Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3 NCS (Luận án tiến sĩ)
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC 1.1 Khái niệm plasmon 1.2 Phân loại plasmon 10 1.3 Điều khiển độ truyền qua tinh thể plasmon từ từ trường 12 1.4 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt 16 1.5 Hiện tượng plasmonic và spinplasmonics 17 1.6 Tương tác magnon-plasmon 21 1.7 Sơ lược tình hình nghiên cứu spin-plasmonic nước 27 1.8 Kết luận chương 28 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano phương pháp phún xạ cao tần 29 2.1.1 Nguyên tắc chung phương pháp phún xạ cao tần 29 2.1.2 Cách bố trí bia chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt 32 2.1.3 Xử lý màng mỏng sau chế tạo 33 2.2 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano phương pháp bốc bay nổ chân không 33 2.2.1 Nguyên lý bốc bay nổ 34 2.2.2 Ưu điểm, nhược điểm phương pháp bốc bay nổ 35 2.3 Các phương pháp khảo sát màng mỏng 36 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc nhiễu xạ tia X 36 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 37 2.3.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 37 2.3.4 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 37 i 2.3.5 Khảo sát tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM) 38 2.4 Thiết lập hệ đo quang-từ để khảo sát tượng plasmonic 38 2.4.1 Sơ đồ khối hệ đo quang-từ 38 2.4.2 Thông số kĩ thuật thiết bị sử dụng hệ đo quang-từ 40 2.4.3 Thiết lập hệ đo quang-từ với nguồn ánh sáng laser đỏ 45 2.4.4 Thiết lập hệ đo quang-từ với ánh sáng đơn sắc khác 46 2.5 Kết luận chương 49 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH THÁI CẤU TRÚC DẠNG HẠT CỦA CÁC MÀNG MỎNG Co-Al2O3 VÀ Co-Ag 50 3.1 Một số đặc trưng cấu trúc tính chất từ hệ Co-Al2O3 50 3.1.1 Tỉ lệ thành phần Co màng mỏng Co-Al2O3 50 3.1.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thơng qua ảnh SEM 53 3.1.3 Hình thái cấu trúc thơng qua ảnh AFM 54 3.1.4 Hình thái vi cấu trúc thông qua giản đồ XRD 56 3.1.5 Tính chất từ hệ màng mỏng Co-Al2O3 59 3.2 Một số đặc trưng cấu trúc tính chất từ hệ Co-Ag 62 3.2.1 Tỉ lệ thành phần Co màng mỏng Co-Ag 62 3.2.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM 64 3.2.3 Hình thái màng mỏng dạng hạt thơng qua ảnh TEM 67 3.2.4 Khảo sát cấu trúc màng mỏng thông qua phổ nhiễu xạ điện tử (ED) 68 3.2.5 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM 68 3.2.6 Tính chất từ hệ Co-Ag 71 3.3 Kết luận chương 72 CHƯƠNG 4: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Ag 73 4.1 Biểu plasmonic từ tính thơng qua phổ truyền qua ánh sáng nhìn thấy hệ màng mỏng dạng hạt Co - Ag 74 4.1.1 Phổ truyền qua hệ màng mỏng Co-Ag 74 ii 4.1.2 Sự phụ thuộc phổ truyền qua vào tỉ lệ Co từ trường 75 4.1.3 Hiện tượng plasmonic từ tính hệ mẫu màng mỏng Co-Ag 78 4.2 Biểu plasmonic từ tính thơng qua phổ phản xạ ánh sáng nhìn thấy hệ màng mỏng dạng hạt Co - Ag 79 4.2.1 Phổ phản xạ phụ thuộc vào tỉ lệ hạt sắt từ Co mẫu 80 4.2.2 Ảnh hưởng từ trường lên phổ phản xạ màng mỏng Co-Ag 82 4.2.3 Về biểu hiện tượng plasmonic từ tính hệ mẫu Co-Ag 85 4.3 Kết luận chương 89 CHƯƠNG 5: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Al2O3 90 5.1 Nghiên cứu thực nghiệm phổ truyền qua màng mỏng dạng hạt Co - Al2O3 91 5.1.1 Sự truyền qua phụ thuộc từ trường tỉ lệ Co ánh sáng laser đỏ 91 5.1.2 Sự truyền qua phụ thuộc vào hướng từ trường 95 5.2 Cơ chế tương tác magnon-plasmon màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 98 5.2.1 Mô hình cho chế tương tác photon-magnon 98 5.2.2 Cơ chế ghim magnon tương tác magnon-plasmon 