Tìm hiểu về màng mỏng và màng mỏng từ tính

MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày màng mỏng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Có nhiều thiết bị có sử sụng công nghệ màng mỏng bao gồm: công cụ cắt, cấy ghép y tế, yếu tố quang học, mạch tích hợp Các lớp chất bán dẫn cách điện kim loại (MIS) tạo thành cấu trúc hạ tầng sở cho việc chế tạo thiết bị điện tử Đây lý kiến thức tính chất vật lý màng mỏng quan trọng Màng mỏng lớp vật chất có cấu trúc siêu nhỏ cỡ micromet đến nanomet Do cấu trúc siêu nhỏ nên tính chất không gian tuần hoàn biến mà bật tính chất liên quan đến hiệu ứng vi cấu trúc với điều kiện biên ý Cấu trúc màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, mang cấu trúc vật liệu nguồn, thay đổi phụ thuộc vào kỹ thuật chế tạo, điều kiện chế tạo Ví dụ phương pháp phún xạ Catot, ta tạo màng tinh thể vô định hình với việc thay đổi áp suất khí, thay đổi công suất phún xạ catốt, thay đổi nhiệt độ đế… hay loại màng hợp kim Permalloy, ta tạo màng mỏng permalloy có cấu trúc lập phương tâm mặt phương pháp phún xạ catot, tạo màng đơn tinh thể có cấu trúc lục giác xếp chặt tạo phương pháp Epitaxy chùm phân tử Thông thường, màng mỏng để sử dụng chế tạo lớp đế, khối vật liệu đơn tinh thể (ví dụ Si, MgO, Ge, GaAs, thạch anh…) Các kĩ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu phát triển từ cuối kỉ 19, thời điểm tại, có nhiều phương pháp dùng theo mục đích điều kiện kinh tế, kỹ thuật: Kỹ thuật mạ điện, kỹ thuật phun tĩnh điện, bay bốc nhiệt chân không, phún xạ Catot, Epitaxy chùm phân tử, lắng đọng hóa học (CVD), lắng đọng chùm laser, phương pháp sol-gel Màng mỏng từ tính tính chất thu hút nhiều quan tâm ý nhiều nhà khoa học suốt 30 năm qua Băng ghi âm ứng dụng màng mỏng Kĩ thuật màng mỏng từ tính ngày hoàn thiện chế tạo màng từ có bề dày từ micro đến nano mét khả lưu trữ, tính bền vững tốc độ lưu trữ ngày cao Từ những năm 1960 người ta đã nghiên cứu các màng mỏng từ ba lớp gồm hai lớp sắt từ kẹp giữa là một lớp cách không từ , ví dụ hệ màng mỏng lớp (Fe/Cu/Fe-Co) hay hệ (Fe-Ni-Co/SiO/Fe-Ni-Mo) Năm 1978, lần đầu tiên hãng Phillips mới thực hiện chế tạo màng mỏng từ đa lớp bằng phương pháp phún xạ chùm ion Phạm vi nghiên cứu hệ màng mỏng chủ yếu tập trung vào tính chất từ Ở màng mỏng đa lớp , lớp sắt từ liên kết với thông qua lớp kim loại phi từ có đặ c tí nh dao động giữa kiểu phản sắt từ và sắt từ theo chiều dày của lớp kim loại phi từ Trong thời đại mà khoa học kĩ thuật trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp với phát triển khoa học kĩ thuật ngày cao mà tính chất màng mỏng màng mỏng từ tính nhận nhiều quan tâm ý nhà khoa học Đã nghiên cứu chế tạo thiết bị điện tử ứng dụng thực tiễn Với lý nêu mà em định chọn đề tài khóa luận: “Tìm hiểu màng mỏng màng mỏng từ tính” Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu màng mỏng, màng mỏng từ tính, phương pháp chế tạo màng mỏng ứng dụng màng mỏng từ tính Nhiệm vụ nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan màng mỏng màng mỏng từ tính phương pháp chế tạo chúng ứng dụng kĩ thuật Đối tƣợng nghiên cứu Vật liệu từ, màng mỏng từ Hiệu ứng GMR màng mỏng từ Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu, xử lý tài liệu Nội dung luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo luận văn gồm