NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Kiều Vân NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 MỞ ĐẦU Trong thời đại khoa học kỹ thuật đại, máy móc thiết bị có xu hướng thu nhỏ kích thước tính chất khả hoạt động không bị hạn chế nhờ việc sử dụng tính ưu việt, đặc biệt dạng màng mỏng Lịch sử phát triển màng mỏng có lâu đời người ta biết sử dụng vào mục đích dân dụng trang trí Sang đầu kỉ XX, màng mỏng bắt đầu quan tâm nhờ tính chất đặc biệt kích thước nhỏ bé để chế tạo thiết bị máy móc Không có màng bán dẫn quan tâm đặc biệt, mà màng mỏng từ tính quan tâm Trong năm cuối kỉ XX, màng mỏng từ tính trở thành mục tiêu nghiên cứu nhiều phòng thí nghiệm giới, đặc biệt màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van…với nhiều ứng dụng khác tương lai Một ứng dụng điển hình chế tạo thiết bị ghi từ lưu trữ thông tin Ở Việt Nam vào năm cuối thập niên 90 kỷ XX, màng mỏng trở thành lĩnh vực quan tâm ý Với nhiều trung tâm nghiên cứu, nhiều thiết bị máy móc đại phục vụ cho việc nghiên cứu màng mỏng trang bị thu kết đáng kể, đặc biệt màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van Trên sở điều nói trên, luận văn chọn đối tượng nghiên cứu màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta chế tạo phương pháp phún xạ catốt Luận văn em gồm phần chính: Chương 1: Tổng quan màng mỏng từ tính Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH 1.1 Màng mỏng Màng mỏng (thin film) hay nhiều lớp vật liệu chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại (chiều rộng chiều dài) Chiều dày màng mỏng thay đổi từ vài nm đến vài μm thông thường nhỏ 1μm Có hai loại màng mỏng: màng đơn lớp mà màng đa lớp Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au 1.2 Dị hướng từ 1.2.1 Dị hướng hình dạng 1.2.1.1 Dị hướng hình dạng mẫu elip tròn xoay Đối với mẫu sắt từ hình elip tròn xoay với bán trục a b, hệ số trường khử từ tương ứng Na Nb (với 2Na + Nb = 1) Nếu véc tơ từ độ M hợp với trục dễ góc θ lượng dị hướng hình dạng Ehd nhận : Ehd = µo M ( N a − Nb ) sin θ [J/m3] (1.1) Hằng số dị hướng hình dạng [1] : Ehd = µ o M ( N a − Nb ) 2 [J/m3] (1.2) 1.2.1.2 Dị hướng hình dạng màng mỏng Trong trường hợp màng mỏng sắt từ có độ dày nhỏ, hệ số trường khử từ nhận giá trị : Nz = ; Nx = Ny = Áp dụng biểu thức (1.1) với N a = Nz = ; Nb = Nx = 0, ta có: Ehd = µo M sin θ [J/m3] (1.3) [J/m3] (1.4) Với hệ số dị hướng hình dạng [1]: K hd = µo M 2 1.2.2 Dị hướng từ tinh thể Dị hướng từ tinh thể xác định không liên kết mômen từ spin với hình dạng định hướng quỹ đạo điện tử (liên kết spin – quỹ đạo) mà liên kết quỹ đạo điện tử xét với đối xứng xếp nguyên tử mạng tinh thể (trường tinh thể) [1] 1.2.3 Dị hướng ứng suất Dị hướng ứng suất có đóng góp đáng kể vào dị hướng từ tổng cộng, đặc biệt trường hợp màng mỏng từ Năng lượng dị hướng ứng suất viết: Eu s = − λsσ sin θ [J/m3] (1.5) 1.2.4 Dị hướng từ màng mỏng Năng lượng dị hướng từ màng mỏng thường viết dạng: Ea = − K × cos θ (1.6) đó, θ góc từ độ phương pháp tuyến màng Theo định nghĩa này, giá trị dương K có nghĩa từ độ hướng theo phương vuông góc với mặt phẳng màng Nói chung, nhiều trường hợp, dị hướng từ bề mặt quan sát phổ biến [1] 1.3 Các vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ biết đến chất có từ tính mạnh, có độ từ thẩm lớn độ từ hóa lớn độ từ hóa chất thuận từ Hình 1.2: Đường cong từ trễ chất sắt từ Hai đặc trưng quan trọng chất sắt từ là: + Đường cong từ trễ + Nhiệt độ Curie Tc Nhiệt độ Curie Tc chất sắt từ nhiệt độ chuyển pha sắt từ thuận từ (chuyển