Bài viết tiến hành khảo sát một cách hệ thống sự phụ thuộc của dị hướng từ vuông góc vào các thông số cấu trúc của màng mỏng đa lớp [Co(tCo)/Pd(tPd)]N như số lớp (N), chiều dày của lớp Co (tCo) và chiều dày của lớp Pd (tPd).
Nghiên cứu khoa học công nghệ KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIẾN DỊ HƯỚNG TỪ THEO PHƯƠNG VNG GĨC TRONG MÀNG MỎNG ĐA LỚP [Co/Pd] Cao Thị Thanh Hải1, Vũ Hồng Kỳ2, Nguyễn Thị Thanh Thủy1, Nguyễn Thị Huế1, Đinh Hùng Mạnh1, Đỗ Khánh Tùng2, Nguyễn Thanh Hường2, Nguyễn Thị Ngọc Anh2,3* Tóm tắt: Các màng mỏng đa lớp [Co/Pd] có dị hướng từ vng góc cao thu hút quan tâm đặc biệt khả ứng dụng thiết bị ghi từ mật độ cao Trong nghiên cứu này, tiến hành khảo sát cách hệ thống phụ thuộc dị hướng từ vng góc vào thông số cấu trúc màng mỏng đa lớp [Co(tCo)/Pd(tPd)]N số lớp (N), chiều dày lớp Co (tCo) chiều dày lớp Pd (tPd) Mối liên hệ đặc trưng cấu trúc tính chất từ lực kháng từ (HC), từ độ bão hòa (MS) số dị hướng từ (KU) màng đa lớp bàn luận chi tiết Từ khóa: Màng đa lớp Co/Pd; Màng mỏng từ đa lớp; Dị hướng từ vng góc MỞ ĐẦU Các thiết bị ghi từ lưu trữ thông tin ứng dụng hầu hết lĩnh vực công nghệ, sống hàng ngày So với thiết bị Spintronics truyền thống sử dụng vật liệu từ có dị hướng từ nằm mặt phẳng, thiết bị Spintronics hệ dựa vật liệu từ có dị hướng từ vng góc với mặt phẳng (PMA) gần thu hút quan tâm nhờ có nhiều ưu điểm trội phụ thuộc vào hình dạng, độ ổn định nhiệt cao, mật độ dòng điện cần cho q trình vận chuyển dòng spin thấp, mật độ lưu trữ siêu cao kích thước linh kiện giảm đáng kể [1-5] Trong vật liệu sắt từ có dị hướng từ vng góc (các hợp kim chứa nhóm kim loại chuyển tiếp CoPt, CoPd, FePt, … hay màng mỏng đa lớp [Co/Ni], [Co/Pd], [Co/Pt], …), màng đa lớp [Co/Pd] thu hút quan tâm chế tạo nhiệt độ phòng, có tính dị hướng vng góc tốt, từ độ bão hòa cao, trường khử từ cao dễ dàng điều khiển dị hướng từ thông qua điều khiển thông số cấu trúc lớp vật liệu [6-10] Mặc dù vậy, nghiên cứu chi tiết khả điều khiển dị hướng từ vng góc (trường khử từ HC, số dị hướng KU, từ độ bão hòa MS) theo thông số cấu trúc hệ vật liệu chưa có tính hệ thống cao Trong nghiên cứu này, tiến hành chế tạo khảo sát đặc trưng cấu trúc tính chất từ màng mỏng đa lớp [Co(tCo)/Pd(tPd)]N theo thông số cấu trúc như: i) số lớp N, ii) chiều dày lớp Co (tCo) iii) chiều dày lớp Pd (tPd) cách hệ thống nhằm đánh giá khả điều khiển dị hướng từ vuông góc màng mỏng đa lớp loại PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp chế tạo màng mỏng đa lớp Các mẫu màng đa lớp [Co(tCo)/Pd(tPd)]N chế tạo hệ phún xạ DC magnetron (AJA International, Inc., USA) Hệ phún xạ có chân khơng sở cao ~10-7 Pa áp suất khí Ar phún xạ 6,7 Pa Đế phún xạ đế silic (Si) có phủ lớp oxit silic SiO2 dày khoảng 1000 nm bề mặt Quá trình phún xạ thực sau: Đầu tiên lắng đọng lớp Ta với chiều dày nm tiếp đến lớp Pd có chiều dày nm lên đế Si Lớp màng kép Ta/Pd sử dụng lớp tạo mầm cho lớp vật liệu Sau lớp màng kép Ta/Pd, lớp vật liệu Co Pd cần nghiên cứu lắng đọng lần lượt, lớp kép Co/Pd lắng đọng lặp lại tùy theo số lớp (N) cần khảo sát Cuối lớp kép Pd/Ta (với chiều dày giống lớp kép tạo mầm) phủ lên Lớp tạo Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 171 Vật lý mầm kép Ta/Pd sử dụng nhằm mục đích tăng cường hướng mọc tinh thể (111) Co/Pd Trong lớp phủ kép Pd/Ta dùng để chống ơxi hóa cho màng đa lớp Co/Pd [11, 12] Công suất phún xạ Co 37,5 W Pd 87,5 W tương ứng với tốc độ lắng đọng Co 0,18 Å/s với Pd 0,46 Å/s Tốc độ lắng đọng chậm để đảm bảo lắng đọng đồng lớp, đảm bảo mức độ xen kẽ CoPd bề mặt tiếp giáp thấp tạo lớp tiếp xúc lớp Co Pd sắc nét [13] Việc lắng đọng mẫu màng đa lớp thực nhiệt độ phòng Để khảo sát dị hướng từ vng góc theo thơng số cấu trúc số lớp N, chiều dày tCo lớp Co chiều dày tPd lớp