chương: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR Chương 3: Phương pháp chế tạo Chương 4: Ứng dụng màng đa lớp có hiệu ứng GMR màng từ CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Màng mỏng Màng mỏng hay nhiều lớp vật liệu chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại Khái niệm “mỏng” màng mỏng đa dạng, từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet Khi chiều dày màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự trung bình điện tử chiều dài tương tác tính chất màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất vật liệu khối Hiệu ứng thay đổi tính chất rõ rệt tính chất màng mỏng hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể với tổng số nguyên tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở lên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối Ví dụ vật liệu sắt từ, vật liệu dạng khối, dị hướng từ tinh thể ảnh hưởng lớn đến tính chất từ, chế tạo màng đủ mỏng, dị hướng từ tinh thể biến mà thay vào dị hướng từ bề mặt Màng đơn lớp (tiếng Anh: Single-layer film) màng mỏng gồm lớp vật liệu chế tạo lớp đế Tính chất màng tạo từ lớp vật liệu (và ảnh hưởng tác động từ lớp đế) Màng mỏng đa lớp hệ nhiều màng mỏng chất liệu khác ghép tiếp xúc (Xem hình vẽ) Trong hệ màng đa lớp, khác vật liệu tính chất tương tác lớp mang lại nhiều tính chất quý báu có tính chất liên quan đến hiệu ứng từ điện trở Các màng đa lớp quan tâm nhiều màng mỏng đa lớp kim loại, gần có nghiên cứu màng đa lớp bán dẫn Màng có cấu trúc dạng hạt tạo hạt hóm hạt tạo thành lớp, màng có kích thước cỡ hạt Khi ý tới tính chất chuyển dời điện tử qua lớp người ta nhận thấy chiều dày lớp không từ định liên kết hai lớp sắt từ gần nhất: liên kết sắt từ phản sắt từ Từ đo đạc điện trở hệ màng đa lớp hai kiểu liên kết thu kết thú vị: điện trở chúng sai khác rõ rệt Tỷ số điện trở hai loại liên kết đạt cỡ 50% nhiệt độ T=4,2 K cho hệ [Fe(30Å)/Cr(9Å)]40 Hiệu ứng cho Hình 1.1: Cấu trúc màng từ đa lớp kết lớn bậc so với hiệu ứng từ điện trở kim lọai sắt từ(AMR) nên gọi từ điện trở khổng lồ (GMR-Giant Magneto Resistance) Với kết hàng loạt hệ từ màng đa lớp nghiên cứu để nâng cao tính chất khả điều khiển tính chất - điều tối quan trọng cho việc ứng dụng vào thực tế Bắt đầu từ năm 1990 hàng loạt ứng dụng GMR đời đầu đọc từ xác cao, nhớ, vật liệu từ tính cao…Công ty máy tính IBM đầu việc ứng dụng hiệu ứng GMR chế tạo thành công ổ cứng siêu nhỏ nâng cao hiệu máy tính cá nhân 1.2 Màng mỏng từ tính Màng vật liệu từ tính có trạng thái vật lý thể rắn với chiều dày khoảng vài µm (nhỏ 5µm) Còn biết với tên gọi màng sắt từ hay màng từ Màng từ đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình đa lớp Ứng dụng bao gồm lĩnh vực lưu trữ quang từ, đầu ghi cảm ứng, cảm biến từ trở, thành phần xử lý lưu trữ máy tính Màng mỏng từ tính tính chất thu hút nhiều quan tâm ý nhiều nhà khoa học suốt 30 năm qua Băng ghi âm ứng dụng màng mỏng Kĩ thuật màng mỏng từ tính ngày hoàn thiện chế tạo màng từ có bề dày từ micro đến nano mét khả lưu trữ, tính bền vững tốc độ lưu trữ ngày cao 1.3 Phân loại vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ chia làm hai loại: 1.3.1 Vật liệu sắt từ mềm Đặc điểm: - Dễ bị từ hóa - Sắt từ mềm có đường trễ hẹp - Từ độ bão hòa cao, có độ từ thẩm lớn Hì nh 1.2: Đường cong từ trễ vật liệu * Ứng dụng: Làm nam châm điện, từ mềm số thông số