Bài giảng Vật liệu có cấu trúc Nano: Phần 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE

VIỆN

C NANO VVẬẬT LIT LIỆỆU CU CÓÓ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANO NANOSTRUCTURED MATERIALS NANOSTRUCTURED MATERIALS

PHPHẦẦN IIIN III C NANO & SPINTRONICS VVẬẬT LIT LIỆỆU TU TỪỪ CCÓÓ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANO & SPINTRONICS NANOTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS NANOTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

HANOI-2010

PHÂN CÔNG GIẢẢNG DNG DẠẠYY PHÂN CÔNG GI

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN I: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO

PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu

PHẦN II: VẬT LIỆU QUANG TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC NANO

TS. Nguyễn Văn Quy

PHẦN III: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN IV: CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

TS. Nguyễn Văn Quy

CCẤẤU TRU TRÚÚC PHC PHẦẦNN MÔN H

MÔN HỌỌCC

c nano & Spintronics PhPhầần IIIn III:: VVậật lit liệệu tu từừ ccấấu tru trúúc nano & Spintronics

TTÍÍNH CH

NH CHẤẤT TT TỪỪ CHUNG

CHUNG ỞỞ THANG NANOM

THANG NANOMÉÉTT

C NANO VVẬẬT LIT LIỆỆU TU TỪỪ KHKHỐỐI CI CÓÓ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANO

C NANO MMÀÀNG MNG MỎỎNG TNG TỪỪ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANO

DÂY TỪỪ VVÀÀ ỐỐNG TNG TỪỪ NANONANO DÂY T

HHẠẠT TT TỪỪ NANO, DOT T

NANO, DOT TỪỪ VVÀÀ CHCHÙÙM NANO T

M NANO TỪỪ

PHÂN TỬỬ VVÀÀ NGUYÊN T PHÂN T

NGUYÊN TỬỬ TTỪỪ CÔ LCÔ LẬẬPP

CCÁÁC KC KỸỸ THUTHUẬẬT HIT HIỆỆN ĐN ĐẠẠI QUAN S

I QUAN SÁÁT VT VÀÀ PHÂN T

PHÂN TÍÍCH ĐCH ĐẶẶC TRƯNG C

C TRƯNG CẤẤU TRU TRÚÚC TC TỪỪ NANONANO

•• •• •• •• •• •• ••

PhPhầần VIn VI: : CCáác vc vậật lit liệệu nano kh

liên quan u nano kháác vc vàà mmộột st sốố vvấấn đn đềề liên quan

CÁC VẬT LIỆU NANO CARBON

•

CÁC VẬT LIỆU NANO CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT KHÁC

•

HOÁ HỌC NANO

•

KHÍA CẠNH AN TOÀN VÀ NHỮNG THÁCH THỨC CỦA VẬT LIỆU NANO

CCÁÁC CC CẤẤU TRU TRÚÚC NANO TRONG T

NHIÊN C NANO TRONG TỰỰ NHIÊN

ĐIĐIỆỆN TN TỬỬ HHỌỌC PHÂN T

C PHÂN TỬỬ, NGUYÊN T

, NGUYÊN TỬỬ, V, VÀÀ THÔNG TIN LƯ

THÔNG TIN LƯỢỢNG TNG TỬỬ

TTƯƠƯƠNG LAI C

NG LAI CỦỦAA CCÔNG NGH

ÔNG NGHỆỆ NANONANO

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

• •• •• ••

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS NANOSTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS & SPINTRONICS

3.1. Tính chất từ ở thang nano

3.2. Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ

3.3. Vật liệu từ khối có cấu trúc nano

3.4. Màng mỏng từ cấu trúc nano

Spintronics Spintronics

3.5. Dây từ và ống từ nano

3.6. Phân tử và nguyên tử từ cô lập - Nam châm phân tử

3.7. Các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các đặc trưng

cấu trúc từ nano

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.13.1. T. Tíính ch

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

Chuỗi hạt nano

Dot nano

Dây nano dạng dải

Dây nano dạng trụ

Dot ngược (Antidot)

Tiếp xúc nano

Ống nano

Bậc nano bề mặt kề cận

Màng mỏng được tạo cấu trúc nano theo khuôn mẫu (pattern).

Xuyến (vòng) nano

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- Một số cấu trúc hình học nano tiêu biểu:

3.13.1. T. Tíính ch

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

NHỮNG TÍNH CHẤT TỪ NỔI BẬT Ở THANG NANO SO VỚI DẠNG KHỐI:

- Hành vi nội tại của các cấu trúc nano từ bị thay đổi bởi:

+ hiệu ứng kích thước bị giới hạn

+ hiệu ứng bề mặt

Vấn đề đặt ra: giới hạn bao nhiêu nguyên tử để vẫn duy trì được hành vi

nội tại của một nam châm khối ?

intrinsic): các tính chất/hành vi thuộc về bản chất, vốn có, nh phầầnn và ccấấu tru trúúcc bên trong của đối tượng; không phụ

Tính chất/hành vi nội tại (intrinsic tự thân có, được tạo ra từ ththàành ph thuộc số lượng, hình dạng, kích thước và các yếu tố bên ngoài khác; có tính bất biến. Ngược lại: ➽ extrinsic extrinsic

- Các tính chất từ nội tại như:

- Một số hành vi nội tại tiêu biểu: Tc, Ms, K

+ Xác lập mức độ dị hướng từ ngẫu nhiên

- Các tính chất từ ngoại lai như: Hc, Mr, (BH)max

+ Tăng cường độ từ dư + Định xứ tính vi từ (micromagnetic)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

+ Xuất hiện các kiểu (mode) tạo mầm từ dạng lồi (bulging-type) + Có nhiều loại liên kết trao đổi khác nhau + Các hiệu ứng biên hạt

3.13.1. T. Tíính ch

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

Các độ dài tới hạn cơ sở:

•(cid:122) Hằng số mạng:

a ≤ 1 nm

•(cid:122) Quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, ví dụ Al:

λ ≅ 102 nm

•(cid:122) Độ dày vách domain:

w ∝ (A/K)1/2 ≥ 1 nm

•(cid:122) Bước sóng của một số hạt vận chuyển: (Particle wavelength)

-1 ∝ n1/3

λF ∝ kF

- Với các bán dẫn: n ≅ 1016/cm-3

λ > 10 nm

- Với các kim loại: n ≅ 1022/cm-3

λ ~ 0.1 nm

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.13.1. T. Tíính ch

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

Hiện tượng nhốt (hay giam hãm) lượng tử và hiệu ứng điện tích khi kích thước thay đổi

Vùng các hiệu ứng lượng tử nổi trội

Vùng các hiệu ứng điện tích nổi trội

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.13.1. T. Tíính ch

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

(cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

- Các ng.tử bề mặt và mặt phân cách/tiếp xúc trong các cấu trúc nano

đóng góp mạnh nhưng không giống nhau vào các hành vi nội tại.

Mômen từ và năng lượng trao đổi giữa các nguyên tử bị biến đổi: sự thăng giáng mômen rất mạnh và bao trùm qua vài lớp ng.tử.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Các tính chất nội tại (mômen từ và năng lượng trao đổi) của cấu trúc đa lớp Pt-Fe (Theo Sabiryanov and Jaswal, 1998)

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

- Trong các cấu trúc nano từ 2 pha không trật tự, chỉ có chung một nhiệt độ TC . Điểm Curie này gần với điểm Curie của pha có tương tác trao đổi mạnh nhất. Khi kích thước hạt > khoảng cách vài lớp ng.tử ⇛ Thể hiện rõ tính sắt từ không đồng nhất: 2 điểm Curie và MS(T) là chồng chập của 2 pha khác nhau.

MS

TC1

TC

TC2

T

M

SP

FM

H

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Magnetic hysteresis loops for (a) 10 and (b) 15 nm diameter nanoparticles

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

Fe dưới dạng 2D, 1D và 0D mọc bằn kỹ thuật MBE trên lớp Cu(111)

1D 0D 2D

25 nm

Tõ ®é

(Magnetization) vµ NhiÖt ®é cña trËt tù tõ (Curie Temperature) cña Fe d−íi d¹ng 2D, 1D vµ 0D

.

2D 1D 0D

Mr-2D Mr-1D Mr-0D

.

) t i n u b r a (

r

M

T = 45 K

) t i n u b r a ( n o i t a z i t e n g a M

-6000

-4000

-2000

0 2000

4000

6000

0

50

100

150

200

250

300

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Temperature (K)

Magnetic field (Oe)

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

- Dị hướng từ bề mặt có nguồn gốc nguyên tử, và mạnh hơn khoảng 2 bậc so với dị hướng khối.

Dị hướng bề mặt và tính đối xứng: Thay vì có đặc trưng của dị hướng từ kiểu BCC, các mặt (011) và (111) xuất hiện đóng góp của các dị hướng trong mặt phẳng (in-plane) với đối xứng bậc 2 và bậc 6 (tương ứng).

