Nghiên cứu chế tạo màng mỏng có cấu trúc Spin van

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG 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
TRƢỜNG 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: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

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 cơ
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 ....................................................................................................................9
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH.....................................2
1.1. Màng mỏng. .....................................................................................................2
1.2. Dị hƣớng từ......................................................................................................3
1.2.1. Dị hướng hình dạng. ...................................................................................3
1.2.2. Dị hướng từ tinh thể. ..................................................................................4
1.2.3. Dị hướng ứng suất. .....................................................................................4
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng. ..................................................................5
1.3. Các vật liệu sắt từ............................................................................................6
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM). .........................................................................8

1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ...............................................................8
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ. ...........................................9
1.5. Giới thiệu về hiện tƣợng trao đổi dịch. .........................................................9
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch. ....................................................10
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. ...................................11
1.5.3. Mơ hình lý thuyết. ....................................................................................12
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch. .............................14
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch. ............................................15
1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van. ........................................................16
1.7. Mục tiêu của luận văn. .................................................................................17
Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .........................................19
2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phƣơng pháp phún xạ......................................19
2.2.1. Cơ chế phún xạ. ........................................................................................19
2.1.2 . Các hệ phún xạ. .......................................................................................20
2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM). .........................................................................24
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM). ...............................................................................26


2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X. ..............................................................................29
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................32
3.1. Màng mỏng NiFe...........................................................................................32
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM). ...................................................32
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD). ............................................................33
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). ..........................................................34
3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn. .................................................................................35
3.2.1. Kết quả đo tính chất từ. ............................................................................35
3.2.2. Kết quả đo XRD. ......................................................................................38
3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn. ..................................................................39
3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). ..........................................................39
3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ.................................................41

3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ. ......................................43
KẾT LUẬN ..............................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................48


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 đơmen 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 khơng 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 Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày lớp
AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tFM = 7 nm ............................................................. 15
Hình 1.10: Mơ 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 qt; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét ... 25
Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung ( VSM); (b) Mơ 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) Mơ hình hệ đo nhiễu xạ tia X........ 31
Hình 3.1: Ảnh SEM của màng NiFe ........................................................................ 32
Hình 3.2: Hình ảnh nhiễu xạ tia X của màng NiFe ................................................. 33
Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề
mặt của màng ........................................................................................................... 34
Hình 3.4: Hình ảnh VSM của hệ NiFe/IrMn với tNiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm .......... 35
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe của màng NiFe/IrMn ...... 37

Hình 3.6: Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe/IrMn ........... 37
Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X của các lớp NiFe/IrMn .................................................... 38
Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn ................................................ 39
Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (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 mơmen 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 (tIrMn 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 khơng 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. Khơng 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 phịng 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.


Chƣơng 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.

2


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 hƣớng từ.
Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) ln 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 hịa 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 vng 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
vng góc, trường khử từ rất lớn; cịn 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 trịn 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
o M 2 ( N a  Nb )sin 2 
2

Hằng số dị hướng hình dạng [1] :

3

[J/m3]

(1.1)


Ehd 

1
o M 2 ( N a  N b )
2

[J/m3]

(1.2)

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
o M 2 sin 2 
2

[J/m3]

(1.3)

[J/m3]

(1.4)

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

1
o 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 mơmen 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   s sin 2 
2

4

[J/m3]

(1.5)


trong đó:
+ λs: hệ số từ giảo bão hịa.
+ 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 vng 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 mơmen từ theo phương mặt phẳng để năng lượng tĩnh từ tối ưu.
Năng lượng dị hướng từ của các màng mỏng thường được viết dưới dạng:
Ea   K  cos2 

(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 vng góc với mặt phẳng
màng. Nói chung, trong rất nhiều trường hợp, dị hướng từ bề mặt được quan sát phổ
biến hơn [1].
Có hai nguồn đóng góp chính vào dị hướng từ của các màng mỏng, đó là dị
hướng từ thể tích (Kv) và dị hướng từ bề mặt (Ks) . Hai loại dị hướng này có thể
tách ra khỏi hiệu ứng từ hiệu dụng đo được từ thực nghiệm Keff dựa vào biểu thức
sau:
Ke ff  Kv  2K 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

5


xác định từ hệ số góc của đường thẳng và 2Ks là giao điểm của đường thẳng với
trục tung [1].
1.3. Các vật liệu sắt từ.
Từ ngày xưa, sắt từ được biết đến như là một kim loại (Fe) và lodston
(Fe3O4). Dựa vào độ từ dư của sắt từ mà chúng được sử dụng để làm la bàn hay kim
la bàn. Ngày nay, có rất nhiều loại sắt từ được biết đến như trong kim loại, hợp kim
và oxit. Tuy nhiên, chỉ có ba loại kim loại có phân lớp 3d là vật liệu sắt từ ở nhiệt
độ phòng (Fe, Co, Ni) [2].
Vật liệu sắt từ được biết đến là một chất có từ tính rất mạnh, có độ từ thẩm
rất lớn và độ từ hóa lớn hơn độ từ hóa của chất thuận từ. Chất sắt từ có những
mơmen từ nguyên tử có khả năng tương tác với nhau. Tương tác này dẫn đến việc
hình thành trong lịng 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 khơng có từ trường ngồi). Và khi khơng có từ trường
ngồi, do năng lượng nhiệt làm cho các mơmen từ trong các đơmen trong tồn khối
sắp xếp hỗn độn, do vậy, tổng độ từ hóa của tồn khối vẫn bằng 0.

