Nghiên cứu chế tạo màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin van

Header Page of 89 Đ I H C QU C GIA HÀ N I TR NGăĐ IăH CăKHOAăH CăTỰăNHIÊN - Nguy năTh ăKi uăVơn NGHIÊNăC UăCH ăT OăMÀNGăM NGăĐAăL Pă CịăC UăTRỎCăSPINăVAN TịMăT TăLU NăVĔNăTH CăSĨăKHOAăH C Hà N i – 2015 Footer Page of 89 Header Page of 89 M ăĐ U Trong th i đ i khoa h c kỹ thuật đ i, máy móc thiết b có xu hướng thu nh kích thước tính chất kh ho t đ ng không b h n chế nh việc sử dụng tính ưu việt, đặc biệt d ng màng m ng L ch sử phát triển màng m ng có lâu đ i ngư i ta biết sử dụng vào mục đích dân dụng trang trí Sang đầu kỉ XX, màng m ng bắt đầu quan tâm nh tính chất đặc biệt kích thước nh bé để chế t o thiết b máy móc Không có màng bán dẫn quan tâm đặc biệt, mà màng m ng từ tính quan tâm Trong năm cu i kỉ XX, màng m ng từ tính tr thành mục tiêu nghiên cứu nhiều phòng thí nghiệm giới, đặc biệt màng m ng đa lớp có cấu trúc spin van…với nhiều ứng dụng khác tương lai M t ứng dụng điển hình chế t o thiết b ghi từ lưu trữ thông tin Việt Nam vào năm cu i thập niên 90 kỷ XX, màng m ng tr thành lĩnh vực quan tâm ý Với nhiều trung tâm nghiên cứu, nhiều thiết b máy móc đ i phục vụ cho việc nghiên cứu màng m ng trang b thu kết qu đáng kể, đặc biệt màng m ng đa lớp có cấu trúc spin van Trên s điều nói trên, luận văn ch n đ i tượng nghiên cứu màng m ng đa lớp có cấu trúc spin van Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta chế t o phương pháp phún x cat t Luận văn em gồm phần chính: Chương 1: Tổng quan màng m ng từ tính Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Chương 3: Kết qu th o luận Footer Page of 89 Header Page of 89 Ch ngă1: T NGăQUANăV ăMÀNGăM NGăT ăTệNH 1.1.ăMƠngăm ng Màng m ng (thin film) m t hay nhiều lớp vật liệu chế t o cho chiều dày nh nhiều so với chiều l i (chiều r ng chiều dài) Chiều dày m t màng m ng thay đổi từ vài nm đến m t vài μm thông thư ng nh 1μm Có hai lo i màng m ng: màng đơn lớp mà màng đa lớp Hình 1.1: nh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au 1.2.ăD ăh ngăt ă 1.2.1 Dị hướng hình d ng 1.2.1.1 Dị hướng hình d ng mẫu elip tròn xoay Đ i với m t mẫu sắt từ hình elip tròn xoay với bán trục a b, hệ s trư ng khử từ tương ứng Na Nb (với 2Na + Nb = 1) Nếu véc tơ từ đ M hợp với trục dễ m t góc θ lượng d hướng hình d ng Ehd nhận : Ehd  o M ( N a  Nb )sin  [J/m3] (1.1) Hằng s d hướng hình d ng [1] : Ehd  Footer Page of 89 o M ( N a  N b ) 2 [J/m3] (1.2) Header Page of 89 1.2.1.2 Dị hướng hình d ng màng mỏng Trong trư ng hợp m t màng m ng sắt từ có đ dày nh , hệ s trư ng khử từ nhận giá tr : Nz = ; Nx = Ny = Áp dụng biểu thức (1.1) với Na = Nz = ; Nb = Nx = 0, ta có: Ehd  o M sin  [J/m3] (1.3) [J/m3] (1.4) Với hệ s d hướng hình d ng [1]: K hd  o M 2 1.2.2 Dị hướng từ tinh thể D hướng từ tinh thể xác đ nh không b i liên kết mômen