ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Kiều Vân

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP
CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Thị Kiều Vân

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ĐA LỚP
CÓ CẤU TRÚC SPIN VAN

Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ

Hà Nội – Năm 2015

1.4. Các chất phản sắt từ (AFM)...........................................................................................18
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ..................................................................................................18
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ...............................................................................19

1.5. Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch..........................................................................20
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch............................................................................................20
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. ........................................................................21
1.5.3. Mô hình lý thuyết...........................................................................................................................23
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch. .................................................................24
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch...................................................................................26

1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van............................................................................27
1.7. Mục tiêu của luận văn...................................................................................................28

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM..............................................................1
2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ. ...........................................................1
2.2.1. Cơ chế phún xạ.................................................................................................................................1
2.1.2 . Các hệ phún xạ.................................................................................................................................2

2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM)..............................................................................................6
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM)....................................................................................................8
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X................................................................................................11

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................................14
3.1. Màng mỏng NiFe..........................................................................................................14
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM). .........................................................................................14
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)......................................................................................................15
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM)..................................................................................................16



đa

lớp

Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au
...................................................................................................................................
2
Hình
1.2:
Cấu
trúc
đômen
trong
vật
liệu
sắt
từ
...................................................................................................................................
6
Hình
1.3:
Đường
cong
từ
trễ
của
chất
sắt
từ
...................................................................................................................................

AFM
cho
hệ
Fe80Ni20/FeMn
tại
tFM
=
7
nm
................................................................................................................................
15
Hình 1.10: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin van
................................................................................................................................
16
Hình 1.11: Mặt cắt ngang của màng đa lớp spin van với liên kết phản sắt từ
................................................................................................................................
17
Hình
2.1:
Nguyên
lý
cơ
bản
của
quá
trình
phún
xạ
................................................................................................................................
19

26
Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc cơ khí của hệ VSM
................................................................................................................................
27
Hình 2.9: Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể..............................................................30
Hình 2.10: (a) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD);(b) Mô hình hệ đo nhiễu xạ tia X
................................................................................................................................
31
Hình
3.1:
Ảnh
SEM
của
màng
NiFe
................................................................................................................................
32
Hình
3.2:
Hình
ảnh
nhiễu
xạ
tia
X
của
màng
NiFe
................................................................................................................................
33

3.8:
Cấu
trúc
hệ
vật
liệu
NiFe/Cu/NiFe/IrMn
................................................................................................................................
39
Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin van NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (t NiFe
nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) t NiFe = 9 nm, 12 nm…
................................................................................................................................

40
Hình 3.10: Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ NiFe/Cu/NiFe/IrMn khi
chiều dày lớp NiFe thay đổi
................................................................................................................................
41
Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của H ex
vào chiều dày lớp NiFe
................................................................................................................................
42
Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe (5 nm)/Cu (3
nm)/NiF
(tNiFe
nm)/IrMn
(10
nm)
................................................................................................................................
43

Ferromagnetic material

Vật liệu sắt từ

GMR

Giant Magnetoresistive effect

Hiệu ứng từ trở khổng lồ

NM

Non – magnetic material

Vật liệu phi từ

SEM

Scanning Electron Microscopy

Hiển vi điện tử quét

VSM

Vibrating Sample Magnetometer

Từ kế mẫu rung

XRD




Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH
1.1. Màng mỏng.
Màng mỏng (thin film) là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho
chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài).
Chiều dày của một màng mỏng thay đổi từ vài nm đến một vài μm thông thường là
nhỏ hơn 1μm. Có hai loại màng mỏng:
− Màng đơn lớp: được cấu tạo bởi một lớp vật liệu mỏng chế tạo trên một đế.
Tính chất của màng được tạo ra từ lớp vật liệu đó (và có thể ảnh hưởng bởi tác động
của lớp đế).
− Màng đa lớp: là màng mỏng được cấu tạo từ nhiều lớp vật liệu khác nhau,
xếp chồng lên nhau, được tạo ra nhằm thay đổi các tính chất của màng mỏng. Hình
1.1 cho ta thấy ảnh chụp cắt ngang của một màng mỏng đa lớp.

Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp
Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au.


Hiện nay, màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa
học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn…với nhiều khả năng ứng dụng to lớn
trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất… [7,16, 20].
1.2. Dị hướng từ.
Trong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có một định hướng ưu tiên dọc
theo một hướng nào đó của tinh thể. Ta gọi đó là hiện tượng dị hướng từ. Nói cách
khác, dị hướng từ là sự phụ thuộc có hướng của các tính chất từ của vật liệu. Khi từ
hóa theo hướng ưu tiên đó rất dễ đạt được trạng thái bão hòa nên hướng đó được gọi
là trục dễ từ hóa. Ngược lại, khi từ hóa theo hướng khác, trạng thái bão hòa rất khó
mà đạt được. Các hướng này là các trục từ hóa khó [1].
1.2.1. Dị hướng hình dạng.


