(Luận văn thạc sĩ) chế tạo và nghiên cứu van spin NiCoO,FM,Cu,FM kích thước nanomet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ  NGUYỄN ĐĂNG THÀNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAN SPIN NiCoO/FM/Cu/FM KÍCH THƯỚC NANOMET LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ  NGUYỄN ĐĂNG THÀNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAN SPIN NiCoO/FM/Cu/FM KÍCH THƯỚC NANOMET Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Lê Văn Hồng HÀ NỘI - 2007 MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Hiện tƣợng từ trở khổng lồ GMR 1.1.1 Tương tác trao đổi dạng dao động RKKY màng từ đa lớp 1.1.2 Cấu trúc van spin 1.2 Dị hƣớng trao đổi hai lớp sắt từ/phản sắt từ 11 1.2.1 Dị hướng trao đổi 11 1.2.2 Các vật liệu sắt từ phản sắt từ có liên quan đến dị hướng trao đổi 15 Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 18 2.1 Phƣơng pháp chế tạo mẫu 18 2.1.1 Phương pháp phún xạ 18 2.1.2 Phương pháp phún xạ phản ứng 20 2.2 Các phƣơng pháp phân tích đo đạc 21 2.2.1 Xác định chiều dày màng mỏng 21 2.2.2 Xác dịnh thành phần hoá học phổ kế huỳnh quang tia X 23 2.2.3 Xác định vi cấu trúc thành phần pha nhiễu xạ tia X 23 2.2.4 Đo từ trở phương pháp bốn mũi dò cách từ trường 24 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Chế tạo nghiên cứu màng Ni1-xCoxO 26 3.1.1 Chế tạo màng Ni1-xCoxO 26 3.1.2 Xác định hàm lượng Co màng Ni1-xCoxO 27 3.1.3 Phân tích cấu trúc màng NiCoO 29 3.1.4 Kết luận 30 3.2 Chế tạo nghiên cứu van spin NiCoO/FM/Cu/FM 31 3.2.1 Chế tạo van spin có hàm lượng Co, độ dày lớp Cu lớp đệm thay đổi 3.2.2 Khảo sát hiệu dịch van spin theo hàm lượng Co 31 33 3.2.3 Khảo sát giá trị MR van spin theo độ dày lớp Cu 37 3.2.4 Khảo sát giá trị MR van spin theo độ dày lớp đệm 40 3.2.5 Kết luận 44 KẾT LUẬN CHUNG 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 49 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh đầy đủ Thuật ngữ AFM………… Antiferromagnetic Phản sắt từ AMR………… Antisotropic Magnetoresistance Từ trở dị hướng CIP…………… Current In Plane Dòng điện mặt phẳng CPP………… Current Perpendicular to Plane Dòng điện vng góc mặt phẳng FM…………… Ferromagnetic Sắt từ GMR……… Giant Magnetoresistance Từ trở khổng lồ MR…………… Magnetoresistance Từ trở OMR………… Ordinary Magnetoresistance Từ trở thường RF…………… Radio Frequecy Tần số vô tuyến RKKY……… Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Tương tác RKKY MỞ ĐẦU Hiện tượng GMR từ phát vào năm cuối kỉ 80 trở lại trở thành vấn đề nóng hổi tập trung nghiên cứu mạnh mẽ nên thu thành công định Tuy chế vật lý GMR vật liệu dạng màng mỏng nhiều điều chưa sáng tỏ ứng dụng khai thác mạnh mẽ, đặc biệt với cấu trúc van spin Ở Việt Nam nay, nghiên cứu thực nghiệm hiệu ứng GMR thu kết bước đầu Hiệu ứng GMR xảy cấu trúc dạng màng mỏng đa lớp (có hàng chục lớp) nên địi hỏi u cầu thiết bị cơng nghệ cao Do việc tìm chế độ cơng nghệ thích hợp để chế tạo màng đơn lớp cấu trúc đa lớp phức tạp đòi hỏi bắt buộc bước quan trọng nghiên cứu GMR Vì vậy, đề tài nghiên cứu luận văn chọn là: “Chế tạo nghiên cứu van spin NiCoO/FM/Cu/FM kích