Vật lý màng mỏng -Diễn giải màng từ

VẬT LÝ MÀNG MỎNG ĐỀ TÀI: MÀNG TỪ GVHD: PGS.TS LÊ VĂN HIẾU NHÓM THỰC HIỆN PHẠM THỊ XUÂN HẠNH PHẠM THANH TÂM LÊ NGUYỄN BẢO THƯ ĐÀO VÂN THÚY TP HCM 01-2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHAO HỌC TỰ NHIÊN KHOA V ẬT LÝ LỜI MỞ ĐẦU 1 1 TỔNG QUAN VỀ MÀNG TỪ 2 1.1 Định nghĩa: 2 1.2 Đômen từ (magnetic domain) 4 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG TỪ 6 2.1 Phương pháp phún xạ: 6 2.1.1 Lý thuyết về phóng ñiện phún xạ 6 2.1.2 Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ 10 2.1.3 Cơ chế phún xạ 11 2.1.4 Hiệu suất phún xạ 13 2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng lên tốc ñộ lắng ñọng màng 16 2.1.6 Các loại bia phún xạ 18 2.2 Bốc bay bằng laze xung 20 2.2.1 Nguyên lý hoạt ñộng và quá trình vật lý 20 2.2.2 Chế tạo màng mỏng ñúng hợp thức 22 2.3 Epitaxy chùm phân tử (MBE) 24 2.3.1 Mô tả thiết bị 24 2.3.2 Chế tạo màng mỏng tinh thể chất lượng cao 26 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TÍNH CHẤT CỦA MÀNG TỪ 29 3.1 Từ kế mẫu rung 29 3.1.1 Lịch sử 29 3.1.2 Sơ lược 29 3.1.3 Các phép ño ñạc sử dụng từ kế mẫu rung 33 3.2 Kính hiển vi lực từ 34 3.2.1 Nguyên lý hoạt ñộng 34 3.2.2 Ưu ñiểm và hạn chế 35 4 ỨNG DỤNG CỦA MÀNG TỪ 37 4.1 Ứng dụng trong cảm biến (sensors) và bộ dẫn ñộng (actuators) 37 4.2 Ứng dụng trong ñĩa từ (platter) 40 4.3 Ứng dụng trong ñầu ñọc /ghi 41 4.4 Xu hướng phát triển 42 4.4.1 Phát triển các màng mỏng từ ứng dụng trong PMR 42 4.4.2 Môi trường ghi vuông góc 42 5 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 M Ụ C L Ụ C Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Màng mỏng là một lĩnh vực nghiên cứu rất rộng trong việc chế tao các vật liệu mới, có khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn. Một vật liệu với nhiều ứng dụng quan trọng trong thời ñại ngày nay chính là màng từ. Các linh kiện ñiện tử hiện nay, với khả năng xử lý thông tin nhanh và lượng lưu trữ thông tin lớn ñều ñược chế tạo từ các vật liệu từ với cấu trúc vi mô (vài chục nanomet) Một số ứng dụng khác của màng từ như làm ñầu dò (sensor), làm bộ dẫn ñộng Trong phạm vi báo cáo này, xin trình bày một số vấn ñề cơ bản của màng từ Phần 1: Giới thiệu tổng quan về màng từ Phần 2: Các phương pháp chế tạoi màng từ Phần 3: Các phương pháp ño tính chất của màng từ Phần 4: Ứng dụng của màng từ Mặc dù ñã cố gắng, nhưng báo cáo chắc vẫn con nhiều thiếu sót, mong Thầy và các bạn thêm phần góp ý Để hoàn thành tốt báo cáo này, nhóm xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo tận tình của Thầy Lê Văn Hiếu. Các thành viên nhóm: Phạm Thị Xuân Hạnh Phạm Thanh Tâm Lê Nguyễn Bảo Thư Đào Vân Thúy TP HCM 01-2010 PH ẠM THỊ XUÂN HẠNH PH ẠM THANH TÂM LÊ NGUY ỄN BẢO TH Ư Đ ÀO VÂN THÚY Tổng quan MÀNG TỪ Trang 2 1 TỔNG QUAN VỀ MÀNG TỪ 1.1 Định nghĩa: Màng từ ñược cấu tạo gồm một hay nhiều lớp kim loại, hợp kim hay oxit của các chất có tính chất từ. Vật liệu sắt từ: + Fe, Ni, Co, và các hợp kim của chúng + Oxides: Ferrite, Ni-Zn Ferrite + ionic crystals: CrBr3 Màng từ ñược tạo ra bằng cách: + Phương pháp phún xạ + Bốc bay băng xung lazer + Phương pháp epitaxy chùm phân tử Bảng 1-1 Tính chất của một số loại vật liệu sắt từ Substrat e M Substrat e M Tổng quan MÀNG TỪ Trang 3 Bảng 1-2 Tính chất các loại màng từ Tổng quan MÀNG TỪ Trang 4 1.2 Đômen từ (magnetic domain) Khái niệm về ñômen từ lần ñầu tiên ñược ñưa ra vào năm 1907 bởi Weiss Đômen từ là những vùng trong chất sắt từ mà trong ñó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau Vùng chuyển tiếp ngăn cách giữa 2 ñômen từ liền kề nhau. Giữa hai ñômen từ, mômen từ không thể ñột ngột biến ñổi về chiều vì sẽ dẫn ñến trạng thái kém bền do ñó hình thành nên vùng chuyển tiếp là các vách ñômen (Domain Walls) Năng lượng trao ñổi 2 2 e JS Na σ= Năng lượng không ñẳng hướng e KNa σ ≈ J: Tổng thay ñổi dòng S: spin A: khoảng cách nguyên tử N: Số spin K: Hằng số không ñẳng hướng Hình 1.1 Cấu tạo vách từ Tổng quan MÀNG TỪ Trang 5 Các loại vách từ + Bloch + Neel + Cross-tie Hình 1.2 Cấu tạo vách từ Hình 1.3 Năng lượng của các vách từ theo ñộ dày màng Các phương pháp chế tạo màng từ MÀNG TỪ Trang 6 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG TỪ 2.1 Phương pháp phún xạ: “Phún xạ” trong tiếng tiếng Anh là “sputtering”. Phún xạ cũng thuộc phương pháp lắng ñọng pha hơi vật lý bởi vì các nguyên tử, cụm nguyên tử hay phân tử ñược tạo ra bằng cách bắn phá ion – một phương pháp vật lý. Trong phún xạ ñiốt (phún xạ hai ñiện cực), nhờ sự phóng ñiện từ trạng thái plasma, các ion năng lượng cao (thí dụ như ion Ar + ) bắn phá lên bia (vật liệu cần phún xạ). Trong trường hợp này, bia là catôt, dưới tác dụng bắn phá của ion, các nguyên tử bị bật ra khỏi bia, lắng ñọng lên bề mặt ñế và hình thành lớp màng mỏng (ñế ñồng thời cũng là anôt). Khi cần tẩy sạch bề mặt thì mẫu ñược gắn lên catôt ñóng vai trò bia, chùm ion năng lượng cao bắn phá lên bề mặt của mẫu làm cho các lớp nguyên tử của tạp chất và một phần nguyên tử ngoài cùng của mẫu bị tẩy, quá trình này gọi là ăn mòn phún xạ. Ngày nay, cả hai quá trình lắng ñọng và ăn mòn phún xạ ñều ñược ứng dụng rất rộng rãi trong khoa học kỹ thuật cũng như trong ñời sống dân sinh. Chúng ta sẽ ñề cập ñến các vấn ñề về nguyên lý phóng ñiện phún xạ và phương pháp chế tạo màng mỏng bằng kỹ thuật phún xạ cao áp một chiều, cao tần và magnetron. 2.1.1 Lý thuyết về phóng ñiện phún xạ a Phún xạ cao áp một chiều Trong phún xạ cao áp một chiều, người ta sử dụng hệ chỉnh lưu ñiện thế cao áp (ñến vài kV) làm nguồn cấp ñiện áp một chiều ñặt trên hai ñiện cực trong chuông chân không (hình 2.1). Bia phún xạ chính là catôt phóng ñiện, tuỳ thuộc vào thiết bị mà diện tích của bia nằm trong khoảng từ 10 ñến vài trăm cm vuông. Anôt có thể là ñế hoặc toàn bộ thành chuông chân không. Khoảng cách catôt-anôt ngắn hơn rất nhiều khoảng cách nguồn-ñế trong bốc bay chân không và Hình 2 . 