Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................... v
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC ......................................... 7
1.1 Khái niệm về plasmon .................................................................................................. 9
1.2 Phân loại plasmon ...................................................................................................... 10
1.3 Điều khiển độ truyền qua của tinh thể plasmon từ bằng từ trường ngoài .................. 12
1.4 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt .................................................................. 16
1.5 Hiện tượng plasmonic và spinplasmonics .................................................................. 17
1.6 Tương tác magnon-plasmon ....................................................................................... 21
1.7 Sơ lược về tình hình nghiên cứu về spin-plasmonic ở trong nước............................. 27
1.8 Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 29
2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng phương pháp phún xạ cao tần 29
2.1.1 Nguyên tắc chung của phương pháp phún xạ cao tần.......................................... 29
2.1.2 Cách bố trí bia khi chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt ........................................ 32
2.1.3 Xử lý màng mỏng sau khi chế tạo ....................................................................... 33
2.2 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng phương pháp bốc bay nổ trong
chân không ....................................................................................................................... 33
2.2.1 Nguyên lý của bốc bay nổ .................................................................................... 34
2.2.2 Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp bốc bay nổ ........................................... 35
2.3 Các phương pháp khảo sát màng mỏng ..................................................................... 36
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X ....................................... 36
2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM).......................................................................... 37
2.3.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................................... 37
2.3.4 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ...................................................................... 37
i


2.3.5 Khảo sát tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM) ......................................... 38

2.4 Thiết lập hệ đo quang-từ để khảo sát hiện tượng plasmonic ...................................... 38
2.4.1 Sơ đồ khối của các hệ đo quang-từ ...................................................................... 38
2.4.2 Thông số kĩ thuật của các thiết bị sử dụng trong các hệ đo quang-từ .................. 40
2.4.3 Thiết lập hệ đo quang-từ với nguồn ánh sáng laser đỏ ........................................ 45
2.4.4 Thiết lập hệ đo quang-từ với các ánh sáng đơn sắc khác nhau ............................ 46
2.5 Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH THÁI CẤU TRÚC DẠNG
HẠT CỦA CÁC MÀNG MỎNG Co-Al2O3 VÀ Co-Ag..................................................... 50
3.1 Một số đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Al2O3 ....................................... 50
3.1.1 Tỉ lệ thành phần Co trong màng mỏng Co-Al2O3 ................................................ 50
3.1.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 53
3.1.3 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 54
3.1.4 Hình thái vi cấu trúc thông qua giản đồ XRD ..................................................... 56
3.1.5 Tính chất từ của hệ màng mỏng Co-Al2O3 .......................................................... 59
3.2 Một số đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Ag ........................................... 62
3.2.1 Tỉ lệ thành phần Co trên màng mỏng Co-Ag....................................................... 62
3.2.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 64
3.2.3 Hình thái màng mỏng dạng hạt thông qua ảnh TEM ........................................... 67
3.2.4 Khảo sát cấu trúc màng mỏng thông qua phổ nhiễu xạ điện tử (ED) .................. 68
3.2.5 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 68
3.2.6 Tính chất từ của hệ Co-Ag ................................................................................... 71
3.3 Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 72
CHƯƠNG 4: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Ag ......................................... 73
4.1 Biểu hiện plasmonic từ tính thông qua phổ truyền qua của ánh sáng nhìn thấy ở hệ
màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 74
4.1.1 Phổ truyền qua của hệ màng mỏng Co-Ag .......................................................... 74
ii


4.1.2 Sự phụ thuộc của phổ truyền qua vào tỉ lệ Co và từ trường ngoài ...................... 75

4.1.3 Hiện tượng plasmonic từ tính trên hệ mẫu màng mỏng Co-Ag........................... 78
4.2 Biểu hiện plasmonic từ tính thông qua phổ phản xạ của ánh sáng nhìn thấy ở hệ
màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 79
4.2.1 Phổ phản xạ phụ thuộc vào tỉ lệ hạt sắt từ Co trong mẫu .................................... 80
4.2.2 Ảnh hưởng của từ trường lên phổ phản xạ của màng mỏng Co-Ag .................... 82
4.2.3 Về biểu hiện của hiện tượng plasmonic từ tính trên hệ mẫu Co-Ag ................... 85
4.3 Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 89
CHƯƠNG 5: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Al2O3..................................... 90
5.1 Nghiên cứu thực nghiệm phổ truyền qua ở màng mỏng dạng hạt Co - Al2O3 ........... 91
5.1.1 Sự truyền qua phụ thuộc từ trường và tỉ lệ Co của ánh sáng laser đỏ. ................ 91
5.1.2 Sự truyền qua phụ thuộc vào hướng của từ trường ngoài .................................... 95
5.2 Cơ chế tương tác magnon-plasmon ở màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 ..................... 98
5.2.1 Mô hình cho cơ chế tương tác photon-magnon ................................................... 98
5.2.2 Cơ chế ghim magnon trong tương tác magnon-plasmon ................................... 103
5.3 Kết luận chương 5 .................................................................................................... 106
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... A
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................ N

