Tìm hiểu về màng mỏng và màng mỏng từ tính

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay màng mỏng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. Có
rất nhiều thiết bị có sử sụng công nghệ màng mỏng bao gồm: công cụ cắt, cấy
ghép y tế, các yếu tố quang học, mạch tích hợp. Các lớp chất bán dẫn cách điện
kim loại (MIS) tạo thành một cấu trúc hạ tầng cơ sở cho việc chế tạo ra các
thiết bị điện tử. Đây là lý do tại sao kiến thức về tính chất vật lý của màng mỏng
là rất quan trọng.
Màng mỏng là một lớp vật chất có cấu trúc siêu nhỏ cỡ micromet đến
nanomet. Do cấu trúc siêu nhỏ nên các tính chất của không gian tuần hoàn hầu
như biến mất mà nổi bật là các tính chất liên quan đến các hiệu ứng vi cấu trúc
với điều kiện biên được chú ý.
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. Ví dụ cùng một phương pháp phún xạ Catot, ta có thể tạo
ra màng tinh thể hoặc vô định hình chỉ với việc thay đổi áp suất khí, thay đổi
công suất phún xạ catốt, thay đổi nhiệt độ đế… hay cùng một loại màng hợp
kim như Permalloy, ta có thể tạo ra màng mỏng permalloy có cấu trúc lập
phương tâm mặt bằng phương pháp phún xạ catot, hoặc cũng có thể tạo ra màng
đơn tinh thể có cấu trúc lục giác xếp chặt nếu tạo bằng phương pháp Epitaxy
chùm phân tử.
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 (ví dụ Si, MgO, Ge, GaAs, thạch

1


anh…). Các kĩ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỉ
19, cho đến thời điểm hiện tại, có rất nhiều phương pháp được dùng theo mục
đích và điều kiện kinh tế, kỹ thuật: Kỹ thuật mạ điện, kỹ thuật phun tĩnh điện,
bay bốc nhiệt trong chân không, phún xạ Catot, Epitaxy chùm phân tử, lắng

đọng hơi hóa học (CVD), lắng đọng chùm laser, phương pháp sol-gel.
Màng mỏng từ tính và tính chất của nó đã thu hút rất nhiều sự quan tâm
chú ý của nhiều nhà khoa học trong suốt 30 năm qua. Băng ghi âm là 1 trong
những ứng dụng của màng mỏng này. Kĩ thuật màng mỏng từ tính ngày càng
hoàn thiện khi chế tạo ra các màng từ có bề dày từ micro đến nano mét nhưng
khả năng lưu trữ, tính bền vững và tốc độ lưu trữ ngày càng cao.
Từ những năm 1960 người ta đã nghiên cứu các màng mỏng từ ba lớp
gồm hai lớp sắt từ kẹp giữa là một lớp cách không từ

, ví dụ như các hệ màng

mỏng 3 lớp (Fe/Cu/Fe-Co) hay hệ (Fe-Ni-Co/SiO/Fe-Ni-Mo). Năm 1978, lần
đầu tiên hãng Phillips mới thực hiện chế tạo màng mỏng từ đa lớp bằng phương
pháp phún xạ chùm ion.
Phạm vi nghiên cứu hệ màng mỏng chủ yếu tập trung vào tính chất từ. Ở
các màng mỏng đa lớp , các lớp sắt từ liên kết với nhau thông qua lớp kim loại
phi từ có đặ c tí nh dao động giữa kiểu phản sắt từ và sắt từ theo chiều dày của
lớp kim loại phi từ.
Trong thời đại mà khoa học kĩ thuật đã trở thành một lực lượng sản xuất
trực tiếp cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật ngày càng cao mà tính
chất màng mỏng và màng mỏng từ tính đã nhận được rất nhiều sự quan tâm chú
ý của các nhà khoa học. Đã nghiên cứu chế tạo ra các thiết bị điện tử ứng dụng
trong thực tiễn.

