ở phần tr−ớc, chúng tôi đã trình bày kết quả nghiên cứu ảnh h−ởng của nhiệt độ ủ lên tính chất từ trở của màng mỏng La0.7Sr0.3MnO3 với mục đích chính là tìm ra nhiệt độ ủ mẫu cho giá trị từ trở cao nhất. Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày kết quả nghiên cứu ảnh h−ởng của chiều dày lên tính chất của các màng mỏng La0.7Sr0.3MnO3.
3.2.2.1. Phân tích cấu trúc
Nhằm mục đích khảo sát ảnh h−ởng của chiều dày lên tính chất của các màng mỏng manganite, các mẫu đã đ−ợc chế tạo trên đế Si (100) trong cùng một điều kiện công nghệ với các chiều dày khác nhau. Các mẫu đ−ợc ủ trong cùng một nhiệt độ 600 oC trong thời gian 5h.
Để đánh giá chất l−ợng của màng tạo thành, tất cả các mẫu đ−ợc kiểm tra nhiễu xạ tia X ở nhiệt độ phòng trong cùng một chế độ đo. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng với chiều dày khác nhau đ−ợc giới thiệu trên hình 3.9. Kết quả cho thấy tất cả các mẫu đều đơn pha perovskite La0.7Sr0.3MnO3, giống với cấu trúc tinh thể của bia và hầu nh− không có sự xuất hiện của pha thứ cấp. So sánh với mẫu khối, rõ ràng giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu màng chỉ ra các mẫu định h−ớng −u tiên hơn theo h−ớng (104) và phụ thuộc vào chiều dày của màng. Với
C − ờ ng độ ( đ .v .t.y) 1200 .00 Cps (024) (104) (102) LS20 LS16 LS14 LS12 LS8 2θ (độ)
Hình 3.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng với chiều dày khác nhau đo tại nhiệt độ phòng.
36 40 44 48 52 56 28 32 24 0.00 20 LS6
mẫu đ−ợc bốc bay trong thời gian 6 phút LS6 các đỉnh nhiễu xạ (104) và (024) bắt đầu xuất hiện. Khi chiều dày tăng, ngoài sự xuất hiện của hai đỉnh nhiễu xạ này các mẫu LS12, LS14, LS16, LS20 còn xuất hiện thêm đỉnh nhiễu xạ (102). Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, c−ờng độ vạch nhiễu xạ (104) tăng mạnh ở mẫu LS8 và sau đó c−ờng độ giảm khi tăng chiều dày màng. Nh− vậy, các mẫu màng chế tạo đã hình thành pha tinh thể La0.7Sr0.3MnO3 nh− mong muốn, các mẫu khá đơn pha, đủ chất l−ợng cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.2.2.2. Phép đo các tính chất điện-từ
Để đánh giá hơn nữa chất l−ợng của màng mỏng thu đ−ợc và quan sát ảnh h−ởng của chiều dày lên tính các tính chất điện – từ của các màng mỏng đã chế tạo, chúng tôi đã thực hiện các phép đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ và điện trở phụ thuộc nhiệt độ. Hình 3.10 trình bày sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ của vật liệu bia và các mẫu màng LS6, LS8 và LS20 đo theo chế độ FC trong từ tr−ờng 100 Oe. Kết quả chỉ ra tất cả các mẫu đều xuất hiện chuyển pha sắt từ - thuận từ và khá đơn pha. Nhiệt độ chuyển pha TC giảm đáng kể khi chiều dày của mẫu giảm. Sự suy giảm và mở rộng nhiệt độ chuyển pha TC của các màng mỏng so với mẫu khối có thể bị gây ra do ứng
suất bề mặt hoặc do sự biến dạng của mạng tinh thể. Đối với các mẫu màng mỏng, sai khác hằng số mạng của vật liệu đế và màng gây ra các sai hỏng mạng và gây biến dạng mạng tinh thể. Các yếu tố này sẽ ảnh h−ởng trực tiếp đến độ dài liên kết Mn-O và góc liên kết Mn-O-Mn, do đó làm suy giảm TC. 0 0 3 6 9 0 100 200 300 400 Nhiệt độ (K)
Hình 3.10. Đ−ờng cong từ nhiệt của mẫu bia và các
mẫu màng với chiều dày khác nhau đo trong từ
tr−ờng 100 Oe LS20 LS8 LS6 Bia H = 100 Oe 1 2 Từ độ (x10 -5 emu) Từ độ (emu/g)
Trong các nghiên cứu về ảnh h−ởng của hiệu ứng biến dạng mạng tinh thể lên nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ TC, Millis và các cộng sự [18] đã đ−a ra
mô hình dự đoán về sự phụ thuộc của biến dạng mạng theo hai trục lên TC. Do đế gây biến dạng đối xứng lên mặt phẳng phát triển màng nên biến dạng mạng theo ba chiều có thể đ−ợc tách thành biến dạng khối εb và biến dạng theo hai trục (số hạng Jahn-Teller) εJ-T [14]. Biến dạng nén có xu h−ớng tăng khả năng nhảy của điện tử, do đó làm giảm liên kết điện tử-mạng dẫn đến tăng độ rộng dải dẫn và
TC. Mặt khác, biến dạng theo hai trục làm tăng sự tách mức năng l−ợng eg và làm giảm TC, trong tr−ờng hợp này các điện tử có xu h−ớng định xứ.
