Điều biến dị hướng từ và trường trao đổi dịch theo phương vuông góc trong các màng đa lớp [Co/Pd]-IrMn có cấu trúc nano dạng antidot arrays

Bài viết Điều biến dị hướng từ và trường trao đổi dịch theo phương vuông góc trong các màng đa lớp [Co/Pd]-IrMn có cấu trúc nano dạng antidot arrays nghiên cứu khả năng điều biến dị hướng từ và HEB dựa trên các thông số cấu trúc trong các màng nano xốp đa lớp FM/AFM.

TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 MODULATION OF PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY AND EXCHANGE BIAS IN [Co/Pd]-IrMn MULTILAYER NANO-ANTIDOT ARRAYS Giap Van Cuong1, Chu Van Thanh2,3, Do Khanh Tung2, Nguyen Thanh Huong2, Do Hung Manh2, Tran Dang Thanh2, Nguyen Thi Ngoc Anh2,4* Hung Yen University of Technology and Education, 2Institute of Materials Science, VAST, 3International Training Institute for Materials Science (ITIMS), HUST, 4Graduate University of Science and Technology, VAST ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 07/6/2022 The manipulation of magnetic anisotropy and exchange bias field (HEB) in ferromagnet/antiferromagnet (FM/AFM) thin films could be the key in Revised: 14/7/2022 the development of the next generation of spintronic devices In this Published: 14/7/2022 paper, the possible modulation of the magnetic anisotropy and HEB was investigated by the structural parameters of the nanoporous FM/AFM multilayer films The [Co/Pd]-IrMn multilayers were sputtered on flat KEYWORDS SiO2 and self-organized nanoporous oxide (Al2O3, TiO2) substrates with Multilayer thin film different pore size and surface morphology The influence of surface morphology and pore size on the structure and magnetic of the Antidot arrays structure nanoporous [Co/Pd] and [Co/Pd]-IrMn films were investigated carefully Perpendicular magnetic All films (flat and porous ones) exhibit strong perpendicular magnetic anisotropy anisotropy and large HEB at room temperature, specially in the Perpendicular exchange bias nanoporous TiO2-[Co/Pd]-IrMnfilm Moreover, a significant increase of FM/AFM the coercivity as well as a reduction of the remanence of the developed nanoporous thin films, which depends on the pore size and surface morphology, was also observed ĐIỀU BIẾN DỊ HƢỚNG TỪ VÀ TRƢỜNG TRAO ĐỔI DỊCH THEO PHƢƠNG VNG GĨC TRONG CÁC MÀNG ĐA LỚP [Co/Pd]-IrMn CĨ CẤU TRÚC NANO DẠNG ANTIDOT ARRAYS Giáp Văn Cƣờng1, Chử Văn Thành2,3, Đỗ Khánh Tùng2, Nguyễn Thanh Hƣờng2, Đỗ Hùng Mạnh2, Trần Đăng Thành2, Nguyễn Thị Ngọc Anh2,4* Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, 2Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 4Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Ngày nhận bài: 07/6/2022 Việc điều khiển tính dị hướng trường trao đổi dịch (HEB) màng Ngày hoàn thiện: 14/7/2022 thiết bị spintronics hệ Trong báo này, nghiên cứu 14/7/2022 khả điều biến dị hướng từ HEB dựa thông số cấu trúc Ngày đăng: mỏng sắt từ/phản sắt (FM/AFM) từ coi chìa khóa phát triển màng nano xốp đa lớp FM/AFM Các màng mỏng đa lớp [Co/Pd]-IrMn phún xạ đế phẳng SiO2 đế xốp nano Al2O3 TiO2 có TỪ KHĨA kích thước lỗ xốp độ nhám bề mặt khác Ảnh hưởng hình thái bề Màng mỏng đa lớp mặt, kích thước lỗ xốp lên đặc trưng cấu trúc tính chất từ màng xốp đa lớp [Co/Pd] [Co/Pd]-IrMn khảo sát cách kỹ lưỡng Cấu trúc antidot arrays Tất màng (phẳng xốp) thể dị hướng từ mạnh HEB lớn Dị hướng từ vng góc theo phương vng góc nhiệt độ phịng, đặc biệt màng xốp TiO2Trao đổi dịch theo phương [Co/Pd]-IrMn Thêm nữa, tăng cường đáng kể lực kháng từ giảm độ vng góc từ dư màng xốp chế tạo, phụ thuộc vào kích thước lỗ xốp FM/AFM hình thái bề mặt, quan sát thấy DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.6122 * Corresponding author Email: ngocanhnt.vn@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn 95 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 Giới thiệu Gần đây, tính dị hướng từ hiệu ứng trao đổi dịch theo phương vng góc quan sát nhiệt độ phòng màng đa lớp sắt từ/kim loại quý Co/Pt, Co/Pd gắn với lớp phản sắt từ FeMn, IrMn thu hút quan tâm nghiên cứu [1] – [5], kỳ vọng giúp tạo thiết bị ghi từ vng góc mật độ siêu cao, chí vượt xa giá trị 1Tb/in2 [1], [6], [7] Khả điều biến tính dị hướng từ trường trao đổi dịch màng mỏng đa lớp [Co/Pd]-IrMn thông qua thay đổi số lớp, chiều dày lớp vật liệu báo cáo trước [8] Gần đây, số nghiên cứu màng mỏng từ có cấu trúc nano thấp chiều (như dây nano, chấm (dot) phản chấm (antidot)) cho thấy có khả tăng cường dị hướng từ trường trao đổi dịch theo phương vng góc so với màng phẳng [9] Tuy nhiên, màng nanodot loại gặp phải vấn đề giới hạn siêu thuận từ kích thước bit trở nên nhỏ Một số nghiên cứu gần thực cấu trúc màng nano-antidot (phản chấm nano) màng xốp nano cho thấy cấu trúc antidot không giúp tăng cường dị hướng từ vng góc mà cịn giúp vượt qua giới hạn siêu thuận từ cấu trúc loại bit thơng tin khơng hồn tồn tách rời mà cịn có phần nối với [10] Vì vậy, mật độ thơng tin, độ ổn định từ tính màng loại kỳ vọng tăng cường đáng kể so với cấu trúc nano nghiên cứu trước [9] - [12] Để chế tạo màng mỏng từ có cấu trúc antidot, đế xốp nano Al2O3 TiO2 có cấu trúc lỗ xốp dạng tổ ong tự xếp chế tạo phương pháp anốt hóa hai bước có độ trật tự cao, mật độ cao (10101012 lỗ xốp/cm2), có khả điều khiển kích thước lỗ xốp thơng qua thông số công nghệ gần quan tâm phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp đồng thời có khả chế tạo mẫu diện tích rộng (> cm2), phù hợp để ứng dụng thực tế [13], [14] Do đó, mục tiêu báo nghiên cứu ảnh hưởng kích thước lỗ xốp hình thái bề mặt đế xốp lên dị hướng từ, hiệu ứng trao đổi dịch, q trình đảo từ theo phương vng góc màng đa lớp [Co/Pd]/IrMn có cấu trúc antidot phún xạ đế xốp Al2O3 TiO2 nhiệt độ phòng Phƣơng pháp nghiên cứu 2.1 Chế tạo màng mỏng xốp có cấu trúc antidot 2.1.1 Chế tạo đế xốp Đế xốp nano Al2O3 chế tạo phương pháp điện hóa hai bước theo quy trình sau: Bước 1: Phún xạ màng Al với chiều dày 400 nm lên đế Si hệ phún xạ magnetron Bước 2: Màng Al sau làm acetone methanol để loại bỏ bụi bẩn bám bề mặt Bước 3: Đánh bóng phiến nhơm hỗn hợp dung dịch HClO4 C2H5OH (tỉ lệ 1:4 thể tích) oC, đánh bóng 20 V vịng phút để loại bỏ lớp nhơm oxit tự nhiên làm nhẵn bề mặt Bước 4: Điện hóa phiến Al lần thứ dung dịch axit H2SO4 2% nhiệt độ phịng Thế điện hóa tăng từ đến 25 V với tốc độ tăng V/s sau giữ ổn định suốt thời gian điện hóa (khơng q 35 phút) Q trình điện hóa kết thúc thơng qua việc ghi nhận độ giảm dòng anot 30% giá trị cực đại Bước 5: Ăn mịn lớp nhơm oxit Al2O3 tạo q trình điện hóa lần thứ hỗn hợp dung dịch H3PO4 CrO3 (tỷ lệ 1:3 thể tích) 60-65 oC vòng 30 phút Bước 6: Điện hóa phiến Al lần thứ hai với điều kiện tương tự điện hóa lần thứ nhất, thời gian phụ thuộc vào chiều dày mong muốn Bước 7: Mở rộng lỗ 0,1M H3PO4 nhiệt độ phòng với thời gian 15 phút Bước 8: Làm phẳng bề mặt màng xốp Al2O3 ion plasma khí Argon với áp suất sở thấp (~3×10-8 Torr) khoảng 60 phút http://jst.tnu.edu.vn 96 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 95 - 104 TNU Journal of Science and Technology Tương tự, đế xốp nano TiO2 chế tạo phương pháp điện hóa hai bước việc thay màng nhôm (Al) màng Titan (Ti) theo quy trình 2.1.2 Chế tạo màng mỏng đa lớp Các mẫu màng đa lớp sử dụng nghiên cứu gồm có màng Ta(5)/Pd(3)/[Co(0,5)/Pd(1,0)]5/Co(0,5)/Pd(3)/Ta(5) viết tắt [Co/Pd], mẫu màng Ta(5)/Pd(3)/[Co(0,5)/Pd(1,0)]5/Co(0,5)/IrMn(6)/Pd(3)/Ta(5) viết tắt [Co/Pd]-IrMn với số ngoặc độ dày tính nanomet Các màng đa lớp tiến hành lắng đọng lên đế phẳng Si có phủ lớp ơxít mỏng SiO2 (gọi đế Si/SiO2) (gọi màng phẳng) đế xốp Al2O3 TiO2 với kích thước lỗ xốp vào khoảng 30 nm 50 nm (gọi màng xốp) phương pháp phún xạ DC magnetron hệ phún xạ AJA Các mẫu màng đa lớp phún xạ áp suất sở thấp (~3×10-8 Torr), áp suất khí Argon trì suốt trình phún xạ mức mTorr cho lớp Co, Pd 2,5 mTorr cho lớp vật liệu Ta IrMn Công suất phún xạ khoảng 37,5150 W tương ứng với tốc độ phún xạ khoảng 0,181,6 nm/s cho lớp vật liệu Nhiệt độ đế trì nhiệt độ phịng suốt q trình phún xạ 2.2 Các phép khảo sát, phân tích Sau lắng đọng, mẫu từ hóa từ trường vng góc với mặt phẳng mẫu hệ đo tính chất vật lý (Quantum Design PPMS® VersaLab™) Viện Khoa học vật liệu với từ trường lớn đạt 30 kOe Hình thái bề mặt mẫu kiểm tra phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hệ Hitachi S-4800 FE-SEM) Viện Khoa học vật liệu, phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) hệ Solver P47-PRO (NT-MDT Spectrum Instruments) sử dụng đầu dò cacbon siêu nhọn NSG01_DLC với bán kính đầu dị cỡ nm Đại học Tổng hợp Quốc gia Belarus Tất phép đo tiến hành nhiệt độ phòng Kết bàn luận 3.1 Đặc trưng hình thái cấu trúc (a) (b) 200 nm 200 nm 200 nm 200 nm Hình Ảnh SEM (a) màng đế xốp Al2O3 (b) TiO2 chế tạo phương pháp Anốt hóa hai bước chụp góc 45o so với mặt phẳng màng Hình chèn phía ảnh màng xốp chụp từ xuống theo hướng vng góc với bề mặt mẫu Hình thái học bề mặt màng xốp nano Al2O3 đế TiO2 thể qua ảnh chụp SEM Hình Kết chụp SEM cho thấy màng xốp Al2O3 với lỗ xốp nano có đường kính trung bình vào khoảng 30 nm, lỗ xốp phân bố đồng toàn bề mặt mẫu, bề mặt màng xốp tương đối phẳng Trong đó, màng xốp TiO2 với lỗ nano có đường kính trung bình lớn (vào khoảng 50 nm), phân bố lỗ xốp khơng đều, ngồi bề mặt màng gồ ghề so với màng xốp Al2O3 Điều lý giải thơng số điện hóa sử dụng tối ưu cho chế tạo màng xốp Al2O3 chưa phải tối ưu cho chế tạo màng xốp TiO2 hai vật liệu có đặc tính vật lý, hóa học khơng hồn tồn giống http://jst.tnu.edu.vn 97 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 95 - 104 TNU Journal of Science and Technology Hình ảnh SEM chụp bề mặt đế xốp Al2O3, màng xốp [Co/Pd] màng xốp [Co/Pd]/IrMn phún xạ đế xốp Al2O3 thể Hình (a) (b) 200 nm (c) 200 nm 200 nm 200 nm 200 nm 200 nm Hình Ảnh SEM (a) màng đế xốp Al2O3, (b) màng xốp Al2O3-[Co/Pd] (c) màng xốp Al2O3 [Co/Pd] 5- IrMn chụp từ xuống theo hướng vng góc với bề mặt mẫu Hình chèn phía ảnh chụp góc nghiêng 45o so với bề mặt mẫu Kết màng [Co/Pd] phún xạ lên đế Al2O3 có cấu trúc xốp, lỗ xốp có dạng trịn xếp tương tự màng đế xốp, đường kính lỗ xốp nhỏ so với màng đế xốp Kích thước trung bình lỗ xốp màng xốp Al2O3-[Co/Pd] vào khoảng 20 nm, phân bố đều, bề mặt màng phẳng (Hình 2b) Việc kích thước lỗ xốp sau phún xạ màng đa lớp [Co/Pd] giảm so với kích thước lỗ xốp đế xốp Al2O3 màng [Co/Pd] phủ chờm lên gờ lỗ xốp Khi có thêm lớp IrMn (Hình 2c), kích thước lỗ xốp tiếp tục giảm (với đường kính trung bình cịn khoảng 15 nm), điều lớp IrMn, dày nm, phủ chờm thêm lên lớp [Co/Pd] gờ lỗ xốp Độ phẳng bề mặt mẫu có liên quan trực tiếp tới độ phẳng đế xốp dùng để phún xạ màng Vì độ gồ ghề màng tăng phún xạ thêm lớp IrMn nhìn chung bề mặt mẫu có thêm lớp IrMn tương đối phẳng (a) (b) 200 nm 200 nm (c) 200 nm 200 nm 200 nm 200 nm Hình Ảnh SEM (a) màng đế xốp TiO2, (b) màng xốp TiO2-[Co/Pd] (c) màng xốp TiO2 -[Co/Pd]-IrMn chụp từ xuống theo hướng vng góc với bề mặt mẫu Hình chèn phía ảnh chụp góc nghiêng 45o so với bề mặt mẫu Hình ảnh SEM đế xốp TiO2 màng