2


Với những lý do nêu trên mà em quyết định chọn đề tài khóa luận: “Tìm
hiểu về màng mỏng và màng mỏng từ tính”.
Mục đích nghiên cứu:

Tìm hiểu về màng mỏng, màng mỏng từ tính, phương pháp chế tạo màng
mỏng cũng như ứng dụng của màng mỏng từ tính.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
Nghiên cứu tổng quan về màng mỏng và màng mỏng từ tính cũng như
phương pháp chế tạo của chúng và ứng dụng trong kĩ thuật.
Đối tƣợng nghiên cứu
Vật liệu từ, màng mỏng từ.
Hiệu ứng của GMR trên màng mỏng từ.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu, xử lý tài liệu.
Nội dung của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn gồm 4
chương:
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR.
Chương 3: Phương pháp chế tạo.
Chương 4: Ứng dụng màng đa lớp có hiệu ứng GMR và màng từ.

3


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.

Màng mỏng
Màng mỏng là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày

nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại. Khái niệm “mỏng” trong màng mỏng
rất đa dạng, có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng
micromet. Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung

bình của điện tử hoặc của các chiều dài tương tác thì tính chất của màng mỏng
hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối.
Hiệu ứng thay đổi tính chất rõ rệt nhất về tính chất của màng mỏng là hiệu
ứng bề mặt. Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ
chiếm tỉ lệ đáng kể với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên
quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở lên quan trọng làm cho tính
chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ví
dụ như trong các vật liệu sắt từ, ở vật liệu dạng khối, dị hướng từ tinh thể ảnh
hưởng rất lớn đến tính chất từ, nhưng khi chế tạo ở các màng đủ mỏng, dị hướng
từ tinh thể có thể biến mất mà thay vào đó là dị hướng từ bề mặt.
Màng đơn lớp (tiếng Anh: Single-layer film) là màng mỏng chỉ gồm một
lớp vật liệu được chế tạo trên một lớp đế. Tính chất của màng được tạo ra từ lớp
vật liệu đó (và có thể ảnh hưởng bởi tác động từ lớp đế).
Màng mỏng đa lớp là một hệ nhiều màng mỏng của các chất liệu khác
nhau ghép tiếp xúc (Xem hình vẽ). Trong hệ màng đa lớp, sự khác nhau của vật
liệu cũng như tính chất và sự tương tác giữa các lớp đã mang lại nhiều tính chất
quý báu trong đó có các tính chất liên quan đến hiệu ứng từ điện trở. Các màng
đa lớp được quan tâm nhiều nhất là các màng mỏng đa lớp kim loại, gần đây có

4


sự nghiên cứu màng đa lớp bán dẫn. Màng có cấu trúc dạng hạt tạo bởi hạt hóm
các hạt tạo thành một lớp, đây là màng có kích thước cỡ hạt.
Khi chú ý tới tính chất chuyển dời của
điện tử qua các lớp người ta nhận thấy chiều
dày của lớp không từ quyết định liên kết
giữa hai lớp sắt từ gần nhau nhất: liên kết
sắt từ và phản sắt từ. Từ đó đo đạc điện trở
của hệ màng đa lớp ở cả hai kiểu liên kết thu

được kết quả rất thú vị: điện trở của chúng
sai khác nhau rõ rệt. Tỷ số điện trở hai loại
liên kết đạt cỡ 50% ở nhiệt độ T=4,2 K cho
hệ [Fe(30Å)/Cr(9Å)]40. Hiệu ứng này cho

Hình 1.1: Cấu trúc của một màng
từ đa lớp

kết quả lớn hơn một bậc so với hiệu ứng từ điện trở kim lọai sắt từ(AMR) nên
được gọi là từ điện trở khổng lồ (GMR-Giant Magneto Resistance).
Với kết quả này hàng loạt các hệ từ của màng đa lớp đã được nghiên cứu
để nâng cao tính chất cũng như khả năng điều khiển các tính chất - điều tối quan
trọng cho việc ứng dụng vào thực tế. Bắt đầu từ những năm 1990 hàng loạt các
ứng dụng của GMR đã ra đời như đầu đọc từ chính xác cao, bộ nhớ, vật liệu từ
tính cao…Công ty máy tính IBM đã đi đầu việc ứng dụng hiệu ứng GMR chế
tạo thành công ổ cứng siêu nhỏ nâng cao hiệu năng của máy tính cá nhân.
1.2.