từ spin với hình d ng đ nh hướng quỹ đ o điện tử (liên kết spin – quỹ đ o) mà b i liên kết quỹ đ o điện tử xét với đ i xứng xếp nguyên tử m ng tinh thể (trư ng tinh thể) [1] 1.2.3 Dị hướng ứng suất D hướng ứng suất có đóng góp đáng kể vào d hướng từ tổng c ng, đặc biệt trư ng hợp màng m ng từ Năng lượng d hướng ứng suất viết: Eu s   s sin  [J/m3] (1.5) 1.2.4 Dị hướng từ màng mỏng Năng lượng d hướng từ màng m ng thư ng viết d ng: Ea   K  cos2  (1.6) đó, θ góc từ đ phương pháp tuyến màng Theo đ nh nghĩa này, giá tr dương K có nghĩa từ đ hướng theo phương vuông góc với mặt phẳng màng Nói chung, nhiều trư ng hợp, d hướng từ bề mặt quan sát phổ biến [1] 1.3.ăCácăv tăli uăs tăt Vật liệu sắt từ biết đến m t chất có từ tính m nh, có đ từ thẩm lớn đ từ hóa lớn đ từ hóa chất thuận từ Footer Page of 89 Header Page of 89 Hình 1.2: Đường cong từ trễ chất sắt từ Hai đặc trưng b n quan tr ng chất sắt từ là: + Đư ng cong từ trễ + Nhiệt đ Curie Tc Nhiệt đ Curie Tc chất sắt từ nhiệt đ chuyển pha sắt từ thuận từ (chuyển pha lo i – chuyển pha thay đổi cấu trúc) T i nhiệt đ này, chất sắt từ b trật tự sắt từ song song liệu mang tính chất sắt từ; nhiệt đ T c, vật nhiệt đ Tc vật liệu b tính sắt từ tr thành chất thuận từ [1;2] 1.4.ăCácăch tăph năs tăt ă(AFM) 1.4.1 Đặc điểm vật liệu ph n sắt từ Vật liệu ph n sắt từ có mômen từ nguyên tử c nh tranh xếp đ i song (song song ngược chiều) đôi m t (hình 1.4) Hình 1.3: Cấu trúc từ vật liệu ph n sắt từ gồm phân m ng đối song Thông thư ng, tr ng thái ph n sắt từ tồn t i nhiệt đ thấp b triệt tiêu nhiệt đ lớn m t nhiệt đ xác đ nh g i nhiệt đ Néel – nhiệt đ chuyển pha từ ph n sắt từ sang thuận từ (TN – đặt tên theo Louis Footer Page of 89 Header Page of 89 Néel) Khi T  TN xếp mômen từ tr nên h n lo n, vật liệu tr thành thuận từ, trư ng hợp trật tự thuận từ chất sắt từ [1,2] 1.4.2 Lý thuyết trường phân tử lớp ph n sắt từ Sự phụ thu c đ c m từ χ vào nhiệt đ T vật liệu ph n sắt từ đặc trưng b i: + Sự tồn t i nhiệt đ Néel ( TN ) ứng với m t đỉnh đư ng χ(T) + Sự d hướng χ T  TN : χ có giá tr khác tùy theo từ trư ng H song song hay vuông góc với trục spin m t đơn tinh thể vật liệu ph n sắt từ Giá tr cho vật liệu đa tinh thể giá tr trung gian giá tr [2] Khi T  TN , phụ thu c vào nhiệt đ χ tương tự đ nh luật Curie – Weiss cho vùng thuận từ vật liệu sắt từ:  c T T ' , T’ < (1.8) Các đặc điểm gi i thích b i lý thuyết trư ng phân tử Trong vật liệu ph n sắt từ, có lo i ch m ng chứa spin xếp đ i ngh ch (g i phân m ng từ) [2] 1.5.