Hỡnh 3.1 biểu diễn đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms của hệ màng
Ta(5)/NiFe(5)/Cu(tCu)/NiFe(2)/Ta(5) (nm) với chiều dày lớp khụng từ (Cu) thay đổi
từ 1 đến 3 n m. Phộp đo được khảo sỏt trong dải từ trường đo thay đổi từ–400 Oe đến +400 Oe tỏc dụng dọc theo phương từ húa dễ của mẫu (phương từ trường ghim được đặt vào trong quỏ trỡnh chế tạo màng) [14].
Đối với cỏc cấu t rỳc GM R chuẩn, từ độ trong hai lớp sắt từ thường định hướng phản song song. Trong đú quỏ trỡnh từ húa cú đặc t rưng của một chất phản sắt từ.
Tuy nhiờn, nhỡn vào đường cong từ trễ vẽ trong tồn thang đo của từ trường trờn Hỡnh 3.1a đều cho thấy cỏc mẫu thể hiện tớnh chất từ mề m với quỏ trỡnh từ húa
dễ dàng đạt đến trạng thỏi bĩo hũa ngay trong từ trường nhỏ H=10 Oe chứng tỏ đặc
trưng từ mềm của lớp NiFe được lựa chọn với bước đảo từ rất đột ngột khẳng định dị hướng từ đơn trục với cấu trỳc đơn đụ-men được hỡnh thành rất tốt nhờ quỏ trỡnh
nhận thấy rằng quỏ trỡnh từ húa bĩo hũa hồn tồn M/Ms = 1 đạt được dễ dàng hơn
trờn mẫu cú lớp khụng từ mỏng tCu= 1 nm. Thờm vào đú, đường cong từ trễ được vẽ
trong thang từ trường nhỏ Hỡnh 3.1b cho thấy đường cong từ trễ cú dạng gần chữ nhật với lực khỏng từ khoảng 2,5 Oe và cú xu hướng nhỏ giảm rất ớt khi chiều dày lớp Cu giảm. Như vậy, với cỏc đặc trưng thu được từ kết quả đo đường cong từ trễ
này, chiều dày phự hợp cho lớp khụng từ được lựa chọn là x = 1 n m cho cỏc nghiờn
cứu từ-điện trở và Hall phẳng tiếp theo [14].
Hỡnh 3.1. Đường cong từ trễ tỉ đối M/Ms của cấu trỳc màng ba lớp được vẽ tồn thang đo (a) và trong thang từ trường nhỏ (b).Phộp đo được thực hiện với phương
từ trường ngồi song song với phương từ húa dễ của mẫu [14]. 3.1.2. Hiệu ứng từ-điện trở của màng NiFe/Cu/NiFe
Đường cong sự thay đổi của điện trở R/R theo từ trường của hệ màng ba
lớp đa lớp Ta(5)/NiFe(5)/Cu(tCu)/NiFe(2)/Ta(5) (nm) với tCu thay đổi từ 1 đến 3 nm
được đưa ra trờn Hỡnh 3.2a. Trong bố trớ thực nghiệm thực hiện phộp đo này, dũng điện một chiều (DC) cú cường độ 1 mA được cấp chạydọc theo phương của trục từ húa dễ của lớp sắt từ (phương từ trường ghim trong quỏ trỡnh lắng đọng màng) và từ trường ngồi cú cường độ từ –100 Oe đến +100 Oe được đặt vuụng gúc với trục từ
húa dễ của mẫu (vuụng gúc với chiều dũng điện j) (Hỡnh 3.2b). Phộp đo được thực
Kết quả đo trờn hệ màng này cho thấy rất rừ sự thay đổi mạnh của hiệu ứng từ điện-trở phụ phuộc vào chiều dày của lớp khụng từ Cu, trong đú, hiệu ứng lớn
nhất với tỉ số R/R = 0,55 % đạt được trờn màng cú lớp Cu mỏng tCu = 1 nm. Khi
tăng chiều dày lớp khụng từ, tỉ số từ điện-trở giảm mạnh xuống 0,05% (1 bậc) và
0,004% (2 bậc) tương ứng với tCu = 2 nm và 3 nm. Xu hướng thay đổi này là phự
hợp với kết quả quan sỏt được trờn đường cong từ trễ trờn Hỡnh 3.1 với chiều dày
tối ưu cho quỏ trỡnh từ húa trong vựng từ trường thấp là cỏc mẫu cú lớp Cu mỏng
tCu = 1 n m [14].
