Trong quá trình chuyển pha fcc-fct của các hệ vật liệu như Co-Pt hay Fe-Pt, pha từ cứng fct được hình thành từ pha nền fcc. Đây là những hệ vật liệu có thể đáp ứng các điều kiện về cấu trúc đểđảm bảo sự tồn tại tương tác trao đổi đàn hồi. Việc chế tạo các hạt nano Fe-Pt có kích thước cỡ vách đômen của pha L10 thỏa mãn yêu cầu của tương tác trao đổi đàn hồi sẽ mở ra khả năng chế tạo các nam châm tổng hợp theo lý thuyết đàn hồi của R. Hawig và E. F. Kneller [11].
1.3 Các phương pháp chế tạo màng mỏng
Khái niệm màng mỏng trong khoa học kỹ thuật dùng để chỉ một lớp chất rắn phủ lên một vật liệu rắn khác (vật liệu này thường được gọi là đế) với chiều dày tới hạn khi mà các hiệu ứng vật lý và tính chất của nó thể hiện không giống như trong vật liệu khối. Nhìn chung, chiều dày của các màng mỏng dùng trong công nghệ vật liệu, linh kiện điện tử, linh kiện quang điện tử , linh kiện bán dẫn, … thường nằm trong khoảng từ 10 – 1000 nm.
Nhiều phương pháp chế tạo màng đã được xem xét đưa ra nghiên cứu và phát triển nhằm tìm ra cách chế tạo màng mỏng tối ưu nhất tùy vào mục đích sử dụng. Công nghệ chế tạo màng mỏng là vô cùng đa dạng bao gồm nhiều phương pháp khác
nhau. Dựa vào cách chế tạo màng mỏng, người ta chia các phương pháp đó ra thành ba nhóm chính [58]:
• Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)
• Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD)
• Phương pháp hóa và hóa lý kết hợp
Sự phân chia như trên cũng chỉ là tương đối. Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lí (PVD) và lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) là những phương pháp thông dụng nhất được sử dụng để đưa những nguyên tử của vật liệu từ một hay nhiều nguồn khác nhau đến lắng đọng và phát triển thành một lớp màng mỏng bên trên bề mặt của đế. Nếu pha hơi được sinh ra bằng phương pháp vật lý có nghĩa là không có phản ứng hóa học, được phân loại là PVD; nếu vật liệu lắng đọng là sản phẩm của phản ứng hóa học thì được phân loại là CVD. Nhiều sự biến đổi trong những phương pháp lắng đọng pha hơi cơ bản này đã được nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp cân bằng sự thuận lợi và bất lợi giữa các yếu tố dựa trên yêu cầu về độ sạch của màng mỏng, chất lượng cấu trúc, tốc độ phát triển của màng, nhiệt độ tạo màng và một số yếu tố khác [3].
1.3.1 Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý
Lắng đọng pha hơi vật lý là một kỹ thuật dựa trên nền tảng của quá trình vật lý như sự bay hơi, sự thăng hoa hoặc sự tương tác ion trên bia, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển những nguyên tử ở dạng rắn hoặc nóng chảy lên trên đế mang. Bốc bay nhiệt và phún xạ là hai phương pháp PVD được sử dụng rộng rãi nhất cho việc tạo màng.
Sơ đồ hình 1.6 chỉ rõ những nguyên lý cơ bản của phương pháp trình bốc bay nhiệt sử dụng nguồn nhiệt là thuyền điện trở. Trong phương pháp này, năng lượng nhiệt được cung cấp đến một nguồn nơi mà các nguyên tử được hóa hơi và lắng đọng trên đế. Sự đốt nóng nguồn vật liệu có thể được tiến hành bằng nhiều phương pháp. Đơn giản nhất là dùng điện trở nhiệt có dạng dây hoặc lá được làm từ kim loại chịu được nhiệt độ cao và ít tương tác với vật liệu nguồn. Để chứa được nhiều vật liệu nguồn ta có thể dùng điện trở dạng thuyền hay dạng chén. Những nguyên tử bốc bay di chuyển trong chuông chân không và đến lắng đọng trên bề mặt đế.