đường động cơ, máy biến rơle trễ 1.3.2 Vật liệu sắt từ cứng Hình 1.3: Đường cong từ trễ đặc trưng vật liệu từ cứng Đặc điểm: - Khó từ hóa khử từ - Sắt từ cứng có độ từ trễ rộng - Từ độ bão hòa thấp * Ứng dụng: Ổ ghi thông tin 1.3.3 Một số vật liệu sắt từ mềm  Tôn Silic: Là hợp kim sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), chứa thêm khoảng 5,4% nhôm (Al), gọi hợp kim Sendust, vật liệu sắt từ mềm dùng phổ biến có độ cứng cao, có độ từ thẩm cao tổn hao trễ thấp Tuy nhiên vật liệu kim loại, nên có điện trở suất thấp, sử dụng tần số cao làm xuất tổn hao xoáy lớn  Hợp kim Permalloy: Là hợp kim Niken (Ni) sắt (Fe), có lực kháng từ nhỏ, độ từ thẩm cao (vật liệu Ni75Fe25 có độ từ thẩm ban đầu lớn tới 10000), có độ bền học khả chống ăn mòn cao Tuy nhiên, permalloy có từ độ bão hòa không cao  Hợp kim FeCo: hợp kim từ mềm có rừ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao Các vật liệu gồm ferrite: hợp chất ôxit Fe (Fe2O3) với ôxit kim loại hóa trị khác, có công thức chung Mo Các ferrite mang chất gốm, nên có điện trở suất cao nên tổn hao dòng xoáy ferrite thấp, dùng cho ứng dụng cao tần siêu cao tần  Hợp kim vô định hình nano tinh thể: Là hợp kim sắt hay coban (Co), trạng thái vô định hình, có điện trở suất cao nhiều so với hợp kim tinh thể, đồng thới có khả chống ăn mòn, độ bền học cao, sử dụng tần số cao so với vật liệu tinh thể kim loại Vật liệu vô định hình cấu trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể có tính chất từ mềm tốt Dựa vào tính chất loại vật liệu từ mềm điển hình mà nhà nghiên cứu chế tạo màng từ mềm Màng từ mềm với từ độ bão hòa cao lực kháng từ nhỏ cỡ 10Oe làm từ hợp chất (FeO.65CoO.35)91.2Zr1.8O7 làm đầu ghi hệ thống lưu trữ thông tin từ tính 1.3.4 Một số vật liệu sắt từ cứng  Hợp kim AlNiCo: Là hợp kim sử dụng nam châm vĩnh cửu, có thành phần chủ yếu nhôm (Al), niken (Ni) côban (Co), có thêm thành phần phụ gia đồng (Cu), titan (Ti), … Hợp kim có từ dư cao, có lực kháng từ nhỏ (thường không vượt 2kOe) có giá thành cao  Vật liệu từ cứng ferrite: Là gốm ferrite, mà điển hình ferrite bari (BaFexO), stronsti (SrFexO) bổ sung nguyên tố đất (ví dụ lanthannium (La)) để cải thiện thiện tính từ cứng  Các loại vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp- đất hiếm: Điển hình hợp chất Nd2Fe14B họ SmCo (Samaium- Cobalt), vật liệu từ cứng tốt Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ đạt tới 10kOe có từ độ bão hào cao vật liệu từ cứng, tạo tích lượng từ khổng lồ SmCo loại vật liệu có lực kháng từ lớn (có thể đạt tới 40kOe), có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao) Tuy nhiên nhược điểm nam châm đất có độ bền không cao (do nguyên tố đất dễ bị ôxi hóa), có giá thành caodo nguyên tố đất có giá thành cao, vật liệu NdFeB có nhiệt độ Curie không cao (312 độ C) nên không sử dụng điều kiên khắc nghiệt Nam châm đất có tích lũy lượng từ kỉ lục NdFe14B đạt tới 57MGOe  Hợp kim FePt CoPt: Bắt đầu nghiên cứu từ năm 1950 Hệ hợp kim có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu điểm lực kháng từ lớn, có khả chống mài mòn, chống ôxi hóa cao Loại hợp kim sử dụng làm vật liệu ghi từ ổ cứng Màng từ cứng đa lớp NdFeB va SmO tạo từ phương pháp lắng đọng đế nung nóng (heated substrates) với pha phù hợp, cấu trúc vi mô, kết cấu vi mô tính chất từ chúng nghiên cứu Bằng cách chọn vật liệu