Luận văn nghiên cứu chế tạo màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin vna

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG 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


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG 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:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội

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.
Sinh viên
Nguyễn Thị Kiều Vân


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................11
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH......................................................12
1.1. Màng mỏng..................................................................................................................12
1.2. Dị hướng từ.................................................................................................................13
1.2.1. Dị hướng hình dạng........................................................................................................................13
1.2.2. Dị hướng từ tinh thể.......................................................................................................................14
1.2.3. Dị hướng ứng suất..........................................................................................................................14
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.......................................................................................................15

1.3. Các vật liệu sắt từ.........................................................................................................16
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM)...........................................................................................18

1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ..................................................................................................18
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ...............................................................................19

1.5. Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch..........................................................................20
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch............................................................................................20
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM..........................................................................21
1.5.3. Mô hình lý thuyết............................................................................................................................23
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch...................................................................25
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch...................................................................................27

1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van.............................................................................27
1.7. Mục tiêu của luận văn...................................................................................................28

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM..............................................................1
2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ.............................................................1
2.2.1. Cơ chế phún xạ.................................................................................................................................1
2.1.2 . Các hệ phún xạ.................................................................................................................................2

2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM)..............................................................................................6
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM)....................................................................................................8
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X.................................................................................................11

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................................14
3.1. Màng mỏng NiFe..........................................................................................................14
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM)...........................................................................................14
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)......................................................................................................15
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM)..................................................................................................17


3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn...................................................................................................17

3.2.1. Kết quả đo tính chất từ...................................................................................................................18
3.2.2. Kết quả đo XRD...............................................................................................................................21

3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn.....................................................................................22
3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM)..................................................................................................23
3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ......................................................................................25
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ............................................................................27

KẾT LUẬN......................................................................................................................30
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................31


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 H ex 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 t NiFe = 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 (t NiFe
nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) t NiFe = 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 H ex
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 (t IrMn nm)/Ta (5 nm)
................................................................................................................................
44
Hình 3.14: Sự phụ thuộc của lực kháng từ H c và từ trường trao đổi dịch H ex 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.


Chương 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/I

rMn/CoFeB/
Ta/Cu/Au.

Hiện
nay,

màng

mỏng

đang

là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý chất
rắn…với nhiều khả năng ứng dụng to lớn trong đời sống hàng ngày, trong sản


xuất… [7,16, 20].
1.2. Dị hướng từ.

Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có một định hướng ưu tiên dọc
theo một hướng nào đó của tinh thể. Ta gọi đó là hiện tượng dị hướng từ. Nói cách
khác, dị hướng từ là sự phụ thuộc có hướng của các tính chất từ của vật liệu. Khi từ
hóa theo hướng ưu tiên đó rất dễ đạt được trạng thái bão hòa nên hướng đó được gọi
là trục dễ từ hóa. Ngược lại, khi từ hóa theo hướng khác, trạng thái bão hòa rất khó
mà đạt được. Các hướng này là các trục từ hóa khó [1].
1.2.1. Dị hướng hình dạng.
1.2.1.1. Dị hướng hình dạng của mẫu elip tròn xoay.
Dị hướng này phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu. Dị hướng
hình dạng có thể được định nghĩa một cách đơn giản là sự khác nhau về năng lượng
khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắt từ. Ví dụ, một mẫu

hình trụ có năng lượng tĩnh từ theo phương vuông góc với trục hình trụ lớn hơn so
với năng lượng tĩnh từ dọc theo trục hình trụ. Đó là vì khi từ hóa theo phương
vuông góc, trường khử từ rất lớn; còn khi từ hóa theo phương song song trường khử
từ nhỏ hơn rất nhiều. Do đó, từ độ có xu hướng dọc theo trục hình trụ đề giảm năng
lượng tĩnh từ [1].
Đối với một mẫu sắt từ hình elip tròn xoay với các bán trục là a và b, hệ số
trường khử từ tương ứng sẽ là Na và Nb (với 2Na + Nb = 1) Nếu véc tơ từ độ M hợp
với trục dễ một góc θ thì năng lượng dị hướng hình dạng Ehd nhận được là :
Ehd =

1
µo M 2 ( N a − N b )sin 2 θ
2

[J/m3]

(1.1)

[J/m3]

(1.2)

