Nghiên cứu chế tạo màng mỏng có cấu trúc spin van

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Kiều Vân

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP
CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Kiều Vân

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP
CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN

Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội – Năm 2015

LỜI CẢM ƠN!
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Lê Tuấn Tú – người thầy
đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn. Cảm ơn thầy đã giúp em
lựa chọn đề tài, cung cấp cho em những thông tin, tài liệu cần thiết và nhiệt tình giải
đáp các vướng mắc trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài…
Em xin chân thành biết ơn sự dạy dỗ của tất cả các quý thầy cô Khoa Vật lý
– Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thầy, các cô
đã hết mình truyền đạt lại cho em những kiến thức cần thiết và bổ ích cho tương lai
sau này.
Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất em xin gửi tới gia đình
thân yêu – những người đã luôn sát cánh và động viên em trong suốt chặng đường
qua.
Hà Nội, ngày 06 tháng 07 năm 2015.
Sinh viên
Nguyễn Thị Kiều Vân


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH.....................................2
1.1. Màng mỏng. .....................................................................................................2
1.2. Dị hƣớng từ........................................................ Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Dị hướng hình dạng. ................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Dị hướng từ tinh thể. ................................ Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Dị hướng ứng suất. ................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng. ................ Error! Bookmark not defined.
1.3. Các vật liệu sắt từ.............................................. Error! Bookmark not defined.
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM). ........................... Error! Bookmark not defined.

1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ............. Error! Bookmark not defined.
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ. ....... Error! Bookmark not
defined.
1.5. Giới thiệu về hiện tƣợng trao đổi dịch. ........... Error! Bookmark not defined.
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch. .... Error! Bookmark not defined.
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. . Error! Bookmark not
defined.
1.5.3. Mô hình lý thuyết. .................................... Error! Bookmark not defined.
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch. .. Error! Bookmark
not defined.
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch. .......... Error! Bookmark not
defined.
1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van. ............ Error! Bookmark not defined.
1.7. Mục tiêu của luận văn. ..................................... Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........... Error! Bookmark not
defined.


2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phƣơng pháp phún xạ........ Error! Bookmark not
defined.
2.2.1. Cơ chế phún xạ. ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.2 . Các hệ phún xạ. ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM). ............................. Error! Bookmark not defined.
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM). ................................... Error! Bookmark not defined.
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X. .................................. Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................. Error! Bookmark not defined.
3.1. Màng mỏng NiFe. .............................................. Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM). ... Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD). ............ Error! Bookmark not defined.
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). .......... Error! Bookmark not defined.

3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn. ..................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Kết quả đo tính chất từ. ............................ Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Kết quả đo XRD. ...................................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn. ...................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). .......... Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ. Error! Bookmark not defined.
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ. .... Error! Bookmark not
defined.
KẾT LUẬN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình

1.1:

Ảnh

chụp

cắt

ngang

màng

mỏng

đa

lớp

Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au .............................................................................2
Hình 1.2: Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ ..........................................................6
Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ ..............................................................7
Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau ......8
Hình 1.5: Đường cong từ trễ của CoO được phủ các hạt Co tại 77 K sau khi được ủ
trong trường hợp không có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường bão hòa (2) .. 10
Hình 1.6: Cơ chế trao đổi dịch trong màng hai lớp FM/AFM ................................ 11
Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch ....................................... 13
Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trường trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày
lớp FM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tAFM = 50 nm ...................................................... 14
Hình 1.9: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày lớp
AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tFM = 7 nm ............................................................. 15
Hình 1.10: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin van .... 16
Hình 1.11: Mặt cắt ngang của màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ ....... 17
Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ ................................................. 19
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catot một chiều ..................................... 21
Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều ......................................... 22
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phún xạ magnetron ......................................... 23
Hình 2.5 : Hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và nguồn xoay chiều
tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội ...................................................................................................... 24
Hình 2.6: (a) Kính hiển vi điện tử quét; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét ... 25
Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung ( VSM); (b) Mô hình từ kế mẫu rung ........... 26


Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc cơ khí của hệ VSM ........................................................... 27
Hình 2.9: Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể ............................................................ 30

