(Luận văn thạc sĩ) chế tạo và nghiên cứu van spin NiCoO,FM,Cu,FM kích thước nanomet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


----------------------------------------

NGUYỄN ĐĂNG THÀNH

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAN SPIN
NiCoO/FM/Cu/FM KÍCH THƯỚC NANOMET

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2007


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


----------------------------------------

NGUYỄN ĐĂNG THÀNH

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAN SPIN
NiCoO/FM/Cu/FM KÍCH THƯỚC NANOMET

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. Lê Văn Hồng

HÀ NỘI - 2007


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT
TẮT.................................................... 1
MỞ ĐẦU...............................................................................................

2

Chƣơng 1. TỔNG QUAN.......................................................................................

3

1.1. Hiện tƣợng từ trở khổng lồ GMR................................................................

3

1.1.1. Tương tác trao đổi dạng dao động RKKY trong
màng từ đa lớp..............................................................................................

6

1.1.2. Cấu trúc van spin................................................................................

8

1.2. Dị hƣớng trao đổi giữa hai lớp sắt từ/phản sắt từ.........................................

11

1.2.1. Dị hướng trao đổi................................................................................

11

1.2.2. Các vật liệu sắt từ và phản sắt từ có liên quan đến
dị hướng trao đổi..........................................................................................

15

Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.............................................. 18
2.1. Phƣơng pháp chế tạo mẫu............................................................................ 18
2.1.1. Phương pháp phún xạ.........................................................................

18

2.1.2. Phương pháp phún xạ phản ứng.........................................................

20

2.2. Các phƣơng pháp phân tích và đo đạc.........................................................

21

2.2.1. Xác định chiều dày màng mỏng..........................................................

21

2.2.2. Xác dịnh thành phần hoá học bằng phổ kế huỳnh quang tia X...........

23

2.2.3. Xác định vi cấu trúc và thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X.............. 23
2.2.4. Đo từ trở bằng phương pháp bốn mũi dò cách đều
trong từ trường............................................................................................. 24
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 26
3.1. Chế tạo và nghiên cứu màng Ni1-xCoxO.......................................................

26

3.1.1. Chế tạo màng Ni1-xCoxO.....................................................................

26

3.1.2. Xác định hàm lượng Co trong màng Ni1-xCoxO................................... 27
3.1.3. Phân tích cấu trúc màng NiCoO........................................................ 29
3.1.4. Kết luận...............................................................................................

30

3.2. Chế tạo và nghiên cứu van spin NiCoO/FM/Cu/FM.................................... 31
3.2.1. Chế tạo van spin có hàm lượng Co, độ dày lớp Cu


hoặc lớp đệm thay đổi...................................................................................
3.2.2. Khảo sát thế hiệu dịch của van spin theo hàm lượng Co....................

31
33

3.2.3. Khảo sát giá trị MR của van spin theo độ dày lớp Cu........................

37

3.2.4. Khảo sát giá trị MR của van spin theo độ dày lớp đệm......................

40

3.2.5. Kết luận...............................................................................................

44

KẾT LUẬN CHUNG............................................................................

45

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................

47

CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN.......................

49


1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ tiếng Anh đầy đủ

Thuật ngữ

AFM…………. Antiferromagnetic

Phản sắt từ

AMR…………. Antisotropic Magnetoresistance

Từ trở dị hướng

CIP…………… Current In Plane

Dòng điện trong mặt phẳng

CPP…………... Current Perpendicular to Plane

Dịng điện vng góc mặt phẳng

FM…………… Ferromagnetic

Sắt từ

GMR………..... Giant Magnetoresistance

Từ trở khổng lồ

MR…………… Magnetoresistance

Từ trở

OMR…………. Ordinary Magnetoresistance

Từ trở thường

RF……………. Radio Frequecy

Tần số vô tuyến

RKKY………... Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Tương tác RKKY


2

MỞ ĐẦU
Hiện tượng GMR từ khi được phát hiện vào những năm cuối thế kỉ 80 trở lại
đây đã trở thành một vấn đề nóng hổi và được tập trung nghiên cứu mạnh mẽ nên đã
thu được những thành công nhất định. Tuy cơ chế vật lý của GMR ở các vật liệu
dạng màng mỏng còn nhiều điều chưa được sáng tỏ nhưng các ứng dụng của nó đã
được khai thác mạnh mẽ, đặc biệt là với cấu trúc van spin. Ở Việt Nam hiện nay,
những nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng GMR đã và đang thu được những kết
quả bước đầu. Hiệu ứng GMR xảy ra trên các cấu trúc dạng màng mỏng đa lớp (có
khi hàng chục lớp) nên đòi hỏi yêu cầu về thiết bị và cơng nghệ cao. Do đó việc tìm
ra một chế độ cơng nghệ thích hợp để có thể chế tạo được những màng đơn lớp
trong cấu trúc đa lớp phức tạp là một đòi hỏi bắt buộc và là bước quan trọng trong
nghiên cứu về GMR. Vì vậy, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là: “Chế

