Trước đõy, việc phỳn xạ để tạo cỏc màng ụxit kim loại phải tiến hành tạo màng kim loại rồi để nú ụxi hoỏ tự nhiờn trong mụi trường cú ễxi. Điều này chỉ thuận lợi với những màng ụxit cú chiều dày rất mỏng. Khi cần thiết cú độ dày lớn, màng kim loại phải được ủ nhiệt độ cao trong thời gian dài. Tuy nhiờn, chất lượng màng ụxit chế tạo bằng phương phỏp này là khụng cao do sự ụxi hoỏ khụng hoàn toàn, do sự biến dạng về cấu trỳc tinh thể gõy nờn ứng suất trong màng. Hơn nữa, việc chế tạo một cấu trỳc màng đa lớp cú chứa một lớp ụxit theo phương phỏp này là rất khú khăn.
Để khắc phục những nhược điểm trờn, người ta phải tiến hành phỳn xạ trờn cỏc bia ụxit cú sẵn. Thực hiện theo phương phỏp này sẽ chế tạo được cỏc màng ụxit cú chất lượng rất tốt. Tuy nhiờn, việc tạo ra cỏc bia ụxit kim loại là rất khú khăn và giỏ thành lại rất cao. Với điều kiện ở Việt Nam hiện nay, việc tiếp cận với phương phỏp này là khú thực hiện.
Phương phỏp phỳn xạ phản ứng được chỳng tụi sử dụng để tạo ra cỏc màng NiCoO và cỏc ụxit kim loại núi chung khỏ thuận tiện và dễ dàng. Phương phỏp này
23
chỉ sử dụng cỏc bia kim loại thuần tuý nhưng quỏ trỡnh phỳn xạ diễn ra trong mụi trường hỗn hợp khớ Ar và O2. Cỏc nguyờn tử sau khi bứt ra khỏi bia sẽ phản ứng với khớ O2 tạo thành ụxit và lắng đọng lờn đế.
Tuỳ thuộc bản chất mỗi loại vật liệu mà tỷ phần trong hỗn hợp khớ Ar và O2 là khỏc nhau. Áp suất riờng phần của O2 được điều chỉnh trong khoảng thớch hợp sao cho cú đủ lượng O2 để tạo thành màng ụxi hoỏ hoàn toàn mà vẫn khụng gõy ụxi hoỏ cỏc thiết bị khỏc trong buồng chõn khụng. Với những kim loại khú tạo thành ụxit, đế được đốt núng để phản ứng ụxi hoỏ xảy ra dễ dàng hơn. Ngoài ra, đối với những ụxit cú cấu trỳc phõn tử phức tạp, kớch thước phõn tử lớn thỡ khoảng cỏch giữa đế và bia được giảm xuống nhằm nõng cao hiệu suất lắng đọng tạo màng.
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐO ĐẠC
2.2.1. Xỏc định chiều dày màng mỏng
Chiều dày màng mỏng là một thụng số hết sức quan trọng trong chế tạo và nghiờn cứu cỏc màng mỏng kớch thước nano, vỡ ở vựng bề dày này, cỏc tớnh chất vật lý chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi hiệu ứng về kớch thước. Do đú, việc đo và khống chế chiều dày của cỏc màng mỏng là cụng việc rất được chỳ ý khi chế tạo.
a. Đo chiều dày bằng phương phỏp vạch mũi dũ
Phương phỏp này dựa trờn nguyờn tắc vạch một mũi kim cương nhọn lờn trờn bề mặt màng mỏng cần đo đó được tạo bậc với đế. Mũi nhọn được ấn bằng một lực khụng đổi sao cho đầu mũi nhọn chỉ tiếp xỳc trờn bề mặt màng mà khụng làm biến dạng hay cào rỏch màng. Sự thay đổi độ cao của mũi dũ từ bề mặt màng mỏng xuống bề mặt đế trong quỏ trỡnh quột được chuyển thành tớn hiệu điện theo nguyờn lý cảm ứng điện từ. Tớn hiệu này được xử lý và cho ta kết quả là chiều dày màng mỏng. Thiết bị Alpha-Step 200 đặt tại trung tõm ITIMS cho phộp xỏc định được chiều dày cỏc màng mỏng trong khoảng 20 nm đến 65 m và cú độ phõn giải theo chiều thẳng đứng là 2 nm.
