Nghiên cứu vật liệu cho cảm biến van spin kiểu điều biến dùng trong đo đạc địa từ trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN THỊ HOÀI DUNG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHO CẢM BIẾN VAN SPIN KIỂU ĐIỀU BIẾN DÙNG TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA TỪ TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU HÀ NỘI- NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN THỊ HOÀI DUNG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHO CẢM BIẾN VAN SPIN KIỂU ĐIỀU BIẾN DÙNG TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA TỪ TRƯỜNG Chuyên ngành: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ANH TUẤN HÀ NỘI- NĂM 2019 Trần Thị Hoài Dung-2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn Tất số liệu luận văn trung thực chưa công bố đồ án, luận văn hay luận án khác Tôi xin chịu trách nhiệm luận văn Tác Giả Trần Thị Hoài Dung iii Trần Thị Hoài Dung-2019 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VAN SPIN VÀ TỪ TRƯỜNG YẾU Hiệu ứng GMR 1.1.1 Khái quát hiệu ứng GMR 1.1.2 Cơ chế tán xạ phụ thuộc spin Van spin 13 1.2.1 Cấu trúc van spin .13 1.2.2 Hiện tượng liên kết trao đổi dịch ghim từ độ 16 1.2.3 Van spin kiểu điều biến hệ cảm biến SV 17 Hiệu ứng từ điện trở ngược 19 Một số ứng dụng cảm biến van spin 22 1.4.1 Những ứng dụng phổ biến van spin 22 1.4.2 Một số ứng dụng tiêu biểu van spin sở địa từ trường 25 Từ trường yếu từ trường trái đất 27 1.5.1 Từ trường yếu .27 1.5.2 Từ trường trái đất số đặc điểm địa từ trường 29 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .33 Chế tạo mẫu 34 2.1.1 Phương pháp phún xạ cathode 34 2.1.2 Chế tạo màng mỏng đa lớp NiMn/Co/Cu/NiFe 36 2.1.3 Chế tạo màng mỏng đa lớp Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta .37 Khảo sát cấu trúc màng mỏng đa lớp .39 2.2.1 Xác định thành phần hóa học hệ màng mỏng 39 2.2.2 Hiển vi điện tử quét (SEM) .40 Trần Thị Hoài Dung-2019 Khảo sát tính chất từ .41 Khảo sát tính chất từ điện trở 42 Thiết kế cảm biến van spin 43 2.5.1 Chế tạo phần tử cảm biến van spin 43 2.5.2 Mạch cầu Wheatstone hệ cảm biến van spin 45 2.5.3 Khảo sát đặc trưng độ nhạy độ ồn/nhiễu cảm biến van spin 47 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ MẪU NiMn/Co/Cu/NiFe .50 Tính chất từ 50 Đặc trưng từ điện trở MR 54 Kết luận 57 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ MẪU Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta 59 Quan sát hình thái cấu trúc lớp SEM 60 Tính chất từ 60 Đặc trưng từ điện trở MR .61 Cảm biến sở van spin 63 4.4.1 Kết khảo sát độ nhạy độ ồn/nhiễu cảm biến SV 63 4.4.2 Kết khảo sát từ trường yếu 65 Kết luận 67 KẾT LUẬN CHUNG 69 KIẾN NGHỊ .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 76 LỜI CẢM ƠN ii Trần Thị Hoài Dung-2019 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Tiếng Việt AAF Artificial Antiferromagnetic Giả phản sắt từ AC Alternating Current Dòng xoay chiều AFM Antiferromagnetic Phản sắt từ AI Artifical Intelligence Trí tuệ nhân tạo AP Antiparallel Phản song BVS Bottom Spin Valve Van spin ghim đáy CIP Current In Plane Cấu hình mặt phẳng CMOS Complementary Metal-Oxide- Công nghệ chế tạo mạch tích Semiconductor hợp DC Direct Current Dịng chiều DOS Density of states Mật độ trạng thái điện tử EB Exchange Bias Liên kết trao đổi dịch FE-SEM Field Emission Scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ Electron Microscopes trường FM Ferromagnetic Sắt từ GMR Giant Magnetoresistance Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GPS Global Positioning System Định vị toàn cầu IMR Inverse MR Hiệu ứng MR ngược MEMS Microelectromechanical systems Hệ thống vi điện tử MFC Magnetic Flux Concentrator Bộ tập trung thông lượng từ MR Magnetoresistance Hiệu ứng từ điện trở NEB Negative Exchange Bias Tương tác trao đổi dịch âm NM Non Ferromagnetic Phi từ NMR Normal MR Hiệu ứng GMR thông thường P Parallel Song song PC Personal Computer Máy tính cá nhân iv Trần Thị Hoài Dung-2019 PEB Possitive Exchange Bias Liên kết trao đổi dịch dương PSV Pin Spin Valve SV ghim Py Permalloy Hợp kim Niken Sắt RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SDT