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
AFM
AMR
CVD
ED
EDS

FE
FM
GMR
GGG
IG
LSP
MBE
MEF
MGF
NM
PVD
RF
RKKY
Interraction
SEM
SERS
SNOM
SPE
EELS
SPP
SPR
TEM
TMR
XRD

Tên tiếng Anh đầy đủ
Atomic Force Microscope
Anisotropic Magnetoresistance
Chemical Vapor Deposition
Electron Diffraction

Energy Dispersion
Spectroscopy
Flash Evaporation
Ferromagnetic Material
Giant Magneto-Resistance
Gadolinium Gallium Garnet
Iron Garnet
Local Surface Plasmon
Molecular Beam Epitaxy
Metal Enhancement
Fluorescent
Magnetic granular thin film
Nonmagnetic Material
Physical Vapor Deposition
Radio Frequency
Ruderman-Kittel-KasuayaYosida Interraction
Scanning Electron Microscope
Surface Enhanced Raman
Spectroscopy
Near-field Scanning Optical
Microscope
Spinplasmonic electron
Electron Energy Loss
Spectroscopy
Surface Polariton Plasmon
Surface Plasmon Resonance
Transmission Electron
Microscope
Tunneling Magnetoreristance
X-ray Diffraction

iv

Dịch nghĩa
Kính hiển vi lực nguyên tử
Từ điện trở dị hướng
Lắng đọng pha hơi hóa học
Nhiễu xạ điện tử
Phổ tán sắc năng lượng
Bốc bay nổ
Vật liệu sắt từ
Từ điện trở khổng lồ
Tinh thể định hướng GGG
Tinh thể Iron Garnet
Plasmon bề mặt định xứ
Phương pháp epitaxy chùm
phân tử
Huỳnh quang tăng cường
nhờ kim loại
Màng mỏng từ dạng hạt
Vật liệu phi từ
Lắng đọng pha hơi vật lý
Tần số Radio
Tương tác RKKY
Kính hiển vi điện tử quét
Tán xạ Raman tăng cường
bề mặt
Kính hiển vi quang học
quét trường gần
Điện tử spinplasmonic

Phổ tổn hao năng lượng
điện tử
Plasmon polariton bề mặt
Cộng hưởng plasma bề mặt
Kính hiển vi điện tử truyền
qua
Từ điện trở xuyên ngầm
Nhiễu xạ tia X


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [90]. ...................................... 9
Hình 1.2 Phân loại plasmon [76]. ............................................................................ 10
Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [19]..................................................................... 11
Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [34]. ........................................................................... 12
Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [30]. ......................... 14
Hình 1.6 Phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic [96]. ............................................ 15
Hình 1.7 Kết quả phổ truyền qua tinh thể plasmon từ với cấu trúc hốc nano (đường
kính 150 nm và chu kì là 400 nm ) trên bề mặt mẫu. Một sóng phân cực thẳng tới
vuông góc trên tinh thể từ phía không khí [96]. ....................................................... 16
Hình 1.8 Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt nano [96]. .... 17
Hình 1.9 Khi các vi hạt Co/Au được đặt trong từ trường ngoài, các electron trong
các hạt Co bị phân cực spin [11].............................................................................. 18
Hình 1.10 Cơ chế của hiện tượng plasmon-spin [58]. ............................................. 19
Hình 1.11 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au
(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ
trường B// [58]........................................................................................................... 20
Hình 1.12 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au
(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ
trường B [58]. ........................................................................................................ 21

Hình 1.13 Plasmon tạo bởi từ trường không đồng nhất [114]. ................................ 23
Hình 1.14 Hiệu ứng phân cực spin của electron trong nguyên tử từ [114]. ............ 24

