Tài liệu Nghiên cứu quá trình đảo từ cảm ứng bởi điện trường trên cấu trúc nanô kiểu từ - điện trở áp điện cho các bộ nhớ merams tương lai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Dƣơng Thị Thanh Nhàn NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐẢO TỪ CẢM ỨNG BỞI ĐIỆN TRƢỜNG TRÊN CẤU TRÚC NANÔ KIỂU TỪ - ĐIỆN TRỞ/ÁP ĐIỆN CHO CÁC BỘ NHỚ MERAMs TƢƠNG LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Dƣơng Thị Thanh Nhàn NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH ĐẢO TỪ CẢM ỨNG BỞI ĐIỆN TRƢỜNG TRÊN CẤU TRÚC NANÔ KIỂU TỪ - ĐIỆN TRỞ/ÁP ĐIỆN CHO CÁC BỘ NHỚ MERAMs TƢƠNG LAI Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đỗ Thị Hƣơng Giang HÀ NỘI - 2011 LỜI CẢM ƠN Luận văn này hoàn thành được là nhờ sự giúp đỡ của tập thể cán bộ của Phòng thí nghiệm Công nghệ micrô và nanô thuộc Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nanô, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Lời đầu tiên tôi xin cảm ơn TS. Đỗ Thị Hương Giang, cô giáo hướng dẫn, người luôn nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Sự nghiêm khắc và yêu cầu cao của cô đã giúp tôi học hỏi được nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu và thực hiện các thí nghiệm. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong Phòng thí nghiệm Công nghệ micrô và nanô và các thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong quá trình học cao học. Các thầy, cô, anh, chị đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức khoa học đồng thời giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực nghiệm tại Trường Đại học Công nghệ. Xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện về thời gian để tôi được học tập nâng cao trình độ kiến thức. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người luôn cổ vũ, động viên, giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong những lúc khó khăn nhất để tôi hoàn thành được luận văn này. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan các số liệu, kết quả khoa học trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ nơi nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Dƣơng Thị Thanh Nhàn MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 3 1.1. Vật liệu tổ hợp từ-điện trở và áp điện .............................................................. 3 1.1.1. 1.1.2. 1.2. Vật liệu áp điện ......................................................................................... 4 Vật liệu từ-điện trở ................................................................................... 6 Đối tượng nghiên cứu của luận văn ................................................................. 7 Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ............................................... 9 2.1. Chế tạo màng đa lớp bằng phương pháp phún xạ ca tốt .................................. 9 2.2. Chế tạo vật liệu tổ hợp từ trở/áp điện ............................................................ 12 2.3. Khảo sát tính chất từ bằng từ kế mẫu rung (VSM) ........................................ 12 2.4. Đo hiệu ứng từ điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò ................................ 13 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 16 3.1. Quá trình từ hóa của các màng đơn lớp sắt từ tự do và bị ghim .................... 16 3.2. Quá trình từ hóa trong các màng spin-van ..................................................... 18 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.3. Hiệu ứng từ-điện trở của các cấu trúc spin-van ............................................. 