tạo và nghiên cứu van spin NiCoO/FM/Cu/FM kích thước nanomet”. Trong đó
FM là các lớp vật liệu sắt từ Ni81Fe19 hoặc Fe15Co85.
Mục tiêu của luận văn là:
- Với điều kiện thiết bị hiện có, chế tạo được các màng mỏng từ đơn lớp trong
cấu trúc van spin. Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ
lên tính chất của các màng đơn lớp. Từ đó tìm ra được cơng nghệ tối ưu cho phép
chế tạo màng đa lớp có hiệu ứng GMR lớn.
- Từ những kết quả nghiên cứu trên các màng đơn lớp, chế tạo các màng mỏng
đa lớp để nghiên cứu hiệu ứng tương tác trao đổi dị hướng và hiệu ứng từ trở GMR
của chúng nhằm tìm ra sự ảnh hưởng của mỗi đơn lớp lên tính chất chung của cả hệ.
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn mới chỉ là những kết quả bước đầu
nhằm tìm hiểu bản chất vật lý của các hiện tượng. Trên cơ sở đó, nắm bắt được q
trình điều khiển cơng nghệ chế tạo, đây là mục đích chính của luận văn. Hy vọng
trong tương lai, vấn đề này sẽ được tiếp tục triển khai nghiên cứu ở mức độ sâu và
rộng hơn.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. HIỆN TƯỢNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMR
Từ những năm cuối của thập kỉ 80 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính chất
vật lý mới đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ trên các hệ từ có kích
thước giới hạn, đặc biệt là với những cấu trúc kích thước nanomet. Nổi bật lên trong
số đó là hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR trong các màng mỏng từ hay trong các siêu
mạng từ. Về phương diện vật lý, hiệu ứng GMR là hiện tượng mới, những hiểu biết
về nó chưa có nhiều và cơ chế của hiệu ứng này còn nhiều điều vẫn đang cần được
làm sáng tỏ. Trong khi đó, các linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng GMR hiện
đang được khai thác ráo riết và triển khai ứng dụng rộng rãi trong đời sống bởi vì nó
đáp ứng được những yêu cầu mới của ngành công nghệ thông tin và điện tử học

hiện đại. Những ứng dụng nổi bật có thể thấy rõ trong lĩnh vực lưu trữ thông tin, đo
lường từ và điều khiển bằng từ trường. Những sản phẩm thương mại đã được chế
tạo ứng dụng hiệu ứng GMR mang tính chất đột phá có thể kể đến như các cảm biến
từ trường thấp, đầu đọc từ mật độ cao và bộ nhớ từ khơng tự xố trong máy tính…
Hiệu ứng từ trở (MR) là một dạng của hiện tượng từ điện, đó là sự thay đổi
của điện trở suất (hay độ dẫn điện) trong các vật dẫn dưới tác dụng của từ trường
bên ngoài. Về nguyên tắc, hiệu ứng MR có trong bất kì kim loại phi từ nào và
thường tăng theo cường độ từ trường ngoài tác dụng. Cơ chế của nó là do lực
Lorentz và gọi là hiệu ứng từ điện trở thường (OMR). Hiệu ứng này rất nhỏ (dưới
1%) nên ít có ứng dụng thực tế. Trong các kim loại hay hợp kim sắt từ, tỷ số MR
cao hơn so với hiệu ứng OMR (có thể tới 45 % với hợp kim pecmaloy NiFe). Cơ
chế của nó là do tương tác của điện tử dẫn với từ trường nội có tính dị hướng và gọi
là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR). Hiệu ứng đã từng được ứng dụng rộng rãi
để chế tạo các cảm biến từ trường, đầu từ MR [1].
Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm 1988 khi nhóm của
Albert Fert của trường Đại học Tổng hợp Nam Pari nghiên cứu hệ siêu mạng từ
(001)Fe/(001)Cr chế tạo theo phương pháp epitaxy bằng chùm phân tử (MBE) [4].


4
Tỷ số MR đạt được khoảng 50% ở nhiệt độ 4,2 0K đối với hệ có cấu trúc
[Fe(30Å)/Cr(9Å)]40, nghĩa là hệ gồm 40 lớp kép Fe/Cr, chiều dày Fe và Cr trong
mỗi lớp kép tương ứng là 30Å và 9Å. Giá trị MR này rất lớn chưa từng quan sát
thấy trước đó nên hiệu ứng này được gọi tên là từ điện trở khổng lồ (GMR).

Hình1.1. Từ trở của 3 siêu mạng Fe/Cr đo ở nhiệt độ 4,2 0K

Sau đó, một loạt các hệ từ đa lớp cũng như không phân lớp khác đã được chế
tạo và nghiên cứu, kết quả là chúng đều có hiệu ứng GMR. Điều đó chứng tỏ GMR
là hiện tượng phổ biến trong các hệ từ có cấu trúc khơng liên tục (sắt từ xen giữa

các lớp phi từ).
Những giải thích đầu tiên về hiệu ứng GMR là do sự truyền phụ thuộc spin
của các điện tử dẫn. Do thuộc tính có spin của điện tử, nên các điện tử với chiều
spin xác định (spin- hoặc spin-) có xác suất tán xạ khác nhau tại bề mặt phân
cách giữa các lớp sắt từ và phi từ, nó phụ thuộc cả vào sự sắp xếp từ độ của các lớp
sắt từ. Khi khơng có từ trường ngoài, các lớp sắt từ sắp xếp phản song với nhau, cả
hai loại điện tử với spin- và spin- đều bị tán xạ như nhau khi đi qua cấu trúc này
nên điện trở của cả hệ là lớn. Từ trường ngồi có tác dụng sắp xếp lại vectơ từ độ
của các lớp sắt từ theo hướng song song với nhau. Khi đó, xác suất tán xạ của một
trong hai loại spin- hoặc spin- sẽ giảm xuống và coi như hệ mở thông kênh spin


5
này, các điện tử dẫn chủ yếu là do điện tử với một trong hai loại spin có xác suất tán
xạ thấp [4].

