Đề tài Nghiên cứu hiện tượng hiệu dịch trao đổi của màng hai lớp sắt từ/sắt điện bằng phương pháp Monte Carlo

inh thể của vật liệu. Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể đối xứng kém ví dụ như tứ giác hay lục giác… Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dung làm vật vật liệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ…). Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ (B.H)max có đơn vị là mật độ năng lượng J/m3, là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích của vật. Để có (B.H)max lớn, cần có lực kháng từ lớn, từ độ cao và đương trễ càng lồi càng tốt. Đơn vị thường dùng của (B.H)max là GOe, 1MGOe = 8 kJ/m3. Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrit từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo… Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các nam châm đất hiếm nên giá thành cao, dễ bị oxi hóa. Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn đến sự ra đời của một loại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính chất của 2 loại nam châm từ cứng và từ mềm, có thể khắc phục các điểm yếu của nam châm tốt nhất, có giá thành hạ và cho phẩm chất cao hơn rất nhiều. 1.1.2.4. Vật liệu phản sắt từ (Antiferromagnet) Vật liệu phản sắt từ có mômen từ của các nguyên tử cạnh tranh nhau sắp xếp đối song (song song và ngược chiều) từng đôi một. Tức là trong vật liệu phản sắt từ, có tồn tại hai phân mạng cấu trúc từ xen kẽ nhau. Mooment từ trong mỗi phân mạng sắp xếp song song với nhau nhưng ngược chiều với moment từ của phân mạng kia. Từ độ của mỗi phân mạng có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng triệt tiêu nhau. (Vật liệu Ferrit từ là một dạng của phản sắt từ, tuy nhiên hai phân mạng có từ độ khác nhau nên không triệt tiêu lẫn nhau, dẫn tới từ độ tổng cộng khác không). Do đó, ở trạng thái cơ bản, ở không độ tuyệt đối và trong tư trường ngoài bằng không, độ từ hóa tộng cộng của chất phản sắt từ bằng không (Hình 1.6 (a)). Trong phản sắt từ cũng tồn tại các mômen từ tự phát xảy ra khi T TN thì sự sắp xếp mômen từ trở nên hỗn loạn, vật liệu trở thành thuận từ, như trường hợp của trật tự thuận từ của chất sắt từ. Hình.1.6 (a) Sự sắp xếp mômen từ trong vật liệu phản sắt từ (b) Sự phụ thuộc nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ trong AFM Khi có từ trường ngoài mômen tổng cộng của các vật liệu AFM tăng tỉ lệ với từ trường do sự định hướng của các spin. Ở nhiệt độ thấp, hệ số từ hóa của AFM rất nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên sự sắp xếp đối song từng cặp một của các phân mạng xen kẽ bị vi phạm và hệ số từ hóa tăng lên. Tại nhiệt độ TN, vùng định hướng tự phát của các spin không còn nữa, phản sắt từ chuyển thành thuận từ. Tiếp tục tăng nhiệt độ, hệ số từ hóa giảm xuống. 