Header Page 1 of 89.

Đ I H C QU C GIA HÀ N I
TR

NGăĐ IăH CăKHOAăH CăTỰăNHIÊN
---------------------

Nguy năTh ăKi uăVơn

NGHIÊNăC UăCH ăT OăMÀNGăM NGăĐAăL Pă
CịăC UăTRỎCăSPINăVAN

TịMăT TăLU NăVĔNăTH CăSĨăKHOAăH C

Hà N i – 2015
Footer Page 1 of 89.


Header Page 2 of 89.

M ăĐ U
Trong th i đ i khoa h c kỹ thuật hiện đ i, các máy móc và thiết b có xu
hướng thu nh kích thước nhưng các tính chất và kh năng ho t đ ng không b
h n chế nh việc sử dụng các tính năng ưu việt, đặc biệt là

d ng màng m ng.

L ch sử phát triển màng m ng đã có rất lâu đ i nhưng khi đó ngư i ta chỉ
biết sử dụng nó vào mục đích dân dụng và trang trí. Sang đầu thế kỉ XX, màng
m ng bắt đầu được quan tâm nh các tính chất đặc biệt và kích thước nh bé để

chế t o các thiết b máy móc. Không chỉ có màng bán dẫn được quan tâm đặc
biệt, mà màng m ng từ tính cũng đang rất được quan tâm. Trong những năm
cu i thế kỉ XX, màng m ng từ tính đã tr thành mục tiêu nghiên cứu của nhiều
phòng thí nghiệm trên thế giới, đặc biệt là màng m ng đa lớp có cấu trúc spin
van…với nhiều ứng dụng khác nhau trong tương lai. M t trong những ứng
dụng điển hình đó là chế t o thiết b ghi từ và lưu trữ thông tin.
Việt Nam vào năm cu i những thập niên 90 thế kỷ XX, màng m ng đã
tr thành lĩnh vực rất được quan tâm chú ý. Với nhiều trung tâm nghiên cứu,
nhiều thiết b máy móc hiện đ i phục vụ cho việc nghiên cứu màng m ng được
trang b và cũng đã thu được những kết qu đáng kể, đặc biệt là màng m ng đa
lớp có cấu trúc spin van.
Trên cơ s những điều nói trên, luận văn này ch n đ i tượng nghiên cứu
là màng m ng đa lớp có cấu trúc spin van Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta được chế
t o bằng phương pháp phún x cat t.
Luận văn của em gồm 3 phần chính:
Chương 1: Tổng quan về màng m ng từ tính.
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm.
Chương 3: Kết qu và th o luận.

Footer Page 2 of 89.

1


Header Page 3 of 89.

Ch

ngă1: T NGăQUANăV ăMÀNGăM NGăT ăTệNH


1.1.ăMƠngăm ng.
Màng m ng (thin film) là m t hay nhiều lớp vật liệu được chế t o sao cho
chiều dày nh hơn rất nhiều so với các chiều còn l i (chiều r ng và chiều dài).
Chiều dày của m t màng m ng thay đổi từ vài nm đến m t vài μm thông thư ng
là nh hơn 1μm. Có hai lo i màng m ng: màng đơn lớp mà màng đa lớp.

Hình 1.1: nh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp
Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au.
1.2.ăD ăh

ngăt .ă

1.2.1. Dị hướng hình d ng.
1.2.1.1. Dị hướng hình d ng của mẫu elip tròn xoay.
Đ i với m t mẫu sắt từ hình elip tròn xoay với các bán trục là a và b, hệ s
trư ng khử từ tương ứng sẽ là Na và Nb (với 2Na + Nb = 1). Nếu véc tơ từ đ M
hợp với trục dễ m t góc θ thì năng lượng d hướng hình d ng Ehd nhận được là :
Ehd 

1
o M 2 ( N a  Nb )sin 2 
2

[J/m3]

(1.1)
Hằng s d hướng hình d ng [1] :
Ehd 

Footer Page 3 of 89.


1
o M 2 ( N a  N b )
2

2

[J/m3]

(1.2)


Header Page 4 of 89.