Lí p tõ Lí p phi tõ
H=0


SpinSpin-


SpinSpin-

H > HS





SpinSpin-

SpinSpin-

a)
b)
AF
FM
Hình 1.2. Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong
cấu hình đo CPP của màng từ đa lớp. a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM.

Hình 1.2 và 1.3 là sơ đồ đơn giản minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin
khác nhau trong màng từ đa lớp. Trạng thái điện trở cao ứng với sự phản song của
các vec tơ từ độ (a) và trạng thái điện trở thấp ứng với sự song song của các vec tơ
từ độ (b). Trên sơ đồ hình 1.2, dịng điện được đặt vng góc với mặt phẳng màng
(CPP), do đó nó đi từ lớp từ này sang lớp từ khác thông qua các lớp phi từ. Cịn trên
hình 1.3, dịng điện chạy trong mặt phẳng màng (CIP) và tán xạ với các mô men từ
tại bề mặt phân cách là chủ yếu. Mặc dù sự tán xạ phụ thuộc spin bắt nguồn từ các
lớp sắt từ, nhưng một điều đặc biệt quan trọng là sự tán xạ không chỉ xảy ra trong
lòng mỗi lớp sắt từ mà cả ở bề mặt phân cách giữa lớp sắt từ và lớp phi từ. Sự tán xạ
phụ thuộc spin xảy ra bên trong
của lớp sắt từ gọi là tán xạ khối,
còn ở trên bề mặt phân cách giữa
lớp từ và lớp phi từ gọi là tán xạ

a) Trạng thái điện trở cao

mặt phân cách. Thực nghiệm cho
thấy tán xạ trên mặt phân cách là

đóng góp chính của GMR trong

b) Trạng thái điện trở thấp

Hình 1.3. Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các
spin khác nhau trong cấu hình đo CIP của màng từ đa
lớp. a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM.


6
cấu hình đo CIP. Tán xạ bề mặt càng mạnh thì tỷ số GMR càng lớn.
Các mơ hình lý thuyết được xây dựng về sau này để giải thích bản chất của
GMR cũng chủ yếu dựa trên sự tán xạ bất đối xứng giữa 2 kênh dẫn spin gây bởi sự
sắp xếp song song (FM) hay phản song song (AFM) của các lớp sắt từ. Ngồi ra cịn
có sự đóng góp một phần của tán xạ phụ thuộc spin ở bên trong các hạt sắt từ.
Như vậy, có thể thấy rằng nguyên nhân gây nên hiệu ứng GMR là do sự sắp
xếp lại các vectơ từ độ theo hướng song song với nhau dưới tác dụng của từ trường.
Tỷ số GMR sẽ đạt được giá trị cao nhất khi các vectơ từ độ là hoàn toàn phản song
với nhau trong trạng thái khơng có từ trường, cịn khi có từ trường, chúng là hồn

∆R/R0

tồn song song (Hình 1.4).

- HS

0

HS

Từ trường

Hình 1.4. Đường cong từ trở của màng từ đa lớp với các cấu hình từ độ tương ứng

1.1.1. Tương tác trao đổi dạng dao động RKKY trong màng từ đa lớp
Tương tác trao đổi giữa các lớp sắt từ thông qua lớp đệm bằng kim loại phi
từ thường được khảo sát trong các màng từ đa lớp loại {FM(tF))/NM(tnm)}n trong đó
FM là kim loại chuyển tiếp sắt từ FM = Fe, Co, Ni và các hợp kim của chúng với độ
dày tF, NM là các kim loại phi từ như Cu, Ag, Au, Cr, Mo, Ru, Re, Ir… với độ dày
tnm. Trong trường hợp các màng mỏng có chất lượng tốt, sự thay đổi của cường độ


7
tương tác trao đổi giữa hai lớp sắt từ J12 theo độ dày lớp đệm tnm có dạng dao động
tắt dần như được minh hoạ trên hình 1.5 cho các màng mỏng đa lớp
{Ni80Co20/Ru/Ni80/Co20}n. Chu kỳ của các dao động này chỉ vào khoảng vài lớp
nguyên tử. Tuỳ theo chiều dày tnm sự định hướng tự phát từ độ trong hai lớp sắt từ
hoặc là song song (tương tác FM) hoặc là phản song song (tương tác AFM).

Phản sắt từ (AF)

Sắt từ (FM)

Chiều dày lớp cách Ru (Å0)

Hình 1.5. Sự dao động của hằng số liên kết trao đổi J12 giữa 2 lớp theo khoảng cách

Liên kết từ kiểu như vậy gây nên một sự phân cực của các điện tử trong các
kim loại khơng từ tính (đặc biệt ở gần bề mặt tiếp xúc với lớp từ tính). Trong các
vật liệu dạng khối, chúng ta đã thấy rằng một tạp chất từ (ví dụ như Mn) trên nền

của kim loại Cu có thể làm phân loại các điện tử dẫn của Cu ở lân cận ion Mn. Lúc
đó mật độ trạng thái của các điện tử có spin- và spin- ở xung quanh tạp chất từ sẽ
không bằng nhau gây nên sự phân cực spin. Sự phân cực này dao động với véctơ
sóng 2kF (kF là vectơ sóng Fermi). Nếu tính theo khoảng cách r từ tâm tạp chất, sự
dao động của cường độ tương tác đó sẽ giảm theo quy luật 1/r3 tương tự như tương
tác RKKY. Nếu một tạp chất từ khác định xứ ở trên một khoảng cách nào đó thì
tương tác giữa các điện tử dẫn của Cu và tạp chất thứ hai này sẽ quy định định
hướng từ độ của hai tạp chất từ. Sự định hướng đó là song song hoặc phản song
song tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa chúng. Trong màng mỏng đa lớp, cơ chế
tương tự cũng đã được áp dụng, sự phân cực có tính dao động của các điện tử trong


