhiệt trong chân không
 Phún xạ catốt
 Epitaxy chùm phân tử (MBE)
 Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
 Lắng đọng chùm laser
 Phương pháp sol-gel
2
Một số phương pháp chính thường dùng
để chế tạo màng mỏng từ là:
 Epitaxy chùm phân tử (MBE)
 Bốc bay nhiệt trong chân không
 Phương pháp phún xạ
 Lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Cấu trúc của màng mỏng tùy thuộc vào kỹ
thuật chế tạo, có thể mang cấu trúc của vật liệu
nguồn, hoặc có thể thay đổi phụ thuộc vào kỹ
thuật chế tạo, các điều kiện khi chế tạo.
3
1 .Epitaxy chùm phân tử (MBE):

 Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam
epitaxy, viết tắt là MBE) là thuật ngữ chỉ một kỹ
thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng
các chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh
thể trong chân không siêu cao, để thu được các
màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể
gần với cấu trúc của lớp đế. Kỹ thuật này được
phát minh vào những năm 60 của thế kỷ 20 tại
Phòng thí nghiệm Bell (Bell Telephone
Laboratories) bởi J.R. Arthur và Alfred Y. Cho.
4
 * Kỹ thuật MBE chỉ có thể thực hiện được trong môi
trường chân không siêu cao (áp suất thấp hơn 10-9
Torr), do đó cho phép tạo ra các màng mỏng vật liệu
có độ tinh khiết rất cao. Điểm khác biệt cơ bản nhất
của MBE so với các kỹ thuật màng mỏng khác (ví dụ
như phún xạ, bốc bay nhiệt ) là các màng mỏng đơn
tinh thể được mọc lên từ lớp đế đơn tinh thể với tốc
độ cực thấp và có độ hoàn hảo rất cao. Vì thế, kỹ
thuật MBE cho phép tạo ra các siêu mỏng, thậm chí
chỉ vài lớp nguyên tử với chất lượng rất cao. Tuy
nhiên, chất lượng màng cũng như tốc độ tạo màng
phụ thuộc nhiều vào độ hoàn hảo của môi trường
chân không. Lớp đế bên dưới là đơn tinh thể, có tác
dụng như một mầm để lớp màng phát triển lên trong
quá trình ngưng đọng.
5
6
2 .Bốc bay nhiệt trong chân không:
 Bốc bay nhiệt (Thermal evaporation) hoặc

bốc bay nhiệt trong chân không là kỹ thuật
tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu
cần tạo trong môi trường chân không cao và
ngưng tụ trên đế (được đốt nóng hoặc không
đốt nóng). Kỹ thuật này đôi khi còn được gọi là
bay hơi trong chân không nhưng ít dùng hơn.
7
Sơ đồ nguyên lý hệ bay bốc nhiệt
8
9
* Ưu điểm, nhược điểm và những cải tiến gần đây:
 Phương pháp bay bốc nhiệt có ưu điểm là đơn giản,
và dễ tạo màng hợp chất vì khi làm bay hơi vật liệu thì
toàn thể hợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi do đó
màng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần của
vật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim).
 Nhược điểm lớn nhất là không thể tạo các màng quá
mỏng, khả năng khống chế chiều dày của phương
pháp này rất kém do tốc độ bốc bay khó điều khiển.
Đồng thời, rất khó khăn khi chế tạo các màng đa lớp
bằng phương pháp này.
 Gần đây người ta cải tiến phương pháp này như sử
dụng chùm điện tử để bay bốc, cải tiến tường bao
quanh nguồn đốt (phương pháp tường nóng) Tuy
nhiên tỉ lệ sử dụng phương pháp bay bốc nhiệt trong
kỹ thuật màng mỏng đang ngày càng ít.
10
3 . Phương pháp phún xạ:
 Phún xạ (Sputtering) hay Phún xạ catốt
(Cathode Sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng

mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng
bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc
dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia
vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử
này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.
11
Nguyên lý của quá trình phún xạ
12
* Ưu điểm và hạn chế của phún xạ catốt:
 Dễ dàng chế tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều
bia riêng biệt. Đồng thời, đây là phương pháp rẻ tiền,
và dễ thực hiện nên dễ dàng triển khai ở quy mô công
nghiệp.
 Độ bám dính của màng trên đế rất cao do các nguyên
tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao so
với phương pháp bay bốc nhiệt.
 Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp
thức gần với của bia, có độ dày chính xác hơn nhiều
so với phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không.
 Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việc
khống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức
tạp.  Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với độ
chính xác cao của phương pháp phún xạ không cao.
Hơn nữa, không thể tạo ra màng đơn tinh thể.
13
IV - HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ
KHỔNG LỒ GMR:
1 - Hiệu ứng từ điện trở:
* Từ điện trở (gọi tắt là từ trở) là tính chất của
một số vật liệu, có thể thay đổi điện trở suất

dưới tác dụng của từ trường ngoài. Hiệu ứng
này lần đầu tiên được phát hiện bởi William
Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự
thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này
được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường.
14
 Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên
độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức:
Hoặc:
 Với: ρ(H), ρ(0), R(H), R(0) lần lượt là điện trở suất và
điện trở tại từ trường H và từ trường H = 0.
 Và hoàn toàn tương tự ở công thức thứ hai: Hmax là
từ trường cực đại.
15
2 - Từ điện trở khổng lồ:
* Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant
magnetoresistance, viết tắt là GMR) là sự thay đổi
lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ
trường ngoài. Tên gọi gốc tiếng Anh của GMR là
"Giant magnetoresistance", dịch sang tiếng Việt còn
chưa thống nhất (giữa từ "lớn" hay "khổng lồ") do việc
so sánh với tên gọi một hiệu ứng từ điện trở khác có
tên tiếng Anh là "Colossal magnetoresistance" (Từ
"Colossal" có nghĩa còn lớn hơn với "Giant"). 
Những nhà nghiên cứu khoa học vật liệu, vật lý chất
rắn ở Việt Nam gọi tắt chung hiệu ứng này là GMR.
16
Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các siêu
mạng Fe/Cr phát hiện bởi nhóm của Albert Fert
17

- Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ
điện trở:
18
* Lịch sử của GMR:
 GMR là một hiệu ứng từ điện trở nhưng là một hiệu
ứng lượng tử khác với hiệu ứng từ điện trở thông
thường được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19. Hiệu ứng
này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1988:
+ Nhóm nghiên cứu của Albert Fert ở Đại học
Paris-11 trên các siêu mạng Fe(001)/Cr(001) cho tỉ số
từ trở tới vài chục %.
+ Nhóm nghiên cứu của Peter Grünberg ở Trung
tâm Nghiên cứu Jülich (Đức) phát hiện ứng này trên
màng mỏng kiểu "bánh kẹp" (sandwich) 3 lớp
Fe(12nm/Cr(1 nm)/Fe(12 nm) chế tạo bằng phương
pháp epitaxy chùm phân tử trên đế GaAs.
19
* Cơ chế của hiệu ứng GMR:
Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự
tán xạ của điện tử, và có các đóng góp cho sự
tán xạ này gồm:
 Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng
tinh thể - tán xạ trên phonon.
 Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính -
tán xạ trên magnon.
 Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể (defect).
 Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán
xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích
hiệu ứng CMR
20

Mô hình hai dòng của Mott để giải thích hiệu ứng GMR
21
* Ứng dụng của hiệu ứng GMR:
 Kể từ năm 1992, hiệu ứng GMR bắt đầu được ứng
dụng trong các đầu đọc dữ liệu của ổ đĩa cứng máy
tính thay cho các đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện
trở dị hướng cũ, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin.
Người ta sử dụng các màng mỏng valse-spin để cho
các ứng dụng này. Một ưu điểm khiến chúng dễ dàng
thay thế là khả năng chống nhiễu và chống ồn rất cao.
 Ứng dụng trong việc chế tạo các cảm biến từ trường
nhạy, các cảm biến đo gia tốc
 Một ứng dụng lớn nhất mở ra từ hiệu ứng này là việc
phát triển các linh kiện spintronics, các linh kiện điện
tử thế hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng
spin của điện tử. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ
điện trở chui hầm là hai trụ cột của spintronics.
22
Một ứng dụng của vật liệu từ trong công nghệ cao - ổ cứng