Luận văn tóm tắt nghiên cứu chế tạo màng mỏng đa lớp có cấu trúc SPIN van

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội


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.

1


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 mà màng đa lớp.
Hình 1.1:
Ảnh chụp cắt ngang
màng mỏng đa lớp
Si/SiO2/Cu/IrMn/Co
FeB/Ta/Cu/Au.
1.2. Dị
hướng từ.
1.2.1. Dị
hướng hình dạng.
1.2.1.1. Dị
hướng hình dạng
của mẫu elip tròn
xoay.
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 − Nb ) 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 − Nb )
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 Na = Nz = 1 ; Nb = Nx = 0, ta có:

Ehd =

1
µo M 2 sin 2 θ

2
[J/m3]

Với hệ số dị hướng hình dạng là [1]:
ﾧ

K hd =

1
µo M 2
2

2

(1.3)


[J/m3]

(1.4)

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].
1.2.3. Dị hướng ứng suất.
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)

1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.
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].
1.3. Các vật liệu sắt từ.
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.
Hình 1.2: Đường cong từ
trễ của chất sắt từ.
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 Tc, vật liệu
mang tính chất sắt từ; ở trên nhiệt độ Tc 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).

3


Hình 1.3:
Cấu trúc từ
của vật liệu
phản sắt từ
gồm 2 phân
mạng đối
song nhau.

T > TN

Thông thường, trạng thái phản 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 (TN
– 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 [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 () ứng với TN một đỉnh trên đường χ(T).
+ Sự dị hướng của χ khi : χ có giá trị khác T < TN 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 của χ T > TN tương tự như định luật Curie – Weiss cho vùng
thuận từ của vật liệu sắt từ:
, trong đó T’ <
0

χ=

c
T −T '
(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.
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch.
Do sự xuất hiện của tính dị hướng đơn trục nên sau khi mẫu được làm lạnh trong một từ trường,

4


một đường cong từ trễ đã bị dịch chuyển [15].
Hình 1.4: 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).
1.5.2. Hiện tượng
dịch đường từ trễ trong hệ
FM/AFM.
Khi một từ trường

TN < T < Tc

được đặt vào trong vùng
nhiệt độ ﾧ, 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 1.5: Cơ chế trao đổi
dịch trong màng hai lớp
FM/AFM.
Khi làm lạnh hệ trong từ

TN

trường H xuống dưới nhiệt độ
thì cả hai phần FM và AFM đều
có spin sắp xếp theo trật tự
[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). Như vậy, từ trường cần thiết để đảo chiều hoàn toàn một
lớp FM sẽ lớn hơn nếu nó tiếp xúc với lớp AFM. 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 t FM sin 2 ( β ) + K AFM t AFM sin 2 (α ) − J cos( β − α )
(1.10)
Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng của màng FM và AFM là giống nhau và là trục duy nhất.

5


Hình 1.6: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch.
Trong trường hợp đơn giản, các dị hướng FM là không đáng kể:

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.
1.5.4.1. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp FM.

6


Hình
1.7: Sự phụ
trường trao
đổi dịch Hex
và lực kháng
từ Hc vào độ

Từ trường (Oe)

thuộc của

dày lớp FM
cho hệ
Fe80Ni20/Fe
Mn tại tAFM
= 50 nm.

Chiều dày lớp NiFe (Error:
Reference source not found

Đối
với

các

hệ

được nghiên
cứu, người ta
quan sát thấy
rằng
trường

từ
trao

đổi dịch tỷ lệ

nghịch với độ
dày các lớp FM (hình 1.8).

H ex µ

1
t FM
(1.13)

Tuy nhiên, nếu lớp FM quá mỏng (thường là một vài nm) thì sự phụ thuộc này không còn tồn tại
nữa, có thể là do lớp FM trở nên gián đoạn, không liền mạch [14].
1.5.4.2. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp AFM.
Sự phụ thuộc của Hex vào độ dày của lớp AFM phức tạp hơn nhiều. Xu hướng chung cho chiều dày
các lớp AFM, ví dụ chiều dày lớn hơn 10 nm, Hex không phụ thuộc vào độ dày của lớp AFM. Khi độ dày của
lớp AFM giảm, Hex giảm đột ngột và đối với các lớp AFM đủ mỏng (thông thường là vài nm), Hex = 0, như ta
thấy trong hình 1.9 [14].