8
lớp đệm khơng từ tính được cảm ứng bởi các nguyên tử từ tính nằm gần các lớp
giao diện FM/NM [5].
Sự dao động của hiệu ứng từ trở theo độ dày lớp đệm phi từ cũng được quan
sát trong trường hợp của hệ mẫu {Co(10 A0)/Cu( tCu)}n như minh hoạ trên hình 1.6.
Nhận thấy rằng trong quy luật dao động này tỷ số MR ln có giá trị lớn ứng với
các cấu hình tương tác phản sắt từ AFM của các lớp từ tính [6].

Hình1.6. Sự dao động của GMR theo độ dày lớp Cu trong hệ
{Co(10 A0)/Cu(tCu)}n ở nhiệt độ 4,2K và 300K.

1.1.2. Cấu trúc van spin
Cấu trúc dạng màng mỏng đa lớp tỏ ra thích hợp nhất với hiệu ứng GMR.
Ngoài cấu trúc siêu mạng từ giống như cấu trúc [Fe/Cr]n ở trên, người ta còn nghiên
cứu GMR trên một cấu trúc mới gọi là cấu trúc van spin thực hiện lần đầu tiên vào
năm 1991 [7]. Cấu trúc van spin cơ bản gồm 2 lớp sắt từ xen giữa là 1 lớp phi từ.
Mục đích chế tạo là từ độ của 2 lớp sắt từ phải sắp xếp phản song với nhau (AFM).
Sau đó, dùng từ trường ngoài điều khiển sự sắp xếp này trở thành song song (FM)

sẽ thu được hiệu ứng GMR. Hình 1.7 chỉ ra các kiểu van spin thông dụng và được


9
chia thành 3 loại chính: van spin khơng ghim; van spin ghim đối xứng và van spin
ghim bất đối xứng.


10

Van spin không ghim

Van spin ghim đối xứng

Van spin không ®èi xøng

Van spin ®èi xøng
F

F1

AF

NM

NM

F1

F

F2

NM
F2
NM
F1
AF

Van spin ghim kh«ng ®èi xøng
Van spin ghim đỉnh

Van spin gim đá y

AF

F

F

NM

NM

F

F

AF

Từ độ
AF

F2

F1

NM

NM

F1

F2

AF

AF

F1

F1

F2

F2

NM

NM

F2

F2

F1

F1

AF

Hỡnh1.7. Cỏc kiu van spin thụng dng

Từ độ lớ p bịghim
Từ độ lớ p tự do
Từ độ lớ p điều khiển bềmặ
t


11
Cách sắp xếp từ độ của 2 lớp sắt từ được thực hiện theo 2 phương pháp sau:
a. Dựa trên tương tác trao đổi gián tiếp Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida
(RKKY). Đây là sự tương tác trao đổi spin J12 giữa hai nguyên tử tạp chất có từ tính
nằm trong một đám các ngun tử kim loại phi từ [8,9]. Giữa chúng sẽ có sự tương
tác trao đổi spin với nhau thông qua môi trường phân cực spin điện tử của các
nguyên tử phi từ. Tương tác này có giá trị âm hay dương tuỳ theo khoảng cách giữa
chúng và hai mômen từ tương ứng sẽ sắp xếp song song (liên kết kiểu FM) hay
phản song song (liên kết kiểu AFM). Bản chất và độ dày lớp phi từ được khống chế
để liên kết giữa 2 lớp sắt từ là tương tác phản sắt từ và từ độ của 2 lớp sắp xếp theo
kiểu phản song AFM.

b. Hai lớp sắt từ phải là sắt từ mềm. Việc sắp xếp từ độ của 2 lớp sắt từ được
thực hiện bằng chính dịng điện chạy qua phần tử van spin. Chỉ cần dịng điện có
cường độ rất nhỏ (cỡ vài đến vài chục mA) cũng đủ tạo ra từ trường quanh phần tử
để sắp xếp từ độ ở hai lớp từ theo kiểu phản song AFM [1].
Cấu trúc van spin ghim đáy
thường được sử dụng bởi vì sự sắp xếp
từ độ trong các lớp sắt từ là chủ động,
chắc chắn và đơn giản, đạt được hiệu
quả sắp xếp từ độ của các lớp cao nhất,

(a)

hơn nữa lại có thể dễ dàng tuyến tính
hố đặc tuyến của phần tử van spin khi

(b)

dùng làm cảm biến. Tuy nhiên, thực tế
sử dụng và nghiên cứu người ta có thể
kết hợp với hai cách trên để làm tăng tỷ
số GMR.
Ngoài cấu trúc van spin cơ bản
người ta còn thực hiện ghép các cấu
trúc lại với nhau hoặc chế tạo thêm các
lớp có tính chất khác (ví dụ lớp điều

Hình 1.8. Đường cong từ trễ (a) và đường cong
từ trở (b) của van spin ghim đáy
FeMn/NiFe/Cu/NiFe [7].

khiển bề mặt) nhằm tăng thêm tỷ số GMR.