1.2.1.2. Dị hướng hình d ng của màng mỏng.
Trong trư ng hợp của m t màng m ng sắt từ có đ dày rất nh , các hệ s
trư ng khử từ nhận giá tr : 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 s d hướng hình d ng là [1]:
K hd 

1
o M 2
2

1.2.2. Dị hướng từ tinh thể.
D hướng từ tinh thể được xác đ nh không chỉ b i liên kết của mômen từ
spin với hình d ng và đ nh hướng của quỹ đ o điện tử (liên kết spin – quỹ đ o)
mà còn b i liên kết của các quỹ đ o điện tử đang xét với đ i xứng của sự sắp
xếp các nguyên tử trong m ng tinh thể (trư ng tinh thể) [1].
1.2.3. Dị hướng ứng suất.
D hướng ứng suất có đóng góp đáng kể vào d hướng từ tổng c ng, đặc
biệt trong các trư ng hợp của màng m ng từ. Năng lượng d hướng ứng suất
được viết:
3
Eu s   s sin 2 
2

[J/m3]

(1.5)
1.2.4. Dị hướng từ trong màng mỏng.
Năng lượng d hướng từ của các màng m ng thư ng được viết dưới d ng:
Ea   K  cos2 

(1.6)


trong đó, θ là góc giữa từ đ và phương pháp tuyến của màng. Theo đ nh
nghĩa này, giá tr dương của K có nghĩa là từ đ hướng theo phương vuông góc
với mặt phẳng màng. Nói chung, trong rất nhiều trư ng hợp, d hướng từ bề mặt
được quan sát phổ biến hơn [1].
1.3.ăCácăv tăli uăs tăt .
Vật liệu sắt từ được biết đến là m t chất có từ tính rất m nh, có đ từ
thẩm rất lớn và đ từ hóa lớn hơn đ từ hóa của chất thuận từ.
Footer Page 4 of 89.

3


Header Page 5 of 89.

Hình 1.2: Đường cong từ trễ của chất sắt từ.
Hai đặc trưng cơ b n quan tr ng nhất của chất sắt từ là:
+ Đư ng cong từ trễ.
+ Nhiệt đ Curie Tc
Nhiệt đ Curie Tc trong các chất sắt từ là nhiệt đ chuyển pha sắt từ thuận từ (chuyển pha lo i 2 – chuyển pha không có sự thay đổi về cấu trúc). T i
nhiệt đ này, chất sắt từ b mất trật tự sắt từ song song.
liệu mang tính chất sắt từ;

dưới nhiệt đ T c, vật

trên nhiệt đ Tc vật liệu sẽ b mất tính sắt từ và tr

thành chất thuận từ [1;2].
1.4.ăCácăch tăph năs tăt ă(AFM).
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu ph n sắt từ.

Vật liệu ph n sắt từ có mômen từ nguyên tử c nh tranh nhau sắp xếp đ i
song (song song và ngược chiều) từng đôi m t (hình 1.4).

Hình 1.3: Cấu trúc từ của vật liệu ph n sắt từ gồm 2 phân m ng đối song nhau.
Thông thư ng, tr ng thái ph n sắt từ tồn t i

nhiệt đ thấp và b triệt tiêu

nhiệt đ bằng hoặc lớn hơn m t nhiệt đ xác đ nh g i là nhiệt đ Néel – nhiệt
đ chuyển pha từ ph n sắt từ sang thuận từ (TN – được đặt tên theo Louis
Footer Page 5 of 89.

4


Header Page 6 of 89.

Néel). Khi T  TN thì sự sắp xếp mômen từ tr nên h n lo n, vật liệu tr thành
thuận từ, như trư ng hợp của trật tự thuận từ của chất sắt từ [1,2].
1.4.2. Lý thuyết trường phân tử của lớp ph n sắt từ.
Sự phụ thu c đ c m từ χ vào nhiệt đ T trong vật liệu ph n sắt từ được
đặc trưng b i:
+ Sự tồn t i của nhiệt đ Néel ( TN ) ứng với m t đỉnh trên đư ng χ(T).
+ Sự d hướng của χ khi T  TN : χ có giá tr khác nhau tùy theo từ trư ng H
song song hay vuông góc với trục spin của m t đơn tinh thể vật liệu ph n sắt từ.
Giá tr

cho vật liệu đa tinh thể là giá tr trung gian giữa các giá tr trên [2].
Khi T  TN , sự phụ thu c vào nhiệt đ của χ tương tự như đ nh luật Curie –