thước nanomet” Trong FM lớp vật liệu sắt từ Ni81Fe19 Fe15Co85 Mục tiêu luận văn là: - Với điều kiện thiết bị có, chế tạo màng mỏng từ đơn lớp cấu trúc van spin Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng yếu tố cơng nghệ lên tính chất màng đơn lớp Từ tìm cơng nghệ tối ưu cho phép chế tạo màng đa lớp có hiệu ứng GMR lớn - Từ kết nghiên cứu màng đơn lớp, chế tạo màng mỏng đa lớp để nghiên cứu hiệu ứng tương tác trao đổi dị hướng hiệu ứng từ trở GMR chúng nhằm tìm ảnh hưởng đơn lớp lên tính chất chung hệ Các kết nghiên cứu luận văn kết bước đầu nhằm tìm hiểu chất vật lý tượng Trên sở đó, nắm bắt q trình điều khiển cơng nghệ chế tạo, mục đích luận văn Hy vọng tương lai, vấn đề tiếp tục triển khai nghiên cứu mức độ sâu rộng CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 HIỆN TƯỢNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMR Từ năm cuối thập kỉ 80 trở lại đây, nhiều tượng tính chất vật lý khám phá nghiên cứu mạnh mẽ hệ từ có kích thước giới hạn, đặc biệt với cấu trúc kích thước nanomet Nổi bật lên số hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR màng mỏng từ hay siêu mạng từ Về phương diện vật lý, hiệu ứng GMR tượng mới, hiểu biết chưa có nhiều chế hiệu ứng nhiều điều cần làm sáng tỏ Trong đó, linh kiện hoạt động dựa hiệu ứng GMR khai thác riết triển khai ứng dụng rộng rãi đời sống đáp ứng yêu cầu ngành công nghệ thông tin điện tử học đại Những ứng dụng bật thấy rõ lĩnh vực lưu trữ thông tin, đo lường từ điều khiển từ trường Những sản phẩm thương mại chế tạo ứng dụng hiệu ứng GMR mang tính chất đột phá kể đến cảm biến từ trường thấp, đầu đọc từ mật độ cao nhớ từ khơng tự xố máy tính… Hiệu ứng từ trở (MR) dạng tượng từ điện, thay đổi điện trở suất (hay độ dẫn điện) vật dẫn tác dụng từ trường bên Về nguyên tắc, hiệu ứng MR có kim loại phi từ thường tăng theo cường độ từ trường ngồi tác dụng Cơ chế lực Lorentz gọi hiệu ứng từ điện trở thường (OMR) Hiệu ứng nhỏ (dưới 1%) nên có ứng dụng thực tế Trong kim loại hay hợp kim sắt từ, tỷ số MR cao so với hiệu ứng OMR (có thể tới 45 % với hợp kim pecmaloy NiFe) Cơ chế tương tác điện tử dẫn với từ trường nội có tính dị hướng gọi hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) Hiệu ứng ứng dụng rộng rãi để chế tạo cảm biến từ trường, đầu từ MR [1] Hiệu ứng GMR lần quan sát thấy vào năm 1988 nhóm Albert Fert trường Đại học Tổng hợp Nam Pari nghiên cứu hệ siêu mạng từ (001)Fe/(001)Cr chế tạo theo phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE) [4] Tỷ số MR đạt khoảng 50% nhiệt độ 4,2 0K hệ có cấu trúc [Fe(30Å)/Cr(9Å)]40, nghĩa hệ gồm 40 lớp kép Fe/Cr, chiều dày Fe Cr lớp kép tương ứng 30Å 9Å Giá trị MR lớn chưa quan sát thấy trước nên hiệu ứng gọi tên từ điện trở khổng lồ (GMR) Hình1.1 Từ trở siêu mạng Fe/Cr đo nhiệt độ 4,2 0K Sau đó, loạt hệ từ đa lớp không phân lớp khác chế tạo nghiên cứu, kết chúng có hiệu ứng GMR Điều chứng tỏ GMR tượng phổ biến hệ từ có cấu trúc khơng liên tục (sắt từ xen lớp phi từ) Những giải thích hiệu ứng GMR truyền phụ thuộc spin điện tử dẫn Do thuộc tính có spin điện tử, nên điện tử với