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Do số ng.tử bề mặt NNss của các hạt nano (hay chùm) có thể so sánh được với số nguyên tử của cả hạt nano, nên đóng góp của dị hướng bề mặt vượt trội so với dị hướng khối khi hạt có kích thước < 3 nm.

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

§é nhít tõ (Magnetic Viscosity) cña Fe d−íi d¹ng 2D, 1D vµ 0D ®o ë T = 50 K

2D

0D

1D

field off

) t i n u

field off

.

field off

b r a ( n o i t a z i t n e g a M

b r a ( n o i t a z i t e n g a M

field on

40 -20

0

20 80 100 120 140

0

5

10

15

20

0

20

80

100

60 Time (s)

40 Time (s)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- (Trong từ học vật lý) - Tính nhớt từ là sự trễ về mặt thời gian giữa sự thay đổi của từ trường tác dụng lên một vật sắt từ và sự thay đổi xảy ra sau đó trong cảm ứng từ là rất lớn. (Trong vật lý plasma) - Là hiệu ứng, gây ra bởi từ trường khi không có tác động của lực co học hoặc điện trường mạnh, làm giảm/hạn chế sự chuyển động của một dòng vật chất dẫn điện theo phương vuông góc với đường sức từ, tương tự như hiện tượng nhớt thông thường.

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

- Kích thước hạt đơn và lực kháng từ: Từ hạt lớn (đa đômen) xuống đến hạt nano (đơn đômen) và tiến đến chùm phân tử hay nguyên tử: HHCC tăng mạnh.

Mesoscopic physics Mesoscopic physics

(Nanoscopic)

Xu hướng đa đômen có tác dụng giảm thất thoát năng lượng để hệ ởtr ạng thái ổn định hơn (cực tiểu năng lượng).

(Số mômen từ trong một hệ từ, gần đúng với số nguyên tử)

Hình thành, lan truyền và tiêu biến vách domain.

Quay, vặn đồng bộ & các kiểu không đồng bộ,...

Xuyên ngầm, giao thoa, kết hợp lượng tử .

Sự đảo từ trong các cấu trúc từ khi bị giảm kích thước

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

- Ở thang vĩ mô, một hệ từ bị chia ra thành các domain từ cách nhau bởi các vách domain để giảm năng lượng của toàn bộ hệ. ➽ Hệ ở trạng thái đa domain (đường từ trễ ở bên trái của hình ở slide trước).

- Đối với các hệ có kích thước < độ rộng của vách domain, hoặc của chiều dài trao đổi: ➽ bắt buộc phải tính đến các mômen từ (spins) và các liên kết của chúng. Mô tả về phương diện lý thuyết quá trình đảo từ ở các hệ này rất phức tạp do các biên hạt (particle's boundaries) (đường từ trễ ở bên phải của hình ở slide trước).

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- Khi kích thước của hệ cỡ độ rộng của vách domain, hoặc của chiều dài trao đổi: ➽ việc hình thành các vách domain đòi hỏi quá nhiều năng lượng. ➽ Hệ ở trạng thái đơn domain và sự đảo từ độ cần phải được thực hiện bằng cách quay, xoắn đồng bộ, hoặc các kiểu không đồng bộ khác (đường từ trễ ở giữa của hình ở slide trước).

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

H

Vortex

H

Kiểu đảo từ trong các hạt từ nano chuyển từ kiểu xoắn đồng bộ sang kiểu quay đồng bộ khi kích thước hạt giảm.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Đường từ trễ của các hạt nano từ dạng đĩa có đường kính d, dày t. (a) d = 300 nm, t = 10 nm; (b) d = 100 nm, t = 10 nm.

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

- Các hạt SPM gần như không có lực kháng từ - Hành vi SPM gần giống như thuận từ của các nguyên tử.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- Tính siêu thuận từ của các hạt nano đơn đômen (single domain: SD) & HC

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

3.13.1. T. Tíính ch (cid:153) Các hiện tượng vách hẹp và bị "thắt eo"

- Các vách dômen thông thường phẳng nhẵn và rộng tới nhiều lớp nguyên tử.

Với các vật liệu từ rất cứng, như SmCo5, lại có vách rất hẹp.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.13.1. T. Tíính ch

thang nano nh chấất tt từừ ởở thang nano

(cid:153) Các hiện tượng vách hẹp và bị "thắt eo"

(cid:153) Hiện tượng định xứ nano từ

(cid:153) Các hiệu ứng thao tác đồng thời (cooperative)

(cid:153) Dị hướng ngẫu nhiên & Tăng cường tính từ dư

(cid:153) Động lực học từ độ trong các cấu trúc nano

(cid:153) Các quy luật về hàng rào năng lượng bị thay đổi

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

CÊu tróc cña chất lỏng tõ (magnetic fluid) trªn cơ sở h¹t nano ferrite Fe3O4

Bao gåm 3 thµnh phÇn:

- C¸c h¹t tõ ®¬n ®«men víi m«men tõ ®Þnh h−íng ngÉu nhiªn

- M«i tr−êng dung m«i láng kh«ng cùc (n−íc/dÇu,...)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- Trªn bÒ mÆt h¹t ®−îc bao phñ mét líp ho¹t tÝnh bÒ mÆt.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

CÊu tróc cña chất lỏng tõ (magnetic fluid)

- C¸c h¹t tõ ®¬n ®«men cã kÝch th−íc cì vμi chôc nano mÐt vμ cã d¹ng gÇn h×nh cÇu ë trong m«i tr−êng chÊt láng, MS ~ 10-19 Am2 ⇒ TÝnh siªu thuËn tõ

- C¸c h¹t siªu thuËn tõ thùc hiÖn hai mode quay tù do:

1- Quay Brown víi thêi gian håi phôc:

2- Quay NÐel víi thêi gian håi phôc:

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Trong ®ã: v lµ thÓ tÝch cña h¹t, η0 lµ ®é nhít cña dung m«i, K lµ h»ng sè dÞ h−íng, f0 lµ tÇn sè Larmor (kho¶ng 109 s-1), k lµ h»ng sè Boltzmann vµ T lµ nhiÖt ®é.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Một số loại dung môi thương phẩm thường dùng cho chất lỏng từ

1. C¸c dung m«i h÷u c¬: Heptane, Xylene, Toluene, MEK

2. C¸c dung m«i v« c¬: N−íc

3. C¸c Hydrocarbon (tæng hîp hoÆc dÇu má)

4. Esters tæng hîp

5. Polyglycols

6. Polyphenyl ethers

7. Perfluoropolyethers

8. Silahydrocarbons

9. Halecarbons

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

10. Styrene

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

TÝnh chÊt cña chất lỏng tõ

Mét sè tÝnh chÊt vËt lý chung cña n−íc tõ

Trung tÝnh

MËt ®é

Tõ mµu hæ ph¸ch cho tíi mµu ®á

Mμu s¾c

KÝch th−íc h¹t

Thμnh phÇn

§é nhít

Nh− n−íc hoÆc dÇu

Tõ ®é

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

TÝnh chÊt cña chất lỏng tõ

N−íc tõ cã tÝnh chÊt ®Æc biÖt cña hÖ hai pha:

tæ hîp cña tÝnh láng trong c¸c chÊt láng th«ng th−êng víi tÝnh siªu thuËn tõ cña c¸c h¹t s¾t tõ hay ferri tõ ë tr¹ng th¸i r¾n ®−îc ph©n t¸n trong m«i tr−êng chÊt láng.

Cã thÓ ®iÒu khiÓn:

• tÝnh chÊt cña chất lỏng tõ • dßng chÈy cña chất lỏng tõ

b»ng lùc tõ hay träng lùc,...

Lµ c¬ së ®Ó øng dông chất lỏng tõ trong c¸c lÜnh vùc kü thuËt

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

TÝnh chÊt cña chất lỏng tõ

Tính siêu thuận từ

§−êng tõ ho¸ cña chất lỏng tõ cho thÊy tÝnh chÊt siªu thuËn tõ ®iÓn h×nh.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- C¸c t−¬ng t¸c tõ vµ t−¬ng t¸c van der Waals cã xu h−íng lµm kÕt tô c¸c h¹t tõ nano thµnh c¸c h¹t to hoÆc c¸c ®¸m lín. - ChuyÓn ®éng nhiÖt cña c¸c h¹t tõ cã kÝch th−íc < 10 nm cã khuynh h−íng ng¨n c¶n sù kÕt tô. - Líp ho¹t tÝnh bÒ mÆt ng¨n chÆn c¸c h¹t tõ nano tiÕp xóc víi nhau.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

TÝnh chÊt cña chất lỏng tõ

Lực từ tác dụng lên chất lỏng từ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

TÝnh chÊt cña chất lỏng tõ

TÝnh tù tæ chøc cña c¸c h¹t tõ nano trong tõ tr−êng dao ®éng

(a)

(b)

(c)

(d)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

TÝnh chÊt cña chất lỏng tõ

TÝnh nhít tõ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Magnetoviscous effects

