Nhƣ đã đề cập trong phần 1.1.1 và 1.1.2, hiện tƣợng thay đổi tính chất từ dƣới tác dụng của điện trƣờng trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp từ giảo - áp điện có bản chất là hiệu ứng áp điện - từ giảo ngƣợc (hiệu ứng điện từ ngƣợc). Quá trình thay đổi mômen từ (spin) bằng điện trƣờng trong vật liệu đa pha sắt tổ hợp đƣợc thực hiện thông qua tƣơng tác đàn hồi giữa pha sắt từ và đế áp điện/sắt điện. Biến dạng mạng tinh thể của pha áp điện/sắt điện xảy ra do tác động của điện trƣờng và đƣợc truyền qua vùng phân giới giữa vật liệu áp điện và vật liệu từ giảo. Dƣới ảnh hƣởng
của ứng suất cơ học này, vật liệu sắt từ - từ giảo cũng bị biến dạng và do đó từ độ sẽ thay đổi (về độ lớn và định hƣớng).
Tính chất của vật liệu đa pha sắt tổ hợp phụ thuộc vào sự cạnh tranh giữa dị hƣớng từ đàn hồi và dị hƣớng từ tinh thể và tƣơng tác trao đổi tĩnh từ. Trong đó, bản chất của sự truyền biến dạng của vật liệu sắt điện và áp điện là khác nhau. Sự biến dạng cảm ứng điện trƣờng trong vật liệu áp điện có thể đơn trục hoặc lƣỡng trục phụ thuộc vào định hƣớng tinh thể. Các nghiên cứu về vật liệu Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3 (PMN-PT) đƣợc sử dụng làm pha áp điện để điều khiển tính chất từ của manganite [19, 20, 86, 171], ferrite [69, 70, 72, 105, 168], màng từ kim loại [13, 18, 71, 131, 149] và biến đổi từ trở của các oxit [7, 8, 84, 125, 126] đã đƣợc công bố. Trong các vật liệu này, từ độ của các màng sắt từ mỏng có thể đƣợc điều khiển bằng điện thế thông qua biến dạng từ đế BaTiO3 [35, 38, 140], Pb(Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3, [62]; và Pb(Zr,Ti)O3 [93]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu chứng minh việc điều khiển lực kháng từ bằng điện trƣờng [30, 54], trƣờng trao đổi [98, 153] hay dị hƣớng từ [5, 152, 155] cũng đã đƣợc các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu.
Zang và các cộng sự sau đó đã công bố kết quả nghiên cứu tƣơng tự trên hệ vật liệu tổ hợp CoFeB/PMN-PT với sự phụ thuộc của M(E) [86]. Chú ý rằng, việc điều khiển tính chất từ bằng điện trƣờng trên hệ Ni/PMN-PT [93] và FeGaB/PMN- PT [5] đƣợc thực hiện khi điện trƣờng nhỏ hơn lực kháng điện EC của tấm sắt điện PMN-PT, trong khi đó đối với CoFeB/PMN-PT quá trình này thực hiện khi điện trƣờng lớn hơn EC. Sự đảo 109o của đômen sắt điện và sự tồn tại của dị hƣớng từ tinh thể trong màng CoFeB là nguyên nhân gây ra quá trình đảo từ không tự xóa cảm ứng điện trƣờng [86]. Trong khi đó, dị hƣớng từ tinh thể mạnh của màng FeGa đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp epitaxy đã chứng minh sự đảo từ 90o không tự xóa theo điện trƣờng tác động [150].