thích hợp, nhiệt độ đế chiều dày màng mỏng, màng NdFe14B đạt lực kháng từ khoảng từ 1.5T đến 2T Chúng ứng dụng chủ yếu chế tạo đĩa cứng 10 Nghiên cứu tổng quan màng mỏng màng mỏng từ tính phương pháp chế tạo chúng ứng dụng kĩ thuật Đối tƣợng nghiên cứu Vật liệu từ, màng mỏng từ Hiệu ứng GMR màng mỏng từ Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu, xử lý tài liệu Nội dung luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo luận văn gồm chương: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR Chương 3: Phương pháp chế tạo Chương 4: Ứng dụng màng đa lớp có hiệu ứng GMR màng từ 38 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.4 Màng mỏng Màng mỏng hay nhiều lớp vật liệu chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại Khái niệm “mỏng” màng mỏng đa dạng, từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet Hiệu ứng thay đổi tính chất rõ rệt tính chất màng mỏng hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể với tổng số nguyên tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở lên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối Màng đơn lớp (tiếng Anh: Single-layer film) màng mỏng gồm lớp vật liệu chế tạo lớp đế Tính chất màng tạo từ lớp vật liệu (và ảnh hưởng tác động từ lớp đế) Màng mỏng đa lớp hệ nhiều màng mỏng chất liệu khác ghép tiếp xúc (Xem hình vẽ) Trong hệ màng đa lớp, khác vật liệu tính chất tương tác lớp mang lại nhiều tính chất quý báu có tính chất liên quan đến hiệu ứng từ điện trở Các màng đa lớp quan tâm nhiều màng mỏng đa lớp kim loại, gần có nghiên cứu màng đa lớp bán dẫn Màng có cấu trúc dạng hạt tạo hạt hóm hạt tạo thành lớp, màng có kích thước cỡ hạt 1.5 Màng mỏng từ tính Màng vật liệu từ tính có trạng thái vật lý thể rắn với chiều dày khoảng vài µm (nhỏ 5µm) Còn biết với tên gọi màng sắt từ hay màng từ Màng từ đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình đa lớp 39 Ứng dụng bao gồm lĩnh vực lưu trữ quang từ, đầu ghi cảm ứng, cảm biến từ trở, thành phần xử lý lưu trữ máy tính 1.6 Phân loại vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ chia làm hai loại: 1.6.1 Vật liệu sắt từ mềm Đặc điểm: - Dễ bị từ hóa - Sắt từ mềm có đường trễ hẹp - Từ độ bão hòa cao, có độ từ thẩm lớn * Ứng dụng: Làm nam châm điện, động cơ, máy biến rơle 1.3.2 Vật liệu sắt từ cứng Đặc điểm: - Khó từ hóa khử từ - Sắt từ cứng có độ từ trễ rộng - Từ độ bão hòa thấp * Ứng dụng: Ổ ghi thông tin 1.3.3 Một số vật liệu sắt từ mềm Tôn Silic, Hợp kim Permalloy, Hợp kim FeCo, Hợp kim vô định hình nano tinh thể 1.3.5 Một số vật liệu sắt từ cứng Hợp kim AlNiCo, Vật liệu từ cứng ferrite, Các loại vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp- đất hiếm, Hợp kim FePt CoPt 40 CHƢƠNG 2: HIỆU ỨNG TỪ ĐIỆN TRỞ KHỔNG LỒ GMR 2.1 Hiệu ứng từ điện trở Từ điện trở (gọi tắt từ trở) tính chất số vật liệu, thay đổi điện trở suất tác dụng từ trường Hiệu ứng lần phát William Thomson (Lord Kenvin) vào năm 1865 với thay đổi điện trở không 5% Hiệu ứng gọi hiệu ứng từ điện trở thường Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên độ lớn hiệu ứng từ điện trở, cho công thức: Với: ρ(H), ρ(0), R(H), R(0) điện trở suất điện trở từ trường H từ trường H = 2.2 Từ điện trở khổng lồ 2.2.1 Giới thiệu chung GMR viết tắt cụm từ Giant Magnetonghiax hiệu ứng từ điện trở khổng lồ cho phát vào năm 1988 Peter