pha loại – chuyển pha thay đổi cấu trúc) Tại nhiệt độ này, chất sắt từ bị trật tự sắt từ song song Ở nhiệt độ T c, vật liệu mang tính chất sắt từ; nhiệt độ T c vật liệu bị tính sắt từ trở thành chất thuận từ [1;2] 1.4 Các chất phản sắt từ (AFM) 1.4.1 Đặc điểm vật liệu phản sắt từ Vật liệu phản sắt từ có mômen từ nguyên tử cạnh tranh xếp đối song (song song ngược chiều) đôi (hình 1.4) Hình 1.3: Cấu trúc từ vật liệu phản sắt từ gồm phân mạng đối song Thông thường, trạng thái phản sắt từ tồn nhiệt độ thấp bị triệt tiêu nhiệt độ lớn nhiệt độ xác định gọi nhiệt độ Néel – nhiệt độ chuyển pha từ phản sắt từ sang thuận từ (T N – đặt tên theo Louis Néel) Khi T > TN xếp mômen từ trở nên hỗn loạn, vật liệu trở thành thuận từ, trường hợp trật tự thuận từ chất sắt từ [1,2] 1.4.2 Lý thuyết trường phân tử lớp phản sắt từ Sự phụ thuộc độ cảm từ χ vào nhiệt độ T vật liệu phản sắt từ đặc trưng bởi: + Sự tồn nhiệt độ Néel ( TN ) ứng với đỉnh đường χ(T) + Sự dị hướng χ T < TN : χ có giá trị khác tùy theo từ trường H song song hay vuông góc với trục spin đơn tinh thể vật liệu phản sắt từ Giá trị cho vật liệu đa tinh thể giá trị trung gian giá trị [2] Khi T > TN , phụ thuộc vào nhiệt độ χ tương tự định luật Curie – Weiss cho vùng thuận từ vật liệu sắt từ: χ= c T −T ' , T’ < (1.8) Các đặc điểm giải thích lý thuyết trường phân tử Trong vật liệu phản sắt từ, có loại chỗ mạng chứa spin xếp đối nghịch (gọi phân mạng từ) [2] 1.5 Giới thiệu tượng trao đổi dịch Hiện tượng trao đổi dịch (hay trao đổi bất đẳng hướng) tượng dịch đường cong từ trễ dọc theo trục từ trường, thường xuất vật liệu từ đa lớp 1.5.1 Nguồn gốc hiệu ứng trao đổi dịch Do xuất tính dị hướng đơn trục nên sau mẫu làm lạnh từ trường, đường cong từ trễ bị dịch chuyển [15] Hình 1.4: Đường cong từ trễ Co phủ hạt CoO 77 K sau ủ trường hợp từ trường đặt vào (1) từ trường bão hòa (2) 1.5.2 Hiện tượng dịch đường từ trễ hệ FM/AFM Khi từ trường đặt vào vùng nhiệt độ TN < T < Tc , spin FM xếp hướng với từ trường spin AFM xếp cách hỗn loạn ( Hình 1.6 a) Hình 1.5: Cơ chế trao đổi dịch màng hai lớp FM/AFM Khi làm lạnh hệ từ trường H xuống nhiệt độ TN hai phần FM AFM có spin xếp theo trật tự [5,13,14] Khi từ trường bị đảo chiều, spin mặt phẳng FM bắt đầu quay Tuy nhiên, tính dị hướng AFM lớn, spin mặt phẳng AFM không thay đổi (hình 1.6 c) Như vậy, từ trường cần thiết để đảo chiều hoàn toàn lớp FM lớn tiếp xúc với lớp AFM Kết quả, đường cong bị dịch chuyển bên trái trục từ trường hiệu dụng H khoảng Hex Đây chế hiệu ứng trao đổi dịch [6,11,14,17,21] 1.5.3 Mô hình lý thuyết Từ việc phân tích tính chất tương tác bề mặt FM/AFM, lượng tương tác đơn vị bề mặt viết sau: E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K FM t FM sin ( β ) + K AFM t AFM sin (α ) − J cos( β − α ) (1.10) Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng màng FM AFM giống trục Hình 1.6: Biểu đồ góc tham gia vào hệ trao đổi dịch Trong trường hợp đơn giản, dị hướng FM không đáng kể: E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K AFM t AFM sin (α ) − J cos( β − α ) (1.11) Từ trường trao đổi dịch tính theo công thức sau: H ex = J (1.12) M FM tFM 1.5.4 Sự phụ thuộc vào độ dày từ trường trao đổi dịch 1.5.4.1 Sự phụ thuộc vào độ dày lớp FM Từ trường (Oe) Chiều dày lớp NiFe ( Hình 1.7: Sự phụ thuộc trường trao đổi dịch Hex lực kháng từ Hc vào độ dày lớp FM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tAFM = 50 nm Đối với hệ nghiên cứu, người ta quan sát thấy từ trường trao đổi dịch tỷ lệ nghịch với độ dày lớp FM (hình 1.8) H ex µ (1.13) t FM Tuy nhiên, lớp FM mỏng (thường vài nm) phụ thuộc không tồn nữa, lớp FM trở nên gián đoạn, không liền mạch [14] 1.5.4.2 Sự phụ thuộc vào độ dày lớp AFM Sự phụ thuộc Hex vào độ dày lớp AFM phức tạp nhiều Xu hướng chung cho chiều dày lớp AFM, ví dụ chiều dày lớn 10 nm, H ex không phụ thuộc vào độ dày lớp AFM Khi độ dày lớp AFM giảm, H ex giảm đột ngột lớp AFM đủ mỏng (thông thường vài nm), H ex = 0, ta thấy hình 1.9 [14] Chiều dày lớp IrMn (Ao) Hình 1.8: Sự phụ thuộc trao đổi dịch Hex lực kháng từ Hc vào độ dày lớp AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tFM = nm 1.5.5 Các ứng dụng tượng trao đổi dịch Các vật liệu thể tính chất trao đổi dịch hiệu ứng có liên quan sử dụng số ứng dụng khác Việc tăng lực kháng từ hạt nhỏ bị oxi hóa sử dụng nam châm vĩnh cửu phương tiện ghi từ mật độ cao Một ứng dụng khác hiệu ứng trao đổi dịch chế tạo đầu đọc, ghi máy vi tính dựa hiệu ứng từ trở khổng lồ Gần đây, tượng trao đổi dịch sử dụng thiết bị nhớ động (MRAM) [12,14] 1.6 Giới thiệu hệ có cấu trúc spin van Spin – van linh kiện từ tính có cấu tạo từ màng đa lớp gồm lớp sắt từ (F1 F2) ngăn cách lớp phi từ (NM) mà điện trở hệ thay đổi phụ thuộc vào định hướng từ độ lớp sắt từ [1] Hình 1.9: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ cấu trúc spin - van Tính chất cấu trúc spin van dựa hiệu ứng từ trở khổng lồ Cơ chế hiệu ứng lý giải qua chế “tán xạ phụ thuộc spin” điện tử (hình 1.10) Có nghĩa việc từ độ lớp định hướng tương (song song, phản song song) cho phép dòng điện tử (dòng spin) truyền qua truyền qua, hay nói cách khác, từ độ lớp sắt từ hoạt động van đóng mở spin Đây ý tưởng cấu trúc spin van [11] Mô hình màng mỏng đa lớp với lớp sắt từ (FM) xen kẽ lớp mỏng phi từ (NM) tạo hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mô hình sơ khai Nhóm Peter Grunberg cải tiến mô hình thành cấu trúc spin van với việc sử dụng lớp phản sắt từ (AFM) 1.7 Mục tiêu luận văn Để nghiên cứu tính chất từ cấu trúc spin van, loại màng mỏng sau chế tạo: - Màng đơn lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/Ta - Màng lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/IrMn/Ta - Màng đa lớp: Si/ SiO2/Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta Trong trình chế tạo, từ trường có độ lớn 150 Oe song song với mặt phẳng màng đặt vào Để chế tạo màng ta sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt, phún xạ catốt,… Tuy nhiên, phương pháp phún xạ catốt có ưu điểm 10 hẳn so với phương pháp bốc bay nhiệt độ dày màng chế tạo điều khiển xác khả bám dính màng đế tốt Do đó, em sử dụng phương pháp phún xạ catốt để chế tạo vật liệu nêu Mẫu sau chế tạo tiến hành đo hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) từ kế mẫu rung (VSM) để biết tính chất cấu trúc chúng 11 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo màng mỏng phương pháp phún xạ Hình 2.1 biểu diễn trình của chế phún xạ [1] Hình 2.1: Nguyên lý trình phún xạ Các ion khí va chạm với nguyên tử bia dẫn đến hệ nguyên tử (hoặc đám vài nguyên tử) bia bị bứt chuyển động phía đế mẫu (substrate) Các nguyên tử gọi nguyên tử bị phún xạ Khi đến đế mẫu, chúng lắng đọng lại đế mẫu tạo thành màng Hình 2.5 : Hệ phún xạ magnetron sử dụng nguồn chiều nguồn xoay chiều khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội Ảnh chụp hệ phún xạ magnetron sử dụng nguồn chiều xoay chiều vận hành khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội minh họa hình 2.5 12 Trong luận văn này, mẫu chế tạo phương pháp phún xạ catốt chiều DC khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội 2.