v


Hình 1.15 Spin trên phổ tiêu hao năng lượng của các phương Gd/Mo (112) ở 0(a),
1/2(b), 3/4 (c) và 5/4 (d)[49]..................................................................................... 25
Hình 1.16 Bất đối xứng spin của kích thích plasmon (hình vuông) tại năng lượng
tiêu hao khoảng 5 eV và Drude (vòng tròn) với năng lượng tiêu hao cỡ 1,5 eV như
một chức năng của vector sóng [43]. ....................................................................... 26
Hình 1.17 Phổ tổn hao năng lượng trên Gd/Mo (112) ở trung tâm các vùng
Brillouin 200K và 300K [49]. ................................................................................... 27
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy phún xạ........................................................................ 30
Hình 2.2 Bia ghép Al2O3-Co. .................................................................................... 32
Hình 2.3 Sơ đồ hệ bốc bay nổ trong chân không. .................................................... 35
Hình 2.4 Nguyên lí hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử AFM [14]. ............... 38
Hình 2.5 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài.
.................................................................................................................................. 39
Hình 2.6 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số phản xạ phụ thuộc từ trường ngoài. ... 39
Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của dòng quang điện của quang
trở vào cường độ chiếu sáng đến quang trở............................................................. 41
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của điện trở của quang trở vào cường độ sáng .................. 41
Hình 2.9 Laser He- Ne gồm đầu phát Laser(a) và nguồn cao áp (b). ..................... 42
Hình 2.10 Khảo sát sự phụ thuộc của từ trường trong cuộn cảm vào cường độ dòng
điện bằng máy đo từ Gauss. ..................................................................................... 43
Hình 2.11 Sự phụ thuộc của từ trường B vào cường độ dòng điện. ......................... 44
Hình 2.12 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là đầu đo công suất. (1) nguồn laser
đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây tạo từ trường, (4) thấu kính hội tụ, (5) đầu đo
công suất, (6) nguồn một chiều, (7) ôm kế, (8) nguồn cao áp của laser He-Ne. ..... 45

vi


Hình 2.13 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là quang trở CdS. (1) nguồn laser đỏ,
(2) kính phân cực, (3) cuộn dây, (4) thấu kính hội tụ, (5) quang trở CdS, (6) nguồn
một chiều, (7) ampe kế, (8) ôm kế, (9) nguồn cao áp của laser He-Ne.................... 46
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài. . 46
Hình 2.15 Thiết bị lock-in DSP 7225. ...................................................................... 47
Hình 2.16 Hệ tán sắc ánh sáng CARLZEISS JENA. .............................................. 47
Hình 2.17 Chopper tạo xung. ................................................................................... 48
Hình 2.18 Hệ đo quang-từ với các ánh sáng đơn sắc khác nhau. (1) máy quang phổ;
(2) chopper; (3) kính phân cực; (4) và (4’) thấu kính hội tụ; (5) nam châm; (6) cảm
biến quang trở CdS; (7) bộ khuếch đại lock-in DSP 7225; (8) nguồn một chiều. ... 49
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa tỉ lệ % nguyên tử Co trên mẫu so với tỉ lệ diện tích bia.
.................................................................................................................................. 52
Hình 3.2 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 tẩm thực NaOH 10 phút.
.................................................................................................................................. 53
Hình 3.3 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 đã tẩm thực NaOH 5 phút.
.................................................................................................................................. 53
Hình 3.4 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(15%)-Al2O3 chưa ủ
nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54
Hình 3.5 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(40%)-Al2O3 chưa ủ
nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54
Hình 3.6 Ảnh AFM được trích xuất từ các ảnh AFM của các mẫu màng mỏng
Co(15%)-Al2O3 và Co(40%)-Al2O3 sau khi đã ủ nhiệt ở 250oC trong vòng 1h . ..... 55
Hình 3.7 Minh họa mặt cắt của bề mặt ghi nhận được bằng AFM của các mẫu
màng mỏng Co-Al2O3, thể hiện các hạt/chùm nguyên tử Co cô lập được bao bởi lớp
nền Al2O3. ................................................................................................................. 56
vii

Hình 3.8 Giản đồ XRD của mẫu màng mỏng dạng hạt Cox(Al2O3)1-x với x = 0.27. 57
Hình 3.9 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(x%)-Al2O3 với từ
trường vuông góc bề mặt mẫu với x = 6, 16, 27, 49. ............................................... 59
Hình 3.10 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3........ 61
Hình 3.11 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3 với từ
trường theo hai phương song song và vuông góc với bề mặt mẫu........................... 61
Hình 3.12 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(49%)-Al2O3........ 62
Hình 3.13 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(8%)-Ag. ............................ 62
Hình 3.14 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(15%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.15 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(25%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.16 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(50%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(23%)-Ag bốc bay nổ.
.................................................................................................................................. 65
Hình 3.18 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(20%)-Ag phún xạ. ... 65
Hình 3.19 So sánh hình thái bề mặt qua ảnh SEM của các mẫu màng mỏng được
bốc bay nổ với tỷ lệ Co khác nhau............................................................................ 65
Hình 3.20 Ảnh SEM của mẫu Co(27%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66
Hình 3.21 Ảnh SEM của mẫu Co(20%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66
Hình 3.22 Ảnh TEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag bốc bay nổ.
.................................................................................................................................. 67
Hình 3.23 Ảnh ED của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag. ................... 68
Hình 3.24 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(22%)-Ag. ............................... 69
viii


