Đề tài Phương pháp chế tạo màng mỏng

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM KHOA VẬT LÝSERMINARE : MÀNG MỎNG TỪ TÍNH Giảng viên : TS.Lê Văn Hiếu Học viên : Nguyễn Thụy Thảo Nguyên Trịnh Thị Thu Thủy NỘI DUNG TRÌNH BÀY: I. GIỚI THIỆU II.PHÂN LOẠI III.PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO IV.PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG VÀ ỨNG DỤNG I. GIỚI THIỆU Màng mỏng là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại . Khái niệm "mỏng" trong màng mỏng rất đa dạng, có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet. Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung bình của điện tử hoặc các chiều dài tương tác thì tính chất của màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối. Hiệu ứng thay đổi tính chất rõ rệt nhất về tính chất của màng mỏng là hiệu ứng bề mặt. Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ví dụ như trong các vật liệu sắt từ, ở vật liệu dạng khối, dị hướng từ tinh thể ảnh hưởng rất lớn đến tính chất từ, nhưng khi chế tạo ở các màng đủ mỏng, dị hướng từ tinh thể có thể biến mất mà thay vào đó là dị hướng từ bề mặt. Màng vật liệu từ tính có trạng thái vật lý ở thể rắn là với chiều dày khoảng vài µm (nhỏ hơn 5 µm). Còn được biết với tên gọi màng sắt từ hay màng từ. Màng từ có thể là đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình hoặc đa lớp. Ứng dụng bao gồm các lĩnh vực bộ lưu trữ quang từ, đầu ghi cảm ứng, cảm biến từ trở, trong các thành phần xử lý và lưu trữ của máy vi tính. Màng mỏng từ tính và tính chất của nó đã thu hút rất nhiều sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học trong suốt 30 năm qua. Băng ghi âm là 1 trong những ứng dụng của màng mỏng này.Kĩ thuật màng mỏng từ tính ngày càng hoàn thiện khi chế tạo ra cac màng từ có bề dày từ micro đến nano mét nhưng khả năng lưu trữ , tính bền vững và tốc độ lưu trữ ngày càng cao II. PHÂN LOẠI 1. CƠ SỞ PHÂN LOẠI: Vật liệu từ được chia làm hai loại: • Vật liệu từ mềm (Soft magnetic materials) -Dễ bị từ hóa và khử từ -Sắt từ mềm có đường trễ hẹp -Từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn Ứng dụng: Làm nam châm điện, động cơ , máy biến thế, rơle • Vật liệu từ cứng (Hard magnetic materials) -Khó từ hóa và khử từ -Sắt từ cứng có đường trễ rộng -Từ độ bão hòa thấp Ứng dụng : ổ ghi thông tin Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm và một số thông số trên đường trễ Đường cong từ trễ và các đặc trưng của vật liệu từ cứng 2. Một số vật liệu từmềm điển hình: Tôn Silic:Là hợp kim của sắt (khoảng 85%), với Silic (Si), hoặc chứa thêm khoảng 5,4% nhôm (Al), còn được gọi là hợp kim Sendust, là một trong những vật liệu sắt từ mềm được dùng phổ biến nhất có độ cứng cao, có độ từ thẩm cao và tổn hao trễ thấp. Tuy nhiên, vật liệu này trên nền kim loại, nên có điện trở suất thấp, do đó không thể sử dụng ở tần số cao do sẽ làm xuất hiện tổn hao xoáy lớn. Hợp kim Permalloy : Là hợp kim của niken (Ni) và sắt (Fe), có lực kháng từ rất nhỏ, độ từ thẩm rất cao (vật liệu Ni75Fe25 có độ từ thẩm ban đầu lớn tới 10000), có độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn cao. Tuy nhiên, permalloy có từ độ bão hòa không cao. Hợp kim FeCo: là các hợp kim từ mềm có từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao Các vật liệu