1.2. Vật liệu điện môi và vật liệu sắt điện Vật liệu điện môi là một trong những vật liệu có ý nghĩa rất quan trọng trong trong các ứng dụng khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội. Chúng đã và đang thu hút được nhiều quan tâm cả về nghiên cứu cơ bản cũng như nghiên cứu khả năng triển khai ứng dụng từ các nhà nghiên cứu của Vật ly, Hóa học, và Khoa học Vật liệu. Nguồn gốc của phân cực điện Trong chất điện môi, các điện tử liên kết rất chặt với các iôn nguyên tử, đến mức tại nhiệt độ phòng, dao động nhiệt và điện trường thông thường không thể bứt chúng ra khỏi nguyên tử. Như vậy, chất điện môi không dẫn điện. Tuy nhiên, dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tích dương sẽ bị dịch khỏi vị trí cân bằng theo hướng của điện trường, còn các điện tích âm thì dịch theo hướng ngược lại. Kết quả là tạo ra các mômen lưỡng cực điện trong vật liệu. Vì vậy, trên bề mặt vật liệu ở điện cực hình thành các lớp điện tích trái dấu nhau, mặt hướng về phía điện cực dương có lớp điện tích âm và mặt hướng về phía điện cực âm có lớp điện tích dương. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Nếu có một hệ điện tích qn thì mômen lưỡng cực điện là một vectơ được định nghĩa như sau: (1.1) Một cách hoàn toàn tự nhiên, ta có thể lấy mômen lưỡng cực của một đơn vị thể tích chất điện môi làm đại lượng đặc trưng cho mức độ phân cực của mẫu chất. Độ phân cực của chất điện môi tại một điểm cho trước được định nghĩa là vectơ tổng mômen lưỡng cực trung bình trong một đơn vị thể tích bao quanh điểm đó: (1.2) Dưới tác dụng của điện trường , độ phân cực điện môi trong vật liệu đẳng hướng tại một điểm cho trước bất kỳ tỷ lệ thuận với cường độ điện trường tại điểm đó. (1.3) trong đó, được gọi là độ cảm điện môi của vật liệu, là hằng số điện môi chân không. 1.2.2. Cơ chế phân cực điện môi. Chất điện môi được cấu tạo từ các phân tử không bị phân cực (không có mômen lưỡng cực điện). Trong điện trường ngoài, sự phân bố các điện tích bị thay đổi, trọng tâm của điện tử trong phân tử và trọng tâm của các điện tích dương và âm của các hạt nhân nguyên tử trở nên không trùng nhau nữa mà dịch đi một khoảng d. Như vậy, phân tử vốn không có mômen điện đặt trong điện trường ngoài đã trở thành một lưỡng cực điện. Đối với chất điện môi phân cực, gồm các mômen lưỡng cực điện xác định, trong điện trường ngoài các lưỡng cực điện chịu tác dụng của mômen ngẫu lực làm cho chúng định hướng theo chiều của điện trường ngoài. Ở nhiệt độ T = 0K ngay cả với điện trường yếu, tất cả các lưỡng cực điện đều định hướng theo chiều của điện trường. Tuy nhiên, khi K, năng lượng nhiệt của các lưỡng cực điện có thể làm cho chúng quay đi một góc nào đó so với chiều của điện trường ngoài. Khi đó, nói chung các lưỡng cực điện định hướng có thứ tự hơn theo hướng ưu tiên dọc theo chiều của điện trường. Mức độ trật tự của sự sắp xếp các lưỡng cực điện quyết định đến độ lớn của mômen điện tổng cộng của chất điện môi. Như vậy, khi đặt chất điện môi phân cực vào trong một điện trường ngoài, mômen điện tổng cộng xuất hiện khi đó có độ lớn phụ thuộc vào nhiệt độ. 1.2.3. Vật liệu sắt điện (Ferroelectrics materials) Các chất điện môi có độ phân cực tự phát gọi là chất sắt điện. Vậy, chất sắt điện là chất điện môi có cực. Sự xuất hiện của tính sắt điện liên quan đến sự tác động điện trường lên các ion liên kết yếu làm các ion này dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng. Kết quả là môi trường bị phân cực Đối với các chất điện môi có cực, tùy thuộc vào quá trình phân cực và trật tự của các mômen lưỡng cực dưới tác