103 5.3 Kết luận chương 106 KẾT LUẬN CHUNG 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO A DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN N iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AFM AMR CVD ED EDS FE FM GMR GGG IG LSP MBE MEF MGF NM PVD RF RKKY Interraction SEM SERS SNOM SPE EELS SPP SPR TEM TMR XRD Tên tiếng Anh đầy đủ Atomic Force Microscope Anisotropic Magnetoresistance Chemical Vapor Deposition Electron Diffraction Energy Dispersion Spectroscopy Flash Evaporation Ferromagnetic Material Giant Magneto-Resistance Gadolinium Gallium Garnet Iron Garnet Local Surface Plasmon Molecular Beam Epitaxy Metal Enhancement Fluorescent Magnetic granular thin film Nonmagnetic Material Physical Vapor Deposition Radio Frequency Ruderman-Kittel-KasuayaYosida Interraction Scanning Electron Microscope Surface Enhanced Raman Spectroscopy Near-field Scanning Optical Microscope Spinplasmonic electron Electron Energy Loss Spectroscopy Surface Polariton Plasmon Surface Plasmon Resonance Transmission Electron Microscope Tunneling Magnetoreristance X-ray Diffraction iv Dịch nghĩa Kính hiển vi lực nguyên tử Từ điện trở dị hướng Lắng đọng pha hóa học Nhiễu xạ điện tử Phổ tán sắc lượng Bốc bay nổ Vật liệu sắt từ Từ điện trở khổng lồ Tinh thể định hướng GGG Tinh thể Iron Garnet Plasmon bề mặt định xứ Phương pháp epitaxy chùm phân tử Huỳnh quang tăng cường nhờ kim loại Màng mỏng từ dạng hạt Vật liệu phi từ Lắng đọng pha vật lý Tần số Radio Tương tác RKKY Kính hiển vi điện tử quét Tán xạ Raman tăng cường bề mặt Kính hiển vi quang học quét trường gần Điện tử spinplasmonic Phổ tổn hao lượng điện tử Plasmon polariton bề mặt Cộng hưởng plasma bề mặt Kính hiển vi điện tử truyền qua Từ điện trở xuyên ngầm Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm lượng điện tử [90] Hình 1.2 Phân loại plasmon [76] 10 Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [19] 11 Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [34] 12 Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm mẫu khảo sát spinplasmonic [30] 14 Hình 1.6 Phổ truyền qua tinh thể Plasmonic [96] 15 Hình 1.7 Kết phổ truyền qua tinh thể plasmon từ với cấu trúc hốc nano (đường kính 150 nm chu kì 400 nm ) bề mặt mẫu Một sóng phân cực thẳng tới vng góc tinh thể từ phía khơng khí [96] 16 Hình 1.8 Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực hạt nano [96] 17 Hình 1.9 Khi vi hạt Co/Au đặt từ trường ngoài, electron hạt Co bị phân cực spin [11] 18 Hình 1.10 Cơ chế tượng plasmon-spin [58] 19 Hình 1.11 Chuẩn hóa biên độ điện trường sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au (hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) Co-42%Au(hình vng) tác dụng từ trường B// [58] 20 Hình 1.12 Chuẩn hóa biên độ điện trường sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au (hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) Co-42%Au(hình vng) tác dụng từ trường B [58] 21 Hình 1.13 Plasmon tạo từ trường không đồng [114] 23 Hình 1.14 Hiệu ứng phân cực spin electron nguyên tử từ [114] 24 v Hình 1.15 Spin phổ tiêu hao lượng phương Gd/Mo (112) 0(a), 1/2(b), 3/4 (c) 5/4 (d)[49] 25 Hình 1.16 Bất đối xứng spin kích thích plasmon (hình vng) lượng tiêu hao khoảng eV Drude (vòng tròn) với lượng tiêu hao cỡ 1,5 eV chức vector sóng [43] 26 Hình 1.17 Phổ tổn hao lượng Gd/Mo (112) trung tâm vùng Brillouin 200K 300K [49] 27 Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy phún xạ 30 Hình 2.2 Bia ghép Al2O3-Co 32 Hình 2.3 Sơ đồ hệ bốc bay nổ chân không 35 Hình 2.4 Ngun lí hoạt động kính