Tài liệu Nghiên cứu chế tạo màng mỏng có cấu trúc spin van

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 TRƢỜNG 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: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TUẤN TÚ Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN! Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Lê Tuấn Tú – người thầy đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn. Cảm ơn thầy đã giúp em lựa chọn đề tài, cung cấp cho em những thông tin, tài liệu cần thiết và nhiệt tình giải đáp các vướng mắc trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài… Em xin chân thành biết ơn sự dạy dỗ của tất cả các quý thầy cô Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thầy, các cô đã hết mình truyền đạt lại cho em những kiến thức cần thiết và bổ ích cho tương lai sau này. Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất em xin gửi tới gia đình thân yêu – những người đã luôn sát cánh và động viên em trong suốt chặng đường qua. Hà Nội, ngày 06 tháng 07 năm 2015. Sinh viên Nguyễn Thị Kiều Vân MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH.....................................2 1.1. Màng mỏng. .....................................................................................................2 1.2. Dị hƣớng từ......................................................................................................3 1.2.1. Dị hướng hình dạng. ...................................................................................3 1.2.2. Dị hướng từ tinh thể. ..................................................................................4 1.2.3. Dị hướng ứng suất. .....................................................................................4 1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng. ..................................................................5 1.3. Các vật liệu sắt từ............................................................................................6 1.4. Các chất phản sắt từ (AFM). .........................................................................8 1.4.1. Đặc điểm của vật liệu phản sắt từ...............................................................8 1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ. ...........................................9 1.5. Giới thiệu về hiện tƣợng trao đổi dịch. .........................................................9 1.5.1. Nguồn gốc của hiệu ứng trao đổi dịch. ....................................................10 1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. ...................................11 1.5.3. Mô hình lý thuyết. ....................................................................................12 1.5.4. Sự phụ thuộc vào độ dày của từ trường trao đổi dịch. .............................14 1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch. ............................................15 1.6. Giới thiệu về hệ có cấu trúc spin van. ........................................................16 1.7. Mục tiêu của luận văn. .................................................................................17 Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .........................................19 2.1. Chế tạo màng mỏng bằng phƣơng pháp phún xạ......................................19 2.2.1. Cơ chế phún xạ. ........................................................................................19 2.1.2 . Các hệ phún xạ. .......................................................................................20 2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM). .........................................................................24 2.3. Từ kế mẫu rung (VSM). ...............................................................................26 2.4. Phân tích nhiễu xạ tia X. ..............................................................................29 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................32 3.1. Màng mỏng NiFe...........................................................................................32 3.1.1. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM). ...................................................32 3.1.2. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD). ............................................................33 3.1.3. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). ..........................................................34 3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn. .................................................................................35 3.2.1. Kết quả đo tính chất từ. ............................................................................35 3.2.2. Kết quả đo XRD. ......................................................................................38 3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn. ..................................................................39 3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM). ..........................................................39 3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ.................................................41 3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ. ......................................43 KẾT LUẬN ..............................................................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng 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 ..............................................................7 Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau ......8 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 Hex 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 Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ ................................................. 19 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ phún xạ catot một chiều ..................................... 21 Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều ......................................... 22 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống phún xạ magnetron ......................................... 23 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 ...................................................................................................... 24 Hình 2.6: (a) Kính hiển vi điện tử quét; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét ... 25 Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung ( VSM); (b) Mô hình từ kế mẫu rung ........... 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 Hình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song song với bề mặt của màng ........................................................................................................... 34 Hình 3.4: Hình ảnh VSM của hệ NiFe/IrMn với tNiFe = 5 nm, 7 nm và 9 nm .......... 35 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp NiFe của màng NiFe/IrMn ...... 37 Hình 3.6: Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp NiFe của hệ NiFe/IrMn ........... 37 Hình 3.7: Nhiễu xạ tia X của các lớp NiFe/IrMn .................................................... 