dụng của các tác nhân bên ngoài như điện trường, áp suất, nhiệt độ, ngoại lực…mà ta có thể phân chia chúng thành trật tự thuận điện, sắt điện, nghịch điện, áp điện. Các vật liệu sắt điện nằm trong nhóm vật liệu hỏa điện. Chất hỏa điện là chất tồn tại sự phân cực tự phát nhưng sự phân cực tự phát này có thể thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Tức là các vật liệu sắt điện tồn tại sự phân cực tự phát nhưng nó khác với các vật liệu hỏa điện khác ở chỗ mômen lưỡng cực điện có thể thay đổi thuận nghịch dưới tác dụng của điện trường ngoài nhỏ hơn giới hạn điện trường đánh thủng tính chất điện môi của vật liệu. Như vậy, điều kiện để một vật liệu thuộc họ sắt điện đó là: + Tồn tại sự phân cực tự phát + Có phân cực tái định hướng. Vật liệu sắt điện có những đặc trưng cần chú ý đó là: a) Đômen sắt điện Trong vật liệu sắt điện các vectơ phân cực tự phát PS chỉ song song với nhau trong những vùng xác định có tên là đômen sắt điện. Các đômen khác nhau có thể có vectơ phân cực tự phát hướng theo các trục khác nhau, và được phân cách bởi các vách đômen. Về phương diện hình học và hiện tượng luận, ta có thể thấy cấu trúc đômen của sắt điện và sắt từ hoàn toàn tương tự khi xem đường sức điện và sức từ ở phương diện vật lý là như nhau, cũng vậy đối với mômen điện và mômen từ, từ trường và điện trường, v.v (xem Hình 1.7). P P Hình 1.7 Cấu trúc đômen và vách đômen trong vật liệu sắt điện Nguyên nhân hình thành cấu trúc đômen sắt điện chưa được giải thích một cách hoàn chỉnh nhưng chúng ta có thể hiểu quá trình hình thành đômen sắt điện có mục đích làm cực tiểu hóa năng lượng tự do. Một cách vi mô ta có thể giải thích theo hai cách như sau. Thứ nhất, các đômen được hình thành trong quá trình chuyển pha từ thuận điện sang pha sắt điện do sự thay đổi tương tác tĩnh điện tổng cộng của trường ngoài và của các đômen đã hình thành trước đó. Thứ hai, cấu trúc đômen hình thành là do các sai hỏng mạng cũng như ứng suất nội trong tinh thể sắt điện gây ra. Trạng thái đa đômen này thường bị biến đổi thành một đơn đômen dưới tác dụng của điện trường song song với chiều phân cực. Các đômen mà có mômen phân cực cùng chiều với điện trường sẽ lớn dần lên so với những đômen có chiều phân cực ngược lại và khi điện trường đủ lớn sẽ làm quay các đômen phân cực theo hướng điện trường cho tới khi chỉ còn một đơn đômen. Qúa trình mà phân cực điện tự phát của đômen bị đảo chiều dưới tác dụng của một điện trường gọi là quá trình đảo đômen. b) Đường trễ sắt điện Đối với vật liệu sắt điện, độ phân cực phụ thuộc vào điện trường có đặc tính phi tuyến. Khi ta thay đổi điện trường ngoài thì có thể quan sát hiện tượng trễ điện của vật liệu sắt điện (xem Hình 1.8). + Đầu tiên, chất sắt điện chịu tác dụng của điện trường nhỏ, thì đường P(E) là thuận nghịch và tuyến tính, ứng với đoạn OA. Do điện trường quá nhỏ, chưa thể lật được bất kì một đômen nào. + Dưới tác dụng của một điện trường lớn hơn, một số đômen ngược chiều với điện trường bị đảo chiều và độ phân cực của mẫu tăng nhanh, ứng với đoạn AB cho tới khi tất cả các đômen đều cùng chiều với điện trường ngoài, ứng với đoạn BC. Lúc này mẫu ở trạng thái bão hòa đô phân cực, và được