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



1.3. Các vật liệu sắt từ...................................................................................................18
1.4. Các chất phản sắt từ (AFM)...................................................................................21
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ....................................................................................21
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ. ................................................................22

1.5. Giới thiệu về hiện tượng trao đổi dịch.................................................................22
1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch..............................................................................23
1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. ...........................................................24
1.5.3. Mô hình lý thuyết...............................................................................................................25
1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch. ...................................................27
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch.....................................................................28

1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van..................................................................29
1.7. Mục tiêu của luận văn.............................................................................................30

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).......................................................................................7
2.3. Từ kế mẫu rung (VSM)..............................................................................................9
2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X..........................................................................................12

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................15
3.1. Màng mỏng NiFe......................................................................................................15
3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM). ............................................................................15
3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD).......................................................................................16
3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM)....................................................................................17

Hình 1.5: Đường cong từ  trễ  của CoO được phủ  các hạt Co tại 77 K sau khi  
được ủ trong trường hợp không có từ trường đặt vào (1) và dưới từ trường bão  
hòa
 
(2)
................................................................................................................................
10
Hình   1.6:   Cơ   chế   trao   đổi   dịch   trong   màng   hai   lớp   FM/AFM
................................................................................................................................
11
Hình   1.7:   Biểu   đồ   các   góc   tham   gia   vào   hệ   trao   đổi   dịch
................................................................................................................................
13
Hình 1.8: Sự phụ  thuộc của trường trao đổi dịch Hex và lực kháng từ Hc vào độ  
dày   lớp   FM   cho   hệ   Fe80Ni20/FeMn   tại   tAFM  =   50   nm
................................................................................................................................
14


Hình 1.9: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch H ex và lực kháng từ Hc  vào độ dày lớp  
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

................................................................................................................................
31
Hình
 
3.1:
 
Ảnh
 
SEM
 
của
 
màng
 
NiFe
................................................................................................................................
32
Hình   3.2:   Hình   ảnh   nhiễu   xạ   tia   X   của   màng   NiFe
................................................................................................................................
33
Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song song với  
bề
 
m ặt
 
của
 
màng
................................................................................................................................
34

(3
 
nm)/NiF
 
(tNiFe 
nm)/IrMn
 
(10
 
nm)
................................................................................................................................
43
Hình 3.13:  Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ  của hệ  có cấu trúc  
spin van Ta (5 nm)/NiFe (5 nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (t IrMn nm)/Ta (5 nm)
................................................................................................................................
44
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)
................................................................................................................................
45


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT


SEM

Scanning Electron Microscopy

Hiển vi điện tử quét

VSM

Vibrating Sample Magnetometer

Từ kế mẫu rung

XRD

X – ray diffraction

Nhiễu xạ tia X


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 

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.
1.2.1.1. Dị hướng hình dạng của mẫu elip tròn xoay.
Dị hướng này phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu. Dị hướng  
hình dạng có thể  được định nghĩa một cách đơn giản là sự  khác nhau về  năng 
lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắt từ. Ví dụ,  
một mẫu hình trụ có năng lượng tĩnh từ theo phương vuông góc với trục hình trụ 
lớn hơn so với năng lượng tĩnh từ dọc theo trục hình trụ. Đó là vì khi từ hóa theo 
phương vuông góc, trường khử từ rất lớn; còn khi từ hóa theo phương song song  
trường khử  từ  nhỏ  hơn rất nhiều. Do đó, từ  độ  có xu hướng dọc theo trục hình 
trụ đề giảm năng lượng tĩnh từ [1].
Đối với một mẫu sắt từ hình elip tròn xoay với các bán trục là a và b, hệ 
số trường khử từ tương  ứng sẽ là Na và Nb (với 2Na + Nb = 1) Nếu véc tơ từ độ 


M hợp với trục dễ một góc θ thì năng lượng dị hướng hình dạng Ehd nhận được 
là :
                                       


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

1.2.2. Dị hướng từ tinh thể. 
Dị hướng từ tinh thể được xác định không chỉ  bởi liên kết của mômen từ 
spin với hình dạng và định hướng của quỹ đạo điện tử (liên kết spin – quỹ đạo) 
mà còn bởi liên kết của các quỹ  đạo điện tử  đang xét với đối xứng của sự  sắp  
xếp các nguyên tử  trong mạng tinh thể (trường tinh thể) [1].

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:
2
   
                                                         Ea = − K cos 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 K eff 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.Keff  phụ thuộc vào t, Kv 

Quá trình từ hóa được thể hiện thông qua sự dịch vách thuận nghịch và bất 
thuận nghịch (ở  từ  trường nhỏ) và quá trình quay thuận nghịch và bất thuận  
nghịch của đômen (trong từ trường lớn) như sau: Nếu ta đặt từ trường ngoài vào  
vật liệu sẽ có hai hiện tượng xảy ra: 
 

+ Sự  lớn dần của các đômen từ  theo phương của từ  trường và giảm dần  

đômen ngược chiều theo phương của từ trường (dịch vách đômen).
+ 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 Tc, vật 

+ Sự dị hướng của χ khi  T < TN : χ có giá trị khác nhau tùy theo từ trường H 
song song hay vuông góc với trục spin của một đơn tinh thể vật liệu phản sắt từ. 
Giá trị   cho vật liệu đa tinh thể là giá trị trung gian giữa các giá trị trên [2].
Khi  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  , trong đó Tc  
FM sắp xếp cùng hướng với từ trường trong khi các spin AFM sắp xếp một cách 
hỗn loạn ( Hình 1.6 a). 

Hình 1.6: Cơ chế trao đổi dịch trong màng hai lớp FM/AFM.
Khi làm lạnh hệ  trong từ  trường H xuống dưới nhiệt  độ   TN , nhiệt độ 
chuyển pha từ thuận từ sang phản sắt từ (nhỏ hơn rất nhiều so với nhiệt độ   Tc  


của FM) thì cả  hai phần FM và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự: FM có  
spin sắp xếp song song còn spin của AFM sắp xếp phản song song để  tạo ra sự 
không   từ   (hình   1.6   b)   (do   sự   tương   tác   tại   mặt   phẳng   phân   cách   FM/AFM) 
[5,13,14].
Khi từ  trường bị  đảo chiều, các spin trong mặt phẳng FM bắt đầu quay. 
Tuy nhiên, do tính dị  hướng của AFM lớn, các spin trong mặt phẳng AFM vẫn  
không thay đổi (hình 1.6 c). Do đó, sự tương tác bề  mặt giữa các spin FM/AFM  
tại mặt phẳng phân cách đã cố  ghim các spin trong mặt phẳng FM định hướng 
theo  các   spin  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:
2
2
(1.10)
           E = − HM FM t FM cos(θ − β ) + K FM t FM sin ( β ) + K AFM t AFM sin (α ) − J cos( β − α )