28 3.3.1. 3.3.2. 3.4. Quá trình từ hóa của màng spin-van với lớp sắt từ tự do NiFe ............. 18 Quá trình từ hóa của màng spin-van với lớp sắt từ tự do FeCoB .......... 19 Tương tác trao đổi giữa các lớp sắt từ trong cấu trúc spin-van ............ 21 Ảnh hưởng của chiều dày lớp Cu không từ (tCu) .................................... 22 Hiệu ứng từ-điện trở của màng spin-van với lớp sắt từ tự do NiFe ....... 28 Hiệu ứng từ-điện trở của màng spin-van với lớp sắt từ tự do FeCoB .... 31 Quá trình từ hóa và từ-điện trở cảm ứng bởi điện trƣờng trong các vật liệu tổ hợp spin-van/áp điện .................................................................. 34 3.4.1. 3.4.2. Quá trình từ hóa cảm ứng bởi điện trường ............................................ 34 Hiệu ứng từ-điện trở cảm ứng bởi điện trường ...................................... 36 Chƣơng 4 MÔ PHỎNG LÝ THUYẾT ..................................................................... 42 4.1. Mô hình lý thuyết ........................................................................................... 42 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. Mật độ năng lượng ................................................................................. 42 Mối liên hệ với hiệu ứng từ-điện trở....................................................... 43 Mô hình mật độ năng lượng cực tiểu...................................................... 44 4.2. Thực hiện tính toán, mô phỏng ...................................................................... 46 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. Các thông số mô phỏng .......................................................................... 46 Sơ đồ khối của quá trình mô phỏng ........................................................ 46 Một số kết quả mô phỏng ....................................................................... 48 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 51 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Hình minh họa hiệu ứng từ-điện trên vật liệu tổ hợp từ điện ...................3 Hình 1.2. Hình minh họa hiệu ứng áp điện nghịch trên vật liệu áp điện .................5 Hình 1.3. Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương (trái) và mặt thoi (phải) ............................................................................5 Hình 1.4. Cơ chế tạo nên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ ..........................................7 Hình 1.5. Cấu trúc GMR dạng spin-van ...................................................................7 Hình 1.6. Cấu trúc vật liệu tổ hợp từ điện trở/áp điện ..............................................8 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ...........9 Hình 2.2. Ảnh chụp hệ giữ mẫu có từ trường sử dụng trong quá trình chế tạo màng mỏng: (a) mặt trước và (b) mặt sau ........................................10 Hình 2.3. Hình minh họa các cấu trúc spin-valve đa lớp trong luận văn .............. 11 Hình 2.4. Hình minh họa cấu trúc vật liệu tổ hợp spin-van/PZT .......................... 12 Hình 2.5. Ảnh chụp vật liệu tổ hợp chế tạo hoàn thiện bằng phương pháp kết dính có gắn các điện cực cấp điện áp và điện cực đo điện trở ........ 12 Hình 2.6. Sơ đồ khối từ kế mẫu rung (VSM) ........................................................ 13 Hình 2.7. Mô hình phương pháp đo bằng 4 mũi dò ............................................... 14 Hình 2.8. Sơ đồ khối mô tả hệ đo từ-điện trở ........................................................ 