cấu tạo bởi một đômen duy nhất. + Khi điện trường giảm, độ phân cực sẽ giảm nhưng không trở về không. Khi điện trường bằng không một số đômen vẫn giữ chiều phân cực theo chiều điện trường trước đó và vật liệu tồn tại độ phân cực dư Pr. Điểm ngoại suy của đoạn BC cắt trục tung tại Ps gọi là độ phân cực bão hòa. + Độ phân cực điện dư không bị triệt tiêu cho đến khi điện trường đảo chiều (chiều âm) và đạt đến một giá trị Ec nào đó. Ec được gọi là cường độ trường kháng điện. Nếu tiếp tục tăng cường độ điện trường theo chiều âm thì tất cả các đômen đều phân cực theo chiều điện trường và vật liệu lại ở trạng thái bão hòa (điểm G) nhưng có chiều ngược với chiều bão hào tại điểm C. Chu trình trễ điện hoàn thành khi ta tăng điện trường theo chiều dương tới điểm bão hòa C. Hình 1.8. Đường cong điện trễ của vật liệu sắt từ c) Nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện Nhiệt độ chuyển pha Curie sắt điện TC là nhiệt độ giới hạn tại đó vật liệu chuyển từ trạng thái thuận điện sang trạng thái sắt điện. T > TC vật liệu trở thành thuận điện, T < TC vật liệu mới có tính sắt điện. Nếu tồn tại nhiều pha sắt điện tại các nhiệt độ khác nhau thì chỉ nhiệt độ tại đó vật liệu chuyển từ trạng thái thuận điện sang sắt điện mới được gọi là nhiệt độ chuyển pha Curie. Có thể nói nguyên nhân của tính sắt điện là do sự méo mạng của cấu trúc thuận điện, vì vậy đối xứng tinh thể của pha sắt điện bao giờ cũng nhỏ hơn đối xứng tinh thể ở pha thuận điện 1.3. Hiệu ứng trao đổi hiệu dịch Thuật ngữ “trao đổi hiệu dịch” được dùng để chỉ một hiệu ứng về sự dịch đường cong từ trễ dọc theo trục từ trường. Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1956 bởi Meiklejohn và Bean [1] khi họ đo đường cong từ trễ của hệ các hạt mịn ôxy hóa một phần được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ TN (nhiệt độ Neel). Theo họ sự có mặt của lớp CoO hình thành trên bề mặt của các hạt Co sinh ra dị hướng đơn hướng (hay còn gọi là dị hướng trao đổi) đối với các hạt Co-một loại dị hướng khác ngoài dị hướng đơn trục và dị hướng hình thành trong các vật liệu từ [1,2]. Kết quả là tâm đường cong từ trễ bị dịch về phía từ trường âm. Hiệu ứng này là kết quả tương tác bề mặt trong hệ FM/AFM như màng hai lớp hoặc hạt sắt từ kim loại có lớp vỏ ôxit AFM. 1.3.1. Cách quan sát hiệu dịch trao đổi Cách thứ nhất, để quan sát được hiệu dịch trao đổi, chúng ta có thể đo đường cong từ trễ sau khi làm lạnh hệ trong từ trường ngoài dưới nhiệt độ TN của lớp phản sắt từ. Hình 1.9 (a) Minh họa đường cong từ trễ với lực kháng từ H+C và H-C. (b) Đường cong từ trễ bị dịch khỏi gốc tọa độ dọc theo trục của từ trường. Trong phép đo này, hệ bắt đầu ở nhiệt độ thấp hơn TC của sắt từ và trên nhiệt độ TN trong một từ trường khác không và từ trường ngoài được quét để đo đường cong từ trễ. Đường cong từ trễ này được gọi là đường cong từ trễ làm lạnh có từ trường, vì nó được đo sau khi làm lạnh hệ trong từ trường ngoài. Như phác họa trên hình 1.9(b), tâm của đường cong từ trên dịch chuyển tức là hiệu dịch khỏi gốc dọc theo trục từ trường thể hiện hiệu dịch trao đổi. Trong khi đường cong từ trễ ở hình 1.9 (a), tâm của đường từ trễ không hề dịch chuyển. Đường cong từ trễ này được đo trong chế độ khi làm lạnh hệ xuống nhiệt độ đo, không có mặt của từ trường ngoài. Hay còn gọi là đường cong từ trễ làm lạnh không có từ trường ngoài. Hơn nữa, độ rộng của đường cong từ trễ ở hình 1.9(b) lớn hơn so với hình 1.9.