Năng lượng của các ion tới được chia làm hai phần cơ bản: một phần để phân cắt các liên kết trên bề mặt bia vật liệu, tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion riêng rẽ; phần còn lại được truyền thành động năng cho các phần tử này tán xạ ngược và lắng đọng trên đế. Năng lượng của các ion tới phụ thuộc vào điện trường, hay cụ thể hơn là thế đặt vào giữa hai điện cực. Năng lượng liên kết của bia vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào bản chất hóa học và trạng thái tồn tại của nó. Mối tương quan giữa hai đại lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất quá trình lắng đọng.
Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ có ưu điểm là quy trình ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa, độ bám dính của màng với đế tốt, bia để phún xạ thường dùng được lâu vì lớp phún xạ mỏng… Tuy nhiên phương pháp này còn tồn tại một số hạn chế như cần bia có kích thước lớn, do đó thường khó chế tạo và đắt tiền, hiệu suất sử dụng bia thấp, khó kiểm soát được tốc độ mọc màng và màng chế tạo được không đảm bảo đúng hợp thức hóa học so với bia bốc bay.
Màng mỏng oxit nói chung và màng sắt điện cấu trúc perovskite nói riêng thể hiện những tính chất sắt điện tốt khi chế tạo ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, khi chế tạo màng mỏng sắt điện và áp điện như PbTiO3, PZT, (Pb,La)(Zr,Ti)O3 ở nhiệt độ cao bằng phương pháp phún xạ thường xảy ra hiện tượng bay hơi một lượng chì (Pb) đáng kể trong thành phần màng mỏng dẫn đến suy giảm các tính chất của màng mỏng.
b. Chế tạo vật liệu tổ hợp PZT/NiFe/CoFe
Trong luận văn này chúng tôi sử dụng vật liệu sắt từ được sử dụng là Co50Fe50 và Ni80Fe20 với những tính chất từ mềm đặc trưng có tính chất từ giảo tốt, đặc biệt vật liệu này nhạy với ứng suất tác động. Điều này rất quan trọng trong việc nghiên cứu khả năng điều khiển tính chất từ dưới tác dụng của ứng suất gây ra bởi lớp áp điện.
Nhằm tăng cường sự liên kết cũng như đảm bảo ứng suất trên lớp áp điện sẽ truyền tối đa sang lớp từ giảo, chúng tôi đã tiến hành phún xạ các lớp sắt từ NiFe, CoFe trực tiếp lên các đế áp điện bằng phương pháp phún xạ catốt sử dụng thiết bị phún xạ ATC 2000 (AJA International, Mỹ).
Vật liệu áp điện sử dụng có nguồn gốc của hãng American Piezoceranics Inc, (PA, USA) bao gồm 2 loại: PZT phân cực ngang theo chiều dày của mẫu và PZT phân cực dọc theo mặt phẳng mẫu. Màng mỏng sắt từ NiFe, CoFe được chế tạo lần lượt lên trên đế áp điện PZT phân cực ngang và phân cực dọc với thời gian phún lớp CoFe cố định là 30 phút, thời gian phún lớp đệm NiFe thay đổi là 10, 20, 40 và 60. Các điều kiện chế tạo khác gồm: công suất 50 W, áp suất khí PAr = 2,2 mTorr, áp suất cơ sở Pb = 210-7 Torr. Sau khi phún xạ các lớp sắt từ lên đế PZT, tất cả các mẫu đều được phún xạ một lớp Ta mỏng lên trên bề mặt để bảo vệ mẫu tránh bị oxy hóa.
2.1.3. Phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE)
Epitaxi chùm phân tử (MBE) là phương pháp vật lý dùng để chế tạo các màng mỏng chất lượng cao. Pha hơi của vật liệu được tạo thành thông qua sự tương tác giữa chùm nguyên tử hay một hoặc một vài phân tử với bề mặt bia. Quá trình chế tạo màng mỏng bằng phương pháp này được thực hiện trong chân không siêu cao.
Phương pháp MBE cho phép điều khiển chính xác thành phần vật liệu, lượng pha tạp, chế tạo được các lớp đơn phân tử (monolayer) với chất lượng rất cao. Tốc độ lắng đọng của một lớn đơn phân tử từ 1 đến 5s [15]. Tốc độ mọc màng chậm, giá thành cao, không thích hợp để chế tạo màng có diện tích lớn. Do vậy, phương pháp này thường được sử dụng để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, đặc biệt cho các thiết bị bán dẫn.
2.1.4. Phương pháp lắng đọng bằng xung laser (PLD)
Màng sắt điện PZT đã được nhiều nhà khoa học trên thế nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp PLD. Sử dụng áp suất Oxy cao trên 200 mTorr, Horwitz [24] đã chế tạo được màng PbZrxTi1−xO3 (0.4 x 1) với định hướng [001] trên đế các đơn tinh thể MgO và SrTiO3. Veradi và đồng nghiệp [34] phủ một lớp đệm TiN trên đế Si để chế tạo màng có định hướng chủ yếu [111]. Còn Roy và đồng nghiệp [9] đã công bố việc chế tạo màng PZT định hướng [110] trên đế Si phủ TiO2/Pt. Các nghiên cứu về vật liệu sắt điện dạng màng trên các đế đơn tinh thể SrTiO3 cho những kết quả tốt, dòng rò thấp so với vật liệu khối [42]. Tuy nhiên việc chế tạo các lớp đệm này yêu cầu phải sử dụng kỹ thuật MBE rất tốn kém, giá thành các đế đơn tinh thể rất cao, do vậy không phù hợp với mục đích triển khai ứng dụng.
PLD là kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách bắn phá một hay nhiều bia bằng chùm tia laser hội tụ công suất cao (khoảng 108W/cm2). Kỹ thuật này lần đầu tiên được sử dụng bởi Smith và Turner vào năm 1965 để chế tạo màng mỏng bán dẫn và điện môi và sau đó được Dijkkamp và các cộng sự sử dụng để chế tạo vật liệu siêu dẫn
ở nhiệt độ cao vào năm 1987. Kỹ thuật bốc bay này đã được sử dụng cho tất cả các loại oxit, nitrit, cacbua cũng như được sử dụng để chế tạo các hệ kim loại, thậm chí cả polymer mà vẫn đảm bảo hợp thức hóa học của thành phần màng. Hình 2.5 mô tả sơ đồ hệ lắng đọng bằng xung laser.