15 Hình 3.1. Đường cong từ hóa của các màng đơn lớp sắt từ tự do NiFe, FeCoB và màng sắt từ bị ghim Co/IrMn ............................................... 16 Hình 3.2. Đường cong từ hóa trong mặt phẳng theo 2 phương song song và vuông góc với từ trường ghim của màng đơn lớp tự do ........................ 18 Hình 3.3. Đường cong từ hóa của c Ta/NiFe/Cu/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm. Phép đo được tiến hành theo ba phương của từ trường ngoài: nằm trong mặt phẳng mẫu theo hai phương song song (H // Heb) và vuông góc (H ┴ Heb) với phương từ trường ghim và vuông góc (H out of plane) mặt phẳng mẫu ............ 19 Hình 3.4. Đường cong từ hóa của Ta/FeCoB/Cu/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm ............................................................ 20 Hình 3.5. Hình minh họa tương tác trao đổi giữa 2 lớp sắt từ trong spin-van ...... 21 Hình 3.6. Đường cong từ hóa của Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu thay đổi tCu từ 1.0 đến 4.0 nm với từ trường nằm trong mặt phẳng mẫu và song song với phương từ trường ghim .......... 23 Hình 3.7. Đường cong từ hóa của Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu không từ thay đổi tCu từ 2.5 đến 4.0 nm được vẽ trong dải từ trường của miền “bão hòa tạm thời” giữa hai bước đảo từ.. ....... 24 Hình 3.8. Đường cong từ hóa của Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu khác nhau tCu = 1.0 và 4.0 nm với từ trường ngoài nằm trong mặt phẳng mẫu và vuông góc với phương từ trường ghim ....................................................................................................... 25 Hình 3.9. Đường cong từ hóa của Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu thay đổi tCu từ 1.0 đến 4.0 nm với từ trường ngoài nằm trong mặt phẳng mẫu, song song với phương từ trường ghim ...... 26 Hình 3.10. Đường cong từ hóa của Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu khác nhau tCu = 3.0; 3.5 và 4.0 nm được vẽ trong dải từ trường của miền “bão hòa tạm thời” giữa hai bước đảo từ. .............. 27 Hình 3.11. Đường cong từ hóa của 2 cấu trúc màng spin-van Ta/NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn/Ta và Ta/FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn/Ta .......... 27 Hình 3.12. Đường cong sự thay đổi của điện trở theo từ trường ngoài tác dụng trong mặt phẳng màng, song song với phương từ trường ghim đo trên các màng spin-van Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu nhỏ (tCu = 1.0 và 2.0 nm). .......................................... 29 Hình 3.13. Đường cong sự thay đổi điện trở theo từ trường ngoài tác dụng trong mặt phẳng màng, song song với phương của từ trường ghim đo trên các màng spin-van Ta/NiFe/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu lớn (tCu > 2.0 nm) ...................................................... 30 Hình 3.14. Đường cong từ-điện trở của Ta/NiFe/Cu/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu không từ là tCu = 3.5 nm. Phép đo được tiến hành theo 2 phương khác nhau của từ trường ngoài: nằm trong mặt phẳng màng, vuông góc với phương từ trường ghim (H ┴ Heb) và phương vuông góc với mặt phẳng mẫu (H out of plane) ...................... 31 Hình 3.15. Đường cong sự thay đổi điện trở theo từ trường ngoài tác dụng trong mặt phẳng màng, song song với phương của từ trường ghim đo trên các màng spin-van Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu nhỏ (tCu = 1.0 và 2.0 nm) .................................... 