(a). Điều này được gọi là sự tăng lực kháng từ đi kèm với sự dịch tâm từ trễ quan sát trong hiệu dịch trao đổi. Trong đó, lực kháng từ và trường trao đổi hiệu dịch xác định như sau: . Cách thứ hai, ta quan sát thí nghiệm như sau: khi người ta bốc màng sắt từ (FM) trên màng phản sắt từ (AFM), người ta dùng một cái nam châm thì nam châm làm cho các đomen và trật tự lớp AFM định hướng sẵn. Do đó, khi bốc màng FM lên trên, thì hướng dễ từ hóa sẽ hướng theo lớp AFM. Điều này thì cũng tương tự như khi ta làm lạnh trong từ trường thì lớp AFM theo hướng của từ trường, do đó lớp FM phải sắp xếp spin theo hướng lựa chọn. 1.3.2. Hiện tượng dịch đường từ trễ trong hệ FM/AFM Khi làm lạnh trong xuống nhiệt độ TN, nhiệt độ chuyển pha từ thuận từ sang phản sắt từ, nhỏ hơn nhiều nhiệt độ Curie TC của FM, thì cả hai phần FM và AFM đều có spin sắp xếp theo trật tự: FM thì song song, AFM thì sắp xếp phản song song (xem Hình 1.10). Hình 1.10. Cơ chế hiệu dịch trao đổi trong màng hai lớp FM/AFM. Trong sự có mặt của thì định hướng spin của FM theo hướng của . Giả sử tương tác trao đổi FM và AFM ở bề mặt là JFM-AFM > 0 thì lớp bề mặt của AFM cũng phải sắp xếp theo hướng spin của FM. Còn lớp tiếp theo sắp xếp ngược lại. Cứ như thế AFM sẽ sắp xếp phản song song, lớp sát bề mặt FM phải song song với FM. Về mặt năng lượng thì lớp trên cùng của AFM và lớp duới cùng của FM sắp xếp như thế là có lợi về năng lượng, kết quả là năng lượng tổng cộng vẫn thấp hơn nếu như lớp trên cùng của AFM sắp xếp vừa song song với lớp FM vừa song song với AFM. Do lớp bề mặt của AFM sắp xếp phản song song nên đóng vai trò ghim giữ các spin của của lớp FM bề mặt. Dẫn đến ngoài việc lớp FM có dị hướng đơn trục của chính tinh thể FM, nó còn bị một dị hướng đơn hướng (hay còn gọi là dị hướng trao đổi) của lớp AFM ở trên mặt. Dị hướng này đóng vai trò như một từ trường thêm vào từ trường ngoài, dẫn đến có từ trường hiệu dụng: = ex + external Gốc của đường cong từ trễ bị dịch đi một khoảng ex và đây chính là cơ chế của hiệu dịch trao đổi. 1.3.3 Hiệu dịch trao đổi trong màng FE/FM Hiện tượng hiệu dịch trao đổi trong FM/AFM là do trật tự AFM dưới nhiệt độ TN và tương tác từ giữa spin của lớp FM bề mặt và lớp AFM bề mặt thì hiệu ứng này được quan sát trong hệ FM/FE nhờ vào trật tự sắt điện của lớp sắt điện dưới nhiệt độ Curie sắt điện TC và tương tác từ điện giữa mômen từ của lớp bề mặt của sắt từ và mômen điện của lớp sắt điện. Dưới nhiệt độ TC của sắt từ, các mômen từ sẽ định hướng theo điện trường tạo nên những đômen điện. Trật tự này giống như trật tự phản sắt từ, có vai trò ghim các mômen từ nằm trên lớp tiếp xúc theo hướng của mômen điện để có lợi về mặt năng lượng. Kết quả là khi làm lạnh hệ FM/FE trong một điện trường xuống dưới nhiệt độ TC của sắt điện thì trật tự sắt điện sẽ đóng vai trò cung cấp một dị hướng từ đơn hướng lên lớp sắt từ, dẫn đến đường cong từ trễ của lớp sắt từ bị dịch. Tức là