Spin-Dependent Transport Vận chuyển điện tử phụ thuộc spin SEI Secondary Electron Iamge Chế độ ảnh điện tử thứ cấp SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SSD Spin State Density Mật độ trạng thái spin SV Spin Valve Van spin SVE Spin Valve Effect Hiệu ứng van spin SVS Spin Valve Sensor Cảm biến SV TMR Tunnelling magnetoresistance Từ điện trở xuyên ngầm TVS Top Spin Valve Van Spin ghim đỉnh VSM vibrating sample magnetometer Từ kế mẫu rung WD Working Distance Khoảng làm việc v Trần Thị Hoài Dung-2019 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số đơn vị từ học thông dụng hệ số chuyển đổi hệ đơn vị SI CGS [3] .28 Bảng 1.2 Mật độ thông lượng từ trung bình số thiết bị/dụng cụ gia dụng (μT) [39] .29 Bảng 2.1 Thành phần nguyên tố bia hợp chất 39 Bảng 4.1 Một số thông số tính chất từ GMR phần tử SV đơn Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta 62 Bảng 4.2 Các thông số độ nhạy độ phi tuyến SV .64 vi Trần Thị Hoài Dung-2019 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sự thay đổi điện trở theo từ trường Hình 1.2 a) Hiệu ứng GMR quan sát thấy màng mỏng từ có cấu trúc đa lớp kiểu FM/NM: [Fe/Cr]n, với n số cặp lớp Fe/Cr (n = 30, 35, 40) b) Điện trở thấp nhất từ độ lớp FM xếp song song với nhau, cao xếp phản song Hình 1.3 Sơ đồ mô tả cấu trúc DOS điện tử dải 4s 3d kim loại thường (a), kim loại sắt từ (b) .9 Hình 1.4 Sơ đồ đơn giản minh họa cho mơ hình hai dịng Mott thể chế tán xạ điện tử với spin khác màng mỏng từ đa lớp a) Hai lớp sắt từ FM liên kết phản song với b) Hai lớp sắt từ FM liên kết song song với 10 Hình 1.5 Mật độ trạng thái (DOS) điện tử cấu trúc từ đa lớp trình chuyển dời điện tử phụ thuộc spin qua cấu trúc với cấu hình xếp phản song (a) song song (b) từ độ lớp 12 Hình 1.6 (a) Mô tả hiệu úng van spin cấu trúc sở gồm lớp đơn giản nhất: FM/NM/FM, tiền thân cấu trúc (b) Sơ đồ minh họa cấu trúc van spin ghim gồm bốn lớp: FM2/NM/FM1/AFM .14 Hình 1.7 a) SV ghim đáy (Bottom spin valve - BSV) c) SV ghim đỉnh (Top spin valve - TSV) b) Sự kết hợp hai loại BVS TSV 14 Hình 1.8 Đường cong từ trễ hạt CoO/Co đo T = 77 K Đường đứt nét đường cong từ trễ vật liệu không làm nguội từ trường Đường liền nét đường từ trễ vật liệu làm nguội từ trường [6] 17 Hình 1.9 Sơ đồ hệ cảm biến SV với thành phần cấu tạo (dựa theo [3]) .18 Hình 1.10 Cảm biến SV chế tạo ứng dụng tổ hợp với dẫn từ thông (FC) dày 200 nm cần rung MEMS đỉnh (tần số dao động: 400 kHz) [9] .19 Hình 1.11 (a) Cấu trúc SV ghim AFM/FM2/NM/FM1 biểu đồ cho hành vi MR âm vùng từ trường thấp Biểu đồ cho thấy SV đóng vai trị cảm biến từ vùng tuyến tính, phần tử logic làm việc từ trường |H| > |HS| vii Trần Thị Hoài Dung-2019 (b) Hiệu ứng GMR bình thường thể hành vi điện trở âm (gọi MR dương) (c) Hiệu ứng GMR ngược, hay hiệu ứng IMR, biểu thị hành vi điện trở dương 20 Hình 1.12 Sơ đồ thiết kế cảm biến SV mạch cầu Wheastone kết hợp sử dụng phần tử cảm biến SV có hiệu ứng GMR IMR [10] 21 Hình 1.13 Cơ chế minh họa a) hiệu ứng MR cho van spin điển hình b) IMR cho van spin nghịch đảo [10] .21 Hình 1.14 Các lĩnh vực ứng dụng kiểu cảm biến từ chế tạo công nghệ khác với tính chất từ vùng từ trường hoạt động tương ứng [5] 23 Hình 1.15 (a) Sự biến dạng từ thông từ trường Trái đất ô-tô qua cách bố trí cảm biến SV để ghi nhận (theo [8]) (b), (c) Các dạng tín hiệu đáp tứng thay đổi từ trường cảm biến SV phương tiện vận tải khác (theo [11]) 26 Hình 1.16 Mơ hình thiết lập để xác định tốc độ thời lượng tín hiệu ô-tô qua hai cảm biến S1 S2 nhằm giám sát, phân loại điều khiển giao thông (theo [7]) 26 Hình 1.17 Cơ chế dynamo tạo từ trường Trái Đất: dòng đối lưu điều khiển dòng nhiệt từ lõi tạo từ trường [2] .30 Hình 1.18 Bản đồ địa từ cho thấy vị trí Bắc cực từ bị dịch chuyển độ giảm từ trường vào đầu năm 2019 (Theo NOAA NCEI/CIRES) [4] .31 Hình 1.19 Bản đồ cường độ từ trường Trái đất năm 2015 [1] (a) Theo phương ngang x (b) Theo phương dọc y (c) Tổng cường độ từ trường trái đất (phương xy) 32 Hình 2.1 (a) Nguyên lý trình hình thành màng phương pháp phún xạ (b) Nguyên lý làm việc hệ thống phún xạ magneton DC .34 Hình 2.2 (a) Hệ phún xạ SCM400 ITIMS 35 Hình 2.3 (a) Sơ đồ mặt cắt ngang cấu trúc mẫu đa lớp MnNi/Co/Cu/ Py, với độ dày tương ứng lớp (b) Mặt nạ Si có khe với chiều rộng mm chiều dài 10 mm .36 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc thiết kế mẫu màng mỏng SV có ghim Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta, với độ dày tương ứng lớp 38 viii Trần Thị Hoài Dung-2019 Cảm biến sở van spin 4.4.1 Kết khảo sát độ nhạy độ ồn/nhiễu cảm biến SV Những kết khảo sát tính chất từ hiệu ứng GMR/SV thực với mẫu SV (T) vật liệu sở ban đầu cho cảm biến SV có ghim, coi phần tử cảm biến SV đơn lẻ Để khảo sát khả nhạy từ trường yếu mục tiêu ban đầu đặt ra, tiến gần đến ứng dụng thực tế địa từ trường, hệ cảm biến SV sở cảm biến SV đơn Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta, ghép thành mạch cầu dạng Wheatstone nhằm giảm nhiễu làm tăng độ nhạy với từ trường cảm biến, trình bày Chương 2, Mục 2.5.2, với Hình 2.11 2.12 Để khảo sát độ nhạy hệ cảm biến SV, phần tử cảm biến SV đặt cuộn dây Helmholtz, thực nghiệm có vai trị làm nguồn phát từ trường tham chiếu, mơ tả Mục 2.5.3 Hình 2.13 2.14 Chương Hệ số cuộn Helmholtz chuẩn xác định 33,48 Oe/A Máy phát hàm SFG 2010 tạo tín hiệu xung tam giác để điều biến từ trường phát từ cuộn Helmholtz Với xung cho phép quan sát biến đổi từ trường tuyến tính từ “+” sang “‒” ngược lại Máy sóng GDS 1062A hiển thị dạng xung biến thiên cường độ từ trường tham chiếu phát từ cuộn Helmholtz đồng thời với tín hiệu đáp ứng từ trường tương ứng hệ cảm biến SV Trên hiển thị máy sóng Hình 4.5, CH1 kênh hiển thị từ trường cuộn Helmholtz tạo (đường xung tam giác màu vàng), kênh CH2 hiển thị đáp ứng tín hiệu hệ cảm biến SV ứng với xung từ trường tương ứng (đường xung tam giác màu xanh) Hình 4.5 cho thấy biến thiên tuyến tính từ trường tham Hình 4.5 Máy sóng GDS 1062A kết hiển thị xung từ trường tham chiếu phát từ cuộn Helmholtz đồng thời với tín hiệu đáp ứng từ trường hệ cảm biến SV 63 Trần Thị Hoài Dung-2019 Hình 4.6 (a) Đường cong đáp ứng từ trường tác dụng lên hệ cảm biến SV điện áp đầu hệ cảm biến SV sử dụng để đánh giá độ nhạy (b) Độ phi tuyến cảm biến SV chiếu ½ chu kỳ xung tam giác tương ứng với tín hiệu đáp ứng tuyến tính cảm biến, ngược pha Căn vào số liệu nhận từ trường tham chiếu đáp ứng điện áp đầu hệ cảm biến (được trích xuất từ máy sóng GDS 1062A), thiết lập đặc trưng đáp ứng tín hiệu Hình 4.6 (a), từ tính mức độ phi tuyến đường đặc trưng này, Hình 4.6 (b) Trên sở độ dốc đường đặc trưng đáp ứng tín hiệu khoảng từ trường tương ứng, xác định số thông số kỹ thuật liên quan đến độ nhạy độ phi tuyến hệ cảm biến SV, trình bày Bảng 4.2 Bảng 4.2 Các thơng số độ nhạy độ phi tuyến SV Độ nhạy 1.36 mV/V/Oe Độ trễ Hầu (có thể bỏ qua) Vùng làm việc tuyến tính ± Oe Độ phi tuyến 0.21 % Đối với kết khảo sát độ nhiễu/ồn cảm biến SV, theo mô tả thực nghiệm với sơ đồ nguyên lý hệ đo trình bày Mục 2.5.3, Chương 2, với Hình 2.15 2.16, sau cấp nguồn DC cho cảm biến SV, thu thập liệu DAQ truyền thơng tin đến máy tính PC để xử lý hiển thị kết Hình 4.7 cho thấy kết thu độ ồn/nhiễu cảm biến đạt ~100 nT (~ 0.1 Oe) Hz Kết phản ánh chủ yếu độ ồn nhiễu nội thân hệ cảm biến SV 64 Trần Thị Hồi Dung-2019 cảm biến SV ngăn cách nguồn từ trường tạp nhiễu không mong muốn đến từ bên ngoài, kể từ trường Trái đất, ống chắn từ Về bản, chất loại ồn/nhiễu chủ yếu ồn điện tử ồn nhiệt gây trình cảm biến SV hoạt động 4.4.2 Kết khảo sát từ trường yếu Hình 4.7 Kết đo độ ồn/nhiễu hệ cảm biến SV Hệ cảm biến SV chế tạo sử dụng để thử nghiệm phát nguồn từ trường yếu phát từ số nguồn khác nhau, nhằm tìm hiểu khả cho ứng dụng địa từ trường sau (do điều kiện thời gian khối lượng công việc nằm ngồi khn khổ nghiên cứu luận văn này) Trong thực nghiệm đây, cuộn dây tạo xung nhịp đồng hồ điện tử đeo tay cuộn Helmholtz sử dụng làm nguồn phát từ trường yếu Đồng hồ điện tử đeo tay tạo từ trường có cường độ yếu, nhỏ từ trường Trái đất nhiều, có hệ số chuyển đổi k = 33,48 Oe/A, tín hiệu cuộn dây tạo xung nhịp đồng hồ điện tử tạo xung có thang mV@R 10Ω Vì I = U/R = 4/10 = 0,4 mA, tính cường độ từ trường B = k.I = (0,4×33,48)/1000 = 0,013 Oe Như B ~ 0,013 Oe < 0,5 Oe từ trường Trái đất Kết khảo sát từ trường phát cuộn dây tạo xung nhịp có dạng xung vng trình bày Hình 4.8 Biên độ xung nhịp đo đồng hồ vào khoảng Vpp ~ mV với tần số đo f ~ kHz (quan sát hiển thị máy sóng, Hình 4.8(b)) Khi cảm biến tách khỏi đồng hồ đeo tay, xung tín hiệu hiển thị dao động ký Đối với khảo sát thực nghiệm tiếp theo, sử dụng cuộn Helmholtz phát từ trường yếu có dạng xung khác nhau, dạng xung cưa, xung chữ nhật hay dạng hình sin) cách đặt dịng điện chạy qua cuộn Helmholtz có dạng xung tương tự, từ sử dụng cảm biến SV để ghi nhận hay phát lại tín hiệu từ trường có dạng xung tương ứng 65 Trần Thị Hoài Dung-2019 a b Hình 4.8 (a) Bộ module đo tín hiệu từ trường đồng hồ đeo tay (b) Kết quan sát đo tín hiệu hệ cảm biến SV đáp ứng với từ trường đồng hồ đeo tay Hình 4.9 mơ tả số kết dùng cảm biến SV để thực ghi nhận tín hiệu từ trường ứng với dạng xung khác Biên độ xung điện áp ứng với từ trường cuộn Helmholtz xác lập < mV, tần số xung dịng điện tương ứng ~ 0,5 Hz, tín hiệu đầu cảm biến SV, cho thấy dạng xung ghi nhận đầu hệ cảm biến có dạng lặp lại hồn tồn ứng với dạng xung từ trường cuộn Helmholtz phát ra, ngược pha với tín hiệu từ trường Đối với xung tín hiệu kích thích đầu vào cuộn Helmholtz có dạng vng với Vpp ~ 4,47 mV, xung tín hiệu đầu cảm biến SV có dạng vuông khuếch đại: Vpp ~ 156 mV; tương tự với trường hợp xung hình sin: Vpp ~ 3,35 mV / Vpp ~ 138 mV, xung hình cưa: Vpp ~ 3,96 mV / Vpp ~ 136 mV, kết hiển thị sóng Hình 4.9 Sai số phép đo 8,21 %, tính tổng sai số máy (3 %) sai số cảm biến (= sai số phi tuyến (0.21 %) + sai số cân chỉnh (5 %)) Những kết khảo sát chothấy cảm biến SV làm việc với đặc trưng tuyến tính tốt vùng từ trường yếu < Oe Kết khảo sát dạng tín hiệu từ trường yếu khác cho thấy, cảm biến SV chế tạo khả ghi nhận, phát hay đo lường cường độ từ trường cỡ yếu từ trường trái đất, mà cịn có khả ghi lại cách trung thực dạng biến đổi từ trường Điều có ý nghĩa việc sử dụng cảm biến SV cho mục đích ứng dụng để khảo sát địa từ trường, bao gồm đo cường độ hình dạng biến thiên từ trường khơng gian 66 Trần Thị Hồi Dung-2019 Xung phát từ cuộn Helmholtz Hình 4.9 Các xung điều khiển có dạng vng, hình sin cưa phát từ cuộn Helmholtz với biên độ ~ 0,33 Oe − đường vàng − hệ cảm biến SV ghi nhận chuyển thành tín hiệu điện áp có dạng xung tương tự, với điện áp đầu ngược pha với xung tín hiệu đầu vào, khuếch đại − đường xanh Những kết thu cịn gợi ý khả áp dụng tốt cảm biến SV chế tạo nhiều ứng dụng khác sử dụng từ trường yếu hay từ trường Trái đất, la bàn điện tử, điều hướng cho chuyển động, điều khiển kiểu cách ly từ tính (magcoupler) Hơn nữa, thực tế, có nhiều trang thiết bị điện hay điện tử hoạt động theo phương thức điều khiển cách ly/từ xa theo cách thức khơng tiếp xúc lý an tồn, thuận tiện, hay điều kiện địa hình, cấu trúc hình học phức tạp, khơng thuận lợi cho việc truyền tín hiệu điều khiển hay đo lường trực tiếp tới trang thiết bị cần thiết Trong trường hợp áp dụng phương thức trên, cách biến tín hiệu điều khiển thành tín hiệu từ trường tương ứng, từ sử dụng cảm biến SV để ghi nhận tín hiệu điều khiển truyền đạt tới trang thiết bị mong muốn Kết luận - Trong Chương 4, với mục đích hướng đến ứng dụng thực tế từ trường yếu hay địa từ trường, phương pháp phún xạ cathode, dựa số liệu công nghệ lắng đọng bia vật liệu, thông số kỹ thuật khác chuẩn 67 Trần Thị Hoài Dung-2019 hóa từ trước, tiến hành chế tạo hệ màng mỏng đa lớp SiSiO2/Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta có tính chất từ đặc trưng GMR thích hợp, đáp ứng cho mục đích chế tạo cảm biến SV ứng dụng dị tìm từ trường yếu từ trường trái đất - Tính chất từ với đặc tính ghim lớp IrMn lên lớp CoFe quan sát thấy rõ ràng hệ màng mỏng SV Si-SiO2/Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta, thể dịch chuyển mạnh phía từ trường âm đường từ trễ, với cường độ trường ghim (trường liên kết trao đổi dịch) Eex ~ 500 Oe Trong đó, tương tác trao đổi dịch yếu lớp NiFe, lớp tự do, với độ dịch chuyển < 10 Oe phía từ trường âm - Hiệu ứng GMR đạt lớn hệ màng mỏng SV Si-SiO2/Ta/NiFe/Co/ Cu/CoFe/IrMn/Ta GMR ~ 8,5 % Đặc điểm đường đặc trưng GMR với thông số đạt cho thấy cấu trúc SV có khả sử dụng mơi trường có nhiệt độ hoạt động cảm biến SV cao so với nhiệt độ phòng Khoảng tuyến tính đạt cho cảm biến nằm khoảng từ trường cỡ ± 100 Oe tương ứng với tỷ số lớn GMR ~ 4,5%, ứng với độ nhạy khoảng 0,045 %/Oe (hay 0,45 %/mT) - Bằng kỹ thuật quang khắc kết hợp với lift-off, với kỹ thuật điều biến điện tử sử dụng mạch lock-in áp dụng để giảm nhiễu tần số thấp, chế tác phần tử cảm biến SV mẫu (prototype) sở cấu trúc màng mỏng đa lớp SiSiO2/Ta/NiFe/Co/Cu/ CoFe/IrMn/Ta có độ nhạy ~1,36 mV/V/Oe, độ trễ bỏ qua, vùng làm việc ứng với cường độ từ trường trái đất, tức ± 0,5 Oe, độ phi tuyến 0,21% - Các kết khảo sát thu phần tử cảm biến SV mẫu chứng tỏ có khả sử dụng cảm biến để phát hiện, dị tìm đo từ trường yếu Oe với độ nhạy cao > mV/V/Oe đồng thời ghi nhận dạng biến đổi từ trường 68 Trần Thị Hoài Dung-2019 KẾT LUẬN CHUNG Các kết “Nghiên cứu vật liệu cho cảm biến van spin kiểu điều biến dùng đo đạc địa từ trường” tập trung chủ yếu vào hai nhóm vật liệu đa lớp có cấu trúc kiểu van spin ghim, hệ màng mỏng NiMn/Co/Cu/NiFe ‒ ký hiệu hệ (I) ‒ chế tạo khảo sát tính chất phần lớn thực viện ITIMS; hệ màng mỏng Ta/NiFe/Co/Cu/CoFe/IrMn/Ta ‒ ký hiệu tương ứng hệ (T) ‒ chế tạo khảo sát tính chất chủ yếu nước ngồi (Đài Loan), số tính chất khác khảo sát nước Cả hai hệ vật liệu chế tạo kỹ thuật phún xạ cathode khảo sát tính chất cấu trúc lớp, tính chất từ, đặc tính ghim, đặc trưng hiệu ứng từ điện trở (hay hiệu ứng GMR), dạng phần tử dạng Hệ vật liệu (I) nghiên cứu chủ yếu với mục đích nắm bắt khả chủ động công nghệ chế tạo SV từ trường thấp nước, kết thu cịn hạn chế điều kiện kỹ thuật nước Tuy nhiên kết cho thấy hệ có khả tạo đặc tính từ trường thấp Đặc biệt hệ phát thấy hiệu ứng IMR sau ủ nhiệt độ cao > 200°C/0,5 Điều mở khả tiếp tục tìm hiểu để phát triển loại cảm biến SV hiệu ứng IMR loại cảm biến tổ hợp hiệu ứng GMR thông thường hiệu ứng IMR Trong với hệ vật liệu (T), tiến hành thử nghiệm chế tác thành công phần tử cảm biến SV thực có khả ứng dụng từ trường thấp Các phần tử cảm biến SV (T) chế tác theo cơng nghệ lift-off ăn mịn khơ, có kết hợp kỹ thuật quang khắc chùm tia điện tử, để hình thành nên linh kiện cảm biến từ trường dạng hệ hoàn chỉnh dạng mạch cầu Wheastone Về bản, kết đạt hệ (T) cảm biến SV sở hệ vật liệu cho thấy đáp ứng mục đích đề với hai mục tiêu đạt là: (i) Đã nắm yếu tố quy trình cơng nghệ chế tạo 69 Trần Thị Hoài Dung-2019 cảm biến van spin từ trường thấp (ii) Trên sở cảm biến SV hệ này,đã tiến hành số thử nghiệm ứng dụng thực tế từ trường thấp tương đương thấp từ trường Trái đất, phát từ trường cuộn dây tạo xung nhịp đồng hồ điện tử từ trường phát từ cuộn Helmholtz Kết cho thấy cảm biến SV chế tạo có khả phát hiện, dị tìm đo độ lớn hình dạng biến đổi từ trường Trái đất từ trường yếu Oe, với độ nhạy đạt > mV/V/Oe 70 Trần Thị Hoài Dung-2019 KIẾN NGHỊ Mục tiêu luận văn muốn tạo tiền đề phát triển công nghệ ứng dụng cảm biến van spin phát hiện, đo lường điều khiển từ trường yếu-từ trường trái đất Mục đích cuối luận văn nghiên cứu vật liệu cho cảm biến van spin điều biến ứng dụng đo đạc địa từ trường nói riêng từ trường yếu nói chung Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu có hạn, điều kiện kỹ thuật nước nhiều hạn chế số yếu tố khách quan-chủ quan khác, kết trình bày luận văn chế tạo hệ mẫu NiMn/Co/Cu/NiFe có hiệu ứng tương đối phù hợp với mục tiêu phát triển, làm chủ công nghệ hệ mẫu chưa khai thác triệt để tính chất hiệu ứng SV để từ ứng dụng trực tiếp chế tạo cảm biến sử dụng thực tế Mặc khác, hệ mẫu Ta/NiFe/Co/Cu/ CoFe/IrMn/Ta chế tạo phát triển theo hướng cảm biến SV sử dụng điều kiện thực tế kết cảm biến SV luận văn dừng lại mức độ khảo sát đặc trưng bản, sơ độ nhạy, loại bỏ độ nhiễu/ồn chưa tập nâng cao độ nhạy cảm biến Mặc dù với luận văn thạc sĩ khoa học kết tương đối đủ mục tiêu đề từ đầu nhóm nghiên cứu chưa thể hồn thành tối ưu Vì vậy, kiến nghị: - Tiếp tục nghiên cứu loại cảm biến SV sử dụng hiệu ứng từ điện trở ngược IMR Trên sở tìm hiểu khả phát triển loại hệ cảm biến SV kết hợp tính chất GMR thơng thường hiệu ứng IMR - Tiếp tục tìm hiểu khả tích hợp tập trung thông lượng từ (FC) sở sử dụng màng mỏng từ siêu mềm đa lớp kiểu [NiFe/Ta]n vào cảm biến từ SV có ghim, làm sở để nghiên cứu phát triển dòng cảm biến SV có độ nhạy cao hướng vào mục đích ứng dụng thực tế cụ thể 71 Trần Thị Hoài Dung-2019 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Anh The Earth's Magnetic Field: An Overview British Geological Survey How does the Earth's core generate a magnetic field? USGS FAQs United States Geological Survey Holman, P., Magnetoresistance (MR) transducers and how to use them as sensors Honeywell International July, 2004 News: World Magnetic Model Out-of-Cycle Release NOAA - NCEI (https://www.ncei.noaa.gov/news/world-magnetic-model-out-cycle-release), 2019 Díaz-Michelena, M., Small magnetic sensors for space applications Sensors, 2009 9(4): p 2271-2288 Meiklejohn, W.H and C.P Bean, New magnetic anisotropy Physical review, 1956 102(5): p 1413 Zhu, H and F Yu, A cross-correlation technique for vehicle detections in wireless magnetic sensor network IEEE Sensors Journal, 2016 16(11): p 4484-4494 Maxwell, A., [Online] Available: http://www.ansys.com/ products/ electronics/ansys-maxwell., Accessed: Nov 21, 2017 Guedes, A., et al., Hybrid magnetoresistive∕ microelectromechanical devices for static field modulation and sensor 1∕ f noise cancellation Journal of Applied Physics, 2008 103(7): p 07E924 10 Luong, V.S., N.A Tuan, and T.T.H Dung, Antiparallel-Pinned Spin Valves With Modified Artificial Antiferromagnetic Layer for Full-Bridge Magnetic Sensors IEEE Transactions on Magnetics, 2018 54(11): p 1-5 11 Smith, C.H and R.W Schneider Low-field magnetic sensing with GMR sensors in Sensors EXPO 1999 12 Thomson, W., XIX On the electro-dynamic qualities of metals:—Effects of magnetization on the electric conductivity of nickel and of iron Proceedings of the Royal Society of London, 1857(8): p 546-550 13 H.Tomlison, Phil Trans Roy Soc London Ser A 174 1883: p ( "Magnetoresistance" by GL Pearson, Methods of Experimental Physics, Vol - Part B: Solid State Physics, ed By K Lark - Horovitz and V A, Johnson, Academic Press, New York - London, 1956, p 160) 14 P.Lenard, Ann Physik [3] 39 1890: p 619 ( "Magnetoresistance" by GL Pearson, Methods of Experimental Physics, Vol - Part B: Solid State Physics, ed By K Lark - Horovitz and V A, Johnson, Academic Press, New York - London, 1956, p 160) 15 Lenz, J.E., A review of magnetic sensors Proceedings of the IEEE, 1990 78(6): p 973-989 16 Baibich, M.N., et al., Giant magnetoresistance of (001) Fe/(001) Cr magnetic superlattices Physical review letters, 1988 61(21): p 2472 72 Trần Thị Hoài Dung-2019 17 Binasch, G., et al., Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange Physical review B, 1989 39(7): p 4828 18 Tsymbal, E.Y and D.G Pettifor, Perspectives of giant magnetoresistance, in Solid state physics 2001, Elsevier p 113-237 19 Dieny, B., et al., Magnetotransport properties of magnetically soft spin‐valve structures Journal of Applied Physics, 1991 69(8): p 4774-4779 20 Dieny, B., et al., Giant magnetoresistive in soft ferromagnetic multilayers Physical Review B, 1991 43(1): p 1297 21 Coehoorn, R., Giant magnetoresistance in exchange-biased spin-valve layered structures and its application in read heads, in Magnetic Multilayers and Giant Magnetoresistance 2000, Springer p 65-127 22 Egelhoff Jr, W.F., et al., Magnetoresistance values exceeding 21% in symmetric spin valves Journal of applied physics, 1995 78(1): p 273-277 23 Yoshizawa, Y.a., S Oguma, and K Yamauchi, New Fe‐based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure Journal of applied Physics, 1988 64(10): p 6044-6046 24 Nogués, J., et al., Positive Exchange Bias in Fe F 2-Fe Bilayers Physical review letters, 1996 76(24): p 4624 25 Guedes, A., et al., Towards picoTesla magnetic field detection using a GMRMEMS hybrid device IEEE Transactions on Magnetics, 2012 48(11): p 41154118 26 Bellouard, C., et al., Negative spin-valve effect in Co 65 Fe 35/Ag/(Co 65 Fe 35) 50 Gd 50 trilayers Physical Review B, 1996 53(9): p 5082 27 Dinia, A., et al., Inverse magnetoresistance in Fe/Si ion beam sputtered sandwiches Journal of applied physics, 1999 85(8): p 4477-4479 28 George, J.-M., et al., Inverse spin-valve-type magnetoresistance in spin engineered multilayered structures Physical review letters, 1994 72(3): p 408 29 Marrows, C., F Stanley, and B Hickey, Inverse giant magnetoresistance at room temperature in antiparallel biased spin valves and application to bridge sensors Applied Physics Letters, 1999 75(24): p 3847-3849 30 Rahmouni, K., et al., Inverse magnetoresistance in Co/Ru/Co and doped C o/R u/C o 0.92 Ru 0.08 sandwiches Physical Review B, 1999 59(14): p 9475 31 Renard, J.-P., et al., Inverse magnetoresistance in the simple spin-valve system Fe 1− x V x/Au/Co Physical Review B, 1995 51(18): p 12821 32 Renard, J.P., et al., Inverse giant magnetoresistance Journal of applied physics, 1996 79(8): p 5270-5275 33 Vouille, C., et al., Inverse CPP-GMR in (A/Cu/Co/Cu) multilayers (A= NiCr, FeCr, FeV) and discussion of the spin asymmetry induced by impurities Journal of applied physics, 1997 81(8): p 4573-4575 34 Cubells-Beltrán, M.-D., et al., Integration of GMR sensors with different technologies Sensors, 2016 16(6): p 939 73 Trần Thị Hoài Dung-2019 35 Reig, C., et al., Low-current sensing with specular spin valve structures IEE Proceedings-Circuits, Devices and Systems, 2005 152(4): p 307-311 36 Liang, Y.-C., et al., Ultrasensitive magnetic nanoparticle detector for biosensor applications Sensors, 2017 17(6): p 1296 37 Al-Karaki, J.N and A.E Kamal, Routing techniques in wireless sensor networks: a survey IEEE wireless communications, 2004 11(6): p 6-28 38 Liu, X., et al., Overview of spintronic sensors, Internet of Things, and smart living arXiv preprint arXiv:1611.00317, 2016 39 http://www.hydroquebec.com/fields/corps-humain.html / Michel Plante, D.S.e.s., THE POWER SYSTEM AND HEALTH - Electric and Magnetic Fields HydroQuébec (www.hydroquebec.com), 2011 40 Shlermeler, Q., Solar wind hammers the ozone layer News@nature, 3/3/2005 41 Manners, J., Static fields and potentials Vol 2000: CRC Press 42 Szondy, D., Earth's north magnetic pole sprints toward Siberia News Atlas– Science (https://newatlas.com/earth-north-magnetic-pole-sprint/58324/), Feb, 5th, 2019 43 Geomagnetism Frequently Asked Questions National Geophysical Data Center 44 Palm, E., Tesla National High Magnetic Field Laboratory, 2011 45 McElhinny, M and P.L McFadden, The magnetic field of the earth: paleomagnetism, the core, and the deep mantle Vol 63 1998: Academic Press 46 Mohseni, S., et al., Temperature-dependent interlayer coupling in Ni/Co perpendicular pseudo-spin-valve structures Physical Review B, 2011 84(17): p 174432 47 Shi, H and D Lederman, Exchange bias flop in Fe x Zn 1− x F 2/Co bilayers Physical Review B, 2002 66(9): p 094426 48 Brück, S., et al., Exploiting Length Scales of Exchange‐Bias Systems to Fully Tailor Double‐Shifted Hysteresis Loops Advanced Materials, 2005 17(24): p 2978-2983 49 Nguyen Anh Tuan, L.V.S., Hoang Quoc Khanh, Tran Thi Hoai Dung, Nguyen Anh Tue, Magnetization process and interlayer coupling in MnNi/Co/Ag(Cu)/Py high-temperature annealed spin valves Journal of Science and Technology (JST) – TECH UNIV, Sẽ in 2019 50 Lee, C.-G., et al., Effects of annealing on the GMR and domain structure stabilization in a Py/Cu/Py/MnIr spin valve Journal of magnetism and magnetic materials, 2004 272: p 1887-1888 51 Miltényi, P., et al., Tuning exchange bias Applied physics letters, 1999 75(15): p 2304-2306 52 Sort, J., et al., Exchange bias effects in Fe nanoparticles embedded in an antiferromagnetic Cr2O3 matrix Nanotechnology, 2004 15(4): p S211 53 Lee, S., et al., Antiferromagnet IrMn thickness dependence in exchange-biased perpendicular magnetic anisotropy based on CoFe/Pt/CoFe/[IrMn (tIrMn)] multilayers Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006 304(1): p e91e93 74 Trần Thị Hoài Dung-2019 54 Phuoc, N.N and T Suzuki, Perpendicular exchange bias mechanism in Fe Pt∕ Fe Mn multilayers Journal of applied physics, 2007 101(9): p 09E501 55 Nguyen Anh Tuan, L.V.S., Hoang Quoc Khanh, Tran Thi Hoai Dung, Nguyen Anh Tue, The mechanism of inverse magnetoresistance in high-Ta annealed MnNi/Co/Ag(Cu)/Py spin valves Communications in Physics, 2019: p In Review Tài liệu Tiếng Việt 56 Đề tài cấp Nhà nước KC02-13-01 (2001-2002) 57 Đề tài cấp Bộ mã số B2004-59-12 (2004-2005) 58 Đề tài cấp Bộ mã số B2007-01-101 (2007-2008) 59 Đề tài cấp Bộ mã số B2017-BKA-48 (2017-2018) 60 Đề tài Nafosted mã số 103.02.50.09 (2009-2011) 61 Đề tài Nafosted mã số 103.02.2012.65 (2012-2014) 62 Đề tài Nafosted mã số 103.02.2015.04 (2016-2018) 63 Đề tài Nafosted mã số 103.02.2016.03 (2017-2019) 64 Đề tài cấp CS (Trường ĐHBKHN) T2016-PC-132 (2016-2017) 65 Đề tài cấp CS (Phân cấp, Trường ĐHBKHN) T2016-PC-132 (2016-2017) 66 Đề tài cấp CS (Phân cấp, Trường ĐHBKHN) T2017-TT-005 (2017-2018) 67 Đề tài cấp Bộ (Ch trình vật lý), mã số B2018-BKA-09-CtrVL (2019-2020) 75 Trần Thị Hoài Dung-2019 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Luong Van Su, Nguyen Anh Tuan, and Tran Thi Hoai Dung, AntiparallelPinned Spin Valves With Modified Artificial Antiferromagnetic Layer for Full-Bridge Magnetic Sensors IEEE Transactions on Magnetics, 2018 54(11): p 1-5 Nguyen Anh Tuan, Luong Van Su, Hoang Quoc Khanh, Tran Thi Hoai Dung, Nguyen Anh Tue, Magnetization process and interlayer coupling in MnNi/Co/Ag(Cu)/Py high-temperature annealed spin valves Journal of Science and Technology (JST) – TECH UNIV, Sẽ in 2019 Nguyen Anh Tuan, Luong Van Su, Hoang Quoc Khanh, Tran Thi Hoai Dung, Nguyen Anh Tue, The mechanism of inverse magnetoresistance in high-Ta annealed MnNi/Co/Ag(Cu)/Py spin valves Communications in Physics, 2019: p In Review 76 Trần Thị Hoài Dung-2019 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành sâu sắc đến người thầy hướng dẫn khoa học tôi, PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn, người tận tâm bảo từ bắt đầu theo đường nghiên cứu khoa học Ở Thầy, học nhiều điều từ tác phong làm việc, cung cách nghiên cứu cho hiệu khoa học đến suy nghĩ, hành động lối sống ngày Thầy dẫn tơi suốt q trình hồn thành chương trình Thạc sĩ, bỏ thời gian để chỉnh sửa chi tiết dù nhỏ thảo để có luận văn mà thầy cịn quan tâm giúp đỡ sống Tôi bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Lương Văn Sử, người hướng dẫn khoa học thức thầy tận tâm bảo tơi bước đầu vào viện ITIMS với thầy Nguyễn Anh Tuấn Ngoài kiến thức chun ngành Thầy cịn tận tâm dạy tơi làm để chế tạo linh kiện, ghép nối chúng để trở thành hệ đo cần thiết tiến hành khảo sát thực nghiệm Không Thầy tư vấn tạo điều kiện để tiếp tục đường nghiên cứu khoa học Trong q trình học tập hồn thành chương trình đào tạo Viện ITIMS, tơi nhận quan tâm giúp đỡ Ban Giám đốc Viện thầy Chương trình đào tạo Thạc sĩ không cần kiến thức chuyên sâu theo lĩnh vực nghiên cứu mà kiến thức đại cương, khoa học vật liệu quan trọng, biết ơn người Thầy người Cô Viện ITIMS tận tâm dạy, truyền đạt đến kiến thức quý giá Tôi xin cảm ơn giúp đỡ Giáo sư toàn thể thành viên PTN Spintronics, Khoa Vật lý, Trường Đại học Quốc Gia Đài loan (NTU-National Taiwan University) giúp đỡ việc chế tạo khảo sát số tính chất hệ mẫu Ta/NiFe/Co/Cu /CoFe/IrMn/Ta Ngồi tơi cảm ơn hỗ trợ từ Phịng thí nghiệm Hiển vi điện tử Vi phân tích (BKEMMA), Viện Tiên tiến Khoa học Cơng nghệ (AIST), Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) cho phép đo hệ SEM Một lần xin chân thành cảm ơn tất người đặt biệt PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn 77 ... chế tạo ứng dụng SVS từ trường yếu từ trường trái đất chưa thực Vì đề tài ? ?Nghiên cứu vật liệu cho cảm biến van spin kiểu điều biến dùng đo đạc địa từ trường? ?? thực Viện ITIMS trường ĐH Bách khoa... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN THỊ HOÀI DUNG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHO CẢM BIẾN VAN SPIN KIỂU ĐIỀU BIẾN DÙNG TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA TỪ TRƯỜNG Chuyên ngành:... địa từ trường SV hay hệ cảm biến SV kiểu điều biến hệ cảm biến có ba kỹ thuật điều biến thường sử dụng: (i) Điều biến tín hiệu từ trường đầu vào hệ SV, (ii) điều biến tín hiệu đầu sau cảm biến