Các màng mỏng từ liên kim loạ
6.1. điều khiển tính chất vật lý của vật liệu bằng
cách thay đổi môi tr−ờng tinh thể
Trong những năm qua, các tiến bộ v−ợt bậc của công nghệ chế tạo vật liệu trong chân không cao đã cho phép tạo ra đ−ợc các vật liệu có cấu trúc nanô nhân tạo dạng lớp và dạng hạt (đơn lớp, đa lớp). Đồng thời với quá trình đó, một số các kỹ thuật phân tích cấu trúc tinh thể và cấu trúc từ hiện đại cũng đã đ−ợc ra đời. Hiện nay, chiều dày của các màng mỏng đơn lớp có thể thay đổi từ một vài lớp nguyên tử đến vài chục nanô mét. Các độ dày này có độ lớn vào khoảng một số độ dài đặc tr−ng trong từ học, ví dụ: độ dài t−ơng tác trao đổi, độ rộng vách đômen, quãng đ−ờng tự do trung bình của điện tử,...
Từ tính nói chung rất nhạy với môi tr−ờng của các nguyên tử địa ph−ơng. Do đó, nếu làm thay đổi đ−ợc môi tr−ờng này bằng cách điều khiển một số yếu tố, ta sẽ quan sát đ−ợc một số hiện t−ợng vật lý rất đặc biệt (không thể tồn tại trong vật liệu dạng khối). Có thể kể ra đây một số ví dụ nh−: khả năng làm ổn định một số pha cấu trúc mới mà thông th−ờng pha đó không (hoặc khó) ổn định trong vật liệu khối, sự xuất hiện của dị h−ớng từ bề mặt, liên kết trao đổi kiểu RKKY giữa các lớp từ
tính thông qua sự thay đổi độ dày của lớp đệm không từ tính kẹp ở giữa, hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ,... Chính các hiệu ứng vật lý này đã làm cho các màng mỏng từ đơn lớp và đa lớp có khả năng ứng dụng rất rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực ghi từ, quang - từ và các kỹ nghệ vi cơ,...
Các tính chất vật lý của màng mỏng không còn là mới. Từ những năm 50 của thế kỷ tr−ớc, Néel và các đồng nghiệp [6.1] đã nghiên cứu một số vấn đề nh− vách Bloch, vách Néel trong màng mỏng, t−ơng tác tĩnh từ giữa các lớp sắt từ lót bởi các lớp đệm không từ và dị h−ớng từ bề mặt,.... Tuy vậy, các thành tựu vật lý thực sự có ý nghĩa chỉ nhận đ−ợc nhờ sự phát triển của công nghệ trong hai thập kỷ vừa qua.
Trong các ch−ơng tr−ớc đây, ta đã có lần đề cập rằng từ tính của các kim loại rất nhạy với môi tr−ờng của các nguyên tử địa ph−ơng (xem mục 3.3, ch−ơng III). Môi tr−ờng tinh thể ảnh h−ởng đến độ lớn và thậm chí cả dấu của c−ờng độ t−ơng tác trao đổi, xác định dị h−ớng từ địa ph−ơng của vật liệu. Đối với các vật liệu từ mang đặc tính linh động, tính chất từ cũng thay đổi rất mạnh với sự thay đổi môi tr−ờng. Ví dụ nh− trong trạng thái tinh thể, hợp chất YCo2 là một chất thuận từ tăng c−ờng không có từ tính, nh−ng trong trạng thái vô định hình nó lại trở thành một chất sắt từ. Một ví dụ khác là kim loại Fe quen thuộc: Fe tự nhiên với cấu trúc lập ph−ơng tâm khối là chất sắt từ; trong màng mỏng, nếu pha lập ph−ơng tâm mặt đ−ợc hình thành, sắt sẽ không có từ tính.
Trong các vật liệu dạng khối, các nhà vật lý thực nghiệm luôn cố gắng thay đổi môi tr−ờng nguyên tử địa ph−ơng với hy vọng sẽ thay đổi đ−ợc tính chất của vật liệu. Ví dụ, có thể thay đổi khoảng cách các nguyên tử bằng cách xử lý nhiệt hoặc chiếu
xạ ion nặng,... Tuy nhiên, trong tất cả quá trình ấy, các nhà vật lý thực nghiệm chỉ gây ra đ−ợc sự thay đổi vĩ mô mà không tài nào can thiệp đ−ợc đến các thay đổi vi mô ở mức độ nguyên tử.
