Tài liệu Chế tạo và nghiên cứu van spin nicoo fm cu fm kích thước nanomet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ  ---------------------------------------- NGUYỄN ĐĂNG THÀNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAN SPIN NiCoO/FM/Cu/FM KÍCH THƯỚC NANOMET LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ  ---------------------------------------- NGUYỄN ĐĂNG THÀNH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VAN SPIN NiCoO/FM/Cu/FM KÍCH THƯỚC NANOMET Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Lê Văn Hồng HÀ NỘI - 2007 MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................... 1 MỞ ĐẦU............................................................................................... 2 Chƣơng 1. TỔNG QUAN....................................................................................... 3 1.1. Hiện tƣợng từ trở khổng lồ GMR................................................................ 3 1.1.1. Tương tác trao đổi dạng dao động RKKY trong màng từ đa lớp.............................................................................................. 6 1.1.2. Cấu trúc van spin................................................................................ 8 1.2. Dị hƣớng trao đổi giữa hai lớp sắt từ/phản sắt từ......................................... 11 1.2.1. Dị hướng trao đổi................................................................................ 11 1.2.2. Các vật liệu sắt từ và phản sắt từ có liên quan đến dị hướng trao đổi.......................................................................................... 15 Chƣơng 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.............................................. 18 2.1. Phƣơng pháp chế tạo mẫu............................................................................ 18 2.1.1. Phương pháp phún xạ......................................................................... 18 2.1.2. Phương pháp phún xạ phản ứng......................................................... 20 2.2. Các phƣơng pháp phân tích và đo đạc......................................................... 21 2.2.1. Xác định chiều dày màng mỏng.......................................................... 21 2.2.2. Xác dịnh thành phần hoá học bằng phổ kế huỳnh quang tia X........... 23 2.2.3. Xác định vi cấu trúc và thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X.............. 23 2.2.4. Đo từ trở bằng phương pháp bốn mũi dò cách đều trong từ trường............................................................................................. 24 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 26 3.1. Chế tạo và nghiên cứu màng Ni1-xCoxO....................................................... 26 3.1.1. Chế tạo màng Ni1-xCoxO..................................................................... 26 3.1.2. Xác định hàm lượng Co trong màng Ni1-xCoxO................................... 27 3.1.3. Phân tích cấu trúc màng NiCoO........................................................ 