[J/m3]

(1.2)

1.2.1.2. Dị hướng hình dạng của màng mỏng.
Trong trường hợp của một màng mỏng sắt từ có độ dày rất nhỏ, các hệ số
trường khử từ nhận giá trị : Nz = 1 ; Nx = Ny = 0. Áp dụng biểu thức (1.1) với N a =
Nz = 1 ; Nb = Nx = 0, ta có:
Ehd =

1
µo M 2 sin 2 θ
2

[J/m3]

(1.3)

[J/m3]

(1.4)

Với hệ số dị hướng hình dạng là [1]:
K hd =

1
µo M 2
2


của Eu s sẽ cho phép xác định phương của trục từ hóa dễ do ứng suất gây nên [1].
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.
Dị hướng từ của các màng mỏng có ý nghĩa rất quan trọng, nhất là các
trường hợp dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng màng, để ứng dụng trong kỹ nghệ
ghi thông tin mật độ cao [1].
Đối với trường hợp màng mỏng, dị hướng từ hình dạng thường có xu hướng
định hướng các mômen từ theo phương mặt phẳng để năng lượng tĩnh từ tối ưu.
Năng lượng dị hướng từ của các màng mỏng thường được viết dưới dạng:
Ea = − K × cos 2 θ

(1.6)

trong đó, θ là góc giữa từ độ và phương pháp tuyến của màng. Theo định nghĩa này,
giá trị dương của K có nghĩa là từ độ hướng theo phương vuông góc với mặt phẳng
màng. Nói chung, trong rất nhiều trường hợp, dị hướng từ bề mặt được quan sát phổ
biến hơn [1].
Có hai nguồn đóng góp chính vào dị hướng từ của các màng mỏng, đó là dị
hướng từ thể tích (Kv) và dị hướng từ bề mặt (Ks) . Hai loại dị hướng này có thể tách
ra khỏi hiệu ứng từ hiệu dụng đo được từ thực nghiệm Keff dựa vào biểu thức sau:
K e ff = K v + 2 K s / t

(1.7)


trong đó, t là chiều dày của màng, thừa số 2 xuất hiện trong biểu thức này là do mỗi
lớp sắt từ có hai lớp bề mặt. Bằng cách vẽ đồ thị t.K eff phụ thuộc vào t, Kv sẽ được
xác định từ hệ số góc của đường thẳng và 2Ks là giao điểm của đường thẳng với
trục tung [1].
1.3. Các vật liệu sắt từ.
Từ ngày xưa, sắt từ được biết đến như là một kim loại (Fe) và lodston

+ Sự quay của các đômen từ theo hướng của từ trường.

Hình 1.3: Đường cong từ trễ của chất sắt từ.
Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta sẽ có hiện tượng bão hòa từ, lúc
đó, tất cả các đômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu, về mặt lý
tưởng chỉ có một đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu
hướng hỗn độn do thăng giáng nhiệt và lại tạo thành các đômen. Tuy nhiên, các
đômen này vẫn còn tương tác với nhau. Khi ta giảm từ trường về 0, tổng mômen từ


trong toàn khối giảm dần nhưng không bằng 0 ở từ trường bằng 0. Khi từ độ bằng 0,
ta gọi đó là trạng thái khử từ, giá trị từ trường tại đó được gọi là lực kháng từ. Nếu
từ trường càng âm thì từ độ tiếp tục giảm từ giá trị 0 về giá trị bão hòa âm. Giá trị
tiếp tục như trên nếu ta tiếp tục tăng giá trị từ trường về 0 và đổi chiều rồi tăng giá
trị dương của nó. Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu sắt từ như hình 1.3.
Hai đặc trưng cơ bản quan trọng nhất của chất sắt từ là:
+ Đường cong từ trễ.
+ Nhiệt độ Curie Tc
Nhiệt độ Curie Tc trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận
từ (chuyển pha loại 2 – chuyển pha không có sự thay đổi về cấu trúc). Tại nhiệt độ
này, chất sắt từ bị mất trật tự sắt từ song song. Ở dưới nhiệt độ T c, vật liệu mang
tính chất sắt từ; ở trên nhiệt độ T c vật liệu sẽ bị mất tính sắt từ và trở thành chất
thuận từ [1, 2].
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM).
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ.
Vật liệu phản sắt từ có mômen từ nguyên tử cạnh tranh nhau sắp xếp đối
song (song song và ngược chiều) từng đôi một (hình 1.4). Tức là, trong vật liệu
phản sắt từ, tồn tại hai phân mạng có cấu trúc từ xem kẽ nhau. Mômen từ trong mỗi
phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều với mômen từ của phân
mạng kia.Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng triệt tiêu

c
T − Tc , trong đó Tc < 0

(1.8)

