a. Nguyên lý của phương pháp phún xạ
Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ là quá trình sử dụng các ion năng lượng cao thường là các ion khí hiếm như Xe, Ar, Kr bắn phá bề mặt bia vật liệu rắn để tạo ra các hơi nguyên tử, phân tử, ion (trạng thái plasma) và lắng đọng các phần tử này lên đế, tạo thành màng (hình 2.4). Các ion này được gia tốc trong điện trường của điện áp một chiều với bia kim loại hoặc cao tần với bia oxide để bắn phá bia vật liệu, bóc tách các nguyên tử của vật và chuyển sang dạng hơi rồi lắng đọng trên đế để tạo thành màng. Năng lượng của các ion này, không chỉ phụ thuộc vào điện tích, vào mức độ được gia tốc của nó trong điện trường mà còn phụ thuộc vào khối lượng. Do đó, không phải bất cứ khí nào cũng sử dụng được trong quá trình phún xạ, và quá trình
phún xạ bởi các điện tử không đáng kể. Đây là một phương pháp được áp dụng để tạo các màng kim loại hợp kim và một số vật liệu oxit.
Hình 2.4. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ
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.