32 Hình 3.16. Đường cong sự thay đổi điện trở theo từ trường ngoài tác dụng trong mặt phẳng màng, song song với phương của từ trường ghim đo trên các màng spin-van Ta/FeCoB/Cu(tCu)/Co/IrMn/Ta với chiều dày lớp Cu lớn (tCu > 2.0 nm) ................................................ 33 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của từ trở (MR) vào độ dày lớp Cu đối với mẫu có lớp từ mềm là Ni20Fe80 và Fe40Co40B20 ................................................. 34 Hình 3.18. Đường cong từ hóa của {NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn}/PZT (a) và {FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT (b) khi thay đổi điện áp đặt vào PZT từ 0 đến 300 V. Đường cong được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng mẫu, song song với phương từ trường ghim ...... 35 Hình 3.19. Đường cong từ hóa của {NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn}/PZT (a) và {FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT (b) với từ trường nằm trong mặt phẳng mẫu, vuông góc với phương từ trường ghim .............................. 36 Hình 3.20. Đường cong từ-điện trở của {NiFe/Cu(3,5)/Co/IrMn}/PZT (a) và {FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT (b) được thực hiện với từ trường nằm trong mặt phẳng mẫu, song song với phương từ trường ghim ...... 37 Hình 3.21. Đường cong từ-điện trở của {FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT với từ trường trong mặt phẳng, vuông góc với phương từ trường ghim. ........ 37 Hình 3.22. Đường cong từ-điện trở của {NiFe/Cu(3.5)/Co/IrMn}/PZT được thực hiện với từ trường vuông góc với mặt phẳng màng ...................... 38 Hình 3.23. Đường cong từ-điện trở của {FeCoB/Cu(3)/Co/IrMn}/PZT được thực hiện với từ trường vuông góc với mặt phẳng màng ...................... 39 Hình 3.24. Đường cong từ-điện trở của {FeCoB/Cu(3.5)/Co/IrMn}/PZT được thực hiện với từ trường vuông góc với mặt phẳng màng ............. 40 Hình 3.25. Tỉ số GMR phụ thuộc vào điện áp đặt vào tấm áp điện đo trên vật liệu {FeCoB/Cu(3.5)/Co/IrMn}/PZT với từ trường vuông góc với mặt phẳng màng .................................................................................... 41 Hình 4.1. Hình minh họa cấu trúc spin-van trong tính toán lý thuyết .................. 42 Hình 4.2. Sơ khối minh họa cấu trúc của chương trình mô phỏng ....................... 47 Hình 4.3. Kết quả mô phỏng đường cong từ hóa của cấu trúc spin-van NiFe(5)/Cu(3.5)/Co(5)/IrMn(8) ............................................................ 48 Hình 4.4. Kết quả mô phỏng đường cong từ-điện trở của cấu trúc spin-van NiFe(5)/Cu(3.5)/Co(5)/IrMn(8) ............................................................ 48 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Tốc độ bốc bay của các lớp trong cấu trúc spin-van ............................. 10 Bảng 2.2. Các cấu hình màng spin-van được chế tạo được và nghiên cứu ........... 11 Bảng 4.1. Các thông số dùng để mô phỏng ........................................................... 46 Bảng 4.2. Các thông số mô phỏng tính chất từ của cấu trúc spin-van NiFe(5)/Cu(3.5)/Co(5)/IrMn(8) nghiên cứu trong luận văn ................. 