1 Sơ ñồ hệ phóng ñi ện cao áp một chiều ( DC - Các phương pháp chế tạo màng từ MÀNG TỪ Trang 7 thường là dưới 10cm. Trong các khí trơ, argon ñược sử dụng ñể phún xạ nhiều hơn cả, áp suất của nó ñược duy trì trong chuông cỡ 1 Torr. Plasma trong trường hợp này ñược hình thành và duy trì nhờ nguồn ñiện cao áp một chiều. Cơ chế hình thành plasma giống cơ chế phóng ñiện lạnh trong khí kém. Điện tử thứ cấp phát xạ từ catôt ñược gia tốc trong ñiện trường cao áp, chúng ion-hóa các nguyên tử khí, do ñó tạo ra lớp plasma (ñó là trạng thái trung hòa ñiện tích của vật chất mà trong ñó phần lớn là các ion dương và ñiện tử). Các ion khí Ar + bị hút về catôt, bắn phá lên vật liệu làm bật các nguyên tử ra khỏi bề mặt catôt. Tuy nhiên, hiệu suất phún xạ trong trường hợp này là rất thấp. Ngày nay phương pháp phún xạ cao áp một chiều mà không sử dụng magnetron hầu như không ñược sử dụng trong công nghệ chế tạo màng. b Phún xạ cao tần Thực ra, trong tiếng Anh thuật ngữ này là Radio-Frequency sputtering, nghĩa là phún xạ tần số radio, một dải tần số cao, cho nên chúng ta quen dùng từ cao tần ñể nói về phương pháp “phún xạ tần số radio”. Điện áp ñặt trên ñiện cực của hệ chân không là nguồn xoay chiều tần số từ 0,1 MHz trở lên, biên ñộ trong khoảng 0,5 ñến 1 kV. Trên hình 2.2 là sơ ñồ hệ thiết bị phún xạ cao tần có tụ ñiện làm việc theo cơ chế phóng ñiện trên ñĩa song song. Phổ biến nhất ngày nay là nguồn cao tần có tần số 13,56 MHz. Mật ñộ dòng ion tổng hợp tới bia trong khoảng 1 mA/cm2, trong khi biên ñộ của dòng cao tần tổng hợp cao hơn rất nhiều (có khi lớn gấp một bậc hoặc hơn nữa). Máy phát cao tần ñược thiết kế chuyên dụng ñể nâng cao hiệu quả phún xạ: một tụ ñiện ñược ghép nối tiếp nhằm phún xạ ñược tất cả các loại bia (trong ñó có cả bia kim loại). Mạch ñiện ñược thiết kế tự bù trừ một cách hợp lý ñể quá trình truyền năng lượng từ nguồn công suất cao tần sang plasma ñạt hiệu suất cao. Kích thước của chuông sử dụng trong phương pháp này hoàn toàn giống như trong Hình 2 . 2 Sơ ñồ hệ phóng ñiện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất Các phương pháp chế tạo màng từ MÀNG TỪ Trang 8 phún xạ cao áp một chiều (trong nhiều trường hợp, người ta thiết kế hệ phún xạ gồm cả hai chức năng phún xạ cao tần và cao áp một chiều ñể có thể thực hiện ñồng phún xạ từ hai nguồn bia có thành phần cấu tạo khác nhau, trong tiếng Anh gọi là “cosputtering”). Phún xạ cao tần có nhiều ưu ñiểm hơn so với phún xạ cao áp một chiều, thí dụ ñiện áp thấp, phún xạ trong áp suất khí thấp hơn, tốc ñộ phún xạ lớn hơn và ñặc biệt phún xạ ñược tất cả các loại vật liệu từ kim loại ñến oxit hay chất cách ñiện. Plasma trong phún xạ cao tần ñ ược hình thành và duy trì nhờ nguồn cao tần, cũng giống như quá trình ion hóa xảy ra trong phún xạ cao áp. Tuy nhiên, ngày nay phún xạ cao tần riêng biệt cũng không còn ñược sử dụng bởi hiệu suất phún xạ vẫn còn chưa cao. Người ta sử dụng magnetron ñể khắc phục nhược ñiểm này. c Magnetron Magnetron là hệ thiết bị tạo ra phóng ñiện trong ñiện trường có sử dụng nam châm. Ngay từ những năm 70 magnetron ñã ñược thiết kế sử dụng trong các hệ phún xạ cao áp và cao tần ñể tăng tốc ñộ phún xạ. Magnetron là sự phóng ñiện tăng cường nhờ từ trường của các nam châm vĩnh cửu (hoặc nam châm ñiện) ñặt cố ñịnh dưới bia/catôt (hình 2.3). Như ñã mô tả ở phần trên, với cấu hình của ñiện cực trong cả hai phương pháp phún xạ ñều có ñiện trường vuông góc với bề mặt bia. Nhưng với magnetron chúng ta còn thấy từ trường của các nam châm tạo ra ñường sức vuông góc với ñiện trường (có nghĩa là song song với mặt phẳng của bia). Vì thế, từ trường ñược tập trung và tăng cường plasma ở vùng gần bia. Magnetron áp dụng vào trong cả hai trường hợp phún xạ ñều có tác dụng nâng cao hiệu suất bắn phá ion, và do ñó, tốc ñộ phún xạ ñược cải thiện rất nhiều. Nói chung, sự phóng ñiện magnetron với việc kích thích bằng cao áp một chiều hay cao tần có hiệu suất cao hơn hẳn so với trường hợp phóng ñiện không dùng bẫy ñiện tử (nhờ từ trường của các nam châm). Bây giờ chúng ta xem bẫy ñiện tử làm việc như thế nào? Cấu hình như mô tả trên hình 2.3 (a, b) tạo ra hiệu ứng cuốn ñiện tử trong hướng Chúng ta có một “hiệu ứng Hall”, chồng l ên dòng cuốn này và có hướng chuyển ñộng quanh bia như những “con quay” (hình 2.3c). Bán kính quỹ ñạo ( ρ ) của con quay ñược xác ñịnh bằng công thức: [...]... Trang 23 Các phương pháp ch t o màng t 2.3 2.3.1 MÀNG T Epitaxy chùm phân t (MBE) Mô t thi t b BE (vi t t t t ti ng Anh: Molecular Beam Epitaxy) dùng ñ ch phương pháp m c màng b ng chùm phân t MBE cho ñ n nay cũng ñã tr thành khái ni m r t quen thu c không nh ng trong ng ành v t lý mà c trong các lĩnh v c công ngh khác Th c ch t MBE cũng là phương pháp l ng ñ ng pha hơi v t lý b i vì ñ t o các ph n t tr... GaAs IV (Màng : ñ ) Si: Si Ge: Si GeSi: Si II–VI (Màng : ñ ) CdMnTe: CdTe, GaAs CdS: InP CdTe: GaAs, InP, InSb CdZnS: GaAs CdZnTe: GaAs HgMnTe: GaAs HgTe: CdTe HgZnTe: GaAs ZnMnSe: ZnSe, GaAs ZnS: GaP ZnSe: GaAs, InP, Si ZnSeTe: GaAs ZnTe: InP Cách ñi n (Màng: ñ ) BN: Si BaF2: InP, CdTe CaF2: Si, GaAs, InP CaSrF2: GaAs LaF3: Si SrBaF2: InAs,InP SrF2: GaAs Metals (Màng : ñ ) Al: GaAs, InP IV-VI (Màng :... t ch a ôxy Các lo i màng có c u trúc nhi u thành ph n như màng s t t BaTiO3, LiNbO3, SrTiO3 hay màng siêu d n nhi t ñ cao YBa2Cu3O7 cũng ñư c ch t o b ng phún x magnetron Vi c gia công bia cho các v t li u tr ên quy t ñ nh s thành công c a công ngh Có th ch t o bia g m ñ các thành ph n c u t o k trên, nhưng hàm lư ng c a t ng nguyên t thì c n ñi u ch nh sao cho h p th c trong màng phù h p v i c u... ng hóa cao, cho nên quá trình l ng ñ ng màng m ng có th kh ng ch chính xác hơn H u h t các thi t b ñ u có t hai ñ n ba ngu n phún x (hai ñ n ba bia), nh ñó có th th c hi n phún x ñ ng th i nhi u lo i v t li u khác nhau, t o ra các màng m ng h p ch t, v t li u pha t p, v t li u c u trúc nanô ph c t p khác, Vi t Nam hi n nay Trang 19 Các phương pháp ch t o màng t MÀNG T cũng ñã có nhi u cơ s nghiên c... nghi m ch t o màng m ng siêu d n