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

ChÕ t¹o chất lỏng tõ sö dông h¹t ferrite Fe3O4

(cid:190) Ph¶n øng t¹o «xýt s¾t:

2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4 H2O → Fe3O4 + 8 NH4Cl

(cid:190) ChÊt ho¹t tÝnh bÒ mÆt: C17H33COOH

hoÆc:

[NR4]+[OH]-

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

ChÕ t¹o chất lỏng tõ sö dông h¹t ferrite Fe3O4

Quy tr×nh chÕ t¹o n−íc tõ víi dung m«i n−íc (Water-based magnetic fluid)

KÕt tña Fe3O4

Fe2+ + Fe3+ +H2O

NhiÖt/ChÊt xóc t¸c

Phñ ho¹t tÝnh bÒ mÆt lÇn thø nhÊt víi chÊt xóc t¸c lµ acid decanoic

KÕt tô

Lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é phßng

Ch¾t läc b»ng tõ

Methanol, Acetone

Lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é phßng

Röa b»ng axªt«n vµ n−íc

Gia nhiÖt/ChÊt xóc t¸c

Röa b»ng n−íc

N−íc tõ víi dung m«i lµ n−íc

Gia nhiÖt trong m«i tr−êng n−íc. Phñ ho¹t tÝnh bÒ mÆt lÇn thø hai víi chÊt xóc t¸c lµ acid nonanoic

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Một số đặc trưng của chất lỏng từ

M(emu/g)

0.495

0.5

0.469

80¡É 70¡É 60¡É

0.4

0.413

)

U A

0.3 H (kOe)

0.2

-8 -6 -4 -2

0 0

0.1

( e c n a b r o s b A

0.0

-10

-0.1

200

300

400

500

600

700

800

Wavelength (nm)

-20

¶nh TEM cña ®¸m kÕt tña Fe3O4

§−êng tõ ho¸ cña ®¸m hạt Fe3O4 kết tủa

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Phæ hÊp thô UV cña c¸c h¹t ferrite tõ víi líp ho¹t tÝnh bÒ mÆt kh¸c nhau.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite kh¸c

Ferrite Co CoFe2O4

Đường cong từ trễ đo tại 5K và 300 K (hình nhỏ: Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ tu©n theo hàm mũ)

] e O K

[ c H

225

300

5 K 300 K

150 T [K]

/

-20

) g u m e (

-40

M

-60

-80

-60

-40

-20

0 H (kOe)

Ảnh TEM của hạt ferrite cobalt đường kính trung bình d = 7.6 nm

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite kh¸c

Ferrite Cu CuFe2O4

0.1

0.2

0.3

Cu Cu Cu Cu

0.4

) g

(Sö dông Cu67 nh− lµ mét nguyªn tè phãng x¹ dïng cho môc ®Ých y/sinh häc)

u m e ( n o

i t

-10

-20

a z i t e n g a M

-30

-40

-10000

-5000

5000

10000

Magnetic field(Oe)

§−êng cong tõ ho¸ cña c¸c h¹t nano ferrite (CuxFe1-x)OFe2O3 víi nång ®é Cu kh¸c nhau: x = 0.1 (-(cid:87)-) x = 0.2 (-(cid:144)-) x = 0.3 (-(cid:213)-) x = 0.4 (-(cid:123)-)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

háng trªn bÒ mÆt

• C«ng t¾c quang häc

• BÝt kÝn vµ b«i tr¬n

• T¸ch chiÕt tÕ bµo

• C©n b»ng æn ®Þnh 3D

• VËn chuyÓn thuèc

• Chèng rung/gi¶m chÊn

• S¸ch kiÓu ch÷ Braille

• T¶n nhiÖt

• Ng−êi m¸y

• Sensor

• Bé phËn c¬ thÓ nh©n t¹o

• TuyÓn næi thuû tÜnh tõ

• Mùc in

• Vi b¬m

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

• §éng c¬ chuyÓn ®æi nhiÖt-®iÖn • Quan s¸t domain tõ vµ sai

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Quan s¸t domain tõ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

¶nh hiÓn vi cña domain tõ quan s¸t trªn mét ®Üa ghi tõ

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Quan s¸t c¸c sai háng bÒ mÆt

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

H×nh ¶nh tõ cã thÓ quan s¸t dùa trªn hiÓn vi hiÖu øng Kerr hay hiÓn vi tõ lùc MFM, ®Ó ph¸t hiÖn vµ ®Þnh vÞ nh÷ng vïng sai háng cã kÝch th−íc nhá cì vµi micron ®−îc ®¸nh dÊu b»ng n−íc tõ.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

BÝt kÝn vµ b«i tr¬n

(a) (b)

- ChÊt láng tõ ®ãng vai trß nh− mét O-ring

(a) Khi kh«ng sö dông n−íc tõ vµ (b) khi sö dông n−íc tõ.

- Trôc quay ®−îc bÝt kÝn kh«ng cã rß rØ

M« t¶ nguyªn t¾c bÝt kÝn b»ng chÊt láng tõ

chèng rß rØ dÇu hay c¸c chÊt láng ®éc h¹i

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Sö dông tÝnh chÊt l−u biÕn (Magnetorheological Fluid) lµm ®Öm gi¶m xãc

HÖ thèng gi¶m sãc sö dông tÝnh l−u biÕn cña n−íc tõ

Nguyªn lý sö dông tÝnh l−u biÕn cña n−íc tõ

Tõ tr−êng ngoµi t¸c dông lµm ph©n cùc c¸c h¹t nano trong n−íc tõ thµnh c¸c dipole.

T−¬ng t¸c gi÷a c¸c dipole lµm cho c¸c h¹t tõ nano s¾p xÕp theo cÊu tróc cét vµ h−íng

song song víi tr−êng t¸c dông, h×nh thµnh cÊu tróc kiÓu “chuçi xÝch” vµ h¹n chÕ chuyÓn

®éng cña chÊt lán, do ®ã lµm t¨ng ®é nhít cho hÖ thèng gi¶m xãc hay hÖ thèng treo. Khi

kh«ng cã tõ tr−êng t¸c dông, n−íc tõ thÓ hiÖn tÝnh chÊt gièng nh− chÊt láng Newtonian.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ Chèng rung/gi¶m chÊn (damping)

ThiÕt bÞ ®o chÊn rung

æ cøng m¸y tÝnh

Khung ®iÖn kÕ

Trôc m« t¬

ferrofluid

M« t¬ b−íc

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Chèng rung/gi¶m chÊn (damping)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Gi¶m chÊn rung do chuyÓn ®éng cho cÇu

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

N©ng vµ c©n b»ng æn ®Þnh

Trôc quay ®−îc æn ®Þnh 3D

Trôc quay kh«ng æn ®Þnh

Nguyªn lý n©ng ®Ó æn ®Þnh b»ng tõ tr−êng sö dông n−íc tõ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

T¶n nhiÖt b»ng n−íc tõ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

C«ng suÊt cña loa t¨ng ®¸ng kÓ khi thùc hiÖn t¶n nhiÖt tèt cho cuén d©y dao ®éng

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Sensor tõ

Gia tèc kÕ øng dông ghi ®Þa chÊn Gia tèc kÕ øng dông trong «-t«, r«-bèt, dÉn h−íng qu¸n tÝnh m¸y bay,...

KiÓu 3 trôc

KiÓu 2 trôc

Thanh đàn hồi (bằng Al) N−íc tõ

Buång ba trôc chøa n−íc tõ

Khèi nÆng ghi ®Þa chÊn (Al)

Nam ch©m ®iÖn

C¸c tÊm biÕn ®æi

Nam ch©m ®iÖn

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ Sensor tõ

Gia tốc kế tần số thấp kiểu 2 trục (Low frequency two-axis accelerometer)

(cid:190) Khối nặng quán tính hình trụ ở giữa bằng nhôm với một thanh đàn hồi tĩnh

cũng làm bằng nhôm nhưng được tính toán sao cho sự biến dạng cơ học của nó bằng 3 lần độ cứng hấp dẫn tương đương của một con lắc dây có cùng độ dài. Khối quán tính được nhúng vào chất lỏng từ để đảm bảo đồng thời dễ dàng thay đổi vị trí vừa do được nâng lên bằng từ trường, vừa do sự điều chỉnh đệm chất lỏng. Vị trí của khối quán tính được chuyển đổi bằng 4 tấm điện cực có dạng ¼ trụ. Mối tấm này gồm một lõi sắt từ có độ từ thẩm cao và một cuộn nam châm điện. Toàn hệ được bịt kín trong một cái thùng hình trụ có khả năng chắn từ tốt.

Gia tốc kế thu nhỏ kiểu ba trục (Three-axis miniature accelerometer)

(cid:190) Có dạng khối với kích thước mỗi cạnh là 15 mm, gồm 3 trục vuông góc với nhau hình thành nên cột chứa chất lỏng từ. Chất lỏng từ được giữ bằng từ trường của các nam châm cứng dạng vòng xuyến, và được điều khiển bằng một số trong 6 cuộn cảm ứng (2 cuộn trên mối trục). Loại gia tốc kế này thường được sử dụng trên ô-tô, người máy, và các ứng dụng dẫn đường quán tính trong không gian vũ trụ.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Sensor tõ

Nam ch©m vÜnh cöu

Khèi nÆng

Nam ch©m vÜnh cöu

ThiÕt bÞ ®o träng sai (Gravitational gradiometer) Đo sự biến thiên/thay đổi của trọng trường (trường hấp hẫn)

Bèn miÕng nh«m ®−îc nhóng trong n−íc tõ

C¸c ®iÖn cùc

Khèi nÆng

§¸y buång chøa n−íc tõ

Nam ch©m vÜnh cöu

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

§é nh¹y: ~ 10-9 ms-2/m

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Sensor tõ

Nguyên lý của thiết bị đo trọng sai (Gravitational gradiometer)

Bèn khèi nÆng (2) ®−îc ®Æt theo kiÓu ch÷ thËp vµ ®−îc nhóng trong chÊt láng tõ,

®−îc n©ng lªn b»ng c¸c nam ch©m vÜnh cöu (4) vµ ®−îc ®Þnh vÞ t©m b»ng nam

ch©m (5). Sù sai lÖch kho¶ng c¸ch gi÷a bèn khe hë giữa hai phần tử khối nặng

được đo bằng phương pháp điện lấy từ các tấm điện cực (6) và được kiểm soát

bằng sự thay đổi của từ trường tạo ra trong 4 cuộn cảm ứng nối với các điện cực

lõi 6 (không được vẽ ở đây). Thực chất đây là một bộ chuyển đổi (transducer) rất

nhạy với sự thay đổi khoảng cách, phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp của chất

lỏng từ có hằng số điện môi cao được dùng làm môi trường cách điện. Các chất

lỏng từ có chứa các hạt nhôm hình cầu đường kính từ 2-5 μm sẽ có độ nhạy lên

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

đến ~ 10-9 ms-2/m.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Sensor tõ

(c)

(a)

(b)

(c)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Mét sè sensor n−íc tõ:: (a) ®o møc chÊt láng vµ ®é nghiªng; (b) ®o gia tèc; (c) ®o ¸p suÊt.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

TuyÓn thuû tÜnh tõ (Magnetohydrostatic Separation)

Nguyªn lý tuyÓn næi Mét thiÕt bÞ tuyÓn næi PTN

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Mùc in tõ & chống giả mạo

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Mùc in tõ & chống giả mạo

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Vi b¬m b»ng chÊt láng tõ (Ferrofluidic Micropump)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Bộ chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Công tắc quang sử dụng chất lỏng từ

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ øng dông trong y-sinh

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nano

m nano ttừừ

Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Mét sè øng dông kh¸c

• Sö dông trong c¸c robot lµm cho c¸c chi chuyÓn ®éng mÒm m¹i gÇn nh− cña con ng−êi.

• Sö dông ®Ó lµm næi ch÷ Braille trong c¸c s¸ch dµnh cho cho ng−êi khiÕm thÞ.

• Sö dông lµm mét sè c¬ quan néi t¹ng b»ng n−íc tõ trong c¸c bÖn nh©n nh©n t¹o víi ®é mÒm dÎo vµ máng nh− thËt ®Ó huÊn luyÖn sinh viªn y khoa thùc tËp phÉu thuËt.

...

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite

Ferrite lục giác (Hệ ferrite bari BaFe12O19)

• Kiểu mạng:

Các hợp chất chính:

Hexagonal

• Hằng số mạng:

a = 5.901 A0

c = 23.243 A0

• TÝnh chÊt tõ:

(cid:190) BaFe12-xAlxO19 (cid:190) BaFe12-xMnxO19 (cid:190) BaFe12-xCrxO19 (cid:190) Ba1-xSrxFe12CrxO19 (cid:190) Sr1-xSmxFe12-xCrxO19

MS = 30 emu/g HC = 5200 Oe

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite

Mµng máng ferrite bari

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

¶nh AFM cña mµng ferrite bari sau khi sö lý nhiÖt (a) vµ ®−êng tõ trÔ ®−îc ®o trong mÆt ph¼ng (c¸c ®iÓm vu«ng-®en) vµ vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng (c¸c ®iÓm trßn-tr¾ng). HC ~ 5 kOe sau khi xö lý nhiÖt.

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Mét sè hÖ ferrite kh¸c nhau cã cÊu tróc h¹t nano vµ c¸c kü thuËt ®· ®−îc sö dông ®Ó chÕ t¹o.

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

øng dông cña h¹t tõ nano ferrite bari

Mét sè øng dông chÝnh

(cid:190) Chế tạo nam ch©m vÜnh cửu (nam ch©m kÕt dÝnh)

(cid:190) Mµng hấp thụ sãng điện từ trong dải tần số tõ 1-4 GHz

(cid:190) Mµng máng ghi từ

(cid:190) Vi b¬m (®−îc chÕ t¹o theo c«ng nghÖ MEMS)

(cid:190) Y sinh häc/Y tÕ

(cid:190) v.v...

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

øng dông cña h¹t tõ nano ferrite bari

Mé sè d¹ng s¶n phÈm cña ferrite bari lµm nam ch©m vÜnh cöu ë d¹ng bét, èng vµ tÊm hoÆc d©y dÎo.

Mét sè vËt liÖu v¶i vµ giÊy cã sö dông h¹t tõ ferrite bari.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Mét sè mµng máng tõ cøng tiªu biÓu vµ c¸c tÝnh chÊt

K1 : h»ng sè dÞ h−íng MS : tõ ®é b·o hoμ Ha : tr−êng dÞ h−íng tõ TC : nhiÖt ®é Curie δ: kÝch th−íc h¹t γ: n¨ng l−îng ho¹t bÒ mÆt Dc : chiÒu dμy tíi h¹n cña mμng máng (BH)max : n¨ng l−îng tõ cùc ®¹i

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

H»ng sè dÞ h−íng cña mét sè hîp kim T-Pt(Pd)

HÖ vËt liÖu D¹ng vËt liÖu Tord (oC) K1 (J/m3)

FePt (001) FePt Mµng máng Khèi, trËt tù 1.107 1,9.106 1300

FePt Mµng máng

(trËt tù mét phÇn) 1,5.106

FePd (001) Mµng máng 9,3.105

FePd (110) Mµng máng 7.105

FePd Khèi, trËt tù 2.6.106 800

CoPt Khèi, mÊt trËt tù 6.104 825

CoPt Khèi, trËt tù 2.106

Mµng máng 1,9.106

Mµng máng hcp 1,5.106

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

MÊt trËt tù fcc 1.106 CoPt (001) Co3Pt CoPt3

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Màng mỏng Fe-Pt

Mµng máng tõ cøng Fe-Pt hÖ L10

(a)

(b)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

CÊu tróc m¹ng tinh thÓ kiÓu fcc (a) vµ fct (b) cña hîp kim Fe-Pt. C¸c gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X (XRD) t−¬ng øng cña hai pha nµy.

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Màng mỏng Fe-Pt

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Gi¶n ®å pha cña hîp kim Fe-Pt

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v... Màng mỏng Fe-Pt

¶nh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (TEM )

§iÒu khiÓn vi cÊu tróc mµng máng FePt/C th«ng qua qu¸ tr×nh ñ nhiÖt víi thêi gian ñ kh¸c nhau: a) 60 ph, dtb ~ 4 nm; b) 180 ph, dtb ~ 10 nm.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

(a) (b)

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Màng mỏng Fe-Pt

¶nh h−ëng cña líp ®Öm CuAu ®èi víi qu¸ tr×nh trËt tù ho¸ trong nµng máng Fe-Pt.

(a) Cã líp ®Öm CuAg dµy 50 nm: ⇒ HC ~ 13 kOe; (b) Kh«ng cã líp ®Öm CuAg: HC ~ 200 Oe.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Màng mỏng Fe-Pt

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

¶nh TEM (cross-sectional) cña mµng máng FePt/C cã dÞ h−íng tõ vu«ng gãc. KÝch th−íc h¹t trung b×nh kho¶ng 15 nm, c¸c h¹t cã h×nh d¹ng dµi theo ph−¬ng vu«ng gãc víi mµng máng.

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Màng mỏng Fe-Pt

(a)

(b)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

(a) ¶nh TEM cho thÊy c¸c h¹t Fe-Pt cã kÝch th−íc trung b×nh ~ 15 nm c« lËp nhau ë trong nÒn C. (b) §−êng tõ trÔ cho thÊy HC ~ 37 kOe

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Màng mỏng Fe-Pt

(a)

(b)

C¸c phÐp ®o FC vµ ZFC (a) vµ M-H/T (b) cho thÊy nhiÖt ®é blocking TB ~ 200 K vµ tÝnh siªu thuËn tõ cña c¸c h¹t s¾t tõ Fe-Pt pha fct thÓ hiÖn ë trªn 200 K.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

C¸c mµng máng tõ cøng hÖ kh¸c: Re-T

Sm-Co

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Mµng máng Sm-Co cho thÊy tÝnh dÞ h−íng tõ vu«ng gãc rÊt m¹nh, HC (//) ~ 37 kOe, S ~ 1 vµ (BH)max = 25 MGOe.