24
Đõy là phương phỏp được sử dụng để đo chiều dày đồng thời xỏc định tốc độ tạo màng mỏng trong quỏ trỡnh phỳn xạ. Phộp đo này dựa trờn hiện tượng dao động cộng hưởng của phiến tinh thể thạch anh. Tần số dao động phụ thuộc vào khối lượng của phiến thạch anh dựng làm phần tử dao động. Khi màng lắng đọng lờn trờn phiến tinh thể thạch anh làm khối lượng của nú tăng lờn. Do đú gõy nờn sự thay đổi tần số dao động so với khi chưa cú màng. Độ lệch này tỷ lệ thuận với khối lượng vật liệu lắng đọng tức là tỷ lệ thuận với chiều dày của màng. Số liệu về độ lệch sẽ được xử lý và cho ra kết quả là chiều dày màng mỏng. Tốc độ mọc màng được tớnh bằng lượng tăng chiều dày trờn một đơn vị thời gian. Thiết bị dựa trờn nguyờn tắc đú được lắp đặt trong hệ Auto 306 và hiển thị tốc độ cũng như chiều dày màng mỏng bằng đồng hồ số ngay trong quỏ trỡnh phỳn xạ.
Phương phỏp trờn chỉ cho kết quả chớnh xỏc khi sensơ đo (tinh thể thạch anh) được đặt ở độ cao đỳng bằng với khoảng cỏch từ đế tới bia. Sensơ này trong hệ phỳn xạ Auto 306, được đặt ở vị trớ cố định. Trong quỏ trỡnh thực nghiệm, khi thay đổi khoảng cỏch giữa đế và bia thỡ sẽ cú sự sai khỏc giữa số liệu đo và chiều dày thực của màng mỏng. Do đú, giỏ trị đo trờn sensơ cần phải được chuẩn lại bằng một thiết bị đo độ dày khỏc. Một số màng mỏng đó được chế tạo với độ dày và khoảng cỏch đế-bia khỏc nhau, sau đú được đo chiều dày bằng thiết bị Alpha-Step 200 đặt tại trung tõm ITIMS. Tỷ lệ giữa độ dày thực của màng so với độ dày ghi trờn sensơ được chuẩn hoỏ. Như vậy trong quỏ trỡnh thực nghiệm tiếp theo, việc xỏc định tốc độ và chiều dày màng vẫn được thực hiện qua sensơ bằng cỏch nhõn thờm một hệ số chuẩn hoỏ tương ứng.
2.2.2. Xỏc dịnh thành phần hoỏ học bằng phổ kế huỳnh quang tia X
Phổ kế huỳnh quang tia X (PKHQTX) hoạt động trờn cơ sở ghi nhận cỏc tia X đặc trưng phỏt ra từ cỏc nguyờn tử vật chất khi được kớch thớch một cỏch thớch hợp. Detector thu những tia X này và biến chỳng thành cỏc tớn hiệu điện cú biờn độ tỉ lệ tuyến tớnh với năng lượng tia X đi vào detector Si (Li). Sau đú, tớn hiệu được xử lớ và chuyển thành tớn hiệu số để đưa vào mỏy tớnh. Mỏy tớnh sẽ phõn loại chỳng theo
25
độ lớn cho ta phổ tia X đặc trưng của mẫu phõn tớch. Thụng qua phổ mẫu chuẩn và chương trỡnh tớnh toỏn được cài đặt trờn mỏy sẽ xỏc định được tỉ lệ thành phần của cỏc nguyờn tố cú trong mẫu.
Thành phần hợp kim của NiCo trong màng NiCoO được xỏc định bằng mỏy PKHQTX sử dụng detector Si (Li) Model EDS-XT-99 đặt tại Viện KHVL-Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt nam. Thiết bị này cho phộp phõn tớch nhanh chúng thành phần và hàm lượng cỏc nguyờn tố hoỏ học với độ chớnh xỏc cao.