Pd, tiến hành chế tạo hệ mẫu có cấu trúc độ dày danh định sau: Hệ mẫu 1: [Co(0,5 nm)/Pd(1,0 nm)/]N với N = 1, 2, 3…, 10 (ký hiệu [Co/Pd]N); Hệ mẫu 2: [Co(tCo)/Pd(1,0 nm)]5 với tCo = 0,3 - 1,0 nm (ký hiệu [Co(tCo)/Pd]; Hệ mẫu 3: [Co(0,5 nm)/Pd(tPd)]5 với tPd = 0,6 - 2,0 nm (ký hiệu [Co/Pd(tPd)] Các lớp đệm Ta/Pd lớp phủ Pd/Ta tất hệ mẫu với thơng số miêu tả Ngồi hệ mẫu trên, mẫu màng mỏng đa lớp [Co(0,5 nm)/Pd(1,0 nm)]5 (ký hiệu [Co/Pd]) chế tạo sử dụng mẫu đại diện Mẫu chọn với thông số cấu trúc số lớp N = 5, chiều dày lớp Co tCo = 0,5 nm chiều dày lớp Pd tPd = nm Mẫu sau chế tạo phân tích kỹ đặc trưng cấu trúc tính chất từ, sử dụng mẫu đại diện [Co/Pd] Các mẫu màng đa lớp khác, dựa sở mẫu đại diện, với thông số cấu trúc số lớp, chiều dày lớp thay đổi xung quanh giá trị mẫu đại diện chế tạo, khảo sát so sánh với mẫu đại diện 2.2 Các phương pháp khảo sát đặc trưng tính chất Các màng mỏng đa lớp [Co(tCo)/Pd(tPd)]N sau chế tạo tiến hành khảo sát đặc trưng cấu trúc tính chất từ cách hệ thống Cấu trúc tinh thể mẫu xác định thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X đo phương pháp nhiễu xạ bột hệ X’pert Pro với điện áp 45 kV dòng điện 40 mA, sử dụng xạ Cu-Kα (bước sóng λ=1,2518 Å) Để khảo sát dị hướng từ vng góc, chúng tơi tiến hành đo đường cong từ hóa mẫu từ trường song song vng góc với mặt phẳng mẫu hệ từ kế mẫu rung (VSM) với từ trường cực đại đạt 14 kOe Tất phép đo đặc trưng cấu trúc tính chất từ tiến hành nhiệt độ phòng KẾT QUẢ, THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng cấu trúc tính chất từ mẫu màng đa lớp đại diện [Co/Pd] 3.1.1 Đặc trưng cấu trúc Hình kết đo XRD mẫu đại diện, mẫu màng mỏng đa lớp [Co/Pd] Phân tích định tính pha cho thấy có tồn pha tinh thể Ta, Pd, Co/Pd mẫu Các đỉnh nhiễu xạ mở rộng mạnh so với đỉnh pha tinh thể chuẩn Sự mở rộng đỉnh hiệu ứng kích thước nano (chiều dày lớp màng mỏng) chồng chập đỉnh Kết XRD tồn lớp α-Ta (110) với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng góc 2θ = 38,5o, α-Ta (111) với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng góc 2θ = 39,9o β-Ta (212) với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng xuất góc 2θ = 39,2o [11] Đỉnh nhiễu xạ có cường độ mạnh khoảng 40,8° chồng chập đỉnh nhiễu xạ Pd (111) Co/Pd (111) Vị trí đỉnh nhiễu xạ Co/Pd (111) nằm đỉnh nhiễu xạ Pd (111) tinh khiết ~ 40,8o đỉnh nhiễu xạ Co (111) tinh khiết ~ 44,4o Theo số nghiên cứu, vị trí đỉnh Co/Pd (111) phụ thuộc vào chiều dày lớp số lớp màng đa lớp [15, 16] Hướng (111) Co/Pd hướng thể tính dị hướng từ vng góc mạnh hướng khác Hướng ưu tiên thường thể đặc biệt 172 C T T Hải, …, N T N Anh, “Khả điều khiến … màng mỏng đa lớp [Co/Pd].” Nghiên cứu cứu khoa học công nghệ mạnh ên llớp ạnh màng màng đa lớp lớp [Co/Pd] mọc tr ớp đệm Ta/Pd [17] Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu đại diện [Co/Pd] Hình 11 Giản 3.1.2 Tính chất chất từ (a) 1,0 IP M/MS 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -15000 -7500 7500 15000 1500 3000 H (Oe) (b) 1,0 OOP M/MS 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -3000 -1500 H (Oe) Hình Đường Đường cong ttừ hóa mẫu đại diện [Co/Pd] theo hai ph phương: ương: (a) song song (IP) vvới ờng m màu màu àu đđỏ) ới bề mặt mẫu (đường (đường àu đen) (b) vng góc (OOP) vvới ới bề mặt mẫu (đường (đư (đ ờng m ỏ) Đểể xác định dị hhư ướng ớng từ vng góc, tiến hành hành đo đường đường cong từ trễ mẫu đại tr ờng lên ại diện [Co/Pd] [Co/Pd] ttừ trường lên ttới ới 14 kOe theo phương phương song song (IP) vng góc ường (OOP) với với bề mặt mẫu Hình Hình (a) (b) biểu biểu diễn đđư ờng cong từ hóa đo theo hai màng àng đa llớp chếế tạo, phương phương Kết Kết rằng, với m ớp [Co/Pd] đđãã ch phương ttừ hóa song với mặt tr ờng cần thiết để từ hóa mẫu theo ph phương song với