ăGi iăthi uăv ăhi năt ợngătraoăđ iăd ch Hiện tượng trao đổi d ch (hay trao đổi bất đẳng hướng) tượng d ch đư ng cong từ trễ d c theo trục từ trư ng, thư ng xuất vật liệu từ đa lớp 1.5.1 Nguồn gốc hiệu ứng trao đổi dịch Do xuất tính d hướng đơn trục nên sau mẫu làm l nh m t từ trư ng, m t đư ng cong từ trễ b d ch chuyển [15] Footer Page of 89 Header Page of 89 Hình 1.4: Đường cong từ trễ Co phủ h t CoO t i 77 K sau ủ trường hợp từ trường đặt vào (1) từ trường bão hòa (2) 1.5.2 ảiện tượng dịch đường từ trễ hệ ạM/AạM Khi m t từ trư ng đặt vào vùng nhiệt đ TN  T  Tc , spin FM xếp hướng với từ trư ng spin AFM xếp m t cách h n lo n ( Hình 1.6 a) Hình 1.5: Cơ chế trao đổi dịch màng hai lớp FM/AFM Khi làm l nh hệ từ trư ng H xu ng nhiệt đ TN c hai phần FM AFM có spin xếp theo trật tự [5,13,14] Khi từ trư ng b đ o chiều, spin mặt phẳng FM bắt đầu quay Tuy nhiên, tính d hướng AFM lớn, spin mặt phẳng AFM không thay đổi (hình 1.6 c) Như vậy, từ trư ng cần thiết để đ o chiều hoàn toàn m t lớp FM lớn tiếp xúc với lớp AFM Kết qu , đư ng cong Footer Page of 89 Header Page of 89 b d ch chuyển bên trái trục từ trư ng hiệu dụng H m t kho ng Hex Đây chế hiệu ứng trao đổi d ch [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 m t đơn v bề mặt viết sau: E  HM FM tFM cos(   )  K FM tFM sin ( )  K AFM t AFM sin ( )  J cos(    ) (1.10) Để đơn gi n hóa, ta coi trục d hướng màng FM AFM gi ng trục Hình 1.6: Biểu đồ góc tham gia vào hệ trao đổi dịch Trong trư ng hợp đơn gi n, d hướng FM không đáng kể: E   HM FM tFM cos(   )  K AFM t AFM sin ( )  J cos(   ) (1.11) Từ trư ng trao đổi d ch tính theo công thức sau: H ex  J M FM tFM (1.12) 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 ạM Footer Page of 89 T tr ng (Oe) Header Page of 89 Chi u dày l p NiFe ( Hình 1.7: Sự phụ thuộc trường trao đổi dịch ảex lực kháng từ Hc vào độ dày lớp ạM cho hệ ạe80Ni20/ạeMn t i tAFM = 50 nm Đ i với hệ nghiên cứu, ngư i ta quan sát thấy từ trư ng trao đổi d ch tỷ lệ ngh ch với đ dày lớp FM (hình 1.8) H ex  t FM (1.13) Tuy nhiên, lớp FM m ng (thư ng m t vài nm) phụ thu c không tồn t i nữa, lớp FM tr nên gián đo n, không liền m ch [14] 1.5.4.2 Sự phụ thuộc vào độ dày lớp AạM Sự phụ thu c Hex vào đ dày lớp AFM phức t p nhiều Xu hướng chung cho chiều dày lớp AFM, ví dụ chiều dày lớn 10 nm, H ex không phụ thu c vào đ dày lớp AFM Khi đ dày lớp AFM gi m, H ex gi m đ t ng t đ i với lớp AFM đủ m ng (thông thư ng vài nm), H ex = 0, ta thấy hình 1.9 [14] Footer Page of 89 Header Page 10 of 89 Chi u dày l p IrMn (Ao) Hình 1.8: Sự phụ thuộc trao đổi dịch ảex lực kháng từ ảc vào độ dày lớp AạM cho hệ ạe80Ni20/ạeMn t i tFM = nm 1.5.5 Các ứng dụng tượng trao đổi dịch Các vật liệu thể tính chất trao đổi d ch hiệu ứng có liên quan sử dụng m t s ứng dụng khác Việc tăng lực kháng từ h t nh b oxi hóa sử dụng nam châm vĩnh cửu phương tiện ghi từ mật đ cao M t ứng dụng khác đ i với hiệu ứng trao đổi d ch chế t o đầu đ c, ghi máy vi tính dựa hiệu ứng từ tr khổng lồ Gần đây, tượng trao đổi d ch sử dụng thiết b nhớ đ ng (MRAM) [12,14] 1.6.