Hình 1.6. Sơđồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt
Phương pháp bay bốc nhiệt có ưu điểm là đơn giản, và dễ tạo màng hợp chất vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn thể hợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi do đó màng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần của vật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim). Nhược điểm quan trọng là không thể tạo các màng quá mỏng, khả năng khống chế chiều dày của phương pháp này rất kém do tốc độ bay bốc khó điều khiển. Đồng thời, việc chế tạo các màng đa lớp là rất khó khăn với phương pháp này. Vì những lý do đó mà phương pháp bốc bay nhiệt ngày càng ít được sử dụng trong việc chế tạo màng mỏng.
Phún xạ (Sputtering) là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo màng mỏng. Có ba phương pháp để chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ. Đó là phương pháp phún xạ cao áp một chiều (DC sputtering), phún xạ cao tần (RF sputtering) và phún xạ magnetron (magnetron sputtering). Trong phương pháp phún xạ, nhờ sự phóng điện từ trạng thái plasma các ion năng lượng cao như Ar+ được gia tốc bắn phá lên bề mặt bia là vật liệu cần phún xạ (hoạt động như một catôt). Dưới tác động bắn phá của ion, các nguyên tử bị bật ra khỏi bia lắng đọng trên đế hình thành màng mỏng (đế được xem như anôt). Ưu điểm của phương pháp phún xạ là sử dụng được cho hầu hết các loại vật liệu: kim loại, oxít, chất điện môi. Bia để phún xạ thường dùng được lâu vì lớp phún xạ rất mỏng. Bên cạnh đó phương pháp phún xạ cũng có một số nhược điểm như: năng lượng phún xạ tập trung lên bia làm nóng bia cho nên phải có bộ phận làm lạnh bia, bia rất đắt tiền và hiệu suất sử dụng không cao thêm vào đó hiệu suất phún xạ thấp khi xét về mặt năng lượng.
Hình 1.8. Sơđồ nguyên lý hoạt động của hệ MBE
Epitaxy chùm phân tử (MBE) là một ví dụ nữa của phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý. Phương pháp này có thể tạo ra màng mỏng có chất lượng tốt phục vụ cho mục đích nghiên cứu. Phương pháp epitaxy chùm phân tử có thể tạo được màng rất mỏng do có thể khống chế được tốc độ tạo màng chính xác đến từng lớp nguyên tử trong chân không siêu cao (10-10 Torr). Trong môi trường chân không siêu cao , các vật liệu nguồn riêng biệt có độ tinh khiết cao được đốt nóng nhờ bức xạ nhiệt của đèn Knudsen. Do được cấp nhiệt lượng cao chúng nóng chảy và thăng hoa. Hơi của vật
1.3.2 Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học
Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học là một kỹ thuật lắng đọng linh hoạt trong đó lớp màng mỏng được tạo thành từ những nguyên tố và hợp chất bán dẫn, hợp kim và những hợp chất tinh thể hoặc vô định hình với thành phần hợp thức khác nhau. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là sự xảy ra phản ứng hóa học giữa một hợp chất dễ bay hơi của vật liệu tạo màng với một chất khí thích hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho sự lắng đọng nguyên tử của lớp màng không bay hơi trên bề mặt đế như chỉ rõ trong hình 1.9. Phản ứng hóa học trong quá trình lắng đọng pha hơi hóa học có liên quan đến sự nhiệt phân hoặc sự khử.
Hình 1.9. Sơ đồ hoạt động của một buồng phản ứng trong lắng đọng pha hơi hóa học Xem sản phẩm là lớp màng mỏng Si vô định hình hoặc đa tinh thể trên đế Si. Sự nhiệt phân ở nhiệt độ 6500C dẫn đến phân hủy SiH4 theo phản ứng:
Người ta cũng có thể tạo ra lớp màng mỏng Si trên nền Si đơn tinh thể nhờ vào phản ứng khửở nhiệt độ cao (12000C) với tác nhân khử là khí H2.
SiCl4 (k) + 2H2(k) Æ Si (r) + 4HCl(k)
Cũng giống như phương pháp PVD, trong phương pháp CVD sự quá bão hòa của pha hơi ảnh hưởng đến tốc độ của sự tạo mầm lớp màng trong khi đó nhiệt độ của đế ảnh hưởng đến tốc độ phát triển màng. Hai yếu tố này đồng thời cũng ảnh hưởng đến sự liên kết hạt, hình dạng, kích thước và cách sắp xếp của hạt. Sự quá bão hòa của pha hơi thấp và nhiệt độ của đế cao thúc đẩy sự phát triển lớp màng đơn tinh thể trên đế. Ngược lại, sự quá bão hòa của pha hơi cao và nhiệt độ của đế thấp lớp sẽ làm màng tạo thành ít kết dính và dễ có dạng vô định hình.