Các đặc điểm này có thể được giải thích bởi lý thuyết trường phân tử. Trong
vật liệu phản sắt từ, có 2 loại chỗ mạng chứa các spin sắp xếp đối nghịch nhau (gọi
là 2 phân mạng từ) [2].
1.5. Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch.
Hiện tượng trao đổi dịch (hay trao đổi bất đẳng hướng) là hiện tượng về sự dịch
đường cong từ trễ dọc theo trục từ trường, thường xuất hiện trong các vật liệu từ đa
lớp.
Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1956 bởi Meiklejohn và Bean khi họ đo
đường cong từ trễ của hệ các hạt mịn trên bề mặt Co (10 – 100 nm) đã bị ôxy hóa
một phần và được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ T N ( nhiệt độ Néel)
để tạo thành CoO. Kết quả là tâm đường cong từ trễ bị dịch về phía từ trường âm.
Thông thường, đường cong từ trễ của lớp Co sẽ đối xứng, nhưng do có sự tương tác
với CoO nên đường cong từ trễ bị dịch chuyển theo hướng của từ trường đặt vào hệ
đó.
Hiện nay, hiện tượng này được quan sát trong nhiều hệ khác nhau có chứa mặt
phẳng phân cách sắt từ/phản sắt từ (FM/AFM). Hiệu ứng này là kết quả tương tác
bề mặt trong hệ FM/AFM như màng hai lớp hoặc hạt sắt từ kim loại có lớp vỏ ôxit
AFM [14].
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch.
Sự xuất hiện của tính dị hướng đơn trục nên sau khi mẫu được làm lạnh
trong một từ trường, một đường cong từ trễ đã bị dịch chuyển. Đầu tiên, lớp CoO
phủ các hạt Co được làm lạnh từ nhiệt độ phòng đến 77 K mà không có sự xuất hiện
của từ trường ngoài. Khi mẫu được làm lạnh tới 77 K trong một từ trường mạnh (từ
trường lạnh), đường cong từ trễ (2) ở hình 1.5 bị dịch chuyển sang trái dọc theo trục
từ trường hiệu dụng [15].

trong mặt phẳng AFM tại mặt phẳng phân cách. Như vậy, từ trường cần thiết để đảo
chiều hoàn toàn một lớp FM sẽ lớn hơn nếu nó tiếp xúc với lớp AFM. Tuy nhiên,
một khi từ trường bị quay trở lại hướng ban đầu của nó thì các spin FM sẽ bắt đầu
quay tại một từ trường nhỏ hơn, do sự tương tác với các spin AFM (hình 1.6 e). Kết
quả, đường cong bị dịch chuyển về bên trái của trục từ trường hiệu dụng H một
khoảng Hex. Đây chính là cơ chế của hiệu ứng trao đổi dịch. [6,11,14,17,21].


1.5.3. Mô hình lý thuyết.
Từ việc phân tích tính chất của tương tác bề mặt FM/AFM, năng lượng
tương tác trên một đơn vị bề mặt được viết như sau:
E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K FM t FM sin 2 ( β ) + K AFM t AFM sin 2 (α ) − J cos( β − α )

(1.10)

ở đây:
H là từ trường hiệu dụng.
MFM là độ từ hóa bão hòa.
tFM là độ dày của lớp FM, tAFM là độ dày của lớp AFM.
KFM là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của lớp FM, K AFM là hằng số dị hướng
từ hiệu dụng của lớp AFM.
J là hệ số tương tác trao đổi bề mặt.
β, α là góc tương ứng giữa độ từ hóa M FM, MAFM và trục dị hướng FM, AFM;
θ là góc giữa từ trường đặt vào và trục dị hướng FM (Hình 1.7).
Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng của màng FM và AFM là giống nhau
và là trục duy nhất.


Hình 1.7: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch.
Số hạng thứ nhất trong phương trình năng lượng là do tác dụng của từ trường


1
t FM

(1.13)

1.5.4.2. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp AFM.
Sự phụ thuộc của Hex vào độ dày của lớp AFM phức tạp hơn nhiều. Xu
hướng chung cho chiều dày các lớp AFM, ví dụ chiều dày lớn hơn 10 nm, H ex
không phụ thuộc vào độ dày của lớp AFM. Khi độ dày của lớp AFM giảm, H ex