chiều spin xác định (spin- spin-) có xác suất tán xạ khác bề mặt phân cách lớp sắt từ phi từ, phụ thuộc vào xếp từ độ lớp sắt từ Khi khơng có từ trường ngồi, lớp sắt từ xếp phản song với nhau, hai loại điện tử với spin- spin- bị tán xạ qua cấu trúc nên điện trở hệ lớn Từ trường ngồi có tác dụng xếp lại vectơ từ độ lớp sắt từ theo hướng song song với Khi đó, xác suất tán xạ hai loại spin- spin- giảm xuống coi hệ mở thông kênh spin này, điện tử dẫn chủ yếu điện tử với hai loại spin có xác suất tán xạ thấp [4] Lí p tõ Lí p phi tõ H=0  SpinSpin-  SpinSpin- H > HS   SpinSpin- SpinSpin- a) b) AF FM Hình 1.2 Sơ đồ minh hoạ chế tán xạ điện tử với spin khác cấu hình đo CPP màng từ đa lớp a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM Hình 1.2 1.3 sơ đồ đơn giản minh hoạ chế tán xạ điện tử với spin khác màng từ đa lớp Trạng thái điện trở cao ứng với phản song vec tơ từ độ (a) trạng thái điện trở thấp ứng với song song vec tơ từ độ (b) Trên sơ đồ hình 1.2, dịng điện đặt vng góc với mặt phẳng màng (CPP), từ lớp từ sang lớp từ khác thông qua lớp phi từ Cịn hình 1.3, dịng điện chạy mặt phẳng màng (CIP) tán xạ với mô men từ bề mặt phân cách chủ yếu Mặc dù tán xạ phụ thuộc spin bắt nguồn từ lớp sắt từ, điều đặc biệt quan trọng tán xạ không xảy lòng lớp sắt từ mà bề mặt phân cách lớp sắt từ lớp phi từ Sự tán xạ phụ thuộc spin xảy bên lớp sắt từ gọi tán xạ khối, bề mặt phân cách lớp từ lớp phi từ gọi tán xạ a) Trạng thái điện trở cao mặt phân cách Thực nghiệm cho thấy tán xạ mặt phân cách đóng góp GMR b) Trạng thái điện trở thấp Hình 1.3 Sơ đồ minh hoạ chế tán xạ điện tử với spin khác cấu hình đo CIP màng từ đa lớp a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM cấu hình đo CIP Tán xạ bề mặt mạnh tỷ số GMR lớn Các mơ hình lý thuyết xây dựng sau để giải thích chất GMR chủ yếu dựa tán xạ bất đối xứng kênh dẫn spin gây xếp song song (FM) hay phản song song (AFM) lớp sắt từ Ngồi cịn có đóng góp phần tán xạ phụ thuộc spin bên hạt sắt từ Như vậy, thấy nguyên nhân gây nên hiệu ứng GMR xếp lại vectơ từ độ theo hướng song song với tác dụng từ trường Tỷ số GMR đạt giá trị cao vectơ từ độ hoàn tồn phản song với trạng thái khơng có từ trường, cịn có từ trường, chúng hồn ∆R/R0 tồn song song (Hình 1.4) - HS HS Từ trường Hình 1.4 Đường cong từ trở màng từ đa lớp với cấu hình từ độ tương ứng 1.1.1 Tương tác trao đổi dạng dao động RKKY màng từ đa lớp Tương tác trao đổi lớp sắt từ thông qua lớp đệm kim loại phi từ thường khảo sát màng từ đa lớp loại {FM(tF))/NM(tnm)}n FM kim loại chuyển tiếp sắt từ FM = Fe, Co, Ni hợp kim chúng với độ dày tF, NM kim loại phi từ Cu, Ag, Au, Cr, Mo, Ru, Re, Ir… với độ dày tnm Trong trường hợp màng mỏng có chất lượng tốt, thay đổi cường độ 39 Thế hiệu dịch Hàm lượng Hex (Oe) Co (%) 400 350 200 H ex 12 (Oe) 300 100 150 14 0 10 15 20 25 30 %Co 80 28 Hình 3.11 Sự phụ thuộc hiệu dịch Hex vào hàm lượng Co Như vậy, thay đổi hàm lượng Co lớp Ni1-xCoxO làm thay đổi giá trị hiệu dịch Hex gây tương tác trao đổi hai lớp Ni1-xCoxO/NiFe Với hàm lượng Co %, giá trị Hex lớn thu 350 Oe Chúng cho tương tác