Màng mỏng từ tính.
Màng vật liệu từ tính có trạng thái vật lý ở thể rắn là với chiều dày khoảng

vài µm (nhỏ hơn 5µm). Còn được biết với tên gọi màng sắt từ hay màng từ.
Màng từ có thể là đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình hoặc đa lớp.

5


Ứng dụng bao gồm các lĩnh vực bộ lưu trữ quang từ, đầu ghi cảm ứng,
cảm biến từ trở, trong các thành phần xử lý và lưu trữ của máy tính. Màng mỏng
từ tính và tính chất của nó đã thu hút rất nhiều sự quan tâm chú ý của nhiều nhà

khoa học trong suốt 30 năm qua. Băng ghi âm là một trong những ứng dụng của
màng mỏng này. Kĩ thuật màng mỏng từ tính ngày càng hoàn thiện khi chế tạo ra
các màng từ có bề dày từ micro đến nano mét nhưng khả năng lưu trữ, tính bền
vững và tốc độ lưu trữ ngày càng cao.
1.3.

Phân loại vật liệu sắt từ
Vật liệu sắt từ được chia làm hai

loại:
1.3.1. Vật liệu sắt từ mềm
Đặc điểm:
- Dễ bị từ hóa
- Sắt từ mềm có đường trễ hẹp.
- Từ độ bão hòa rất cao, có độ từ
thẩm lớn.

Hì
nh 1.2: Đường cong từ trễ của vật liệu
* Ứng dụng: Làm nam châm điện,
từ mềm và một số thông số trên đường
động cơ, máy biến thế rơle.
trễ.

6


1.3.2. Vật liệu sắt từ cứng

Hình 1.3: Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng

Đặc điểm:
- Khó từ hóa và khử từ.
- Sắt từ cứng có độ từ trễ rộng.
- Từ độ bão hòa thấp.
* Ứng dụng: Ổ ghi thông tin.

7


1.3.3. Một số vật liệu sắt từ mềm
 Tôn Silic: Là hợp kim của sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), hoặc chứa thêm
khoảng 5,4% nhôm (Al), còn được gọi là hợp kim Sendust, là một trong
những vật liệu sắt từ mềm được dùng phổ biến nhất có độ cứng cao, có độ từ
thẩm cao và tổn hao trễ thấp. Tuy nhiên vật liệu này trên nền kim loại, nên có
điện trở suất thấp, do đó không thể sử dụng ở tần số cao do sẽ làm xuất hiện
tổn hao xoáy lớn.
 Hợp kim Permalloy: Là hợp kim của Niken (Ni) và sắt (Fe), có lực kháng từ
rất nhỏ, độ từ thẩm rất cao (vật liệu Ni75Fe25 có độ từ thẩm ban đầu lớn tới
10000), có độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn cao. Tuy nhiên,
permalloy có từ độ bão hòa không cao.
 Hợp kim FeCo: là các hợp kim từ mềm có rừ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie
cao. Các vật liệu gồm ferrite: là hợp chất của ôxit Fe (Fe2O3) với một ôxit
kim loại hóa trị 2 khác, có công thức chung là Mo. Các ferrite mang bản chất
gốm, nên có điện trở suất cao nên tổn hao dòng xoáy của ferrite rất thấp, được
dùng cho các ứng dụng cao tần và siêu cao tần.
 Hợp kim vô định hình và nano tinh thể: Là các hợp kim nền sắt hay coban
(Co), ở trạng thái vô định hình, do đó có điện trở suất cao hơn rất nhiều so
với các hợp kim tinh thể, đồng thới có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học
cao, và có thể sử dụng ở tần số cao hơn so với các vật liệu tinh thể nền kim
loại. Vật liệu vô định hình không có cấu trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng

từ tinh thể vì nó có tính chất từ mềm rất tốt. Dựa vào các tính chất cũng như
các loại vật liệu từ mềm điển hình mà các nhà nghiên cứu chế tạo được màng
từ mềm. Màng từ mềm với từ độ bão hòa cao và lực kháng từ nhỏ cỡ 10Oe