Hình 3.11 trình bày các đ−ờng cong từ hóa ở nhiệt độ phòng của các mẫu đo theo ph−ơng từ tr−ờng song song với mặt phẳng màng. Kết quả đã chỉ ra các màng đều thể hiện tính trễ tại nhiệt độ phòng. Dáng điệu của đ−ờng cong từ hóa cho thấy khi chiều dày màng tăng, các mẫu bão hòa ở từ tr−ờng thấp hơn. Mẫu LS6 có xu h−ớng bão hòa ở từ tr−ờng khá cao, có
thể do ảnh h−ởng của ứng suất bề mặt và biến dạng mạng.
-1-0.5 -0.5 0 0.5 1 -3000 -1500 0 1500 3000 LS6 LS8 LS12 LS14 LS20 T = 300K M/M 3k Oe Từ tr−ờng (Oe)
Hình 3.11. Đ−ờng cong từ hóa của các mẫu màng
với các chiều dày khác nhau đo tại nhiệt độ 300K
Phép đo điện trở phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu LS6, LS8, LS12, LS16 trong khoảng nhiệt độ từ 50K đến 300K đ−ợc chỉ ra trên hình 3.12. Ta nhận thấy rằng các mẫu đều xuất hiện nhiệt độ chuyển pha kim loại điện môi TP ~260K, thấp hơn so với nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ TC. Nhiệt độ TP của các mẫu khác nhau không nhiều. Các kết quả này cần có những kiểm chứng cụ thể hơn.
Đối với các màng mỏng manganite, ảnh h−ởng của ứng suất bề mặt lên sự biến dạng mạng tinh thể có thể là nguyên nhân gây ra sự giảm nhiệt độ chuyển pha TP so với mẫu khối. Ngoài ra, giá trị nhiệt độ chuyển pha TP còn phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo mẫu.
ở màng mỏng, sự kết tinh không hoàn hảo của cấu trúc đã hình thành những biên pha điện môi, phá vỡ liên kết giữa các vùng kim loại sắt từ
DE. Kết quả nghiên cứu trên mẫu khối cũng cho thấy sự khác nhau giữa nhiệt độ chuyển pha TP và TC, các tác giả trong [1] cho rằng sai khác giữa nhiệt độ TP và TC là do hiện t−ợng
tách pha, một hiện t−ợng rất điển hình trong các perovskite ABO3. TP chỉ trùng khớp với TC đối với các mẫu có độ đồng nhất rất cao hoặc các đơn tinh thể.