xuất hiện hiệu dịch trao đổi. 1.3.3.1. Hiệu ứng điện từ Hiệu ứng điện từ là một tính chất nội tại quan trọng của vật liệu đa pha từ điện. Hiện tượng gồm có sự phân cực từ khi có mặt một điện trường ngoài đặt vào và có sự phân cực điện khi có từ trường ngoài đặt vào. Hiệu ứng này đáp ứng tuyến tính hoặc phi tuyến với trường ngoài. Tức là, khi có mặt điện trường E hoặc từ trường H ngoài thì có phân cực điện hoặc phân cực từ viết dưới dạng: Trong đó, Pi, Ei là thành phần x, y, z của phân cực điện và điện trường; Mi, Hi là thành phần x, y, z của từ độ và từ trường; là các ma trận cảm ứng điện từ tuyến tình và phi tuyến. Hiệu ứng có thể quan sát trong một chất đơn pha hay các vật liệu composit. Những vật liệu có hiệu ứng này là một loại vật liệu đa pha điện từ, nghĩa là trong các vật liệu này tồn tại các pha sắt điện, sắt từ hoặc sắt điện, phản sắt từ. Chúng được quan tâm nghiên cứu gần đây như một loại vật liệu đa chức năng có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị vi điện tử mà chúng ta có thể sử dụng điện trường hoặc từ trường ngoài để điều khiển các bậc tự do như độ phân cực điện và từ độ. Một số ví dụ của vật liệu đơn pha điện từ là Cr2O3 và những vật liệu đa pha từ điện trong đó xảy ra sự tương tác giữa các tham số trật tự từ và điện. Vật liệu composite từ điện là sự kết hợp của các vật liệu điện giảo và vật liệu từ giảo. Mức độ của hiệu ứng phụ thuộc vào cơ chế vi mô. Trong các vật liệu từ điện đơn pha, hiệu ứng có thể do sự tương tác của trật tự từ và điện như được quan sát trong các vật liệu đa pha điện từ. Trong các vật liệu composite màng đa lớp FM/FE, hoặc tổ hợp các hạt FE/FM tiếp xúc bề mặt nhau, hiệu ứng xuất phát từ các hiệu ứng tương tác bề mặt như ứng suất. Một số ứng dụng hứa hẹn của hiệu ứng từ điện bao gồm các cảm biến nhạy từ trường, các thiết bị logic tiên tiến hoặc các đầu lọc sóng vi ba… 1.3.5.2. Quan sát thực nghiệm trên màng FE/FM Sử dụng tính đa pha điện từ để điều khiển các tính chất dẫn của cấu trúc spin-van đang là một hướng đi đầy hứa hẹn của những ứng dụng tiềm năng cảu vật liệu đa pha điện từ. Một trong những ứng dụng là hiệu dịch trao đổi trong được quan sát trong các lớp tiếp xúc FM/FE. Như được trình bày ở trên, những kiến thức về hiệu ứng này giúp chúng ta biết được những nguyên lý tại sao có thể kết hợp một chất đa pha sắt điện từ trong cấu trúc này. Nếu chúng ta thay thế lớp AFM trong cấu trúc FM/AFM bằng một lớp vật liệu đa pha từ điện thì một cấu trúc spin-van đa pha điện từ được phát triển với một khái niệm hoàn toàn mới. Thay vì sự tương tác giữa các spin bề mặt của lớp AFM lên spin bề mặt lớp FM trong cấu trúc truyền thống để dẫn đến hiệu dịch trao đổi thì tương tác giữa mômen điện hoặc mômen từ của lớp vật liệu đa pha điện từ lên spin bề mặt của lớp FM sẽ dẫn đến hiệu dịch trao đổi. Điều này có thể nhờ vào hiệu ứng từ điện nói trên, một mômen từ và mômen điện có thể tương tác với nhau thông qua hệ số từ điện. Hình 1.11 Miêu tả sơ lược một lớp FM mềm bốc bay trên một màng đa pha điện từ. Điện trường ngoài gây nên sự biến thiên từ độ của lớp FM/FE và cuối cùng gây ra sự đảo chiều của từ độ trong lớp FM do hiệu ứng ghim từ. Một cách tiếp cận