8


được làm từ hợp chất (FeO.65CoO.35)91.2Zr1.8O7 hiện được làm đầu ghi
trong hệ thống lưu trữ thông tin từ tính.
1.3.4. Một số vật liệu sắt từ cứng
 Hợp kim AlNiCo: Là hợp kim được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu, có
thành phần chủ yếu là nhôm (Al), niken (Ni) và côban (Co), có thể có thêm
các thành phần phụ gia như đồng (Cu), titan (Ti), … Hợp kim nay có từ dư
cao, nhưng có lực kháng từ nhỏ (thường không vượt quá 2kOe) và có giá
thành cao.
 Vật liệu từ cứng ferrite:

Là gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari

(BaFexO), stronsti (SrFexO) và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ
lanthannium (La)) để cải thiện thiện tính từ cứng.
 Các loại vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp- đất hiếm: Điển hình là 2
hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samaium- Cobalt), là các vật liệu từ cứng
tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có
thể đạt tới trên 10kOe và có từ độ bão hào cao nhất trong các vật liệu từ cứng,
do đó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu có lực kháng
từ lớn nhất (có thể đạt tới 40kOe), và có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm
nhiệt độ cao).
Tuy nhiên nhược điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không
cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành caodo các nguyên

tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không
cao lắm (312 độ C) nên không sử dụng ở điều kiên khắc nghiệt được. Nam
châm đất hiếm có tích lũy năng lượng từ kỉ lục là NdFe14B đạt tới 57MGOe.
 Hợp kim FePt và CoPt: Bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1950. Hệ
hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự

9


hóa học L10, có ưu điểm là lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn,
chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay đang được sử dụng làm vật
liệu ghi từ trong các ổ cứng.
Màng từ cứng đa lớp NdFeB va SmO được tạo ra từ phương pháp lắng đọng
trên đế được nung nóng (heated substrates) với pha phù hợp, cấu trúc vi mô,
kết cấu vi mô và tính chất từ của chúng đã được nghiên cứu. Bằng cách chọn
vật liệu nền thích hợp, nhiệt độ của đế và chiều dày của màng mỏng, màng
NdFe14B có thể đạt được lực kháng từ khoảng từ 1.5T đến 2T. Chúng được
ứng dụng chủ yếu trong chế tạo đĩa cứng.

10


CHƢƠNG 2: HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ GMR
2.1. 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 Kenvin) vào năm 1865 với sự thay đổi
điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường.
 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.

11


2.2. Từ điện trở khổng lồ
2.2.1. Giới thiệu chung

Hình 2.1: Cấu trúc bên trong của đầu từ
Trên đây là mô phỏng cấu trúc bên trong của một đầu từ, trong đó có một
đầu đọc từ cỡ nano sử dụng hiệu ứng GMR.
Trên trang web của hãng IBM (www.ibm.com) có viết một đoạn như sau
(năm 1997): “Đối với nhiều người mười năm chỉ đơn giản là một thập kỉ nhưng
đối với việc nghiên cứu của hãng IBM, mười năm là một cuộc cách mạng. Và
cuộc cách mạng đó có tên gọi là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR). Mười
năm trước đây nó thậm trí chưa được phát hiện ra. Nhưng bây giờ, sau những
nghiên cứu và phát triển căng thẳng GMR đã tạo ra một thị trường rộng lớn khi
được dùng trong những ổ đĩa 16,8 (GB) cho máy tính để bàn với một cấu trúc từ
điện trở đặc biệt được phát triển tại IBM là van spin”. Van spin là một cấu trúc
từ hoạt động theo hiệu ứng GMR.

