Nghiên cứu chế tạo màng mỏng có cấu trúc spin van

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Kiều Vân NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thị Kiều Vân NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ TUẤN TÚ Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN! Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Lê Tuấn Tú – người thầy tận tình giúp đỡ em suốt thời gian làm luận văn Cảm ơn thầy giúp em lựa chọn đề tài, cung cấp cho em thông tin, tài liệu cần thiết nhiệt tình giải đáp vướng mắc suốt trình nghiên cứu đề tài… Em xin chân thành biết ơn dạy dỗ tất quý thầy cô Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Các thầy, cô truyền đạt lại cho em kiến thức cần thiết bổ ích cho tương lai sau Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành sâu sắc em xin gửi tới gia đình thân yêu – người sát cánh động viên em suốt chặng đường qua Hà Nội, ngày 06 tháng 07 năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Kiều Vân MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH 1.1 Màng mỏng 1.2 Dị hƣớng từ Error! Bookmark not defined 1.2.1 Dị hướng hình dạng Error! Bookmark not defined 1.2.2 Dị hướng từ tinh thể Error! Bookmark not defined 1.2.3 Dị hướng ứng suất Error! Bookmark not defined 1.2.4 Dị hướng từ màng mỏng Error! Bookmark not defined 1.3 Các vật liệu sắt từ Error! Bookmark not defined 1.4 Các chất phản sắt từ (AFM) Error! Bookmark not defined 1.4.1 Đặc điểm vật liệu phản sắt từ Error! Bookmark not defined 1.4.2 Lý thuyết trường phân tử lớp phản sắt từ Error! Bookmark not defined 1.5 Giới thiệu tƣợng trao đổi dịch Error! Bookmark not defined 1.5.1 Nguồn gốc hiệu ứng trao đổi dịch Error! Bookmark not defined 1.5.2 Hiện tượng dịch đường từ trễ hệ FM/AFM Error! Bookmark not defined 1.5.3 Mô hình lý thuyết Error! Bookmark not defined 1.5.4 Sự phụ thuộc vào độ dày từ trường trao đổi dịch Error! Bookmark not defined 1.5.5 Các ứng dụng tượng trao đổi dịch Error! Bookmark not defined 1.6 Giới thiệu hệ có cấu trúc spin van Error! Bookmark not defined 1.7 Mục tiêu luận văn Error! Bookmark not defined Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Chế tạo màng mỏng phƣơng pháp phún xạ Error! Bookmark not defined 2.2.1 Cơ chế phún xạ Error! Bookmark not defined 2.1.2 Các hệ phún xạ Error! Bookmark not defined 2.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined 2.3 Từ kế mẫu rung (VSM) Error! Bookmark not defined 2.4 Phân tích nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Màng mỏng NiFe Error! Bookmark not defined 3.1.1 Kết đo hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined 3.1.2 Kết đo nhiễu xạ tia X (XRD) Error! Bookmark not defined 3.1.3 Kết đo từ kế mẫu rung (VSM) Error! Bookmark not defined 3.2 Hệ vật liệu NiFe/IrMn Error! Bookmark not defined 3.2.1 Kết đo tính chất từ Error! Bookmark not defined 3.2.2 Kết đo XRD Error! Bookmark not defined 3.3 Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn Error! Bookmark not defined 3.3.1 Kết đo từ kế mẫu rung (VSM) Error! Bookmark not defined 3.3.2 Ảnh hưởng lớp ghim lên tính chất từ Error! Bookmark not defined 3.3.3 Ảnh hưởng lớp phản sắt từ lên tính chất từ Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au .2 Hình 1.2: Cấu trúc đômen vật liệu sắt từ Hình 1.3: Đường cong từ trễ chất sắt từ Hình 1.4: Cấu trúc từ vật liệu phản sắt từ gồm phân mạng đối song Hình 1.5: Đường cong từ trễ CoO phủ hạt Co 77 K sau ủ trường hợp từ trường đặt vào (1) từ trường bão hòa (2) 10 Hình 1.6: Cơ chế trao đổi dịch màng hai lớp FM/AFM 11 Hình 1.7: Biểu đồ góc tham gia vào hệ trao đổi dịch 13 Hình 1.8: Sự phụ thuộc trường trao đổi dịch Hex lực kháng từ Hc vào độ dày lớp FM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tAFM = 50 nm 14 Hình 1.9: Sự phụ thuộc trao đổi dịch Hex lực kháng từ Hc vào độ dày lớp AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tFM = nm 15 Hình 1.10: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ cấu trúc spin van 16 Hình 1.11: Mặt cắt ngang màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ 17 Hình 2.1: Nguyên lý trình phún xạ 19 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catot chiều 21 Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều 22 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phún xạ magnetron 23 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 24 Hình 2.6: (a) Kính hiển vi điện tử quét; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 25 Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung ( VSM); (b) Mô hình từ kế mẫu rung 26 Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc khí hệ VSM 27 Hình 2.9: Hiện tượng nhiễu xạ tinh thể 30 Hình 2.10: (a) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD);(b) Mô hình hệ đo nhiễu xạ tia X 31 Hình 3.1: Ảnh SEM màng NiFe 32 Hình 3.2: Hình ảnh nhiễu xạ tia X màng NiFe 33 Hình 3.3: Đường cong từ trễ màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề mặt màng 34 Hình 3.4: Hình ảnh VSM hệ NiFe/IrMn với tNiFe = nm, nm nm 35 Hình 3.5: Sự phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe màng NiFe/IrMn 37 Hình 3.6: Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp NiFe hệ NiFe/IrMn 37 Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X lớp NiFe/IrMn 38 Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn 39 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… 40 Hình 3.10: Ảnh hưởng lớp NiFe lên mômen từ hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn chiều dày lớp NiFe thay đổi 41 Hình 3.11 : Đồ thị phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp NiFe 42 Hình 3.12 : Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp NiFe hệ NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiF (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) 43 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) 44 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) 45 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AFM Antiferromagnetic material Vật liệu phản sắt từ FM Ferromagnetic material Vật liệu sắt từ GMR Giant Magnetoresistive effect Hiệu ứng từ trở khổng lồ NM Non – magnetic material Vật liệu phi từ SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung XRD X – ray diffraction Nhiễu xạ tia X 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 Chƣơng 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: cấu tạo lớp vật liệu mỏng chế tạo đế Tính chất màng tạo từ lớp vật liệu (và ảnh hưởng tác động lớp đế)  Màng đa lớp: màng mỏng cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, tạo nhằm thay đổi tính chất màng mỏng Hình 1.1 cho ta thấy ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au 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 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 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 [...]... liên kim loại, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội 2 Nguyễn Phú Thùy , (2003), Vật lý các hiện tượng từ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội 3 Vũ Thị Huyền Trang, (2011), Nghiên cứu chế tạo dây Coban có kích thước nano bằng 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 4 Vũ Thị Thanh, (2014), Ảnh hưởng của từ... G Anderson, Y Huai, L Miloslawsky, (2000), ―CoFe/IrMn exchange biased top, bottom, and dual spin valve‖, Journal of Applied Physics, p 69896991 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,... 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... Dushenko, I.O Dzhun, A.Y Goikhman, V.V Rodionova, (2014), ―Asymmetry of Magnetization Reversal of Pinned 4 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