29 3.1.4. Kết luận............................................................................................... 30 3.2. Chế tạo và nghiên cứu van spin NiCoO/FM/Cu/FM.................................... 31 3.2.1. Chế tạo van spin có hàm lượng Co, độ dày lớp Cu hoặc lớp đệm thay đổi................................................................................... 3.2.2. Khảo sát thế hiệu dịch của van spin theo hàm lượng Co.................... 31 33 3.2.3. Khảo sát giá trị MR của van spin theo độ dày lớp Cu........................ 37 3.2.4. Khảo sát giá trị MR của van spin theo độ dày lớp đệm...................... 40 3.2.5. Kết luận............................................................................................... 44 KẾT LUẬN CHUNG............................................................................ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 47 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN....................... 49 1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh đầy đủ Thuật ngữ AFM…………. Antiferromagnetic Phản sắt từ AMR…………. Antisotropic Magnetoresistance Từ trở dị hướng CIP…………… Current In Plane Dòng điện trong mặt phẳng CPP…………... Current Perpendicular to Plane Dòng điện vuông góc mặt phẳng FM…………… Ferromagnetic Sắt từ GMR………..... Giant Magnetoresistance Từ trở khổng lồ MR…………… Magnetoresistance Từ trở OMR…………. Ordinary Magnetoresistance Từ trở thường RF……………. Radio Frequecy Tần số vô tuyến RKKY………... Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Tương tác RKKY 2 MỞ ĐẦU Hiện tượng GMR từ khi được phát hiện vào những năm cuối thế kỉ 80 trở lại đây đã trở thành một vấn đề nóng hổi và được tập trung nghiên cứu mạnh mẽ nên đã thu được những thành công nhất định. Tuy cơ chế vật lý của GMR ở các vật liệu dạng màng mỏng còn nhiều điều chưa được sáng tỏ nhưng các ứng dụng của nó đã được khai thác mạnh mẽ, đặc biệt là với cấu trúc van spin. Ở Việt Nam hiện nay, những nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng GMR đã và đang thu được những kết quả bước đầu. Hiệu ứng GMR xảy ra trên các cấu trúc dạng màng mỏng đa lớp (có khi hàng chục lớp) nên đòi hỏi yêu cầu về thiết bị và công nghệ cao. Do đó việc tìm ra một chế độ công nghệ thích hợp để có thể chế tạo được những màng đơn lớp trong cấu trúc đa lớp phức tạp là một đòi hỏi bắt buộc và là bước quan trọng trong nghiên cứu về GMR. Vì vậy, đề tài nghiên cứu của luận văn được chọn là: “Chế tạo và nghiên cứu van spin NiCoO/FM/Cu/FM kích thước nanomet”. Trong đó FM là các lớp vật liệu sắt từ Ni81Fe19 hoặc Fe15Co85. Mục tiêu của luận văn là: - Với điều kiện thiết bị hiện có, chế tạo được các màng mỏng từ đơn lớp trong cấu trúc van spin. Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ lên tính chất của các màng đơn lớp. Từ đó tìm ra được công nghệ tối ưu cho phép chế tạo màng đa lớp có hiệu ứng GMR lớn. - Từ những kết quả nghiên cứu trên các màng đơn lớp, chế tạo các màng mỏng đa lớp để nghiên cứu hiệu ứng tương tác trao đổi dị hướng và hiệu ứng từ trở GMR của chúng nhằm tìm ra sự ảnh hưởng của mỗi đơn lớp lên tính chất chung của cả hệ. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn mới chỉ là những kết quả bước đầu nhằm tìm hiểu bản chất vật lý của các hiện tượng. Trên cơ sở đó, nắm bắt được quá trình điều khiển công nghệ chế tạo, đây là mục đích chính của luận văn. Hy vọng trong tương lai, vấn đề này sẽ được tiếp tục triển khai nghiên cứu ở mức độ sâu và rộng hơn. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. HIỆN TƯỢNG TỪ TRỞ KHỔNG LỒ GMR Từ những năm cuối của thập kỉ 80 trở lại đây, nhiều hiện tượng và tính chất vật lý mới đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ trên các hệ từ có kích thước giới hạn, đặc biệt là với những cấu trúc kích thước nanomet. Nổi bật lên trong số đó là hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR trong các màng mỏng từ hay trong các siêu mạng từ. Về phương diện vật lý, hiệu ứng GMR là hiện tượng mới, những hiểu biết về nó chưa có nhiều và cơ chế của hiệu ứng này còn nhiều điều vẫn đang cần được làm sáng tỏ. Trong khi đó, các linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng GMR hiện đang được khai thác ráo riết và triển khai ứng dụng rộng rãi trong đời sống bởi vì nó đáp ứng được những yêu cầu mới của ngành công nghệ thông tin và điện tử học hiện đại. Những ứng dụng nổi bật có thể thấy rõ trong lĩnh vực lưu trữ thông tin, đo lường từ và điều khiển bằng từ trường. Những sản phẩm thương mại đã được chế tạo ứng dụng hiệu ứng GMR mang tính chất đột phá có thể kể đến như các cảm biến từ trường thấp, đầu đọc từ mật độ cao và bộ nhớ từ không tự xoá trong máy tính… Hiệu ứng từ trở (MR) là một dạng của hiện tượng từ điện, đó là sự thay đổi của điện trở suất (hay độ dẫn điện) trong các vật dẫn dưới tác dụng của từ trường bên ngoài. Về nguyên tắc, hiệu ứng MR có trong bất kì kim loại phi từ nào và thường tăng theo cường độ từ trường ngoài tác dụng. Cơ chế của nó là do lực Lorentz và gọi là hiệu ứng từ điện trở thường (OMR). Hiệu ứng này rất nhỏ (dưới 1%) nên ít có ứng dụng thực tế. Trong các kim loại hay hợp kim sắt từ, tỷ số MR cao hơn so với hiệu ứng OMR (có thể tới 45 % với hợp kim pecmaloy NiFe). Cơ chế của nó là do tương tác của điện tử dẫn với từ trường nội có tính dị hướng và gọi là hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR). Hiệu ứng đã từng được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các cảm biến từ trường, đầu từ MR [1]. Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm 1988 khi nhóm của Albert Fert của trường Đại học Tổng hợp Nam Pari nghiên cứu hệ siêu mạng từ (001)Fe/(001)Cr chế tạo theo phương pháp epitaxy bằng chùm phân tử (MBE) [4]. 4 Tỷ số MR đạt được khoảng 50% ở nhiệt độ 4,2 0K đối với hệ có cấu trúc [Fe(30Å)/Cr(9Å)]40, nghĩa là hệ gồm 40 lớp kép Fe/Cr, chiều dày Fe và Cr trong mỗi lớp kép tương ứng là 30Å và 9Å. Giá trị MR này rất lớn chưa từng quan sát thấy trước đó nên hiệu ứng này được gọi tên là từ điện trở khổng lồ (GMR). Hình1.1. Từ trở của 3 siêu mạng Fe/Cr đo ở nhiệt độ 4,2 0K Sau đó, một loạt các hệ từ đa lớp cũng như không phân lớp khác đã được chế tạo và nghiên cứu, kết quả là chúng đều có hiệu ứng GMR. Điều đó chứng tỏ GMR là hiện tượng phổ biến trong các hệ từ có cấu trúc không liên tục (sắt từ xen giữa các lớp phi từ). Những giải thích đầu tiên về hiệu ứng GMR là do sự truyền phụ thuộc spin của các điện tử dẫn. Do thuộc tính có spin của điện tử, nên các điện tử với chiều spin xác định (spin- hoặc spin-) có xác suất tán xạ khác nhau tại bề mặt phân cách giữa các lớp sắt từ và phi từ, nó phụ thuộc cả vào sự sắp xếp từ độ của các lớp sắt từ. Khi không có từ trường ngoài, các lớp sắt từ sắp xếp phản song với nhau, cả hai loại điện tử với spin- và spin- đều bị tán xạ như nhau khi đi qua cấu trúc này nên điện trở của cả hệ là lớn. Từ trường ngoài có tác dụng sắp xếp lại vectơ từ độ của các lớp sắt từ theo hướng song song với nhau. Khi đó, xác suất tán xạ của một trong hai loại spin- hoặc spin- sẽ giảm xuống và coi như hệ mở thông kênh spin 5 này, các điện tử dẫn chủ yếu là do điện tử với một trong hai loại spin có xác suất tán xạ thấp [4]. Lí p tõ Lí p phi tõ H=0  SpinSpin-  SpinSpin- H > HS   SpinSpin- SpinSpin- a) b) AF FM Hình 1.2. Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong cấu hình đo CPP của màng từ đa lớp. a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM. Hình 1.2 và 1.3 là sơ đồ đơn giản minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong màng từ đa lớp. Trạng thái điện trở cao ứng với sự phản song của các vec tơ từ độ (a) và trạng thái điện trở thấp ứng với sự song song của các vec tơ từ độ (b). Trên sơ đồ hình 1.2, dòng điện được đặt vuông góc với mặt phẳng màng (CPP), do đó nó đi từ lớp từ này sang lớp từ khác thông qua các lớp phi từ. Còn trên hình 1.3, dòng điện chạy trong mặt phẳng màng (CIP) và tán xạ với các mô men từ tại bề mặt phân cách là chủ yếu. Mặc dù sự tán xạ phụ thuộc spin bắt nguồn từ các lớp sắt từ, nhưng một điều đặc biệt quan trọng là sự tán xạ không chỉ xảy ra trong lòng mỗi lớp sắt từ mà cả ở bề mặt phân cách giữa lớp sắt từ và lớp phi từ. Sự tán xạ phụ thuộc spin xảy ra bên trong của lớp sắt từ gọi là tán xạ khối, còn ở trên bề mặt phân cách giữa lớp từ và lớp phi từ gọi là tán xạ a) Trạng thái điện trở cao mặt phân cách. Thực nghiệm cho thấy tán xạ trên mặt phân cách là đóng góp chính của GMR trong b) Trạng thái điện trở thấp Hình 1.3. Sơ đồ minh hoạ cơ chế tán xạ điện tử với các spin khác nhau trong cấu hình đo CIP của màng từ đa lớp. a) Liên kết AFM, b) Liên kết FM. 6 cấu hình đo CIP. Tán xạ bề mặt càng mạnh thì tỷ số GMR càng lớn. Các mô hình lý thuyết được xây dựng về sau này để giải thích bản chất của GMR cũng chủ yếu dựa trên sự tán xạ bất đối xứng giữa 2 kênh dẫn spin gây bởi sự sắp xếp song song (FM) hay phản song song (AFM) của các lớp sắt từ. Ngoài ra còn có sự đóng góp một phần của tán xạ phụ thuộc spin ở bên trong các hạt sắt từ. Như vậy, có thể thấy rằng nguyên nhân gây nên hiệu ứng GMR là do sự sắp xếp lại các vectơ từ độ theo hướng song song với nhau dưới tác dụng của từ trường. Tỷ số GMR sẽ đạt được giá trị cao nhất khi các vectơ từ độ là hoàn toàn phản song với nhau trong trạng thái không có từ trường, còn khi có từ trường, chúng là hoàn ∆R/R0 toàn song song (Hình 1.4). - HS 0 HS Từ trường Hình 1.4. Đường cong từ trở của màng từ đa lớp với các cấu hình từ độ tương ứng 1.1.1. Tương tác trao đổi dạng dao động RKKY trong màng từ đa lớp Tương tác trao đổi giữa các lớp sắt từ thông qua lớp đệm bằng kim loại phi từ thường được khảo sát trong các màng từ đa lớp loại {FM(tF))/NM(tnm)}n trong đó FM là kim loại chuyển tiếp sắt từ FM = Fe, Co, Ni và các hợp kim của chúng với độ dày tF, NM là các kim loại phi từ như Cu, Ag, Au, Cr, Mo, Ru, Re, Ir… với độ dày tnm. Trong trường hợp các màng mỏng có chất lượng tốt, sự thay đổi của cường độ 7 tương tác trao đổi giữa hai lớp sắt từ J12 theo độ dày lớp đệm tnm có dạng dao động tắt dần như được minh hoạ trên hình 1.5 cho các màng mỏng đa lớp {Ni80Co20/Ru/Ni80/Co20}n. Chu kỳ của các dao động này chỉ vào khoảng vài lớp nguyên tử. Tuỳ theo chiều dày tnm sự định hướng tự phát từ độ trong hai lớp sắt từ hoặc là song song (tương tác FM) hoặc là phản song song (tương tác AFM). Phản sắt từ (AF) Sắt từ (FM) Chiều dày lớp cách Ru (Å0) Hình 1.5. Sự dao động của hằng số liên kết trao đổi J12 giữa 2 lớp theo khoảng cách Liên kết từ kiểu như vậy gây nên một sự phân cực của các điện tử trong các kim loại không từ tính (đặc biệt ở gần bề mặt tiếp xúc với lớp từ tính). Trong các vật liệu dạng khối, chúng ta đã thấy rằng