Chương 1: Tổng quan về màng mỏng từ tính. Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG TỪ TÍNH 1.
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.1 cho ta thấy ảnh chụp cắt ngang của một màng mỏng đa lớp.1: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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]. 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].
Dị hướng hình dạng. 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 : 1 Ehd o M 2 ( N a Nb )sin 2 [J/m3] (1.1) 2 Hằng số dị hướng hình dạng [1] : 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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: 1 Ehd o M 2 sin 2 [J/m3] (1.3) 2 Với hệ số dị hướng hình dạng là [1]: 1 K hd o M 2 [J/m3] (1. 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].
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 [J/m3] (1.5) 2 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trong đó: + λs: hệ số từ giảo bão hòa.
+ 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]. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xác định từ hệ số góc của đường thẳng và 2Ks là giao điểm của đường thẳng với trục tung [1]. 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 0.2: 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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.