Các màng mỏng từ liên kim loạ
6.2.3. Sự phụ thuộc vào độ dày màng mỏng của nhiệt độ trật tự từ
trật tự từ
Xét các vật liệu từ có dạng không gian bán vô hạn. ở một nhiệt độ đủ cao, trật tự từ bị phá vỡ do sự tăng c−ờng của các kích thích (hoặc thăng giáng) từ ngang (tức là bất trật tự về định h−ớng của các mômen từ). Theo mô hình tr−ờng trung bình, nhiệt độ Curie của các chất sắt từ đ−ợc xác định bởi công thức (xem biểu thức 3.17):
TC = 2ZTTATTS(S + 1)/3kB. (6.1)
Theo hệ thức này, TC tỉ lệ với số phối vị ZTT. Do vậy, có thể đoán nhận đ−ợc rằng TC sẽ giảm đối với các lớp vật liệu ở bề mặt (so với các kim loại thông th−ờng). Theo cách nh− vậy, nếu xem xét các màng kim loại là siêu mỏng đ−ợc lắng đọng trên các đế kim loại, chúng ta sẽ quan sát thấy sự giảm của TC khi chiều dày màng nhỏ hơn một vài lớp nguyên tử (xem hình 6.2).
Cùng với sự thay đổi nhiệt độ trật tự từ, ta còn quan sát thấy có sự ảnh h−ởng đến các chỉ số mũ tới hạn đặc tr−ng cho sự thay đổi theo nhiệt độ của từ độ (tức là chỉ số tới hạn β trong biểu thức M(T) ∼ (T-TC)β) và hệ số từ hóa (tức là chỉ số tới hạn γ
trong biểu thức χ(T) ∼ (T-TC)β). Ví dụ, khi xét các chất sắt từ theo mô hình tr−ờng trung bình (hay mô hình chuyển pha Landau), từ độ thể tích tỉ lệ với (T – TC)1/2 (tức là β = 0,5) trong khi đó từ độ bề mặt biến đổi theo quy luật (T – TC) (tức là β = 1)
[6.9].
Hình6.2. Sự thay đổi của nhiệt độ trật tự từ theo chiều dày của một số màng kim loại chuyển tiếp siêu mỏng [6.6]
Trong một số tr−ờng hợp nhất định, hiệu ứng bề mặt không làm giảm nhiệt độ Curie mà ng−ợc lại làm tăng TC. Đối với các kim loại chuyển tiếp, điều này đ−ợc giải thích do sự tăng c−ờng của tính sắt từ khi mật độ trạng thái ở mức Fermi tăng lên dẫn
đến làm tăng sự tách vùng và do đó tăng mômen từ. Sự tăng c−ờng của nhiệt độ Curie cũng có thể quan sát thấy trong một số màng mỏng đất hiếm. Ví dụ nh− bề mặt của Gd có TC ~ 310 K, tức là TC tăng lên 20 K so với kim loại Gd (TC(Gd) = 290 K). Tr−ờng hợp này đ−ợc giải thích do sự tăng c−ờng của c−ờng độ t−ơng tác trao đổi 4f-4f giữa các ion lân cận do có sự phân bố lại điện tích ở trên bề mặt.]
6.3. Dị h−ớng từ bề mặt trong màng mỏng đa lớp
Dị h−ớng từ của các màng mỏng có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là các tr−ờng hợp dị h−ớng từ vuông góc với mặt phẳng màng, để ứng dụng trong kỹ nghệ ghi thông tin mật độ cao.
Đối với tr−ờng hợp màng mỏng, dị h−ớng từ hình dạng th−ờng có xu h−ớng định h−ớng các mômen từ theo ph−ơng mặt phẳng để năng l−ợng tĩnh từ tối −u.
Năng l−ợng dị h−ớng từ của các màng mỏng th−ờng đ−ợc viết d−ới dạng:
Ea = −K cos2θ, (6.2) trong đó, θ là góc giữa từ độ và ph−ơng pháp tuyến của màng. Theo định nghĩa này, giá trị d−ơng của K có nghĩa là từ độ h−ớng theo ph−ơng vuông góc với mặt phẳng màng. Nói chung, trong rất nhiều tr−ờng hợp, dị h−ớng mặt phẳng đ−ợc quan sát phổ biến hơn.
Có hai nguồn đóng góp chính vào dị h−ớng từ của các màng mỏng, đó là dị h−ớng từ thể tích (KV) và dị h−ớng từ bề mặt (hay bề mặt giữa các lớp) (KS). Hai loại dị h−ớng này có thể tách ra khỏi dị h−ớng từ hiệu dụng đo đ−ợc từ thực nghiệm Keff dựa vào biểu thức sau:
Keff = KV + 2KS/t, (6.3)
trong đó t là chiều dày của màng, thừa số 2 xuất hiện trong biểu thức này là do mỗi lớp sắt từ có hai lớp bề mặt.