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học, bước sóng chùm tia điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng vùng khả biến Việc tạo ảnh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Các mẫu sau chế tạo tiến hành đo SEM khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội 2.3 Từ kế mẫu rung (VSM) Từ kế mẫu rung (VSM) phát minh S.Fomer vào năm 1950 dùng phổ biến Đây dụng cụ đo tính chất từ vật liệu, hoạt động nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ rung mẫu đo từ trường Nó đo mômen từ mẫu cần đo từ trường Các mẫu tiến hành đo từ kế mẫu rung (VSM) máy VSM lakeshore 7407 khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội 2.4 Phân tích nhiễu xạ tia X Kỹ thuật nhiễu xạ tia X ( thường gọi nhiễu xạ ta X) sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu…Xét chất vật lý, nhiễu xạ tia X giống nhiễu xạ điện tử, khác tính chất phổ nhiễu xạ khác tương tác tia X với nguyên tử tương tác điện tử nguyên tử Các mẫu đo XRD khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội 13 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Màng mỏng NiFe 3.1.1 Kết đo hiển vi điện tử quét (SEM) Hình 3.1: Ảnh SEM màng NiFe Từ kết đo SEM, xác định chiều dày màng NiFe khoảng 43.2 nm (rất nhỏ so với chiều lại màng) với thời gian lắng đọng 300 s => ϑD = 0,144 (nm/s) 3.1.2 Kết đo nhiễu xạ tia X (XRD) Màng mỏng NiFe chế tạo với chiều dày 10 nm sau đo tiến hành đo nhiễu xạ tia X Chúng ta thấy có đỉnh góc 2θ = 44o Từ việc phân tích kết quả, thu cấu trúc NiFe với định hướng tinh thể (111) 3.1.3 Kết đo từ kế mẫu rung (VSM) Để xác định tính chất từ màng đơn lớp NiFe, màng mỏng sau chế tạo tiến hành đo VSM Từ kết đo đường cong từ trễ lớp NiFe (hình 3.3), lực kháng từ mẫu xác định với giá trị H c = 5,1 Oe Như vậy, màng mỏng NiFe có tính từ mềm Hình 3.3: Đường cong từ trễ màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề mặt màng 14 3.2 Hệ vật liệu NiFe/IrMn 3.2.1 Kết đo tính chất từ 3.2.1.1 Đường cong từ trễ (a) (b) Từ trường H (Oe) Từ trường H (Oe) (c) Từ trường H (Oe) Hình 3.4: Đường cong từ trễ hệ NiFe/IrMn với tNiFe = nm, nm nm Khi chiều dày lớp NiFe tăng từ nm, nm đến nm, lực kháng từ giảm tương ứng từ 50 Oe, 30 Oe đến 18 Oe từ trường trao đổi dịch H ex giảm từ 55 Oe, 31 Oe đến 22 Oe 3.2.2 Kết đo XRD Dựa vào hình ảnh XRD hai lớp NiFe/IrMn, thấy NiFe IrMn có định hướng (111) Có đỉnh góc 2θ = 44o 2θ = 42o tương ứng với hai pha NiFe (111) IrMn (111) 15 Si Cường độ (đ v t y) IrMn (111) NiFe (111) (o) Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X lớp NiFe/IrMn Dựa vào kết nghiên cứu công bố, việc tạo IrMn (111) cho tương tác trao đổi bề mặt ổn định Từ cho ta hiệu ứng trao đổi dịch tốt 3.3 Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn Để tạo hệ có cấu trúc spin van, hai hệ vật liệu Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) chế tạo với tNiFe = nm, nm, nm, nm tIrMn = nm, 10 nm, 15 nm (hình 3.8) Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn Ở đây, IrMn dùng với vai trò lớp phản sắt từ cấu trúc spin van Lớp NiFe/IrMn lớp trao đổi dịch coi van cấu trúc spin van 16 3.3.1 Kết đo từ kế mẫu rung (VSM) Khi chiều dày lớp ghim tăng từ nm đến 12 nm, đường cong trở nên rõ nét rời rạc Hình vẽ cho ta thấy, từ trường trao đổi giảm từ 360 Oe đến 65 Oe lực kháng từ giảm từ 200 Oe đến 60 Oe nm nm nm 0.0006 M« men tõ (emu) 0.0003 (a) 0.0000 -0.0003 -0.0006 -1000 -500 500 1000 Tõ tr êng H (Oe) (b) M« men tõ (emu) 