7


Hình
1.8: Sự phụ
thuộc của trao
đổi dịch Hex và
lực kháng từ Hc
vào độ dày lớp
AFM cho hệ
Fe80Ni20/FeM
n tại tFM = 7
nm.

1.5.5.
Các ứng dụng

Chiều dày lớp IrMn (Ao)

của hiện tượng
trao đổi dịch.
Các vật
liệu thể hiện
tính chất trao
đổi dịch và các
hiệu ứng có liên quan đã được sử dụng trong một số các ứng dụng khác nhau. Việc tăng lực kháng từ của
các hạt nhỏ bị oxi hóa có thể sử dụng trong nam châm vĩnh cửu và phương tiện ghi từ mật độ cao. Một ứng
dụng khác đối với hiệu ứng trao đổi dịch đó là chế tạo đầu đọc, ghi máy vi tính dựa trên hiệu ứng từ trở
khổng lồ. Gần đây, hiện tượng trao đổi dịch còn có thể sử dụng trong các thiết bị nhớ động (MRAM) [12,14].
1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van.
Spin – van là một linh kiện từ tính có cấu tạo từ một màng đa lớp gồm các lớp sắt từ (F1 và F2)
ngăn cách bởi các lớp phi từ (NM) mà ở đó điện trở của hệ thay đổi phụ thuộc vào sự định hướng của từ độ
trong các lớp sắt từ [1].

8


Hình 1.9: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin - van
Tính chất của cấu trúc spin van dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ. Cơ chế của hiệu ứng được lý giải
qua cơ chế “tán xạ phụ thuộc spin” của điện tử (hình 1.10). Có nghĩa là việc từ độ các lớp định hướng tương
đối với nhau ra sao (song song, phản song song) có thể cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua
hoặc không thể truyền qua, hay nói cách khác, từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như một chiếc van đóng
mở spin. Đây chính là ý tưởng về cấu trúc spin van [11].
Mô hình màng mỏng đa lớp với các lớp sắt từ (FM) xen kẽ bởi các lớp mỏng phi từ (NM) tạo ra hiệu

ứng từ điện trở khổng lồ là mô hình sơ khai đầu tiên. Nhóm của Peter Grunberg đã cải tiến mô hình này
thành cấu trúc spin van như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản sắt từ (AFM).
1.7. Mục tiêu của luận văn.
Để nghiên cứu tính chất từ của cấu trúc spin van, 3 loại màng mỏng sau đây đã được chế tạo:
- Màng đơn lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/Ta.
- Màng 2 lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/IrMn/Ta.
- Màng đa lớp: Si/ SiO2/Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta.
Trong quá trình chế tạo, một từ trường có độ lớn 150 Oe và song song với mặt phẳng màng đã
được đặt vào.
Để chế tạo các màng này ta có thể sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt, phún xạ catốt,… Tuy nhiên,
do phương pháp phún xạ catốt có những ưu điểm hơn hẳn so với phương pháp bốc bay nhiệt như độ dày
của màng chế tạo được điều khiển chính xác hơn và khả năng bám dính của màng trên đế tốt hơn. Do đó,
em đã sử dụng phương pháp phún xạ catốt để chế tạo các vật liệu nêu trên. Mẫu sau khi chế tạo được tiến
hành đo hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và từ kế mẫu rung (VSM) để biết được tính chất và
cấu trúc của chúng.

9


Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ.
Hình 2.1 biểu diễn các quá trình cơ bản của của cơ chế phún xạ [1].
Hình
2.1: Nguyên lý
cơ bản của
quá trình phún
xạ.
Các ion
khí va chạm

với các nguyên
tử của bia dẫn
đến hệ quả là
các nguyên tử (hoặc các đám vài nguyên tử) của bia bị bứt ra và chuyển động
về phía đế mẫu (substrate). Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị
phún xạ. Khi đến được đế mẫu, chúng lắng đọng lại trên đế mẫu và tạo thành
màng.

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.

Ảnh chụp một hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và
xoay chiều đã và đang vận hành tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano –
Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội được minh họa trên
hình 2.5
10


Trong luận văn này, mẫu đã được chế tạo bằng phương pháp phún xạ
catốt một chiều DC tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM).

Kính hiển vi điện tử quét dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ
phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học, vì bước sóng của chùm
tia điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng vùng khả biến. Việc tạo ảnh của
mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra
từ các chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Các mẫu sau khi được chế tạo đã được tiến hành đo SEM tại khoa Vật lý
- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.