2.2.3. Xỏc định vi cấu trỳc và thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X
Phương phỏp phõn tớch cấu trỳc tinh thể và pha bằng nhiễu xạ tia X dựa trờn hiện tượng nhiễu xạ tia X bởi mạng tinh thể khi thoả món điều kiện phản xạ Bragg: 2dsin = n. Nguyờn lý hoạt động của mỏy nhiễu xạ tia X như sau: Chựm tia X phỏt ra từ gương anot của ống phỏt sau khi đi qua hệ thống khe chắn, chiếu vào mẫu nghiờn cứu ở 1 gúc khụng đổi. Với cỏc mẫu là màng mỏng, để chựm tia X đi sõu một đoạn đường dài trong mẫu, làm tăng cường độ nhiễu xạ, phải rất nhỏ (thường <50). Cỏc tia nhiễu xạ sau khi qua 1 ống trực chuẩn đặc biệt để chọn lọc chỉ cũn lại những tia song song cú gúc 2. Cỏc tia này tạo cỏc xung trong mạch đo của ống đếm Đetectơ rồi được khuếch đại và chuẩn hoỏ thành cỏc xung hỡnh chữ nhật. Cỏc xung chuẩn hoỏ được đưa sang bộ phận phõn tớch của mỏy chỉ thị. Ở đõy cường độ xung được thể hiện bằng tốc độ tạo xung. Bằng cỏch thay đổi vị trớ của Đetectơ quay trờn vũng trũn giỏc kế, cường độ nhiễu xạ theo cỏc gúc nhiễu xạ 2 sẽ được ghi nhận, tức ghi biểu đồ nhiễu xạ của mẫu nghiờn cứu.
26 Khuyếch đạ i Má y tính CPU Mẫu Vòng tròn tụ tiêu Đ etectơ ống phá t tia X
Hỡnh 2.2. Sơ đồ nguyờn lý hoạt động của mỏy nhiễu xạ tia X
Việc phõn tớch tập hợp cỏc cực đại nhiễu xạ dưới cỏc gúc 2 khỏc nhau sẽ cho thụng tin về cấu trỳc tinh thể (kiểu ụ mạng, hằng số mạng…), thành phần pha của mẫu và nhiều thụng số khỏc của mẫu đo được xỏc định trờn cơ sở đối chiếu với thẻ PDF tương ứng. Mỗi chất hay hợp chất đó biết đều cú một thẻ PDF riờng ghi cỏc thụng số đặc trưng.
Màng NiCoO được phõn tớch trờn mỏy nhiễu xạ tia X D5000 đặt tại Viện KHVL – Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt nam. Chế độ làm việc cho ống tia X là điện thế 30 kV, cường độ dũng là 30mA.
2.2.4. Đo từ trở bằng phương phỏp bốn mũi dũ cỏch đều trong từ trường
Phương phỏp đo từ trở sử dụng trong luận văn này là phương phỏp bốn mũi dũ thẳng hàng, cỏch đều trong từ trường. Sơ đồ phộp đo bốn mũi dũ được mụ tả bằng hỡnh 2.3. Bốn mũi dũ được đặt thẳng hàng cỏch đều nhau trờn mặt mẫu, với hai mũi ngoài cựng cấp dũng điện vào mẫu và hai mũi ở giữa đo tớn hiệu thế lối ra của mẫu.
27 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 2. 3. Sơ đồ nguyờn lý của phộp đo bốn mũi dũ.
Cả hệ đo bốn mũi dũ được đặt trong từ trường ngoài cú thể thay đổi theo chế độ quột (Hỡnh 2.4) với nam chõm điện được sử dụng làm nguồn cấp từ trường trong quỏ trỡnh đo. Nguồn cấp dũng điện sử dụng trong hệ đo này là KITHLEY 236 SOURCE MEASURE UNIT cú độ ổn định cao với sai số khoảng ± 0,1nA. Điện ỏp ra được đo bằng đồng hồ đo vạn năng KEITHLEY 2001 với sai số đo điện ỏp là ±0,1 àV. Cỏc tớn hiệu từ trường và thế lối ra đều được đưa vào mỏy tớnh xử lớ và chuyển thành đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa R và H thụng qua phần mềm đo.