dị hướng trao đổi hai lớp Ni1-xCoxO/NiFe định chủ yếu dị hướng từ tinh thể (K1, K2) lớp phản sắt từ Ni1xCoxO Đối với vật liệu NiO, dị hướng từ tinh thể thấp nhiều so với vật liệu CoO Vì vậy, hiệu ứng trao đổi hiệu dịch thu thấp (Hex = 12 Oe) Khi pha Co vào NiO, dị hướng từ tinh thể lớp phản sắt từ Ni1-xCoxO tăng mạnh làm cho tương tác trao đổi tăng theo Kết dẫn đến giá trị hiệu dịch Hex tăng lên Thế hiệu dịch đạt giá trị lớn 350 Oe pha 9% hàm lượng Co đạt 150 Oe, 80 Oe tăng hàm lượng Co lên 14% 28% Sự giảm xuống hiệu dịch tăng hàm lượng Co giải thích sau: Trong màng hai lớp Ni1-xCoxO/NiFe tồn nhiệt độ Tb, nhiệt độ phá vỡ trạng thái tương tác trao đổi hai lớp vật liệu (Hex = 0) Giá trị hiệu dịch Hex phụ thuộc vào đại lượng Mặt khác, nhiệt độ Tb phụ thuộc vào nhiệt độ TN lớp phản sắt từ Đối với NiO, TN = 250 0C cao nhiều so với nhiệt độ phòng, tương tác trao đổi với NiFe cho giá trị Tb cao Trong TN vật liệu CoO =20 0C xấp xỉ nhiệt độ phòng cho giá trị Tb thấp (xấp xỉ nhiệt độ phòng – 40 nhiệt độ đo mẫu) tương tác trao đổi với NiFe Như vậy, hàm lượng Co Ni1-xCoxO tăng lên làm cho Tb giảm xuống dẫn đến giá trị Hex giảm theo Các kết phù hợp với kết thực nghiệm Carey Berkowitz [13] 3.2.3 Khảo sát giá trị MR van spin theo độ dày lớp Cu Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu thay đổi hình 3.12 đến hình 3.18 Dáng điệu đường cong tương tự cho giá trị hiệu dịch khoảng 350 Oe Mỗi đường cong tồn hai trạng thái điện trở (cao thấp) tương ứng với cấu hình phản song song song từ độ hai lớp NiFe Độ chênh lệch hai trạng thái điện trở định đến giá trị MR 3 2,5 2,5 VS-Cu MR(%) MR(%) 2 1,5 1,5 0,5 0,5 0 -0,5 -400 -200 VS-Cu 200 400 600 800 H(Oe) Hình 3.12 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu 2,3 nm -0,5 -400 -200 200 400 600 800 H(Oe) Hình 3.13 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu 2,8 nm 41 3 2,5 2,5 VS-Cu3 MR(%) MR(%) 1,5 1,5 0,5 0,5 0 -0,5 -400 -200 -0,5 -400 -200 200 400 600 800 2,5 VS-Cu VS-Cu MR(%) MR(%) 1,5 1,5 0,5 0,5 0 -0,5 -400 -200 200 400 600 800 H(Oe) Hình 3.16 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu 4,1 nm -0,5 -400 -200 200 400 600 800 H(Oe) Hình 3.17 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu 4,7 nm 3,5 3 VS-Cu7 2,5 1,5 0,5 0,5 0 -0,5 -400 -200 2,3 nm 2,8 nm 3,2 nm 3,8 nm 4,1 nm 4,7 nm 5,7 nm 1,5 MR(%) MR(%) 200 400 600 800 H(Oe) Hình 3.15 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu 3,8 nm 2,5 H(Oe) Hình 3.14 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu 3,2 nm 2,5 VS-Cu4 200 400 600 800 H(Oe) Hình 3.18 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu 5,7 nm -0,5 -600-400-200 200 400 600 800 H(Oe) Hình 3.19 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp Cu khác 42 Giá trị từ trở MR van spin đ-ợc tính theo công thức d-ới đây: MR = (RAF RFM)/RFM Trong RAF RFM trạng thái điện trở cao thấp t-ơng ứng xếp phản song hay song song từ độ lớp sắt từ NiFe Các giá trị MR thay đổi theo độ dày lớp Cu đ-ợc liệt kê bảng đ-ợc biểu diễn hình 3.20 Bng Liệt kê giá trị MR theo độ dày lớp Cu Độ dày lớp Cu (nm) 2,55 2,3 