12

GMR là viết tắt của cụm từ Giant Magnetonghiax là hiệu ứng từ điện trở
khổng lồ được cho là phát hiện đầu tiên vào năm 1988 bởi Peter Greenberg ở
viện nghiên cứu KFA, Julich, Đức và Albert Fert ở trường đại học Pari một cách
độc lập với nhau và đánh dấu một bước phát triển mới trong spintronics, một
nhánh của điện tử học nghiên cứu hành vi phân biệt spin của dòng electron trong
các vật liệu điện tử. Greenberg đo được chỉ số MR là 6% ở nhiệt độ phòng, còn
Fert là 50% owr 4,2K mặc dù có tài liệu cho thấy rằng thực tế có những thí
ngiệm đã được thực hiện từ những năm 60, 70 trên các màng mỏng từ ba lớp và
đa lớp. Sự kiện này lập tức thu hút sự chú ý của các nhà khoa học quan tâm đến
vấn đề này trên khắp thế giới và các phòng thí nghiệm ở các công ty sản xuất các
thiết bị điện tử liên quan đến hiệu ứng điện trở, trong đó có công ty IBM là nhà
sản xuất ổ đĩa cứng hàng đầu trên thế giới vì trước đó chỉ số này đạt được cao
nhất là 2,5%(ở hợp kim Permaloi rất đắt tiền). Các bộ não của IBM bắt đầu lao
vào nghiên cứu và nhanh chóng biến hiệu ứng này thành một lợi thế cạnh tranh
đem lại lợi nhuận siêu ngạch cho công ty. Điều này cũng cũng là bình thường
trong thời đại mà khoa học kĩ thuật đã trở thành một lực lượng sản xuất trực tiếp.
Đầu lọc từ là một trong những ứng dụng nổi bật nhất của hiệu ứng GMR,
giúp cho công nghệ thông tin phát triển thêm một bước rất lớn trong việc lưu trữ
thông tin. Nhờ nó mà đầu đọc có thể thể đọc được thông tin chính xác hơn trong
một không gian nhỏ hơn nhiều so với trước đây khi người ta dùng hiệu ứng từ
điện trở dị hướng(AMR) để chế tạo đầu từ MR. Do đó, với kĩ thuật vi điện tử đã
rất phát triển người ta có thể tăng mật độ thông tin trên một đơn vị diện tích lên
rất nhiều phù hợp với khả năng phân giải cao của đầu đọc GMR.
Sau đây là một thống kê về sự phát triển của ổ đĩa cứng từ năm 1991 đến
2001:

13

Bảng 1: Bảng thống kê sự phát triển của ổ đĩa cứng từ năm 1991 đến năm
2001.
Năm

Mật độ (Gbit/in2) Tên sản phẩm

Loai đầu từ

1991

0,132

Corsair

MR

1992

0,260

Allicat

MR

1993

0,345

Spitfire

MR

1994

0,578

Ultrastar XP

MR

1995

0,829

Ultrastar 2XP

MR

0,923

Travelstar 2LP

1,32

Travelstar 2XP

1,45

Travelstar VP

2,64

Travelstar 5GS

MR

2,68

Deskstar 16GP

GMR

3,12

Travelstar 8GN

MR

3,74

Travelstar 6GT

GMR

4,1

Deskstar 25GP

GMR

1996

1997

1998

14

MR


5,7

Travelstar 6GN

GMR

5,3

Deskstar 37GP

GMR

10,1

Travelstar 18GT

GMR

2000

7,04

Ultrastar 72ZX

GMR

2001

29,7

Travelstar

GMR

1999

120XP

28

Travelstar 60GH

34

GMR
GMR

Travelstar 40GN

Qua bảng này ta thấy rằng từ năm 1997 đầu từ GMR đã được đưa vào sử
dụng có mật độ là 26,8 (Gbit/in2), và đến năm 2001 thì mật độ thông tin đã là 34
(Gbit/in2), tăng 14 lần.
Như vậy GMR mới chỉ được phát hiện gần đây nhưng đã nhanh chóng
được áp dụng trong thực tế. Cuộc cách mạng trong thực tiễn của hãng IBM được
tiến hành dựa trên cuộc cách mạng về cấu trúc vật liệu từ mà trong đó diễn ra
một cơ chế vật lý hoàn toàn mới về chất so với những cấu trúc trước đây. Và
trong lĩnh vực này thực tiễn phát triển kỹ thuật diễn ra với tốc độ nhanh hơn rất
nhiều so với lý thuyết do nhu cầu của sản xuất.
2.2.2. GMR là gì?
a) Khái niệm:
Từ điện trở khổng lồ (GMR) là hiệu ứng điện trở gây ra bởi sự tán xạ phụ
thuộc spin hoặc xuyên hầm của điện tử trong các cấu trúc từ dị thể.