49 BẢNG CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích Tên tiếng Việt GMR Giant Magnetoresistance Từ điện trở khổng lồ SV Spin-van Cấu trúc spin-van PZT Pb Zirconat Titanat zirconat titanat chì MRAM Magneto Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dựa trên hiệu ứng đảo từ bằng từ trường Magneto Electric Random Access MERAMs Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dựa trên hiệu ứng đảo từ bằng điện trường VSM Từ kế mẫu rung Vibrating Sample Magnetometer 1 MỞ ĐẦU Việc phát hiện ra hiệu ứng từ trở khổng lồ trong các màng mỏng đa lớp đã thực sự đem lại diện mạo mới cho khoa học công nghệ: thời đại của các linh kiện spintronics - hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin, với những ưu điểm vượt trội so với các linh kiện truyền thống như: - Tiêu thụ ít năng lượng hơn, việc chuyển trạng thái 0 và 1 trong các linh kiện điện tử truyền thống được thực hiện bằng cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi các kênh của transitor, điều đó đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng vì việc vận chuyển điện tích đòi hỏi phải tạo ra được độ chênh lệch của điện trường và bị tổn hao thành nhiệt năng, không thể bù đắp được, trong khi các linh kiện spintronics đảo trạng thái dựa trên việc đổi định hướng spin. - Không gây ồn/nhiễu như điện tích: spin không liên kết dễ dàng với điện trường phát tán (trừ khi tương tác spin-quỹ đạo trong các vật liệu là rất mạnh) nên tránh được nhiễu và ồn của điện tích. - Thao tác nhanh hơn: vì không phải mất thời gian cho việc vận chuyển điện tích, chỉ mất thời gian đảo phương spin. Một trong các lĩnh vực nghiên cứu của Spintronics là chế tạo và nghiên cứu các vật liệu lưỡng tính từ - điện tổ hợp của các vật liệu có tính chất từ trở khổng lồ. Như chúng ta biết, vật liệu đa pha sắt từ - sắt điện đang là đối tượng nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới trong vài năm gần đây. Các nghiên cứu trên vật liệu này cho đến nay chủ yếu tập trung vào các vật liệu đơn pha hoặc đa pha tổ hợp giữa các pha từ và điện nhằm khai thác hiệu ứng sự phân cực điện của pha sắt điện dưới tác dụng từ trường ngoài. Bên cạnh đó, trên các vật liệu này còn thể hiện một hiệu ứng vật lý khác rất lý thú đó là hiệu ứng đảo từ độ của pha sắt từ khi có mặt của điện trường đặt vào pha sắt điện. Trong khuôn khổ cho phép, luận văn tập trung “Nghiên cứu quá trình đảo từ cảm ứng bởi điện trƣờng trên cấu trúc nanô kiểu từ - điện trở/áp điện cho các bộ nhớ MERAMs tƣơng lai” theo hướng tìm ra vật liệu tổ hợp có hiệu ứng cao ở nhiệt độ phòng. Bố cục của luận văn bao gồm 04 chương, thực hiện các nội dung sau: 1. Nghiên cứu công nghệ, ổn định chế tạo các cấu trúc GMR nanô kiểu màng đa lớp có lực kháng từ kép dạng spin-van có hiệu ứng từ trở cao và nhạy với ứng suất. Khảo sát các đặc trưng tính chất (cấu trúc, tính chất từ, từ trở, từ đàn hồi…) và tối ưu hóa qui trình công nghệ, vật liệu, cấu hình. 2 2. Nghiên cứu công nghệ chế tạo các vật liệu áp điện PZT dạng màng mỏng. Chế tạo và nghiên cứu vật liệu lưỡng tính từ - điện sử dụng các vật liệu từ trở và áp điện chế tạo được dạng màng mỏng. Khảo sát các thuộc tính, đặc trưng từ, điện, từđiện và ảnh hưởng của điện trường ngoài đến quá trình đảo từ và từ trở của các vật liệu lưỡng tính. 3. Mô phỏng, tính toán, xây dựng mô hình lý thuyết cho các hiệu ứng vật lý trên vật liệu lưỡng tính từ-điện từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm. 4. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu: đề xuất ý tưởng, tìm hiểu cơ chế hoạt động của bộ nhớ thông tin dựa trên hiệu ứng từ-điện MERAM sử dụng vật liệu từ trở/áp điện. Nội dung các chương được phân bố như sau: Chương 1 chủ yếu đưa ra lý thuyết cơ bản về hiệu ứng từ trở, hiện tượng từ điện và những chủ đề liên quan tới các chương tiếp theo. Nghiên cứu hiện tượng từ - điện và ứng dụng. Chương 2 chủ yếu trình bày các phương pháp và thực nghiệm được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn đặc biệt là tối ưu hóa quá trình tạo các cấu trúc đa lớp Cu/Co/Cu có hiệu ứng từ trở tốt nhất. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu các tính chất từ và hiệu ứng từ điện trở của các hệ đã được tạo ra trong chương 2. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của việc đảo từ cảm ứng bởi điện trường phục vụ cho việc chế tạo MERAMs trong tương lai. Chương 4 đưa một công cụ mô phỏng mới cho các tính chất của hiệu ứng từ trở khổng lồ. 3 Chƣơng 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Vật liệu tổ hợp từ-điện trở và áp điện Vật liệu tổ hợp từ-điện là vật liệu kết hợp của hai vật liệu sắt từ và sắt điện. Đây là vật liệu lai có sự tồn tại đồng thời các thuộc tính của cả pha từ và pha điện. Hiện nay, nghiên cứu trên các vật liệu lai tổ hợp dạng này đang là mối quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhóm trên thế giới do triển vọng ứng dụng rộng rãi của vật liệu cũng như các hiệu ứng vật lý mới được phát hiện trên hệ này. Như đã đề cập ở trên, hiệu ứng từ điện thường được quan sát thấy trên các vật liệu tồn tại đồng thời cả hai pha sắt từ và sắt điện. Bằng các cơ chế tác động khác nhau vào vật liệu tổ hợp từ điện chúng ta có thể làm thay đổi từ độ hoặc sự phân cực điện của vật liệu. Hình 1.1. Hình minh họa hiệu ứng từ-điện trên vật liệu tổ hợp từ điện Với vật liệu tổ hợp dạng này, hiệu ứng từ điện có thể được chia thành 2 loại (hình 1.1) (i) Dùng từ trường để điều khiển véc tơ phân cực điện: Dưới tác dụng của một từ trường lên pha sắt từ, chúng sẽ bị biến dạng do hiệu ứng từ giảo. Do có sự tương tác trao đổi qua lại giữa hai pha sẽ dẫn đến sự biến dạng của pha sắt điện. Do hiệu ứng áp điện, ứng suất sinh ra do sự biến dạng này sẽ làm thay đổi vector phân cực điện của pha sắt điện. Hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng từ-điện thuận (Magnetoelectric ME). Một trong những khả năng ứng dụng đang được khai thác trên hiệu ứng ME này là chế tạo các cảm biến đo từ trường, máy phát…[15] 4 (ii) Dùng điện trường để tác động lên mômen từ trong pha sắt từ: Khi tác dụng điện trường ngoài vào vật liệu tổ hợp, pha sắt điện sẽ chịu biến dạng cưỡng bức do hiệu ứng áp điện. Sự biến dạng này sẽ kéo theo sự biến dạng sắt từ và do đó trong lòng pha sắt từ này sẽ tồn tại một ứng suất nội tại dẫn đến sự thay đổi moment từ của vật liệu. Hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng từ-điện nghịch (Converse Magnetoelectric - CME). So với hiệu ứng ME, hiệu ứng CME là một hiệu ứng mới, gần đây đang được nghiên cứu và khai thác ứng dụng mạnh mẽ, trong đó phải kể đến một số ứng dụng như lưu trữ thông tin máy tính [3]. Một số nghiên cứu mới gần đây nhất được công bố đã chỉ ra được sự thay đổi định hướng từ độ trong màng mỏng sắt từ Ni dưới tác dụng của ứng suất gây ra bởi tấm áp điện Pb(Mg1/3Nb2/3)O3](1-x)-[PbTiO3] khi có tác dụng của điện trường. Bằng cách thay đổi ứng suất khác nhau, ta có thế điều khiển định hướng của mômen từ trong vật liệu. Chúng ta cần để ý rằng với vật liệu từ giảo mà điện trở của nó phụ thuộc chặt chẽ vào moment từ độ của nó thì thông qua việc sử dụng điện trường điều khiển moment từ ta có thể điều khiển được điện trở của vật liệu. Ý tưởng này này có thể áp dụng rất tốt cho các vật liệu tổ hợp có chứa vật liệu áp điện PZT và các màng GMR có chứa một lớp từ giảo. Như đã trình bày ở trên, điện trở của hệ màng này sẽ bị chi phối mạnh mẽ bởi sự thay đổi từ độ này, do đó điện trở của màng sẽ bị thay đổi khi có điện trường tác dụng vào tấm áp điện. Dựa trên ý tưởng này mà ta có thể điều khiển được các tính chất khác là hệ quả của quá trình từ hóa trong các pha vật liệu sắt từ. Một trong số đó phải kể đến sự thay đổi của điện trở