12

Đề tài chúng tôi thực hiện tập trung nghiên cứu vào cấu trúc van spin ghim đáy
có các đường đặc trưng về từ như trên hình 1.8. Đó là một cấu trúc van spin điển
hình gồm bốn lớp chứa hai lớp sắt từ (F1 và F2) ngăn cách nhau bởi một lớp kim
loại phi từ (NM), trong đó lớp F1 thường được ghim bằng tương tác trao đổi với một
lớp vật liệu phản sắt từ AFM. Điện trở của van spin thay đổi rất đột ngột khi từ độ
của các lớp F1, F2 bị đảo. Hiện nay, các van spin như vậy đã được ứng dụng để chế
tạo các đầu đọc thông tin mật độ cao.
Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi mới chỉ nghiên cứu phương pháp chế tạo
và khảo sát tính chất của các màng từ đa lớp này. Hy vọng trong tương lai, các
màng từ đa lớp sẽ được cải tiến về mặt công nghệ cho tỉ số MR lớn cũng như sớm
được triển khai ứng dụng.
1.2. DỊ HƯỚNG TRAO ĐỔI GIỮA HAI LỚP SẮT TỪ/PHẢN SẮT TỪ
1.2.1. Dị hướng trao đổi
Dị hướng trao đổi là một hiệu ứng từ được gây bởi liên kết trao đổi giữ trật tự
sắt từ (FM) và phản sắt từ (AFM). Dị hướng trao đổi được Meiklejohn và Bean tìm
ra vào năm 1956 trên các mẫu là các hạt Co có kích thước từ 10100 nm bị oxi hố
bề mặt, khi các mẫu này được làm lạnh trong từ trường từ trên nhiệt độ TN của lớp
phản sắt từ CoO. Đó là sự dịch chuyển đường cong từ trễ về một phía trên trục toạ
độ theo hướng ngược lại với chiều từ trường [10]. Do đó hiệu ứng này cịn được gọi
là hiệu ứng trao đổi hiệu dịch. Độ lớn của sự dịch chuyển được gọi là thế hiệu dịch
Hex. Cơ chế và đường cong từ trễ của hệ Co-CoO được chỉ ra trên hình 1.9.
Hiện tượng trên được giải thích như sau: khi tăng nhiệt độ của mẫu trong từ
trường từ trên nhiệt độ TN, trạng thái trật tự phản sắt từ của lớp CoO bị phá vỡ,
trong khi lõi Co vẫn giữ được trạng thái trật tự sắt từ do nhiệt độ Curie của lõi sắt từ
Co lớn hơn nhiều so với nhiệt độ TN của lớp phản sắt từ CoO. Hơn nữa, từ độ của

lõi Co được định hướng trong từ trường ngoài, nên một số spin của lớp CoO trên bề


13
mặt tiếp xúc bị ghim bởi mômen từ của lõi Co. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt
độ TN, lớp CoO xuất hiện trật tự phản sắt từ có dạng như trạng thái (a) trên hình 1.9.

Hình 1.9. Cơ chế của sự dịch đường cong từ trễ trong hệ Co-CoO
Các điểm (a), (b), (c) trên đường cong tương ứng với 3 trạng thái ở bên trái

Giảm từ trường về giá trị 0, trong mẫu sẽ tồn tại mômen từ dư của lõi Co.
Tăng từ trường theo hướng ngược lại, các spin của lõi Co sẽ quay theo chiều từ
trường. Lúc này liên kết trao đổi tại mặt phân giới sẽ làm cho các spin của lớp phản
sắt từ CoO dao động chút ít, có dạng như trạng thái (b). Từ trường triệt tiêu hồn
tồn mơmen từ trong mẫu có giá trị lớn hơn lực kháng từ Hc của Co. Khi từ trường


14
đảo chiều dần về giá trị 0, tương tác dị hướng trao đổi làm cho các spin của lõi sắt
từ Co lật ngược trở lại, khôi phục lại trạng thái ban đầu (a) tương ứng trạng thái (c)
trên hình 1.9 [11].
Gần đây, việc khảo sát tương tác trao đổi giữa vật liệu phản sắt từ đơn ôxit với
vật liệu sắt từ được triển khai rộng rãi để xác nhận và củng cố những đề xuất ban
đầu của Meiklejohn, Bean và Neel [12]. Các phương pháp thực nghiệm và phân tích
đã được chính xác hố với độ nhạy cao hơn.
Carey và Berkowitz [13] đã nghiên cứu các màng phản sắt từ CoO, NiO, Ni1xCoxO

bằng phương pháp phún xạ. Họ cho rằng khi pha Co vào NiO sẽ tăng dị

hướng từ tinh thể trong lớp phản sắt từ. Đây là yếu tố quyết định đến hiệu ứng dị

hướng trao đổi. Khi tạo cặp với Ni81Fe19, nhiệt độ TB của màng hai lớp Ni1xCoxO/Ni81Fe19

