Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


Hà Nội – 2015


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 – 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................................................................................................................. 13
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH........................................ 14
1.1. Màng mỏng..............................................................................................................14
1.2. Dị hướng từ.............................................................................................................15
1.2.1. Dị hướng hình dạng...........................................................................................................15
1.2.2. Dị hướng từ tinh thể. ........................................................................................................16
1.2.3. Dị hướng ứng suất............................................................................................................17
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.........................................................................................17

1.3. Các vật liệu sắt từ...................................................................................................18
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM)...................................................................................21
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ....................................................................................21
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ. ................................................................22

1.5. Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch.................................................................22
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch..............................................................................23
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. ...........................................................24
1.5.3. Mô hình lý thuyết...............................................................................................................25
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch. ...................................................27
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch.....................................................................28

1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van..................................................................29
1.7. Mục tiêu của luận văn.............................................................................................30

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).......................................................................................7
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM)..............................................................................................9
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X..........................................................................................12

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................15
3.1. Màng mỏng NiFe......................................................................................................15
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM). ............................................................................15
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD).......................................................................................16
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM)....................................................................................17

3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn. .............................................................................................18
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..............................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................32


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 H ex 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
 
m ặt
 
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   H c    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 (t IrMn 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.


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/IrMn/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 Na 
= 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  (ứng suất kéo hoặc nén), điều kiện cực 
tiểu của  Eu s 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:
2
   
                                                         Ea = − K cos 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 K eff 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.Keff  phụ thuộc vào t, Kv 

sẽ được xác định từ hệ số góc của đường thẳng và 2K s 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 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). 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 v ới 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 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  T > TN  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  T < TN : χ có 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   cho vật liệu đa tinh thể là giá trị trung gian giữa các giá trị trên [2].
Khi  T > TN , sự phụ thuộc vào nhiệt độ của χ tương tự như định luật Curie 
– Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ:
                                           

χ=

c  , trong đó Tc  < 0  
T − Tc

(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  TN ( 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.
Khi một từ  trường được đặt vào trong vùng nhiệt độ   TN < T < Tc , 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 làm lạnh hệ  trong từ  trường H xuống dưới nhiệt  độ   TN , nhiệt độ 
chuyển pha từ thuận từ sang phản sắt từ (nhỏ hơn rất nhiều so với nhiệt độ   Tc  


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:
2
2
(1.10)
           E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K FM t FM sin ( β ) + K AFM t AFM sin (α ) − J cos( β − α )

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.