Bên cạnh đó, Tiercelin và nhóm nghiên cứu đã chứng minh quá trình đảo từ 90o lƣỡng bền cảm ứng điện thế khi không và có điện trƣờng tác động lên màng đa lớp TbCo2 (5nm)/FeCo (5nm) đƣợc chế tạo trên đế áp điện PZT (011). Bằng cách
tác động từ trƣờng ngoài vuông góc với trục dị hƣớng đơn trục cảm ứng trong quá trình tạo màng, hai trạng thái mômen từ bền vững tạo ra việc đảo 90o trong TbCo2/FeCo. Quá trình đảo từ 90o cảm ứng điện thế đƣợc xác định thông qua sự cạnh tranh của dị hƣớng đơn trục cảm ứng và hƣớng từ trƣờng vuông góc với trƣờng dị hƣớng đơn trục, và trƣờng dị hƣớng đơn trục có thể đƣợc điều khiển bằng thế có thể quay 45o từ trục dị hƣớng đơn trục [117]. Quá trình đảo từ lƣỡng bền điều khiển bằng điện thế không phụ thuộc vào dạng trễ e(E) và có thể lợi hơn về mặt năng lƣợng [137, 143, 148, 172]. Điều này chứng tỏ quá trình đảo lƣỡng bền cảm ứng thế hoặc xung thế trong cấu trúc tổ hợp có triển vọng ứng dụng trong lƣu trữ thông tin thế hệ mới.
Ngoài ra, các nghiên cứu về chuyển pha cấu trúc của BaTiO3 cũng đã chứng minh tƣơng tác biến dạng giữa đế sắt điện và màng từ và cơ chế điều khiển từ độ bằng điện trƣờng [46, 132, 135, 137, 141]. Mạng tinh thể BaTiO3 thay đổi cấu trúc từ lập phƣơng sang tứ giác tại nhiệt độ 393 K, tứ giác sang trực giao tại 278 K và trực giao sang trực thoi tại 183 K [41]. Các chuyển pha mạng tinh thể làm biến đổi trạng thái biến dạng và do đó thay đổi dị hƣớng từ đàn hồi của các màng từ, đƣợc chỉ ra bởi sự thay đổi đột ngột về từ độ. Kết quả này đã đƣợc minh chứng trên các hệ vật liệu La1-xSrxMnO3 [104, 155, 157], Fe3O4 [15, 40, 52], Fe [46, 47, 132, 137, 148, 167] và Sr2CrReO6 [36]. Sự cộng hƣởng từ theo điện trƣờng cũng đƣợc quan sát trên màng Fe [47, 137]. Tuy nhiên, do sự truyền biến dạng địa phƣơng từ các đômen sắt đàn hồi từ đế sắt điện đến màng từ, các phép đo vĩ mô đƣợc thảo luận ở trên không cung cấp thông tin về cộng hƣởng từ trên các đômen sắt điện khác nhau. Các đômen từ bị ghim trên đỉnh của đế sắt điện, cho phép việc điều khiển chuyển động vách đômen và quay mômen từ bằng điện trƣờng khi không có từ trƣờng tác động.
Trên thực tế, quá trình đảo phân cực điện bằng điện thế có thể ứng dụng trong việc ghi các bit từ bằng điện thế. Các nghiên cứu gần đây về quá trình đảo phân cực điện tại nhiệt độ phòng đã đƣợc nghiên cứu trong các cấu trúc tổ hợp nhƣ
FeGaB/PZT. Hình 1.12 chỉ ra đƣờng trễ sắt điện P(E) đo theo hƣớng dọc theo chiều dày đế PZT, có độ phân cực dƣ PR = 32 C/cm2 và lực kháng điện EC khoảng 8 kV/cm. Đƣờng trễ e(E) của đế PZT đo tại điện trƣờng E = 8 kV/cm và E = 16 kV/cm cũng đƣợc chỉ ra trên hình. Khi E = 16 kV/cm > EC, ta quan sát thấy đƣờng cong cánh bƣớm là do quá trình đảo đômen sắt điện. Mặt khác, chỉ có chuyển động của đômen sắt điện bị ảnh hƣởng khi E = 8 kV/cm < EC tạo ra sự biến dạng trong đƣờng trễ e(E) với biến dạng dƣ lớn. Đƣờng trễ e(E) có hai trạng thái biến dạng khác nhau tại E = 0 kV/cm phụ thuộc vào điện trƣờng và tại E < EC, dẫn đến các trạng thái từ lƣỡng bền (bistable magnetization states)thông qua tƣơng tác điện từ ngƣợc trong vật liệu tổ hợp FeGaB/PZT có cấu trúc dạng lớp. Đặc biệt hơn nữa, điện trƣờng E dƣơng tạo ứng suất nén theo hƣớng chiều dày của đế PZT thông qua hiệu ứng áp điện ngƣợc, dẫn đến biến dạng nén trong màng FeGaB và cuối cùng làm giảm dị hƣớng đơn trục theo hƣớng này. Trong khi đó, điện trƣờng E âm tạo ra ứng suất căng dọc theo chiều dày đế PZT và làm tăng cƣờng dị hƣớng đơn trục dọc theo hƣớng này của vật liệu tổ hợp.