hiển vi lực nguyên tử AFM [14] 38 Hình 2.5 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường 39 Hình 2.6 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số phản xạ phụ thuộc từ trường ngồi 39 Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát phụ thuộc dòng quang điện quang trở vào cường độ chiếu sáng đến quang trở 41 Hình 2.8 Sự phụ thuộc điện trở quang trở vào cường độ sáng 41 Hình 2.9 Laser He- Ne gồm đầu phát Laser(a) nguồn cao áp (b) 42 Hình 2.10 Khảo sát phụ thuộc từ trường cuộn cảm vào cường độ dòng điện máy đo từ Gauss 43 Hình 2.11 Sự phụ thuộc từ trường B vào cường độ dòng điện 44 Hình 2.12 Hệ đo quang-từ sử dụng detector đầu đo cơng suất (1) nguồn laser đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây tạo từ trường, (4) thấu kính hội tụ, (5) đầu đo cơng suất, (6) nguồn chiều, (7) ôm kế, (8) nguồn cao áp laser He-Ne 45 vi Hình 2.13 Hệ đo quang-từ sử dụng detector quang trở CdS (1) nguồn laser đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây, (4) thấu kính hội tụ, (5) quang trở CdS, (6) nguồn chiều, (7) ampe kế, (8) ôm kế, (9) nguồn cao áp laser He-Ne 46 Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngồi 46 Hình 2.15 Thiết bị lock-in DSP 7225 47 Hình 2.16 Hệ tán sắc ánh sáng CARLZEISS JENA 47 Hình 2.17 Chopper tạo xung 48 Hình 2.18 Hệ đo quang-từ với ánh sáng đơn sắc khác (1) máy quang phổ; (2) chopper; (3) kính phân cực; (4) (4’) thấu kính hội tụ; (5) nam châm; (6) cảm biến quang trở CdS; (7) khuếch đại lock-in DSP 7225; (8) nguồn chiều 49 Hình 3.1 Mối quan hệ tỉ lệ % nguyên tử Co mẫu so với tỉ lệ diện tích bia 52 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 tẩm thực NaOH 10 phút 53 Hình 3.3 Ảnh SEM mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 tẩm thực NaOH phút 53 Hình 3.4 Ảnh AFM (chế độ “height”) mẫu màng mỏng Co(15%)-Al2O3 chưa ủ nhiệt (a), sau ủ nhiệt 250oC 1h (b) 54 Hình 3.5 Ảnh AFM (chế độ “height”) mẫu màng mỏng Co(40%)-Al2O3 chưa ủ nhiệt (a), sau ủ nhiệt 250oC 1h (b) 54 Hình 3.6 Ảnh AFM trích xuất từ ảnh AFM mẫu màng mỏng Co(15%)-Al2O3 Co(40%)-Al2O3 sau ủ nhiệt 250oC vòng 1h 55 Hình 3.7 Minh họa mặt cắt bề mặt ghi nhận AFM mẫu màng mỏng Co-Al2O3, thể hạt/chùm nguyên tử Co cô lập bao lớp Al2O3 56 vii Hình 3.8 Giản đồ XRD mẫu màng mỏng dạng hạt Cox(Al2O3)1-x với x = 0.27 57 Hình 3.9 Đường cong từ trễ mẫu màng mỏng dạng hạt Co(x%)-Al2O3 với từ trường vng góc bề mặt mẫu với x = 6, 16, 27, 49 59 Hình 3.10 Đường cong từ trễ mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3 61 Hình 3.11 Đường cong từ trễ mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3 với từ trường theo hai phương song song vng góc với bề mặt mẫu 61 Hình 3.12 Đường cong từ trễ mẫu màng mỏng dạng hạt Co(49%)-Al2O3 62 Hình 3.13 Kết phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(8%)-Ag 62 Hình 3.14 Kết phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(15%)-Ag 63 Hình 3.15 Kết phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(25%)-Ag 63 Hình 3.16 Kết phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(50%)-Ag 63 Hình 3.17 Ảnh SEM mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(23%)-Ag bốc bay nổ 65 Hình 3.18 Ảnh SEM mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(20%)-Ag phún xạ 65 Hình 3.19 So sánh hình thái bề mặt qua ảnh SEM mẫu màng mỏng bốc bay nổ với tỷ lệ Co khác 65 Hình 3.20 Ảnh SEM mẫu Co(27%)-Ag sau bắn phá ion 66 Hình 3.21 Ảnh SEM mẫu Co(20%)-Ag sau bắn phá ion 66 Hình 3.22 Ảnh TEM mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag bốc bay nổ 67 Hình 3.23 Ảnh ED mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag 68 Hình 3.24 Ảnh AFM mẫu màng mỏng dạng Co(22%)-Ag 69 viii Hình 3.25 Ảnh AFM mẫu màng mỏng dạng Co(27%)-Ag 69 Hình 3.26 Ảnh AFM mẫu màng mỏng dạng 100% Co 70 Hình 3.27 Ảnh AFM mẫu màng mỏng dạng 100% Ag 70 Hình 3.28 Tính chất từ số màng mỏng từ dạng hạt Co-Ag 71 Hình 4.1 Phổ truyền qua màng mỏng Cox-Ag với x = x = 27% nguyên tử, khơng có từ trường (B = 0) có từ trường tác dụng (B = 500 G) 75 Hình 4.2 Phổ truyền qua màng mỏng Cox-Ag với x khác nhau, khoảng – 63 % ngun tử, khơng có từ trường (B = 0) có từ trường tác dụng (B = 500 G) 75 Hình 4.3 Sự biến thiên có dạng dao động tắt dần theo tỷ lệ thành phần Co (x khoảng 63% nguyên tử) hệ số truyền qua quan sát bước sóng = 560 nm (a) 660 nm (b) 77 Hình 4.4 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co B=0 80 Hình 4.5 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co B=0 81 Hình 4.6 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co ứng với bước sóng 660 nm B = 81 Hình 4.7 (a) Phổ phản xạ màng mỏng với x = 7% khối lượng Co-Ag tác dụng từ trường ngồi có cường độ khác nhau, B = 500 G (b) Vùng phổ bước sóng dài tách từ hình (a) để thấy rõ xu hướng biến thiên theo cường độ từ trường 82 Hình 4.8 Phổ phản xạ ánh sáng bề mặt mẫu màng mỏng có tỷ lệ Co khác với tác dụng từ trường B = 500 Gs: (a) x = 0; (b) x ~ 0.04; (c) x ~ 0.06; (d) x ~ 0.07 83 Hình 4.9 1.6Mô chế tương tác magnon-plasmon 85 ix Hình 5.1 Tỷ số truyền qua phụ thuộc từ trường chùm tia laser đỏ màng mỏng Cox-Al2O3 có tỷ lệ Co khác nhau: x = 16%(hình a), 27% (hình b), 49% (hình c), 63% (hình d) 100%(hình e) Các đường chấm ngang thể mức truyền qua x nhỏ (≤ 49 %) mức trần truyền qua x lớn (> 49 %) 92 Hình 5.2 Quan hệ cường độ chùm laser tới J0 , truyền qua JT phụ thuộc vào lượng hạt, hay chùm nguyên tử, Co (a) hay nhiều (b) Al2O3 93 Hình 5.3 (a) Cơ chế plasmonic, (b) chế spinlasmonics [7] 103 Hình 5.4 Mô chế tương tác magnon-plasmon 99 Hình 5.5 (a) Một tia sáng ánh sáng nhìn thấy tác động vào màng mỏng từ dạng hạt đặt từ trường ngồi điều chỉnh (b) Minh họa tương quan hình học (x, y, z, φ), quang học (trục quang, B0, E0) từ trường (Hinit, Mi, H) yếu tố ảnh hưởng (c) Biểu hiện tượng plasmonic với điện trường phân cực E’ màng mỏng từ dạng hạt với kích thước D (d) (e) Các hạt siêu thuận từ màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 có khơng có từ trường H 105 Hình 5.6 Sự phụ thuộc hệ số truyền qua vào hướng từ trường 96 Hình 5.7 (a) Minh hoạ chế tượng plasmonic cho spin màng mỏng từ dạng hạt bị tác động ánh sáng (b) Các spin bị phân cực thể vectơ từ độ Mi chịu tác động từ trường B0 bị phân cực điện E’ chịu tác động điện trường E0 (c)-(h) Minh họa tương tác photon-magnon tác dụng từ trường H thay đổi theo góc 102 Hình 5.8 (a) Hệ số truyền qua φ = hàm tỉ lệ Co mẫu (x), với ánh sáng có bước sóng khác (b) Hệ số truyền qua φ = 0o hàm bước sóng () với mẫu có tỉ lệ % Co khác (c) Hệ số truyền qua φ = 45o hàm bước sóng () với mẫu có tỉ lệ % Co khác 98 x ... hưởng (c) Biểu hiện tượng plasmonic với điện trường phân cực E’ màng mỏng từ dạng hạt với kích thước D (d) (e) Các hạt siêu thuận từ màng mỏng dạng hạt Co- Al2O3 có khơng có từ trường ngồi... màng mỏng Co- Ag 78 4.2 Biểu plasmonic từ tính thơng qua phổ phản xạ ánh sáng nhìn thấy hệ màng mỏng dạng hạt Co - Ag 79 4.2.1 Phổ phản xạ phụ thuộc vào tỉ lệ hạt sắt từ Co mẫu... HÌNH THÁI CẤU TRÚC DẠNG HẠT CỦA CÁC MÀNG MỎNG Co- Al2O3 VÀ Co- Ag 50 3.1 Một số đặc trưng cấu trúc tính chất từ hệ Co- Al2O3 50 3.1.1 Tỉ lệ thành phần Co màng mỏng Co- Al2O3 50 3.1.2