xốp [Co/Pd], [Co/Pd]/IrMn phún xạ đế xốp TiO2 Ảnh chụp góc 90o so với mặt phẳng mẫu cho thấy lỗ xốp màng xốp TiO2 có đường kính trung bình khoảng 50 nm, giảm dần với màng xốp [Co/Pd] (~3035 nm) [Co/Pd]-IrMn (~25 nm) Các lỗ xốp phân bố tương đối toàn mặt phẳng màng Tuy nhiên, quan sát ảnh chụp góc nghiêng 45o so với mặt phẳng màng ta thấy rõ không phẳng màng phún xạ đế xốp TiO2 so với màng phún xạ đế xốp Al2O3 Để xác định cách định lượng độ nhám bề mặt đế xốp màng đa lớp phún xạ lên đế xốp, mẫu tiến hành chụp ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM) Độ nhám bề mặt màng phẳng SiO2-[Co/Pd] màng xốp Al2O3-[Co/Pd] xác định ảnh chụp hiển vi lực nguyên tử (AFM) cho giá trị vào khoảng 0,3 nm 2,5 nm (Hình 4a 4c) Khi có thêm lớp IrMn dày nm, độ nhám màng tăng đáng kể, màng phẳng SiO2-[Co/Pd]-IrMn màng xốp Al2O3-[Co/Pd]-IrMn có giá trị độ nhám bề mặt tương ứng vào khoảng 0,9 nm 5,9 nm (Hình 4a 4d) Độ nhám tăng phún xạ màng [Co/Pd] http://jst.tnu.edu.vn 98 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 [Co/Pd]/IrMn xác định AFM hoàn toàn phù hợp với kết quan sát từ ảnh chụp SEM Độ nhám bề mặt màng phẳng SiO2-[Co/Pd] màng xốp TiO2-[Co/Pd] xác định AFM cho giá trị vào khoảng 0,9 nm 3,6 nm (Hình 4b 4e) Khi có thêm lớp IrMn dày nm, độ nhám tăng đáng kể, màng phẳng SiO2-[Co/Pd]/IrMn màng xốp TiO2-[Co/Pd]-IrMn có giá trị độ nhám bề mặt tương ứng vào khoảng 0,9 nm 7,8 nm (Hình 4b 4f) Hình Ảnh AFM màng phẳng (a) SiO2 -[Co/Pd], (b) SiO2 - [Co/Pd]-IrMn, màng xốp (c) Al2O3 - [Co/Pd], (d) Al2O3-[Co/Pd]-IrMn (e) TiO2-[Co/Pd], (f) TiO2 - [Co/Pd]-IrMn ΔR giá trị độ nhám bề mặt trung bình 3.2 Đặc trưng từ tính 3.2.1 Đặc trưng từ tính màng phẳng [Co/Pd] [Co/Pd]-IrMn Hình Đường cong từ hóa theo phương vng góc của màng đa lớp SiO 2-[Co/Pd] (ký hiệu đường nét liền với điểm thực nghiệm hình vng), màng SiO2-[Co/Pd]/IrMn (ký hiệu đường nét liền với điểm thực nghiệm hình trịn) Hình biểu diễn đường cong từ hóa màng phẳng SiO2-[Co/Pd] (đường màu đen) SiO2-[Co/Pd]5-IrMn (đường màu đỏ) đo theo phương vng góc với mặt phẳng mẫu với từ trường cực đại 14 kOe Kết đo VSM cho thấy đường cong từ hóa theo phương vng góc hai mẫu có dạng vng, độ vng (squareness ratio) S = MR/MS ~ 1, thể tính dị hướng theo phương vng góc cao, q trình đảo từ xảy đột ngột Có thể nói chế đảo từ màng mỏng loại chủ yếu chế quay đơ-men đóng góp chế dịch chuyển vách đô-men không đáng kể Có thể quan sát cách rõ ràng màng SiO2-[Co/Pd] có đường cong từ hóa đối xứng qua trục tọa độ với giá trị HC1 = HC2 = 670 Oe, HC1 giá trị lực kháng từ ứng với từ trường quét theo chiều âm (-) sang (+), HC2 giá trị lực kháng từ tương ứng với từ trường quét theo chiều ngược lại Kết phù hợp với số nghiên cứu trước dị hướng từ vng góc cao màng [Co/Pd] [15] Khi có http://jst.tnu.edu.vn 99 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 thêm lớp phản sắt từ IrMn đường cong từ hóa bị dịch phía bên trái theo hướng từ trường thể hiệu ứng trao đổi dịch nhiệt độ phòng Kết VSM màng SiO2-[Co/Pd]IrMn cho thấy độ vng đường cong từ hóa khơng đổi (MR/MS ~1) so với màng SiO2-[Co/Pd], điều có nghĩa màng SiO2-[Co/Pd]-IrMn trì tính dị hướng theo phương vng góc cao Để đánh giá định lượng giá trị HC, HEB mẫu màng mỏng này, lực kháng từ HC trường trao đổi dịch HEB xác định từ đường cong từ hóa, kết biểu thị Bảng Bảng Giá trị HC HEB theo phương vng góc mẫu SiO2-[Co/Pd] SiO2-[Co/Pd] 5-IrMn Tên mẫu SiO2 - [Co/Pd] SiO2 - [Co/Pd]/IrMn HC (Oe) 670 595 HEB (Oe) 98 Có thể thấy giá trị lực kháng từ HC hai mẫu màng tương đối cao dù có giảm nhẹ màng [Co/Pd]-IrMn (lần lượt HC = 670 Oe 595 Oe) Tuy nhiên, có thêm lớp IrMn, hiệu ứng trao đổi dịch theo phương vng góc