Về mặt thực nghiệm, KV và KS có thể đ−ợc xác định từ mối quan hệ:
t.Keff = t.KV + 2KS . (6.4)
Bằng cách vẽ đồ thị t.Keff phụ thuộc vào t, KV sẽ đ−ợc xác định từ hệ số góc của đ−ờng thẳng và 2KS là giao điểm của đ−ờng thẳng với trục tung. Điều này đã đ−ợc minh họa trên hình 6.3 cho các màng mỏng đa lớp {Co(tCo)/Pd(tPd = 1,1 nm)}n. Nhận thấy rằng, các mẫu có tCo < 1,2 nm dị h−ớng từ vuông góc với mặt phẳng (xem thêm kết quả của các màng mỏng Au/Co trên hình 6.4). Khi tCo > 1,2 nm vectơ từ độ nằm trong mặt phẳng màng. Đó là do tỉ lệ đóng góp của KS và KV vào dị h−ớng từ tổng cộng. Trong tr−ờng hợp này, KS/tCo ~ +5 MJ/m3, trong khi đó năng l−ợng dị h−ớng từ của Co ở dạng khối KV = +0,85 MJ/m3. Trong các tr−ờng hợp khác, KV = −0,042 MJ/m3 (đối với Fe) và −0,017 MJ/m3 (đối với Ni). Rất thú vị nếu ta so sánh kết quả này với giá trị năng l−ợng dị h−ớng từ của YCo5 (+5 MJ/m3) và Nd2Fe14B (+12 MJ/m3).
Cách xác định KS và KV nh− đã làm trên hình 6.3 đã đ−ợc thực hiện cho rất nhiều hệ các màng mỏng đa lớp khác nhau. Nói chung, từ các kết quả thực nghiệm đó có thể nhận xét rằng đối với các màng mỏng đa lớp của Fe và các kim loại chuyển tiếp đầu dãy {Fe/LT} (nh− Fe/V, Fe/Ti,...), KS th−ờng có giá trị âm, còn đối với các màng mỏng {Fe/HT} (nh− Fe/Pt, Fe/Pd, Fe/Cu,...), KS th−ờng có giá trị d−ơng. Đó là nội dung của qui luật về sự phụ thuộc của dị h−ớng bề mặt vào nguồn gốc của sự
lai hóa đã đ−ợc Givord và đồng nghiệp công bố vào năm 1996 [6.12].
Hình 6.3. Đồ thị tCoKeff phụ thuộc vào tCo của các màng mỏng đa lớp {Co(tCo)/Pd(tPd = 1.1 nm)}n [6.10]
Trong ch−ơng III, ta cũng đã nêu quy luật về sự phụ thuộc mức độ lấp đầy vùng của KS (cho các màng mỏng của Fe, Co, Ni). Phát triển mô hình đó chúng ta cũng có thể giải thích đ−ợc quy luật vừa nêu trên. Thật vậy, trong vùng bề mặt chuyển tiếp, tính đối xứng thấp của các trạng thái OPO vẫn tồn tại, do đó qui luật về sự phụ thuộc độ lấp đầy vùng của dị h−ớng từ bề mặt vẫn có thể áp dụng (xem mục 3.3.4, ch−ơng III). Tuy nhiên, cần phải l−u ý rằng, trong vùng chuyển tiếp tồn tại hai loại nguyên tử khác nhau. Vì vậy bức tranh vùng năng l−ợng và qui luật đó sẽ bị thay đổi đi chút ít. Nguyên nhân chính của sự thay đổi đó là sự có mặt của hiệu ứng lai hóa. Nếu chỉ chú ý đến các màng mỏng đa lớp và các vật liệu có cấu trúc nanô dạng hạt (Fe,Co)/X, có thể phân chia X thành hai nhóm để khảo sát: X =
LT (Sc, Ti, V, Zr, đất hiếm) - các kim loại chuyển tiếp nhẹ với số điện tử d ít hơn của Fe, Co và X = HT (Cu, Ag, Pd, Pt...) - các kim loại chuyển tiếp nặng với số điện tử d lớn hơn của Fe, Co. Đặc tr−ng của các kim loại LT là có vùng năng l−ợng 3d nằm
Hình6.4. Đ−ờng cong từ trễ đo bằng từ kế SQUID theo ph−ơng vuông góc (⊥) và song song (//) với mặt phẳng màng ở T = 10 K cho các màng mỏng đa
cao hơn vùng 3d của Fe,Co, còn vùng 3d của các kim loại HT nằm thấp hơn. Lai hóa (Fe,Co)/LT có xu h−ớng làm cho mức Fermi dâng cao - tức là ủng hộ dị h−ớng bề mặt (KS < 0), còn lai hóa (Fe,Co)/HT có xu h−ớng làm hạ thấp mức Fermi , tức là ủng hộ dị h−ớng vuông góc (KS < 0). Hệ quả là, sự phụ thuộc mức độ lấp đầy vùng của dị h−ớng bề mặt (interface) trong các màng mỏng đa lớp và vật liệu có cấu trúc dạng hạt sẽ bị thay đổi nh−
trên hình 6.5. Đó nh− là một qui luật: lai hóa (Fe,Co)/LT gây ra dị h−ớng bề mặt, còn dị h−ớng vuông góc th−ờng quan sát thấy trong tr−ờng hợp lai hóa (Fe,Co)/HT.
N(E) E hay n3d