một tạp chất từ (ví dụ như Mn) trên nền của kim loại Cu có thể làm phân loại các điện tử dẫn của Cu ở lân cận ion Mn. Lúc đó mật độ trạng thái của các điện tử có spin- và spin- ở xung quanh tạp chất từ sẽ không bằng nhau gây nên sự phân cực spin. Sự phân cực này dao động với véctơ sóng 2kF (kF là vectơ sóng Fermi). Nếu tính theo khoảng cách r từ tâm tạp chất, sự dao động của cường độ tương tác đó sẽ giảm theo quy luật 1/r3 tương tự như tương tác RKKY. Nếu một tạp chất từ khác định xứ ở trên một khoảng cách nào đó thì tương tác giữa các điện tử dẫn của Cu và tạp chất thứ hai này sẽ quy định định hướng từ độ của hai tạp chất từ. Sự định hướng đó là song song hoặc phản song song tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa chúng. Trong màng mỏng đa lớp, cơ chế tương tự cũng đã được áp dụng, sự phân cực có tính dao động của các điện tử trong 8 lớp đệm không từ tính được cảm ứng bởi các nguyên tử từ tính nằm gần các lớp giao diện FM/NM [5]. Sự dao động của hiệu ứng từ trở theo độ dày lớp đệm phi từ cũng được quan sát trong trường hợp của hệ mẫu {Co(10 A0)/Cu( tCu)}n như minh hoạ trên hình 1.6. Nhận thấy rằng trong quy luật dao động này tỷ số MR luôn có giá trị lớn ứng với các cấu hình tương tác phản sắt từ AFM của các lớp từ tính [6]. Hình1.6. Sự dao động của GMR theo độ dày lớp Cu trong hệ {Co(10 A0)/Cu(tCu)}n ở nhiệt độ 4,2K và 300K. 1.1.2. Cấu trúc van spin Cấu trúc dạng màng mỏng đa lớp tỏ ra thích hợp nhất với hiệu ứng GMR. Ngoài cấu trúc siêu mạng từ giống như cấu trúc [Fe/Cr]n ở trên, người ta còn nghiên cứu GMR trên một cấu trúc mới gọi là cấu trúc van spin thực hiện lần đầu tiên vào năm 1991 [7]. Cấu trúc van spin cơ bản gồm 2 lớp sắt từ xen giữa là 1 lớp phi từ. Mục đích chế tạo là từ độ của 2 lớp sắt từ phải sắp xếp phản song với nhau (AFM). Sau đó, dùng từ trường ngoài điều khiển sự sắp xếp này trở thành song song (FM) sẽ thu được hiệu ứng GMR. Hình 1.7 chỉ ra các kiểu van spin thông dụng và được 9 chia thành 3 loại chính: van spin không ghim; van spin ghim đối xứng và van spin ghim bất đối xứng. 10 Van spin kh«ng ghim Van spin ghim ®èi xøng Van spin kh«ng ®èi xøng Van spin ®èi xøng F F1 AF NM NM F1 F F2 NM F2 NM F1 AF Van spin ghim kh«ng ®èi xøng Van spin ghim ®Ønh Van spin gim ®¸ y AF F F NM NM F F AF Tõ ®é AF F2 F1 NM NM F1 F2 AF AF F1 F1 F2 F2 NM NM F2 F2 F1 F1 AF Hình1.7. Các kiểu van spin thông dụng Tõ ®é lí p bÞghim Tõ ®é lí p tù do Tõ ®é lí p ®iÒu khiÓn bÒmÆ t 11 Cách sắp xếp từ độ của 2 lớp sắt từ được thực hiện theo 2 phương pháp sau: a. Dựa trên tương tác trao đổi gián tiếp Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY). Đây là sự tương tác trao đổi spin J12 giữa hai nguyên tử tạp chất có từ tính nằm trong một đám các nguyên tử kim loại phi từ [8,9]. Giữa chúng sẽ có sự tương tác trao đổi spin với nhau thông qua môi trường phân cực spin điện tử của các nguyên tử phi từ. Tương tác này có giá trị âm hay dương tuỳ theo khoảng cách giữa chúng và hai mômen từ tương ứng sẽ sắp xếp song song (liên kết kiểu FM) hay phản song song (liên kết kiểu AFM). Bản chất và độ dày lớp phi từ được khống chế để liên kết giữa 2 lớp sắt từ là tương tác phản sắt từ và từ độ của 2 lớp sắp xếp theo kiểu phản song AFM. b. Hai lớp sắt từ phải là sắt từ mềm. Việc sắp xếp từ độ của 2 lớp sắt từ được thực hiện bằng chính dòng điện chạy qua phần tử van spin. Chỉ cần dòng điện có cường độ rất nhỏ (cỡ vài đến vài chục mA) cũng đủ tạo ra từ trường quanh phần tử để sắp xếp từ độ ở hai lớp từ theo kiểu phản song AFM [1]. Cấu trúc van spin ghim đáy thường được sử dụng bởi vì sự sắp xếp từ độ trong các lớp sắt từ là chủ động, chắc chắn và đơn giản, đạt được hiệu quả sắp xếp từ độ của các lớp cao nhất, (a) hơn nữa lại có thể dễ dàng tuyến tính hoá đặc tuyến của phần tử van spin khi (b) dùng làm cảm biến. Tuy nhiên, thực tế sử dụng và nghiên cứu người ta có thể kết hợp với hai cách trên để làm tăng tỷ số GMR. Ngoài cấu trúc van spin cơ bản người ta còn thực hiện ghép các cấu trúc lại với nhau hoặc chế tạo thêm các lớp có tính chất khác (ví dụ lớp điều Hình 1.8. Đường cong từ trễ (a) và đường cong từ trở (b) của van spin ghim đáy FeMn/NiFe/Cu/NiFe [7]. khiển bề mặt) nhằm tăng thêm tỷ số GMR. 12 Đề tài chúng tôi thực hiện tập trung nghiên cứu vào cấu trúc van spin ghim đáy có các đường đặc trưng về từ như trên hình 1.8. Đó là một cấu trúc van spin điển hình gồm bốn lớp chứa hai lớp sắt từ (F1 và F2) ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại phi từ (NM), trong đó lớp F1 thường được ghim bằng tương tác trao đổi với một lớp vật liệu phản sắt từ AFM. Điện trở của van spin thay đổi rất đột ngột khi từ độ của các lớp F1, F2 bị đảo. Hiện nay, các van spin như vậy đã được ứng dụng để chế tạo các đầu đọc thông tin mật độ cao. Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi mới chỉ nghiên cứu phương pháp chế tạo và khảo sát tính chất của các màng từ đa lớp này. Hy vọng trong tương lai, các màng từ đa lớp sẽ được cải tiến về mặt công nghệ cho tỉ số MR lớn cũng như sớm được triển khai ứng dụng. 1.2. DỊ HƯỚNG TRAO ĐỔI GIỮA HAI LỚP SẮT TỪ/PHẢN SẮT TỪ 1.2.1. Dị hướng trao đổi Dị hướng trao đổi là một hiệu ứng từ được gây bởi liên kết trao đổi giữ trật tự sắt từ (FM) và phản sắt từ (AFM). Dị hướng trao đổi được Meiklejohn và Bean tìm ra vào năm 1956 trên các mẫu là các hạt Co có kích thước từ 10100 nm bị oxi hoá bề mặt, khi các mẫu này được làm lạnh trong từ trường từ trên nhiệt độ TN của lớp phản sắt từ CoO. Đó là sự dịch chuyển đường cong từ trễ về một phía trên trục toạ độ theo hướng ngược lại với chiều từ trường [10]. Do đó hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng trao đổi hiệu dịch. Độ lớn của sự dịch chuyển được gọi là thế hiệu dịch Hex. Cơ chế và đường cong từ trễ của hệ Co-CoO được chỉ ra trên hình 1.9. Hiện tượng trên được giải thích như sau: khi tăng nhiệt độ của mẫu trong từ trường từ trên nhiệt độ TN, trạng thái trật tự phản sắt từ của lớp CoO bị phá vỡ, trong khi lõi Co vẫn giữ được trạng thái trật tự sắt từ do nhiệt độ Curie của lõi sắt từ Co lớn hơn nhiều so với nhiệt độ TN của lớp phản sắt từ CoO. Hơn nữa, từ độ của lõi Co được định hướng trong từ trường ngoài, nên một số spin của lớp CoO trên bề 13 mặt tiếp xúc bị ghim bởi mômen từ của lõi Co. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ TN, lớp CoO xuất hiện trật tự phản sắt từ có dạng như trạng thái (a) trên hình 1.9. Hình 1.9. Cơ chế của sự dịch đường cong từ trễ trong hệ Co-CoO Các điểm (a), (b), (c) trên đường cong tương ứng với 3 trạng thái ở bên trái Giảm từ trường về giá trị 0, trong mẫu sẽ tồn tại mômen từ dư của lõi Co. Tăng từ trường theo hướng ngược lại, các spin của lõi Co sẽ quay theo chiều từ trường. Lúc này liên kết trao đổi tại mặt phân giới sẽ làm cho các spin của lớp phản sắt từ CoO dao động chút ít, có dạng như trạng thái (b). Từ trường triệt tiêu hoàn toàn mômen từ trong mẫu có giá trị lớn hơn lực kháng từ Hc của Co. Khi từ trường 14 đảo chiều dần về giá trị 0, tương tác dị hướng trao đổi làm cho các spin của lõi sắt từ Co lật ngược trở lại, khôi phục lại trạng thái ban đầu (a) tương ứng trạng thái (c) trên hình 1.9 [11]. Gần đây, việc khảo sát tương tác trao đổi giữa vật liệu phản sắt từ đơn ôxit với vật liệu sắt từ được triển khai rộng rãi để xác nhận và củng cố những đề xuất ban đầu của Meiklejohn, Bean và Neel [12]. Các phương pháp thực nghiệm và phân tích đã được chính xác hoá với độ nhạy cao hơn. Carey và Berkowitz [13] đã nghiên cứu các màng phản sắt từ CoO, NiO, Ni1xCoxO bằng phương pháp phún xạ. Họ cho rằng khi pha Co vào NiO sẽ tăng dị hướng từ tinh thể trong lớp phản sắt từ. Đây là yếu tố quyết định đến hiệu ứng dị hướng trao đổi. Khi tạo cặp với Ni81Fe19, nhiệt độ TB của màng hai lớp Ni1xCoxO/Ni81Fe19 thay đổi tuyến tính theo giá trị x. Trường trao đổi hiệu dịch Hex và lực kháng từ Hc được xác định như là hàm của x. Khi x > 20% ta thu được tỉ số Hex/Hc > 1, đây là điều kiện cần thiết cho các đầu đọc hiệu dịch. Với x xấp xỉ bằng 40%, giá trị Hex thu được là lớn nhất. Ngoài ra, Carey và Berkowitz còn xác định trường trao đổi phụ thuộc nhiệt độ Hex(T) của màng có cấu trúc CoO-NiO/Ni81Fe19 [14]. Các số liệu chỉ ra rằng khi tương tác trao đổi đủ lớn với độ dày lớp CoO đủ mỏng ( 2nm) thì tồn tại nhiệt độ trật tự giống như đối với màng hợp kim Ni1-xCoxO với %Co tương tự. Điều này được khẳng định thêm bằng kết quả nghiên cứu nhiễu xạ neutron. Ngoài ra trường trao đổi hiệu dịch Hex(T) còn phụ thuộc vào lớp tiếp xúc với lớp Ni81Fe19 là CoO hay NiO. Nói chung, các công việc này đã chỉ ra một vài khả năng lựa chọn để điều chỉnh trường trao đổi. Các nghiên cứu một cách hệ thống đối với màng hai lớp CoO/Ni81Fe19 [15,16] chứng minh rõ ràng rằng mật độ spin phản sắt từ không bù trừ bề mặt quyết định đến trường trao đổi hiệu dịch Hex. Nhiệt độ TN của vật liệu NiO tương đối cao đã thu hút sự chú ý tới các ứng dụng thương mại. Nhưng dị hướng từ tinh thể thấp lại hạn chế trường trao đổi hiệu dịch Hex và làm tăng lực kháng từ Hc khi năng lượng trao đổi bề mặt vượt quá năng lượng tĩnh từ của hạt phản sắt từ. Lee cùng cộng sự [17] đã so sánh giữa các màng epitaxy Ni81Fe19/NiO trên đế MgO định hướng (100), (110) và (111) với các màng 15 đa tinh thể Ni81Fe19/NiO, đồng thời họ cũng xác định độ ráp bề mặt phân cách. Kết luận của họ cho thấy định hướng tinh thể không đóng vai trò đáng kể trong việc xác định trường trao đổi hiệu dịch Hex và độ ráp bề mặt dường như làm tăng lực kháng từ Hc. Michel cùng cộng sự [18] đã so sánh trạng thái của màng epitaxy Ni81Fe19/NiO định hướng (001) và màng đa tinh thể. Kết quả cho thấy rằng, các màng đa tinh thể có trường trao đổi hiệu dịch Hex lớn hơn so với màng epitaxy. Trong kết quả nghiên cứu van spin, Chopra [19] đã dùng TEM với độ phân giải cao để chỉ ra cấu trúc nguyên tử bề mặt phân giới NiO/Co thay đổi theo áp suất O2 trong quá trình tạo màng và thế hiệu dịch phản ánh cấu trúc mặt phân giới như thế nào. Các tác giả này cho rằng quá trình ghim của NiO đối với Co được thực hiện chủ yếu do lực kháng từ Hc cao tại mặt phân giới của NiO/Co. Việc quan sát cấu hình đômen trong quá trình đảo từ độ của màng hai lớp NiFe(10nm)/NiO(50nm) trên đế MgO định hướng (001) bằng cách dùng dụng cụ quang từ cho thấy rằng sự hình thành đômen là nguyên nhân đảo từ khi đặt từ trường ngoài dọc theo trường trao đổi hiệu dịch Hex. Tuy nhiên, họ không nói rõ quá trình đảo từ xảy ra ở từ trường ngang. Mặc dù nhiệt độ TN của vật liệu NiO tương đối cao, nhưng hằng số dị hướng K2 thấp có thể dẫn đến sự không ổn định nhiệt nếu kích thước hạt nhỏ. S.Soeya và cộng sự [20] đã khảo sát điều kiện phún xạ ổn định của màng phản sắt từ NiO cho một lớp trao đổi hiệu dịch, mối quan hệ giữa tính chất tương tác trao đổi của màng Ni81Fe19/ NiO và đặc trưng của màng NiO với sự ổn định nhiệt của nó. Trong số các điều kiện phún xạ màng NiO, yếu tố chính để xác định tính chất tương tác trao đổi của màng Ni81Fe19/ NiO là áp suất khí Ar trong suốt quá trình tạo màng NiO. Màng NiO được tạo ở áp suất khí Ar thấp là quan trọng để tạo ra trường trao đổi hiệu dịch và nhiệt độ TB cao. Việc cải tiến tính chất tương tác trao đổi ở áp suất khí Ar thấp do hai yếu tố: bề mặt của màng NiO nhẵn và sự xuất hiện kích thước hạt tương đối lớn. Yếu tố thứ nhất được xem như không chỉ góp phần làm tăng số spin của cặp tương tác trao đổi đơn hướng mà còn làm xuất hiện các quỹ đạo trao đổi có dị hướng trao đổi định xứ lớn. Yếu tố thứ hai được xem như gây ra các đảo phản sắt từ với thể tích hạt lớn hơn (KeiA/KAFi). Trong đó, Kei, A và KAFi 16 tương ứng là dị hướng đơn hướng, diện tích mặt phân giới của các đảo NiO tiếp xúc với màng Ni81Fe19 và dị hướng từ tinh thể của các đảo NiO. Hơn nữa, màng NiO có sự ổn định nhiệt lên tới 250 oC mặc dù dị hướng phản sắt từ của nó yếu do tăng nhiệt độ ủ lên trên 250 oC. Cho đến nay cơ chế của dị hướng trao đổi hiệu dịch vẫn chưa được hoàn toàn sáng tỏ. Việc mô hình hoá là rất khó khăn do cấu trúc trật tự hoá học và trật tự spin ở bề mặt tiếp xúc rất phức tạp. Vì thế, đòi hỏi cần có sự nghiên cứu sâu sắc hơn và cụ thể hơn. Trong khuôn khổ của luận văn chỉ xin đề cập tới ảnh hưởng của dị hướng từ tinh thể lên dị hướng trao đổi hiệu dịch. 1.2.2. Các vật liệu sắt từ và phản sắt từ liên quan đến dị hướng trao đổi Các vật liệu sắt từ được dùng trong các màng tương tác sắt từ/phản sắt từ chủ yếu là Co, NiFe, FeCo hoặc CoNiFe. Việc pha Co vào NiFe nhằm làm tăng thêm hằng số dị hướng từ. Nhưng ứng dụng trong thực tiễn thì Ni81Fe19 được chiếm ưu thế hơn. NiFe có cấu trúc lập phương tâm mặt FCC, nhiệt độ Curi TC = 400 0C. Hằng số dị hướng từ của NiFe thấp K1  0 ở 4,2 0K còn ở nhiệt độ phòng, K1 = -3.103 J/m3 và với hai phương dễ từ hoá là (100) và (111) [21]. Do vậy, NiFe là vật liệu từ rất mềm, rất dễ đảo từ độ ở từ trường thấp. Đây là yếu tố quan trọng bởi khả năng ứng dụng của nó trong các phần tử van spin. Màng FeCo có mômen từ cao hơn so với NiFe, lực kháng từ giảm mạnh khi kích thước hạt của FeCo giảm [22]. Trong luận văn, các vật liệu NiFe và FeCo đã được chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu. Các vật liệu phản sắt từ đã được sử dụng trong nghiên cứu dị hướng trao đổi và chế tạo cấu trúc van spin có thể chia làm 2 nhóm chính: - Nhóm vật liệu trên nền Mn (Fe-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, PdMn, Pt-Mn...) có nhiệt độ chuyển pha TN rất cao thường lớn hơn 300 0C (với Pt-Mn TN 700 0C), các hằng số dị hướng từ lớn nên cả trường trao đổi hiệu dịch Hex, và lực kháng từ Hc khá cao, tỷ số GMR lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của nhóm vật liệu này là nhiệt độ Block TB thường thấp hơn nhiệt độ phòng nên hạn chế rất lớn đến khả năng ứng dụng. Mặt