15


Hiệu ứng trở (MR) nói chung là
hiện tượng điện trở của vật liệu thay
đổi khi có tác động của từ trường ngoài
vào vật liệu. Hiện tượng này liên quan
đến sự tác động của từ trường đến
chuyển động của các điện tử. Điện trở
trong các kim loại bình thường phi từ
tính và các chất bán dần chỉ phụ thuộc
vào sự tán xạ của điện tử với các dao
động mạng và do đó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, mật độ vật chất và nồng độ
hạt dẫn thể hiện hiệu ứng MR rất yếu vì sự tác động của từ trường ngoài chỉ tác
động trực tiếp vào các điện tử dẫn.
Với những vật liệu có từ tính, và hơn nữa vớ những cấu trúc có kích thước

nhỏ hơn cỡ nano và được sắp xếp

Hình 2.2: Sự phụ thuộc của điện trở R
vào từ trường H
đặt ra khác hẳn. Từ tính nội tại của vật liệu từ tác động dến sự chuyển động của
một cách nào đó thì vấn đề được

điện tử dẫn và khi có tác động của từ trường nhỏ từ tính nội tại của vật liệu thay
đổi rất mạnh, và đến lượt từ trường nội tại này tác động lên các chuyển động của
các điện tử dẫn. Điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi đáng kể điện trở của vật liệu.
Tùy theo bản chất, cấu trúc của vật liệu mà hiệu ứng này sẽ xảy ra theo các cơ
chế vật lí khác nhau và thể hiện nhiều hay ít.
Để đặc trưng cho sự thay đổi về lượng, ta dùng tỉ lệ tương đối:
MR = (  /  (0) ).100 (%) =( (  ( H )   (0)) /  (0) ).100 (%).

16


Trong hiệu ứng GMR các điện tử trong hệ hệ được đối xử với tư cách là
các spin ở một trong hai trạng thái “up” và “down”. Spin “up” là định hướng
spin phản song song với momen từ của cấu trúc từ trong hệ. Kết quả là có sự
phân biệt dòng spin “up” và dòng “ down”.
Tán xạ phụ thuộc spin là hiện tượng các điện tử có spin khác nhau sẽ tán
xạ với xác xuất khác nhau khi chuyển động trong môi trường có mômen từ định
hướng xác định. Xác suất tán xạ đối với điện tử có spin định hướng song song
với từ độ của môi trường thấp hơn nhiều so với điện tử có spin đối song với nó.
Tán xạ có thể xảy ra trong lòng mỗi cấu trúc sắt từ hay trên bề mặt tiếp
xúc giữa các cấu trúc phi từ, riêng đối với GMR tán xạ tại bề mặt tiếp xúc là cơ
chế cơ bản.
2.2.3. 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 GMR.
2.2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu ứng GMR
 Ảnh hƣởng của các cấu trúc và tạp chất:

17


- Bề mặt phân cách: yếu tố này đóng vai trò cơ bản trong hiệu ứng
GMR vì quá trình tán xạ phụ thuộc spin diễn ra chủ yếu ở đây. Yếu tố này
phụ thuộc vào phương pháp chế tạo, vật liệu làm đế và nhiệt độ đế khi hình
thành màng mỏng, tạp chất trong các lớp, đặc biệt là tạp chất ở bề mặt phân
cách giữa các lớp từ và không từ, …
- Tạp khối: là tạp chất trong bản thân các lớp từ. Sự tán xạ phụ thuộc spin
cũng có sự tham ra của tạp khối, đặc biệt là khi không có tán xạ bề mặt.
- Tạp chất trong màng đa lớp: Khi pha tạp có chọn lọc ở trong lớp từ
hoặc xen giữa các bề mặt tiếp xúc lớp từ và lớp phi từ đã ẫn đến có thể làm
đảo ngược hành vi của GMR, gây ra hiệu ứng GMR ngược, nghĩa là điện trở
tăng khi có từ trường trong khi ở hiệu ứng GMR điện trở giảm khi từ trường
ngoài tăng.
 Ảnh hưởng bề dày các lớp GMR:
Yếu tố này liên quan đến liên kết trao đổi giữa các màng mỏng từ trong cấu
trúc đa lớp gọi là liên kết từ. Thực nghiệm cho thấy rằng khi bề dầy lớp phi từ
trong cấu trúc đa lớp thay đổi thì hệ từ dao động từ trạng thái sắt từ sang phản sắt

