Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.62 MB, 159 trang )
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
CĨ 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
CĨ CẤU TRÚC SPIN VAN
Chun 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
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 thơng tin, tài liệu cần thiết và
nhiệt tình giải đáp các vướng mắc trong suốt q trình nghiên cứu đề tài…
Em xin chân thành biết ơn sự dạy dỗ của tất cả các q thầy cơ Khoa Vật
lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thầy,
các cơ 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 u – những người đã ln 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................................................................................................................. 13
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH........................................ 14
1.1. Màng mỏng..............................................................................................................14
1.2. Dị hướng từ.............................................................................................................15
1.2.1. Dị hướng hình dạng...........................................................................................................15
1.2.2. Dị hướng từ tinh thể. ........................................................................................................16
1.2.3. Dị hướng ứng suất............................................................................................................17
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.........................................................................................17
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. Mơ 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
3.2. Hệ vật liệu NiFe/IrMn. .............................................................................................18
3.2.1. Kết quả đo tính chất từ......................................................................................................18
3.2.2. Kết quả đo XRD.................................................................................................................21
3.3. Hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn................................................................................22
3.3.1. Kết quả đo từ kế mẫu rung (VSM)....................................................................................23
3.3.2. Ảnh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ. .......................................................................25
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp phản sắt từ lên tính chất từ..............................................................27
KẾT LUẬN..............................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................32
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 khơng 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: Mơ 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 Cơng nghệ Nano – Trường Đại học Cơng nghệ
Đại học Quốc gia Hà Nội
................................................................................................................................
24
Hình 2.6: (a) Kính hiển vi điện tử qt; (b) Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử qt
................................................................................................................................
25
Hình 2.7: (a) Máy đo từ kế mẫu rung ( VSM); (b) Mơ 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) Mơ 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
m ặt
của
màng
................................................................................................................................
34
Hình 3.4: Hình ảnh VSM của hệ NiFe/IrMn với t NiFe = 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 H c 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 mơmen 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 (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