Greenberg viện nghiên cứu KFA, Julich, Đức Albert Fert trường đại học Pari cách độc lập vớ đánh dấu bước phát triển spintronics, nhánh điện tử học nghiên cứu hành vi phân biệt spin dòng electron vật liệu điện tử 41 Đầu lọc từ ứng dụng bật hiệu ứng GMR, giúp cho công nghệ thông tin phát triển thêm bước lớn việc lưu trữ thông tin 2.2.2 GMR gì? a) Khái niệm: Từ điện trở khổng lồ (GMR) hiệu ứng điện trở gây tán xạ phụ thuộc spin xuyên hầm điện tử cấu trúc từ dị thể Với vật liệu có từ tính, với cấu trúc có kích thước nhỏ cỡ nano xếp cách vấn đề đặt khác hẳn Từ tính nội vật liệu từ tác động dến chuyển động điện tử dẫn có tác động từ trường nhỏ từ tính nội vật liệu thay đổi mạnh, đến lượt từ trường nội tác động lên chuyển động điện tử dẫn Điều dẫn đến thay đổi đáng kể điện trở vật liệu Tùy theo chất, cấu trúc vật liệu mà hiệu ứng xảy theo chế vật lí khác thể nhiều hay Để đặc trưng cho thay đổi lượng, ta dùng tỉ lệ tương đối: MR = (  /  (0) ).100 (%) =( (  ( H )   (0)) /  (0) ).100 (%) 2.2.3 Cơ chế hiệu ứng GMR Điện trở chất rắn tạo tán xạ điện tử, có đóng góp cho tán xạ gồm: 42  Tán xạ mạng tinh thể dao động mạng tinh thể - tán xạ phonon  Tán xạ spin phần tử mang từ tính - tán xạ magnon  Tán xạ sai hỏng mạng tinh thể (defect)  Gần có nghiên cứu tán xạ điện tử polaron từ để giải thích hiệu ứng GMR 2.2.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu ứng GMR  Ảnh hƣởng cấu trúc tạp chất:  Bề mặt phân cách: yếu tố đóng vai trò hiệu ứng GMR trình tán xạ phụ thuộc spin diễn chủ yếu  Tạp khối: tạp chất thân lớp từ Sự tán xạ phụ thuộc spin có tham tạp khối, đặc biệt tán xạ bề mặt  Tạp chất màng đa lớp: Khi pha tạp có chọn lọc lớp từ xen bề mặt tiếp xúc lớp từ lớp phi từ dẫn đến làm đảo ngược hành vi GMR, gây hiệu ứng GMR ngược, nghĩa điện trở tăng có từ trường hiệu ứng GMR điện trở giảm từ trường tăng  Ảnh hưởng bề dày lớp GMR: Yếu tố liên quan đến liên kết trao đổi màng mỏng từ cấu trúc đa lớp gọi liên kết từ  Nhiệt độ môi trường: Người ta tìm hiểu nhiều vấn đề có liên quan tới hiệu ứng GMR Ở nhiệt độ thấp, tỷ số GMR cao Khi nhiệt độ tăng lên, tỷ số 43 giảm xuống đến mức tới zero cấu trúc lớp biến sau nóng chảy CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO 3.1 Epitaxy chùm phân tử (MBE) 3.1.1 Đặc điểm Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam epitaxy viết tắt MBE) thuật ngữ kĩ thuật chế tạo màng mỏng cách sử dụng chùm chùm phân tử lắng đọng đế đơn tinh thể chân không siêu cao, để thu màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc lớp đế 3.1.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm phƣơng pháp epitaxy - Kĩ thuật MBE thực môi trường chân không siêu cao (áp suất thấp 10-9 Tor), cho phép tạo màng mỏng vật liệu có độ tinh khiết cao - Tuy nhiên, chất lượng màng tốc độ màng phụ thuộc nhiều vào độ hoàn hảo môi trường chân không Lớp đế bên đơn tinh thể, có tác dụng mầm để lớp màng phát triển lên trình ngưng đọng 3.2 Bốc bay nhiệt chân không 3.2.1 Đặc điểm 44 Bốc bay nhiệt (Thermal evaporation) bốc bay nhiệt chân không kỹ thuật tạo màng mỏng cách bay vật liệu cần tạo môi trường chân không cao ngưng tụ đế I (được đốt nóng không đốt nóng) Kỹ thuật gọi bay chân không dùng 3.2.