nhiệt độ phịng quan sát rõ ràng giá trị trường trao đổi dịch cao (HEB = 98 Oe) tương tác trao đổi sắt từ/phản sắt từ (FM/AFM), điều phù hợp với kết nghiên cứu cơng bố hệ vật liệu FM/AFM lớp FM có dị hướng từ vng góc [2], [16] Giá trị HC màng SiO2[Co/Pd]5/IrMn có giảm nhẹ so với giá trị HC màng SiO2-[Co/Pd] dị hướng từ tinh thể IrMn (7,8×107erg/cm3) [17] lớn dị hướng từ màng (Co/Pd 6,5×106 erg/cm3) [18] 3.2.2 Đặc trưng từ tính màng xốp đa lớp Co/Pd Co/Pd-IrMn Hình kết đo đường cong từ hóa theo phương vng góc mẫu màng phẳng SiO2-[Co/Pd], SiO2-[Co/Pd]-IrMn màng xốp Al2O3-[Co/Pd], Al2O3-[Co/Pd]5-IrMn Đường cong từ hóa mẫu màng đa lớp [Co/Pd] cho thấy mẫu phún xạ đế phẳng SiO2 đế xốp Al2O3 có dị hướng từ theo phương vng góc cao, thể giá trị HC cao độ vng S đường cong từ hóa ~1, chế đảo từ mẫu chủ yếu chế quay đômen Đáng ý, HC màng [Co/Pd] phún xạ đế xốp Al2O3 tăng cường đáng kể so với màng phún xạ đế phẳng Si/SiO2 (HC màng xốp gấp 2,4 lần so với màng phẳng, 1700 Oe 670 Oe) Nguyên nhân gờ lỗ xốp có hình thành pha từ mềm với mô-men từ xếp không trật tự hướng mô-men từ phần phẳng mẫu có phương vng góc với mặt phẳng mẫu, các lỗ xốp đóng vai trị điểm ghim từ cục q trình từ hóa mẫu [19] khiến cho mẫu xốp bị “cứng” so với mẫu màng phẳng [20], [21] Khi có thêm lớp phản sắt từ IrMn, đường cong từ hóa đo nhiệt độ phòng hai mẫu màng phẳng màng xốp [Co/Pd]-IrMn bị dịch phía bên trái theo hướng từ trường, thể hiệu ứng trao đổi dịch theo phương vng góc nhiệt độ phịng hệ vật liệu chế tạo Độ vuông đường cong từ hóa mẫu có lớp IrMn có giảm nhẹ so với mẫu Co/Pd, giải thích ảnh hưởng độ nhám bề mặt cao mẫu màng xốp, dẫn đến mô-men từ lớp phản sắt từ xếp khơng hồn tồn đồng theo phương vng góc, tạo thành đơ-men từ Độ vng đường cong từ hóa mẫu xốp (S = 0,92) giảm nhẹ so với mẫu phẳng (S = 0,95) giải thích ảnh hưởng pha từ mềm chế dịch chuyển vách đô-men trình từ hóa Tuy nhiên giá trị trường trao đổi dịch HEB gần khơng có thay đổi so với màng phẳng (HEB ~ 95 Oe) Điều chứng tỏ việc sử dụng đế xốp Al2O3 với kích thước lỗ xốp nhỏ 30 nm giúp tăng cường HC khơng có ảnh hưởng lớn tới trường trao đổi dịch HEB Ngun nhân kích thước lỗ xốp nhỏ, bề mặt đế Al2O3 có độ ghồ ghề thấp nên đóng góp mơ-men từ (bất trật tự) gờ lỗ xốp nhỏ không đáng kể so với mô-men từ phần phẳng mẫu (theo phương vng góc) khơng ảnh hưởng nhiều tới tương tác bề mặt lớp vật liệu, tương tác lớp FM/AFM khơng có thay đổi đáng kể http://jst.tnu.edu.vn 100 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 Hình Đường cong từ hóa theo phương vng góc với mặt phẳng màng màng phẳng (a) SiO2-[Co/Pd] (b) SiO2-[Co/Pd] 5-IrMn (ký hiệu đường nét liền với điểm thực nghiệm hình vng) màng xốp (a) Al2O3-[Co/Pd] (b) Al2O3-[Co/Pd] 5-IrMn (ký hiệu đường nét liền với điểm thực nghiệm hình trịn) Hình kết đo đường cong từ hóa theo phương vng góc mẫu màng phẳng SiO2-[Co/Pd], SiO2-[Co/Pd]5-IrMn (mẫu đối chứng) màng xốp TiO2-[Co/Pd], TiO2-[Co/Pd]5-IrMn Đường cong từ hóa mẫu màng [Co/Pd] cho thấy mẫu phún xạ đế xốp TiO2 có dị hướng từ theo phương vng góc tăng cường đáng kể, thể giá trị HC cao (HC = 2200 Oe) gấp 3,3 lần so với mẫu màng phẳng (HC = 595 Oe) gấp 1,27 so với màng phún xạ đế xốp Al2O3 (HC = 1700 Oe) (Bảng 2) Lực kháng từ HC tăng cường đáng kể so với mẫu màng phẳng lỗ xốp đóng vai trị điểm ghim từ q trình từ hóa mẫu Mức độ tăng cường HC hai mẫu màng xốp khác khác biệt độ nhám bề mặt kích thước lỗ xốp hai đế xốp Al2O3 TiO2 Khi thêm lớp phản sắt từ IrMn, hiệu ứng trao đổi dịch lớn quan sát nhiệt độ phòng mẫu Giá trị trường trao đổi dịch HEB theo phương vng góc mẫu TiO2-[Co/Pd]5-IrMn lớn 2,4 lần so với màng phẳng SiO2-[Co/Pd]5/IrMn với màng xốp