thay đổi tuyến tính theo giá trị x. Trường trao đổi hiệu dịch Hex và

lực kháng từ Hc được xác định như là hàm của x. Khi x > 20% ta thu được tỉ số
Hex/Hc > 1, đây là điều kiện cần thiết cho các đầu đọc hiệu dịch. Với x xấp xỉ bằng
40%, giá trị Hex thu được là lớn nhất. Ngồi ra, Carey và Berkowitz cịn xác định
trường trao đổi phụ thuộc nhiệt độ Hex(T) của màng có cấu trúc CoO-NiO/Ni81Fe19
[14]. Các số liệu chỉ ra rằng khi tương tác trao đổi đủ lớn với độ dày lớp CoO đủ
mỏng ( 2nm) thì tồn tại nhiệt độ trật tự giống như đối với màng hợp kim Ni1-xCoxO
với %Co tương tự. Điều này được khẳng định thêm bằng kết quả nghiên cứu nhiễu
xạ neutron. Ngoài ra trường trao đổi hiệu dịch Hex(T) còn phụ thuộc vào lớp tiếp
xúc với lớp Ni81Fe19 là CoO hay NiO. Nói chung, các cơng việc này đã chỉ ra một
vài khả năng lựa chọn để điều chỉnh trường trao đổi. Các nghiên cứu một cách hệ
thống đối với màng hai lớp CoO/Ni81Fe19 [15,16] chứng minh rõ ràng rằng mật độ
spin phản sắt từ không bù trừ bề mặt quyết định đến trường trao đổi hiệu dịch Hex.
Nhiệt độ TN của vật liệu NiO tương đối cao đã thu hút sự chú ý tới các ứng
dụng thương mại. Nhưng dị hướng từ tinh thể thấp lại hạn chế trường trao đổi hiệu
dịch Hex và làm tăng lực kháng từ Hc khi năng lượng trao đổi bề mặt vượt quá năng
lượng tĩnh từ của hạt phản sắt từ. Lee cùng cộng sự [17] đã so sánh giữa các màng
epitaxy Ni81Fe19/NiO trên đế MgO định hướng (100), (110) và (111) với các màng


15
đa tinh thể Ni81Fe19/NiO, đồng thời họ cũng xác định độ ráp bề mặt phân cách. Kết
luận của họ cho thấy định hướng tinh thể khơng đóng vai trị đáng kể trong việc xác
định trường trao đổi hiệu dịch Hex và độ ráp bề mặt dường như làm tăng lực kháng
từ Hc.
Michel cùng cộng sự [18] đã so sánh trạng thái của màng epitaxy
Ni81Fe19/NiO định hướng (001) và màng đa tinh thể. Kết quả cho thấy rằng, các

màng đa tinh thể có trường trao đổi hiệu dịch Hex lớn hơn so với màng epitaxy.
Trong kết quả nghiên cứu van spin, Chopra [19] đã dùng TEM với độ phân giải cao
để chỉ ra cấu trúc nguyên tử bề mặt phân giới NiO/Co thay đổi theo áp suất O2 trong
quá trình tạo màng và thế hiệu dịch phản ánh cấu trúc mặt phân giới như thế nào.
Các tác giả này cho rằng quá trình ghim của NiO đối với Co được thực hiện chủ yếu
do lực kháng từ Hc cao tại mặt phân giới của NiO/Co. Việc quan sát cấu hình
đơmen trong quá trình đảo từ độ của màng hai lớp NiFe(10nm)/NiO(50nm) trên đế
MgO định hướng (001) bằng cách dùng dụng cụ quang từ cho thấy rằng sự hình
thành đơmen là ngun nhân đảo từ khi đặt từ trường ngoài dọc theo trường trao đổi
hiệu dịch Hex. Tuy nhiên, họ khơng nói rõ quá trình đảo từ xảy ra ở từ trường ngang.
Mặc dù nhiệt độ TN của vật liệu NiO tương đối cao, nhưng hằng số dị hướng K2
thấp có thể dẫn đến sự khơng ổn định nhiệt nếu kích thước hạt nhỏ.
S.Soeya và cộng sự [20] đã khảo sát điều kiện phún xạ ổn định của màng
phản sắt từ NiO cho một lớp trao đổi hiệu dịch, mối quan hệ giữa tính chất tương
tác trao đổi của màng Ni81Fe19/ NiO và đặc trưng của màng NiO với sự ổn định
nhiệt của nó. Trong số các điều kiện phún xạ màng NiO, yếu tố chính để xác định
tính chất tương tác trao đổi của màng Ni81Fe19/ NiO là áp suất khí Ar trong suốt quá
trình tạo màng NiO. Màng NiO được tạo ở áp suất khí Ar thấp là quan trọng để tạo
ra trường trao đổi hiệu dịch và nhiệt độ TB cao. Việc cải tiến tính chất tương tác trao
đổi ở áp suất khí Ar thấp do hai yếu tố: bề mặt của màng NiO nhẵn và sự xuất hiện
kích thước hạt tương đối lớn. Yếu tố thứ nhất được xem như khơng chỉ góp phần
làm tăng số spin của cặp tương tác trao đổi đơn hướng mà còn làm xuất hiện các
quỹ đạo trao đổi có dị hướng trao đổi định xứ lớn. Yếu tố thứ hai được xem như gây
ra các đảo phản sắt từ với thể tích hạt lớn hơn (KeiA/KAFi). Trong đó, Kei, A và KAFi