mặt phẳng mẫu llàà phương khó, ttừ trường ương phương từ hóa vng góc với mặt phẳng mẫu song song lên tới tới 12 kOe, ph ương từ phương thấy phương dễ dễ Đư Đường ờng cong từ hóa theo ph ương vng góc cho th q trình trình đđảo ảo từ xảy đột đđư 1) nói cách khác giá trị tr ột ngột (độ vng vng ccủa ường ờng từ hóa gần nh trường ờng đảo từ ằng với giá trị lực kháng từ, Ha = HC = 750 Oe K Kết ết này phù hợp hợp với số nghiên cứu cứu trư trước ớc rằng, trình đđảo ảo từ theo phương phương vng góc sẽ diễn đột ngột màng đa lớp lớp Co/Pd có dị hhướng ớng từ vng góc cao vvàà q trình đảo ảo từ xảy chủ yếu ếu là trình quay mơmen [18] K Kết hướng màng ết dị hư ớng từ vng góc cao mẫu m àng đa llớp ớp này cũng phù phù hhợp ợp với kết phân tích cấu trúc từ giản đồ nhiễu xạ tia X tr ên Tạp 2020 ạp chí Nghiên Nghiên cứu cứu KH&CN quân uân sự, sự, Số 666, - 2020 173 Vật ật lý Theo kết phân tích XRD, mẫu m àng m mỏng ướng heo kết màng ỏng đa lớp [Co/Pd] đã chế chế tạo có hhư ớng tinh thểể ưu tiên hướng hướng hướng (111) Đây llàà hư ớng tinh thể cho dị hhướng ớng từ vng góc cao Từ phương đường đ ờng cong từ hóa theo hai ph ương song song vng góc với với mặt phẳng mẫu, dị ẫu, thể thu đ ợc hai thơng số từ quan trọng gồm có từ độ bão bão hòa MS dị hướng từ hiệu dụng KU Bằng hướng Bằng cách vẽ chồng đường phương đ ờng cong từ hóa đo theo hai ph ương điểm song song vng góc với mặt phẳng mẫu, từ trư trường ờng bbão ão hòa HS được xác định llàà điểm ờng dị hhướng ướng giao g ữa hai đđường ờng từ hóa Tr Trường ớng HK ddị hư ớng từ hiệu dụng KU tính theo cơng th thức ức [19, 20]: (1) +4 = (2) bão hòa ccủa mẫu tr đơn Trong đó, MS ttừ độ bão ên đơn vvịị thể tích, đư ợc tính từ độ àng m mỏng mẫu đo đư ợc từ thực nghiệm chia cho thể tích mẫu [21] Trong mẫu m màng ỏng trịị này [Co/Pd] đã chế chế tạo, giá trị MS = 385 emu/cm3 KU = 6,5×106 erg/cm3, giá tr hồn tồn phù hợp ợp với cơng bố trước tr ớc [22] Đểể đánh giá vai tr tròò ccủa àng đa llớp thơng số cấu trúc m màng ớp [Co/Pd] ảnh hhưởng ởng tới chất từ, mẫu với thông số cấu trúc (chiều dày tính chất dày lớp lớp Co, chiều dày dày lớp lớp Pd, số lớp kép ũng đđãã khảo sát Co/Pd) khác ccũng chế tạo vvàà kh ảo sát 3.2 Ảnh hư mỏng hưởng ởng số lớp N màng m ỏng đa lớp [Co /Pd]N ặc tr trưng ưng ccấu 3.2.1 Ảnh hưởng h ởng số lớp N lên lên đđặc ấu trúc = + màng Hình 3 Giản ản đồ nhiễu xạ tia X m àng mỏng mỏng đa lớp [Co/Pd]N hệệ mẫu với ới N thay đổi từ tới 10 Kết hệệ mẫu với ết đo XRD m màng àng mỏng ỏng [Co/Pd]N h ới tCo = 0,5 nm, tPd Giản đồ nhiễu xạ tia X cho =1,0 nm N thay đđổi ổi từ đến 10 đđược ợc biểu diễn hình Giản thấy cường màng màng đa lớp lớp có cấu trúc Co/Pd (111) với đỉnh nhiễu xạ đặc tr trưng ưng có cư ờng độ ộ mạnh góc 2θ 2θ vào khoảng khoảng 41o Khi ssốố lớp N tăng, cường cường độ đỉnh nhiễu xạ Co/Pd (111) ũng tăng rõ r rệt ệt Cùng Cùng vvới ới việc cường c ờng độ đỉnh nhiễu xạ Co/Pd (111) đư ợc tăng ccường ờng N tăng, vị vị trí đỉnh nhiễu xạ Co/Pd (111) có dịch chuyển phía bbên ên phải phải với độ dịch từ tới 41,1o (v (với ới N=10) gần với đỉnh nhiễu xạ đặc tr ưng ccủa góc 2θ từ 40,5o (với (với N=1) =1) tới =10) gần trưng Co chứng tỏ cấu trúc Co/Pd (111) trở nnên ên ttốt (111) tinh khiết khiết Điều nnày ày chứng ốt hơn số số lớp N tăng Điều Điều kỳ ường ờng dị hhư phương kỳ vọng dẫn tới tăng ccư ướng ớng từ theo ph ương vng góc N tăng ởi cấu trúc (111) đư ợc biết là có vai trò quan trọng trọng việc tăng cư cường ờng tính dị hhướng ớng H , …, N T N Anh, Anh “Kh Khả ả điều khiến … màng mỏng mỏng đa lớp [Co/Pd].” [Co/Pd].” 