từ rồi ngược lại với biên độ tỷ lệ nghịch với sự biến thiên của bề dày lớp phi từ điều này cũng dẫn đến sự thay đổi hệ số GMR. Khi bề dày lớp phi từ lớn hơn
quãng đường tự do trung bình của điện tử, giữa hai lớp sắt từ cạnh nhau có sự
liên kết từ với nhau thông qua lớp phi từ. Ta sẽ có liên kết sắt từ khi từ độ của
hai lớp từ kề nhau có từ độ định hướng song song, và liên kết phản sắt từ cho
trường hợp đối song tùy theo chiều dày của lớp phi từ. Cường độ liên kết tỉ lệ
nghịch với bình phương khoảng cách:
J(r)



sin(2kFr)/r2.

18


 Nhiệt độ môi trường:
Người ta đã tìm hiểu rất nhiều về vấn đề này vì có liên quan tới hiệu ứng
GMR. Ở nhiệt độ càng thấp, tỷ số GMR càng cao. Khi nhiệt độ tăng lên, tỷ số
này giảm xuống và đến một mức nào đó sẽ tới zero do cấu trúc lớp biến mất sau
khi nóng chảy. Điều này được giải thích dựa vào sự thăng giáng của lớp spin
điện tử và sự thăng giáng momen từ của các lớp từ khi tăng nhiệt độ: ở nhiệt độ
càng thấp thì thăng giáng càng nhỏ và do đó tỷ số GMR cao.

19


CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO
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 (ví dụ: Si, MgO, Ge, GaAs, thạch
anh …). Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỉ

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.
Một số phƣơng pháp chính thƣờng dùng để chế tạo màng mỏng 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 màng 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).
3.1.1. Đặc điểm.
Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam epitaxy viết tắt là MBE) là thuật
ngữ chỉ một kĩ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng chùm 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. Athur và AlfredY. Cho.

20


3.1.2. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của phƣơng pháp epitaxy.
Kĩ thuật MBE chỉ có thể thực hiện được trong môi trường chân không
siêu cao (áp suất thấp hơn 10-9 Tor), 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 hơi nhiệt …) là các màng

mỏng đơn tinh thể được mọc lên từ lớp

Hình 3.1: Kĩ thuật MBE

đế đơn tinh thể với tốc độ cực thấp và
có độ hoàn hảo rất cao. Vì thế kỹ thuât MBE cho phép ta tạo ra các màng siêu
mỏng, thậm chí chỉ vài lớp nguyên tử với chất lượng rất cao. Tuy nhiên, chất
lượng màng cũng như tốc độ 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.
3.2. Bốc bay nhiệt trong chân
không.
3.2.1. Đặc điểm.
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
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay
21

hơi nhiệt

chân không cao và ngưng tụ trên đế I (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.
Phương pháp này dùng trong một nguồn nhiệt đủ mạnh để làm nóng chảy
và bốc bay hoặc thăng hoa các nguyên tử được đặt trong một cái nồi hoặc cái gì
đó tương tự để đựng, dưới dạng thanh hoặc khối. Tất cả được đặt trong một
buồng chân không có chân không đủ lớn để các nguyên tử kim loại trong quá
trình lắng đọng lên đế không bị va chạm với các phân tử khác. Nhiệt độ có thể
điều khiển bằng cường độ dòng điện dùng để nuôi nguồn nhiệt.
3.2.2. Ƣu điểm, nhƣợc điểm phƣơng pháp bốc bay nhiệt trong chân không.
 Phương pháp bốc bay nhiệt có ưu điểm 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 hợp kim).
 Nhược điểm lớn nhất là không thể tạo ra 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 màng đa lớp bằng phương
pháp này.
 Gần đây người ta cải biến 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 kĩ thuật màng mỏng
đang ngày càng ít.
3.3. Phƣơng pháp phún xạ.
3.3.1. Đặc điểm.
Có 2 phƣơng pháp phún xạ:
22