Hình 2.10: (a) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD);(b) Mô hình hệ đo nhiễu xạ tia X........ 31
Hình 3.1: Ảnh SEM của màng NiFe ........................................................................ 32
Hình 3.2: Hình ảnh nhiễu xạ tia X của màng NiFe ................................................. 33
Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề
mặt của màng ........................................................................................................... 34
Hình 3.4: Hình ảnh VSM của hệ NiFe/IrMn với tNiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm .......... 35
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe của màng NiFe/IrMn ...... 37
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe/IrMn ........... 37
Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X của các lớp NiFe/IrMn .................................................... 38
Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn ................................................ 39
Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe
nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) tNiFe = 9 nm, 12 nm… ........ 40

Hình 3.10: Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn khi
chiều dày lớp NiFe thay đổi ..................................................................................... 41
Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe .......................... 42
Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe (5 nm)/Cu (3
nm)/NiF (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) ............................................................................. 43
Hình 3.13: Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ của hệ có cấu trúc spin
van Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) ...... 44
Hình 3.14: Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc và từ trường trao đổi dịch Hex vào
chiều dày lớp IrMn của hệ Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn
(tIrMn nm)/Ta (5 nm) .................................................................................................. 45


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

Kí hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

AFM

Antiferromagnetic material

Vật liệu phản sắt từ

FM

Ferromagnetic material

Vật liệu sắt từ

GMR

Giant Magnetoresistive effect

Hiệu ứng từ trở khổng lồ

NM

Non – magnetic material

Vật liệu phi từ

SEM

Scanning Electron Microscopy

Hiển vi điện tử quét

VSM

Vibrating Sample Magnetometer

Từ kế mẫu rung

XRD

X – ray diffraction

Nhiễu xạ tia X


MỞ ĐẦU
Trong thời đại khoa học kỹ thuật hiện đại, các máy móc và thiết bị có xu
hướng thu nhỏ kích thước nhưng các tính chất và khả năng hoạt động không bị hạn
chế nhờ việc sử dụng các tính năng ưu việt, đặc biệt là ở dạng màng mỏng.
Lịch sử phát triển màng mỏng đã có rất lâu đời nhưng khi đó người ta chỉ
biết sử dụng nó vào mục đích dân dụng và trang trí. Sang đầu thế kỉ XX, màng
mỏng bắt đầu được quan tâm nhờ các tính chất đặc biệt và kích thước nhỏ bé để chế
tạo các thiết bị máy móc. Không chỉ có màng bán dẫn được quan tâm đặc biệt, mà
màng mỏng từ tính cũng đang rất được quan tâm. Trong những năm cuối thế kỉ XX,
màng mỏng từ tính đã trở thành mục tiêu nghiên cứu của nhiều phòng thí nghiệm
trên thế giới, đặc biệt là màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van…với nhiều ứng
dụng khác nhau trong tương lai. Một trong những ứng dụng điển hình đó là chế tạo
thiết bị ghi từ và lưu trữ thông tin.
Ở Việt Nam vào năm cuối những thập niên 90 thế kỷ XX, màng mỏng đã trở

thành lĩnh vực rất được quan tâm chú ý. Với nhiều trung tâm nghiên cứu, nhiều thiết
bị máy móc hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu màng mỏng được trang bị và
cũng đã thu được những kết quả đáng kể, đặc biệt là màng mỏng đa lớp có cấu trúc
spin van.
Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên cứu là
màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin – van Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta được chế tạo
bằng phương pháp phún xạ catốt.
Luận văn của em gồm 3 phần chính:
Chương 1: Tổng quan về màng mỏng từ tính.
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH
1.1. Màng mỏng.
Màng mỏng (thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho
chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài).
Chiều dày của một màng mỏng thay đổi từ vài nm đến một vài μm thông thường là
nhỏ hơn 1μm. Có hai loại màng mỏng:
 Màng đơn lớp: được cấu tạo bởi một lớp vật liệu mỏng chế tạo trên một đế.
Tính chất của màng được tạo ra từ lớp vật liệu đó (và có thể ảnh hưởng bởi tác động
của lớp đế).
 Màng đa lớp: là màng mỏng được cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu khác nhau,
xếp chồng lên nhau, được tạo ra nhằm thay đổi các tính chất của màng mỏng. Hình
1.1 cho ta thấy ảnh chụp cắt ngang của một màng mỏng đa lớp.

Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp
Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au.