1.4 Một sốứng dụng của màng mỏng Fe-Pt
Trong những năm trở lại đây công nghệ ghi từđược xem như một yếu tố nắm vai trò chủđạo trong lĩnh vực lưu trữ thông tin. Do nhu cầu lưu trữ dữ liệu ngày càng cao, vấn đề được đặt ra là phải tìm cách tăng mật độ ghi từ lên 1Tb/in2 (phổ biến đang là 100 Gb/in2) tức làm giảm kích thước của một bít thông tin trên màng ghi từ. Tuy nhiên đối với một vật liệu từ xác định, độ giảm này là có giới hạn vì dưới giới hạn này từ độ sẽ mất ổn định do các kích thích nhiệt và giới hạn siêu thuận từ. Để xóa bỏ giới hạn này, hiện nay xu thế đang được tập trung nghiên cứu là nâng cao mật độ ghi từ bằng cách ghi vuông góc với bề mặt màng ghi từ và sử dụng các cấu trúc nanô của các vật liệu có dị hướng từ lớn.
Màng mỏng hợp kim Fe-Pt có cấu trúc tinh thể L10 với giá trị dị hướng từ tinh thể lớn (Ku~4.107 erg/cm3), có lực kháng từ và độ từ dư cao rất thuận lợi cho việc ghi từ và tiểu hình hóa các linh kiện điện tử. Ngoài ra màng mỏng hợp kim Fe-Pt còn có khả năng chống ăn mòn tốt. Chính vì những lý do đó mà màng mỏng hợp kim Fe-Pt được xem như vật liệu triển vọng ứng dụng trong các thiết bị lưu trữ thông tin mật độ cao, làm đầu dò từ cho kính hiển vi lực từ, cảm biến từ cho các thiết bị từ - điện cũng như các hệ thống vi cơđiện tử khác, …[13, 46, 57]. Y.T. Xing [47] và các cộng sựđã chế tạo thành công chip nguyên tử (atom chips) dựa trên màng mỏng hợp kim Fe-Pt sử dụng như những bẫy từ.
1.5 Mục đích của luận văn
Trong luận văn này, chúng tôi dựđịnh nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng hợp kim FePt bằng phương pháp phún xạ cao tần RF trực tiếp trên đế Si với mục đích thu được màng mỏng FePt có tính chất từ tốt như lực kháng từ lớn, đường cong từ trễ có độ vuông, kích thước hạt nhỏ, … Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ chế tạo như nhiệt độ đế, thời gian phún xạ, nhiệt độ ủ, … lên cấu trúc tinh thể, vi cấu trúc và các tính chất từ của màng mỏng FePt sẽđược tiến hành nghiên cứu. Các kết quả thu được có thểđược sử dụng làm cơ sở cho những hướng nghiên cứu tiếp theo về màng mỏng FePt.
Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Vật liệu đế và phương pháp xử lý đế
Trong luận văn này, các màng mỏng FePt được chế tạo trên các đế Si(100) có kích thước 0.5x0.5 cm2. Trước khi đưa vào hệ chế tạo màng, các đế được làm sạch bằng dung dịch HF (5%) trong vòng 5 phút và rửa bằng phương pháp rung siêu âm lần lượt trong aceton, cồn, nước cất và được xì khô bằng khí N2.
Khi chế tạo các mẫu có nhiệt độ đế, đế Si sẽ được giữ bằng hai thanh nẹp của bộ giữđế. Sau khoảng 15 phút kể từ khi nhiệt độđạt đến nhiệt độ cần thiết sẽ bắt đầu tiến hành quá trình tạo màng. Đối với một số đế có kích thước nhỏ như MgO thì đế được dán bằng keo bạc vào bộ giữđế.
2.2 Phương pháp chế tạo mẫu
Tất cả các mẫu màng mỏng FePt trong luận văn đều được chế tạo bằng hệ thống phún xạ 2000-F-AJA International Inc (Mỹ) đặt tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ micro-nano, Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN. Các mẫu chế tạo theo phương pháp phún xạ cao tần RF sử dụng bia hợp kim Fe50Pt50. Chân không cơ sở của buồng phún xạ vào khoảng 10-7 – 10-8 Torr, áp suất khí Ar và nhiệt độ đế là những thông số được điều chỉnh.