Hình 1.12: Đường trễ sắt điện P(E) và đường trễ (E) của đế PZT đo theo phương mặt phẳng tại điện trường E = 16 kV/cm và 8 kV/cm [145]
Chúng ta có thể định nghĩa hai trạng thái từ bởi sự khác dấu của điện trƣờng nhƣ „1‟ và „0‟ để hiểu quá trình điều khiển từ độ bằng điện trƣờng. Nhƣ đề cập ở
Bi ế n d ạ n g t ro n g m ặ t p h ẳ n g ( p p m ) Ph ân c ự c đi ệ n ( C/ cm 2 ) Điện trường (kV/cm) E = 8 kV/cm E = 16 kV/cm
trên, điện trƣờng dƣơng có thể tạo ra dị hƣớng từ hiệu dụng dọc theo chiều dày; trạng thái từ này đƣợc định nghĩa là „0‟, có thể duy trì khi điện trƣờng E giảm về 0. Bằng cách giảm điện trƣờng, từ độ bắt đầu tăng và bền vững tại -8 kV/cm, dẫn đến trạng thái từ khác đƣợc định nghĩa là „1‟. Trạng thái „1‟ duy trì không thay đổi khi điện trƣờng E tăng từ -8 kV/cm đến 0. Toàn bộ quá trình này đƣợc ghi lại nhƣ trên hình 1.13.a.
Để mô phỏng quá trình ghi của một bộ nhớ thực tế, xung cảm ứng quá trình đảo từ lƣỡng bền đƣợc đo liên tục. Hình 1.13.b thể hiện tỉ số từ độ là 68 tại từ trƣờng Hbias = 3 Oe theo xung thế trong phép đo thời gian - đômen. Khi một xung dƣơng tác động làm giảm đáng kể tỉ số từ độ từ 0.7 xuống 0.55, nghĩa là có sự đảo từ trạng thái „1‟ sang trạng thái „0‟. Tƣơng tự, xung âm sau đó đảo trạng thái từ „0‟ sang „1‟. Hai trạng thái khác nhau đƣợc giữ ổn định trong mạch hở. Điều này chứng minh rằng việc điều khiển từ độ bằng xung thế có thể thực hiện đƣợc trong các cấu trúc vật liệu tổ hợp.
Hình 1.13: a)Tỉ số từ độ theo điện trường với từ trường trao đổi dịch Hbias = 3 Oe dưới tác dụng của điện trường E = 16 kV/cm và 8 kV/cm
b) Tỉ số từ độ của vật liệu tổ hợp FeGaB/PZT đo tại các xung thế dọc theo chiều dày với từ trường Hbias = 3 Oe [145.]
Điện trường (kV/cm) Thời gian (s)
Đi ệ n t rư ờ n g ( kV/ cm )
Một cơ chế khác có thể tạo ra quá trình đảo từ cảm ứng điện trƣờng là trƣờng trao đổi. Liu và cộng sự chứng minh đƣợc rằng sự truyền biến dạng áp điện từ đế PZT-PT (011) đến màng đa lớp FeMn/NiFe/FeGaB dẫn đến sự quay 180o của mômen từ theo điện trƣờng tác động (xem hình 1.14) [107].
Hình 1.14: Sự đảo từ cảm ứng điện trường trong vật liệu FeMn/NiFe/FeGaB/ PZT- PT: a) Đảo từ (góc gần 180o) gây ra bởi sự giảm điện trường với cấu hình = 55o
và Hbias = 28 Oe, hình nhỏ chỉ ra đường cong từ trễ đo tại các điện trường tại = 55o. Đường liền và đứt nét mô tả hướng đảo từ cảm ứng theo sự giảm của điện trường khi có hoặc không có Hbias, b) và c) Tỉ số từ độ đo tại các xung thế với từ
trường Hbias = -100 Oe [107].