Hình 1.2: Cấu trúc đơmen trong vật liệu sắt từ
Việc hình thành đơmen 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 đơmen vẫn cịn
nằm bên ngồi chất sắt từ. Tuy nhiên, nếu các đường sức này được đóng kín do sự

sắp xếp hợp lý của các đơmen như trên hình 1.2 thì sẽ có lợi về mặt năng lượng.

6


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 đơmen (vùng) từ hóa tự phát để có lợi về mặt năng lượng.
Q 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 hịa 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 mơmen từ sẽ lại có xu
hướng hỗn độn do thăng giáng nhiệt và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên, các
đơmen này vẫn cịn tương tác với nhau. Khi ta giảm từ trường về 0, tổng mơmen từ
trong tồn 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

7


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 khơng 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 mơmen từ ngun tử cạnh tranh nhau sắp xếp đối
song (song song và ngược chiều) từng đơi một (hình 1.4). Tức là, trong vật liệu
phản sắt từ, tồn tại hai phân mạng có cấu trúc từ xem kẽ nhau. Mômen từ trong mỗi
phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều với mômen từ của phân
mạng kia.Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng triệt tiêu
nhau. Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở khơng 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).

8


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 (TN – được đặt tên theo Louis Néel). Khi
T  TN thì sự sắp xếp mơmen 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 ơxit. 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:


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 tƣợng 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.

9


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 ơxy 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 phịng đến 77 K mà khơng 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 khơng có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường bão hòa (2).

10


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 mơ 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.

11


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 cịn 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 khơng
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. Mơ 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 tFM cos(   )  K FM tFM sin 2 ( )  K AFM t AFM sin 2 ( )  J cos(   )

(1.10)

ở đây:
H là từ trường hiệu dụng.
MFM là độ từ hóa bão hịa.
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, KAFM là hằng số dị
hướng từ hiệu dụng của lớp AFM.
J là hệ số tương tác trao đổi bề mặt.

12


β, α là góc tương ứng giữa độ từ hóa MFM, MAFM và trục dị hướng FM,
AFM; θ là góc giữa từ trường đặt vào và trục dị hướng FM (Hình 1.7).
Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng của màng FM và AFM là giống nhau
và là trục duy nhất.

Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch.
Số hạng thứ nhất trong phương trình năng lượng là do tác dụng của từ trường
hiệu dụng trên lớp FM, số hạng thứ hai là do tác dụng của sự dị hướng của lớp FM,

số hạng thứ ba liên quan đến tính dị hướng AFM và số hạng cuối cùng liên quan
đến tính dị hướng bề mặt [14].
Trong trường hợp đơn giản, các dị hướng FM là không đáng kể
( K FM tFM = K AFM t AFM ), khi đó năng lượng được biểu diễn như sau:
E   HM FM tFM cos(   )  K AFM t AFM sin 2 ( )  J cos(   )

Từ trường trao đổi dịch có thể được tính theo cơng thức sau:

13

(1.11)


H ex 

J
M FM tFM

(1.12)

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

Từ trƣờng (Oe)

1.5.4.1. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp FM.

Chiều dày lớp NiFe (

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.

Đối với các hệ được nghiên cứu, người ta quan sát thấy rằng từ trường trao
đổi dịch tỷ lệ nghịch với độ dày các lớp FM (hình 1.8) [14].
H ex 

1
t FM

14

(1.13)


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
khơng 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].

Chiều dày lớp IrMn (Ao)

Hình 1.9: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ dày lớp
AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tFM = 7 nm.
1.5.5. Các ứng dụng 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

15

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].

Hình 1.10: Mơ 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 thể thấy rằng, trạng thái của hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự
định hướng tương đối của mômen từ của các lớp sắt từ. Có nghĩa là việc mơmen từ
các lớp định hướng tương đối với nhau ra sao (song song, phản song song) có thể
cho phép dịng điện tử (dịng spin) được truyền qua hoặc khơng 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].
Mơ 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 mơ hình sơ khai đầu tiên. Tuy
nhiên, đây là cấu trúc đơn giản với sự quay của các lớp FM theo từ trường khá tự do
và việc điều khiển tín hiệu trở nên khó khăn. Nhóm của Peter Grunberg đã cải tiến

16


mơ hình này thành cấu trúc spin van như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản
sắt từ (AFM).
Mặt cắt ngang của cấu trúc gồm 4 lớp chính: bên trên là lớp màng mỏng vật
liệu phản sắt từ (hiện nay sử dụng phổ biến là IrMn,…), bên dưới lớp này là lớp sắt

từ đầu tiên có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên có từ độ bị giữ theo một hướng
(gọi là lớp ghim), phía dưới lớp ghim là lớp phi từ và dưới cùng là lớp sắt từ với từ
độ quay tự do (lớp tự do).
AFM
FM bị ghim
NM
FM tự do
Hình 1.11: Mặt cắt ngang của màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ.
Quan sát hình 1.11 ta có thể thấy sự tương tác của hai lớp FM được ngăn
cách bởi một lớp phi từ trung gian. Một trong hai lớp FM (được gọi là lớp ―ghim‖
trong hình) có hướng từ độ ―đóng băng‖ bởi sự liên kết với một lớp AFM
[10,15,18,19].
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.

17