Weiss cho vùng thuận từ của vật liệu sắt từ:


c
T T '

, trong đó T’ < 0

(1.8)

Các đặc điểm này có thể được gi i thích b i lý thuyết trư ng phân tử.
Trong vật liệu ph n sắt từ, có 2 lo i ch m ng chứa các spin sắp xếp đ i ngh ch
nhau (g i là 2 phân m ng từ) [2].
1.5.ăGi iăthi uăv ăhi năt ợngătraoăđ iăd ch.
Hiện tượng trao đổi d ch (hay trao đổi bất đẳng hướng) là hiện tượng về
sự d ch đư ng cong từ trễ d c theo trục từ trư ng, thư ng 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 d hướng đơn trục nên sau khi mẫu được làm
l nh trong m t từ trư ng, m t đư ng cong từ trễ đã b d ch chuyển [15].

Footer Page 6 of 89.

5


Header Page 7 of 89.

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

bão hòa (2).
1.5.2. ảiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ ạM/AạM.
Khi m t từ trư ng được đặt vào trong vùng nhiệt đ

TN  T  Tc ,

các spin

FM sắp xếp cùng hướng với từ trư ng trong khi các spin AFM sắp xếp m t
cách h n lo n ( Hình 1.6 a).

Hình 1.5: Cơ chế trao đổi dịch trong màng hai lớp FM/AFM.
Khi làm l nh hệ trong từ trư ng H xu ng dưới nhiệt đ

TN

thì c hai phần

FM và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự [5,13,14].
Khi từ trư ng b đ o chiều, các spin trong mặt phẳng FM bắt đầu quay.
Tuy nhiên, do tính d hướng của AFM lớn, các spin trong mặt phẳng AFM vẫn
không thay đổi (hình 1.6 c). Như vậy, từ trư ng cần thiết để đ o chiều hoàn
toàn m t lớp FM sẽ lớn hơn nếu nó tiếp xúc với lớp AFM. Kết qu , đư ng cong
Footer Page 7 of 89.

6


Header Page 8 of 89.


b d ch chuyển về bên trái của trục từ trư ng hiệu dụng H m t kho ng Hex. Đây
chính là cơ chế của hiệu ứng trao đổi d ch. [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 m t đơn v 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)

Để đơn gi n hóa, ta coi trục d hướng của màng FM và AFM là gi ng
nhau và là trục duy nhất.

Hình 1.6: Biểu đồ các góc tham gia vào hệ trao đổi dịch.
Trong trư ng hợp đơn gi n, các d hướng FM là không đáng kể:
E   HM FM tFM cos(   )  K AFM t AFM sin 2 ( )  J cos(   )

(1.11)

Từ trư ng trao đổi d ch có thể được tính theo công thức sau:
H ex 

J
M FM tFM

(1.12)

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 ạM.

Footer Page 8 of 89.


7


T tr

ng (Oe)

Header Page 9 of 89.

Chi u dày l p NiFe (

Hình 1.7: Sự phụ thuộc của trường trao đổi dịch ảex và lực kháng từ Hc
vào độ dày lớp ạM cho hệ ạe80Ni20/ạeMn t i tAFM = 50 nm.
Đ i với các hệ được nghiên cứu, ngư i ta quan sát thấy rằng từ trư ng
trao đổi d ch tỷ lệ ngh ch với đ dày các lớp FM (hình 1.8).
H ex 

1
t FM

(1.13)

Tuy nhiên, nếu lớp FM quá m ng (thư ng là m t vài nm) thì sự phụ
thu c này không còn tồn t i nữa, có thể là do lớp FM tr nên gián đo n, không
liền m ch [14].
1.5.4.2. Sự phụ thuộc vào độ dày lớp AạM.
Sự phụ thu c của Hex vào đ dày của lớp AFM phức t p hơn nhiều. Xu
hướng chung cho chiều dày các lớp AFM, ví dụ chiều dày lớn hơn 10 nm, H ex
không phụ thu c vào đ dày của lớp AFM. Khi đ dày của lớp AFM gi m, H ex

gi m đ t ng t và đ i với các lớp AFM đủ m ng (thông thư ng là vài nm), H ex =
0, như ta thấy trong hình 1.9 [14].

