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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


MỞ ĐẦU
Trong thời đại khoa học kỹ thuật hiện đại, các máy móc và thiết bị có xu
hướng thu nhỏ kích thước nhưng các tính chất và khả năng hoạt động không bị
hạn chế nhờ việc sử dụng các tính năng ưu việt, đặc biệt là ở dạng màng mỏng.
Lịch sử phát triển màng mỏng đã có rất lâu đời nhưng khi đó người ta chỉ
biết sử dụng nó vào mục đích dân dụng và trang trí. Sang đầu thế kỉ XX, màng
mỏng bắt đầu được quan tâm nhờ các tính chất đặc biệt và kích thước nhỏ bé để
chế tạo các thiết bị máy móc. Không chỉ có màng bán dẫn được quan tâm đặc
biệt, mà màng mỏng từ tính cũng đang rất được quan tâm. Trong những năm
cuối thế kỉ XX, màng mỏng từ tính đã trở thành mục tiêu nghiên cứu của nhiều
phòng thí nghiệm trên thế giới, đặc biệt là màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin
van…với nhiều ứng dụng khác nhau trong tương lai. Một trong những ứng
dụng điển hình đó là chế tạo thiết bị ghi từ và lưu trữ thông tin.
Ở Việt Nam vào năm cuối những thập niên 90 thế kỷ XX, màng mỏng đã
trở thành lĩnh vực rất được quan tâm chú ý. Với nhiều trung tâm nghiên cứu,
nhiều thiết bị máy móc hiện đại phục vụ cho việc nghiên cứu màng mỏng được
trang bị và cũng đã thu được những kết quả đáng kể, đặc biệt là màng mỏng đa

µo M 2 ( N a − Nb ) sin 2 θ
2

[J/m3]

(1.1)
Hằng số dị hướng hình dạng [1] :
Ehd =

1
µ o M 2 ( N a − Nb )
2

2

[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


(1.5)
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.
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].

3


1.3. Các vật liệu sắt từ.
Vật liệu sắt từ được biết đến là một chất có từ tính rất mạnh, có độ từ
thẩm rất lớn và độ từ hóa lớn hơn độ từ hóa của chất thuận từ.

Hình 1.2: Đường cong từ trễ của chất sắt từ.
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

T > TN ,

sự phụ thuộc vào nhiệt độ của χ tương tự như định luật Curie –

Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ:
χ=

c
T −T '

, trong đó T’ < 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.
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch.
Do 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 [15].

5


Hình 1.4: Đường cong từ trễ của Co được phủ các hạt CoO tại 77 K sau
khi được ủ trong trường hợp không có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường

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)

Để đơn giản hóa, ta coi trục dị hướng của màng FM và AFM là giống
nhau và là trục duy nhất.

Hình 1.6: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch.
Trong trường hợp đơn giản, các dị hướng FM là không đáng kể:
E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K AFM t AFM sin 2 (α ) − J cos( β − α )

(1.11)

Từ trường trao đổi dịch có thể được tính theo công thức sau:
H ex =

J

(1.12)

M FM tFM

1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch.
1.5.4.1. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp FM.

7


Từ trường (Oe)

Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ
dày lớp AFM cho hệ Fe80Ni20/FeMn tại tFM = 7 nm.
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch.
Các vật liệu thể hiện tính chất trao đổi dịch và các hiệu ứng có liên quan
đã được sử dụng trong một số các ứng dụng khác nhau. Việc tăng lực kháng từ
của các hạt nhỏ bị oxi hóa có thể sử dụng trong nam châm vĩnh cửu và phương
tiện ghi từ mật độ cao. Một ứng dụng khác đối với hiệu ứng trao đổi dịch đó là
chế tạo đầu đọc, ghi máy vi tính dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ. Gần đây,
hiện tượng trao đổi dịch còn có thể sử dụng trong các thiết bị nhớ động
(MRAM) [12,14].
1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van.
Spin – van là một linh kiện từ tính có cấu tạo từ một màng đa lớp gồm các
lớp sắt từ (F1 và F2) ngăn cách bởi các lớp phi từ (NM) mà ở đó điện trở của hệ
thay đổi phụ thuộc vào sự định hướng của từ độ trong các lớp sắt từ [1].