2,65 2,8 3,2 2,6 3,8 2,8 4,1 2,2 4,7 1,9 5,7 3,5 MR(%) MR (%) 2,5 1,5 t Cu (nm) Hình 3.20 Sự phụ thuộc giá trị MR vào độ dày lớp Cu Theo Osamu Kitakami [25] độ dày lớp Cu ảnh h-ởng đến t-ơng tác sắt từ hai lớp NiFe Tuỳ thuộc vào độ dày lớp Cu mà từ độ hai lớp NiFe t-ơng tác phản song hay song song Quan sát hình 3.20 cho thấy với độ dày lớp Cu 3,2 nm, MR có giá trị lớn 3% Khi độ dày lớp Cu tăng lên giảm xuống quanh giá trị làm cho giá trị MR giảm theo Từ kết cho độ dày 43 lớp Cu nhỏ 3,2 nm, hai lớp sắt từ NiFe không đ-ợc phân cách hoàn toàn mà bị đan xen phần vào dẫn đến từ độ hai lớp sắt từ cã xu h-íng s¾p xÕp song song theo mét chiỊu từ độ lớp ghim Khả tán xạ điện tử với mômen từ giảm làm cho chênh lệch hai trạng thái điện trở (trạng thái điện trở cao trạng thái điện trở thấp) theo từ tr-ờng giảm Điều dẫn đến giá trị MR giảm Khi độ dày lớp Cu tăng dần lên đến giá trị 3,2 nm, khoảng cách hai lớp NiFe tăng lên, phân cách chúng hoàn toàn với nhau, t-ơng tác từ chúng chuyển dần sang t-ơng tác phản song t-ơng tự nh- t-ơng tác trao đổi gián tiếp RKKY nguyên tử từ tạp chất đám nguyên tử kim loại phi tõ [6] Sự tán xạ điện tử với mômen từ tăng lên làm cho chênh lệch hai trạng thái điện trở tăng lên, dẫn đến giá trị MR tăng dần lên Trong trường hợp độ dày lớp Cu 3,2 nm, tương tác từ hai lớp NiFe tương tác phản song hoàn toàn Khả tán xạ điện tử với mômen từ mạnh làm cho độ chệnh lệch hai trạng thái điện trở theo từ trường lớn nhất, kết dẫn đến MR đạt giá trị lớn 3% Khi tiếp tục tăng dần độ dày lớp Cu, từ độ hai lớp NiFe chuyển dần từ tương tác phản song sang tương tác song song theo tương tác kiểu RKKY Kết dẫn đến giá trị MR giảm dần Kết công bố Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI [3] 3.2.4 Khảo sát giá trị MR van spin theo độ dày lớp đệm Theo tác giả [26-29] cho tán xạ điện tử phụ thuộc spin FeCo cao nhiều so với NiFe Hơn cho sử dụng lớp đệm FeCo điều khiển spin bề mặt lớp từ Các kết làm tăng tỉ số giá trị từ trở Dựa ý tưởng đó, chúng tơi thay lớp sắt từ NiFe 44 lớp FeCo cấu trúc van spin NiCoO/NiFe/Cu/NiFe Sau chế tạo thành công van spin có cấu trúc NiCoO(40nm)/FeCo(3nm)/Cu(3,8nm)/FeCo(4,5nm) cho giá trị MR 4,3% tương ứng với độ dày lớp Cu 3,8 nm, chúng tơi ghép thêm lớp đệm FeCo đóng vai trị lớp điều khiển bề mặt Khi đó, van spin có cấu trúc FeCo(tFeCo)/NiCoO/FeCo/Cu/FeCo Đường cong từ trở mẫu trình bày hình 3.21 đến 3.26 10 VS-FC 6 MR(%) MR(%) 10 0 -1000 -500 VS-FC -1000 -500 500 1000 1500 H(Oe) Hình 3.21 Đường cong từ trở van spin khơng có lớp đệm 10 VS-FC VS-FC 6 4 2 0 -1000 -500 500 1000 1500 H(Oe) Hình 3.22 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp đệm 1,1 nm MR(%) MR(%) 10 0 500 1000 1500 H(Oe) Hình 3.23 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp đệm 1,6 nm -1000 -500 500 1000 1500 H(Oe) Hình 3.24 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp đệm nm 45 10 10 VS-FC VS-FC6 6 MR(%) MR(%) 4 2 0 -1000 -500 500 1000 1500 H(Oe) Hình 3.25 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp đệm 2,4 nm -1000 -500 500 1000 1500 H(Oe) Hình 3.26 