Footer Page 9 of 89.

8


Header Page 10 of 89.

Chi u dày l p IrMn (Ao)

Hình 1.8: Sự phụ thuộc của trao đổi dịch ảex và lực kháng từ ảc vào độ
dày lớp AạM cho hệ ạe80Ni20/ạeMn t i tFM = 7 nm.
1.5.5. Các ứng dụng của hiện tượng trao đổi dịch.
Các vật liệu thể hiện tính chất trao đổi d ch và các hiệu ứng có liên quan
đã được sử dụng trong m t s các ứng dụng khác nhau. Việc tăng lực kháng từ
của các h t nh b oxi hóa có thể sử dụng trong nam châm vĩnh cửu và phương
tiện ghi từ mật đ cao. M t ứng dụng khác đ i với hiệu ứng trao đổi d ch đó là
chế t o đầu đ c, ghi máy vi tính dựa trên hiệu ứng từ tr khổng lồ. Gần đây,
hiện tượng trao đổi d ch còn có thể sử dụng trong các thiết b nhớ đ ng
(MRAM) [12,14].
1.6.ăGi iăthi uăv ăh ăcóăc u trúc spin van.
Spin – van là m t linh kiện từ tính có cấu t o từ m t màng đa lớp gồm các
lớp sắt từ (F1 và F2) ngăn cách b i các lớp phi từ (NM) mà

đó điện tr của hệ

thay đổi phụ thu c vào sự đ nh hướng của từ đ trong các lớp sắt từ [1].


Footer Page 10 of 89.

9


Header Page 11 of 89.

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 tr khổng lồ. Cơ chế
của hiệu ứng được lý gi i qua cơ chế “tán x phụ thu c spin” của điện tử (hình
1.10). Có nghĩa là việc từ đ các lớp đ nh hướng tương đ i với nhau ra sao
(song song, ph n song song) có thể cho phép dòng điện tử (dòng spin) được
truyền qua hoặc không thể truyền qua, hay nói cách khác, từ đ của các lớp sắt
từ ho t đ ng như m t chiếc van đóng m spin. Đây chính là ý tư ng về cấu trúc
spin van [11].
Mô hình màng m ng đa lớp với các lớp sắt từ (FM) xen kẽ b i các lớp
m ng phi từ (NM) t o ra hiệu ứng từ điện tr khổng lồ là mô hình sơ khai đầu
tiên. Nhóm của Peter Grunberg đã c i tiến mô hình này thành cấu trúc spin van
như hiện nay với việc sử dụng m t lớp ph n sắt từ (AFM).
1.7.ăMụcătiêuăc aălu năvĕn.
Để nghiên cứu tính chất từ của cấu trúc spin van, 3 lo i màng m ng sau
đây đã được chế t o:
- Màng đơn lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/Ta.
- Màng 2 lớp: Si/SiO2/Ta/NiFe/IrMn/Ta.
- Màng đa lớp: Si/ SiO2/Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta.
Trong quá trình chế t o, m t từ trư ng có đ lớn 150 Oe và song song với
mặt phẳng màng đã được đặt vào.
Để chế t o các màng này ta có thể sử dụng phương pháp b c bay nhiệt,
phún x cat t,… Tuy nhiên, do phương pháp phún x cat t có những ưu điểm
Footer Page 11 of 89.


10


Header Page 12 of 89.

hơn hẳn so với phương pháp b c bay nhiệt như đ dày của màng chế t o được
điều khiển chính xác hơn và kh năng bám dính của màng trên đế t t hơn. Do
đó, em đã sử dụng phương pháp phún x cat t để chế t o các vật liệu nêu trên.
Mẫu sau khi chế t o được tiến hành đo hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu x tia
X (XRD) và từ kế mẫu rung (VSM) để biết được tính chất và cấu trúc của
chúng.

Footer Page 12 of 89.

11


Header Page 13 of 89.

Ch

ngă2:ăCÁCăPH

NGăPHÁPăTHỰCăNGHI M

2.1. Ch t o màng m ng bằngăph

ngăphápăphúnăx .


Hình 2.1 biểu diễn các quá trình cơ b n của của cơ chế phún x [1].

