Các màng mỏng từ liên kim loạ
6.5.2. Các màng mỏng đa lớp có liên kết phản sắt từ
Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ trong các màng mỏng đa lớp lần đầu tiên đ−ợc phát hiện bởi một nhóm các nhà khoa học ng−ời Pháp vào năm 1988 trên cấu hình {Fe(3 nm)/Cr(0,9 nm)}30. Hiệu ứng này cũng có liên quan với cấu trúc từ vừa mô tả ở trên giữa hai lớp vật liệu sắt từ (Fe) thông qua lớp đệm không có từ
tính (Cr) (xem mục 6.4.1). Trong tr−ờng hợp cụ thể này, khi từ tr−ờng ngoài àοH = 0, liên kết giữa hai lớp Fe là liên kết phản
sắt từ. Cấu hình này ứng với trạng thái có điện trở lớn của mẫu (RAF). D−ới tác dụng của từ tr−ờng ngoài, từ độ của các lớp Fe có xu h−ớng định h−ớng lại song song với nhau theo ph−ơng của từ tr−ờng. Đồng thời với quá trình quay đó của vectơ từ độ, điện trở của mẫu (RF) giảm rất mạnh (xem hình 6.12). Tỉ số thay đổi của điện trở ∆R/R(H = 0) đạt đ−ợc đến 79 % ở T = 4,2 K.
Sau phát minh nêu trên, hiệu ứng từ-điện trở đã đ−ợc nghiên cứu một cách mạnh mẽ trên rất nhiều hệ màng mỏng đa lớp khác nhau kiểu {TM(tm)/TNM(tnm)}n với TM là các kim loại có từ tính Fe, Co, Ni (đặc biệt là các hợp chất của chúng) và TNM = V, Cr, Nb, Mo, Ru, Os, Ir hoặc Cu, Ag, Au, ...
Hình 6.12. Hiệu ứng từ-điện trở biểu diễn bằng tỉ số R/R(H = 0) của các màng mỏng đa lớp {Fe/Cr} [6.17]
Sự dao động của hiệu ứng từ - điện trở theo độ dày lớp đệm không từ tính cũng đ−ợc quan sát. Điển hình là tr−ờng hợp của hệ mẫu {Co(1,5 nm)/Cu(tCu)}30 nh− minh họa trên hình 6.13. Nhận thấy rằng trong qui luật dao động này tỉ số MR luôn có giá trị âm; giá trị lớn của MR ứng với các cấu hình phản sắt từ. Một số đặc tr−ng từ - điện trở của một số hệ màng mỏng đa lớp cơ bản đ−ợc liệt kê trên bảng 6.1. Rõ ràng là hiệu ứng từ-điện trở của các hệ là rất khác nhau. Hơn thế nữa, thay đổi công nghệ chế tạo cũng có ảnh h−ởng đến độ lớn của hiệu ứng này. Chú ý rằng, kỹ thuật phún xạ catốt (sputtering) th−ờng cho kết quả tốt nhất.
Do các tính chất và cấu hình đặc tr−ng của các màng mỏng đa lớp, giá trị MR của chúng còn đ−ợc định nghĩa nh− sau:
MR = ∆R/R = (RAF − RF)/RF (6.15)
Hình 6.13. Sự dao động của hiệu ứng từ - điện trở của hệ mẫu {Co(1,5 nm)/Cu(tCu)}30 [6.17]: AF-phản sắt từ, F-sắt từ
hay:
MR = ∆R/R = (RAF - RS)/RS, (6.16) với RAF và RF t−ơng ứng là điện trở của mẫu trong trạng thái phản sắt từ và sắt từ (hay bão hoà RS).
Đối với mục đích triển khai ứng dụng hiệu ứng từ - điện trở, ngoài giá trị MR, khoảng từ tr−ờng ∆H cần thiết để quan sát
thấy toàn bộ biên độ của hiệu ứng từ - điện trở có ý nghĩa rất quan trọng. Do đó trong nhiều tr−ờng hợp hiệu ứng từ-điện trở của vật liệu còn đ−ợc đặc tr−ng bởi tham số (∆R/R)/à0HS. Theo tiêu chí này, trong số các vật liệu nêu trong bảng 6.1, các màng mỏng đa lớp {NiFe/Ag} có vẻ khả quan nhất đối với các ứng dụng trong các kỹ nghệ ghi từ. Các màng mỏng này không cho hiệu ứng MR lớn nhất nh−ng từ tr−ờng bão hoà thấp nhất. ở
nhiệt độ phòng, giá trị MR của hệ {NiFe (2,5 nm)/Ag (1,1 nm)}50 chỉ đạt đ−ợc 15 % nh−ng à0HS = 0,1 T.
Bảng 6.1.Hiệu ứng GMR trong một số màng mỏng đa lớp: T - nhiệt độ khảo sát, à0HS - từ tr−ờng b∙o hoà và các ph−ơng pháp chế tạo E- êpitaxi, SP -
phún xạ catốt (sputtering) [6.6].
Màng đa lớp MR (%) T (K) àoHS (T) Ph−ơng pháp chế tạo
{Fe(3 nm)/Cr(0,9 nm)}30
Cr(10 nm)/{Fe(1,4 nm)/Cr(0,8 nm)}50
Fe(5 nm)/{Co(0,8 nm)/Cu(0,9 nm)}60/Fe {NiFe/Cu} {NiFe(2 nm)/ Ag(1 nm)} {Co(0,6 nm)/Ag(2,5 nm)} {Co0.7Fe0.3(0,4 nm)/Ag(1,5 nm)} 92 150 115 25 50 41 100 4,2 4,2 4,2 4,2 4,2 77 4 2 2 1,3 1,5 0,1 1 0,3 E SP. SP SP SP ở 77 K E SP ở 77 K 6.5.3. Các màng mỏng có lực kháng từ kép
Hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ th−ờng xảy ra khi cấu hình phản song song của từ độ trong các màng mỏng đa lớp đ−ợc chuyển sang cấu hình song song d−ới tác dụng của từ tr−ờng ngoài. Tuy nhiên, t−ơng tác phản sắt từ giữa các lớp trong các màng mỏng đa lớp không phải là cách duy nhất để tạo ra cấu hình từ độ phản song song. Điều đó có thể xảy ra trong các hệ màng mỏng có chứa cả các lớp sắt từ cứng và sắt từ mềm có lực kháng từ àοHC khác nhau (vật liệu có lực kháng từ kép). Trong các hệ nh− vậy, quá trình đảo từ của các lớp xảy ra ở từ tr−ờng khác nhau
Hình 6.14. Đ−ờng cong từ trễ (a) và đ−ờng cong MR (b) của mẫu {Cu(5 nm)/Co(3 nm)/Cu(5 nm)/NiFe(3 nm)}15 [6.17]
và do đó cấu hình phản sắt từ sẽ đ−ợc tạo thành sau quá trình đảo từ của lớp thứ nhất. Khi đó điện trở sẽ thay đổi từ trạng thái có điện trở nhỏ (cấu hình từ độ song song ở àοH = 0) sang
trạng thái có điện trở lớn (cấu hình phản song song ở à0HC1) và cuối cùng điện trở lại giảm khi quá trình đảo từ xảy ra trong lớp thứ hai. Quá trình thay đổi từ độ và hiệu ứng từ - điện trở nh−
vậy đ−ợc minh họa ở trên hình 6.14 cho màng mỏng {Ni20Fe80/Cu/Co/Cu}15 ở T = 80 K. ở nhiệt độ phòng, T = 300 K, màng mỏng này cho MR = 26 % ở àοH = 9 mT.
6.5.4. Van spin
Một cấu trúc điển hình khác cũng có thể tạo ra cấu hình spin phản song song cho hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ là cấu trúc van spin. Cấu hình van spin là một màng mỏng ba lớp chứa hai lớp sắt từ (F1 và F2) ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại không từ tính (NM), trong đó lớp F1 th−ờng đ−ợc gim bằngt−ơng tác trao đổi với một lớp vật liệu phản sắt từ (nh−
FeMn, Ni1-xCoxO, TbCo,...). Để minh họa, ta hãy xét hệ một bộ van spin có cấu trúc {Si/Ta(5 nm)/NiFe(6 nm)/Cu(2,2 nm)/NiFe(4 nm)/FeMn(7 nm)/Ta(5 nm)} (xem hình 6.15). Sự phụ thuộc từ tr−ờng của từ độ và từ trở của van spin này ở nhiệt độ phòng đ−ợc giới thiệu trên hình 6.16. Đ−ờng cong từ trễ bao gồm hai phần trễ khác nhau. Phần trễ thứ nhất có tâm ở xung quanh từ tr−ờng àοH = 0,48 kA/m với giá trị của lực kháng từ
àοHC = 80 A/m t−ơng ứng với sự đảo từ của lớp F1 tự do (không bị gim). Đ−ờng từ trễ thứ hai bị dịch đến từ tr−ờng 32 kA/m với lực kháng từ àοHC ≈ 8 kA/m t−ơng ứng với sự đảo từ của lớp F2 (bị gim với lớp phản sắt từ FeMn). Khi thay đổi từ tr−ờng trong khoảng ± 80 kA/m, sự định h−ớng t−ơng đối giữa vectơ từ độ của
Lớp bảo vệ Lớp phản sắt từ (AF) Lớp sắt từ (F1) bị gim Lớp không từ (NM) Lớp sắt từ (F2) tự do Lớp đệm
Đế Si (hoặc thuỷ tinh) Ta FeMn NiFe NiFe Cu Si Ta
Hình6.15. Mô hình đơn giản nhất của cấu trúc van spin [6.17]
Hình6.16. Đ−ờng cong từ trễ (a) và đ−ờng cong MR (b) của van spin với cấu hình Si/Ta(5 nm)/NiFe(6 nm)/Cu (2,2 nm)/NiFe(4 nm)/FeMn(7 nm)/Ta(5 nm) [6.6]
hai lớp F1 và F2 sẽ thay đổi: cấu hình song song tồn tại ở àοH ≤
320 A/m và àοH ≥ 48 kA/m còn cấu hình phản sắt từ tồn tại trong khoảng từ tr−ờng 646 A/m ≤ àοH ≤ 20 kA/m. Khoảng xê dịch bằng 480 A/m của lớp FeNi tự do chứng tỏ rằng t−ơng tác giữa F1 và F2 là t−ơng tác sắt từ yếu thông qua lớp Cu không từ tính. Điện trở của van spin này thay đổi rất đột ngột khi lớp từ độ của lớp F1 bị đảo. Hiện nay, các van spin nh− vậy đã đ−ợc ứng dụng để chế tạo các đầu đọc thông tin mật độ cao.