ăGi iăthi uăv ăh ăcóăc u trúc spin van Spin – van m t linh kiện từ tính có cấu t o từ m t màng đa lớp gồm lớp sắt từ (F1 F2) ngăn cách b i lớp phi từ (NM) mà điện tr hệ thay đổi phụ thu c vào đ nh hướng từ đ lớp sắt từ [1] Footer Page 10 of 89 Header Page 11 of 89 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 tr khổng lồ Cơ chế hiệu ứng lý gi i qua chế “tán x phụ thu c spin” điện tử (hình 1.10) Có nghĩa việc từ đ lớp đ nh hướng tương đ i với (song song, ph n song song) cho phép dòng điện tử (dòng spin) truyền qua truyền qua, hay nói cách khác, từ đ lớp sắt từ ho t đ ng m t van đóng m spin Đây ý tư ng cấu trúc spin van [11] Mô hình màng m ng đa lớp với lớp sắt từ (FM) xen kẽ b i lớp m ng phi từ (NM) t o hiệu ứng từ điện tr khổng lồ mô hình sơ khai Nhóm Peter Grunberg c i tiến mô hình thành cấu trúc spin van với việc sử dụng m t lớp ph n sắt từ (AFM) 1.7.ăMụcătiêuăc aălu năvĕn Để nghiên cứu tính chất từ cấu trúc spin van, lo i màng m ng sau chế t o: - 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 t o, m t từ trư ng có đ lớn 150 Oe song song với mặt phẳng màng đặt vào Để chế t o màng ta sử dụng phương pháp b c bay nhiệt, phún x cat t,… Tuy nhiên, phương pháp phún x cat t có ưu điểm Footer Page 11 of 89 10 Header Page 12 of 89 hẳn so với phương pháp b c bay nhiệt đ dày màng chế t o điều khiển xác kh bám dính màng đế t t Do đó, em sử dụng phương pháp phún x cat t để chế t o vật liệu nêu Mẫu sau chế t o tiến hành đo hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu x tia X (XRD) từ kế mẫu rung (VSM) để biết tính chất cấu trúc chúng Footer Page 12 of 89 11 Header Page 13 of 89 Ch ngă2:ăCÁCăPH NGăPHÁPăTHỰCăNGHI M 2.1 Ch t o màng m ng bằngăph ngăphápăphúnăx Hình 2.1 biểu diễn trình b n của chế phún x [1] ảình 2.1: Nguyên lý b n trình phún x Các ion khí va ch m với nguyên tử bia dẫn đến hệ qu nguyên tử (hoặc đám vài nguyên tử) bia b bứt chuyển đ ng phía đế mẫu (substrate) Các nguyên tử g i nguyên tử b phún x Khi đến đế mẫu, chúng lắng đ ng l i đế mẫu t o thành màng Hình 2.5 : ảệ phún x magnetron sử dụng c nguồn chiều nguồn xoay chiều t i khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trường Đ i học Công nghệ - Đ i học Quốc gia ảà nội nh chụp m t hệ phún x magnetron sử dụng c nguồn m t chiều xoay chiều vận hành t i khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trư ng Đ i h c Công nghệ - Đ i h c Qu c gia Hà N i minh h a hình 2.5 Footer Page 13 of 89 12 Header Page 14 of 89 Trong luận văn này, mẫu chế t o phương pháp phún x cat t m t chiều DC t i khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trư ng Đ i h c Công nghệ - Đ i h c Qu c gia Hà N i 2.2 Hiểnăviăđi nătửăquét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét dùng để chụp nh vi cấu trúc bề mặt với đ phóng đ i gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang h c, bước sóng chùm tia điện tử nh gấp nhiều lần so với bước sóng vùng kh biến Việc t o nh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích x phát từ chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Các mẫu sau chế t o tiến hành đo SEM t i khoa Vật lý - Trư ng Đ i h c Khoa h c Tự nhiên - Đ i h c Qu c gia Hà N i 2.3.