2.3. Từ kế mẫu rung (VSM).

Từ kế mẫu rung (VSM) được phát minh bởi S.Fomer vào những năm
1950 và đang được dùng rất phổ biến. Đây là dụng cụ đo các tính chất từ của
vật liệu, hoạt động trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu
đo trong từ trường. Nó đo mômen từ của mẫu cần đo trong từ trường ngoài.
Các mẫu được tiến hành đo từ kế mẫu rung (VSM) bằng máy VSM
lakeshore 7407 tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học
Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X.

Kỹ thuật nhiễu xạ tia X ( thường được gọi là nhiễu xạ ta X) được sử dụng
để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu…Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X
cũng giống như nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là
do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa
điện tử và nguyên tử.
Các mẫu đã được đo XRD tại khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.

11


Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Màng mỏng NiFe.
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM).

Hình 3.1: Ảnh SEM của màng NiFe.
Từ kết quả đo SEM, chúng ta có thể xác định được chiều dày của màng
NiFe là khoảng 43.2 nm (rất nhỏ so với các chiều còn lại của màng) với thời
gian lắng đọng 300 s => ϑD = 0,144 (nm/s).

3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD).

Màng mỏng NiFe đã được chế tạo với chiều dày 10 nm sau đo tiến hành
đo nhiễu xạ tia X. Chúng ta có thể thấy rằng có một đỉnh ở góc 2θ = 44o. Từ
việc phân tích kết quả, chúng ta thu được cấu trúc NiFe với định hướng tinh thể
là (111).

12


3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM).

Để xác định tính chất từ của màng đơn lớp NiFe, màng mỏng sau khi
được chế tạo được tiến hành đo VSM. Từ kết quả đo đường cong từ trễ của lớp
NiFe (hình 3.3), lực kháng từ của mẫu đã được xác định với giá trị H c = 5,1 Oe.
Như vậy, màng mỏng NiFe có tính từ mềm.

Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song
song với bề mặt của màng.
3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn.

13


3.2.1. Kết quả đo tính chất từ.
3.2.1.1. Đường cong từ trễ.

(a)

(b)

Từ trường H (Oe)

Từ trường H (Oe)

(c)

Từ trường H (Oe)

Hình 3.4: Đường cong từ trễ của hệ NiFe/IrMn với tNiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm.
Khi chiều dày của lớp NiFe tăng từ 5 nm, 7 nm đến 9 nm, lực kháng từ
Error: Reference source not found giảm tương ứng từ 50 Oe, 30 Oe đến 18 Oe
và từ trường trao đổi dịch Hex lần lượt giảm từ 55 Oe, 31 Oe đến 22 Oe.
3.2.2. Kết quả đo XRD.

Dựa vào hình ảnh XRD của hai lớp NiFe/IrMn, chúng ta có thể thấy NiFe
và IrMn có định hướng (111). Có 2 đỉnh ở góc 2θ = 44o và 2θ = 42o lần lượt
tương ứng với hai pha NiFe (111) và IrMn (111).

14


Si

Cường độ (đ v t y)

IrMn (111)

NiFe (111)

Error: Reference source not found
(o)

Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X của các lớp NiFe/IrMn.
Dựa vào các kết quả nghiên cứu đã được công bố, việc tạo ra IrMn
(111) sẽ cho tương tác trao đổi bề mặt ổn định nhất. Từ đó cho ta hiệu ứng trao
đổi dịch tốt nhất.
3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn.

Để tạo ra hệ có cấu trúc spin van, hai hệ vật liệu Ta (5 nm)/NiFe (5
nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) và Ta (5 nm)/NiFe (5
nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) đã được chế tạo với tNiFe
= 3 nm, 5 nm, 7 nm, 9 nm và tIrMn = 8 nm, 10 nm, 15 nm (hình 3.8).
Hình 3.8: Cấu trúc
hệ vật liệu
NiFe/Cu/NiFe/IrMn.
Ở đây, IrMn được
dùng với vai trò là lớp
15


phản sắt từ trong cấu trúc spin van. Lớp NiFe/IrMn là lớp trao đổi dịch được coi
như là van của cấu trúc spin van.
3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM).