0.0008 nm 12 nm 0.0004 0.0000 -0.0004 -0.0008 -1000 -500 500 1000 Tõ tr êng H (Oe) Hình 3.9: Đường cong từ trễ cấu trúc spin – van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = nm, nm, nm (b) tNiFe = nm, 12 nm Ở có kết thú vị Khi chiều dày lớp NiFe tăng tới giá trị t = 12 nm (hình 3.9 b), cấu trúc spin van hoàn toàn Nguyên nhân tượng thú vị hệ tương tác bề mặt lớp NiFe dày lớp phản sắt từ IrMn 17 3.3.2 Ảnh hưởng lớp ghim lên tính chất từ 3.3.2.1 Ảnh hưởng lớp NiFe lên mômen từ hệ 0.85 0.80 M« men tõ (memu) 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 10 12 §é dÇy líp NiFe (nm) Hình 3.10: Ảnh hưởng lớp NiFe lên mômen từ hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn chiều dày lớp NiFe thay đổi Khi chiều dày lớp sắt từ tăng từ nm đến 12 nm, tính sắt từ mẫu tăng lên Điều dẫn đến mômen lớp sắt từ ngày tăng (hình 3.10) 3.3.2.2 Sự phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe Quan sát hình 3.11 qua kết đưa ra, quy luật với hệ có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn Một lần khẳng định, Hex phụ thuộc vào tFM, tFM tăng Hex giảm Hình 3.11 : Đồ thị phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe 18 3.3.2.3 Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp NiFe Ảnh hưởng chiều dày lớp NiFe (tNiFe) lên lực kháng từ Hc thể hình 3.12 Kết cho thấy, chiều dày lớp NiFe tăng từ nm đến nm độ lớn Hex giảm không đáng kể Trong đó, chiều dày lớp NiFe tăng từ nm đến 12 nm lực kháng từ giảm nhanh (từ khoảng 190 Oe xuống khoảng 45 Oe) Hình 3.12 : Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp NiFe hệ NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) 3.3.3 Ảnh hưởng lớp phản sắt từ lên tính chất từ Để nghiên cứu phụ thuộc này, màng đa lớp Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) chế tạo với t IrMn = nm, 10 nm 15 nm Mẫu sau chế tạo tiến hành đo VSM (hình 3.13) nm 10 nm 15 nm 1.0 M/M S 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -750 -500 -250 250 500 750 TừMagnetic trường H (Oe) field H (Oe) Hình 3.13: Ảnh hưởng lớp phản sắt từ lên tính chất từ hệ có cấu trúc spin – van Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) 19 Hình 3.14 cho ta thấy từ trường trao đổi dịch Hex gần không thay đổi (có giá trị khoảng 200 Oe) chiều dày lớp IrMn thay đổi từ nm đến 15 nm H C, H ex (Oe) 200 180 HC Hex 160 140 120 10 12 14 16 18 20 tIrMn (nm) Hình 3.14: Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc từ trường trao đổi dịch Hex vào chiều dày lớp IrMn hệ Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) Khi chiều dày lớp IrMn tăng từ nm đến 15 nm, H ex gần không thay đổi.Điều giải thích, chiều dày lớp IrMn tăng, mômen từ lớp sắt từ NiFe bị ghim ngày nhiều tất mômen từ lớp bị ghim lại lớp IrMn có chiều dày nm trở lên Đây nguyên nhân làm cho từ trường trao đổi dịch gần không thay đổi Ngoài ra, ta nhận thấy rằng, chiều dày lớp IrMn tăng từ 10 nm đến 15 nm lực kháng từ mẫu giảm dần từ 160 Oe đến 114 Oe 20 KẾT LUẬN Sau hoàn thành luận văn, em rút kết luận sau: • Đã chế tạo thành công màng mỏng từ tính NiFe, NiFe/IrMn màng mỏng có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn • NiFe vật liệu từ mềm với Hc = 5,1 Oe • IrMn (111) cho số tương tác trao đổi bề mặt ổn định • Màng mỏng lớp NiFe/IrMn có hiệu ứng trao đổi dịch Hex, Hc phụ thuộc vào chiều dày lớp NiFe • Tính chất từ cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn phụ thuộc vào lớp NiFe lớp IrMn 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Hữu Đức , (2003), Vật liệu từ liên