Al2O3-[Co/Pd]5-IrMn Cũng thấy độ vng đường cong từ hóa hai mẫu [Co/Pd] [Co/Pd]-IrMn phún xạ đế xốp TiO2 có suy giảm rõ rệt so với mẫu phún xạ đế phẳng SiO2 đế xốp Al2O3 Sự giảm độ vuông đường cong từ hóa màng xốp giải thích dựa khác biệt kích thước lỗ xốp độ nhám bề mặt đế xốp dẫn đến hình thành đơ-men từ lớp vật liệu mặt tiếp giáp pha từ mềm gờ lỗ xốp (sắp xếp khơng trật tự) có hướng khác với hướng mô-men từ phần phẳng mẫu (có phương vng góc với mặt phẳng mẫu) lớn mẫu phún xạ màng xốp TiO2 [2] Nói cách khác độ vng đường cong từ hóa giảm độ nhám bề mặt tăng kích thước lỗ xốp tăng, khiến phần đóng góp mô-men từ (bất trật tự) gờ lỗ xốp đô-men từ tăng Sự khác HEB mẫu giải thích kích thước đơ-men lớp AFM thay đổi, chí hướng đơ-men lớp AFM lớp tiếp giáp với lớp FM thay đổi (có mơ-men từ khơng nằm mặt phẳng) độ nhám bề mặt đế dùng để phún xạ khác [22] cấu trúc nano có kích thước khác [10], [12], [23], [24] Sự tăng cường đáng kể giá trị HC màng xốp TiO2-[Co/Pd]5-IrMn cịn giải thích gờ lỗ xốp, cấu trúc vật liệu không trì trạng thái cách biệt lớp mà có hình thành pha hợp kim từ mềm có vai trị điểm ghim từ q trình từ hóa thành phần pha từ mềm màng TiO2-[Co/Pd]5-IrMn lớn màng Al2O3[Co/Pd]5-IrMn kích thước lỗ xốp độ nhám màng TiO2 lớn Sự tăng cường pha từ mềm thể rõ giảm độ vuông đường cong từ hóa màng xốp TiO2-[Co/Pd]5IrMn [2] Độ nhám bề mặt cao dẫn đến có trộn lẫn lượng spin lớp FM với spin lớp AFM khiến HEB tăng [22] Vì độ nhám màng xốp TiO2 lớn màng xốp Al2O3 nên HEB màng TiO2-[Co/Pd]5-IrMn lớn màng Al2O3-[Co/Pd]5-IrMn http://jst.tnu.edu.vn 101 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 Hình Đường cong từ hóa theo phương vng góc với mặt phẳng màng màng phẳng (a) SiO2-[Co/Pd]; (b)SiO2-[Co/Pd] 5-IrMn (ký hiệu đường nét liền với điểm thực nghiệm hình vng) màng xốp (a) TiO2-[Co/Pd]; (b)TiO2-[Co/Pd]5-IrMn (ký hiệu đường nét liền với điểm thực nghiệm hình trịn) Bảng bảng tổng hợp giá trị HC, HEB S = MR/MS theo phương vng góc mẫu Co/Pd Co/Pd-IrMn phún xạ đế phẳng SiO2 đế xốp Al2O3 TiO2 thu từ đường cong từ hóa Bảng Giá trị HC, HEB MR/MS theo phương vng góc mẫu Co/Pd Co/Pd-IrMn phún xạ đế phẳng SiO2 đế xốp Al2O3 TiO2 Tên mẫu Co/Pd Co/Pd-IrMn Đế sử dụng SiO2 Al2O3 TiO2 SiO2 Al2O3 TiO2 HC (Oe) 670 1734 2200 595 970 1300 HEB (Oe) 0 98 95 240 MR/MS 0,98 0,96 0,9 0,95 0,92 0,88 Từ kết thu cho thấy dị hướng từ theo phương vng góc màng từ đa lớp [Co/Pd] [Co/Pd]/IrMn có cấu trúc nano dạng antidots tăng cường đáng kể so với cấu trúc màng phẳng, thể qua giá trị HC, HC tăng kích thước lỗ xốp tăng Thật vậy, cấu trúc antidot, lỗ xốp có vai trị khuyết tật/sai hỏng cản trở chuyển động vách đô-men khiến cho vật liệu trở nên cứng, đóng góp thành phần pha từ mềm tăng kích thước lỗ xốp và/hoặc độ nhám bề mặt tăng [2] Các kết khảo sát màng xốp sử dụng đế xốp Al2O3 TiO2 cho thấy vai trị kích thước lỗ xốp độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến hình thành pha từ mềm hình thành gờ lỗ xốp, bên cạnh tương tác trao đổi FM/AFM phải kể đến đóng góp tương tác trao đổi đàn hồi FM/FM hai pha sắt từ cứng/mềm (hard/soft exchange magnet) Thơng qua thay đổi kích thước lỗ xốp độ nhám bề mặt đế xốp sử dụng, điều khiển tương tác FM/AFM FM/FM, từ điều khiển/tăng cường HC HEB màng nano xốp đa lớp Co/Pd [Co/Pd]-IrMn Kết luận Bài báo đưa phương thức chế tạo cấu trúc nano từ tính dạng antidot đơn giản với khả điều biến tham số cấu trúc cách linh hoạt Sự phụ thuộc tính chất từ màng phẳng màng xốp đa lớp [Co/Pd] [Co/Pd]-IrMn vào hình thái bề mặt kích thước lỗ xốp nghiên cứu kỹ lưỡng Kết nghiên cứu tất màng [Co/Pd] [Co/Pd]-IrMn, phẳng xốp, có tính dị hướng từ theo phương vng góc http://jst.tnu.edu.vn 