của màng mỏng do ứng suất nhờ điện trường. Trong luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu vật liệu tổ hợp của vật liệu áp điện và vật liệu có hiệu ứng từ-điện trở khổng lồ dạng màng mỏng cấu trúc spin-van. 1.1.1. Vật liệu áp điện Vật liệu áp điện là vật liệu có độ phân cực điện thay đổi khi chịu tác dụng của một ứng suất cơ học (hiệu ứng áp điện thuận) hoặc có thể thay đổi hình dạng khi đặt trong một điện trường ngoài (hiệu ứng áp điện nghịch). Trong các nghiên cứu của luận văn, chúng tôi sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch với mục đích tạo ứng suất cơ học nhờ tác dụng của điện áp cấp vào áp điện. Hình 1.2 minh họa cơ chế của hiệu ứng áp điện nghịch 5 Hình 1.2. Hình minh họa hiệu ứng áp điện nghịch trên vật liệu áp điện Loại vật liệu áp điện đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu hiện nay là gốm áp điện có cấu trúc Perovskite như BaTiO3 hoặc Pb(ZrxTi1-x)O3, do có hệ số áp điện và hằng số điện môi lớn. Công thức hóa học chung của vật liệu perovskite là ABX3, trong đó A, B là hai cation có hóa trị lần lượt là +2 và +4, X là anion liên kết với hai cation A và B. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng vật liệu áp điện là PZT. Hình 1.3. Ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương (trái) và mặt thoi (phải) [2] Trên hình 1.3 minh họa cấu trúc ô đơn vị tinh thể PZT trong trạng thái Perovskite lập phương và mặt thoi. Hiệu ứng áp điện có thể giải thích bằng sự dịch chuyển của các ion trong ô đơn vị này. Dưới tác dụng của một điện trường ngoài theo phương trục Oz, các ion O2- sẽ bị hút về điện cực dương, các ion Zn4+/Ti4+ và Pb2+ sẽ bị hút về điện cực còn lại. Do có sự dịch chuyển này, liên kết giữa các ion trong tinh thể và do đó khoảng cách giữa các ion này sẽ bị thay đổi. Kết quả là tinh thể áp điện sẽ bị biến dạng và hiện tượng này gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. PZT là vật liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Tuỳ vào mục đích mà người ta sẽ chọn các thành phần gốm PZT với tỷ lệ Zr/Ti phù hợp để ứng dụng. Hiện nay, các vật liệu áp điện PZT có thành phần và tính chất tối ưu tùy vào mục đích sử dụng đã được thương mại hóa và sản xuất hàng loạt theo yêu cầu được cung cấp bởi các công ty với giá thành thấp. 6 1.1.2. Vật liệu từ-điện trở Từ trở (MR) được hiểu là sự thay đổi điện trở của vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài và được đặc trưng bởi tỷ số: MR(%)   ( H )   (0) R( H )  R(0)   (0) R(0) (1.1) với  (0) và R(0) lần lượt là điện trở suất và điện trở của vật liệu khi chưa có từ trường;  ( H ) và R( H ) thứ tự là điện trở suất và điện trở của vật liệu khi đặt trong từ trường. Năm 1988 nhóm nghiên cứu của M.N Baibich và nhóm nghiên cứu G.Binasch đã phát hiện ra hiện tượng dị thường trong các cấu trúc màng mỏng đa lớp của sắt từ và phản sắt từ [7, 9]. Sự phân cực electron trong các màng mỏng từ và các linh kiện có cấu trúc micro sẽ dẫn tới hiệu ứng từ trở trong từ trường thấp. Sự nhảy vọt của các nghiên cứu về “Từ điện trở” gắn với sự phát hiện của một hiệu ứng từ điện trở mới đó là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. Năm 1988, nhóm nghiên cứu của Albert Fert (Pháp) phát hiện ra hiệu ứng từ điện trở có tỉ số MR rất lớn trong các màng mỏng đa lớp Fe/Cr (001) đồng thời với nhóm này, nhóm của Peter Grunberg (Đức) cũng phát hiện ra hiệu ứng này trên màng mỏng 3 lớp Fe/Cr/Fe (hình 1.4). Hiệu ứng này được đặt tên là từ điện trở khổng lồ. Thực chất của tính từ “khổng lồ” không nằm ở độ lớn của tỉ số từ trở mà nằm ở cơ chế tạo nên hiệu