kim loại, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Phú Thùy , (2003), Vật lý tượng từ, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Vũ Thị Huyền Trang, (2011), Nghiên cứu chế tạo dây Coban có kích thước nano phương pháp điện hóa, Khóa luận tốt nghiệp Đại học khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Vũ Thị Thanh, (2014), Ảnh hưởng từ trường trình lắng đọng lên tính chất dây nano, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Tiếng Anh A Aharoni, E.H Frei, S Shtrikman, (1956), “Theoretical Approach to the Asymmetrical Magnetization Curve”, Journal of Applied Physics, Vol 30 (12), pp 1956-1961 A.J Devasahayam, P.J Slides and M.H Kryder, (1998), “Magnetic temperature and corrosion properties of the NiFe/IrMr exchange couple”, J Appl Phys, 83, p 7216 A Layadi, J.W Lee, J.O Artman, (1988), “FMR and TEM studies of annealed and magnetically annealed thin bilayer films”, J Appl, Phys, 63, p.3808 C.P Bean, (1960), in: C.A Neugebauer, J.B Newkirk, D.A Vermilyea (Eds), Structure and properties of Thin Films, Wiley, New York, p 331 D Mauri, H.C Siegmann, P.S Bagus, E Kay, (1987), “Simple model for thin ferromagnetic films exchange coupled to an antiferromagnetic substrate”, J Appl Phys, 62, p 3047 10 G Anderson, Y Huai, L Miloslawsky, (2000), “CoFe/IrMn exchange biased top, bottom, and dual spin valve”, Journal of Applied Physics, p 69896991 22 11 I.S Jacob, in: G.T Rado, H Suhl(Eds), (1963), Magnetism, Academic Press, New York, p.271 12 J Adrian Devasahayam and H Mark Kryder, (1999),“Biasing Materials For Spin-Valve Read Heads”, IEEE transaction on magnetics, vol.35(2), pp 178 – 190 13 J Nogués, J Sort, V Langlais, V Skumryev, S Suriñach, J.S Muñoz, M.D Baró, (2005), “Exchange bias in nanostructures”, J Appl, Phys, 61, p.4255 14 J Nogues´, K.I Schuller, (1998), “Exchange bias”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 192 , p.203—232 15 L Jian-Ping, Q Zheng-Hong, S Yu-Cheng, BAI Ru, L Jian-Lin, Z Jian-Guo, (2014), “Effect of Magnetic Annealing on IrMn Based Spin Valve Materials with SAF Structure”, Journal of Inorganic Materials, Vol 29(4), pp 411-416 16 M.N Baibich, J.M Broto, A Fert, F nguyen Van Dau, F Petroff, P Etienne, G Creuzet, A Friederich and J Chazelas, (1989), “Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic superlattices”, Phys Rev Lett, Vol 61, pp 2472-2475 17 M.T Johnson, P.J.H Bloemen, F.J.A Broeder and J.J de Vries, (1996), “Magnetic anisotropy in metallic multilayers”, Rep Prog Phys, 59, p.1409 18 N.G Chechenin, P.N Chernykh, S.A Dushenko, I.O Dzhun, A.Y Goikhman, V.V Rodionova, (2014), “Asymmetry of Magnetization Reversal of Pinned Layer in NiFe/Cu/NiFe/IrMn Spin-Valve Structure, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism”, Phys Rev Lett, Volume 27(6), 19 P.S Anil Kumar and J.C Lodder, (2000), “The spin valve transitor”, J D Phys.: Appl Phys, 33, pp 2911–2920 20 S.J Bludell, J.A.C Bland, (1992), “Polarized Neutron Reflection as a Probe of Magnetic Films and Multilayers”, Phys Rev, p 3391 23 21 V.K Sankaranarayanan, S.M Yoon, C.G Kim, C.O Kim, (2005), “Exchange bias variation of the seed and top NiFe layers in NiFe/FeMn/NiFe trilayer as a function of seed layer thickness”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 286, pp 196–199 24 [...]... chiếc van đóng mở spin Đây chính là ý tưởng về cấu trúc spin van [11] Mô 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 mô hình sơ khai đầu tiên Nhóm của Peter Grunberg đã cải tiến mô hình này thành cấu trúc spin van như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản sắt từ (AFM) 1.7 Mục tiêu của luận văn Để nghiên cứu tính chất từ của cấu. .. 