ảình 2.1: Nguyên lý cơ b n của quá trình phún x .
Các ion khí va ch m với các nguyên tử của bia dẫn đến hệ qu là các
nguyên tử (hoặc các đám vài nguyên tử) của bia b bứt ra và chuyển đ ng về
phía đế mẫu (substrate). Các nguyên tử này được g i là các nguyên tử b phún
x . Khi đến được đế mẫu, chúng lắng đ ng l i trên đế mẫu và t o thành màng.

Hình 2.5 : ảệ phún x magnetron sử dụng c nguồn một chiều và nguồn
xoay chiều t i khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trường Đ i học Công
nghệ - Đ i học Quốc gia ảà nội.
nh chụp m t hệ phún x magnetron sử dụng c nguồn m t chiều và
xoay chiều đã và đang vận hành t i khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano –
Trư ng Đ i h c Công nghệ - Đ i h c Qu c gia Hà N i được minh h a trên
hình 2.5
Footer Page 13 of 89.

12


Header Page 14 of 89.

Trong luận văn này, mẫu đã được chế t o bằng phương pháp phún x
cat t m t chiều DC t i khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trư ng Đ i
h c Công nghệ - Đ i h c Qu c gia Hà N i.
2.2. Hiểnăviăđi nătửăquét (SEM).
Kính hiển vi điện tử quét dùng để chụp nh vi cấu trúc bề mặt với đ
phóng đ i gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang h c, vì bước sóng của chùm
tia điện tử nh gấp nhiều lần so với bước sóng vùng kh biến. Việc t o nh của
mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức x phát ra

từ các chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Các mẫu sau khi được chế t o đã được tiến hành đo SEM t i khoa Vật lý
- Trư ng Đ i h c Khoa h c Tự nhiên - Đ i h c Qu c gia Hà N i.
2.3.ăT ăk ăm uărungă(VSM).
Từ kế mẫu rung (VSM) được phát minh b i 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, ho t đ ng trên nguyên tắc thu tín hiệu c m ứng điện từ khi rung mẫu
đo trong từ trư ng. Nó đo mômen từ của mẫu cần đo trong từ trư ng ngoài.
Các mẫu được tiến hành đo từ kế mẫu rung (VSM) bằng máy VSM
lakeshore 7407 t i khoa Vật lý Kĩ thuật và Công nghệ Nano – Trư ng Đ i h c
Công nghệ - Đ i h c Qu c gia Hà N i.
2.4.ăPhơnătíchănhi uăx ătiaăX.
Kỹ thuật nhiễu x tia X ( thư ng được g i là nhiễu x ta X) được sử dụng
để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu…Xét về b n chất vật lý, nhiễu x tia X
cũng gi ng như nhiễu x điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu x là
do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa
điện tử và nguyên tử.
Các mẫu đã được đo XRD t i khoa Vật lý – Trư ng Đ i h c Khoa h c Tự
nhiên - Đ i h c Qu c gia Hà N i.

Footer Page 14 of 89.

13


Header Page 15 of 89.

Ch ngă3:ăK TăQU ăVÀăTH OăLU N
3.1.ăMƠngăm ngăNiFe.
3.1.1. Kết qu đo hiển vi điện tử quét (SEM).


Hình 3.1: nh SEM của màng NiFe.
Từ kết qu đo SEM, chúng ta có thể xác đ nh được chiều dày của màng
NiFe là kho ng 43.2 nm (rất nh so với các chiều còn l i của màng) với th i
gian lắng đ ng 300 s => ϑD = 0,144 (nm/s).
3.1.2. Kết qu đo nhiễu x tia X (XRD).
Màng m ng NiFe đã được chế t o với chiều dày 10 nm sau đo tiến hành
đo nhiễu x tia X. Chúng ta có thể thấy rằng có m t đỉnh góc 2θ = 44o. Từ
việc phân tích kết qu , chúng ta thu được cấu trúc NiFe với đ nh hướng tinh thể
là (111).
3.1.3. Kết qu đo từ kế mẫu rung (VSM).
Để xác đ nh tính chất từ của màng đơn lớp NiFe, màng m ng sau khi
được chế t o được tiến hành đo VSM. Từ kết qu đo đư ng cong từ trễ của lớp
NiFe (hình 3.3), lực kháng từ của mẫu đã được xác đ nh với giá tr Hc = 5,1 Oe.
Như vậy, màng m ng NiFe có tính từ mềm.
1,0

M/MS

0,5

0,0

-0,5

-1,0
-200

-100


0

100

200

Tõ tr- êng H (Oe)

ảình 3.3: Đường cong từ trễ của màng NiFe với từ trường đặt vào song
song với bề mặt của màng.
Footer Page 15 of 89.