nhi t ñ cao Cho ñ n nay, có hai lo i v t li u ñư c ch t o b ng phương pháp b c bay laze nhi u nh t là màng m ng siêu d n nhi t Hình 2.10 Hàm ph thu c năng lư ng laze c a m t s v t li u b c bay t bia: trên cùng lo i bia (th ch anh) b m t bóng h p th năng lư ng laze kém hơn ñ cao YBCO và màng h u cơ hydroxyapatite canxi, mô ph ng c u trúc sinh h c 2.2.2 Ch t o màng m ng... va ch m nhau 3 Các nguyên t thoát ra kh i bia và l ng ñ ng lên ñ Trên hình 2.4 mô t quá trình l ng ñ ng màng b ng phương pháp phún x v i ba giai ño n chính nêu trên Dư i ñây là các v n ñ liên quan ñ n th c nghi m phún x áp d ng ñ ch t o v t li u màng m ng Trang 10 Các phương pháp ch t o màng t MÀNG T Ưu ñi m và như c ñi m c a phương pháp phún x Ưu ñi m: - T t c các lo i v t li u ñ u có th phún x ,... mà h u như không làm nh hư ng ñ n chân không trong chuông m c màng Hình 2.11 Sơ ñ h th c nghi m MBE Trang 24 MÀNG T Các phương pháp ch t o màng t Hình 2.12 Sơ ñ chuông m c c a h MBE Chuông ph có ch a các công c ñ phân tích b m t, mà chúng không ñ ñư c trong chuông m c, thi t b l ng ñ ng b tr hay các thi t b công ngh khác Sơ ñ chuông m c màng ñư c v tách riêng trên hình 2.12 Các b ph n chính c a nó... tinh th (có nhi t ñ ñ t nóng m t cách thích h p), quá tr ình m c màng b ng MBE có th th c hi n theo ñúng nguyên lý tr i t ng l p nguyên t Khí làm vi c trong h th c nghi m MBE ph i có ñ tinh khi t r t cao, chân không cũng c n ñ t m c siêu cao, ñ n 10-11 Torr Trong chân không này quãng ñư ng t do Trang 25 Các phương pháp ch t o màng t MÀNG T c a phân t trong chuông cũng nh ư trong b n thân chùm tia... ng ñi u khi n, mà trong ñó v t li u ñ u có kích thư c nh t vài ñ n vài ch c nanômét Công ngh như v y g i là MINATECH (công ngh micronanô) Trang 27 MÀNG T Các phương pháp ch t o màng t B ng 2-4 Các lo i màng m ng tinh th ch t o b ng phương pháp MBE III-V (Màng : ñ ) AlGaAs: GaAs AlGaAs: GaAs, Si AlGaSb: GaAs AlSb: GaSb GaAs: GaAs, Ge, Si GaAsSb:GaAs,InP, InAs, GaSb GaP: Si, GaP GaSb: GaAs, GaSb InAlAs:... lâu, b i vì m i l n phún x chúng ch b t y ñi m t l p dày vài ch c nanômét Màng m ng kim lo i vàng còn ñư c ph lên ñ th y tinh ñ làm gương bán ph n x s d ng trong các thi t b quang h c và laze Màng platin hay palañi phân tán b ng phún x t o ra l p ho t hóa trên b m t các v t li u silic x p hay Trang 18 Các phương pháp ch t o màng t MÀNG T SnO2 c u trúc nanô tinh th Nh ñó mà ñ nh y c a các sensơ khí ch . cơ bản của màng từ Phần 1: Giới thiệu tổng quan về màng từ Phần 2: Các phương pháp chế tạoi màng từ Phần 3: Các phương pháp ño tính chất của màng từ Phần 4: Ứng dụng của màng từ Mặc dù ñã. Tổng quan MÀNG TỪ Trang 2 1 TỔNG QUAN VỀ MÀNG TỪ 1.1 Định nghĩa: Màng từ ñược cấu tạo gồm một hay nhiều lớp kim loại, hợp kim hay oxit của các chất có tính chất từ. Vật liệu sắt từ: +. Substrat e M Tổng quan MÀNG TỪ Trang 3 Bảng 1-2 Tính chất các loại màng từ Tổng quan MÀNG TỪ Trang 4 1.2 Đômen từ (magnetic domain) Khái niệm về ñômen từ lần ñầu tiên ñược ñưa ra