Khi chiều dày lớp ghim tăng từ 3 nm đến 12 nm, đường cong trở nên kém
rõ nét và rời rạc hơn. Hình vẽ cũng cho ta thấy, từ trường trao đổi giảm lần lượt
từ 360 Oe đến 65 Oe và lực kháng từ giảm từ 200 Oe đến 60 Oe.
Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin – van NiFe (5 nm)/Cu (3
(a) 5 nm, 7 nm và (b) t

nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm,
NiFe =

9 nm, 12 nm.
. Ở đây có một kết quả khá thú vị. Khi chiều dày lớp NiFe tăng tới giá trị t
= 12 nm (hình 3.9 b), cấu trúc spin van mất đi hoàn toàn. Nguyên nhân của hiện
tượng thú vị này đó là hệ chỉ còn tương tác bề mặt giữa lớp NiFe rất dày và lớp
phản sắt từ IrMn.
16
(b)


3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ.
3.3.2.1. Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ.

Hình 3.10: Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ
NiFe/Cu/NiFe/IrMn khi chiều dày lớp NiFe thay đổi
Khi chiều dày của lớp sắt từ tăng từ 3 nm đến 12 nm, tính sắt từ của mẫu
tăng lên. Điều này dẫn đến các mômen trong lớp sắt từ ngày càng tăng (hình
3.10).
3.3.2.2. Sự phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe.

Quan sát hình 3.11 và qua những kết quả đã đưa ra, quy luật trên đúng
với hệ có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn. Một lần nữa chúng ta có thể
khẳng định, Hex phụ thuộc vào tFM, khi tFM tăng thì Hex giảm.

17


Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe.

3.3.2.3. Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp NiFe.

Ảnh hưởng của chiều dày lớp NiFe (tNiFe) lên lực kháng từ Hc được
thể hiện trên hình 3.12. Kết quả cho thấy, khi chiều dày lớp NiFe tăng từ 5 nm
đến 7 nm thì độ lớn Hex giảm không đáng kể. Trong khi đó, khi chiều dày lớp
NiFe tăng từ 7 nm đến 12 nm thì lực kháng từ giảm rất nhanh (từ khoảng 190
Oe xuống khoảng 45 Oe).

18


Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe (5
nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm).
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ.

Để nghiên cứu sự phụ thuộc này, màng đa lớp Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu
(3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) đã được chế tạo với t IrMn = 8 nm,
10 nm và 15 nm. Mẫu sau khi được chế tạo đã được tiến hành đo VSM (hình
3.13).
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).
Hình 3.14 cho ta thấy rằng từ trường trao đổi dịch Hex gần như không thay
19
Từ trường H (Oe)


đổi (có giá trị khoảng 200 Oe) khi chiều dày lớp IrMn thay đổi từ 8 nm đến 15
nm.
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).
Khi chiều dày lớp IrMn tăng từ 8 nm đến 15 nm, H ex gần như không thay
đổi.Điều đó có thể được giải thích, khi chiều dày lớp IrMn tăng, các mômen từ
của lớp sắt từ NiFe bị ghim ngày càng nhiều và tất cả các mômen từ của lớp
này sẽ bị ghim lại khi lớp IrMn có chiều dày 6 nm trở lên. Đây chính là nguyên
nhân làm cho từ trường trao đổi dịch gần như không thay đổi.
Ngoài ra, ta có thể nhận thấy rằng, khi chiều dày lớp IrMn tăng từ 10 nm
đến 15 nm thì lực kháng từ của mẫu giảm dần từ 160 Oe đến 114 Oe.
20


KẾT LUẬN

Sau khi hoàn thành luận văn, em rút ra được các kết luận sau:
•

Đã chế tạo thành công màng mỏng từ tính NiFe, NiFe/IrMn và

màng mỏng có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn.
•

NiFe là vật liệu từ mềm với Hc = 5,1 Oe.

•

IrMn (111) cho hằng số tương tác trao đổi bề mặt ổn định nhất.

•

Màng mỏng 2 lớp NiFe/IrMn có hiệu ứng trao đổi dịch và Hex, Hc

phụ thuộc vào chiều dày lớp NiFe.
•

Tính chất từ của cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn phụ thuộc

vào lớp NiFe và lớp IrMn.

21


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.
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. 698922


6991.
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 ﾧ, 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 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),
23


“Exchange bias variation of the seed and top NiFe layers in NiFe/FeMn/NiFe
trilayer as a function of seed layer thickness”,
Materials ﾧ, 286,

pp. 196–199.

24

Journal of Magnetism and Magnetic