Hỡnh 2.4. Sơ đồ hệ đo GMR
Cấu hỡnh đo là cấu hỡnh ngang: từ trường và dũng điện nằm trong mặt phẳng màng, từ trường vuụng gúc với dũng điện. Tất cả cỏc phộp đo đều được thực hiện ở nhiệt độ phũng. KITHLEY 2001 KITHLEY 236 Cảm biến Hall 0,97 0,98 0,99 1 -400 -200 0 200 400 600 800 R( đ. v. t. y) H(Oe) V A
28
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Luận văn này được thực hiện với mục đớch nghiờn cứu về hiệu ứng GMR trờn cấu trỳc van spin. Việc chế tạo và nghiờn cứu tớnh chất từ trong cỏc màng từ đa lớp theo phương phỏp cụng nghệ trỡnh bày trong Chương 2 là vấn đề được ưu tiờn quan tõm.
3.1. CHẾ TẠO VÀ NGHIấN CỨU MÀNG Ni1-xCoxO
Như đó trỡnh bày trong Chương 1, màng phản sắt từ NiCoO là một lớp vật liệu quan trọng ảnh hưởng đến độ lớn của giỏ trị GMR bởi hiệu ứng dị hướng trao đổi giữa hai lớp sắt từ và phản sắt từ trong cấu trỳc van spin. Lớp vật liệu này đúng vai trũ là một lớp ghim. Theo như cỏc cụng trỡnh đó được cụng bố, hiệu ứng dị hướng trao đổi khụng chỉ phụ thuộc vào sự định hướng của màng NiCoO và bề mặt tiếp xỳc giữa hai lớp NiCoO/NiFe mà cũn phụ thuộc rất mạnh vào hàm lượng Co cú trong màng Ni1-xCoxO [13,23,24] do tớnh dị hướng từ mạnh của CoO. Để thấy rừ được điều này, chỳng tụi đó tiến hành thay đổi hàm lượng Co trong lớp vật liệu Ni1- xCoxO. Dưới đõy là quy trỡnh chế tạo, xỏc định hàm lượng Co và phõn tớch cấu trỳc của màng Ni1-xCoxO.
3.1.1. Chế tạo màng Ni1-xCoxO
Cỏc mẫu màng Ni1-xCoxO được chế tạo bằng phương phỏp phỳn xạ phản ứng theo cựng một điều kiện cụng nghệ như sau: Bia Ni ghộp tấm Co (cú cỏc diện tớch khỏc nhau) được đặt trờn nguồn DC. Chõn khụng cơ sở là 8.5.10-6 mBar. Quỏ trỡnh phỳn xạ diễn ra trong mụi trường khớ Ar và O2 ở nhiệt độ phũng. Áp suất khớ Ar trong suốt quỏ trỡnh tạo màng là 3.5.10-3 mBar, tổng ỏp suất của khớ Ar và O2 là 6.10-3 mBar. Cụng suất của nguồn DC là 90W.
Đế được dựng trong quỏ trỡnh tạo mẫu là đế thuỷ tinh và Si tiờu chuẩn với định hướng (100). Tất cả đều được xử lớ bằng cụng nghệ làm sạch bề mặt trước khi tạo mẫu.
29
Để thay đổi được hàm lượng Co trong màng Ni1-xCoxO, diện tớch tấm Co ghộp trờn bia Ni đó được thay đổi sau mỗi lần chế tạo. Ba mẫu cú hàm lượng Co khỏc nhau được chỉ ở bảng 1.
Bảng 1: Quy trỡnh tạo mẫu Ni1-xCoxO
Số lần tạo mẫu Tờn mẫu Diện tớch tấm Co (%)
Lần 1 NC1 10
Lần 2 NC2 15
Lần 3 NC3 30
Độ dày của cỏc mẫu đều bằng nhau và được khống chế theo thời gian tạo mẫu.
3.1.2. Xỏc định hàm lượng Co trong màng Ni1-xCoxO
Phổ huỳnh quang tia X của ba mẫu NC1, NC2, NC3 trờn đế thuỷ tinh được chỉ ra trờn cỏc hỡnh 3.1, 3.2 và 3.3. Quan sỏt diện tớch vạch phổ ứng với hai nguyờn tố Ni và Co từ hỡnh 3.1 đến hỡnh 3.3 cho thấy diện tớch vạch phổ của Co tăng dần lờn trong khi diện tớch vạch phổ của Ni giảm dần xuống.