Bên cạnh đó, trong một cấu hình khác nhƣ Ni/PMN-PT (011) [94, 95], điện trƣờng E đặt vào đế áp điện nhằm tạo ra biến dạng áp điện dị hƣớng trong mặt phẳng nhƣ đƣợc (hình 1.15a). Quan sát hình ta thấy trạng thái từ lƣỡng bền tồn tại tại E = 0 V, ví dụ mx = 0.9538 và 0.0364 với mẫu Ni có kích thƣớc 64×64×35 nm3tƣơng ứng với từ độ quay góc 70o. Trạng thái này đƣợc minh họa bằng giản đồ vectơ từ trên hình 1.15b. Hơn nữa, đƣờng M(E) trở nên phẳng hơn khi chiều dày
E (kV/cm)
màng giảm từ 35 xuống 5 nm, ứng với sự tăng nhẹ của từ độ cực đại quanh góc 5o. Nguyên nhân là sự khử của thành phần từ độ ngoài mặt phẳng, do sự tăng cƣờng khử từ trong các màng mỏng hơn, dẫn đến quay mômen từ trong mặt phẳng. Sự quay mômen từ càng lớn dẫn đến sự thay đổi từ trở của cấu trúc spin valve càng lớn (hình 1.15c).
Hình 1.15: a) Sự quay mômen từ cảm ứng điện trường trong lớp Ni với chiều dày 35 nm (vuông), 15 nm (tròn) và 5 nm (tam giác). mx chỉ ra từ độ trong mặt phẳng [100]. b) Giản đồ vectơ đặc trưng cho phân bố từ độ lưỡng bền tại E = 0, mx = 0.9538 (trái) và 0.0364 (phải) của lớp tự do Ni (thanh màu), mz chỉ ra từ độ ngoài mặt phẳng [001]. c) Đường trễ thay đổi điện trở tương đối dưới tác động của điện trường vuông góc với đế PMN-PT(011), cùng với sự đảo từ trong lớp tự do [77].
T ừ đ ộ , m x S ự thay đ ổ i tư ơ ng đ ố i c ủ a đi ệ n t r ở (%)
Thực nghiệm chỉ ra rằng biến dạng theo phƣơng mặt phẳng có thể đƣợc sử dụng trong việc đảo từ trong màng Ni đa tinh thể trên đế PMN-PT (011) [147]. Vì vậy, đƣờng trễ biến dạng - thế e(E) đƣợc sử dụng để minh chứng việc đảo từ dƣ Mr
cảm ứng điện trƣờng trong màng đa tinh thể Ni [4]. Sự đảo từ gần 180o cảm ứng điện trƣờng trong cấu trúc AFM/FM/FE cũng đƣợc quan sát thấy trên hệ tổ hợp NiFe/NiCoO/glass với đế đơn tinh thể (011) PZT-PT, với trục dễ từ hóa dọc theo hƣớng [100] hoặc [011] (xem hình 1.16). Quá trình đảo từ rất gần với từ độ bão hòa (từ MS đến -0.95 MS theo hƣớng PZN-PT [011]; từ 0.76 MS đến -0.9 MS theo hƣớng PZN-PT [100], chỉ ra rằng sự đảo từ gần 180o đƣợc quan sát trong cấu trúc tổ hợp này. Các kết quả đƣợc công bố thực sự có ý nghĩa trong việc hiện thực hóa cơ chế ghi từ bằng điện thế trong cấu trúc MERAM [160].
Hình 1.16: Sự đảo từ cảm ứng điện trường của cấu trúc MERAM dựa trên vật liệu tổ hợp NiFe/NiCoO/glass/PZT-PT [158].