Hỡnh 3.2. Đường cong sự phụ thuộc của tỉ số từ điện trở của cỏc mẫu
Ta(5)/NiFe(5)/Cu(tCu)/NiFe(2)/Ta(5) (nm) (a) và hỡnh minh họa sự thay đổi gúc tạo bởi từ độ của lớp sắt từ và dũng điện dưới tỏc dụng của từ trường ngồi (b) [14].
Ảnh hưởng của chiều dày lớp Cu đến tớnh chất từ và từ-điện trở của màng ba lớp này cũn được lý giải do sự khỏc nhau về tương tỏc trao đổi liờn phõn mạng (tương tỏc RKKY) giữa hai lớp sắt từ NiFe thụng qua lớp đệm khụng từ tớnh. Đõy là tương tỏc trao đổi dạng dao động giữa tương tỏc trao đổi sắt từ và phản sắt từ cú chu kỳ tuần hồn theo chiều dày lớp đệm khụng từ. Hiệu ứng từ-điện trở lớn nhất được
quan sỏt thấy trờn màng với tCu= 1nm và hầu như biến mất hồn tồn trờn màng cú
tCu=3 nm cú thể được hiểu là do sự chuyển từ cấu hỡnh từ độ phản song song (điện
chưa cú mặt của từ trường ngồi. Cỏc nghiờn cứu tiếp tục triển khai trờn hệ màng này phỏt triển trờn cảm biến kớch thước micro sẽ được thực hiện sử dụng cấu hỡnh
với chiều dày lớp Cu là tCu= 1nm.
3.1.3. Hiệu ứng Hall phẳ ng của màng NiFe/Cu/NiFe
Tớn hiệu Hall phẳng của màng mỏng ba lớp
Ta(5)/NiFe(5)/Cu(x)/NiFe(2)/Ta(5) (nm) với x là chiều dày lớp Cu thay đổi từ 1
đến 3 nm được đo ở nhiệt độ phũng sử dụng MicroVolt kế (Keithley 2000), mẫu
được đặt trong từ trường ngồi Happ lờn đến 60 Oe dọc theo phương Ox, song song
dũng qua mẫu I = 1 mA. Phộp đo được bố trớ sao cho chiều dũng điện vuụng gúc
với phương ghim của từ độ (Hex).
Hỡnh 3.3. Giỏ trị thực nghiệm và tớnh toỏn lý thuyết đỏp ứng PHE trong từ trường ngồi của màng với chiều dày hai lớp sắt từ được giữ nguyờn, chiều dày lớp Cu
thay đổi từ 1,0 đến 3,0 nm [14].
Hỡnh 3.3 biểu diễn điện ỏp Hall phẳng VP HE của màng thay đổi theo từ
trường ngồi. Cú thể thấy trờn hỡnh vẽ này, ban đầu điện ỏp PHE tăng nhanh ở từ
trường thấp, đạt được giỏ trị cực đại ở từ trường H~ 8 Oe và cuối cựng là giảm dần
với sự tăng của từ trường. Đối với hệ GMR này, giỏ trị cực đại của điện ỏp
VPHE max đạt được lớn nhất 55 μV trờn mẫu cú độ dày của lớp đệm khụng từ mỏng
I, H app V PHE; H ex
tCu = 1 nm và giỏ trị này giảm xuống 1 μ V (55 lần) khi tăng chiều dày lờn tCu = 3 nm. Quy luật này cú cựng xu hướng với quy luật thay đổi của tỉ số GM R trờn màng mỏng với cựng cấu trỳc này như đĩ trỡnh bày trờn Hỡnh 3.2. Tuy nhiờn, tỉ số từ-điện trở giảm đến 2 bậc độ lớn kh i chiều dày lớp Cu giả m xuống tương đương. Như vậy, so với hiệu ứng GM R thỡ h iệu ứng Hall phẳng chịu ảnh hưởng của chiều dày lớp Cu thể hiện ớt hơn.
Đường cong thế Hall phụ thuộc từ trường VPHE(H) được làm khớp với đường
lý thuyết bằng cỏch sử dụng mụ hỡnh năng lượng trong cấu trỳc đơn đụ-men Stoner- Wohlfarth [90]. Kh i chưa cú từ trường ngồi, trong trường hợp dị hướng từ đơn trục lý tưởng, cỏc mụ-men từ trong lớp sắt từ sẽ định hướng theo phương ghim của từ
trường (phương từ húa dễ). Dưới tỏc dụng của từ trường ngồi Happ, từ độ sẽ quay ra
khỏi trục dễ tạo một một gúc . Gúc này cú thể được xỏc định bằng cỏch cực tiểu
húa năng lượngEcho bởi mụ hỡnh năng lượng Stoner-Wohlfarth ỏp dụng cho cấu
trỳc GMR đĩ miờu tả trong chương 1 phương trỡnh 1.4 và 1.8 [82]:
Áp dụng phương phỏp tớnh toỏn lý thuyết và cỏc dữ liệu từ thực nghiệm, giỏ
trị Hk và Hex cũng như độ dốc của đường cong VPHE(H) trong vựng từ trường nhỏ
(độ nhạy) cú thể xỏc định được. Lưu ý rằng cỏc giỏ trị của S,Hk được lấy từ quỏ
trỡnh làm khớt đường lý thuyết và cỏc dữ liệu từ thực nghiệm thụng qua chương trỡnh mụ phỏng viết bằng phần mềm Mathlab dựa trờn mụ hỡnh lý thuyết Stoner- Wohlfarth và mụ hỡnh cổ điển sử dụng định luật Ohm như đĩ núi trong chương 1.
Sử dụng cỏc cụng thức (1.12)với giỏ trị từ trường tương tỏc trao đổi Hintđược giả
thiết là rất nhỏ trong cấu trỳc màng GMR này (Hex~ 0 Oe). Kết quả tớnh toỏn lý
thuyết độ nhạy được đưa ra trờn Bảng 3.1. So sỏnh với số liệu thực nghiệm, kết quả này cho sự phự hợp tốt với kết quả thực nghiệm [14].
Để giải thớch cho quy luật phụ thuộc của độ dốc của đường cong VPHE(H)
thay đổi khi chiều dày lớp Cu thay đổi, cú 2 nguyờn nhõn cú thể đúng gúp vào:
+ Ta thấy rằng độ dốc của đường cong VPHE(H) trong vựng từ trường nhỏ
mỏng sẽ ảnh hưởng đến mật độ dũng rẽ nhỏnh qua cấu trỳc [6, 50], mật độ dũng J
tăng lờnkộo theo thế Hall phẳng tăng theo tớnh toỏn từ cụng thức (1.10).
Bảng 3.1. Cỏc thụng số nghiờn cứu hiệu ứng Hall mặt phẳng của màng thu được từ thực nghiệm và tớnh toỏn lý thuyết khi chiều dày lớp Cu thay đổi.
Chiều dày Cu (nm)
Thực nghiệm Lý thuyết
∆V (μV) S (àV/Oe) HK (Oe) S (àV/Oe)
1 55 8,11 6,3 8,69
2 8 1,06 10,3 0,78
3 1 0,04 24,5 0,04
Ở đõy V là sự thay đổi điện thế Hall phẳng dưới tỏc dụng của từ trường; S
là độ nhạy với từ trường; HK: Trường dị hướng.
+ Khi chiều dày lớp Cu thay đổi, khoảng cỏch tương tỏc giữa 2 lớp sắt từ
thay đổi và do đú trường tương tỏc trao đổi HK cũng thay đổi theo cụng thức (1.12).
Trường này cũng là một trong cỏc nguyờn nhõn đúng gúp vào sự thay đổi của độ
nhạy của cảm biến. Trường dị hướng trong cỏc lớp sắt từ HK tăng nhanh khi tăng
chiều dày lớp Cu từ 6,3 Oe kh i tCu=1 (nm) đến 24,5 Oe khi tCu=3 (n m) (Bảng 3.1).
Như đĩ biết, HK là đặc trưng dị hướng từ tinh thể của lớp vật liệu. Sự thay
đổi của HK trong cỏc mẫu cú tCu khỏc nhau thể hiện giỏ trị HKquan s ỏt được khụng
phải là giỏ trị nội tại (intrins ic) của vật liệu mà đĩ trở thành tham số ngoại
(extrins ic), phụ thuộc vào trạng thỏi của vật liệu. Giỏ trị HK càng lớn chứng tỏ sự
bất đồng nhất hay bất đẳng hướng của cỏc mụ-men từ trong cỏc lớp càng cao [6,
50]. Điều này phự hợp với kết quả khảo sỏt từ độ mẫu cú tCu lớn độ bất đồng nhất
cao hơn và khú bĩo hũa hơn. Đồng thời, độ bất đồng nhất cũng ảnh hưởng đến giỏ trị của GM R (xem Hỡnh 3.2).
Qua quỏ trỡnh nghiờn cứu về cỏc tớnh chất điện từ trờn màng mỏng cấu trỳc
nàyNiFe(5)/Cu(1)/NiFe(2) nm cú thể dựng để chế tạo ra cảm biến Hall phẳng để ứng dụng trong nghiờn cứu y-sinh [14].
3.2.Tớnh chất vật lý của màng hai lớp NiFe/IrMn
Cỏc cảm biến PHR thường cú tỉ số tớn hiệu/nhiễu lớn hơn cỏc cảm biến kiểu MR, và cú đường đỏp ứng tuyến tớnh với từ trường ngồi [15, 63, 73]. L. Ejsing và đồng nghiệp đĩ nghiờn cứu khả năng phỏt hiện cỏc hạt từ kớch thước micrụ một sử dụng cảm biến Hall trong cấu trỳc hai lớp phản sắt từ (AFM)/sắt từ (FM) IrMn/NiFe. Cỏc nghiờn cứu đĩ chỉ ra rằng để ứng dụng được cỏc cảm biến, điều quan trọng là cấu trỳc từ của cảm biến phải cú dị hướng đơn trụchay đơn đụ-men[5].
Ta cú thể thấy rằng độ nhạy cảm biến phụ thuộc mạnh vào trường tương tỏc
trao đổi Hex trường dị hướng HK. So với cấu trỳc màng GMR ba lớp FM/NM/FM thỡ
cỏc cấu trỳc hai lớp FM/AFM cú hạn chế là trường tương tỏc Hex thường lớn hơn rất
nhiều do cú tương tỏc trao đổi với lớp phản sắt từ so với trường tương tỏc sắt từ-sắt từ trong cấu trỳc FM/NM/FM và do đú phần nào làm giả m độ nhạy từ trường khi chế tạo cảm biến nhưng bự lại dễ dàng tạo ra được cấu trỳc đơn đụ-men hơn và giảm nhiễu Barkhausen [12,87]. Chớnh vỡ lý do này, một phần nội dung được nghiờn cứu trong luận ỏn này là chế tạo và nghiờn cứu cấu trỳc tớnh thể, tớnh chất từ và từ-điện trở của cấu trỳc màng hai lớp FM/AFM. Trong cấu trỳc này, lớp sắt từ được lựa chọn là NiFe cú tớnh chất từ siờu mềm và lớp phản sắt từ là IrMn cú nhiệt độ Blocking lớn.
3.2.1. Cấu trỳc tinh thể c ủa màng hai lớp NiFe/IrM n
Cỏc kết quả nghiờn cứu đĩ chỉ ra rằng tương tỏc trao đổi tại lớp chuyển tiếp giữa lớp phản sắt từ IrMn và lớp sắt từ NiFe tốt nhất khi màng được hỡnh thành ở cấu trỳc tinh thể [11, 63]. Tương tỏc trao đổi này đặc biệt quan trọng trong cỏc màng đa lớp kiểu van-spin trong đú cú lớp sắt từ bị ghim nhờ tương tỏc trao đổi với lớp phản sắt từ. Montaigne và đồng nghiệp [33] đĩ tạo ra trục dễ của từ độ bằng cỏch sử dụng cỏc phiến silic cú phương tinh thể [111]. Cỏc kết quả cho thấy cỏc mụ- men từ ở màng s ẽ định hướng song song hoặc vuụng gúc với mặt phẳng màng phụ thuộc vào vật liệu được lắng đọng [85]. Trong trường hợp của permalloy, trục dễ
được sẽ nằm theo phương song song [90]. Ngồi ra, thay vỡ sử dụng cỏc đế Si cú phương tinh thể [111], trạng thỏi tinh thể này cú thể được tạo ra nhờ sử dụng cỏc lớpđệmcú hằng số mạng phự hợp. Đõy là nhõn tố quan trọng quyết định đến cỏc tớnh chất từ và từ-điện trở của màng mỏng nghiờn cứu.
Hỡnh 3.4. Cấu trỳc tinh thể IrMn(111), NiFe(111) trong cấu trỳc tương tỏc trao đổi Ta(5.0 nm)/NiFe(20.0 nm)/IrMn(10.0 nm)/Ta(5.0 nm) [63].
Trong cỏc nghiờn cứu của luận ỏn này, lớp Ta với chiều dày 5 nm đĩ được sử dụng là m lớp đệm đúng để tăng độ liờn kết giữa màng sắt từ và đế đồng thời tạo cấu trỳc tinh thể tốt hơn theo định hướng [111] cho cỏc lớp màng IrMn và NiFe. Ngồ i ra lớp Ta cũng được sử dụng là m lớp phủ bảo vệ ở trờn cựng để bảo vệ lớp IrMn khỏi quỏ trỡnh ụxi húa là m ảnh hưởng đến tớnh chất của vật liệu sau một thời g ian chế tạo.
Hỡnh 3.4 trỡnh bày kết quả đo nhiễu xạ tia X được thực hiện trờn màng cú cấu
trỳc 2 lớp Ta(5)/NiFe(20)/IrMn(10)/Ta(5) (n m) được lắng đọng trờn đế Si phủ SiO2.
Nhỡn vào kết quả phổ nhiễu xạ ta thấy rất rừ nột sự xuất hiện của cỏc đỉnh nhiễu xạ lần lượt tại cỏc vị trớ gúc 41º và 44º tương ứng với cấu trỳc tinh thể [111] của IrMn và NiFe. Điều này chứng tỏ sử dụng lớp đệm Ta kết hợp với cỏc điều kiện cụng nghệ và quy trỡnh chế tạo màng được lựa chọn tối ưu như đĩ được đưa ra trong chương 2, cấu trỳc tinh thể được hỡnh thành tốt trong cỏc lớp màng hứa hẹn sẽ mang
lại cỏc tớnh chất từ và từ-điện trở mong muốn.Cỏc kết quả nghiờn cứu cấu trỳc này đĩ định hướng cỏc nghiờn cứu tiếp theo sử dụng lớp đệm Ta trờn tất cả cỏc cấu trỳc màng ba lớp và van-spin được chế tạo và nghiờn cứu trong luận ỏn này.
3.2.2. Quỏ trỡnh từ húa của màng hai lớp NiFe/IrM n
Chỉ ra trờn Hỡnh 3.5 là đường cong từ trễtỉ đối (M/Ms) của màng cú cấu
trỳc 2 lớp Ta(5)/NiFe(20)/IrMn(10)/Ta (5)(nm) vớ i từ trường nằm trong mặt phẳng màng, theo phương song song và vuụng gúc với phương ghim của từ độ (phương từ húa dễ).Đường cong này cho thấy s ự khỏc biệt rừ nột về dị hướng từ khi đo theo 2 phương từ trường dọc theo phương từ húa dễ (song song) và từ húa khú (vuụng gúc).
Hỡnh 3.5. Đường cong từ trễ đo trờn hệ màng cú cấu trỳc hai lớp
Ta(5)/NiFe(20)/IrMn(10)/Ta(5) (nm) với từ trường nằm trong mặt phẳng màng, theo phương song song và vuụng gúc với phương ghim của từ độ.
Đường cong từ trễtheo phương vuụng gúc cho sự thay đổi liờn tục về từ độ theo từ trường ngồi với từ trường ngồi để trạng thỏi từ đạt đến bĩo hũavào khoảng
25 Oe và hầu như khụng cú sự trễ từ (lực khỏng từ Hc rất nhỏ). Trong khi đú, theo
phương song song, đường cong cú sự khỏc biệt rừ nột trong đú phải kể đến quỏ trỡnh đảo từ xảy ra đột ngột khi từ trường ngồi đạt giỏ trị õm đủ lớn khoảng 77 Oe với đồng thời với sự bất đối xứng của đường cong so với gốc 0 của từ trường. Theo
phương này, đường cong thể hiện s ự trễ từ. Khi giảm từ trường ngồi từ õm đến dương, quỏ trỡnh đảo từ tiếp tục xảy ra ngay cả khi từ trường ngồi chưa đổi dấu kộo
theo đú là sự dịch của tõm đường cong từ trễ vào khoảng Hex = -75 Oe. Hiện tượng
này được giải thớch là do sự tồn tại của một trường tương tỏc trao đổi dịch giữa lớp sắt từ NiFe và lớp phản sắt IrMn, trường này hướng theo chiều õm của từ trường ngồi. Độ lớn của trường tương tỏc là khỏ lớn khi so sỏnh với từ trường bĩo hũa của lớp sắt từ mềm NiFe. Chớnh nhờ tương tỏc này mà mà lớp sắt từ bị ghim chặt theo