174 C T T Hải, Nghiên cứu cứu khoa học công nghệ từ mỏng phổ theo phương phương vng góc màng m ỏng đa lớp Co/Pd Với mẫu N ≥ 7, phổ nhiễu xạ tia X có xuất đỉnh lạ vị trí góc 22θ vào kho nhiễu khoảng ảng 35o Điều Điều cho thấy N ≥ mẫu mẫu bắt đầu có thay đổi cấu trúc tinh thể chất ất từ 3.2.2 Ảnh hưởng h ởng số lớp N lên lên tính ch Hình kết kết đo đđư ường ờng cong từ hóa theo phương phương vng góc của mẫu hệệ mẫu ẫu [Co/Pd]N, với với số lớp N thay đđổi ổi từ đến 10 Đư Đường ờng cong từ hóa theo ph phương ương vng (hình (a)) cho th thấy phương góc (hình mẫu có dị hhư ướng ớng từ theo ph ương vng góc cao vvìì đường cong từ hóa vng (S = 0,96 đường 0,96 0,98) 0,98) Lực Lực kháng từ HC mẫu thay đổi từ ều nnày khoảng từ 275 Oe đến 7750 50 Oe Đi Điều ày hoàn toàn phù hhợp ợp với kết đo XRD mẫu mẫu có cấu trúc Co/Pd (111) mạnh Ở mẫu có N tăng mẫu từ tới 5, HC xấp ấp xỉ trư trường ờng đảo từ Ha vậy, HC đư ợc coi là một thông số quan trọng giá trị tr trư ường ọng để xác định ờng đảo từ màng màng đa lớp lớp loại nnày ày cách gián tiếp tiếp Ta/Pd/[Co/Pd]N/Co/Pd/Ta (a) 1,0 N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=7 N=10 M/MS 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1000 -500 500 1000 H (Oe) màng àng m mỏng Hình 4 (a) Đường Đường cong từ hóa m ỏng đa lớp [Co/Pd]N hệ hệ mẫu theo àng, (b) Đ Đồ phương vng góc vvới ới mặt phẳng m màng, thị biểu diễn phụ thuộc lực kháng từ HC vào số số lớp N (N thay đổi từ đến 10) Kết rằng, chế ỏng nnày với ết đo đư đường ờng cong từ hóa chế từ hóa màng màng m mỏng ày với N < chủ chếế quay đômen Tuy nhi nhiên chủ yếu là ch ên N ≥ 7, thể thấy cách rrõ õ ràng ằng, độ ộ vuông đđường ờng cong từ hóa giảm, từ trường trường bbão ão hòa HS tăng, hình hình thành vùng nhọn cuối đđư ường ự hhình nhọn ờng từ hóa Kết nnày ày làà ssự ình thành cấu cấu trúc đơmen có ddạng ạng vòng/s vòng/sọc òng/sọc gấp khúc (labyrinth/stripe domain) với mơmen từ vng góc với mặt phẳng màng phẳng màng ngược ngược chiều với vvùng ùng đômen lân cận cận dẫn đến cơ chế chế đảo từ ên ph phức trình ình đảo màng có N ≥ trở tr lên ức tạp, tr ảo từ gồm trình trình dịch dịch chuyển và trình quay vách đômen [22] Cấu Cấu trúc đômen loại này đđã đư ợc biết đến và nghiên cứu cứu rộng rãi trư ỏng đa lớp ộng rãi trước ớc hệ màng màng m mỏng ớp có dị hư hướng ớng từ vng góc [22-24] [22 24] Nói cách khác, HC lúc đầu đầu tăng theo số lớp N từ 275 Oe đến 750 Oe N tăng từ từ đến 5, nhiên nhiên N tiếp thìì tính dị dị hư ếp tục tăng th hướng ớng vng góc màng màng llại ại giảm, HC giảm giảm hình hình thành đơmen dạng dạng vvòng/s òng/sọc òng/sọc gấp ấp khúc Hằng ớng KU lực màng ợc tr trình ằng số dị hư hướng lực kháng từ HC mẫu m àng đa lớp lớp đư ình bày ợc tr bảng ảng Các giá trị này được tính tốn từ giá trị thực nghiệm thu đđược ên đường cong từ hóa mẫu theo ph đường phương ương tr trình ình (1) (2) Từ trị KU tăng nh nhẹẹ N tăng từ tiếp bảng ta thấy giá trị từ đến 5, sau giảm N ti ếp tục Sự giảm số dị hướng thể liên tăng Sự h ớng KU với ới tăng số lớp N liên quan đđến ến độ nhám bềề mặt thay đổi cấu trúc tinh thể m màng àng ssự ự thay đổi ứng suất bề mặt lớp lớp m màng thay đổi kích th thước ớc hạt độ dày dày ccủa àng tăng Điều Điều chứng tỏ ằng, hồn tồn có th thểể điều khiển dị hhướng ớng từ vng góc thơng qua việc thay đổi số lớp Tạp 2020 ạp chí Nghiên Nghiên cứu cứu KH&CN quân uân sự, sự, Số 666, - 2020 175 Vật ật lý màng đa lớp ày, m mẫu màng lớp Cũng từ kết nnày, ẫu có lực kháng từ lớn nhất, có dị hhướng ớng từ vng góc tốt tốt (ứng với N = 5) đư ợc lựa chọn để tiến hhành ành khảo khảo sát Bảng Bảng Bi Biểu ểu diễn giá trị lực kháng từ HC, từ từ độ bbão ão hòa MS, ằng số dị hướng h ớng KU thay đổi đổi số lớp N từ đến 10 N HC (Oe) MS (emu/cm3) KU (erg/cm3) 275 359 6.11x106 573.5 352 6.17x106 654.4 360 6.23x106 682.8 368 6.28x106 750 385 6.50x106 685 355 6.00x106 10 651 363 5.41x106 3.3 Ảnh hư hưởng ởng chiều dày dày lớp lớp Co màng màng mỏng mỏng đa lớp [Co(t [Co(tCo)/Pd] ên đđặc trưng cấu 3.3.1 Ảnh hưởng