ăT ăk ăm uărungă(VSM) Từ kế mẫu rung (VSM) phát minh b i S.Fomer vào năm 1950 dùng phổ biến Đây dụng cụ đo tính chất từ vật liệu, ho t đ ng nguyên tắc thu tín hiệu c m ứng điện từ rung mẫu đo từ trư ng Nó đo mômen từ mẫu cần đo từ trư ng Các mẫu tiến hành đo từ kế mẫu rung (VSM) máy VSM lakeshore 7407 t i khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano – Trư ng Đ i h c Công nghệ - Đ i h c Qu c gia Hà N i 2.4.ăPhơnătíchănhi uăx ătiaăX Kỹ thuật nhiễu x tia X ( thư ng g i nhiễu x ta X) sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu…Xét b n chất vật lý, nhiễu x tia X gi ng nhiễu x điện tử, khác tính chất phổ nhiễu x khác tương tác tia X với nguyên tử tương tác điện tử nguyên tử Các mẫu đo XRD t i khoa Vật lý – Trư ng Đ i h c Khoa h c Tự nhiên - Đ i h c Qu c gia Hà N i Footer Page 14 of 89 13 Header Page 15 of 89 Ch ngă3:ăK TăQU ăVÀăTH OăLU N 3.1.ăMƠngăm ngăNiFe 3.1.1 Kết qu đo hiển vi điện tử quét (SEM) Hình 3.1: nh SEM màng NiFe Từ kết qu đo SEM, xác đ nh chiều dày màng NiFe kho ng 43.2 nm (rất nh so với chiều l i màng) với th i gian lắng đ ng 300 s => ϑD = 0,144 (nm/s) 3.1.2 Kết qu đo nhiễu x tia X (XRD) Màng m ng NiFe chế t o với chiều dày 10 nm sau đo tiến hành đo nhiễu x tia X Chúng ta thấy có m t đỉnh góc 2θ = 44o Từ việc phân tích kết qu , thu cấu trúc NiFe với đ nh hướng tinh thể (111) 3.1.3 Kết qu đo từ kế mẫu rung (VSM) Để xác đ nh tính chất từ màng đơn lớp NiFe, màng m ng sau chế t o tiến hành đo VSM Từ kết qu đo đư ng cong từ trễ lớp NiFe (hình 3.3), lực kháng từ mẫu xác đ nh với giá tr Hc = 5,1 Oe Như vậy, màng m ng NiFe có tính từ mềm 1,0 M/MS 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -200 -100 100 200 Tõ tr- êng H (Oe) ảình 3.3: Đường cong từ trễ màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề mặt màng Footer Page 15 of 89 14 Header Page 16 of 89 3.2 H v t li u NiFe/IrMn 3.2.1 Kết qu đo tính chất từ 3.2.1.1 Đường cong từ trễ 1,0 1,0 (a) 0,0 -300 -200 -100 100 (b) 0,5 M/Ms M/Ms 0,5 200 300 0,0 -300 -200 -100 100 300 -0,5 -0,5 -1,0 -1,0 5nm T tr 200 7nm T tr ng H (Oe) ng H (Oe) 1,0 M/Ms 0,5 (c) 0,0 -300 -200 -100 100 200 300 -0,5 -1,0 T tr 9nm ng 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 gi m tương ứng từ 50 Oe, 30 Oe đến 18 Oe từ trư ng trao đổi d ch H ex gi m từ 55 Oe, 31 Oe đến 22 Oe 3.2.2 Kết qu đo XRD Dựa vào hình nh XRD hai lớp NiFe/IrMn, thấy NiFe IrMn có đ nh hướng (111) Có đỉnh góc 2θ = 44o 2θ = 42o tương ứng với hai pha NiFe (111) IrMn (111) Footer Page 16 of 89 15 Header Page 17 of 89 70 Si IrMn (111) C ngăđ (đăvătăy) Intensity (Counts) 60 50 40 NiFe (111) 30 20 10 20 25 30 35 40 45 50 55 60 O o (Theta ( ) ) Hình 3.7: Nhiễu x tia X lớp NiFe/IrMn Dựa vào kết qu nghiên cứu công b , việc t o IrMn (111) cho tương tác trao đổi bề mặt ổn đ nh Từ cho ta hiệu ứng trao đổi d ch t t 3.3.