khác mà được xây dựng mô hình trong luận văn này ở chương 2, là có thể thay thế lớp AFM bằng lớp FE có nhiệt độ Curie sắt điện thấp hơn nhiệt độ Curie sắt từ. Về mặt công nghệ, tiếp xúc giữa một pha sắt điện và một pha sắt từ có thể tạo ra bằng công nghệ màng mỏng, tức là ta có thể bốc bay một lớp sắt từ trên một lớp sắt điện, hoặc sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn, trong đó ta có thể trộn lẫn các hạt gốm của hai pha sắt điện và sắt từ lại với nhau và nung thiêu kết. Các tiếp xúc biên hạt giữa hai pha này là một ví dụ. Bằng cách tiếp cận mới này, chúng ta có thể tạo ra tiếp xúc sắt điện, sắt từ và tận dụng hiệu ứng từ điện, do tương tác giữa các mômen từ của lớp FM và mômen điện của lớp sắt điện. Trong cách tiếp cận này, hiệu dịch trao đổi có thể điều khiển nhờ vào một điện trường thay vì bởi từ trường như cách tiếp cận truyền thống trên hệ FM/AFM. Cách tiếp cận này cho phép khả năng để biến điệu, chuyển trạng thái từ độ của lớp sắt từ trong cấu trúc spin-van. Thực nghiệm gần đây đã chứng minh tính ứng dụng của cách tiếp cận này. Một trong số đó là hiệu dịch trao đổi được quan sát trong cấu trúc gồm một màng sắt từ CoFeB được bốc bay trên một màng phản sắt từ BiFeO3, trong đó có đồng thời tồn tại pha sắt điện. Hiệu dịch trao đổi được quan sát đáng kể trong cấu trúc này như trình bày trong Hình 1.12. Hình 1.12 Mô tả hiệu dịch trao đổi trên hệ CoFe/BiFeO3. Sự phụ thuộc từ trường của từ độ màng đa lớp CoFeB/BiFeO3 trên đế SrTiO3 với định hướng tinh thể [001] (hình trên bên trái); CoFeB/BiFeO3 trên đế SrTiO3 với định hướng tinh thể [111] (hình trên bên phải); CoFeB/BiFeO3 trên tổ hợp đế La0,7Sr0,3MnO3/SrTiO3 với định hướng tinh thể [001] (hình dưới bên trái); CoFeB/BiFeO3 trên tổ hợp đế La0,7Sr0,3MnO3/SrTiO3 với định hướng tinh thể [111] (hình dưới bên phải). Ngoài cấu trúc van spin CoFeB/BiFe03 trình bày ở trên, một thí nghiệm tương tự trên cấu trúc hai lớp Cr2O3/FM trong đó, Cr2O3 là một hợp chất từ điện hơn là một hợp chất đa pha điện từ, đã được công bố. Tuy nhiên, tín hiệu về dịch đường cong từ trễ rất nhỏ. Trong khi đó, hiệu dịch trao đổi rất lớn trong tổ hợp Py/YMO3 cũng đã được quan sát (xem Hình 1.13). Chi tiết về kết quả thực nghiệm này được trình bày trong tài liệu []. Hình 1.13 Dịch đường cong từ trễ trong hệ màng hai lớp Py/YMO3. 1.4. Ứng dụng của hiệu dịch trao đổi Như trình bày ở phần mở đầu, ứng dụng của hiệu dịch trao đổi rất quan trọng trong thiết bị van spin để ổn định nhiệt lớp sắt từ cứng cũng như trong các màng mỏng ghi từ để ổn định các hạt từ. Trong phần này, chi tiết về ứng dụng của hiệu dịch trong hai ví dụ này sẽ được trình bày một cách cụ thể. Trong lĩnh vực spin tử (spintronics), các thiết bị van spin được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng như một thiết bị cảm biến từ trở quan trọng trong các cảm biến từ và đầu đọc/ghi từ của các bộ nhớ động từ (MRAMs). Về nguyên lý, một van spin gồm hai hay nhiều lớp sắt từ dẫn điện (kim loại) và có thể thay đổi điện trở của nó (từ thấp đến cao và ngược lại) phụ thuộc vào định hướng của từ độ của các lớp sắt từ. Các lớp sắt từ có trạng thái từ độ “up” hay “down” từ trường ngoài. Các lớp từ được