gốm ferrite: Là hợp chất của ôxit Fe (Fe2O3) với một ôxit kim loại hóa trị 2 khác, có công thức chung là MO. Các ferrite mang bản chất gốm, nên có điện trở suất rất cao nên tổn hao dòng xoáy của ferrite rất thấp, được dùng cho các ứng dụng cao tần và siêu cao tần. Hợp kim vô định hình và nanô tinh thể: Là các hợp kim nền sắt hay cô ban (Co), ở trạng thái vô định hình, do đó có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh thể, đồng thời có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, và có thể sử dụng ở tần số cao hơn so với các vật liệu tinh thể nền kim loại. Vật liệu vô định hình không có cấu trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì thế nó có tính từ mềm rất tốt Dựa vào các tinh chất cũng như các loại vật liệu từ mềm điển hình mà các nhà nghiên cứu chế tạo được màng từ mềm Màng từ mềm với từ độ bão hòa cao và lực kháng từ nhỏ cỡ 10 Oe được làm từ hợp chất (Fe0.65Co0.35)91.2Zr1.8O7 hiện được dùng làm đầu ghi trong hệ thống lưu trữ thông tin từ tính Một số vật liệu từ cứng điển hình: Hợp kim AlNiCo: Là hợp kim được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu, có thành phần chủ yếu là nhôm (Al), niken và côban (Co), có thể có thêm các thành phần phụ gia như đồng (Cu), titan (Ti),... Hợp kim này có từ dư cao, nhưng có lực kháng từ khá nhỏ (thường không vượt quá 2 kOe) và có giá thành cao. Vật liệu từ cứng ferrite: Là các gốm ferrite, mà điển hình là ferrite bari (BaFexO), stronsti (SrFexO) và có thể bổ sung các nguyên tố đất hiếm (ví dụ lanthannium (La)) để cải thiện tính từ cứng. Các vật liệu từ cứng liên kim loại chuyển tiếp - đất hiếm: Điển hình là hai hợp chất Nd2Fe14B và họ SmCo (Samarium- Cobalt), là các vật liệu từ cứng tốt nhất hiện nay. Hợp chất Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, có lực kháng từ có thể đạt tới trên 10 kOe và có từ độ bão hòa cao nhất trong các vật liệu từ cứng, do đó tạo ra tích năng lượng từ khổng lồ. SmCo là loại vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn nhất (có thể đạt tới 40 kOe), và có nhiệt độ Curie rất cao nên thường sử dụng trong các máy móc có nhiệt độ hoạt động cao (nam châm nhiệt độ cao). Tuy nhiên, nhược điểm của các nam châm đất hiếm là có độ bền không cao (do các nguyên tố đất hiếm dễ bị ôxi hóa), có giá thành cao do các nguyên tố đất hiếm có giá thành rất cao, vật liệu NdFeB còn có nhiệt độ Curie không cao lắm (312oC) nên không sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt được. Nam châm đất hiếm có tích năng lượng từ kỷ lục là Nd2Fe14B đạt tới 57 MGOe. Hợp kim FePt và CoPt: Bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1950s. Hệ hợp kim này có cấu trúc tinh thể tứ giác tâm diện (fct), thuộc loại có trật tự hóa học L10, có ưu điểm là có lực kháng từ lớn, có khả năng chống mài mòn, chống ôxi hóa rất cao. Loại hợp kim này hiện nay đang được sử dụng làm vật liệu ghi từ trong các ổ cứng. Màng từ cứng đa lớp NdFeB và SmCo được tạo ra từ phương pháp lằng đọng trên đế được nung nóng (heated substrates) với pha phù hợp , cấu trúc vi mô,kết cấu vi mô và tính chất từ của chúng đã được nghiên cứu.Bằng cách chọn vật liệu nền thích hợp, nhiệt độ của đế và chiều dày của màng mỏng, màng Nd2Fe14B có thể đạt được lực kháng từ khoảng 1.5 T đền 2T.Chúng được ứng dụng chủ yếu trong chế tạo đĩa cứng.