2.3 Cơ chế và nguyên lý của quá trình phún xạ
Phún xạ là phương pháp sử dụng ion trong phóng điện cao áp một chiều hay xoay chiều để thực hiện việc đánh bật các nguyên tử từ vật rắn (bia) ra khỏi bề mặt của nó. Tiếp theo là quá trình lắng đọng các nguyên tửđó trên bề mặt vật rắn khác (đế). Do vậy, chế tạo vật liệu bằng phương pháp phún xạ là quá trình chuyển các nguyên tử của vật rắn ở dạng khối của bia sang dạng màng mỏng trên đế. Nhìn chung, phún xạ là quá trình công nghệ xảy ra trong trạng thái plasma, biểu hiện rất phức tạp. Để đơn giản, người ta chia quá trình phún xạ ra làm ba giai đoạn như trên hình 2.1 [58]:
Giai đọan 1. Gia tốc ion trong lóp vỏ plasma ở vùng catốt (bia là catốt)
Giai đọan 2. Ion bắn phá vào bia, các nguyên tử trong bia chuyển động va chạm nhau
Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của quá trình phún xạ
Cơ chế của quá trình phún xạ có thể được mô tả như sau: Các ion năng lượng cao bắn phá lên bề mặt bia làm xảy ra quá trình va chạm giữa các nguyên tử của vật liệu nguồn (trên bề mặt hay trong lòng khối vật liệu). Các nguyên tử tiếp tục va chạm cho đến khi chúng có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết mạng tinh thể thì thoát ra khỏi bề mặt của bia. Sự va chạm của các nguyên tử phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng của ion bắn phá do đó có thể mô tả quá trình phún xạ theo ba cơ chế sau như trên hình 2.2:
a. Năng lượng ion thấp : E ≅ Eb - (bonding energy).
Sự va chạm chỉ xảy ra ở những lớp nguyên tử trên bề mặt bia , vì sự va chạm này giữa các nguyên tử rất yếu nên chỉ có một số lượng nhỏ các nguyên tử thoát ra khỏi bia . Cơ chế phún xạ trong trường hợp này được gọi là cơ chế “ bóc một nguyên tử “ với tốc độ phún xạ nhỏ
b. Năng lượng ion trung bình : E > Eb.
Do năng lượng ion tới bắn phá lớn nên các nguyên tử trong cùng một lớp dao động mạnh và số các nguyên tử có thể thoát ra khỏi bia đã tăng lên so với trước. Trường hợp này được gọi là cơ chế “bóc lớp nguyên tử “
Nhờ sự va chạm rất mạnh của các lớp nguyên tử bề mặt và các lớp nguyên tử bên trong nên một số lượng lớn các nguyên tử có thể thoát ra khỏi bia. Trường hợp này được gọi là cơ chế “ bóc cụm “ với tốc độ phún xạ lớn.
Hình 2.2. Sơđồ mô tả a)Cơ chế bóc một nguyên tử, b)Cơ chế bóc lớp nguyê tử, c)Cơ chế bóc cụm
2.4 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc
2.4.1 Nghiên cứu cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi 2.4.1.1 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
Kính hiển vi lực nguyên tử cho phép ta quan sát cấu trúc vi mô của bề mặt vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử (lực Van der waals) giữa một đầu nhọn của mũi dò với bề mặt mẫu. Có thể dùng kính hiển vi lực nguyên tửđể khảo sát những mẫu rất mỏng, bởi vì ảnh được tạo ra chủ yếu là do lực nguyên tử của lớp ngoài cùng là chính.
Hình 2.3. Sơđồ giải thích nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử Bộ phận chính của kính hiển vi lực nguyên tử là một mũi nhọn (đầu tip) thường được làm bằng Si hay SiN được gắn trên thanh rung (cantilever). Bán kính của đầu tip thường nhỏ hơn 400 Å. Khi mũi nhọn quét gần bế mặt mẫu, sẽ xuất hiện lực Van der waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm rung thanh cantilever. Lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt của mẫu. Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ một tia laser chiếu qua bề mặt của thanh rung, dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch