Nghiên cứu quá trình từ hóa đảo từ và cấu trúc đômen của một số màng mỏng từ tính và đa pha sắt

Nhằm có thể chế tạo một số màng mỏng từ tính đa lớp và màng đa pha sắt trên cơ sở các kim loại 3d và Pd, Pt, hợp kim 3d và perovskites sắt điện; và nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của các vật liệu chế tạo, nhóm đề tài do ông Phạm Đức Thắng, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội làm chủ nhiệm đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu quá trình từ hóa đảo từ và cấu trúc đômen của một số màng mỏng từ tính và đa pha sắt”.

Sau 24 tháng, từ 05/2016 đến 05/2018, nhóm đề tài đã thu được các kết quả như sau:

1. Vật liệu từ đa lớp cấu trúc nano trên cơ sở hợp kim Co và Fe.

- Chế tạo vật liệu

+ Màng (0.5 nm Co/0.8 nm Pt)5 và màng (0.5 nm Co/0.8 nm Pt)15: Các màng được chế tạo trên đế SiN/Si sử dụng thiết bị phún xạ DC magneton. Thời gian chế tạo mỗi lớp đơn vào khoảng một phút đến hai phút và được lặp lại 5 hoặc 15 lần. Với mỗi lớp đơn, các điều kiện chế tạo được sử dụng gồm có chân không cơ sở khoảng 10-8 Torr, áp suất khí Ar là 1 mTorr và công suất phún xạ là 30 W với bia Co và 25 W với bia Pt tương ứng. Độ dày các màng được điều khiển theo thời gian phún xạ trên cơ sở chuẩn hóa tốc độ phún xạ vật liệu tương ứng ở điều kiện công nghệ nêu trên (khoảng 0.01 - 0.02 nm/s). Đối với các màng đa lớp, các lớp Ta mỏng vài nm được sử dụng làm lớp đệm và phủ trên bề mặt để làm giảm thiểu các ảnh hưởng khác (như oxy hóa…).

+ Màng (0.4 nm CoFeB/1 nm Pd)4: Màng được chế tạo trên đế SiN/Si sử dụng thiết bị phún xạ DC magneton. Thời gian chế tạo mỗi lớp đơn vào khoảng một phút đến hai phút và được lặp lại 4 lần. Với mỗi lớp đơn, các điều kiện chế tạo được sử dụng gồm có chân không cơ sở khoảng 10-8 Torr, áp suất khí Ar là 1 mTorr và công suất phún xạ là 30 W với bia CoFeB và 25 W với bia Pd tương ứng. Bia vật liệu CoFeB sử dụng có tỷ lệ thành phần nguyên tử là 40:40:20. Độ dày các màng được điều khiển theo thời gian phún xạ trên cơ sở chuẩn hóa tốc độ phún xạ vật liệu tương ứng ở điều kiện công nghệ nêu trên (khoảng 0.01 - 0.02 nm/s). Đối với các màng đa lớp, các lớp Ta mỏng vài nm được sử dụng làm lớp đệm và phủ trên bề mặt để làm giảm thiểu các ảnh hưởng khác (như oxy hóa…).

+ Màng Nd-Fe-B: Màng được chế tạo trên đế polymer sử dụng thiết bị in phun. Mực in được chuẩn bị chứa dung dịch nền MFL-003 DMP, được sử dụng để pha trộn hạt từ, và các hạt các hạt từ tính Nd-Fe-B với kích thước nằm trong khoảng 0.1 - 1 µm. Mỗi màng từ được in nhiều lần trên một diện tích đế là 10´10 mm2, bao gồm các vi cấu trúc từ đơn với kích thước là 500´500 µm2, được sắp xếp tuần hoàn cách nhau 500 µm.

- Cấu trúc tinh thể, cấu trúc vi mô: Giản đồ XRD của các màng mỏng Co/Pt và CoFeB/Pd cho thấy không có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của các vật liệu nghiên cứu. Hiện tượng này có thể được giải thích do các màng nghiên cứu là mỏng, chỉ từ vài nm đến chục nm, nên không đủ để có thể thu được các đỉnh nhiễu xạ theo phép đo XRD thông thường. Kết quả khảo sát vi cấu trúc bằng TEM cho thấy các màng có hạt nhỏ mịn, độ nhẵn bề mặt cao, phù hợp với các phép đo quang và quang từ. Giản đồ XRD của vật liệu Nd-Fe-B dạng hạt cho thấy có cấu trúc tinh thể dạng tứ diện xếp chặt với các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng. Hình ảnh bề mặt của màng Nd-Fe-B sau khi in, quan sát được bằng AFM, cho thấy có độ gồ ghề khoảng 600 nm, phù hợp với sự có mặt và co cụm của các hạt Nd-Fe-B với kích thước một vài trăm nm trên bề mặt màng sau khi in. Ảnh chụp quang học của các vi cấu trúc từ cho thấy màng từ có chiều dày cỡ 40 µm.