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

NdFeB

C¸c mµng máng tõ cøng hÖ kh¸c: Re-T

a) líp Cr dµy 5nm

b) líp Nb dµy 5nm

¶nh h−ëng cña líp ®Öm Nb vµ Cr lªn tÝnh chÊt

tõ cña mµng máng hîp kim NdFeB: a) [(NdFeB)200nm/Cr5nm]2; b) [(NdFeB)200nm/Nb5nm]2.

¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õ ®Õn tÝnh dÞ h−íng tõ vu«ng gãc cña mµng máng NdFeB.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

NdFeB

C¸c mµng máng tõ cøng hÖ kh¸c: Re-T

a)

b)

a) Cr, 180 nm, Ta = 575 0C

b) Cr, 54 nm, Ta = 550 0C

c) Mo, 180 nm, Ta = 550 0C

¶nh TEM cña c¸c mµng máng ®a líp (a) [(NdFeB)40nm/Nb5nm]10; (b) [(NdFeB)40nm/Cr5nm]10

d) Ti, 540 nm, Ta = 575 0C

TÝnh chÊt tõ cña mμng máng NdFeB víi c¸c líp lãt vμ chiÒu dμy t−¬ng øng còng nh− chÕ ®é ñ nhiÖt kh¸c nhau: a) Cr 180 nm, Ta = 575 0C, b) Cr 54 nm, Ta = 550 0C, c) Mo 180 nm, Ta = 550 0C, d) Ti 540 nm, Ta = 575 0C.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion So s¸nh mét sè th«ng sè quan träng cña pin Li-ion víi c¸c lo¹i pin kh¸c

KiÓu pin §iÖn ¸p danh ®Þnh N¨ng l−îng riªng N¨ng l−îng riªng

theo träng l−îng theo thÓ tÝch

Mét sè −u ®iÓm chÝnh cña pin Li-ion: (cid:131) §iÖn ¸p danh ®Þnh cao gÊp 3 lÇn pin Ni-Cd vμ pin Ni-MH (cid:131) MËt ®é n¨ng l−îng cao, dung l−îng lín vμ nhÑ. (cid:131) Tèc ®é tù phãng thÊp (tõ 2 – 4%/th¸ng). (cid:131) Thêi gian sèng dμi (~5 n¨m). (cid:131) Sè lÇn n¹p l¹i trªn 1000 lÇn. (cid:131) Kho¶ng nhiÖt ®é ho¹t ®éng cña pin rÊt réng (n¹p: – 20 - + 60oC, phãng: – 40 - + 65oC). (cid:131) §é an toμn cao cho ng−êi sö dông vμ thiÕt bÞ.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Solid Polymer Electrolyte - ChÊt ®iÖn ph©n polime r¾n

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- Mét sè ®Æc tr−ng quan träng cña pin Li-ion

§Æc tr−ng Kho¶ng gi¸ trÞ

(cid:131) Nhu cÇu n¨m 2005: 1 tû pin Li-ion. (cid:131) Lîi nhuËn ~ 4 tû USD (cid:131) Gi¸ thμnh gi¶m ~ 50% so víi 1999

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- Nhu cÇu vµ gi¸ thµnh (USD) cña pin Li-ion trªn thÕ gií:

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng

VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- Nguyªn lý ho¹t ®éng cña pin Li-ion

C¸c ph¶n øng ®iÖn cùc c¬ b¶n diÔn ra trong pin Li-ion:

- ë ®iÖn cùc d−¬ng:

LiMO2

Li1-xMO2 + xLi+ + xe–

- ë ®iÖn cùc ©m:

C + xLi+ + xe–

LixC

LiMO2 + C LixC + Li1-xMO2

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Toµn bé qu¸ tr×nh ph¶n øng ®iÖn cùc

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- Nguyªn lý ho¹t ®éng cña pin Li-ion

Qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ c¬ b¶n gi÷a c¸c ®iÖn cùc trong pin Li-ion

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng

VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- CÊu tróc tinh thÓ cña vËt liÖu ®iÖn cùc d−¬ng trªn c¬ së LiMn2O4

CÊu tróc spinel cña LiMn2O4

CÊu tróc spinel víi c¸c « trèng 8 mÆt cña MnO2

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- Mét sè ph−¬ng ph¸p tæng hîp vËt liÖu ®iÖn cùc d−¬ng:

(cid:190) Ph−¬ng ph¸p gèm: c¸c nguyªn liÖu ban

- CÊu tróc tinh thÓ cña vËt liÖu ®iÖn cùc d−¬ng trªn c¬ së LiCoO2

(cid:190) Ph−¬ng ph¸p ®ång kÕt tña (co-

®Çu lµ c¸c «xýt hoÆc c¸c muèi nh− Li2CO3; CoCO3 vµ Ni(NO3)2.6H2O.

precipitates): c¸c nguyªn liÖu ban ®Çu lµ

(cid:190) Ph−¬ng ph¸p sol-gel: sö dông c¸c phøc

c¸c hy®r«xýt cña Li, Ni, Co.

chÊt cña c¸c kim lo¹i Li, Co, Ni,... víi phèi

CÊu tróc tuÇn hoµn líp cña c¸c mÆt nguyªn tö Co – O – Li

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

tö lµ c¸c axÝt h÷u c¬.

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- Mét sè vËt liÖu th−êng sö dông lµm ®iÖn cùc d−¬ng pin Li-ion, c¸c th«ng sè vµ −u/nh−îc ®iÓm t−¬ng øng

−u ®iÓm hoÆc nh−îc ®iÓm

VËt liÖu

Dung l−îng (®iÖn) riªng (mAh/g)

§iÖn¸p trung b×nh ®/v Li (ë 0.05 C)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Gi¸ thµnh ®¾t v× chøa Co Gi¸ thµnh t−¬ng ®èi rÎ Gi¸ thµnh t−¬ng ®èi rÎ Dung l−îng riªng cao nhÊt Ph©n ly to¶ nhiÖt m¹nh RÎ tiÒn, Ýt ®éc h¹i, ph©n ly to¶ nhiÖt Ýt

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- §Æc tr−ng phãng ®iÖn cña ®iÖn cùc d−¬ng

§Æc tr−ng phãng ®iÖn cña c¸c ®iÖn cùc d−¬ng lµm tõ mét sè vËt liÖu kh¸c nhau.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- CÊu t¹o cña pin/¾c quy Li-ion

D¹ng ch÷ nhËt dÑt D¹ng trô

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖn

⇒ vËt liÖu s¾t tõ-s¾t ®iÖn (FerroElectroMagnets) hoÆc vËt liÖu ®a

(cid:153) §a chøc n¨ng: thÓ hiÖn ®ång thêi c¶ tÝnh s¾t tõ vµ s¾t ®iÖn

MultiFerroic) ferro (MultiFerroic ⇒ vËt liÖu cã nhiÒu tÝnh chÊt cïng mét lóc ⇒ t¨ng møc ®é tù do trong viÖc thiÕt kÕ vËt liÖu vµ linh kiÖn ⇒ s¶n phÈm cã nh÷ng tÝnh n¨ng ®éc ®¸o ⇒ c¸c hiÖn t−îng vËt lý míi

CoFe2O4

BaTiO3 (PbTiO3)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

(cid:153) Ferri tõ spinel - s¾t ®iÖn perovskite

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖn

Ferri từ spinel (CoFe2O4)- sắt điện perovskite (BaTiO3/PbTiO3)

KiÓu ®a líp, (hay cÊu tróc ngang)

Líp spinel Líp perovskite §Õ perovskite

KiÓu th¼ng ®øng

Khèi spinel NÒn perovskite §Õ perovskite

C¸c c¸ch s¾p xÕp s¾t tõ-s¾t ®iÖn ⇒ Mét kiÓu nano-composite

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖn

Ferri từ spinel (CoFe2O4)- sắt điện perovskite (BaTiO3/PbTiO3)

CÊu tróc cña mµng máng hai pha dÞ thÓ tù s¾p xÕp CoFe2O4-BaTiO3.

(a)

(b)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

¶nh AFM (a) vµ TEM (b) cña mµng máng composite dÞ thÓ hai pha s¾t tõ-s¾t ®iÖn CoFe2O4-BaTiO3 (kiÓu th¼ng ®øng).

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

PS ~ 23 μC/cm3 (chuÈn ho¸ theo tû lÖ thÓ tÝch cña BaTiO3)

EC ~ 8 mV/m

MS ~ 350 emu/cm3 (chuÈn ho¸ theo tû lÖ thÓ tÝch cña CoFe2O4)

HC (⊥) ~ 5 kOe Ha ~ 35 kOe ⇒

DÞ h−íng tõ ®¬n trôc.

Hd ~ 2.1 kOe ⇒ DÞ h−íng tõ h×nh d¹ng.

(A) §−êng ®iÖn trÔ cho thÊy tÝnh s¾t ®iÖn. (B) §−êng ®iÖn trÔ cña h»ng sè ®iÖn m«i d33. (C) §−êng tõ trÔ ®o vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng (®−êng mμu ®á), vμ song song víi mÆt ph¼ng (®−êng mμu ®en) cho thÊy cã dÞ h−íng tõ ®¬n trôc lín.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

TÝnh chÊt tõ vµ ®iÖn cña mµng máng hai pha dÞ thÓ tù s¾p xÕp CoFe2O4-BaTiO3.

c nano 3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nano

VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖn

Mét sè ph−¬ng ¸n chÕ t¹o vËt liÖu nano-composite s¾t tõ-s¾t ®iÖn

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

Giới thiệu về nano từ sử dụng trong spintronics

Gồm các nội dung:

- Tình hình phát triển của điện tử học truyền thống và sự hạn chế,

mẫu thuẫn gặp phải khi giảm kích thước vật liệu từ.

- Định nghĩa spintronics là gì? Những khái niệm liên quan.

- Các hiệu ứng, hiện tượng cơ bản liên quan đến spin điện tử.

- Những linh kiện sử dụng các hiệu ứng của spin.

- Spintronics ở thang phân tử.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

T TRIỂỂNN CCỦỦA A CÔNG NGH

CÔNG NGHỆỆ BBÁÁN DN DẪẪN N ––

SSỰỰ PHPHÁÁT TRI CÔNG NGHỆỆ VI ĐI CÔNG NGH

VI ĐIỆỆN TN TỬỬ

Các quy luật Moore: Quy luật Moore – I: Sè phÇn tö tÝch cùc tæ hîp ®−îc trªn mét chÝp t¨ng gÊp ®«i sau mỗi kho¶ng 12-18 th¸ng. - Dự đoán: Trong TK 21: Mật độ lưu trữ hay tích hợp tăng gấp 3 lần

sau 12 tháng.

Moore’s Law: The trend in the number of transistors per chip over time

Transistor count (K)

The number of transistors per chip doubles every 18 months

Microprocessor 4004 8008 8080 8086 80286 Intel386TM Intel486TM Pentium® Pentium®Pro Pentium® II Pentium® III

Year 1971 1972 1974 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999

Transistors (000s) 2.3 3.5 6 29 134 275 1,200.00 3,100.00 5,500.00 7,500.00 9,500.00

Clock Speed (Mhz) 0.1 0.2 2 10 12.5 16 25 60 200 300 600

(Tài liệu nguồn: Science and Engineering Indicators – 2000, National Science Board (NSB), Washington, DC 20500, 2000 (NSB-00-1)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

Xu thÕ ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ điện tử-tin học-viễn thông

trong những năm cuối cña TK 20

1990s: Xu thÕ c«ng nghÖ IC ®∙ tËp trung ph¸t triÓn theo c¸c h−íng: 1 - Gi¶m kÝch th−íc ph©n gi¶i cho kü thuËt quang kh¾c:

0,3 → 0,28 → 0,25 → 0,20 → 0,15 → 0,1 μm.

VD: sö dông kü thuËt kh¾c tia X (X-ray lythography), kh¾c tia ®iÖn tö (electrolythography)

2 - T¨ng tèc ®é lμm viÖc: ®∙ t¨ng tõ hµng tr¨m MHz tíi hµng chôc GHz: Cuèi 1990s: tèc ®é vi m¹ch sè ®¹t ®Õn hµng tr¨m MHz (106Hz), thêi gian truy cËp chØ vµi nano gi©y (10-9s) §èi víi m¹ch t−¬ng tù, tèc ®é ®¹t tíi hµng GHz (109Hz).

3 - Gi¶m ®iÖn ¸p lμm viÖc:

* IBM ®∙ ®Ò xuÊt Transitor CMOS cã kÝch th−íc 0,08 μm, lµm viÖc æn ®Þnh víi nguån 1,5 V. * H∙ng Siemens ®∙ ®−a ra s¶n phÈm ROM chÕ t¹o trªn c¬ së nhiÒu líp transitor. * MOS chØ tiªu thô cã 3mW c«ng suÊt víi nguån 2V vµ ®¹t ®−îc tèc ®é truyÒn d÷ liÖu lµ

10Mbit/s.

* H∙ng Sony sö dông kÝch th−íc ph©n gi¶i 0,28 μm ®∙ chÕ t¹o ®−îc æ nhí (ROM) chØ cÇn

lµm viÖc víi nguån 0,6V, mËt ®é tÝch hîp lµ 20 triÖu « nhí/cm.

(Nguån nu«i cña c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö phæ biÕn lµ ë 3V trë lªn).

4 - Sö dông c¸c kü thuËt vμ vËt liÖu míi: * VËt liÖu nÒn vÉn lµ Si 100%. VÉn sö dông SiO2 lµ chÊt ®iÖn m«i chÝnh. * C¸c vËt liÖu ®iÖn m«i míi ®−îc ®−a vµo nh− hä s¾t ®iÖn: SrBi2Ta2O4, PZT vv...

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

Quy luật Moore-II: Giá thành nhà máy chế tạo chip sau 3 năm tăng gấp đôi

Kinh tế thế giới

t ử

i n h k i ệ n đ i ệ n

l

t r ư ờ n g

T h ị

n

ẫ

n d

á

p

ợ

u b h h

c

t l i ệ h t í

c

V ậ M ạ

y

m á

à

h

h n

n

à

t h

G i á

(Theo: Materials Today; Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20-25 by S. E. Thompsona, and S. Parthasarathy.)

Sự tăng trưởng của công nghiệp bán dẫn ở TK20 (Theo số liệu của Semiconductor International, 2000)

Mâu thuẫn về Kinh tế

Quy luật Moore về kinh tế trong TK 20

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics CÁI GÌ SẼ DIỄN RA TRONG THẾ KỶ 21 ?

TK 21: Công nghệ nano

(cid:214) Các transitor trong mạch logic có kích thước nanomét:

Micro- technology

- 2000: ~ 100 nm (cid:214) ~ 1000 ®iÖn tö

- 2010: ~ x10 nm (cid:214) ~ 10 ®iÖn tö

(cid:214) Th¨ng gi¸ng thèng kª lín.

- 2020: ~x1 nm: chÊm l−îng tö (Qdot):

(cid:214) 1 ®iÖn tö (đơn điện tử)

(cid:214) ViÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn tö trong các chấm lượng tử ®−îc thùc hiÖn theo qui luËt của vật lý lượng tử.

Quy luật vật lý bị vi phạm

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Sự giảm của kích thước đặc trưng trong công nghệ bán dẫn micro (đường xanh), và công nghệ bán dẫn nano (đường đỏ) biểu thị qua độ dài của cổng transitor, trong vòng 4 thập kỷ. (Theo: Materials Today; Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20- 25, by S. E. Thompsona, and S. Parthasarathy.)

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

U TK 21 KHUYNH HƯ HƯỚỚNG CNG CỦỦA A CÔNGCÔNG NGHNGHỆỆ HHẬẬU SI U SI ỞỞ NNỬỬA ĐA ĐẦẦU TK 21 KHUYNH

Ranh giới giữa 2 kỷ nguyên

XU HƯỚNG CỦA ĐIỆN TỬ HỌC TRONG TƯƠNG LAI

Ranh giới của kỷ nguyên Si ?

Kỷ nguyên của các vật liệu mới & linh kiện điện tử mới.

??

) r o t s i s n a r T n o i t c n u J r a l o p i B

(

(Complementary metal-oxide- semiconductor)

Theo: Materials Today, Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20-25 by S. E. Thompsona and S. Parthasarathy.

Quantum Electronic Device Single Electron Transistor

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Sự tăng trưởng của nền công nghiệp dựa trên công nghệ Si. Dự báo xu thế sử dụng một số vật liệu mới thay thế Si và khoảng thời gian xuất hiện của các linh kiện điện tử mới.

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

SPINTRONICS LÀ GÌ ?

Tổ hợp của spin (các vật liệu sắt từ) và electronics

Electron

Charge

Spin

Magnetics

Electronics

Charge + Spin

(cid:68) Spintronics (Magnetoelectronics, spinics)

- Các hiệu ứng GMR, TMR (MTJ), CMR, BMR - Phun spin, điều khiển spin, phát hiện spin

⇒ Các linh kiện spintronics.

spintronics = spin + electronics

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

SSựự hhìình th

a spintronics nh thàành cnh củủa spintronics

(cid:190) Cuéc c¸ch m¹ng “magneto-electronics” sẽ t¹o ra nh÷ng linh kiÖn trong đã tõ tÝnh ®−îc tæ hîp vµo trong c¸c linh kiÖn ®iÖn tö th«ng th−êng (Gary Prinz, Naval Research Lab. (NRL) - 1995).

(cid:190) Spintronics lµ mét nh¸nh míi cña ®iÖn tö häc, trong ®ã spin cña ®iÖn tö, cïng víi ®iÖn tÝch cña nã, ®−îc lîi dông ®Ó tÝch hîp cả electronic, optoelectronic vµ magnetoelectronic. Sù tÝch hîp ®a n¨ng ®ã trªn cïng mét linh kiÖn ®¬n lµm cho linh kiện điện tử cã thÓ thùc hiÖn nhiÒu chøc n¨ng h¬n so víi nh÷ng linh kiÖn vi ®iÖn tö th«ng thường (Sankar Das Sarma, Univ. of Maryland - 2000).

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

(cid:190) VÒ c¬ b¶n, ch¼ng cã g× míi c¶. Tõ nh÷ng n¨m 60s vµ 70s (cña TK 20), ng−êi ta ®· cè thö pha chÕ thªm thµnh phÇn tõ tÝnh vµo trong ®iÖn tö häc. C¸i mµ ®−îc ph¸t hiÖn ra hiÖn nay lµ ë chç ph¸t triÓn ý t−ëng vµ c¸c kü thuËt kh¶ thi ®Ó thùc hiÖn điều nµy (R.D. Issac, IBM - 2001).

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

ĐN spintronics của James Daughton (Nonvolatile Electronics, Inc.) - 2001 :

(cid:190) Whatever You want it to be.

(cid:190) A combination of spin (ferromagnetic materials) and electronics.

(cid:190) New spin transport phenomena applied in combination with electronics.

(cid:190) The third above, but excluding the new (and ultimate) combination with

semiconductors (SPINS).

TÓM LẠI:

Do ®ã môc ®Ých chÝnh cña spintronics lμ: Sö dông spin cña c¸c h¹t l−îng tö (ch¼ng h¹n c¸c spin cña ®iÖn tö hay cña h¹t nh©n nguyªn tö) ®Ó chuyÓn ®æi (m· hãa), mang (truyền t¶i) vµ nhËn biÕt (ph¸t hiện) th«ng tin/tÝn hiÖu.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Spintronics là một hướng phát triển mới của điện tử học mà ở đó spin của điện tử là đối tượng được sử dụng để bổ xung hoặc thay thế cho điện tích của điện tử, nhằm tạo ra những chức năng mới và ưu việt cho các linh kiện điện tử hiện đại.

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

Liên hệ thuật ngữ SPINTRONICS với các thuật ngữ quen thuộc

(cid:190) Electronics: Điện tử (học) – Ngành điện tử

(cid:190) Optics: Quang (học)

(cid:190) Mechanics: C¬ (học)

(cid:190) Magnetics: Từ (học)

(cid:190) Opto-Electronics: Quang học-điện tử (học)

(cid:190) Photo-Electronics: Quang-điện tử (học)

(cid:190) Photonics: Lượng tử (học) ánh sáng/Quang tử (học)

(cid:190) Magneto-Electronics: Từ điện tử (học) (xuÊt hiÖn tõ 1995) ► Spin-

Electronics (cid:68) Spintronics (xuất hiện từ năm 2000) – Spinics – Nano-

Spinics – Spin Nanoelectronics: Spin điện tử (học) – Spin tử (học)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

Nanospinics llàà ggìì ?? Nanospinics

Nanospintronics (or Nanospinics)

||

Spintronics + Single Electron Physics

Spin properties ∩ Coulomb blockade

(cid:198)

Magneto - Coulomb effects

[P. Seneor, et. al., J. Phys.: Condens. Matter 19 (2007) 165222 (22pp)]

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

Mô hình của Shockley:

"Sự thành công của nghiên cứu khoa học tỷ lệ với giai thừa của số các khái niệm (hay ý tưởng) mà một nhà khoa học có thể sử dụng cùng một lúc (tất nhiên chỉ tính gần đúng các ý tưởng)".

(cid:196) Phương trình Shockley:

Sự thành công khoa học ∝ {Số các khái niệm được bao gồm}!

Lưu ý: (cid:38) ! là dấu GIAI THỪA (không phải dấu cảm thán).

(cid:38) Số các khái niệm có thể rất dài, thậm chí dài khủng khiếp.

(cid:196) Đây là một ththáách th

ch thứức lc lớớnn cho tất cả chúng ta.

(E.I. Rashba, "Spintronics: Sources and Challenge", J. Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism, Vol. 15, No. 1, Feb. 2002, pp. 13-17).

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

Các khái niệm cơ sở: Khởi nguồn của Spintronics

(Theo E.I. Rashba, "Spintronics: Sources and Challenge", J. Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism, Vol. 15, No. 1, Feb. 2002, pp. 13-17)

Các khái niệm bao hàm ở 3 loại vật liệu: BÁN DẪN - VẬT LIỆU TỪ - SIÊU DẪN

- BÁN DẪN: vì thích hợp cho việc thao tác tập thể điện tử - VẬT LIỆU TỪ: vì là nguồn tự nhiên của các điện tử phân cực spin - SIÊU DẪN: vì dựa trên sự kết cặp spin

DANH SÁCH CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ:

1. Lý thuyết dải của CR, nhấn mạnh đặc biệt vào luận điểm về đối xứng của Wigner,

Seitz, Herring, et.al. và hình thức luận k.p của Kohn và Luttinger (xem slide sau).

Công thức này cho phép:

- Nhận được các Hamiltonians thiết lập cơ sở cho mọi lý thuyết vững chắc.

- Bao hàm một cách hợp thức tương tác spin-quỹ đạo (mấu chốt cho

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

nhiều hiện tượng phụ thuộc spin) và ảnh hưởng của các trường ngoài.

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

GHI CHÚ:

Phương pháp k.pk.p trong lý thuyết cấu trúc dải của CR:

- Có nhiều phương pháp để tính toán cấu trúc dải năng lượng của điện tử trong chất rắn. Tuy

nhiên, trong nhiều trường hợp, như ở các bán dẫn, không cần phải tính tất cả các vùng năng

lượng phức tạp, mà chỉ cần tính các trạng thái nằm trong vùng giới hạn năng lượng bậc kBT

(ΔΕ = ± kBT ~ ± 1/40 eV ~ ± 0.025 eV). Trong khi độ rộng vùng cấm ~ 1 eV, nên chỉ cần tính các trạng thái cực trị của từng vùng, rồi tính các bổ chính năng lượng xuất hiện do bị lệch khỏi các

trạng thái này. Cách giải bài toán này là sử dụng phương pháp hình thức luận k.p và khối lượng

hiệu dụng: Giải p/t Schrodinger:

(1)

[p2/2m + U(r)] ψk = Ekψk

với hàm sóng có dạng Bloch

ψk = uk ei k.r. (2)

Thay (2) vào (1), ta được:

(3)

(1/2m) (p + ћk)2 uk + U(r)uk = Ekuk

p2

k2

(n)|p|u0

k.p Trạng thái cơ Trạng thái nhiễu loạn bản với k = 0 bậc 1 và bậc 2 với k ≠ 0

Tương ứng với các bổ chính bậc 1: (ћ/m)k.〈u0 (n)〉 và bậc 2: H2 = (ћ2/2m)k2 (4)

Hamiltonian trở thành: Ĥ = Ĥ0 + Ĥ1 + Ĥ2 (cid:168) E = E0 + E1 + E2

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

DANH SÁCH CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ:

2. Vật lý và công nghệ của các vi cấu trúc bán dẫn, là cơ sở cho công nghệ nanô.

3. Điện tử học transistor, bao gồm khái niệm của Shockley về mật độ không cân

bằng và vật lý của FET (field effect transistor).

4. Từ học và cộng hưởng từ:

- Vấn đề này bao gồm tất cả các kiểu trật tự từ, chuyển pha từ, và trong các

tính chất từ đặc biệt của các điện tử tương quan mạnh (quan trọng đ/v CMR).

- Nó bao gồm tất cả các cộng hưởng từ, như NMR, EPR, và cộng hưởng gia

tốc (cyclotron), và các khái niệm liên quan đến phương trình Landau-Lifshitz-

Gilbert, các phương trình Bloch, tần số Rabi, tiếng vọng Hahn, v.v... mà

những khái niệm này cung cấp một ngôn ngữ thích hợp cho động lực học

spin (bao gồm cả tính toán lượng tử).

5. Tính siêu dẫn ở trong các hệ mesoscopic, gồm sự xuyên ngầm đơn điện tử (SET) và

xuyên ngầm Josephson, các xoáy Abrikosov và phản xạ Andreev, mà được dựa trên

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

hình thức luận chặt chẽ của các phương trình Gorkov và Bogolubov-de Gene.

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

DANH SÁCH CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ:

6. Các cơ chế vận chuyển của tất cả các loại (Boltzmann, ballistic, hopping, tunneling,

etc...) trong các hệ vĩ mô đồng nhất và không đồng nhất (bao gồm cả sự vận chuyển

từ (magnetotransport) trong các hệ có cấu trúc lớp quan trọng đối với GMR).