Hỡnh 3.1. Phổ HQTX của mẫu NC1
Năng lượng (eV)
C ư ờ ng đ ộ (đ .v.t.y)
30 Hỡnh 3.2. Phổ HQTX của mẫu NC2 Hỡnh 3.3. Phổ HQTX của mẫu NC3 C ư ờ ng đ ộ (đ .v.t.y)
Năng lượng (eV) Năng lượng (eV) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C ư ờ ng đ ộ (đ .v.t.y)
31
Diện tớch vạch phổ tương ứng với số nguyờn tử cú trong mẫu. Điều đú cú nghĩa là số nguyờn tử Co trong mẫu đó tăng dần lờn khi tăng diện tớch tấm Co ghộp làm bia trong quỏ trỡnh phỳn xạ. Kết quả tớnh toỏn trờn mỏy PKHQTX được chỉ ra trờn bảng 2.
Bảng 2: Hàm lượng Ni và Co trong cỏc mẫu.
Tờn mẫu Hàm lượng Ni (ppm) Hàm lượng Co (ppm)
NC1 23039 2278
NC2 19548 3182
NC3 12434 4835
Dựa vào cỏc số liệu ở bảng 2, chỳng tụi tớnh toỏn và xỏc định được thành phần Ni và Co theo % nguyờn tử trong bảng 3.
Bảng 3: Thành phần của Ni và Co theo % nguyờn tử.
Tờn mẫu % nguyờn tử Ni % nguyờn tử Co
NC1 91 9
NC2 86 14
NC3 72 28
Như vậy, hàm lượng của Co trong cỏc mẫu đó được xỏc định theo % nguyờn tử. Tờn của cỏc mẫu NC1, NC2 và NC3 cú thể được thay thế bằng Ni0,91Co0,9O, Ni0,86Co0,14O và Ni0,72Co0,28O khi ghộp chỳng với cỏc lớp vật liệu khỏc trong cấu trỳc van spin.
3.1.3. Phõn tớch cấu trỳc màng NiCoO
Để kiểm tra chất lượng của màng NiCoO, cỏc mẫu trờn đế Si (100) được phõn tớch bằng mỏy nhiễu xạ tia X. Cỏc kết quả đều cho thấy màng NiCoO kết tinh cú định hướng rất tốt trờn đế Si (100). Dưới đõy là phổ nhiễu xạ tia X đặc trưng của mẫu NC1.
32
Hỡnh 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X của màng NiCoO trờn đế Si (100)
Quan sỏt phổ nhiễu xạ tia X của mẫu NC1, chỳng ta thấy rằng chỉ cú cỏc đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của pha NiCoO. Mẫu đơn pha ụxớt và khụng tồn tại pha kim loại dư trong màng. Sự kết tinh, định hướng là rất tốt. Điều đú khẳng định việc chế tạo màng NiCoO bằng phương phỏp phỳn xạ phản ứng là rất phự hợp. Tất cả cỏc màng đó chế tạo đều trỡnh bày phổ XRD cú đỉnh nhiễu xạ gần với cỏc gúc 2 = 37.2800, 43.2970 và 62.9160 tương ứng với cỏc vạch (111), (200), và (110) của màng NiO đó cụng bố trước đõy [23] (theo thẻ PDF số 22-1189 của tỏc giả Toussaint (Italia) cụng bố năm 1996). Vạch (200) chiếm ưu thế hơn vạch (111) và (110). Thẻ PDF cũn cho thấy màng NiCoO cú cấu trỳc lập phương tõm mặt kiểu NaCl, hằng số mạng là a = 4,1769 Ao và c = 4,0 Ao.
3.1.4. Kết luận
Từ những kết quả xỏc định hàm lượng Co và phõn tớch cấu trỳc cỏc màng NiCoO, chỳng tụi đó rỳt ra được những kết luận chủ yếu sau:
1. Hàm lượng Co trong màng NiCoO cú thể thay đổi đơn giản bằng cỏch thay đổi diện tớch tấm ghộp Co trờn bia Ni.
(2 00 ) (1 11 ) (1 10 ) 2θ (độ) C ư ờ ng đ ộ (đ .v.t.y)
33