- Tính chất từ, quá trình động học liên quan đến từ hóa: Kết quả đo đường cong từ trễ khi từ trường ngoài

đặt vào theo phương vuông góc với bề mặt màng mỏng cho thấy các đường cong từ trễ có độ vuông lớn. Từ đường cong từ trễ có thể xác định được một số thông số từ đặc trưng, như với màng Co/Pt có lực kháng 5 từ HC = 440 Oe, màng CoFeB/Pd có HC = 20 Oe. Các màng từ đều thể hiện dị hướng từ vuông góc chiếm ưu thế. Điều này có thể được giải thích do sự đóng góp dị hướng từ tinh thể của các hợp kim cấu trúc L10 của Co và Pt, Pd. Với màng (Co/Pt)5, đường cong từ trễ cũng đã được nghiên cứu bằng phương pháp đường đảo từ bậc nhất (first order reversal curve - FORC) với sự thay đổi Hmin từ -550 Oe đến -1100 Oe. Từ việc quan sát thấy hiện tượng dịch chuyển nhánh phải của các đường FORC về phía phải khi tăng cường độ Hmin, đã sử dụng STXM để nghiên cứu cấu trúc đômen từ trong giai đoạn từ trường tăng lên từ Hmin đến từ trường cực đại dương. Kết quả cho thấy tuy từ trường ngoài lớn hơn từ trường bão hòa, màng từ vẫn chưa bão hòa hoàn toàn về mặt vi mô do tồn tại một số đômen từ chưa đảo theo từ trường ngoài. Giá trị của từ trường bão hòa thực ở cấp độ vi mô lớn hơn khoảng 1.5 lần giá trị từ trường bão hòa thông thường (từ trường bão hòa vĩ mô) Hsat = 550 Oe của đường cong từ trễ.

Với màng (Co/Pt)15, cấu trúc domain từ cũng được nghiên cứu sử dụng STXM và kết quả cho thấy không có sự khác nhau về độ tương phản nếu thay đổi phân cực của tia X. Khi khảo sát sự thay đổi tín hiệu của phổ hấp thụ tia X (XAS) ngang qua vách ngăn các domain đã thấy rằng trong dải khoảng 100 nm có sự thay đổi mạnh về cường độ XAS, có thể lên đến 90%. Như vậy có thể sử dụng kỹ thuật STXM để nghiên cứu cả về sự thay đổi cấu trúc đômen như thông thường cũng như về sự thay đổi về phổ XAS trong các màng từ. Kết quả khảo sát ban đầu cho thấy có thể quan sát được phổ XAS ở giới hạn hấp phụ Co L3 với các chế độ phân giải cao về không gian và phổ, với các giá trị tương ứng là 25 nm và 0.1 eV. Như vậy có thể nghiên cứu sâu hơn về sự phân bố và thay đổi của đômain và sự thay đổi từ tính ở thang nm dưới tác dụng của từ trường và theo thời gian, qua đó có thể tìm hiểu sâu hơn về nguồn gốc của các hiện tượng vi mô này. Với màng (CoFeB/Pd)4, đường cong từ trễ phụ được khảo sát bằng MOKE đã cho thấy sự dị thường trên cácc đường trễ này. Bằng phương pháp đường đảo từ bậc nhất có thể quan sát được từ độ của màng giảm chủ yếu trong vùng tăng từ trường, tính từ điểm có từ trường cực tiểu cho đến điểm từ trường cực đại dương. Hiện tượng này hoàn toàn ngược với xu hướng thay đổi của đường cong từ trễ thông thường của các vật liệu từ, ở đó giá trị của từ độ sẽ giảm xuống khi giảm giá trị từ trường ngoài và sẽ tăng lên khi tăng từ trường ngoài. Kết quả nghiên cứu trên hệ CoFeB/Pd đã chỉ ra rằng hiện tượng đảo từ dị thường này được quan sát thấy rõ do phụ thuộc mạnh vào giá trị nhỏ của từ trường cực tiểu và tốc độ biến đổi nhanh của từ trường. Hiện tượng lý thú này có thể được giải thích dựa trên sự xuất hiện, tạo mầm từ (nucleation) chậm và sự thay đổi tốc độ dịch chuyển của vách domain theo từ trường ngoài. Các nghiên cứu tiếp theo đang được thử nghiệm trên các màng từ khác.

Với màng Nd-Fe-B, đường cong từ trễ của các dung dịch sau khi pha trộn hạt từ vào cho thấy các dung dịch từ có từ độ tăng dần theo khối lượng của hạt từ NdFeB pha vào. Các màng đều thể hiện tính sắt từ mềm với lực kháng từ nhỏ, khoảng 10 G và gần như không có từ dư trễ. Điều này có thể được giải thích bởi các hạt Nd-Fe-B phân tán đều trong dung dịch, không liên kết với nhau và ở trạng thái lơ lửng trong dung dịch nên các 6 hạt từ này sẽ dễ dàng quay theo hướng từ trường ngoài. Đường cong từ trễ của màng từ sau khi in cho thấy có tính chất từ cứng với lực kháng từ khoảng 820 - 900 G.

2. Vật liệu đa pha sắt cấu trúc micro-nano trên cơ sở (Ni-Fe/Co-Fe) và PZT.

- Chế tạo vật liệu: Màng Ni-Fe/Co-Fe được chế tạo trên các đế PZT phân cực dọc với thời gian chế tạo trong khoảng vài chục phút, tương ứng với độ dày cỡ vài chục đến vài trăm nm. Các điều kiện chế tạo được sử dụng gồm có chân không cơ sở khoảng 10-7 Torr, áp suất khí Ar là 2.2 mTorr và công suất phún xạ là 50 W cho tất cả các bia vật liệu. Các bia vật liệu đã sử dụng có tỷ lệ thành phần nguyên tử lần lượt là Ni:Fe - 80:20 và Co:Fe = 50:50.

- Cấu trúc tinh thể, cấu trúc vi mô: Kết quả phân tích giản đồ XRD cho thấy có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc perovskite của đế PZT và cấu trúc lập phương theo định hướng ưu tiên (111) của màng đa pha sắt Ni-Fe/Co-Fe. Hình ảnh SEM chụp trên bề mặt cho thấy lớp màng đa pha sắt Ni-Fe/Co-Fe được phún xạ lên trên điện cực Ag, phủ trên đế PZT, là khá mịn và có hình thái học tuân theo cấu trúc của bề mặt PZT ban đầu. Màng Ni-Fe/Co-Fe có các hạt với trung bình kích thước cỡ micro.

- Tính chất điện, sắt điện: Đặc trưng dẫn I-V của các màng đa pha sắt Ni-Fe/Co-Fe cho thấy nhìn chung các màng sau chế tạo có dòng rò nhỏ, vào khoảng 10-5 - 10-6 A/cm2. Đặc trưng điện trễ của vật liệu PZT cho thấy đường cong điện trễ gần đạt tới trạng thái bão hòa ở điện áp khoảng 400 V với độ phân cực điện trên 22 µC/cm2.

- Tính chất từ, quá trình động học liên quan đến tương tác pha:

Kết quả đo đường cong từ trễ cho thấy dị hướng từ mặt phẳng chiếm ưu thế trong các màng đa pha sắt. Kết quả này có thể giải thích do sự đóng góp dị hướng từ hình dạng của lớp sắt từ Ni-Fe/Co-Fe.

Khảo sát ảnh hưởng của điện trường/điện thế đặt vào lớp áp điện PZT cho thấy khi tăng điện thế, từ độ có xu hướng giảm xuống. Quá trình đảo từ cảm ứng điện trường của màng đa pha sắt được quyết định bởi sự cạnh tranh năng lượng giữa từ trường và điện trường, đồng thời phụ thuộc vào hướng và độ lớn của chúng. Khi tăng độ dày lớp sắt từ, giá trị thế đảo từ tăng và nằm trong khoảng 18 V đến 165 V.

Các kết quả trên đã được nhóm nghiên cứu công bố và được tiếp nhận đăng trên các tạp chí khoa học thuộc hệ thống ISI như Sci. Reports, Physica B, Mater. Trans. năm 2017, 2018 và kỷ yếu Hội nghị khoa học toàn quốc SPMS năm 2018.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15453/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)