14


Header Page 16 of 89.

3.2. H v t li u NiFe/IrMn.
3.2.1. Kết qu đo tính chất từ.
3.2.1.1. Đường cong từ trễ.
1,0

1,0

(a)

0,0
-300

-200


-100

0

100

(b)

0,5

M/Ms

M/Ms

0,5

200

300

0,0
-300

-200

-100

0


100

300

-0,5

-0,5

-1,0

-1,0

5nm

T tr

200

7nm

T tr

ng H (Oe)

ng H (Oe)

1,0

M/Ms


0,5

(c)

0,0
-300

-200

-100

0

100

200

300

-0,5

-1,0

T tr

9nm

ng 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
gi m tương ứng từ 50 Oe, 30 Oe đến 18 Oe và từ trư ng trao đổi d ch H ex lần
lượt gi m từ 55 Oe, 31 Oe đến 22 Oe.
3.2.2. Kết qu đo XRD.
Dựa vào hình nh XRD của hai lớp NiFe/IrMn, chúng ta có thể thấy NiFe
và IrMn có đ nh hướng (111). Có 2 đỉnh

góc 2θ = 44o và 2θ = 42o lần lượt

tương ứng với hai pha NiFe (111) và IrMn (111).

Footer Page 16 of 89.

15


Header Page 17 of 89.

70

Si
IrMn (111)

C ngăđ (đăvătăy)
Intensity
(Counts)

60

50


40

NiFe (111)

30

20

10

0
20

25

30

35

40

45

50

55

60


O

o
2 (Theta
( )
)

Hình 3.7: Nhiễu x tia X của các lớp NiFe/IrMn.
Dựa vào các kết qu nghiên cứu đã được công b , việc t o ra IrMn
(111) sẽ cho tương tác trao đổi bề mặt ổn đ nh nhất. Từ đó cho ta hiệu ứng trao
đổi d ch t t nhất.
3.3.ăH ăv tăli uăNiFe/Cu/NiFe/IrMn.
Để t o ra hệ có cấu trúc spin van, hai hệ vật liệu Ta (5 nm)/NiFe (5
nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm)/Ta (5 nm) và Ta (5 nm)/NiFe (5
nm)/Cu (3 nm)/NiFe (9 nm)/IrMn (tIrMn nm)/Ta (5 nm) đã được chế t o với tNiFe
= 3 nm, 5 nm, 7 nm, 9 nm và tIrMn = 8 nm, 10 nm, 15 nm (hình 3.8).

Hình 3.8: Cấu trúc hệ vật liệu NiFe/Cu/NiFe/IrMn.
đây, IrMn được dùng với vai trò là lớp ph n sắt từ trong cấu trúc spin
van. Lớp NiFe/IrMn là lớp trao đổi d ch được coi như là van của cấu trúc spin
van.

Footer Page 17 of 89.

16


Header Page 18 of 89.

3.3.1. Kết qu đo từ kế mẫu rung (VSM).

Khi chiều dày lớp ghim tăng từ 3 nm đến 12 nm, đư ng cong tr nên kém
rõ nét và r i r c hơn. Hình vẽ cũng cho ta thấy, từ trư ng trao đổi gi m lần lượt
từ 360 Oe đến 65 Oe và lực kháng từ gi m 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

1000

Tõ tr- êng H (Oe)


M« men tõ (emu)

0.0008

9 nm
12 nm

0.0004

(b)
0.0000
-0.0004
-0.0008
-1000

-500

0

500

1000

Tõ tr- êng H (Oe)

ảình 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.
.