2

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt.
1. Nguyễn Hữu Đức , (2003), Vật liệu từ liên kim loại, Nhà xuất bản Đại học Quốc
gia Hà Nội, Hà Nội.
2. Nguyễn Phú Thùy , (2003), Vật lý các hiện tượng từ, Nhà xuất bản Đại học Quốc
gia Hà Nội, Hà Nội.
3. Vũ Thị Huyền Trang, (2011), Nghiên cứu chế tạo dây Coban có kích thước nano
bằng phương pháp điện hóa, Khóa luận tốt nghiệp Đại học khoa Vật lý, Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
4. Vũ Thị Thanh, (2014), Ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng đọng lên
tính chất của dây nano, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
Tiếng Anh.
5. A. Aharoni, E.H. Frei, S. Shtrikman, (1956), ―Theoretical Approach to the
Asymmetrical Magnetization Curve‖, Journal of Applied Physics, Vol. 30
(12), pp. 1956-1961.
6. A.J. Devasahayam, P.J. Slides and M.H. Kryder, (1998), ―Magnetic temperature
and corrosion properties of the NiFe/IrMr exchange couple‖, J. Appl. Phys,
83, p. 7216.
7. A. Layadi, J.W. Lee, J.O. Artman, (1988), ―FMR and TEM studies of annealed
and magnetically annealed thin bilayer films‖, J. Appl, Phys, 63, p.3808.
8. C.P. Bean, (1960), in: C.A. Neugebauer, J.B. Newkirk, D.A. Vermilyea (Eds),
Structure and properties of Thin Films, Wiley, New York, p. 331.

3


9. D. Mauri, H.C. Siegmann, P.S. Bagus, E. Kay, (1987), ―Simple model for thin

ferromagnetic films exchange coupled to an antiferromagnetic substrate‖, J.
Appl Phys, 62, p. 3047.
10. G. Anderson, Y. Huai, L. Miloslawsky, (2000), ―CoFe/IrMn exchange biased
top, bottom, and dual spin valve‖, Journal of Applied Physics, p. 69896991.
11. I.S. Jacob, in: G.T. Rado, H. Suhl(Eds), (1963), Magnetism, Academic Press,
New York, p.271.
12. J. Adrian Devasahayam and H. Mark Kryder, (1999),―Biasing Materials For
Spin-Valve Read Heads‖, IEEE transaction on magnetics, vol.35(2), pp.
178 – 190.
13. J. Nogués, J. Sort, V. Langlais, V. Skumryev, S. Suriñach, J.S. Muñoz, M.D.
Baró, (2005), ―Exchange bias in nanostructures‖, J. Appl, Phys, 61, p.4255.
14. J. Nogues´, K.I. Schuller, (1998), ―Exchange bias‖, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 192 , p.203—232.
15. L. Jian-Ping, Q. Zheng-Hong, S. Yu-Cheng, BAI Ru, L. Jian-Lin, Z. Jian-Guo,
(2014), ―Effect of Magnetic Annealing on IrMn Based Spin Valve
Materials with SAF Structure‖, Journal of Inorganic Materials, Vol. 29(4),
pp. 411-416.
16. M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F. nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne,
G.

Creuzet,

A.

Friederich

and

J.

Chazelas,

(1989),

―Giant

Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic superlattices‖, Phys. Rev.
Lett, Vol. 61, pp. 2472-2475.
17. M.T. Johnson, P.J.H. Bloemen, F.J.A.

Broeder and J.J. de Vries, (1996),

―Magnetic anisotropy in metallic multilayers‖, Rep. Prog. Phys, 59, p.1409.
18. N.G. Chechenin, P.N. Chernykh, S.A. Dushenko, I.O. Dzhun, A.Y. Goikhman,
V.V. Rodionova, (2014), ―Asymmetry of Magnetization Reversal of Pinned

4


Layer

in

NiFe/Cu/NiFe/IrMn

Spin-Valve

Structure,

Journal

of

Superconductivity and Novel Magnetism‖, Phys. Rev. Lett, Volume 27(6),
19. P.S. Anil Kumar and J.C. Lodder, (2000), ―The spin valve transitor‖, J. D.
Phys.: Appl. Phys, 33, pp. 2911–2920.
20. S.J. Bludell, J.A.C. Bland, (1992), ―Polarized Neutron Reflection as a Probe of
Magnetic Films and Multilayers‖, Phys. Rev, p. 3391.
21. V.K. Sankaranarayanan, S.M. Yoon, C.G. Kim, C.O. Kim, (2005), ―Exchange
bias variation of the seed and top NiFe layers in NiFe/FeMn/NiFe trilayer
as a function of seed layer thickness‖, Journal of Magnetism and Magnetic
Materials, 286, pp. 196–199.

5