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm phƣơng pháp bốc bay nhiệt chân không - Phương pháp bốc bay nhiệt có ưu điểm đơn giản dễ tạo màng hợp chất làm bay vật liệu toàn thể hợp chất hợp kim bị bay màng tạo có hợp thức gần với thành phần vật liệu nguồn - Nhược điểm lớn tạo màng mỏng, khả khống chế chiều dày phương pháp tốc độ bốc bay khó điều khiển Đồng thời khó khăn chế tạo màng đa lớp phương pháp 3.3 Phƣơng pháp phún xạ 3.3.1 Đặc điểm Có phƣơng pháp phún xạ: c) Phún xạ cao tần (phún xạ catốt) Phương pháp dựa việc bốc bay nguyên tử kim loại hạt có lượng cao Người ta thường dùng khí Ar có áp suất phù hợp để bị ion hóa điện áp cao tần anốt catốt, nơi có gắn bia chứa kim loại Các ion Ar+ gia tốc mạnh điện trường phía Catốt, nơi có gắn bia chứa kim loại Các ion Ar+ bắn phá tia làm bật nguyên tử nhóm nguyên tử kim loại đế Nhờ trọng trường, nguyên tử lắng 45 đọng bia gắn anốt phía sau tìm thấy vị trí có lượng bề mặt phù hợp d) Phún xạ dòng ion: Phương pháp dựa việc dòng ion bắn phá bia kim loại để hóa kim loại, khác chỗ kim loại đựơc tạo thành lại ion nhờ dòng ion sơ cấp Dòng ion sơ cấp tạo phân đặc biệt gọi súng ion Dòng có lượng đủ lớn để vừa ion hóa kim loại vừa ion hóa chúng thành ion thứ cấp Các ion kim loại gia tốc nhờ điện trường phía catốt chúng bị trung hòa điện lắng đọng đế tạo thành màng mỏng Cấu trúc máy phún xạ dòng ion minh họa bên 3.3.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm phƣơng pháp phún xạ:  Dễ dàng chế tạo màng đa lớp nhờ tạo nhiều bia riêng biệt Đồng thời, phương pháp rẻ tiền, dễ thực nên dễ dàng triển khai quy mô công nghiệp  Độ bám dính màng đế cao nguyên tử đến lắng đọng màng có động cao so với phương pháp bay bốc nhiệt  Màng tạo có độ mấp mô bề mặt thấp có hợp thức gần với bia, có độ dày xác nhiều so với phương pháp bay bốc nhiệt chân không  Do chất có hiệu suất phún xạ khác nên việc khống chế thành phần với bia tổ hợp trở lên phức tạp Khả tạo màng mỏng với độ xác cao phương pháp phún xạ không cao Hơn nữa, tạo màng đơn tinh thể 46 3.4 Lắng đọng hóa học (CVD) 3.4.1 Đặc điểm Lắng đọng hóa học phương pháp mà nhờ vật liệu rắn lắng đọng từ pha thông qua phản ứng hóa học xảy gần bề mặt đế nung nóng 3.4.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm phƣơng pháp lắng đọng hóa học Những ưu điểm chính:  Hệ thiết bị đơn giản  Tốc độ lắng đọng cao  Dễ khống chế hợp thức hóa học hợp chất dễ dàng pha tạp  Có khả lắng đọng hợp kim nhiều thành phần  Có thể tạo màng cấu trúc hoàn thiện, độ cao  Để xử lý trước lắng đọng trình ăn mòn hóa học  Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình đa dạng, phức tạp Những nhược điểm chính:  Cơ chế phản ứng phức tạp  Đòi hỏi nhiệt độ đế cao phương pháp khác  Đế dụng cụ thiết bị ăn mòn dòng  Khó tạo hình linh kiện 47 48 CHƢƠNG 4:ỨNG DỤNG MÀNG ĐA LỚP CÓ HIỆU ỨNG GMR VÀ MÀNG TỪ 4.1 Ứng dụng cảm biến từ Năm 1994 có sản phẩm GMR bán thị trường giới công ty Nonvolatile Electronics Inc (NVE) Mỹ chế tạo Đó cảm biến từ trường dùng cho mục đích khác từ công nghiệp ôtô thiết bị trợ thính Các màng mỏng từ dùng cảm biến thường màng mỏng từ mềm làm từ vật liệu NiFe81/19 4.2 Ứng dụng dẫn động Các màng mỏng từ dùng dẫn động gồm màng mỏng từ cứng màng mỏng từ mềm Các vật liệu thường dùng SmCo83/17, CoP Hình 4.3: Bộ dẫn động 4.3 Trong đĩa từ (platter): Các màng mỏng thường phủ lên đế thủy tinh phương pháp mạ phún xạ 49 Một đĩa từ phủ màng mỏng 5.25” (phía trên) cạnh đĩa từ phủ oxide 5.25” (phía dưới) Đĩa từ phủ màng mỏng phản xạ thật mạnh, chụp hình chúng giống chụp hình gương Trong đầu đọc/ ghi: Các đầu đọc từ dựa hiệu ứng từ điện trở thường(MR) hãng IBM chế tạo từ năm 1992 Tuy nhiên đầu từ có độ nhạy không cao nên ổ đĩa cứng thời có dung lượng hạn chế Tuy nhiên đầu từ có độ nhạy không cao nên ổ đĩa cứng thời có dung lượng hạn chế Mỗi có công nghệ đời phải đảm bảo yêu cầu yếu sau:  Nâng cao hiệu so với công nghệ truyền thống  Chi phí xây dựng dây truyền công nghệ vừa phải + Thừa kế công nghệ truyền thống  Giá thành sản phẩm thương mại phù hợp người tiêu dùng Cơ chế hiệu ứng GMR cho thấy đầu đọc GMR có độ nhạy cao, chống nhiễu tốt đầu đọc MR truyền thống nên đáp ứng yêu cầu đầu từ đọc bit thông tin từ tính lưu trữ với mật độ cao Đồng thời thừa kế dây truyền cũ (chỉ cần thu nhỏ kích thước phần tử lưu thông tin cảm biến đọc tin đầu từ) nên chúng dùng làm đầu từ đọc ổ đĩa cứng máy tính đại 50 KẾT LUẬN Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu với hướng dẫn tận tình thầy giáo Ths Nguyễn Hữu Tình đề tài “Tìm hiểu màng mỏng màng mỏng từ tính” hoàn thành kết sau:  Đề tài tìm hiểu tổng quan khái niệm, tính chất màng mỏng màng mỏng từ tính cách phân loại vật liệu sắt từ  Đề tài nghiên cứu tổng quan khái niệm, chế hiệu ứng GMR ứng dụng màng mỏng có hiệu ứng GMR  Đề tài tìm hiểu phương pháp thường dùng để chế tạo màng mỏng Đề tài ưu điểm, nhược điểm phương pháp số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liêu sử dụng phương pháp  Đề tài tìm hiểu số ứng dụng màng mỏng có hiệu ứng GMR màng mỏng từ kĩ thuật điện tử như: ứng dụng cảm biến từ, dẫn động, đĩa từ, đầu đọc/ghi Trong thời gian hoàn thành khóa luận, kiến thức hạn chế nên làm em không tránh khỏi thiếu xót Kính mong nhận góp ý quý thầy cô bạn! 51 52 [...]... về không NRZ, mã hoá pha PE…Các cơ chế mã này xin không bàn ở đây xin bạn đọc tìm trong các tài liệu tham khảo 33 KẾT LUẬN Qua một thời gian tìm tòi và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Ths Nguyễn Hữu Tình đề tài Tìm hiểu về màng mỏng và màng mỏng từ tính đã hoàn thành được những kết quả sau:  Đề tài đã tìm hiểu tổng quan về khái niệm, tính chất của màng mỏng và màng mỏng từ. .. trong bộ dẫn động Các màng mỏng từ dùng trong bộ dẫn động gồm cả màng mỏng từ cứng và màng mỏng từ mềm Các vật liệu thường dùng là SmCo83/17, CoP 4.3 Trong đĩa từ (platter): Các màng mỏng này thường được phủ lên một đế thủy tinh bằng phương pháp mạ hoặc phún xạ Hình 4.3: Bộ dẫn động Một đĩa từ phủ màng mỏng 5.25” (phía trên) cạnh một đĩa từ phủ oxide 5.25” (phía dưới) Đĩa từ phủ màng mỏng phản xạ thật... Với những vật liệu có từ tính, và hơn nữa vớ những cấu trúc có kích thước nhỏ hơn cỡ nano và được sắp xếp Hình 2.2: Sự phụ thuộc của điện trở R vào từ trường H đặt ra khác hẳn Từ tính nội tại của vật liệu từ tác động dến sự chuyển động của một cách nào đó thì vấn đề được điện tử dẫn và khi có tác động của từ trường nhỏ từ tính nội tại của vật liệu thay đổi rất mạnh, và đến lượt từ trường nội tại này... ứng dụng khác nữa Các màng mỏng từ dùng trong cảm biến thường là màng mỏng từ mềm được làm từ các vật liệu như NiFe81/19 Các cảm biến từ trường cũng có thể ứng dụng hiệu ứng GMR Trong trường hợp đó yêu cầu các cái chuyền mạch (sandwitches) mỏng chứa các vật liệu sắt từ (NiFe81/19, Co) và vật liệu phản sắt từ (CoCrPt) Độ dày của màng thường là vài chục nanomet Hình 4.2: Cấu trúc MR và GMR 29 4.2 Ứng dụng... từ tính cũng như cách phân loại vật liệu sắt từ  Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về khái niệm, cơ chế của hiệu ứng GMR và các ứng dụng của màng mỏng có hiệu ứng GMR  Đề tài đã tìm hiểu về các phương pháp thường dùng để chế tạo màng mỏng Đề tài chỉ ra được các ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp và một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất vật liêu khi sử dụng những phương pháp đó  Đề tài cũng đã tìm. .. từ tự do lớp phản sắt từ chạy qua một vùng nhiễm từ, từ trường ngoài xuất hiện làm cho từ Cùc dÉn dßng ®iÖn độ của một lớp sắt từ thay đổi từ lớp cách lớp từ không từ bị ghim  M2 M1 1 2 A Cùc dÉn F dßng ®iÖn phương song song đến góc lệch  (khác 0 và không nhất thiết phải bằng 180 độ) so với chiều từ độ lớp sắt từ bị ghim Khi đó điện trở Hình 4.6: Cơ chế hoạt động của đầu đọc cảm biến thay đổi và. .. ngoài vào vật liệu Hiện tượng này liên quan đến sự tác động của từ trường đến chuyển động của các điện tử Điện trở trong các kim loại bình thường phi từ tính và các chất bán dần chỉ phụ thuộc vào sự tán xạ của điện tử với các dao động mạng và do đó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, mật độ vật chất và nồng độ hạt dẫn thể hiện hiệu ứng MR rất yếu vì sự tác động của từ trường ngoài chỉ tác động trực tiếp vào... hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức: Hoặc:  Với: ρ(H), ρ(0), R(H), R(0) lần lượt là điện trở suất và điện trở tại từ trường H và từ trường H = 0  Và hoàn toàn tương tự ở công thức thứ hai: Hmax là từ trường cực đại 11 2.2 Từ điện trở khổng lồ 2.2.1 Giới thiệu chung Hình 2.1: Cấu trúc bên trong của đầu từ Trên đây là mô phỏng cấu trúc bên trong của một đầu từ, trong đó có một đầu đọc từ cỡ nano... điện trở giảm khi từ trường ngoài tăng  Ảnh hưởng bề dày các lớp GMR: Yếu tố này liên quan đến liên kết trao đổi giữa các màng mỏng từ trong cấu trúc đa lớp gọi là liên kết từ Thực nghiệm cho thấy rằng khi bề dầy lớp phi từ trong cấu trúc đa lớp thay đổi thì hệ từ dao động từ trạng thái sắt từ sang phản sắt từ rồi ngược lại với biên độ tỷ lệ nghịch với sự biến thiên của bề dày lớp phi từ điều này cũng... cũng dẫn đến sự thay đổi hệ số GMR Khi bề dày lớp phi từ lớn hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử, giữa hai lớp sắt từ cạnh nhau có sự liên kết từ với nhau thông qua lớp phi từ Ta sẽ có liên kết sắt từ khi từ độ của hai lớp từ kề nhau có từ độ định hướng song song, và liên kết phản sắt từ cho trường hợp đối song tùy theo chiều dày của lớp phi từ Cường độ liên kết tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng ... màng mỏng màng mỏng từ tính Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu màng mỏng, màng mỏng từ tính, phương pháp chế tạo màng mỏng ứng dụng màng mỏng từ tính Nhiệm vụ nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan màng mỏng. .. màng mỏng màng mỏng từ tính Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu màng mỏng, màng mỏng từ tính, phương pháp chế tạo màng mỏng ứng dụng màng mỏng từ tính Nhiệm vụ nghiên cứu: 37 Nghiên cứu tổng quan màng. .. lớp, màng có kích thước cỡ hạt 1.5 Màng mỏng từ tính Màng vật liệu từ tính có trạng thái vật lý thể rắn với chiều dày khoảng vài µm (nhỏ 5µm) Còn biết với tên gọi màng sắt từ hay màng từ Màng từ