38 Hình 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 (tNiFe nm)/IrMn (10 nm) với (a) tNiFe = 3 nm, 5 nm, 7 nm và (b) tNiFe = 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 Hex 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 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 (tIrMn 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 Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AFM Antiferromagnetic material Vật liệu phản sắt từ FM 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 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 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 lớp có cấu trúc spin van. Trên cơ sở những điều nói trên, luận văn này chọn đối tượng nghiên cứu là màng mỏng đa lớp có cấu trúc spin – van Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catốt. Luận văn của em gồm 3 phần chính: Chương 1: Tổng quan về màng mỏng từ tính. Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Chƣơng 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. 2 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 hƣớng 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 o M 2 ( N a  Nb )sin 2  2 Hằng số dị hướng hình dạng [1] : 3 [J/m3] (1.1) Ehd  1 o M 2 ( N a  N b ) 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 Na = Nz = 1 ; Nb = Nx = 0, ta có: Ehd  1 o M 2 sin 2  2 [J/m3] (1.3) [J/m3] (1.4) Với hệ số dị hướng hình dạng là [1]: K hd  1 o 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]. Nếu trường tinh thể có đối xứng thấp và nếu sự phân bố điện tích của nguyên tử đang xét là bất đối xứng, khi đó, các quỹ đạo của nguyên tử sẽ tương tác một cách dị hướng với trường tinh thể. Nói một cách khác, khi trường tinh thể có đối xứng thấp, hộp thế năng tương tác của điện tử với trường tinh thể cũng có đối xứng thấp. Do đó, chỉ một vài quỹ đạo nguyên tử có định hướng nhất định sẽ có lợi về mặt năng lượng [1]. 1.2.3. Dị hướng ứng suất. Dị hướng ứng suất gây nên bởi ứng suất trong các vật liệu từ giảo. Dị hướng ứng suất có đóng góp đáng kể vào dị hướng từ tổng cộng, đặc biệt trong các trường hợp của màng mỏng từ. Năng lượng dị hướng ứng suất được viết: 3 Eu s   s sin 2  2 4 [J/m3] (1.5) trong đó: + λs: hệ số từ giảo bão hòa. + σ: ứng suất (N/m2). + θ: góc giữa véc tơ M và trục dễ từ hóa. Tùy thuộc vào dấu của λs và σ (ứng suất kéo hoặc nén), điều kiện cực tiểu 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  cos2  (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: Ke ff  Kv  2K 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 sẽ được 5 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 (Fe3O4). Dựa vào độ từ dư của sắt từ mà chúng được sử dụng để làm la bàn hay kim la bàn. Ngày nay, có rất nhiều loại sắt từ được biết đến như trong kim loại, hợp kim và oxit. Tuy nhiên, chỉ có ba loại kim loại có phân lớp 3d là vật liệu sắt từ ở nhiệt độ phòng (Fe, Co, Ni) [2]. 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. Chất sắt từ có những mômen từ nguyên tử có khả năng tương tác với nhau. Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng đômen mà trong mỗi vùng đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau tạo thành từ độ tự phát (có nghĩa là tồn tại độ từ hóa ngay cả khi không có từ trường ngoài). Và khi không có từ trường ngoài, do năng lượng nhiệt làm cho các mômen từ trong các đômen trong toàn khối sắp xếp hỗn độn, do vậy, tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0. Hình 1.2: Cấu trúc đômen trong vật liệu sắt từ Việc hình thành đômen là để giảm thiểu năng lượng từ do trường khử từ gây ra. Tức là, năng lượng sẽ lớn hơn khi các đường sức từ của mỗi một đômen vẫn còn nằm bên ngoài chất sắt từ. Tuy nhiên, nếu các đường sức này được đóng kín do sự sắp xếp hợp lý của các đômen như trên hình 1.2 thì sẽ có lợi về mặt năng lượng. 6 Một lý do khác là do sự cạnh tranh của dị hướng từ tinh thể (làm cho mômen từ định hướng theo trục dễ tinh thể) và tương tác trao đổi (làm cho mômen từ định hướng song song với nhau) dẫn đến từ độ của toàn bộ khối sắt từ bị phân chia thành những đômen (vùng) từ hóa tự phát để có lợi về mặt năng lượng. 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 7 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 liệu mang tính chất sắt từ; ở trên nhiệt độ Tc 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 nhau. Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở không độ tuyệt đối (0 K) và trong trường hợp từ trường ngoài bằng 0, độ từ hóa tổng cộng của chất phản sắt từ bằng 0 (hình 1.4). 8 Hình 1.4: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ gồm 2 phân mạng đối song nhau. Thông thường, trạng thái phản sắt từ tồn tại ở nhiệt độ thấp và bị triệt tiêu ở nhiệt độ bằng hoặc lớn hơn một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ Néel – nhiệt độ chuyển pha từ phản sắt từ sang thuận từ (TN – được đặt tên theo Louis Néel). Khi T  TN thì sự sắp xếp mômen từ trở nên hỗn loạn, vật liệu trở thành thuận từ, như trường hợp của trật tự thuận từ của chất sắt từ. Vật liệu phản sắt từ thường xuất hiện giữa các hợp chất của kim loại chuyển tiếp, đặc biệt là ôxit. Ví dụ như: hematit, kim loại Cr, hợp kim FeMg, ôxit NiO [1,2]. 1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp phản sắt từ. Sự phụ thuộc độ cảm từ χ vào nhiệt độ T trong vật liệu phản sắt từ được đặc trưng bởi: + Sự tồn tại của nhiệt độ Néel ( TN ) ứng với một đỉnh trên đường χ(T). + 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:  c , trong đó Tc < 0 T  Tc (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 tƣợng 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. 9 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 TN ( 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]. Hình 1.5: 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 bão hòa (2). 10 Giá trị của độ dịch chuyển này được tính bằng khoảng cách từ gốc tọa độ đến trung tâm của vòng, thường được gọi là từ trường trao đổi dịch (Hex). Cùng với sự dịch chuyển của đường cong từ trễ là sự tăng giá trị của lực kháng từ Hc. Ta có thể thấy độ rộng của đường cong từ trễ (2) lớn hơn so với đường (1) (hình 1.5). Đó là hệ quả của tương tác giữa vật liệu FM và AFM [9,14]. 1.5.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM. Dị hướng đơn trục và hiện tượng trao đổi dịch có thể được hiểu một cách định tính bằng cách đánh giá một tương tác trao đổi tại mặt phẳng phân cách FM/AFM. Chúng ta có thể xem hình 1.6 – một mô hình đơn giản của hiệu ứng trao đổi dịch để giải thích hiện tượng này. Nhìn vào hình, chúng ta có thể thấy, các điểm 2, 3, 4 trên đường cong tương ứng với 3 trạng thái tương tác bề mặt của FM/AFM. Khi một từ trường được đặt vào trong vùng nhiệt độ TN  T  Tc , các spin 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. 11 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: E   HM FM tFM cos(   )  K FM tFM sin 2 ( )  K AFM t AFM sin 2 ( )  J cos(   ) (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, KAFM là hằng số dị hướng từ hiệu dụng của lớp AFM. J là hệ số tương tác trao đổi bề mặt. 12