Hằng số dị hướng hình dạng [1] :
Ehd =

1
µo M 2 ( N a − N b )
2

1.2.1.2. Dị hướng hình dạng của màng mỏng.
Trong trường hợp của một màng mỏng sắt từ có độ dày rất nhỏ, các hệ số
trường khử từ nhận giá trị : Nz = 1 ; Nx = Ny = 0. Áp dụng biểu thức (1.1) với N a =
Nz = 1 ; Nb = Nx = 0, ta có:
Ehd =

1
µo M 2 sin 2 θ
2

[J/m3]

(1.3)

[J/m3]

(1.4)

Với hệ số dị hướng hình dạng là [1]:
K hd =

1
µo M 2
2

1.2.2. Dị hướng từ tinh thể.
Dị hướng từ tinh thể được xác định không chỉ bởi liên kết của mômen từ spin
với hình dạng và định hướng của quỹ đạo điện tử (liên kết spin – quỹ đạo) mà còn
bởi liên kết của các quỹ đạo điện tử đang xét với đối xứng của sự sắp xếp các
nguyên tử trong mạng tinh thể (trường tinh thể) [1].

Nếu trường tinh thể có đối xứng thấp và nếu sự phân bố điện tích của nguyên
tử đang xét là bất đối xứng, khi đó, các quỹ đạo của nguyên tử sẽ tương tác một
cách dị hướng với trường tinh thể. Nói một cách khác, khi trường tinh thể có đối
xứng thấp, hộp thế năng tương tác của điện tử với trường tinh thể cũng có đối xứng
thấp. Do đó, chỉ một vài quỹ đạo nguyên tử có định hướng nhất định sẽ có lợi về
mặt năng lượng [1].
1.2.3. Dị hướng ứng suất.
Dị hướng ứng suất gây nên bởi ứng suất trong các vật liệu từ giảo. Dị hướng
ứng suất có đóng góp đáng kể vào dị hướng từ tổng cộng, đặc biệt trong các trường
hợp của màng mỏng từ. Năng lượng dị hướng ứng suất được viết:
3
Eu s = − λsσ sin 2 θ
2


[J/m3]

(1.5)

trong đó:
+ λs: hệ số từ giảo bão hòa.
+ σ: ứng suất (N/m2).
+ θ: góc giữa véc tơ M và trục dễ từ hóa.
Tùy thuộc vào dấu của λs và σ Eu s (ứng suất kéo hoặc nén), điều kiện cực
tiểu của sẽ cho phép xác định phương của trục từ hóa dễ do ứng suất gây nên [1].
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.
Dị hướng từ của các màng mỏng có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là các
trường hợp dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng màng, để ứng dụng trong kỹ nghệ
ghi thông tin mật độ cao [1].
Đối với trường hợp màng mỏng, dị hướng từ hình dạng thường có xu hướng

định hướng các mômen từ theo phương mặt phẳng để năng lượng tĩnh từ tối ưu.
Năng lượng dị hướng từ của các màng mỏng thường được viết dưới dạng:
Ea = − K × cos 2 θ

(1.6)
trong đó, θ là góc giữa từ độ và phương pháp tuyến của màng. Theo định nghĩa này,
giá trị dương của K có nghĩa là từ độ hướng theo phương vuông góc với mặt phẳng
màng. Nói chung, trong rất nhiều trường hợp, dị hướng từ bề mặt được quan sát phổ
biến hơn [1].
Có hai nguồn đóng góp chính vào dị hướng từ của các màng mỏng, đó là dị
hướng từ thể tích (Kv) và dị hướng từ bề mặt (Ks) . Hai loại dị hướng này có thể tách
ra khỏi hiệu ứng từ hiệu dụng đo được từ thực nghiệm Keff dựa vào biểu thức sau:
K e ff = K v + 2 K s / t

(1.7)
trong đó, t là chiều dày của màng, thừa số 2 xuất hiện trong biểu thức này là do mỗi


lớp sắt từ có hai lớp bề mặt. Bằng cách vẽ đồ thị t.K eff phụ thuộc vào t, Kv sẽ được
xác định từ hệ số góc của đường thẳng và 2Ks là giao điểm của đường thẳng với
trục tung [1].
1.3. Các vật liệu sắt từ.

Từ ngày xưa, sắt từ được biết đến như là một kim loại (Fe) và lodston
(Fe3O4). Dựa vào độ từ dư của sắt từ mà chúng được sử dụng để làm la bàn hay kim
la bàn. Ngày nay, có rất nhiều loại sắt từ được biết đến như trong kim loại, hợp kim
và oxit. Tuy nhiên, chỉ có ba loại kim loại có phân lớp 3d là vật liệu sắt từ ở nhiệt
độ phòng (Fe, Co, Ni) [2].
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 có những

mômen từ nguyên tử có khả năng tương tác với nhau. Tương tác này dẫn đến việc
hình thành trong lòng vật liệu các vùng đômen mà trong mỗi vùng đômen này, các
mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát (có nghĩa là
tồn tại độ từ hóa ngay cả khi không có từ trường ngoài). Và khi không có từ trường
ngoài, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ trong các đômen trong toàn khối
sắp xếp hỗn độn, do vậy, tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0.

Hình 1.2: Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ
Việc hình thành đômen là để giảm thiểu năng lượng từ do trường khử từ gây
ra. Tức là, năng lượng sẽ lớn hơn khi các đường sức từ của mỗi một đômen vẫn còn
nằm bên ngoài chất sắt từ. Tuy nhiên, nếu các đường sức này được đóng kín do sự


sắp xếp hợp lý của các đômen như trên hình 1.2 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 mômen từ
định hướng theo trục dễ tinh thể) và tương tác trao đổi (làm cho mômen từ định
hướng song song với nhau) dẫn đến từ độ của toàn bộ khối sắt từ bị phân chia thành
những đômen (vùng) từ hóa tự phát để có lợi về mặt năng lượng.
Quá trình từ hóa được thể hiện thông qua sự dịch vách thuận nghịch và bất
thuận nghịch (ở từ trường 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 theo phương của từ trường (dịch vách đômen).
+ Sự quay của các đômen từ theo hướng của từ trường.

Hình 1.3: Đường
cong từ trễ của chất
sắt từ.
Khi tăng dần từ

trường đến mức đủ
lớn, ta sẽ có hiện
tượng bão hòa từ, lúc
đó, tất cả các đômen từ sắp xếp song 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
đômen này vẫn còn tương tác với nhau. Khi ta giảm từ trường về 0, tổng mômen từ
trong toàn khối giảm dần nhưng không bằng 0 ở từ trường bằng 0. Khi từ độ bằng 0,
ta gọi đó là trạng thái khử từ, giá trị từ trường tại đó được gọi là lực kháng từ. Nếu
từ trường càng âm thì từ độ tiếp tục giảm từ giá trị 0 về giá trị bão hòa âm. Giá trị
tiếp tục như trên nếu ta tiếp tục tăng giá trị từ trường về 0 và đổi chiều rồi tăng giá


trị dương của nó. Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu sắt từ như hình 1.3.
Hai đặc trưng cơ bản quan trọng nhất của chất sắt từ là:
+ Đường cong từ trễ.
+ Nhiệt độ Curie Tc
Nhiệt độ Curie Tc trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận
từ (chuyển pha loại 2 – chuyển pha không có sự thay đổi về cấu trúc). Tại nhiệt độ
này, chất sắt từ bị mất trật tự sắt từ song song. Ở dưới nhiệt độ T c, vật liệu mang
tính chất sắt từ; ở trên nhiệt độ T c vật liệu sẽ bị mất tính sắt từ và trở thành chất
thuận từ [1, 2].
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM).

1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ.
Vật liệu phản sắt từ có mômen từ nguyên tử cạnh tranh nhau sắp xếp đối
song (song song và ngược chiều) từng đôi một (hình 1.4). Tức là, trong vật liệu
phản sắt từ, tồn tại hai phân mạng có cấu trúc từ xem kẽ nhau. Mômen từ trong mỗi
phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều với mômen từ của phân
mạng kia.Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng triệt tiêu

nhau. Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở không độ tuyệt đối (0 K) và trong trường hợp từ
trường ngoài bằng 0, độ từ hóa tổng cộng của chất phản sắt từ bằng 0 (hình 1.4).


Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau.
Thông thường, trạng thái phản T > TN sắt từ tồn tại ở nhiệt độ thấp và bị triệt
tiêu ở nhiệt độ bằng hoặc lớn hơn một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ Néel – nhiệt
độ chuyển pha từ phản sắt từ sang thuận từ (T N – được đặt tên theo Louis Néel).
Khi thì sự sắp xếp mômen từ trở nên hỗn loạn, vật liệu trở thành thuận từ, như
trường hợp của trật tự thuận từ của chất sắt từ.
Vật liệu phản sắt từ thường xuất hiện giữa các hợp chất của kim loại chuyển
tiếp, đặc biệt là ôxit. Ví dụ như: hematit, kim loại Cr, hợp kim FeMg, ôxit NiO
[1,2].
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ.
Sự phụ thuộc độ cảm từ χ vào nhiệt độ T trong vật liệu phản sắt từ được đặc
trưng bởi:
+ Sự tồn tại của nhiệt độ Néel () TN ứng với một đỉnh trên đường χ(T).


+ Sự dị hướng của χ khi : χ có T < TN giá trị khác nhau tùy theo từ trường H
song song hay vuông góc với trục spin của một đơn tinh thể vật liệu phản sắt từ. Giá
trị Error: Reference source not found cho vật liệu đa tinh thể là giá trị trung gian
giữa các giá trị trên [2].
Khi , sự phụ thuộc vào nhiệt độ T > TN của χ tương tự như định luật Curie –
Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ:
χ=

c
T − Tc

, trong
đó Tc < 0

(1.8)

Các đặc điểm này có thể được giải thích bởi lý thuyết trường phân tử. Trong
vật liệu phản sắt từ, có 2 loại chỗ mạng chứa các spin sắp xếp đối nghịch nhau (gọi
là 2 phân mạng từ) [2].
1.5. Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch.

Hiện tượng trao đổi dịch (hay trao đổi bất đẳng hướng) là hiện tượng về sự dịch
đường cong từ trễ dọc theo trục từ trường, thường xuất hiện trong các vật liệu từ đa
lớp.
Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1956 bởi Meiklejohn và Bean khi họ đo
đường cong từ trễ của hệ các hạt mịn trên bề mặt Co (10 – 100 nm) đã bị ôxy hóa
một phần và được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ T N ( nhiệt độ Néel)
để tạo thành CoO. Kết quả là tâm đường cong từ trễ bị dịch về phía từ trường âm.
Thông thường, đường cong từ trễ của lớp Co sẽ đối xứng, nhưng do có sự tương tác
với CoO nên đường cong từ trễ bị dịch chuyển theo hướng của từ trường đặt vào hệ
đó.
Hiện nay, hiện tượng này được quan sát trong nhiều hệ khác nhau có chứa mặt
phẳng phân cách sắt từ/phản sắt từ (FM/AFM). 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 [14].
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch.
Sự xuất hiện của tính dị hướng đơn trục nên sau khi mẫu được làm lạnh


trong một từ trường, một đường cong từ trễ đã bị dịch chuyển. Đầu tiên, lớp CoO
phủ các hạt Co được làm lạnh từ nhiệt độ phòng đến 77 K mà không có sự xuất hiện

của từ trường ngoài. Khi mẫu được làm lạnh tới 77 K trong một từ trường mạnh (từ
trường lạnh), đường cong từ trễ (2) ở hình 1.5 bị dịch chuyển sang trái dọc theo trục
từ trường hiệu dụng [15].

Hình 1.5: Đường
cong từ trễ của Co
được phủ các hạt
CoO tại 77 K sau
khi được ủ trong
trường hợp không
có từ trường đặt
vào (1) và dưới từ
trường bão hòa
(2).
Giá trị của độ
dịch chuyển này
được tính bằng khoảng cách từ gốc tọa độ đến trung tâm của vòng, thường được gọi
là từ trường trao đổi dịch (Hex). Cùng với sự dịch chuyển của đường cong từ trễ là
sự tăng giá trị của lực kháng từ Hc. Ta có thể thấy độ rộng của đường cong từ trễ
(2) lớn hơn so với đường (1) (hình 1.5). Đó là hệ quả của tương tác giữa vật liệu
FM và AFM [9,14].
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM.
Dị hướng đơn trục và hiện tượng trao đổi dịch có thể được hiểu một cách
định tính bằng cách đánh giá một tương tác trao đổi tại mặt phẳng phân cách
FM/AFM. Chúng ta có thể xem hình 1.6 – một mô hình đơn giản của hiệu ứng trao
đổi dịch để giải thích hiện tượng này. Nhìn vào hình, chúng ta có thể thấy, các điểm


2, 3, 4 trên đường cong tương ứng với 3 trạng thái tương tác bề mặt của FM/AFM.
TN < T < Tc

Khi một từ trường được đặt

vào trong vùng nhiệt độ , các spin FM sắp xếp cùng hướng với từ trường trong khi
các spin AFM sắp xếp một cách hỗn loạn ( Hình 1.6 a).

Hình 1.6: Cơ
chế trao đổi
dịch trong
màng hai lớp
FM/AFM.
Khi

TTNc

làm lạnh hệ
trong

từ

trường

H

xuống

dưới

nhiệt

độ

,

nhiệt độ chuyển pha từ thuận từ sang phản sắt từ (nhỏ hơn rất nhiều so với nhiệt độ
của FM) thì cả hai phần FM và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự: FM có spin
sắp xếp song song còn spin của AFM sắp xếp phản song song để tạo ra sự không từ
(hình 1.6 b) (do sự tương tác tại mặt phẳng phân cách FM/AFM) [5,13,14].
Khi từ trường bị đảo chiều, các spin trong mặt phẳng FM bắt đầu quay. Tuy
nhiên, do tính dị hướng của AFM lớn, các spin trong mặt phẳng AFM vẫn không
thay đổi (hình 1.6 c). Do đó, sự tương tác bề mặt giữa các spin FM/AFM tại mặt
phẳng phân cách đã cố ghim các spin trong mặt phẳng FM định hướng theo các spin
trong mặt phẳng AFM tại mặt phẳng phân cách. Như vậy, từ trường cần thiết để đảo
chiều hoàn toàn một lớp FM sẽ lớn hơn nếu nó tiếp xúc với lớp AFM. Tuy nhiên,
một khi từ trường bị quay trở lại hướng ban đầu của nó thì các spin FM sẽ bắt đầu
quay tại một từ trường nhỏ hơn, do sự tương tác với các spin AFM (hình 1.6 e). Kết


quả, đường cong bị dịch chuyển về bên trái của trục từ trường hiệu dụng H một
khoảng Hex. Đây chính là cơ chế của hiệu ứng trao đổi dịch. [6,11,14,17,21].
1.5.3. Mô hình lý thuyết.
Từ việc phân tích tính chất của tương tác bề mặt FM/AFM, năng lượng
tương tác trên một đơn vị bề mặt được viết như sau:
E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K FM tFM sin 2 ( β ) + K AFM t AFM sin 2 (α ) − J cos( β − α )

(1.10)
ở đây:
H là từ trường hiệu dụng.
MFM là độ từ hóa bão hòa.
tFM là độ dày của lớp FM, tAFM là độ dày của lớp AFM.

KFM là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của lớp FM, K AFM là hằng số dị hướng
từ hiệu dụng của lớp AFM.
J là hệ số tương tác trao đổi bề mặt.
β, α là góc tương ứng giữa độ từ hóa MFM, MAFM và trục dị hướng FM,
AFM; θ là góc giữa từ trường đặt vào và trục dị hướng FM (Hình 1.7).
Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng của màng FM và AFM là giống nhau
và là trục duy nhất.


Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch.
Số hạng thứ nhất trong phương trình năng lượng là do tác dụng của từ trường
hiệu dụng trên lớp FM, số hạng thứ hai là do tác dụng của sự dị hướng của lớp FM,
số hạng thứ ba liên quan đến tính dị hướng AFM và số hạng cuối cùng liên quan
đến tính dị hướng bề mặt [14].
K FM t FM = K AFM t AFM

Trong trường hợp đơn

giản, các dị hướng FM là không đáng kể (), khi đó năng lượng được biểu diễn như
sau:
E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K AFM t AFM sin 2 (α ) − J cos( β − α )


(1.11)
Từ trường trao đổi dịch có thể được tính theo công thức sau:
H ex =

J
M FM t FM

(1.12)
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch.

Từ trường (Oe)

1.5.4.1. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp FM.

Chiều dày lớp NiFe (Error:
Reference source not found

Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trường trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày