Trờn hệ màng cấu trỳc van-spin này, chỳng để nghiờn cứu ảnh hưởng của lớp ghim khỏc nhau đến tớnh chất từ và từ-điện trở của màng, chỳng tụi đĩ tiến hành nghiờn cứu trờn hai cấu trỳc van-spin sử dụng lớp sắt từ bị ghim khỏc nhau là NiFe và CoFe theo 2 cấu hỡnh như sau:
- Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1,2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (n m) - Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1,2)/CoFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (n m)
Trong 2 cấu trỳc này, lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim với chiều dày như
nhau tNiFe = 10 nm và tp = 2 nm đĩ được chế tạo với cựng một điều kiện cụng nghệ.
Cỏc nghiờn cứu bao gồm nghiờn cứu tớnh chất từ và từ-điện trở theo hướng tối ưu vật liệu để chế tạo cảm biến phỏt hiện hạt từ tớnh.
3.3.2.1. Quỏ trỡnh từ hú a của màng van-sp in với ghim NiFe và CoFe
Đường cong từ trễ tỉ đối đo trờn 2 màng van-spin s ử dụng lớp sắt từ bị ghim NiFe và CoFe khỏc nhau được biểu diễn trờn Hỡnh 3.16. T rong phộp đo này, mẫu được bố trớ sao cho phương từ húa dễ của mẫu nằm song song phương với từ trường ngồi đặt vào.
Hỡnh 3.16. Đường cong từ trễ của cỏc cấu trỳc van-spinvới lớp sắt từ bị ghim CoFe và NiFe cú chiều dày tp= 2nm [13].
Nhỡn trờn hỡnh ta thấy rằng cả hai màng van-spin này đường cong từ trễ đều cú điểm giống nhau là bao gồm 2 bước đảo từ. Phần trễ thứ nhất xuất hiện ở vựng từ trường thấp tương ứng với s ự đảo từ của lớp sắt từ tự do NiFe. Đường trễ thứ 2 bị dịch khi giỏ trị từ trường tương ứng với sự đảo từ của lớp sắt từ bị ghim CoFe hoặc NiFe. Trong vựng trễ thứ nhất ta thấy rằng với việc sử dụng lớp sắt từ bị ghim là NiFe thỡ quỏ trỡnh đảo từ trong lớp sắt từ tự do xảy ra sớm hơn với độ dốc lớn hơn trong vựng từ trường nhỏ cỡ 10 Oe trong khi đú với lớp sắt từ bị ghim sử dụng CoFe thỡ quỏ trỡnh đảo từ của lớp NiFe tự do xảy ra chậm hơn ở từ trường cỡ 35 Oe và độ dốc nhỏ hơn hơn. Ở vựng trễ thứ 2 ta thấy rằng quỏ trỡnh đảo từ của lớp sắt từ bị ghim CoFe và xảy ra ở cựng từ trường cỡ -650 Oe trong khi đú với lớp sắt từ bị ghim NiFe thỡ giỏ trị từ trường này chỉ vào khoảng -400 Oe. Giỏ trị lực khỏng từ
(Hc) trong vựng trễ thứ hai của lớp sắt từ bị ghim cũng khỏc nhau. Ở CoFe khoảng
100 Oe, trong khi với NiFe là 50 Oe.
Như đĩ trỡnh bày ở trờn, hiện tượng dịch quan sỏt được ở bước đảo từ thứ nhất là hệ quả của tương tỏc trao đổi giữa lớp sắt từ bị ghim và sắt từ tự do và ở bước đảo từ thứ hai là hệ quả của tương tỏc trao đổi giữa lớp sắt từ bị ghim và lớp
phản sắt từ. Khi so sỏnh 2 màng van-spin này ta thấy cả hai từ trường trao đổi này đều tăng lờn từ 12 Oe và 500 Oe với lớp ghim NiFe lờn 40 và 600 Oe với lớp ghim
CoFe. Như vậy ta cú thể kết luận được rằng với việc sử dụng lớp vật liệu Co90Fe10
làm lớp sắt từ ghim, năng lượng liờn kết trao đổi với lớp sắt từ tự do và lớp phản sắt
từ lớn hơn so với sử dụng vật liệu Ni80Fe20 làm lớp ghim. Điều này cú thể được hiểu
là do tương tỏc trao đổi được tăng cường trong hợp kim này nhờ vai trũ của Co. Đúng gúp từ độ của lớp sắt từ bị ghim thụng qua sự thay đổi từ độ ở bước đảo từ thứ hai cho thấy rừ sử dụng lớp CoFe cú từ độ lớn hơn so với lớp NiFe với cựng chiều dày. Điều này hồn tồn phự hợp do từ độ hợp kim CoFe lớn hơn so với NiFe.
3.3.2.2. Hiệu ứng từ-điện trở của cấu tr ỳc van-sp in với lớp ghim NiFe và CoFe
Đường cong trờn Hỡnh 3.17 là sự thay đổi của tỉ số từ điện trở của hai cấu trỳc van-spin với ghim NiFe và CoFe phụ thuộc vào từ trường ngồi. Giống với bố trớ thớ nghiệm ỏp dụng cho hệ màng van-spin, trong phộp đo này, dũng một chiều (DC) qua mẫu cú cường độ 1 mA và từ trường ngồi từ -1500 Oe đến +1500 Oe được đặt song song với trục từ húa dễ của mẫu và cỏc phộp đo được thực hiện tại nhiệt độ phũng.
Hỡnh 3.17. tỉ số từ điện trở của cỏc cấu trỳc van-spinvới lớp sắt từ bị ghim CoFe và NiFe cú chiều dày tp= 2nm [13].
So sỏnh với đường cong từ trễ thỡ đường cong từ-điện trở với cỏc bước nhảy điện trở trờn cỏc mẫu này cú sự phự hợp tốt với cỏc bước đảo từ tương ứng. Trờn đường cong từ trở cũng cho ta thấy rằng quỏ trỡnh đảo từ ở lớp sắt từ tự do trong cấu trỳc với lớp ghim CoFe xảy ra chậm hơn so với cấu trỳc cú lớp ghim là NiFe. Điều đỏng núi ở đõy là với cấu trỳc van-spin sử dụng lớp ghim là vật liệu CoFe cho tỉ số từ điện trở đạt được 4,3 % lớn hơn rất nhiều khi so sỏnh với màng sử dụng vật liệu NiFe cú tỉ số từ điện trở đạt được thấp hơn rất nhiều 0,9 %. Điều này cú thể được lý giải là nhờ tương tỏc trao đổi giữa lớp phản sắt từ với lớp sắt từ bị ghim lớn hơn dẫn đến trạng thỏi ghim tốt hơn trong lớp này đạt được khi sử dụng vật liệu CoFe. Chớnh vỡ vậy, cấu hỡnh phản song song được tạo ra trong “vựng bĩo hũa tạm thời” giữa lớp sắt từ ghim và tự do sẽ tốt hơn và hệ quả là hiệu ứng từ-điện trở sẽ lớn hơn như đĩ được quan sỏt thấy trờn màng van-spin Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1,2)/CoFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (nm).
3.3.2.3. Hiệu ứng Hall của cấu trỳc van- sp in lớp ghim NiFe và CoFe
Từ kết quả nghiờn cứu ở trờn đối với lớp CoFe là m lớp ghim, sự phụ thuộc lớn của thế Hall phẳng và độ nhạy của cảm biến vào chiều dày đĩ được nghiờn cứu. Kết quả chỉ ra rằng, đối với lớp CoFe cú chiều dày mỏng hứa hẹn s ẽ cho cảm biến Hall phẳng cú tớn hiệu ra lớn và độ nhạy cao. Chớnh vỡ vậy, chiều dày tối ưu của lớp ghim CoFe trong cấu trỳc van-spin để chế tạo cảm biến Hall phằng là 2 nm.
Theo cụng thức tớnh toỏn lý thuyết (1.12), độ nhạy của cảm biến phụ thuộc mạnh vào trường tương tỏc trao đổi và trường này càng nhỏ thỡ độ nhạy của cảm biến càng được tăng cường. Cỏc kết quả nghiờn cứu tớnh chất từ và từ-điện trở của màng mỏng cấu trỳc van-spin trong phần 3.3.2.2, cho thấy rằng trường tương tỏc
trao đổi Hex của lớp tự do và lớp sắt từ bị ghim nhỏ hơn rất nhiều khi thay thế lớp
ghim CoFe bằng lớp vật liệu từ mề m hơn là NiFe.
Dựa theo ý tưởng đú, trong phần nội dung nghiờn cứu này, để tăng cường hơn nữa độ nhạy của cảm biến dựa trờn cấu trỳc van-spin, hai cấu trỳc cú lớp sắt từ bị ghim khỏc nhau đĩ được khảo sỏt hiệu ứng Hall phẳng như sau:
- Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1,2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (n m)
Trong cả hai hệ này, chiều dày cỏc lớp được chế tạo như nhau trong cựng điều kiện và từ trường đặt vào. Cỏc kết quả đo sẽ được phõn tớch và so sỏnh.
Hỡnh 3.18 là đường cong PHE ở từ trường thấp (a) của cỏc màng mỏng cấu trỳc van-spin Ta/NiFe/Cu/CoFe/IrMn và Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn. Kết quả đo cho thấy thế Hall cực đại đạt được như nhau trờn cả 2 mẫu nhưng độ dốc của đường cong chớnh là độ nhạy của cảm biến tăng từ 2,1 àV trờn hệ với lớp ghim CoFe lờn 5,4 àV trờn hệ với lớp ghim là NiFe(Bảng 3.4). Đỉnh cực đại đạt được tại từ trường
nhỏ, H ~ 15 Oe trờn mẫu cú lớp ghim NiFe trong khi với lớp ghim CoFe, từ trường
này lớn hơn nhiều (~ 40 Oe). Kết quả tớnh toỏn lý thuyết dựa theo mụ hỡnh Stoner- Wohlfarth cho kết quả phự hợp với số liệu thực nghiệm sử dụng giỏ trị trường tương
tỏc trao đổi Hex giữa lớp sắt từ tự do và sắt từ bị ghim từ 37,68 Oe với hệ màng lớp
ghim CoFe xuống cũn 14,31 Oe khi thay lớp ghim bằng vật liệu NiFe.
Hỡnh 3.18. Đường cong PHE ở từ trường thấp (a) của cỏc màng cấu trỳc van-spin Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1,2)/CoFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (nm) và
Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1,2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) [13].
là NiFe và CoFe. Sự thay đổi này cú cựng xu hướng trờn cả 2 hệ với chiều dày càng tăng, độ nhạy từ trường của màng càng giảm. Độ nhạy từ trường của màng với lớp ghim NiFe luụn lớn hơn gấp 2 lần so với độ nhạy từ trường của màng cú lớp ghim CoFe. Như vậy, ý tưởng sử dụng NiFe để tăng cường độ nhạy cho cỏc cảm biến đĩ được hiện thực húa trong trường hợp này.
Bảng 3.4. Độ nhạy của hiệu ứng Hall phẳng đối với cỏc màng (S), Lực khỏng từ (Hc), Trường dị hướng(HK), Trường tương tỏc trao đổi (HEX) trong hệ với lớp sắt từ
bị ghim là NiFe và CoFe.
Lớp bị ghim tP (nm) S (V/Oe) Hc(Oe) Hk (Oe) Hex (Oe)
NiFe 2 5,4 0,88 2,9 14,31
CoFe 2 2,1 1,75 12,56 37,68
Hỡnh 3.19. Độ nhạy phụ thuộc vào chiều dày lớp sắt từ ghim của màng mỏng dựa trờn cấu trỳc van-spin với lớp bị ghim CoFe và NiFe [13].
3.3.3. Ng hiờn cứu cấu trỳc van-sp in với lớp sắ t từ tự do NiFe cú chiều dày thay đổi (NiFe(tf)/Cu/NiFe/IrM n)
Cấu trỳc van-spin Ta(5)/NiFe(tf)/Cu(1,2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) n m được
độ lớn Hx = 400 Oe song song với mặt phẳng màng. Như đĩ trỡnh bày ở trờn, từ trường này gõy ra một dị hướng từ trong cỏclớp sắt từ tự do (FFM-Free Fero Magnetic) NiFe, lớp sắt từ bị ghim (PFM – Pinned FeroMagnetic ) và định hướng phương ghim của lớp phản sắt từ (AFM - Anti FeroMagnetic) Ir-Mn, cú thể đảm bảo khả năng tạo ra một dị hướng đơn trục với trạng thỏi đơn đụ-men trong cấu trỳc này. Trong nội dung nghiờn cứu này, cỏc mẫu van-spin với chiều dày lớp sắt từ tự do NiFe thay đổi từ 4 nm đến 16 n m đĩ được chế tạo với cựng điều kiện cụng nghệ. Quỏ trỡnh từ húa và từ-điện trở đĩ được nghiờn cứu và khảo sỏt để tỡm hiểu cơ chế, nguyờn lý từ đú tối ưu chiều dày lớp sắt từ tự do cho cỏc nghiờn cứu tiếp theo.
3.3.3.1. Cấu trỳc tinh thể của màng NiFe/Cu/NiFe/IrM n
Hỡnh 3.20 trỡnh bày kết quả đo nhiễu xạ tia X được thực hiện trờn màng cú cấu trỳc Ta(5)/NiFe(10)/Cu(1.2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) n m được lắng đọng trờn đế Si phủ SiO2. Một lần nữa khẳng định đĩ tạo lại được cấu trỳc tinh thể [111] của IrMn và NiFe [63].
Hỡnh 3.20. Nhiễu xạ tia X của màng mỏng cấu trỳc spin- vanTa(5)/NiFe(10)/Cu(1.2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) nm.
3.3.3.2. Quỏ trỡnh từ hú a của màng NiFe(tf)/Cu/NiFe/IrM n
Hỡnh 3.21 biểu diễn đường cong từ hoỏ của cỏc màng mỏng cấu trỳc van-
spinTa(5)/NiFe(tf)/Cu(1,2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (nm) với độ dày lớp sắt từ tự
doNiFe thay đổi từ tf = 4 nm đến 16 nm. Phộp đo được thực hiện với từ trường tỏc
dụng nằm trong mặt phẳng màng, dọc theo phương của từ trường ghim (phương từ húa dễ).
Hỡnh 3.21. Biễu diễn dạng đường cong từ trễ đặc trưng của cấu trỳc van-spin Ta(5)/NiFe(tF)/Cu(1,2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (nm); với tF =4, 8, 12, 16 nm, hỡnh
Nhỡn vào đồ thị ta thấy rằng tất cả 4 mẫu với chiều dày lớp tự do thay đổi này đều cú một điểm chung là quỏ trỡnh từ húa gồm 2 bước đảo từ rất rừ nột, trong đú, bước đảo từ thứ nhất xảy ra ở gần như cựng một từ trường trong vựng từ trường thấp
H< -10 Oe và hầu như khụng cú sự trễ từ. Bước đảo từ thứ 2 xảy ra ở từ trường lớn
hơn H ~ -700 Oe và độ trễ từ lớn thể hiện qua độ rộng của bước đảo từ giữa đường đi
và về phụ thuộc vào chiều dày lớp ghim NiFe. Điều này được giải thớch là do quỏ trỡnh đảo từ xảy ra trong hai lớp sắt từ tự do và lớp sắt từ bị ghim tương ứng lần lượt với bước đảo từ 1 và 2. Lớp tự do NiFe là lớp cú tớnh chất từ mềm với lực khỏng từ rất nhỏ phự hợp với bước đảo từ thứ nhất khụng cú sự trễ từ (hỡnh chốn bờn trong Hỡnh 3.21). Trong khi đú, bước đảo từ thứ 2 cũng cựng vật liệu NiFe do chịu tương tỏc với lớp phản sắt từ IrMn nờn đường cong cú độ mở rộng lớn hơn. Kết quả tương tự cũng đĩ được cụng bố trờn hệ mẫu của [83].
Hỡnh 3.22. Cỏc giỏ trị trường tương tỏc trao đổi giữa hai lớp sắt từ bị ghim và lớp phản sắt từ Hex,p và lực k hỏng từ Hc,p của lớp ghim phụ thuộc vào chiều dày lớp sắt
từ bị ghim NiFe.
Kết quả đo từ độ cũng cho thấy khi chiều dày của lớp tự do NiFe tăng từ 4 nm đến 16 nm, sự thay đổi từ độ của bước đảo từ thứ nhất của lớp này tăng lờn
đến 400 emu/cm3. Điều này dễ dàng được hiểu là do đúng gúp từ độ của lớp sắt từ tự do vào từ độ tổng cộng của màng.
Điều đỏng chỳ ý ở đõy là cỏc đường trễ tương ứng với bước đảo từ thứ hai của lớp sắt từ bị ghim NiFe đều bị dịch mạnh về phớa từ trường õm. Khi chiều dày
lớp sắt từ tự do thay đổi, từ trường dịch Hex,p và lực khỏng từ Hc,p tương ứng của
bước đảo từ thứ 2 được xỏc định từ đường cong từ trễ như mụ tả trờn Hỡnh 3.22 thay đổi rất ớt. Bờn cạnh đú, bước đảo từ thứ nhất của lớp sắt từ tự do NiFe cũng cho thấy cú hiện tượng dịch về phớa từ trường õm nhỏ. Đường cong mụ tả sự thay đổi của lực khỏng từ và từ trường trao đổi thu được từ đường cong từ trễ tương ứng với
quỏ trỡnh đảo từ của lớp sắt từ tự do NiFe (HC,f, Hex,f) được biểu diễn trờn Hỡnh 3.23
cũng cho thấy khụng cú s ự thay đổi đỏng kể nào.
Hỡnh 3.23. Đường phụ thuộc lực khỏng từ Hc,fvà trường tương tỏc trao đổi Hex,f vào chiều dày lớp sắt từ tự do thay đổi tf = 4, 8, 10, 12, 16.
Hiện tượng dịch như quan sỏt thấy ở bước đảo từ thứ hai cú thể dễ dàng được hiểu là do tương tỏc trao đổi tại vựng chuyển tiếp giữa lớp sắt từ bị ghim NiFe với lớp phản s ắt từ IrMn, tương tỏc này chỉ bị phỏ vỡ khi từ trường ngồi đủ lớn, lớn
hơn trường tương tỏc trao đổi Hex,p. Từ trường này cú hướng theo chiều dương của
Trong cấu trỳc van-spin Ta(5)/NiFe(tf)/Cu(1,2)/NiFe(2)/IrMn(15)/Ta(5) (nm), ngồi tương tỏc trao đổi xảy ra giữa lớp sắt từ - phản sắt từ (NiFe(2)/IrMn(15)) cũn cú tương tỏc trao đổi yếu giữa lớp sắt từ tự do NiFe và lớp sắt từ bị ghim NiFe ở phớa
trờn qua lớp khụng từ (Cu) mỏng NiFe(tf)/Cu(1,2)/NiFe(2). Tương tỏc này cú cường
độ phụ thuộc vào chiều dày của lớp đệm khụng từ và càng lớn khi lớp đệm Cu càng mỏng. Trong cỏc hệ màng này, với chiều dày lớp Cu là 1,2 nm, tương tỏc này ớt nhiều sẽ cú đúng gúp vào quỏ trỡnh từ húa. Chớnh tương tỏc này sẽ ảnh hưởng nhiều đến dũng spin qua cấu trỳc van-spin đang nghiờn cứu. Hệ quả của tương tỏc này dẫn đến
sự dịch của bước đảo từ thứ nhất Hex,f ứng với sự đảo từ của lớp sắt từ tự do NiFe dao
động từ 5 đến 8 Oe như quan sỏt thấy trờn Hỡnh 3.23.
3.3.3.3. Hiệu ứng từ điện trở của cấu trỳc NiFe(tf)/Cu/NiFe/IrM n
Sử dụng phương phỏp đo 4 mũi dũ như đĩ trỡnh bày ở trờn, hiệu ứng từ-điện trở của cỏc màng cấu trỳc van-spin NiFe/Cu/NiFe/IrMn khảo sỏt và nghiờn cứu.
Hỡnh 3.24: Đường cong phụ thuộc của tỉ số từ điện trở vào từ trường ngồicủa cấu trỳc van-spin với chiều dày lớp sắt từ NiFe tự do thay đổi từ tf = 4 đến 16 nm [12].
Kết quả đo sự phụ thuộc của tỉ số R/R vào từ trường ngồi được đưa ra trờn
Hỡnh 3.24. Khỏc với phộp đo đĩ được thực hiện trờn hệ màng 2 lớp và 3 lớp ở trờn, trong phộp đo này, chiều dũng điện, phương từ trường ngồi và phương từ trường