16
tương ứng là dị hướng đơn hướng, diện tích mặt phân giới của các đảo NiO tiếp xúc
với màng Ni81Fe19 và dị hướng từ tinh thể của các đảo NiO. Hơn nữa, màng NiO có
sự ổn định nhiệt lên tới 250 oC mặc dù dị hướng phản sắt từ của nó yếu do tăng

nhiệt độ ủ lên trên 250 oC.
Cho đến nay cơ chế của dị hướng trao đổi hiệu dịch vẫn chưa được hồn tồn
sáng tỏ. Việc mơ hình hố là rất khó khăn do cấu trúc trật tự hoá học và trật tự spin
ở bề mặt tiếp xúc rất phức tạp. Vì thế, địi hỏi cần có sự nghiên cứu sâu sắc hơn và
cụ thể hơn. Trong khuôn khổ của luận văn chỉ xin đề cập tới ảnh hưởng của dị
hướng từ tinh thể lên dị hướng trao đổi hiệu dịch.
1.2.2. Các vật liệu sắt từ và phản sắt từ liên quan đến dị hướng trao đổi
Các vật liệu sắt từ được dùng trong các màng tương tác sắt từ/phản sắt từ chủ
yếu là Co, NiFe, FeCo hoặc CoNiFe. Việc pha Co vào NiFe nhằm làm tăng thêm
hằng số dị hướng từ.
Nhưng ứng dụng trong thực tiễn thì Ni81Fe19 được chiếm ưu thế hơn. NiFe có
cấu trúc lập phương tâm mặt FCC, nhiệt độ Curi TC = 400 0C. Hằng số dị hướng từ
của NiFe thấp K1  0 ở 4,2 0K còn ở nhiệt độ phòng, K1 = -3.103 J/m3 và với hai
phương dễ từ hoá là (100) và (111) [21]. Do vậy, NiFe là vật liệu từ rất mềm, rất dễ
đảo từ độ ở từ trường thấp. Đây là yếu tố quan trọng bởi khả năng ứng dụng của nó
trong các phần tử van spin. Màng FeCo có mơmen từ cao hơn so với NiFe, lực
kháng từ giảm mạnh khi kích thước hạt của FeCo giảm [22]. Trong luận văn, các
vật liệu NiFe và FeCo đã được chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu.
Các vật liệu phản sắt từ đã được sử dụng trong nghiên cứu dị hướng trao đổi
và chế tạo cấu trúc van spin có thể chia làm 2 nhóm chính:
- Nhóm vật liệu trên nền Mn (Fe-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, PdMn, Pt-Mn...) có nhiệt
độ chuyển pha TN rất cao thường lớn hơn 300 0C (với Pt-Mn TN 700 0C), các hằng
số dị hướng từ lớn nên cả trường trao đổi hiệu dịch Hex, và lực kháng từ Hc khá cao,
tỷ số GMR lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của nhóm vật liệu này là nhiệt độ Block TB
thường thấp hơn nhiệt độ phòng nên hạn chế rất lớn đến khả năng ứng dụng. Mặt


17
khác, do có chứa Mn nên cấu trúc rất dễ bị ơxi hố, ảnh hưởng xấu đến tính chất của
linh kiện sau khi chế tạo [12].

- Nhóm vật liệu trên nền ôxit kim loại vật liệu từ (CoO, NiO, CoxNi1-xO) được
sử dụng nhiều hơn do khắc phục được những nhược điểm của nhóm trên. Việc khảo
sát cấu trúc và trật tự từ của các vật liệu phản sắt từ đơn oxit: CoO, NiO, CoxNi1-xO
hầu như đã được công bố. Các vật liệu này có cấu trúc lập phương tâm mặt ở trên
nhiệt độ TN và biến dạng một chút ở dưới nhiệt độ TN. Đối với vật liệu NiO, cấu
trúc tinh thể co dọc theo hướng (111) thành trực thoi và CoO co dọc theo hướng
(100) thành tứ diện. Nhiệt độ TN của NiO và CoO tương ứng là 525 K và 293 K.
Còn đối với vật liệu CoxNi1-xO, TN thay đổi tuyến tính theo x ( x là nồng độ Co ). Ở
trên nhiệt độ TN, các vật liệu này là thuận từ. Ở dưới nhiệt độ TN, chúng trở nên trật
tự với các spin hướng song song trên mặt phẳng (111) và hướng phản song song
trên mặt phẳng kế cận do tương tác siêu trao đổi thông qua các nguyên tử O2 ở giữa
[12] (hình 1.10).

Hình1.10. Cấu trúc trật tự từ và trật tự hoá học của vật liệu phản sắt từ Ni1-xCoxO


18
Ở dưới nhiệt độ TN, trật tự spin theo trục <111> kết hợp với sự biến dạng cấu
trúc không phải dạng lập phương tâm mặt dẫn đến cấu trúc đômen phản sắt từ trở
nên đa dạng. Đômen phản sắt từ được xác định bởi trục Néel hướng dọc theo các
spin song song hoặc phản song song. Vì khó có thể tạo ra các mẫu đơn đomen nên
không thể đo được chính xác hằng số dị hướng của vật liệu phản sắt từ đơn oxit này.
Các spin có thể quay dễ dàng hơn trong mặt phẳng từ hoá (111) so với khi chúng
quay ra ngoài mặt phẳng này. Bởi vậy, hai hằng số dị hướng có thể được xác định
là: hằng số dị hướng K1 đối với các spin quay ra ngoài mặt phẳng (111) và K2 đối
với các spin quay trong mặt phẳng này. Tại 4,2 0K, NiO có hằng số dị hướng K1
thay đổi từ 1065.106 erg/cm3; K2 thay đổi từ 0,15% K1, trong khi Co có
K1=2,7.108 erg/cm3, K2< 2.105 erg/cm3 [12]. Như vậy, dị hướng từ tinh thể của CoO
cao hơn rất nhiều so với dị hướng từ tinh thể của NiO. Mặt khác, TN của CoO bằng
20 0C lại thấp hơn rất nhiều so với TN của NiO là 250 0C. Do đó, vật liệu Ni1-xCoxO

thường được sử dụng để kết hợp ưu điểm TN và (K1, K2) của cả hai ơxit trên.
Vật liệu ơxít được chúng tơi chọn lựa để nghiên cứu là NiCoO bởi ngồi việc
khắc phục những nhược điểm của nhóm vật liệu chứa Mn, NiCoO còn kết hợp được
TN của NiO và hằng số dị hướng từ (K1, K2) của CoO cao. Đây là chìa khố giúp
nâng cao thế hiệu dịch Hex. Mặt khác, khi chế tạo van spin, bề mặt tiếp xúc giữa
NiCoO với NiFe sẽ có một lớp chuyển tiếp hồn hảo hơn vì chúng có chung ngun
tố Ni.