9


Hình 1.9: Mô hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các cấu trúc spin - van
Tính chất của cấu trúc spin van dựa trên hiệu ứng từ trở khổng lồ. Cơ chế
của hiệu ứng được lý giải qua cơ chế “tán xạ phụ thuộc spin” của điện tử (hình
1.10). Có nghĩa là việc từ độ các lớp định hướng tương đối với nhau ra sao
(song song, phản song song) có thể cho phép dòng điện tử (dòng spin) được
truyền qua hoặc không thể truyền qua, hay nói cách khác, từ độ của các lớp sắt
từ hoạt động như một chiếc van đóng mở spin. Đây chính là ý tưởng về cấu trúc
spin van [11].
Mô hình màng mỏng đa lớp với các lớp sắt từ (FM) xen kẽ bởi các lớp
mỏng phi từ (NM) tạo ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là mô hình sơ khai đầu
tiên. Nhóm của Peter Grunberg đã cải tiến mô hình này thành cấu trúc spin van
như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản sắt từ (AFM).

phía đế mẫu (substrate). Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún
xạ. Khi đến được đế mẫu, chúng lắng đọng lại trên đế mẫu và tạo thành màng.

Hình 2.5 : Hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và nguồn
xoay chiều tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại học Công
nghệ - Đại học Quốc gia Hà nội.
Ảnh chụp một hệ phún xạ magnetron sử dụng cả nguồn một chiều và
xoay chiều đã và đang vận hành tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano –
Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội được minh họa trên
hình 2.5
12


Trong luận văn này, mẫu đã được chế tạo bằng phương pháp phún xạ
catốt một chiều DC tại khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM).
Kính hiển vi điện tử quét dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ
phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học, vì bước sóng của chùm
tia điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng vùng khả biến. Việc tạo ảnh của
mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra
từ các chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Các mẫu sau khi được chế tạo đã được tiến hành đo SEM tại khoa Vật lý
- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM).
Từ kế mẫu rung (VSM) được phát minh bởi S.Fomer vào những năm
1950 và đang được dùng rất phổ biến. Đây là dụng cụ đo các tính chất từ của
vật liệu, hoạt động trên nguyên tắc thu tín hiệu cảm ứng điện từ khi rung mẫu
đo trong từ trường. Nó đo mômen từ của mẫu cần đo trong từ trường ngoài.
Các mẫu được tiến hành đo từ kế mẫu rung (VSM) bằng máy VSM

NiFe (hình 3.3), lực kháng từ của mẫu đã được xác định với giá trị H c = 5,1 Oe.
Như vậy, màng mỏng NiFe có tính từ mềm.

Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song
song với bề mặt của màng.
14


3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn.
3.2.1. Kết quả đo tính chất từ.
3.2.1.1. Đường cong từ trễ.
(a)

(b)

Từ trường H (Oe)

Từ trường H (Oe)

(c)

Từ trường H (Oe)

Hình 3.4: Đường cong từ trễ của hệ NiFe/IrMn với tNiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm.
Khi chiều dày của lớp NiFe tăng từ 5 nm, 7 nm đến 9 nm, lực kháng từ
giảm tương ứng từ 50 Oe, 30 Oe đến 18 Oe và từ trường trao đổi dịch H ex lần
lượt giảm từ 55 Oe, 31 Oe đến 22 Oe.
3.2.2. Kết quả đo XRD.
Dựa vào hình ảnh XRD của hai lớp NiFe/IrMn, chúng ta có thể thấy NiFe
và IrMn có định hướng (111). Có 2 đỉnh ở góc 2θ = 44o và 2θ = 42o lần lượt

16


3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM).
Khi chiều dày lớp ghim tăng từ 3 nm đến 12 nm, đường cong trở nên kém
rõ nét và rời rạc hơn. Hình vẽ cũng cho ta thấy, từ trường trao đổi giảm lần lượt
từ 360 Oe đến 65 Oe và lực kháng từ giảm từ 200 Oe đến 60 Oe.
3 nm
5 nm
7 nm

0.0006

M« men tõ (emu)

0.0003

(a)
0.0000

-0.0003

-0.0006
-1000

-500

0

500

Hình 3.9: Đường cong từ trễ của cấu trúc spin – van NiFe (5 nm)/Cu (3
nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) tNiFe =
9 nm, 12 nm.
. Ở đây có một kết quả khá thú vị. Khi chiều dày lớp NiFe tăng tới giá trị t
= 12 nm (hình 3.9 b), cấu trúc spin van mất đi hoàn toàn. Nguyên nhân của hiện
tượng thú vị này đó là hệ chỉ còn tương tác bề mặt giữa lớp NiFe rất dày và lớp
phản sắt từ IrMn.