Một số kết quả khác nghiên cứu cho thấy ứng suất gây ra bởi lớp áp điện có thể thay đổi dị hƣớng của các màng mỏng từ và điều khiển quá trình từ hóa nhờ tƣơng tác từ đàn hồi. Ví dụ với vật liệu Co50Fe50/PZT, lực kháng từ HC có thể thay
đổi 10% và điện trở thay đổi 0.08% tại điện trƣờng tác dụng E = 5 kV/cm [51]. Với vật liệu đa pha sắt tổ hợp Fe/BaTiO3, sự thay đổi của từ độ lên đến 20% dƣới tác dụng của điện trƣờng khoảng 1 kV/cm nhƣ đƣợc chỉ ra trên hình 1.17 [137]. Giá trị này lớn hơn rất nhiều so với các công bố trên màng mỏng FePt và FePd [111].
Hình 1.17: a) Đường trễ từ Kerr đo tại nhiệt độ phòng tại các giá trị điện trường khác nhau -10 kV/cm < E < 10 kV/cm, b) HC(E ) được suy ra từ (a) tương ứng với
sự thay đổi của điện trường.
1.4 Khả năng ứng dụng vật liệu đa pha sắt trong công nghệ lƣu trữ thông tin
Vật liệu đa pha sắt là một trong những vấn đề nổi bật gần đây đƣợc cộng đồng khoa học trên thế giới và trong nƣớc hết sức quan tâm, không chỉ lý thú về mặt vật lý cơ bản mà còn hấp dẫn bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và cuộc sống. Một trong các khả năng ứng của vật liệu đa pha sắt dạng tổ hợp là chế tạo cảm biến đo từ trƣờng độ nhạy cao đƣợc nhóm nghiên cứu của GS Đức chế tạo cảm biến đo từ trƣờng [116]. Cảm biến đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp kết dính hai pha sắt điện PZT và sắt từ CoFeBSi có ƣu điểm nhƣ độ nhạy cao, tín hiệu lớn,
Cư ờ ng a đ ộ K e rr
công suất tiêu thụ nhỏ,... Một ứng dụng quan trọng hiện nay trong y sinh là các vật liệu đa pha sắt đƣợc sử dụng trong các cảm biến sinh học. Các đầu dò có các chức năng nhận biết lai hóa DNA - DNA trong chuẩn đoán các bệnh về gen, nhận biết biến dị hoặc mô tả định lƣợng của gen và nhận biết tƣơng tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí sinh học gọi là các cảm biến sinh học. Trong cảm biến sinh học sử dụng vật liệu từ ngƣời ta thay thế việc đánh dấu bằng huỳnh quang truyền thống sử dụng các hạt quang bởi hạt từ. Việc sử dụng các cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng điện - từ, chúng ta có thể nhận biết từ trƣờng của các hạt từ đã gắn DNA và trực tiếp chuyển thành các tín hiệu điện. Do độ nhạy với từ trƣờng, đặc biệt trong vùng từ trƣờng thấp, vật liệu đa pha sắt có thể đƣợc sử dụng cho ứng dụng loại này.
Các nghiên cứu về khả năng đảo từ dƣới tác dụng của ứng suất hay điện trƣờng không chỉ có ý nghĩa về mặt nghiên cứu cơ bản mà còn có thể mở ra khả năng ứng dụng trong lƣu trữ thông tin thế hệ mới. Với các MRAM truyền thống, quá trình ghi thông tin hoạt động dựa trên cơ chế đảo từ bằng từ trƣờng. Tuy nhiên, khi kích thƣớc ô nhớ giảm xuống dƣới 100 nm sẽ tồn tại nhiều hạn chế nhƣ: công suất ghi sẽ tăng lên với cƣờng độ dòng điện lớn (~ 10 mA) do trƣờng đảo từ tỷ lệ nghịch với kích thƣớc hạt; sai lệch và nhiễu cũng tăng lên khi ghi thông tin và sự bền vững của dữ liệu trong thời gian dài sẽ bị ảnh hƣởng do tác động của kích thích nhiệt. Gần đây, đảo từ bằng dòng điện (hiệu ứng truyền spin) có nhiều ƣu điểm hơn cơ chế đảo từ truyền thống bằng từ trƣờng. Tuy nhiên, cơ chế này có những hạn chế về tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cũng nhƣ cƣờng độ dòng điện sử dụng chƣa tối ƣu. Hơn nữa, so sánh cho thấy nếu nhƣ DRAM hiện tại đạt đƣợc cỡ ô nhớ 6-8 F2 thì