h ởng chiều dày dày lớp lớp Co llên ặc trưng cấu trúc màng Hình 5 Giản Giản đồ nhiễu xạ tia X m àng mỏng mỏng [Co(tCo)/Pd] hệ hệ mẫu với với tCo thay đđổi ổi từ 0,3 đến 1,0 nm àng m mỏng hệệ mẫu với Hình kết kết đo XRD m màng ỏng [Co(t [Co( Co)/Pd] ccủa với tPd = 1,0 nm tCo thay đổi đổi từ 0,3 đến 1,0 nm Kết cho thấy đỉnh nhiễu xạ Co/Pd (111) có ccường ờng độ mạnh, ạnh, vị trí đỉnh Co/Pd (111) có thay đổi nhẹ phụ thuộc vvào chiều chiều dày dày ccủa lớp Co Điều Điều phù hợp nghiên ên ccứu hợp với kết nghi ứu cơng bố trư trước ớc cho hệ Co/Pd [15,16] ày llớp 15,16] Khi chiều chiều ddày ớp Co tăng, đỉnh nhiễu xạ Co/Pd (111) có dịch chuyển phía phải, gần với đỉnh nhiễu xạ đặc tr ưng ccủa bên phải, trưng Co (111) tinh khiết Cư Cường ờng độ đỉnh nhiễu xạ hướng từ Co/Pd (111) giảm giảm dần tCo tăng V Với ới kết như vậy, vậy, dự đoán rằng, rằng, dị hướng ẫu nnày ày ssẽẽ giảm dần tCo tăng Điều theo phương vng góc m mẫu Điều chứng tỏ dị hướng từ vng góc m hướng mỏng màng àng m ỏng đa lớp loại này hồn tồn thể điều biến đđư ược ợc phổ thông qua việc việc thay đổi chiều dày dày lớp lớp Co Khi tCo = 1,0 nm, ph ổ nhiễu xạ XRD có ssự ự xuất ều nnày thấy có thay đổi cấu trúc tinh thể ện đỉnh lạ vị trí ~ 36,7o Đi Điều ày cho thấy mẫu màng đa lớp tới 1,0 nm ẫu màng lớp chiều dày dày lớp lớp Co tăng llên ên tới H , …, N T N Anh, Anh “Kh Khả ả điều khiến … màng mỏng mỏng đa lớp [Co/Pd].” [Co/Pd].” 176 C T T Hải, Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.3.2 Ảnh hưởng chiều dày lớp Co lên tính chất từ (a) 1,0 Ta/Pd/[Co(tCo)/Pd]/Co/Pd/Ta M/MS 0,5 tCo= 0,3 nm tCo= 0,4 nm tCo= 0,5 nm tCo= 0,6 nm tCo= 0,8 nm tCo= 1,0 nm 0,0 -0,5 -1,0 -2000 -1000 1000 2000 0,8 1,0 H (Oe) (b) 1500 HC (Oe) 1200 900 600 300 0,2 0,4 0,6 tCo (nm) Hình (a) Đường cong từ hóa màng mỏng [Co(tCo)/Pd] hệ mẫu theo phương vng góc với mặt phẳng màng với tCo thay đổi từ 0,3 đến 1,0 nm (b) Đồ thị biểu diễn phụ thuộc lực kháng từ HC vào chiều dày lớp Co Hình (a) đường từ hóa theo phương vng góc màng đa lớp [Co(tCo)/Pd] hệ mẫu Các mẫu hệ có N = 5, tPd = 1,0 nm tCo thay đổi từ 0,3 nm tới 1,0 nm Khi chiều dày lớp Co khoảng tCo = 0,3–0,5 nm, đường từ hóa có dạng vng q trình đảo từ xảy đột ngột H=HC, nói cách khác trường đảo từ mẫu Ha=HC Giá trị HC giảm gần tuyến tính tCo tăng từ 0,3-0,5 nm (hình (b)) Màng đa lớp Co/Pd thể tính dị hướng vng góc lớp Co đủ mỏng (vài lớp nguyên tử) dị hướng từ bề mặt lớn dị hướng từ hình dạng, dị hướng từ tinh thể [23] Khi chiều dày lớp Co tăng, dị hướng từ bề mặt coi không đổi dị hướng từ tinh thể tăng, dẫn đến suy giảm tính dị hướng theo phương vng góc Với màng đa lớp có tCo ≥ 0,6 nm, có suy giảm rõ rệt độ vng đường từ hóa, hình thành vùng nhọn cuối đường cong từ hóa Nói cách khác tCo tăng dị hướng từ thể tích (theo phương song song với mặt phẳng mẫu) lớp Co dần trở lên trội so với dị hướng từ bề mặt lớp tiếp giáp Co/Pd (dị hướng từ theo phương vng góc với mặt phẳng mẫu) Kết hoàn toàn phù hợp với số kết nghiên cứu công bố hệ vật liệu Sự thay đổi hình dạng đường cong từ hóa mẫu có tCo ≥ 0,6 nm tương ứng với hình thành cấu trúc cấu trúc đơmen từ có dạng vòng/sọc gấp khúc với Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 177 Vật ật lý màng ngược chiều với vùng mơmen từ từ vng góc với mặt phẳng m àng ngược vùng đômen lân ccận, ận, chế đảo từ m chế màng ình ddịch àng có tCo ≥ 0,6 nm ggồm ồm q tr trình ịch chuyển vvàà quay vách đơmen [21[21-24] 24] Kết Kết nnày ày cũng ho hoàn àn toàn phù hợp hợp với kết đo nhiễu xạ XRD tCo tăng thì cư cường ờng độ đỉnh nhiễu xạ Co/Pd (111) giảm dần Nh Như vậy, vậy, kết cho thấy có th thểể điều khiển đđược ày llớp ợc tính dị hư hướng ớng vng góc dựa trên vi việc ệc điều khiển chiều ddày ớp Co 3.4 Ảnh hư hưởng ởng chiều dày dày lớp lớp Pd màng màng mỏng mỏng