ăH ăv tăli uăNiFe/Cu/NiFe/IrMn Để t o 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 t o 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 đây, IrMn dùng với vai trò lớp ph n sắt từ cấu trúc spin van Lớp NiFe/IrMn lớp trao đổi d ch coi van cấu trúc spin van Footer Page 17 of 89 16 Header Page 18 of 89 3.3.1 Kết qu đo từ kế mẫu rung (VSM) Khi chiều dày lớp ghim tăng từ nm đến 12 nm, đư ng cong tr nên rõ nét r i r c Hình vẽ cho ta thấy, từ trư ng trao đổi gi m từ 360 Oe đến 65 Oe lực kháng từ gi m 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) M« men tõ (emu) 0.0008 nm 12 nm 0.0004 (b) 0.0000 -0.0004 -0.0008 -1000 -500 500 1000 Tõ tr- êng H (Oe) ảình 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 có m t kết qu thú v Khi chiều dày lớp NiFe tăng tới giá tr t = 12 nm (hình 3.9 b), cấu trúc spin van hoàn toàn Nguyên nhân tượng thú v hệ tương tác bề mặt lớp NiFe dày lớp ph n sắt từ IrMn Footer Page 18 of 89 17 Header Page 19 of 89 3.3.2 nh hưởng lớp ghim lên tính chất từ 3.3.2.1 nh hưởng lớp Niạe lên mômen từ hệ 0.85 M« men tõ (memu) 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 10 12 § é dÇy lí p NiFe (nm) Hình 3.10: nh hưởng lớp NiFe lên mômen từ hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn chiều dày lớp Niạe 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 ảex vào chiều dày lớp Niạe Quan sát hình 3.11 qua kết qu đưa ra, quy luật với hệ có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn M t lần khẳng đ nh, Hex phụ thu c vào tFM, tFM tăng Hex gi m 400 350 HEx (Oe) 300 250 200 150 100 50 10 11 12 13 § é dÇy lí p NiFe (nm) Hình 3.11 : Đồ thị phụ thuộc Hex vào chiều dày lớp Niạe Footer Page 19 of 89 18 Header Page 20 of 89 3.3.2.3 Sự phụ thuộc ảc vào chiều dày lớp Niạe nh hư ng chiều dày lớp NiFe (tNiFe) lên lực kháng từ Hc thể hình 3.12 Kết qu cho thấy, chiều dày lớp NiFe tăng từ nm đến nm đ lớn Hex gi m không đáng kể Trong đó, chiều dày lớp NiFe tăng từ nm đến 12 nm lực kháng từ gi m nhanh (từ kho ng 190 Oe xu ng kho ng 45 Oe) 220 Lùc kh¸ ng tõ HC (Oe) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 10 § é dÇy lí p NiFe (nm) 11 12 13 Hình 3.12 : Sự phụ thuộc Hc vào chiều dày lớp Niạe hệ Niạe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) 3.3.3 nh hưởng lớp ph n sắt từ lên tính chất từ Để nghiên cứu phụ thu c này, màng đa lớp Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) chế t o với tIrMn = nm, 10 nm 15 nm Mẫu sau chế t o tiến hành đo VSM (hình 3.13) nm 10 nm 15 nm 1.0 M/MS 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -750 -500 -250 250 500 750 field H (Oe) T Magnetic tr ng H (Oe) ảình 3.13: nh hưởng lớp ph n 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) Footer Page 20 of 89 19 Header Page 21 of 89 Hình 3.14 cho ta thấy từ trư ng trao đổi d ch Hex gần không thay đổi (có giá tr kho ng 200 Oe) chiều dày lớp IrMn thay đổi từ nm đến 15 nm HC, Hex (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, Hex gần không thay đổi.Điều gi i thích, chiều dày lớp IrMn tăng, mômen từ lớp sắt từ NiFe b ghim ngày nhiều tất c mômen từ lớp b ghim l i lớp IrMn có chiều dày nm tr lên Đây nguyên nhân làm cho từ trư ng trao đổi d ch 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 gi m dần từ 160 Oe đến 114 Oe Footer Page 21 of 89 20 Header Page 22 of 89 K TăLU N Sau hoàn thành luận văn, em rút kết luận sau:  Đã chế t o thành công màng m ng từ tính NiFe, NiFe/IrMn màng m ng có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn  NiFe vật liệu từ mềm với Hc = 5,1 Oe  IrMn (111) cho s tương tác trao đổi bề mặt ổn đ nh  Màng m ng lớp NiFe/IrMn có hiệu ứng trao đổi d ch Hex, Hc phụ thu c vào chiều dày lớp NiFe  Tính chất từ cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn phụ thu c vào lớp NiFe lớp IrMn Footer Page 22 of 89 21 Header Page 23 of 89 TÀIăLI UăTHAMăKH O Ti ng Vi t Nguyễn Hữu Đức , (2003), Vật liệu từ liên kim lo i, Nhà xuất b n Đ i h c Qu c gia Hà N i, Hà N i Nguyễn Phú Thùy , (2003), Vật lý tượng từ, Nhà xuất b n Đ i h c Qu c gia Hà N i, Hà N i Vũ Th Huyền Trang, (2011), Nghiên cứu chế t o dây Coban có kích thước nano phương pháp điện hóa, Khóa luận t t nghiệp Đ i h c khoa Vật lý, Đ i h c Khoa h c Tự nhiên, Đ i h c Qu c gia Hà N i, Hà N i Vũ Th Thanh, (2014), nh hưởng từ trường trình lắng đọng lên tính chất dây nano, Luận văn Th c sĩ khoa h c, Trư ng Đ i h c Khoa h c Tự nhiên, Đ i h c Qu c gia Hà N i, Hà N i Ti ng 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 Footer Page 23 of 89 22 Header Page 24 of 89 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 Footer Page 24 of 89 23 Header Page 25 of 89 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 Footer Page 25 of 89 24 ... đặc biệt màng m ng đa lớp có cấu trúc spin van Trên s điều nói trên, luận văn ch n đ i tượng nghiên cứu màng m ng đa lớp có cấu trúc spin van Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta chế t o phương pháp phún x... hình thành cấu trúc spin van với việc sử dụng m t lớp ph n sắt từ (AFM) 1.7.ăMụcătiêuăc aălu năvĕn Để nghiên cứu tính chất từ cấu trúc spin van, lo i màng m ng sau chế t o: - Màng đơn lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/Ta... (hình 3.8) Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn đây, IrMn dùng với vai trò lớp ph n sắt từ cấu trúc spin van Lớp NiFe/IrMn lớp trao đổi d ch coi van cấu trúc spin van Footer Page 17