Khi chế tạo các màng mỏng, các chùm nguyên tử đi đến và lắng đọng trên đế mẫu (substrate). Muốn nhận đ−ợc một cấu trúc tinh thể hoàn hảo của mẫu, thông th−ờng ta phải sử dụng đế mẫu đơn tinh thể có mặt tinh thể gần giống với vật liệu ta cần chế tạo. Đó là công nghệ êpitaxi. Trong một số tr−ờng hợp khả quan hơn, ta còn có thể nhận đ−ợc mẫu đơn tinh thể với cấu trúc siêu mạng (superlattice). Ví dụ nh− kim loại đất hiếm Dy ở trạng thái khối có chuyển pha sắt từ – xoắn từ loại một ở 85 K. Điểm chuyển pha này có thể bị giảm xuống hoặc tăng lên (thậm chí đến hai lần) phụ thuộc sự nén mạng (trong siêu mạng {Dy/Y}[6.2]) hay giãn mạng (trong siêu mạng {Dy/Lu}[6.3]) của Dy. T−ơng tự trong siêu mạng {Ho/Y}, tồn tại pha cấu trúc côn [6.4], trong khi đó trật tự sắt từ lại tồn tại trong các siêu mạng {Ho/Lu} ở d−ới 30 K [6.5].
Trong các tr−ờng hợp nghiên cứu phổ biến (đặc biệt trong các nghiên cứu ứng dụng), quá trình êpitaxi hoàn toàn không cần thiết. Lúc đó mẫu có bản chất khác: các lớp vật liệu tr−ớc hết đ−ợc lắng đọng ở trạng thái vô định hình, đến một độ dày đủ lớn cấu trúc tinh thể mới đ−ợc hình thành trên nền vô định hình đó. Ngay trong tr−ờng hợp này, không cần phải lắng đọng các lớp nguyên tử A và B khác nhau, mà các lớp nguyên tử cùng loại A (hoặc B) trong trạng thái tinh thể và vô định hình xen kẽ nhau nh− vậy cũng có thể gọi là màng có cấu trúc đa lớp. Trong đa số các tr−ờng hợp, các màng mỏng có cấu trúc đa lớp kiểu {A/B}n cho nhiều khả năng thay đổi môi tr−ờng của các nguyên tử nhất. Đó chính là nhờ việc tạo ra các bề mặt tiếp xúc
(interfaces) giữa các vật liệu đã chọn. Bằng cách đó, không những thay đổi đ−ợc môi tr−ờng nguyên tử địa ph−ơng (số nguyên tử lân cận, mức độ đối xứng) mà còn cả thành phần hóa học.
Khi chế tạo mẫu bằng ph−ơng pháp êpitaxi trên các đế không phù hợp nhau về hằng số mạng, ta lại có khả năng làm giãn hoặc co mạng tinh thể của vật liệu cần chế tạo khoảng vài phần trăm. Điều này t−ơng đ−ơng với việc tăng hoặc giảm áp suất (hóa học) mà không thể tiến hành đối với các mẫu khối. Thậm chí, với công nghệ màng mỏng ta còn có thể làm ổn định một pha tinh thể không bao giờ tồn tại ở trong trạng thái khối ở điều kiện bình th−ờng. Ví dụ, thông th−ờng Fe có cấu trúc bcc nh−ng nó cũng có thể ổn định đ−ợc ở cả pha fcc bằng ph−ơng pháp êpitaxi trên đế đơn tinh thể Cu(100) có cấu trúc fcc. Fe cũng có thể ổn định ở pha tinh thể lục giác xếp chặt (cũng bằng cách êpitaxi trên đế Ru đơn tinh thể lục giác). T−ơng tự, Co bình th−ờng tồn tại với cấu trúc lục giác cũng có thể hình thành pha fcc hoặc bcc trên đế Cu(100) hoặc đế GaAs(001).
Ngoài các khả năng thay đổi môi tr−ờng tinh thể, các màng mỏng đơn lớp và đa lớp còn cho phép thay đổi độ dày của các lớp nguyên tử riêng biệt tuỳ theo các giới hạn đặc tr−ng và mục đích nghiên cứu.