Nhiệt độ (K) 0. 0. 6 8 1 0 80 160 240 320 LS6 LS8 LS12 LS16 Điện trở R/R max
Hình 3.12. Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu màng với chiều dày khác nhau
3.2.2.3. ảnh h−ởng của chiều dày lên tính chất từ trở
Hình 3.13 trình bày kết quả đo từ trở ở nhiệt độ phòng của tất các mẫu với ph−ơng từ tr−ờng đo song song với mặt phẳng màng. Giá trị từ trở thu đ−ợc trong từ tr−ờng 1.2T t−ơng ứng với các mẫu LS6, LS8, LS12, LS14, LS16, LS20 là 5.1,7.0, 6.6, 5.2, 4.8 và 4.5%. Có thể nhận thấy rằng, sự biến đối tuyến tính của giá trị điện trở theo từ tr−ờng đối
với tất cả các mẫu thay đổi theo độ dày của mẫu. Dáng điệu của đ−ờng cong từ trở của các mẫu không thể hiện hiệu ứng từ trở xuyên ngầm (TMR) giữa các hạt. Do nhiệt độ đo nằm trong vùng chuyển pha sắt từ - thuận từ, hiệu ứng từ trở nội hạt gây ra theo cơ chế DE có thể sẽ có đóng góp đáng kể. Sự có mặt của từ tr−ờng tạo xu h−ớng sắp đặt lại các spin
0 2 4 6 -1.2 104 -6000 0 6000 1.2 104 LS6 LS8 LS12 LS14 LS16 LS20 T = 300K Từ trở (%) Từ tr−ờng (Oe) Hình 3.13. Từ trở phụ thuộc từ tr−ờng của các
mẫu màng với chiều dày khác nhau đo tại nhiệt độ phòng
song song, giúp tăng c−ờng quá trình trao đổi kép và khả năng nhảy của điện tử. Ngoài ra, ở nhiệt độ này, sự dập tắt các tán xạ spin-điện tử gây ra bởi sự bất trật tự ở các biên hạt cũng sẽ đóng góp vào từ trở của toàn mẫu.
Hình 3.14 trình bày sự phụ thuộc của giá trị từ trở tại từ tr−ờng 1.2T vào thời gian bốc bay (cũng đ−ợc xem nh− từ trở phụ thuộc vào chiều dày của màng). Giá trị từ trở thu đ−ợc lớn nhất 7% ở nhiệt độ phòng đối với mẫu LS8, có chiều dày ~ 50nm. Có thể nhận thấy, giá trị từ trở của các mẫu giảm theo chiều dày và tiến gần tới giá trị từ trở của mẫu khối đối với mẫu LS20 có chiều dày ~ 200nm. Sự phụ thuộc của giá trị từ trở theo chiều dày của các mẫu có thể do ảnh h−ởng của sự biến dạng của bề mặt hoặc sự định h−ớng của tinh thể. Tuy nhiên, khi chiều dày của mẫu tăng ảnh h−ởng của biến dạng bề mặt giảm, cấu trúc tinh thể dần hoàn thiện. Vì vậy, chúng tôi cho rằng sự định h−ớng của tinh thể đóng một vai trò quan trọng vào giá trị từ trở thu đ−ợc của các màng mỏng LSMO.
Kết hợp với kết quả phân tích pha tinh thể trên giản đồ nhiễu xạ tia X, ta thấy so với mẫu khối, các màng mỏng định h−ớng −u tiên theo h−ớng (104). C−ờng độ của đỉnh cực đại nhiễu xạ (104) tại vị trí góc 2θ ~33o trên phổ nhiễu xạ tia X đ−ợc xem nh− chỉ số đánh giá sự định h−ớng tinh thể của các mẫu. Để so sánh đ−ợc sự định h−ớng tinh thể của các mẫu với chiều dày khác nhau, chúng tôi đã sử dụng c−ờng độ của cực đại nhiễu xạ (024). C−ờng độ t−ơng đối của cực đại nhiễu xạ theo h−ớng (104)
xác định bằng tỷ số I(104)/I(024) và cũng đ−ợc trình bày trên hình 3.14. Một kết quả hết sức thú vị là sự phụ thuộc chiều dày của cả giá trị từ trở và tỷ số I(104)/I(024) t−ơng tự nhau. Cả hai đ−ờng cong đều đạt giá trị cực đại với mẫu LS8 và đều giảm dần khi tăng chiều dày. Từ các kết quả thu đ−ợc này, chúng tôi cho rằng
45 5 6 7 8 0 7 14 4 8 12 16 20 24
Thời gian bốc bay (phút)
Tỷ số I 10 4 /I024 MR(%) I 104 /I 024 T=300K Từ trở (%) I104/I024 Từ trở (%)
Hình 3.14. Sự thay đổi của giá trị từ trở và tỷ số
c−ờng độ vạch nhiễu xạ tia X (I104/I024) theo thời
sự định h−ớng của tinh thể là yếu tố chính ảnh h−ởng đến giá trị từ trở của các mẫu màng mỏng LSMO. Các màng mỏng LSMO sau khi chế tạo đ−ợc ủ ở nhiệt độ 600 oC trong 5h, định h−ớng tốt theo h−ớng (104) sẽ thu đ−ợc giá trị từ trở cao hơn.
Đây là một trong những kết quả chính thu đ−ợc của luân văn. Các kết quả này đã đ−ợc báo cáo tại hội nghị IWONN 2006 [3].