đa lớp [Co/Pd(t [Co/Pd(tPd)] ên đđặc trưng cấu 3.4.1 Ảnh hưởng h ởng chiều dày dày lớp lớp Pd llên ặc trưng cấu trúc àng m mỏng ới tCo = 0,5 Hình kết kết đo XRD m màng ỏng [Co/Pd(t [Co/Pd(tPd)] hệệ mẫu vvới nm tPd thay đổi đổi từ 0,6 đến 2,0 nm Giản đồ nhiễu xạ tia X tr ên mẫu mẫu cho thấy đỉnh Co/Pd (111) có cường cường độ nhiễu xạ mạnh, ạnh, chiều dày dày llớp ớp Pd tăng, đỉnh nhiễu xạ Co/Pd dịch chuyển phía bên (111) có bên trái, ggần ần với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng trưng ccủa Pd (111) khiết Cường Điều tinh khiết C ờng độ đỉnh xạ Co/Pd (111) tăng tPd tăng Đi ều thể dự đoán rằng, rằng, dịị hhư ướng ớng từ theo phương phương vng vng góc mẫu mẫu này ssẽẽ tăng dần tPd tăng Tuy nhiên tPd ≥ 1,5 nm, có ssự Sự xuất đỉnh nhiễu ự xuất đỉnh lạ vị trí khoảng 36,7o Sự xạạ lạ cho thấy đã có ssự ự thay đổi cấu trúc tinh thể mẫu chiều ddày ày của lớp Pd tăng lên ttới ới 1,5 nm màng Hình 7 Giản Giản đồ nhiễu xạ tia X m àng mỏng mỏng [Co/Pd(tPd)] hệ hệ mẫu với với tPd thay đđổi ổi từ 0,6 đến 2,0 nm chất từ 3.4.2 Ảnh hưởng h ởng chiều dày dày lớp lớp Pd llên ên tính chất chất từ mẫu [Co/Pd(t Ảnh hưởng h ởng chiều dày dày lớp lớp Pd llên ên tính chất [Co/Pd( Pd)] hệệ mẫu ẫu ợc thể Các m mẫu ẫu hệ n ày có N = 5, đư hình tCo = 0,5 nm tPd thay đổi đổi từ 0,6 đến 2,0 nm Kết đo hình (a) cho thấy thấy đường đ ờng cong từ hóa theo phương vng góc ccủa mẫu có dạng vng, tương tương ứng với dị hư hướng ớng từ vng góc Với mẫu có lớp Pd mỏng tPd ≤ 1,2 nm, HC tăng theo chiều cao Với chiều dày dày của lớp Pd, điều phù ướng phù hợp hợp với báo cáo tr trước ớc rằng, lớp lớp Pd mỏng hơn lớp lớp Co, dị hhư ớng từ ướng vng góc yếu, yếu, dị hhư ớng từ vng góc màng màng đa llớp ớp dạng này đạt đạt giá trịị lớn chiều dày lớp từ tính [13] Trong dày lớp lớp kim loại phi từ lớn gấp đến lần chiều ddày ày lớp lớp Pd lý ttư ưởng ởng là nnằm nghiên cứu cứu này, này, chiều chiều ddày ày lớp ằm khoảng từ 1,0-1,5 1,0 1,5 nm Khi llớp ớp Pd tiếp ếp tục tăng (t ( Pd ≥ 1,5 nm), tương tương tác trao đđổi ổi sắt từ llớp ớp Co trở lên lên yyếu ếu đi, dẫn đến mẫu ến HC giảm giảm Điều nnày ày hoàn toàn phù hhợp ợp với kết đo XRD, với tPd ≥ 1,5 nm, m ẫu bắt đầu rằng, hồn tồn có th ầu có thay đổi cấu trúc tinh thể Kết thểể điều khiển tính dị hư ên vi việc ều ddày lớp Pd hướng ớng vng góc dựa tr ệc điều khiển chi chiều ày lớp H , …, N T N Anh, Anh “Kh Khả ả điều khiến … màng mỏng mỏng đa lớp [Co/Pd].” [Co/Pd].” 178 C T T Hải, Nghiên cứu khoa học công nghệ Ta/Pd/[Co/Pd(tPd)]/Co/Pd/Ta (a) 1,0 M/MS 0,5 tPd= 0,6 nm tPd= 0,8 nm tPd= 1,0 nm tPd= 1,2 nm tPd= 1,5 nm tPd= 2,0 nm 0,0 -0,5 -1,0 -1000 -500 500 1000 H (Oe) HC (Oe) (b) 800 750 700 650 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 tPd (nm) Hình (a) Đường cong từ hóa màng mỏng [Co/Pd(tPd)] hệ mẫu theo phương vng góc với mặt phẳng màng với tPd thay đổi từ 0,6 đến 2,0 nm (b) Đồ thị biểu diễn phụ thuộc lực kháng từ HC vào chiều dày lớp Pd KẾT LUẬN Các mẫu màng đa lớp [Co(tCo)/Pd(tPd)]N (tCo= 0,3 - nm, tPd = 0,6 - 2,0 nm N = 10) chế tạo thành công phương pháp phún xạ DC magnetron Các mẫu chế tạo có dị hướng từ vng góc cao Kết cho thấy mẫu chọn mẫu đại diện [Co(0,5 nm)/Pd(1,0 nm)]5 có dị hướng từ cao với KU ~ 6,5 ×106 erg/cm3, HC ~ 750 Oe MS ~ 385 emu/cm3 Trong hệ mẫu [Co/Pd]N, số dị hướng KU, lực kháng từ HC từ độ MS tăng số lớp N tăng từ đến 5, sau giảm N tiếp tục tăng Trong hệ mẫu [Co(tCo)/Pd]5, chiều dày lớp Co tCo tăng từ 0,3 - 1,0 nm, giá trị HC giảm Việc suy giảm tính dị hướng theo phương vng góc dị hướng từ tinh thể tăng chiều dày lớp Co tăng Trong đó, hệ mẫu [Co/Pd(tPd)]5, chiều dày lớp Pd mỏng (tPd ≤ 1,2 nm), HC tăng tPd tăng, sau HC giảm lớp Pd tiếp tục tăng (tPd ≥ 1,5 nm) Dị hướng từ mẫu thay đổi tương tác trao đổi sắt từ lớp Co yếu chiều dày lớp Pd tăng Kết nghiên cứu chứng tỏ rằng, dị hướng từ vng góc mẫu đa lớp loại điều khiển cách linh hoạt thông qua thay đổi thông số cấu trúc như: i) số lớp N, ii) chiều dày lớp Co (tCo) iii) chiều dày lớp Pd (tPd) Khả điều biến dị hướng từ vng góc cấu trúc loại mở khả ứng dụng to lớn việc thiết kế, chế tạo linh kiện Spintronics hệ thiết bị ghi từ mật độ cao, máy phát cao tần, cảm biến từ sinh học Lời cảm ơn: Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn trợ giúp kinh phí Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam thông qua đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện Hàn lâm KHCNVN thực năm 2019-2020 thuộc Chương trình phát triển Vật lý đến năm 2020, mã số KHCTVL.03/19-20 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 179 Vật lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Buschow K.H.J, de Boer F.R., “Physics of Magnetism and Magnetic Materials”, Kluwer Academic/Plenum Publishers (2004), ISBN 0-306-48408-0 [2] S Iwasaki, “A study for the future of the magnetic recording: the possibility of the perpendicular magnetic recording”, J Magn Soc Jpn., Vol (1977), pp 5–11 [3] B Tudu, A Tiwari, “Recent Developments in Perpendicular Magnetic Anisotropy Thin Films for Data Storage Applications”, Vacuum, Vol 146 (2017), pp 329–341 [4] R Sbiaa, H Meng, S.N Piramanayagam, “Materials with perpendicular magnetic anisotropy for magnetic random access memory”, Phys Status Solidi RRL-Rapid Res Lett., Vol 5, No 12 (2011), pp 413–419 [5] S Maat, K Takano, S.S.P Parkin, and E.E Fullerton, “Perpendicular Exchange Bias of Co/Pt Multilayers”, Phys Rev Lett., Vol 87, No (2001), pp 087202 [6] T Onoue, J Kawaji, K Kuramochi, T Asahi, and T Osaka, “Effect of underlayer on magnetic properties of Co/Pd multilayer perpendicular magnetic recording media”, J Magn Magn Mater., Vol 235, No.1-3 (2001), pp 82-86 [7] J.-B Lee, G.-G An, S.-M Yang, H.-S Park, W.-S Chung & J.-P Hong, “Thermally robust perpendicular Co/Pd-based synthetic antiferromagnetic coupling enabled by a W capping or buffer layer”, Sci Rep., Vol (2016), pp 21324 [8] Davydenko, A V et al “Dzyaloshinskii-Moriya interaction in symmetric epitaxial [Co/Pd(111)]N superlattices with diferent numbers of Co/Pd bilayers”, Phys Rev B, Vol 99 (2019), pp 014433 [9] Okabayashi J, Miura Y, Munekata H, “Anatomy of interfacial spin-orbit coupling in Co/Pd multilayers using X-ray magnetic circular dichroism and first-principles calculations”, Scientific Reports, Vol 8, No (2018), pp 8303 [10] W.C Law, T.L Jin, X.T Zhu, R.R Nistala, N Thiyagarajah, C.S Seet, W.S Lew, “Perpendicular magnetic anisotropy in Co/Pt multilayers induced by hcp-Hoat 400 °C”, J Magn Magn Mater., Vol 477 (2019), pp 124-130 [11] R Law, R Sbiaa, T Liew, T.C Chong, “Effects of Ta seed layer and annealing on magnetoresistance in CoFePd -based pseudo-spin valves with perpendicular anisotropy”, Appl Phys Lett., Vol 91, No 24 (2007), pp 242504 [12] T Tahmasebi, S.N Piramanayagam, R Sbiaa, R Law, T.C Chong, “Effect of different seed layers on magnetic and transport properties of perpendicular anisotropic spin valves”, IEEE Trans Magn., Vol 46, No (2010), pp 1933 [13] H Nemoto, H Nakagawa, Y Hosoe, “Dependence of Co/Pd Superlattice Properties on Pd Layer Thickness”, IEEE Trans Magn., Vol 39, No (2003), pp 2714-2716 [14] H J Zhang, S Yamamoto, Y Fukaya, M Maekawa, H Li, A Kawasuso, T Seki, E Saitoh & K Takanashi, “Current-induced spin polarization on metal surfaces probed by spin-polarized positron beam”, Sci Rep., Vol (2014), pp 4844 [15] M Albert, M Franchin, T Fischbacher, G Meier, H Fangohr, “Domain wall motion in perpendicular anisotropy nanowires with edge roughness”, J Phys.: Condens Matter., Vol 24, No (2012), pp 024219 [16] M.Y Im, L Bocklage, P Fischer, G Meier, “Direct observation of stochastic domain-wall depinning in magnetic nanowires”, Phys Rev Lett., Vol 102, No 14 (2009), pp 147204 [17] M.T Johnson, P.J.H Bloemen, F.J.A den Broeder, and J.J de Vries, “Magnetic anisotropy in metallic multilayers”, Rep Prog Phys., Vol 59, No 11 (1996), pp 1409 180 C T T Hải, …, N T N Anh, “Khả điều khiến … màng mỏng đa lớp [Co/Pd].” Nghiên cứu khoa học công nghệ [18] C W Barton, T J A Slater, R M Rowan-Robinson, S J Haigh, D Atkinson, and T Thomson, “Precise control of interface anisotropy during deposition of Co/Pd multilayers”, J Appl Phys., Vol 116, No 20 (2014), 203903 [19] M Endo, S Kanai, S Ikeda, F Matsukura, and H Ohno, “Electric-field effects on thickness dependent magnetic anisotropy of sputtered MgO/Co40Fe40B20/Ta structures”, Appl Phys Lett., Vol 96, No 21 (2010), pp 212503 [20] D.-T Ngo, Z.L Meng, T Tahmasebi, X Yu, E Thoeng, L.H Yeo, A Rusydi, G.C Han, K.- L Teo, “Interfacial tuning of perpendicular magnetic anisotropy and spin magnetic moment in CoFe/Pd multilayers”, J Magn Magn Mater., Vol 350 (2014), pp 42-46 [21] W.S Chung, S.M Yang, T.W Kim, J.P Hong, “Ultrathin Co-O oxide layer-driven perpendicular magnetic anisotropy in a CoO/[Co/Pd] multilayer matrix upon annealing”, Sci Rep., Vol (2016), pp 37503 [22] T.N Anh Nguyen, Y Fang, V Fallahi, N Benatmane, S.M Mohseni, R.K Dumas, and Johan Åkerman, “[Co/Pd]–NiFe exchange springs with tunable magnetization tilt angle”, Appl Phys Lett., Vol 98, No 17 (2011), pp 172502 [23] O Hellwig, T Hauet, T Thomson, E Dobisz, J.D RisnerJamtgaard, D Yaney, B.D Terris, and E.E Fullerton, “Coercivity tuning in Co/Pd multilayer based bit patterned media”, Appl Phys Lett., Vol 95, No 23 (2009), pp 232505 [24] L Tryputen, F Guo, F Liu, T.N.A Nguyen, M S Mohseni, S Chung, Y Fang, J Akerman, R.D McMichael, and C.A Ross, “Magnetic structure and anisotropy of [Co/Pd]5/NiFe multilayers”, Phys Rev B, Vol 91 (2015), pp 014407 ABSTRACT TAILORING PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY IN [Co/Pd] MULTILAYERS [Co/Pd] multilayers with strong magnetic anisotropy have gained huge interest due to their potential applications in high-density magnetic recording media In this study, we have been investigated systematically the dependence of the perpendicular magnetic anisotropy of [Co(tCo)/Pd(tPd)]N multilayers on the structural parameters such as the multilayer repetition number (N), thickness of Co layer (tCo) and thickness of Pd layer (tPd) The correlation between structural and magnetic properties such as coercivity (HC), the saturation magnetization (MS) as well as the magnetic anisotropy constant (KU) in these multilayers has been discussed in detail Keywords: Co/Pd multilayers; Magnetic multilayers; Perpendicular magnetic anisotropy Nhận ngày 01 tháng 11 năm 2019 Hoàn thiện ngày 26 tháng 12 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Khoa Vật lý, Đại học Sư phạm Hà Nội; Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam; Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam *Email: ngocanhnt.vn@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 181 ... tính dị hhướng ớng H , …, N T N Anh, Anh “Kh Khả ả điều khiến … màng mỏng mỏng đa lớp [Co/Pd]. ” [Co/Pd]. ” 174 C T T Hải, Nghiên cứu cứu khoa học công nghệ từ mỏng phổ theo phương phương vng góc màng. .. dị hướng từ bề mặt lớn dị hướng từ hình dạng, dị hướng từ tinh thể [23] Khi chiều dày lớp Co tăng, dị hướng từ bề mặt coi không đổi dị hướng từ tinh thể tăng, dẫn đến suy giảm tính dị hướng theo. .. 36,7o Đi Điều ày cho thấy mẫu màng đa lớp tới 1,0 nm ẫu màng lớp chiều dày dày lớp lớp Co tăng llên ên tới H , …, N T N Anh, Anh “Kh Khả ả điều khiến … màng mỏng mỏng đa lớp [Co/Pd]. ” [Co/Pd]. ”