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp đệm 2,8 nm Quan s¸t hình cho thấy đ-ờng cong từ trở ®Òu cã hai ®Ønh bÊt ®èi xøng vÒ hai phÝa h-ớng từ tr-ờng Đỉnh phía bên phải lớn rộng đỉnh phía bên trái Đối với mẫu VS-FC1 lớp đệm, giá trị MR thu đ-ợc không cao (chỉ đạt khoảng 4,3%) mẫu lại có lớp đệm, giá trị MR tăng lên đáng kể Hình 3.27 tổng hợp đ-ờng cong từ trở mẫu, bảng liệt kê giá trị MR theo độ dày lớp đệm hình 3.28 minh hoạ phụ thuộc giá trị MR vào ®é dµy líp ®Ưm 46 10 nm 1.1 nm 1.6 nm 2.0 nm 2.4 nm 2.8 nm MR (%) -1500 -1000 -500 H(Oe) 500 1000 1500 Hình 3.27 Đường cong từ trở van spin có độ dày lớp đệm khác 10 Bảng Liệt kê giá trị MR theo độ dày lớp đệm Độ dày lớp đệm FeCo (nm) 4,3 7,3 1,1 MR(%) MR (%) 8,5 1,6 7,8 2,4 2,8 0,5 t 1,5 FeCo (nm) 2,5 Hình 3.28 Sự phụ thuộc giá trị MR vào độ dày lớp đệm Giá trị MR cực đại thu 9% tương ứng với độ dày lớp đệm nm Đây kết có ý nghĩa mặt cơng nghệ cần cải tiến quy trình chế tạo mẫu, chúng tơi thu giá trị từ trở gấp đôi giá trị trước Điều mở nhiều hướng việc nghiên cứu ứng dụng phần tử van spin Về chất vật lý, chúng tơi giải thích kết sau: khơng có lớp đệm, mặt phẳng dị hướng từ lớp phản sắt từ NiCoO khơng hồn tồn nằm mặt phẳng màng, dẫn đến mômen từ lớp bị ghim FeCo không nằm 47 mặt phẳng màng Kết làm cho mômen từ hai lớp sắt từ FeCo cấu trúc van spin NiCoO/FeCo/Cu/FeCo không phương với nhau, điều gây giá trị MR thấp Khi có thêm lớp đệm FeCo cấu trúc van spin, lớp đệm đóng vai trị điều khiển spin bề mặt lớp phản sắt từ NiCoO trình mọc màng, làm cho dị hướng từ NiCoO quay hồn tồn mặt phẳng màng Do mômen từ hai lớp FeCo phương với Kết dẫn đến giá trị MR tăng lên đáng kể Giá trị MR lớn 9% tương ứng với độ dày lớp đệm nm Lớp đệm bao gồm đảo spin định hướng song song với theo chiều từ trường nam châm chế tạo Việc điều khiển spin bề mặt NiCoO trở nên dễ dàng kích thước đảo spin tăng lên (tương đương với độ dày lớp đệm tăng lên) Điều dẫn đến giá trị từ trở tăng lên Nhưng độ dày lớp đệm tăng nm, kích thước đảo spin tăng mạnh trở thành lớp sắt từ có mơmen lớn Lớp sắt từ tương tác với hai lớp sắt từ cịn lại cấu trúc van spin làm cho mơmen từ hai lớp sắt từ có xu hướng song song với theo hướng Kết dẫn đến giá trị MR giảm Các kết công bố Hội nghị IWONN, Hạ Long 12-2006 [30] 3.2.5 Kết luận Đã chế tạo thành cơng van spin Ni1-xCoxO/NiFe/Cu(tCu)/NiFe có hiệu ứng trao đổi hiệu dịch hiệu ứng từ trở nhiệt độ phòng Thế hiệu dịch tăng lên đáng kể pha Co vào lớp phản sắt từ NiO Giá trị lớn thu 350 Oe với hàm lượng Co 9% Giá trị MR thay đổi theo độ dày lớp Cu Giá trị MR lớn 3% tương ứng với độ dày lớp Cu 3,2 nm Đã chế tạo thành cơng van spin FeCo(tFeCo)/NiCoO/FeCo/Cu/FeCo có hiệu ứng từ trở lớn nhiệt độ phòng Giá trị từ trở van spin có lớp đệm tăng gấp hai lần so với giá trị từ trở van spin khơng có lớp đệm Giá trị từ trở thay đổi theo độ dày lớp đệm Giá trị MR đạt cực đại 9% tương ứng với độ dày lớp đệm 2nm 48 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn thực với mục đích nghiên cứu hiệu ứng trao đổi hiệu dịch Hex hiệu ứng MR cấu trúc van spin Ni1-xCoxO/NiFe/Cu(t)/NiFe Việc chế tạo nghiên cứu màng đơn lớp đa lớp cấu trúc thu số kết sau: Chế tạo thành công màng đơn lớp Ni1-xCoxO có hàm lượng Co thay đổi phương pháp phún xạ phản ứng Màng Ni1-xCoxO đơn pha ơxít kết tinh có định hướng, có chất lượng tốt đảm bảo cho việc chế tạo van spin NiCoO/FM/Cu/FM Chế tạo thành cơng van spin NiCoO/FM/Cu/FM kích thước nanomet phương pháp phún xạ máy EDWARD AUTO 306 Pha Co vào NiO làm tăng giá trị hiệu dịch Hex Thế hiệu dịch Hex cấu trúc van spin Ni1-xCoxO/NiFe/Cu/NiFe thay đổi theo hàm lượng Co lớp phản sắt từ Ni1-xCoxO Giá trị Hex lớn 350 Oe tương ứng với hàm lượng Co 9% 49 Giá trị MR phụ thuộc vào độ dày lớp Cu hệ van spin NiCoO/NiFe/Cu/NiFe Giá trị MR lớn 3% ứng với độ dày lớp Cu 3,2 nm Giá trị MR tăng gấp hai lần thêm lớp đệm vào cấu trúc van spin NiCoO/FeCo/Cu/FeCo Giá trị MR phụ thuộc vào độ dày lớp đệm FeCo hệ van spin FeCo/NiCoO/FeCo/Cu/FeCo Giá trị MR cực đại 9% tương ứng với độ dày lớp đệm nm Hiệu ứng thu chưa lớn dấu hiệu khả quan chứng minh tính đắn tính khả thi phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Các nghiên cứu thời gian tới thực sở thay đổi tham số công nghệ để thu hiệu ứng từ trở có giá trị lớn Đây kết khả quan q trình nghiên cứu chúng tơi vật liệu màng mỏng từ Tuy nhiên, lại kết quan trọng, có vai trị tạo sở cho nghiên cứu tiếp sau hiệu ứng GMR cấu trúc van spin hiệu ứng TMR cấu trúc màng từ đa lớp Hy vọng, tương lai gần, phần tử van spin có tỉ số MR lớn, nhạy từ trường thấp ứng dụng vào đời sống 50 CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN N.D.Thanh, N.C.Thuan, N.X.Phuc and L.V.Hong, “Anealing effect on exchange bias in the NiCoO/NiFe/Cu/NiFe spin valve prepared by RF sputtering”, Proceedings of the Seventh Vietnamese-German Seminar on Physics and Engineering, Halong City, from March, 28 to April, 5, 2004 51 Nguyễn Đăng Thành, Nguyễn Chí Thuần, Vũ Đình Lãm, Nguyễn Xn Phúc Lê Văn Hồng, “ảnh hưởng nồng độ Co độ dày lớp Cu lên giá trị hiệu dịch giá trị từ trở cấu trúc van spin NiCoO/NiFe/Cu/NiFe chế tạo phún xạ catốt”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI (2006), tr 182 N.C.Thuan, N.D.Thanh, L.V.Hong, N.X.Phuc, “Effect of FeCo buffer layer on MR of spin valve”, The 1st International Worksop on Functional Materials and The 3rd International Nanophysics and Nanotechnology, Ha Long, 12-2006 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Nguyễn Anh Tuấn (2002), “Nghiên cứu tính chất từ điện trở khổng lồ màng mỏng chứa Co”, Luận án tiến sĩ, Hà nội Nguyễn Chí Thuần (2002), Luận văn Thạc sĩ Nguyễn Đăng Thành, Nguyễn Chí Thuần, Vũ Đình Lãm, Nguyễn Xn Phúc Lê Văn Hồng, “ảnh hưởng nồng độ Co độ dày lớp Cu lên giá trị hiệu dịch giá trị từ trở cấu trúc van spin NiCoO/NiFe/Cu/NiFe 52 chế tạo phún xạ catốt”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI (2006), tr 182 Tiếng Anh: M.N Baibich, J.M Broto, A Fert, N.V Dau, F Petroff, P Eitenne, G Creuzet, A Friederich and J Chazelas (1988), Phys Rev Lett, 61 2472 A Bathélémy, A.Fert and F.Petroff (1999), “Giant magnetoresistance in multilayers, in”: Handbook of Magnetic Materials, K.H.J.Buschow, NorthHolland, Amsterdam, vol.12, chapter S.S.P Parkin (1990), et Al “Oscillatory magnetic exchange coupling through thin Copper layers”, Phys Rev Lett 66(16), p 2152 B Dieny, V.S Speriosu, S.S Parkin, B.A Gurney, D.R Wilhoit and D Mauri (1991), Phys Rev B43(1) 1297-1300 X Bian, H.T Hardner, S.S Parkin (1996), J Appl Phys, 79(8) 4980-4982 A Fert, P Grunberg, A Barthélémy, F Petroff, W Zinn (1995), J Magn Magn Mater, 140-144 1-8 10 W.H Meiklejohn, C.P Bean (1956), Phys Rev 102 1413 11 W.H Meiklejohn, C.P Bean (1957), Phys Rev 105 904 12 A.E Berkowitz, K Takano (1999), J Magn Magn Mater, 200, 552-570 13 M.J Carey and A.E Berkowitz (1992), Appl Phys, Lett, 60(24), 3060-3062 14 M.J Carey and A.E Berkowitz (1993), J Appl Phys, 73(10), 6892-6896 15 Kentaro Takano, R.H Kodama, A.E Berkowitz, W Cao,G Thomas (1997), Phys Rev Lett 79, 1130 16 Kentaro Takano, R.H Kodama, A.E Berkowitz, W Cao,G Thomas (1998), J Appl Phys 83, 6888 17 S.S Lee, D.G Huang, C.M Park, K.A Lee, J.R Rhee (1997), J Appl Phys, 81(8), 5298-5300 18 R.P Michel, A.Chaiken, C.T.Wang, L.E.Johnson (1998), Phys Rev B58, 8566 19 H D Chopra, B J Hockley, P J Chen, R D McMichael and W F Egelhoff Jr (1997), J Appl Phys, 81(8), 4017-4019 53 20 S Soeya, M Fuyama, S.Tadokoro, T Imagawa (1996), J Appl Phys, 79 (3) 1604-1610 21 Robert C.O’Hadley, Jonh Wiley & Sons (2000), “Modern magnetic materials principles and applications”, 188-192 22 M.Vopsaroiu, M Georgieva, G Vallejo Fernandez, M.J Thwaites, K O’Grady (2005), J Appl Phys, 97, 10N303 23 P.D Battle, A.K Cheetham, G.A Gehring (1979), J Appl Phys.50, 7578 24 H.P.J Wijn (Ed.), Landolt-BoK rnstein (1991), Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Vol.III/27g, Springerl, Berlin, p 30 25 Osamu Kitakami, Hiroshi Takashima, J.Magn.Magn.Mater, 164 43-48 Yutaka Shimada (1996), 26 J Inoue, H Itoh and S Maekawa (1992), J Phys Soc Jpn 61, 1149 27 Y Shirota, Y Kawawake, M Satomi, H Sakakima, Jpn (1998) J Appl Phys 37, 5984 28 W.F Egelhoff, T Ha, R.D.K Misra, Y Kadmon, J Nir, C.J Powell, M.D Stiles, R.D McMichael, C.L Lin, J.M Sivertsen, J.H Judy, K Takano, A.E Berkowitz, T.C Anthony, J.A Brug (1995), J Appl Phys 78, 273 29 H Endo, M Doi, N Hassegawa, M Sahashi (2006), J Appl Phys, 99, 08R70 30 N.C Thuan, N.D Thanh, L.V Hong and N.X Phuc (2006), “Effect of the FeCo buffer layer on MR of spin valve”, The 1st International Worksop on Functional Materials and The 3rd International Nanophysics and Nanotechnology, 325 ... kiểu van spin thông dụng chia thành loại chính: van spin khơng ghim; van spin ghim đối xứng van spin ghim bất đối xứng 10 Van spin không ghim Van spin ghim đối xứng Van spin không đối xứng Van spin. .. tìm chế độ cơng nghệ thích hợp để chế tạo màng đơn lớp cấu trúc đa lớp phức tạp đòi hỏi bắt buộc bước quan trọng nghiên cứu GMR Vì vậy, đề tài nghiên cứu luận văn chọn là: ? ?Chế tạo nghiên cứu van. .. NGUYỄN ĐĂNG THÀNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAN SPIN NiCoO/FM/Cu/FM KÍCH THƯỚC NANOMET Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Lê Văn Hồng HÀ NỘI -