a) Phún xạ cao tần (phún xạ catốt)
Phương pháp này dựa trên việc bốc bay các nguyên tử kim loại bằng các hạt

có năng lượng cao. Người ta thường dùng khí Ar có áp suất phù hợp để khi bị
ion hóa do điện áp cao tần giữa anốt và catốt, nơi có gắn các bia chứa kim loại.
Các ion Ar+ được gia tốc
mạnh bằng điện trường về
phía Catốt, nơi có gắn các
bia chứa kim loại. Các ion
Ar+ bắn phá tia làm bật ra
các nguyên tử hoặc một
nhóm nguyên tử kim loại
trên đế. Nhờ trọng trường,
các nguyên tử này lắng
đọng trên bia gắn ở anốt
phía dưới sau khi tìm thấy
vị trí có năng lượng bề mặt

Hình 3.2: Nguyên lý của quá trình phún xạ

phù hợp.
Chất lượng màng mỏng phụ thuộc vào áp suất khí, thiên áp cho anốt, thời
gian phún xạ, và công suất phún xạ.
b) Phún xạ dòng ion:
Phương pháp này cũng dựa trên việc dòng ion bắn phá bia kim loại để hóa
hơi các kim loại, nhưng khác ở chỗ hơi kim loại được tạo thành lại là các ion nhờ
dòng ion sơ cấp. Dòng ion sơ cấp được tạo ra trong một bộ phận đặc biệt gọi là
súng ion. Dòng này có năng lượng đủ lớn để vừa ion hóa hơi kim loại vừa ion

23


hóa chúng thành các ion thứ cấp. Các ion kim loại sẽ được gia tốc nhờ điện

trường đi về phía catốt và ở đây chúng bị trung hòa về điện và lắng đọng trên đế
tạo thành màng mỏng. Cấu trúc của máy phún xạ dòng ion được minh họa bên
dưới.

Hình 3.4: Cấu trúc của máy phún xạ dòng ion
3.3.2. Ƣu điểm, nhƣợc điểm phƣơng pháp phún xạ:
 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 các 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.

24


 Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việc khống chế thành phần
với bia tổ hợp trở lên phức tạp. Khả năng tạo ra 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.
3.4. Lắng đọng hơi hóa học (CVD).
3.4.1. Đặc điểm.
Lắng đọng hơi hóa học là một phương pháp mà nhờ đó vật liệu rắn được
lắng đọng từ pha hơi thông qua các phản ứng hóa học xảy ra ở gần bề mặt đế
được nung nóng.
Trong VCD vật liệu rắn thu được là dạng phủ lớp, bột hoặc đơn tinh thể.
Bằng cách thay đổi điều kiện thí nghiệm, vật liệu đế, nhiệt độ đế, thành phần cấu
tạo của hỗn hợp khí phản ứng, áp suất … có thể đạt được những đặc tính khác

nhau của vật liệu.
Điểm đặc biệt của công nghệ CVD là có thể tạo được màng với độ dày
đồng đều và ít bị xốp ngay cả khi hình dạng đế phức tạp, một điểm đặc trưng
khác của CVD là có thể lắng đọng chọn lọc, lắng đọng giới hạn trong một khu
vực nào đó có trang trí hoa văn. VCD được sử dụng để chế tạo nhiều loại màng
mỏng. Ví dụ để chế tạo các loại màng ứng dụng trong công nghệ vi điện tử như:
màng cách điện, dẫn điện, lớp chống gỉ, chống ôxi hóa và lớp epitaxy. Chế tạo
sợi quang chịu nhiệt, và có độ bền tốt, sử dụng được với những vật liệu nóng
chảy ở nhiệt độ cao và chế tạo pin mặt trời, sợi composit nhiệt độ cao, các vật
liêu siêu dẫn ở nhiệt độ cao.

25