102 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 cao nhiệt độ phòng thể qua giá trị HC cao độ vuông đường cong từ hóa S ~ Trường trao đổi dịch cao nhiệt độ phòng quan sát màng [Co/Pd]-IrMn (HEB > 90 Oe) Đặc biệt, trường khử từ và/hoặc trường trao đổi dịch cao theo phương vng góc quan sát mẫu màng xốp phún xạ đế xốp TiO2, giá trị trường khử từ cao (HC = 2200 Oe) đạt mẫu màng xốp TiO2-[Co/Pd] trường trao đổi dịch cao (HEB = 240 Oe) đạt mẫu màng xốp TiO2-[Co/Pd]-IrMn Có thể nói HC HEB hồn tồn điều biến thơng qua thay đổi hình thái học bề mặt đế xốp sử dụng Nghiên cứu mở cách tiếp cận chế tạo cấu trúc nano từ dạng mảng antidot hướng đến ứng dụng cho linh kiện từ Spintronics hệ có mật độ cao Lời cám ơn Cơng trình thực với hỗ trợ kinh phí thơng qua đề tài Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam thuộc Chương trình phát triển nhóm nghiên cứu xuất sắc, mã số NCXS01.04/22-24 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] J Sort, V Baltz, F Garcia, B Rodmacq, and B Dieny, “Tailoring perpendicular exchange bias in [Pt/Co]-IrMn multilayers,” Physical Review B, vol 71, 2005, Art no 054411 [2] W.-B Wu, J Kasiuk, T N A Nguyen, J Fedotova, J Przewoźnik, C Kapusta, O Kupreeva, S Lazarouk, K T Do, T H Nguyen, H K Vu, D L Vu, and J Åkermane, “Complex magnetic ordering in nanoporous [Co/Pd]5-IrMn multilayers with perpendicular magnetic anisotropy and its impact on magnetization reversal and magnetoresistance,” Physical Chemistry Chemical Physics, vol 22, 2020, Art no 101039 [3] J Feng, H. F Liu, H. X Wei, X G Zhang, Y Ren, X Li, Y Wang, J. P Wang, and X. F Han, “Giant Perpendicular Exchange Bias in a Subnanometer Inverted (Co/Pt)n/Co/IrMn Structure,” Physical Review Applied, vol 7, 2017, Art no 054005 [4] C Y Tsai, J.-H Hsu, P Saravanan, and K F Lin, “Study on the occurrence of spontaneously established perpendicular exchange bias in Co49Pt51/IrMn bilayers,” Journal of Applied Physics, vol 115, 2014, Art no 17D726 [5] H Gao and Y Liu, “Exchange bias of [Pt/Co]/IrMn with two-directional isotropy,” AIP Advances, vol 9, 2019, Art no 015132 [6] C H Marrows, "Three-dimensional exchange bias in{Co/Pd}N/FeMn," Physical Review B, vol 68, 2003, Art no 012405 [7] Z Y Liu and S Adenwalla, “Closely linear temperature dependence of exchange bias and coercivity in out-of-plane exchange-biased [Pt/Co]3/NiO(11Å) multilayer,” Journal of Applied Physics, vol 94, 2003, Art no 1105 [8] T H Nguyen, T T T Nguyen, T T H Cao, H M Dinh, H M Do, D L Vu, V D Nguyen, and T N A Nguyen, “Turnable perpendicular exchange bias and coercivity in [Co/Pd]/IrMn multilayers,” TNU Journal of Science and Technology, vol 200, no 07, pp 141-148, 2019 [9] J Sort, B Dieny, M Fraune, C Koenig, F Lunnebach, B Beschoten, and G Guăntherodt, Perpendicular exchange bias in antiferromagnetic-ferromagnetic nanostructures,” Applied Physics Letters, vol 84, 2004, Art no 3696 [10] D Tripathy and A O Adeyeye, “Perpendicular anisotropy and out-of-plane exchange bias in nanoscale antidot arrays,” New Journal of Physics, vol 13, 2011, Art no 023035 [11] M Futamoto and M Ohtake, “Development of Media Nanostructure for Perpendicular Magnetic Recording,” Journal of the Magnetics Society of Japan, vol 41, no 6, pp 108-126, 2017 [12] D Tripathy, A O Adeyeye, and N Singh, “Exchange bias in nanoscale antidot arrays,” Applied Physics Letters, vol 93, 2008, Art no 022502 [13] G Ali, C Chen, S H Yoo, J M Kum, and S, O Cho, “Fabrication of complete titania nanoporous structures via electrochemical anodization of Ti,” Nanoscale Research Letters, vol 6, 2011, Art no 332 [14] A K Kasi, “Fabrication of Anodic Aluminum