Hình 3.25 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(27%)-Ag. ............................... 69
Hình 3.26 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Co. ..................................... 70
Hình 3.27 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Ag. ..................................... 70
Hình 3.28 Tính chất từ của một số màng mỏng từ dạng hạt Co-Ag. ....................... 71

Hình 4.1 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với x = 0 và x = 27% nguyên
tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác dụng (B = 500 G). ............. 75
Hình 4.2 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với các x khác nhau, trong
khoảng 0 – 63 % nguyên tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác
dụng (B = 500 G). .................................................................................................... 75
Hình 4.3 Sự biến thiên có dạng dao động tắt dần theo tỷ lệ thành phần Co (x trong
khoảng 0  63% nguyên tử) của hệ số truyền qua quan sát tại các bước sóng

 = 560 nm (a) và 660 nm (b). ................................................................................. 77
Hình 4.4 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 80
Hình 4.5 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 81
Hình 4.6 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co ứng với bước sóng 660 nm khi B = 0. ............. 81
Hình 4.7 (a) Phổ phản xạ của màng mỏng với x = 7% khối lượng Co-Ag dưới tác
dụng của từ trường ngoài có cường độ khác nhau, B = 0  500 G. (b) Vùng phổ
dưới bước sóng dài được tách từ hình (a) để thấy rõ xu hướng biến thiên theo
cường độ từ trường ngoài. ........................................................................................ 82
Hình 4.8 Phổ phản xạ của ánh sáng trên bề mặt mẫu màng mỏng có các tỷ lệ Co
khác nhau với tác dụng của từ trường ngoài B = 0 và 500 Gs: (a) x = 0; (b) x ~
0.04; (c) x ~ 0.06; (d) x ~ 0.07. ............................................................................... 83
Hình 4.9 1.6Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. .................................... 85

ix


Hình 5.1 Tỷ số truyền qua phụ thuộc từ trường của chùm tia laser đỏ đối với các
màng mỏng Cox-Al2O3 có tỷ lệ Co khác nhau: x = 16%(hình a), 27% (hình b), 49%
(hình c), 63% (hình d) và 100%(hình e). Các đường chấm ngang thể hiện các mức
nền truyền qua khi x nhỏ (≤ 49 %) và các mức trần truyền qua khi x lớn (> 49 %).
.................................................................................................................................. 92
Hình 5.2 Quan hệ giữa cường độ chùm laser tới J0 , và truyền qua được JT phụ

thuộc vào lượng hạt, hay chùm nguyên tử, Co ít (a) hay nhiều (b) trong nền Al2O3.
.................................................................................................................................. 93
Hình 5.3 (a) Cơ chế plasmonic, (b) và cơ chế spinlasmonics [7]. ......................... 103
Hình 5.4 Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. ......................................... 99
Hình 5.5 (a) Một tia sáng của ánh sáng nhìn thấy tác động vào màng mỏng từ dạng
hạt đặt trong một từ trường ngoài có thể điều chỉnh được. (b) Minh họa sự tương
quan giữa hình học (x, y, z, φ), quang học (trục quang, B0, E0) và từ trường (Hinit,
Mi, H) là các yếu tố ảnh hưởng. (c) Biểu hiện của hiện tượng plasmonic với điện
trường phân cực E’ trong màng mỏng từ dạng hạt với kích thước D  . (d) và (e)
Các hạt siêu thuận từ trong màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 khi có hoặc không có từ
trường ngoài H. ...................................................................................................... 105
Hình 5.6 Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào hướng của từ trường ngoài. ....... 96
Hình 5.7 (a) Minh hoạ về cơ chế hiện tượng plasmonic cho các spin trong các màng
mỏng từ dạng hạt bị tác động bởi ánh sáng. (b) Các spin bị phân cực thể hiện bằng
vectơ từ độ Mi khi chịu tác động của từ trường B0 và bị phân cực điện bởi E’ do
chịu tác động của điện trường E0. (c)-(h) Minh họa sự tương tác photon-magnon
dưới tác dụng của từ trường H thay đổi theo góc . .............................................. 102
Hình 5.8 (a) Hệ số truyền qua khi φ = 0 là một hàm của tỉ lệ Co trong mẫu (x), với
các ánh sáng có bước sóng khác nhau. (b) Hệ số truyền qua khi φ = 0o là một hàm
của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. (c) Hệ số truyền qua khi
φ = 45o là một hàm của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. ....... 98
x


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full