ứng. Trong luận văn này, hiệu ứng từ điện trở khổng lồ được định nghĩa như sau: R R  R  R R (1.2) ở đây, R là điện trở của vật liệu khi các lớp sắt từ sắp xếp song song và R là điện trở ở trật tự phản song song. Từ năm 2003 đến 2005, dựa vào mô hình electron tự do trong xấp xỉ của FuchsSondheimer, R.E Camlay và J. Barnas và nhiều nhà khoa học khác đã phát triển lý thuyết GMR và đưa đưa ra nhiều mô hình lý thuyết mô tả những khía cạnh khác nhau của GMR. 7 Hình 1.4. Cơ chế tạo nên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ 1.2. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn + Nghiên cứu công nghệ, ổn định chế tạo các cấu trúc GMR nanô kiểu màng spin-valve có hiệu ứng từ trở cao và nhạy với ứng suất. Khảo sát các đặc trưng tính chất (cấu trúc, tính chất từ, từ trở, từ đàn hồi…) và tối ưu hóa qui trình công nghệ, vật liệu, cấu hình. Vật liệu NiFe đóng vai trò là lớp từ mềm có lực kháng từ nhỏ và lớp Co bị ghim từ bởi lớp IrMn. Cu được sử dụng để chế tạo lớp không từ theo cấu trúc được đưa ra như trên hình 1.5. Lớp sắt từ bị ghim Lớp không từ Lớp sắt từ tự do Thủy tinh Hình 1.5. Cấu trúc GMR dạng spin-van + Chế tạo và nghiên cứu vật liệu lưỡng tính từ - điện sử dụng các vật liệu từ trở và áp điện chế tạo được dạng màng mỏng. Khảo sát các thuộc tính, đặc trưng từ, điện, 8 từ-điện và ảnh hưởng của điện trường ngoài đến quá trình đảo từ và từ trở của các vật liệu lưỡng tính, cấu trúc được đưa ra như trên hình 1.6. + Nghiên cứu tính chất từ điện và quá trình đảo từ cảm ứng bởi điện trường đối với các màng mỏng đã chế tạo được. + Mô phỏng, tính toán, xây dựng mô hình lý thuyết cho các hiệu ứng vật lý trên vật liệu lưỡng tính từ-điện từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Lớp sắt từ bị ghim Lớp không từ Lớp sắt từ tự do PZT Hình 1.6. Cấu trúc vật liệu tổ hợp từ điện trở/áp điện 9 Chƣơng 2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo màng đa lớp bằng phƣơng pháp phún xạ ca tốt Các màng mỏng đa lớp trong luận văn này được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catốt trên thiết bị magneto-sputtering của Phòng thí nghiệm NanoSpintronic Technology, Trường Đại học Paris 11, Pháp. Đây là phương pháp dùng các ion năng lượng cao (thường là các ion khí hiếm: Ar, Xe , Kr, nhưng phổ biến hơn cả là Ar) bắn phá bề mặt bia vật liệu rắn để tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion và lắng đọng các phần tử này lên đế, tạo thành màng. Năng lượng của các ion này, không những phụ thuộc vào điện tích, vào mức độ được gia tốc của nó trong điện trường mà còn phụ thuộc vào chính khối lượng của nó. Sơ đồ nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ ca tốt dược mô tả trên hình 2.1 [1]. Hình 2.12.1. Sơ đồ nguyên lý chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ Năng lượng của các ion tới được chia làm hai phần cơ bản: một phần để phân cắt các liên kết trên bề mặt bia vật liệu, tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion riêng rẽ; phần còn lại được truyền thành động năng cho các phần tử này tán xạ ngược và lắng đọng lên đế. Năng lượng của các ion tới phụ thuộc vào điện trường, hay cụ thể hơn là thế đặt vào giữa hai điện cực. Năng lượng liên kết của bia vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào bản chất hóa học và trạng thái tồn tại của nó. Mối tương quan giữa hai đại lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả của quá trình lắng đọng. Màng nghiên cứu trong luận văn này được chế tạo sử dụng nguồn một chiều DC với công suất chế tạo P = 50 W trong điều kiện chân không cao, Pbased = 1.6×10-7