Oxide (AAO) Nano-Porous Membrane on Both Sides of Aluminum Sheet,” 2nd International Conference on Mechanical and Electronics Engineering (ICMEE 2010), Kyoto, Japan, August 1-3, 2010 http://jst.tnu.edu.vn 103 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 95 - 104 [15] Q Peng, H Liu, and Shen Ye, “Adsorption of Organic Carbonate Solvents on a Carbon Surface Probed by Sum Frequency Generation (SFG) Vibrational Spectroscopy,” Journal of Electroanalytical Chemistry, vol 800, pp 134-143, 2016 [16] F Garcia, J Sort, B Rodmacq, S Auffret, and B Dieny, “Large anomalous enhancement of perpendicular exchange bias by introduction of a nonmagnetic spacer between the ferromagnetic and antiferromagnetic layers,” Applied Physics Letters, vol 83, 2003, Art no 3537 [17] S Jenkins, R W Chantrell, T J Klemmer, and R F L Evans, “Magnetic anisotropy of the noncollinear antiferromagnet IrMn3,” Physical Review B, vol 100, no 22, 2019, Art no 220405 [18] S Tacchi, T N A Nguyen, G Gubbiotti, M Madami, G Carlotti, M G Pini, A Rettori, V Fallahi, R K Dumas, and J Åkerman, “[Co/Pd]-CoFeB exchange spring magnets with tunable gap of spin wave excitations,” Journal of Physics D: Applied Physics, vol 47, no 49, 2014, Art no 495004 [19] T N A Nguyen, J Kasiuk, W.-B Wu, J Fedotova, J Przewoźnik, C Kapusta, O Kupreeva, S Lazarouk, T T H Cao, T T T Nguyen, H M Dinh, K T Do, T H Nguyen, H K Vu, D L Vu, and J Åkerman, “Correlation of magnetic and magnetoresistive properties of nanoporous Co/Pd thin multilayers fabricated on anodized TiO2 templates,” Scientific Reports, vol 10, 2020, Art no 108381 [20] W.-B Wu, J Kasiuk, T N A Nguyen, J Przewoźnik, J Fedotova, C Kapusta, O Kupreeva, S Lazarouk, K T Do, T H Nguyen, H K Vu, H L Pham, D L Vu, and J Åkerman, “Influence of interfacial magnetic ordering and field-cooling effect on perpendicular exchange bias and magnetoresistance in nanoporous IrMn/[Co/Pd] films,” Journal of Applied Physics, vol 127, 2020, Art no 223904 [21] S Dijken, J Moritz, and J M D Coey, “Correlation between perpendicular exchange bias and magnetic anisotropy in IrMn/[Co/Pt]n and [Pt/Co]n/IrMn multilayers,” Journal of Applied Physics, vol 97, 2005, doi: 10.1063/1.1861964 [22] A P Malozemoff, “Random-field model of exchange anisotropy at rough ferromagneticantiferromagnetic interfaces,” Physical Review B, vol 35, no 7, pp 3679-3682, 1987 [23] T N A Nguyen, J Fedotova, J Kasiuk, V Bayev, O Kupreeva, S Lazarouke, D H Manha, D L Vua, S Chung, J Åkerman, V Altynovf, and A Maximenko, “Effect of flattened surface morphology of anodized aluminum oxide templates on the magnetic properties of nanoporous Co/Pt and Co/Pd thin multilayered films,” Applied Surface Science, vol 427, pp 649-655, 2018 [24] M Salaheldeen, V Vega, A Ibabe, M Jaafar, A Asenjo, A Fernandez, and V M Prida, “Tailoring of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Dy 13 Fe 87 Thin Films with Hexagonal Antidot Lattice Nanostructure,” Nanomaterials, vol 8, no 4, 2018, Art no 227 http://jst.tnu.edu.vn 104 Email: jst@tnu.edu.vn ... nghiên cứu màng mỏng từ có cấu trúc nano thấp chiều (như dây nano, chấm (dot) phản chấm (antidot) ) cho thấy có khả tăng cường dị hướng từ trường trao đổi dịch theo phương vng góc so với màng phẳng... 0,9 0,95 0,92 0,88 Từ kết thu cho thấy dị hướng từ theo phương vng góc màng từ đa lớp [Co/Pd] [Co/Pd]/IrMn có cấu trúc nano dạng antidots tăng cường đáng kể so với cấu trúc màng phẳng, thể qua... ghi từ vng góc mật độ siêu cao, chí vượt xa giá trị 1Tb/in2 [1], [6], [7] Khả điều biến tính dị hướng từ trường trao đổi dịch màng mỏng đa lớp [Co/Pd]-IrMn thông qua thay đổi số lớp, chiều dày lớp