17


3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ.
3.3.2.1. Ảnh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ.
0.85
0.80

M« men tõ (memu)

0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45

2

4


Oe xuống khoảng 45 Oe).

Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe (5
nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm).
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ.
Để nghiên cứu sự phụ thuộc này, màng đa lớp Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu
(3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) đã được chế tạo với t IrMn = 8 nm,
10 nm và 15 nm. Mẫu sau khi được chế tạo đã được tiến hành đo VSM (hình
3.13).
8 nm
10 nm
15 nm

1.0

M/M S

0.5
0.0
-0.5
-1.0
-750

-500

-250

0

250

140
120

8

10

12

14

16

18

20

tIrMn (nm)

Hình 3.14: Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc và từ trường trao đổi dịch
Hex vào chiều dày lớp IrMn của hệ Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9
nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm).
Khi chiều dày lớp IrMn tăng từ 8 nm đến 15 nm, H ex gần như không thay
đổi.Điều đó có thể được giải thích, khi chiều dày lớp IrMn tăng, các mômen từ
của lớp sắt từ NiFe bị ghim ngày càng nhiều và tất cả các mômen từ của lớp
này sẽ bị ghim lại khi lớp IrMn có chiều dày 6 nm trở lên. Đây chính là nguyên
nhân làm cho từ trường trao đổi dịch gần như không thay đổi.
Ngoài ra, ta có thể nhận thấy rằng, khi chiều dày lớp IrMn tăng từ 10 nm
đến 15 nm thì lực kháng từ của mẫu giảm dần từ 160 Oe đến 114 Oe.




TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt.
1. Nguyễn Hữu Đức , (2003), Vật liệu từ liên kim loại, Nhà xuất bản Đại
học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
2. Nguyễn Phú Thùy , (2003), Vật lý các hiện tượng từ, Nhà xuất bản Đại
học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
3. Vũ Thị Huyền Trang, (2011), Nghiên cứu chế tạo dây Coban có kích
thước nano bằng phương pháp điện hóa, Khóa luận tốt nghiệp Đại học khoa
Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
4. Vũ Thị Thanh, (2014), Ảnh hưởng của từ trường trong quá trình lắng
đọng lên tính chất của dây nano, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
Tiếng Anh.
5. A. Aharoni, E.H. Frei, S. Shtrikman, (1956), “Theoretical Approach to
the Asymmetrical Magnetization Curve”, Journal of Applied Physics, Vol. 30
(12), pp. 1956-1961.
6. A.J. Devasahayam, P.J. Slides and M.H. Kryder, (1998), “Magnetic
temperature and corrosion properties of the NiFe/IrMr exchange couple”, J.
Appl. Phys, 83, p. 7216.
7. A. Layadi, J.W. Lee, J.O. Artman, (1988), “FMR and TEM studies of
annealed and magnetically annealed thin bilayer films”, J. Appl, Phys, 63,
p.3808.
8. C.P. Bean, (1960), in: C.A. Neugebauer, J.B. Newkirk, D.A. Vermilyea
(Eds), Structure and properties of Thin Films, Wiley, New York, p. 331.
9. D. Mauri, H.C. Siegmann, P.S. Bagus, E. Kay, (1987), “Simple model
for thin ferromagnetic films exchange coupled to an antiferromagnetic
substrate”, J. Appl Phys, 62, p. 3047.
10. G. Anderson, Y. Huai, L. Miloslawsky, (2000), “CoFe/IrMn exchange

J. D. Phys.: Appl. Phys, 33, pp. 2911–2920.
20. S.J. Bludell, J.A.C. Bland, (1992), “Polarized Neutron Reflection as a
Probe of Magnetic Films and Multilayers”, Phys. Rev, p. 3391.

23


21. V.K. Sankaranarayanan, S.M. Yoon, C.G. Kim, C.O. Kim, (2005),
“Exchange bias variation of the seed and top NiFe layers in NiFe/FeMn/NiFe
trilayer as a function of seed layer thickness”, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 286, pp. 196–199.

24