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 Để chế tạo các màng này ta có thể sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt, phún... • Đã chế tạo thành công màng mỏng từ tính NiFe, NiFe/IrMn và màng mỏng có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn • NiFe là vật liệu từ mềm với Hc = 5,1 Oe • IrMn (111) cho hằng số tương tác trao đổi bề mặt ổn định nhất • Màng mỏng 2 lớp NiFe/IrMn có hiệu ứng trao đổi dịch và Hex, Hc phụ thuộc vào chiều dày lớp NiFe • Tính chất từ của cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn phụ thuộc vào lớp NiFe và lớp IrMn... 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 nghĩa là việc từ độ các lớp định hướng tương đối với nhau ra sao (song song, phản song song) có thể cho phép dòng điện tử (dòng spin) được truyền qua hoặc không thể truyền qua, hay nói cách khác, từ độ của các lớp sắt... Để tạo ra hệ có cấu trúc spin van, hai hệ vật liệu Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) và Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) đã được chế tạo với tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm, 9 nm và tIrMn = 8 nm, 10 nm, 15 nm (hình 3.8) Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn Ở đây, IrMn được dùng với vai trò là lớp phản sắt từ trong cấu trúc. .. ta thu được cấu trúc NiFe với định hướng tinh thể là (111) 3.1.3 Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM) Để xác định tính chất từ của màng đơn lớp NiFe, màng mỏng sau khi được chế tạo được tiến hành đo VSM Từ kết quả đo đường cong từ trễ của lớp NiFe (hình 3.3), lực kháng từ của mẫu đã được xác định với giá trị H c = 5,1 Oe Như vậy, màng mỏng NiFe có tính từ mềm Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với... 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 Ở đây có một kết quả khá thú vị Khi chiều dày lớp NiFe tăng tới giá trị t = 12 nm (hình 3.9 b), cấu trúc spin van mất đi hoàn toàn Nguyên nhân của hiện tượng thú vị này đó là hệ chỉ còn tương tác bề mặt giữa lớp NiFe rất dày và lớp phản sắt từ IrMn... này, màng đa lớp Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) đã được chế tạo với t IrMn = 8 nm, 10 nm và 15 nm Mẫu sau khi được chế tạo đã được tiến hành đo VSM (hình 3.13) 8 nm 10 nm 15 nm 1.0 M/M S 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -750 -500 -250 0 250 500 750 TừMagnetic trường H (Oe) field H (Oe) Hình 3.13: Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ của hệ có cấu trúc spin – van Ta (5... xạ catốt có những ưu điểm 10 hơn hẳn so với phương pháp bốc bay nhiệt như độ dày của màng chế tạo được điều khiển chính xác hơn và khả năng bám dính của màng trên đế tốt hơn Do đó, em đã sử dụng phương pháp phún xạ catốt để chế tạo các vật liệu nêu trên Mẫu sau khi chế tạo được tiến hành đo hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và từ kế mẫu rung (VSM) để biết được tính chất và cấu trúc của... phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe Quan sát hình 3.11 và qua những kết quả đã đưa ra, quy luật trên đúng với hệ có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn Một lần nữa chúng ta có thể khẳng định, Hex phụ thuộc vào tFM, khi tFM tăng thì Hex giảm Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe 18 3.3.2.3 Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp NiFe Ảnh hưởng của chiều dày lớp NiFe (tNiFe) lên lực