đây có m t kết qu khá thú v . Khi chiều dày lớp NiFe tăng tới giá tr t

= 12 nm (hình 3.9 b), cấu trúc spin van mất đi hoàn toàn. Nguyên nhân của hiện
tượng thú v này đó là hệ chỉ còn tương tác bề mặt giữa lớp NiFe rất dày và lớp
ph n sắt từ IrMn.

Footer Page 18 of 89.

17


Header Page 19 of 89.

3.3.2. nh hưởng của lớp ghim lên tính chất từ.
3.3.2.1. nh hưởng của lớp Niạe lên mômen từ của hệ.
0.85

M« men tõ (memu)

0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
2


4

6

8

10

12

§ é dÇy lí p NiFe (nm)

Hình 3.10: nh hưởng của lớp NiFe lên mômen từ của hệ
NiFe/Cu/NiFe/IrMn khi chiều dày lớp Niạe thay đổi
Khi chiều dày của lớp sắt từ tăng từ 3 nm đến 12 nm, tính sắt từ của mẫu
tăng lên. Điều này dẫn đến các mômen trong lớp sắt từ ngày càng tăng (hình
3.10).
3.3.2.2. Sự phụ thuộc ảex vào chiều dày lớp Niạe.
Quan sát hình 3.11 và qua những kết qu đã đưa ra, quy luật trên đúng
với hệ có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn. M t lần nữa chúng ta có thể
khẳng đ nh, Hex phụ thu c vào tFM, khi tFM tăng thì Hex gi m.
400
350

HEx (Oe)

300
250
200
150

100
50
2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13

§ é dÇy lí p NiFe (nm)

Hình 3.11 : Đồ thị sự phụ thuộc của Hex vào chiều dày lớp Niạe.

Footer Page 19 of 89.

18


Header Page 20 of 89.


3.3.2.3. Sự phụ thuộc ảc vào chiều dày lớp Niạe.
nh hư ng của chiều dày lớp NiFe (tNiFe) lên lực kháng từ Hc được
thể hiện trên hình 3.12. Kết qu cho thấy, khi chiều dày lớp NiFe tăng từ 5 nm
đến 7 nm thì đ lớn Hex gi m không đáng kể. Trong khi đó, khi chiều dày lớp
NiFe tăng từ 7 nm đến 12 nm thì lực kháng từ gi m rất nhanh (từ kho ng 190
Oe xu ng kho ng 45 Oe).
220

Lùc kh¸ ng tõ HC (Oe)

200
180
160
140
120
100
80
60
40
2

3

4

5

6
7

8
9 10
§ é dÇy lí p NiFe (nm)

11

12

13

Hình 3.12 : Sự phụ thuộc của Hc vào chiều dày lớp Niạe của hệ Niạe (5
nm)/Cu (3 nm)/NiFe (tNiFe nm)/IrMn (10 nm).
3.3.3. nh hưởng của lớp ph n sắt từ lên tính chất từ.
Để nghiên cứu sự phụ thu c 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 t o với tIrMn = 8 nm,
10 nm và 15 nm. Mẫu sau khi được chế t o đã được tiến hành đo VSM (hình
3.13).
8 nm
10 nm
15 nm

1.0

M/MS

0.5
0.0
-0.5
-1.0
-750


-500

-250

0

250

500

750

field
H (Oe)
T Magnetic
tr ng H
(Oe)

ảình 3.13: nh hưởng của lớp ph n 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).
Footer Page 20 of 89.

19


Header Page 21 of 89.

Hình 3.14 cho ta thấy rằng từ trư ng trao đổi d ch Hex gần như không

thay đổi (có giá tr kho ng 200 Oe) khi chiều dày lớp IrMn thay đổi từ 8 nm đến
15 nm.

HC, Hex (Oe)

200

180

HC
Hex

160

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, Hex gần như không thay
đổi.Điều đó có thể được gi i thích, khi chiều dày lớp IrMn tăng, các mômen từ
của lớp sắt từ NiFe b ghim ngày càng nhiều và tất c các mômen từ của lớp
này sẽ b ghim l i khi lớp IrMn có chiều dày 6 nm tr lên. Đây chính là nguyên
nhân làm cho từ trư ng trao đổi d ch 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 gi m dần từ 160 Oe đến 114 Oe.

Footer Page 21 of 89.

20


Header Page 22 of 89.

