Đề tài " PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG " pdf

Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỷ 19, cho đến thời điểm hiện tại, có rất nhiều phương pháp được dùng tùy theo mục đích và điều kiện kinh tế, kỹ thuật

MgO , Ge , GaAs , thạch anh ) Các kỹ thuật chế tạo màng

mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỷ 19, cho đến thời điểm hiện tại, có rất nhiều phương pháp được dùng tùy theo

mục đích và điều kiện kinh tế, kỹ thuật:

 Kỹ thuật mạ điện

 Kỹ thuật phun tĩnh điện

 Bốc bay nhiệt trong chân không

Một số phương pháp chính thường dùng

để chế tạo màng mỏng từ là:

 Epitaxy chùm phân tử (MBE)

 Bốc bay nhiệt trong chân không

 Phương pháp phún xạ

 Lắng đọng hơi hóa học (CVD)

Cấu trúc của màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, có thể mang cấu trúc của vật liệu nguồn, hoặc có thể thay đổi phụ thuộc vào kỹ

thuật chế tạo, các điều kiện khi chế tạo.

 Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam

epitaxy, vi ết tắt là MBE) là thuật ngữ chỉ một kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh

thể trong chân không siêu cao, để thu được các

màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể

gần với cấu trúc của lớp đế Kỹ thuật này được phát minh vào những năm 60 của thế kỷ 20 tại

Phòng thí nghiệm Bell (Bell Telephone

Laboratories) bởi J.R Arthur và Alfred Y Cho

 * K ỹ thuật MBE chỉ có thể thực hiện được trong môi

trường chân không siêu cao (áp suất thấp hơn 10-9 Torr), do đó cho phép tạo ra các màng mỏng vật liệu

có độ tinh khiết rất cao Điểm khác biệt cơ bản nhấtcủa MBE so với các kỹ thuật màng mỏng khác (ví dụnhư phún xạ, bốc bay nhiệt ) là các màng mỏng đơntinh thể được mọc lên từ lớp đế đơn tinh thể với tốc

độ cực thấp và có độ hoàn hảo rất cao Vì thế, kỹ

thuật MBE cho phép tạo ra các siêu mỏng, thậm chíchỉ vài lớp nguyên tử với chất lượng rất cao Tuy

nhiên, chất lượng màng cũng như tốc độ tạo màng

phụ thuộc nhiều vào độ hoàn hảo của môi trường

chân không Lớp đế bên dưới là đơn tinh thể, có tácdụng như một mầm để lớp màng phát triển lên trongquá trình ngưng đọng

5

2 Bốc bay nhiệt trong chân không :

 Bốc bay nhiệt (Thermal evaporation) hoặc

bốc bay nhiệt trong chân không là kỹ thuật

tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu

cần tạo trong môi trường chân không cao và

ngưng tụ trên đế (được đốt nóng hoặc không

đốt nóng) Kỹ thuật này đôi khi còn được gọi là

bay hơi trong chân không nhưng ít dùng hơn.

Sơ đồ nguyên lý hệ bay bốc nhiệt

8

* Ưu điểm, nhược điểm và những cải tiến gần đây:

 Phương pháp bay bốc nhiệt có ưu điểm là đơn giản,

và dễ tạo màng hợp chất vì khi làm bay hơi vật liệu thìtoàn thể hợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi do đómàng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần củavật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim)

 Nhược điểm lớn nhất là không thể tạo các màng quámỏng, khả năng khống chế chiều dày của phương

pháp này rất kém do tốc độ bốc bay khó điều khiển Đồng thời, rất khó khăn khi chế tạo các màng đa lớp

bằng phương pháp này

 Gần đây người ta cải tiến phương pháp này như sửdụng chùm điện tử để bay bốc, cải tiến tường bao

quanh nguồn đốt (phương pháp tường nóng) Tuy

nhiên tỉ lệ sử dụng phương pháp bay bốc nhiệt trong

kỹ thuật màng mỏng đang ngày càng ít

3 Phương pháp phún xạ:

 Phún xạ (Sputtering) hay Phún xạ catốt

(Cathode Sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng

mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng

bằng cách dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử

này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.

Nguyên lý của quá trình phún xạ

* Ưu điểm và hạn chế của phún xạ catốt:

 Dễ dàng chế tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều

bia riêng biệt Đồng thời, đây là phương pháp rẻ tiền,

và dễ thực hiện nên dễ dàng triển khai ở quy mô côngnghiệp

 Độ bám dính của màng trên đế rất cao do các nguyên

tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao so với phương pháp bay bốc nhiệt

 Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp

thức gần với của bia, có độ dày chính xác hơn nhiều

so với phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không

 Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việckhống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức

tạp  Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với độ

chính xác cao của phương pháp phún xạ không cao Hơn nữa, không thể tạo ra màng đơn tinh thể

IV - HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ

KHỔNG LỒ GMR:

1 - Hiệu ứng từ điện trở:

* Từ điện trở (gọi tắt là từ trở) là tính chất của

một số vật liệu , có thể thay đổi điện trở suất

dưới tác dụng của từ trường ngoài Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William

Thomson (Lord Kelvin) vào năm 1856 với sự

thay đổi điện trở không quá 5% Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường

 Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên

độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức:

2 - Từ điện trở khổng lồ:

* Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant

magnetoresistance, vi ết tắt là GMR) là sự thay đổi

lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từtrường ngoài Tên gọi gốc tiếng Anh của GMR là

"Giant magnetoresistance", dịch sang tiếng Việt cònchưa thống nhất (giữa từ "lớn" hay "khổng lồ") do việc

so sánh với tên gọi một hiệu ứng từ điện trở khác cótên tiếng Anh là "Colossal magnetoresistance" (Từ

"Colossal" có nghĩa còn lớn hơn với "Giant") 

Những nhà nghiên cứu khoa học vật liệu, vật lý chấtrắn ở Việt Nam gọi tắt chung hiệu ứng này là GMR

Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các siêu

mạng Fe/Cr phát hiện bởi nhóm của Albert Fert

- Độ lớn của GMR được thể hiện qua tỉ số từ điện trở:

* Cơ chế của hiệu ứng GMR:

Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự

tán xạ của điện tử , và có các đóng góp cho sự tán xạ này gồm:

 Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng

tinh thể - tán xạ trên phonon

 Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính tán xạ trên magnon

- Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể (defect)

 Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán

xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR

Mô hình hai dòng của Mott để giải thích hiệu ứng GMR

* Ứng dụng của hiệu ứng GMR:

 Kể từ năm 1992, hiệu ứng GMR bắt đầu được ứng

dụng trong các đầu đọc dữ liệu của ổ đĩa cứng máy

tính thay cho các đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện

trở dị hướng cũ, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin

Người ta sử dụng các màng mỏng valse-spin để chocác ứng dụng này Một ưu điểm khiến chúng dễ dàngthay thế là khả năng chống nhiễu và chống ồn rất cao

 Ứng dụng trong việc chế tạo các cảm biến từ trường

nhạy, các cảm biến đo gia tốc

 Một ứng dụng lớn nhất mở ra từ hiệu ứng này là việcphát triển các linh kiện spintronics, các linh kiện điện

tử thế hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng

spin của điện tử Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ

điện trở chui hầm là hai trụ cột của spintronics

Một ứng dụng của vật liệu từ trong công nghệ cao - ổ cứng