tạo ra bởi hai vật liệu sắt từ có lực kháng từ khác nhau. Do sự khác nhau về lực kháng từ, một lớp màng (lớp màng sắt từ mềm) thay đổi độ phân cực từ ở từ trường nhỏ trong khi một lớp màng (lớp sắt từ cứng) thay đổi độ phân cực từ ở từ trường cao. Khi từ trường xiên qua mẫu được quét thì có hai trạng thái từ được thiết lập. Một trạng thái với từ độ của 2 lớp màng song song ứng với điện trở thấp, còn một trạng thái ứng với từ độ của hai lớp màng phản song song ứng với điện trở cao. Để ổn đinh từ độ của lớp từ cứng, một lớp phản sắt từ được tạo ra tiếp xúc với lớp sắt từ này (xem Hình 1.14) và tạo ra dị hướng từ đơn hướng (hệ quả của trao đổi hiệu dịch) để ghim từ độ của lớp sắt từ cứng theo một hướng, nếu không từ độ này cũng thay đổi theo từ trường và trạng thái điện trơ thấp và cao không còn rõ ràng dẫn đến độ tin cậy của van spin bị mất đi. Một ví dụ khác là độ ổn định nhiệt của hạt từ trong môi trường ghi từ. Như chúng ta biết, các hạt từ có thể xem như các nam châm vĩnh cửu thu nhỏ. Khi đã đươc từ hóa (ghi từ) thi do thăng giáng nhiệt mà từ độ có thể bị mất đi là phụ thuộc và lực kháng từ của mỗi hạt từ, lực kháng từ này tỷ lệ với dị hướng tinh thể. Dị hướng từ tinh thể này lại tị lệ với kich thước của hạt từ. Khi hạt từ càng nhở, thì mật độ sỗ hạt từ trên một đơn vị diện tích càng cao thì mật độ lư trữ thông tin càng cao. Tuy nhiên, hạt càng nhỏ thì lực kháng từ càng nhỏ và do đó từ độ càng dễ bị mất, hiện tượng này gọi là giới hạn siêu thuận từ. Nghĩa là khi thu nhỏ hạt từ để tăng mật độ lưu trữ và giảm kích thước thiết bị thì ta sẽ gặp phải một giới hạn dưới của kích thước để thông tin ghi trên hạt từ không bị tự xóa (bay hơi). Tuy nhiên, nếu ta nhúng các hạt từ trong một dung dịch rắn là một chất sắt từ thì tương tác trao đổi hiệu dịch giữa các hạt từ (pha sắt từ) và ma trận phản sắt từ sẽ cung cấp thêm dị hướng cho hạt từ và dẫn đến lực kháng từ tăng. Chú ý răng, hiện tượng trao đổi hiệu dịch có thể quan sát bởi sự dịch dường cong từ trễ đồng thời tăng lực kháng từ của chất sắt từ. Do đó, hiệu ứng này cho phép vượt qua giới hạn siêu thuận từ để giảm kích thước hạt từ trong môi trường ghi từ mật độ cao. Hình 1.14. Cấu trúc một spin valve sự dụng hớp phản sắt từ để ghi giữ từ độ của lớp từ cứng tiếp xúc với nó thông qua hiệu dịch trao đổi. Trong cấu trúc này AF pinning layer =lớp phản sắt từ, pinned layer =lớp sắt từ cứng bị ghim, free layer = lớp sắt từ mềm có từ độ tự do lật trạng thái theo từ trường trong khi từ độ của lớp từ cứng bị ghi giữ chỉ theo một hướng, và pacer layer = lớp phân cách là lớp kim loại phi từ, thường là Cu CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG MONTER CARLO 2.1. Mô hình hiệu dịch trao đổi màng hai lớp FM/FE Trên mô hình, màng hai lớp gồm lớp FM phía trên có độ dày tFM tương tác trao đổi với lớp FE phía dưới có độ dày tFE. Các nguyên tử từ định xứ tại các nút mạng tinh thể lập phương đơn giản, hằng số mạng a của lớp FM và FE coi như nhau. Các mũi tên biểu diễn các nút mạng ứng với nguyên tử từ trong khi đó các chấm tròn là các vị trí của các nguyên tử phi từ được đưa vào một cách ngẫu nhiên để pha loãng AFM (hình 2.1 (a)). Các nguyên tử từ có sp