K TăLU N
Sau khi hoàn thành luận văn, em rút ra được các kết luận sau:


Đã chế t o thành công màng m ng từ tính NiFe, NiFe/IrMn và

màng m ng có cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn.



NiFe là vật liệu từ mềm với Hc = 5,1 Oe.



IrMn (111) cho hằng s tương tác trao đổi bề mặt ổn đ nh nhất.



Màng m ng 2 lớp NiFe/IrMn có hiệu ứng trao đổi d ch và Hex, Hc

phụ thu c vào chiều dày lớp NiFe.


Tính chất từ của cấu trúc spin van NiFe/Cu/NiFe/IrMn phụ thu c

vào lớp NiFe và lớp IrMn.

Footer Page 22 of 89.

21


Header Page 23 of 89.

TÀIăLI UăTHAMăKH O
Ti ng Vi t.
1. Nguyễn Hữu Đức , (2003), Vật liệu từ liên kim lo i, Nhà xuất b n Đ i
h c Qu c gia Hà N i, Hà N i.
2. Nguyễn Phú Thùy , (2003), Vật lý các hiện tượng từ, Nhà xuất b n Đ i
h c Qu c gia Hà N i, Hà N i.

3. Vũ Th Huyền Trang, (2011), Nghiên cứu chế t o dây Coban có kích
thước nano bằng phương pháp điện hóa, Khóa luận t t nghiệp Đ i h c khoa
Vật lý, Đ i h c Khoa h c Tự nhiên, Đ i h c Qu c gia Hà N i, Hà N i.
4. Vũ Th Thanh, (2014), nh hưởng của từ trường trong quá trình lắng
đọng lên tính chất của dây nano, Luận văn Th c sĩ khoa h c, Trư ng Đ i h c
Khoa h c Tự nhiên, Đ i h c Qu c gia Hà N i, Hà N i.
Ti ng 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
biased top, bottom, and dual spin valve”, Journal of Applied Physics, p. 69896991.
Footer Page 23 of 89.

22


Header Page 24 of 89.


11. I.S. Jacob, in: G.T. Rado, H. Suhl(Eds), (1963), Magnetism,
Academic Press, New York, p.271.
12. J. Adrian Devasahayam and H. Mark Kryder, (1999),“Biasing
Materials For Spin-Valve Read Heads”, IEEE transaction on magnetics,
vol.35(2), pp. 178 – 190.
13. J. Nogués, J. Sort, V. Langlais, V. Skumryev, S. Suriñach, J.S.
Muñoz, M.D. Baró, (2005), “Exchange bias in nanostructures”, J. Appl, Phys,
61, p.4255.
14. J. Nogues´, K.I. Schuller, (1998), “Exchange bias”, Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, 192 , p.203—232.
15. L. Jian-Ping, Q. Zheng-Hong, S. Yu-Cheng, BAI Ru, L. Jian-Lin, Z.
Jian-Guo, (2014), “Effect of Magnetic Annealing on IrMn Based Spin Valve
Materials with SAF Structure”, Journal of Inorganic Materials, Vol. 29(4), pp.
411-416.
16. M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert, F. nguyen Van Dau, F. Petroff, P.
Etienne, G. Creuzet, A. Friederich and J. Chazelas, (1989), “Giant
Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic superlattices”, Phys. Rev. Lett,
Vol. 61, pp. 2472-2475.
17. M.T. Johnson, P.J.H. Bloemen, F.J.A. Broeder and J.J. de Vries,
(1996), “Magnetic anisotropy in metallic multilayers”, Rep. Prog. Phys, 59,
p.1409.
18. N.G. Chechenin, P.N. Chernykh, S.A. Dushenko, I.O. Dzhun, A.Y.
Goikhman, V.V. Rodionova, (2014), “Asymmetry of Magnetization Reversal of
Pinned Layer in NiFe/Cu/NiFe/IrMn Spin-Valve Structure, Journal of
Superconductivity and Novel Magnetism”, Phys. Rev. Lett, Volume 27(6),
19. P.S. Anil Kumar and J.C. Lodder, (2000), “The spin valve transitor”,
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.


Footer Page 24 of 89.

23


Header Page 25 of 89.

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.

Footer Page 25 of 89.

24