19

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Trong luận văn này, các loại màng mỏng đã được chế tạo bằng phương pháp
phún xạ Catốt và nghiên cứu là NiCoO, NiFe, FeCo và Cu. Việc lựa chọn các loại
màng mỏng này là do chúng thích hợp cho việc khai thác những ưu thế sẵn có trong
hệ phún xạ của chúng tơi. Ở đây, việc khống chế các tham số công nghệ được chú ý
nhằm thu được các màng mỏng có thành phần hố học, chiều dày, kích thước hạt,
độ ráp bề mặt… với các thông số mong muốn. Các thông số này đã được khảo sát
trên những phương tiện nghiên cứu hiện đại với độ tin cậy cao.
Chương này trình bày các phương pháp thực nghiệm được sử dụng trong quá
trình thực hiện đề tài luận văn.
2.1. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẪU
Các màng mỏng nói chung được chế tạo bằng các phương pháp vật lý, hoá học
hoặc kết hợp cả hai phương pháp này. Trong số đó, phương pháp lắng đọng từ pha
hơi theo nguyên tắc vật lý như phún xạ là phương pháp thông dụng nhất. Đây là
phương pháp chế tạo màng mỏng có chất lượng cao và thích hợp khi được triển khai
sản xuất ở qui mô công nghiệp. Hệ phún xạ Edward Auto 306 của Viện Khoa học
Vật liệu được sử dụng chế tạo tất cả các hệ màng mỏng kim loại, hợp kim và ôxit.
2.1.1 Phương pháp phún xạ
Phương pháp phún xạ tạo màng mỏng dựa trên hiện tượng va chạm các hạt có

động năng lớn với các nguyên tử cấu thành bia rắn làm bật chúng ra khỏi bia và
lắng đọng lên đế. Để quá trình phún xạ diễn ra có hiệu quả, các hạt bắn phá phải có
kích thước cỡ ngun tử và có năng lượng đủ lớn (1001000 eV trong khi các
nguyên tử trên bề mặt chất rắn có năng lượng liên kết từ 210 eV) để tạo ra sự phún


20
xạ từng nguyên tử riêng biệt. Các ion của khí trơ thích hợp nhất với vai trị của các
hạt bắn phá (phổ biến là khí Ar).
Xác suất bứt các nguyên tử ra khỏi bề mặt chất rắn phụ thuộc vào bản chất và
liên kết hoá học giữa các nguyên tử, điện thế và áp suất khi phún xạ. Quá trình phún
xạ có hiệu quả khi hiệu suất phún xạ lớn. Hiệu suất phún xạ được định nghĩa là số
nguyên tử vật liệu nguồn thoát ra trên một ion tới bắn phá. Hiệu suất phún xạ phụ
thuộc cấu trúc bề mặt vật liệu, khối lượng và năng lượng hạt bắn phá, kiểu tương tác
giữa ion với vật liệu (tán xạ đàn hồi hay khơng đàn hồi, góc tán xạ).
Các màng mỏng chế tạo bằng phương pháp phún xạ trong luận văn được thực
hiện trên hệ phún xạ Edward Auto 306 đặt tại Viện KHVL-Viện Khoa học và Cơng
Nghệ Việt nam. Hình 2.1 là sơ đồ cấu tạo buồng chân không. Đây là hệ phún xạ
catốt với 2 nguồn DC và RF (tần số 13,65 MHz) và 3 bia (1 bia cho nguồn DC và 2
bia cho nguồn RF). Công suất lớn nhất của mỗi nguồn là 500 W. Các bia tiêu chuẩn
có đường kính là 7,5 cm với độ dày từ 0,55 mm được đặt trên các nguồn.


21

Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo trong buồng chân khơng của máy phún xạ Edward Auto 306

Quá trình phún xạ tạo màng được diễn ra như sau: buồng mẫu được hút chân
không cao bằng bơm Turbo đến áp suất 10-510-6 mBar. Khí Ar cơng nghiệp (đóng
vai trị là các hạt bắn phá) được đưa vào với áp suất 10-210-3 mBar trong suốt quá

trình phún xạ. Điện trường sinh ra giữa 2 cực Anốt và Catốt sẽ ion hố khí Ar tạo
thành một vùng plasma, trong đó có các ion Ar+ và các điện tử tự do. Ion Ar+ được
gia tốc nhờ một điện thế âm rất cao trên bia. Chúng hướng tới bia và bắn phá bề mặt
bia với năng lượng lớn làm các nguyên tử kim loại bật ra thành các nguyên tử riêng
lẻ bay lên lắng đọng lên đế. Từ trường do nam châm hình vịng xuyến đặt dưới bia
có tác dụng làm cho các diện tử chuyển động xốy trong “đường hầm đường sức”,
làm tăng q trình ion hố khí Ar và làm giảm sự bắn phá của các điện tử với màng
hình thành trên đế. Do đó làm tăng hiệu suất phún xạ. Khoảng cách giữa đế và bia