Vấn đề này gồm một số các hiện tượng thú vị, như hiệu ứng Hall dị thường, hiệu ứng

Kondo, và hiệu ứng Aharonov-Bohm.

7. Các khái niệm liên quan đến các vấn đề đặc biệt thuộc lĩnh vực quang và quang-

suất lực điện động (photo-emf) (emf = electromotive force).

Ví dụ: vấn đề phát hiện sự tích tụ spin không cân bằng là một trong những vấn đề

đang "nóng" hiện nay. Trong photo-emf, một nguyên lý chung là emf xuất hiện khi có

bất kỳ sự lệch nào của hàm phân bố mật độ điện tử khỏi sự cân bằng địa phương. Áp

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

dụng cho sự mất cân bằng spin, Johnson đã ghi nhận được hiện tượng spin-emf.

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

SPIN ĐIỆN TỬ

nh chấất đi

t điệệnn

nh chấất tt từừ

Điện tử có 2 đóng góp chính: • ĐiĐiệện tn tííchch (-e, |e| = 1.60091 x 10-19 C) ➽ ttíính ch • SpinSpin (S = 1/2) ➽ ttíính ch Điện tử có 2 chuyển động: • ChuyChuyểển đn độộngng ququỹỹ đ đạạoo (Orbital) (ví dụ: các quỹ đạo s, d, f )

➽ Mômen từ quỹ đạo: μl = [l(l+1)]1/2μB (l = số lượng tử quỹ đạo)

• ChuyChuyểển đn độộng ng SpinSpin

➽ Mômen từ riêng: μS = g[S(S+1)]1/2μB (μB = magneton Bohr = 9.2742 × 10-24 J/T (hay A.m2) = 0.92742 × 10-24 erg/Oe);

S = ½, số lượng tử spin; g ~ 2, tỷ số từ hồi chuyển (gyromagnetic ratio)

⇒ Mômen từ riêng của điện tử tự do: μS = - (e/2m) gS = 1.73 μB

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

B¶n chÊt vËt lý cña m«men tõ: do chuyÓn ®éng spin cña ®iÖn tö

(cid:190) Coi ®iÖn tö cã d¹ng h×nh cÇu víi ®iÖn tÝch ®−îc ph©n bè đều kh¾p bÒ mÆt. Khi ®iÖn tö tù quay xung quanh trôc, ®iÖn tÝch ph©n bè trªn bÒ mÆt h×nh cÇu t¹o ra nhiÒu dßng ®iÖn nhá khÐp kÝn. Mçi dßng ®iÖn nhá sinh ra mét m«men tõ h−íng däc theo ph−¬ng trôc quay. Tæng céng c¸c m«men tõ ®−îc t¹o ra bëi mçi dßng ®iÖn nhá sÏ lµ m«men tõ cña ®iÖn tö, μB.

dông m« h×nh nµy v× khi tÝnh tæng céng m«men tõ do c¸c dßng ®iÖn nhá sÏ cho kÕt qu¶ µ = 5/6 μB chø kh«ng ph¶i lµ μB. §iÒu nµy ®−îc gi¶i thÝch lµ do h×nh d¹ng thùc sù cña ®iÖn tö lµ hoµn toµn kh«ng x¸c ®Þnh vµ sù ph©n bè ®iÖn tÝch trªn bÒ mÆt cña ®iÖn tö còng hoµn toµn kh«ng biÕt, v.v...

(cid:151) Spin và từ tính của vật chất: có 3 dạng chính

(cid:190) L−u ý: ®©y chØ lµ m« h×nh ®Þnh tÝnh. Cßn ®Ó ®Þnh l−îng ta kh«ng thÓ ¸p

* Từ tính của ion tự do (Free Ion Magnetism)

* Từ tính định xứ (Located Magnetism)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

* Từ tính không định xứ (Itinerant Magnetism)

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

I- Các hiệu ứng/hiện tượng vận chuyển phụ thuộc spin (Spin-Dependent Transport - SDT)

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

1.2. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm (TMR)

1.3. Hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ (CMR)

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích (BMR)

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon

1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

SỰ KHÁM PHÁ RA HIỆU ỨNG GMR

1986: + Peter Grünberg, et. al., Phys. Rev. Lett. 57 (1986) 2442. ⇒ ΔR/R ~ 1.5 %.

1988: + Albert Fert, et. al., Phys. Rev. Lett., 61(1988) 2472. ⇒ ΔR/R ~ 50 % ⇒ GMR

The 2007 Nobel Prize

in Physics for GMR

GMR effect

Magnetization

Ferromagnetic layer (Fe ~3-6 nm)

Non-magnetic layer, (Cr ~1-6 nm)

(001)GaAs substrate

Minh họa cấu trúc lớp của siêu mạng Fe/Cr

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ

Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai lớp sắt từ

Hiệu ứng GMR thể hiện sự thay đổi của điện trở theo từ trường ngoài tác dụng lên cấu trúc màng mỏng từ đa lớp

R

RAP

RP

- HS

HS

0 Magnetic Field

R P

GMR

=max

R Δ R

ρ Δ ρ

− AP ρ

− AP R P

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Sù biÕn thiªn dao ®éng cña tû sè GMR theo chiÒu dµy cña líp Cu trong cÊu tróc ®a líp Co/Cu.

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ

Ví dụ

Ph¶n s¾t tõ (AF)

S¾t tõ (FM)

ChiÒu dµy líp c¸ch Ru (Å)

Sù dao ®éng cña h»ng sè liªn kết trao ®æi J12 gi÷a hai líp tõ trong cÊu tróc ®a líp Co20Ni80/Ru/ Co20Ni80.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Sự dao động của liên kết trao đổi giữa hai lớp sắt từ cách nhau bởi một lớp phi từ: hằng số liên kết trao đổ J (năng lượng liên kết trên một đơn vị diện tích của bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp) biến thiên kiểu dao động tắt dần theo chiều dày của lớp phi từ

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ

Tương tác kiểu RKKY

J(r) ∝ cos(2kFr)/r3

Tương tác giữa hai ion từ cách nhau một khoảng r trong môi trường khí điện tử tự do ➼ Năng lượng liên kết có dạng tuần hoàn theo khoảng cách r với biên độ giảm theo hàm r3

λF = 2π/kF

J(r) ∝ sin(2kFr)/r2

M«i tr−êng khÝ ®iÖn tö tù do

Tương tác giữa hai lớp mặt phẳng chứa các ion từ trong môi trường khí điện tử tự do ➼ Năng lượng liên kết có dạng tuần hoàn theo khoảng cách với biên độ giảm theo hàm r2

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

Hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin – cơ chế của GMR

Líp tõ Líp phi tõ

t d

H = 0

H > HS

ρ↑

ρ↓

ρ P

ρ↑

ρ↓

ρAP

2 ρρ ↓↑ ρρ + ↓

↑

ρρ ↑ + ↓ 2

Spin-↑

Spin-↓

Spin-↑ Spin-↓

(a) AF

(b) FM

ρ >

AP ρ

)

(;

;

)

(;

)

ρ n

)

( ↓↑

Δ ρ ρ

ρ Δ ρ

ρρ − AP P ρ

α α

− +

( ↓↑ ρ n

⎛ ⎜ ⎝

1 2 ⎞ ⎟ 1 ⎠

ρ ↓= ρ ↑

− ( αα ↑ ↓ d t

d t

⎛ 4 α ⎜ ↑ ⎝

⎞ ⎛ α ⎟ ⎜ ↓ ⎠ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

α = scattering asymmetric coefficient

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

Cơ chế của sự vận chuyển phụ thuộc spin

a)

E E

4s 3d 4s

M M

NM FM NM

b)

M

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

M¤ H×NH trƯỜng THẾ CñA GMR

spin-↑ spin-↑

¹ x n ¸ t Õ h T

spin-↓ spin-↓

Sù t−¬ng ®−¬ng cña mét hÖ mµng máng ®a líp víi mét chuçi rµo thÕ kh¸c nhau ®èi víi c¸c ®iÖn tö cã spin kh¸c nhau khi c¸c líp tõ cã cÊu h×nh tõ ®é ph¶n song (a) vµ song song (b).

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

a) b)

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

GMR trong cÊu h×nh dßng ®iÖn vu«ng gãc (CPP) và trong mặt phẳng (CIP)

PhiÕn ®iÖn cùc phÝa trªn

a) GMR-CIP

b) GMR-CPP

§Õ Si

PhiÕn ®iÖn cùc bªn d−íi

Mµng máng nhiÒu líp

S¬ ®å minh ho¹ sù ph©n bè vect¬ sãng k trong mét mµng máng kim lo¹i. a) Khi dßng ch¹y trong mÆt ph¼ng mµng máng, CIP. b) Khi dßng ch¹y vu«ng gãc víi bÒ mÆt mµng máng, CPP.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

H

FM

Hiệu ứng Spin Valves

NM

FM

Các cấu trúc đa lớp tương tự như một cái van spin khi có dòng điện chạy qua dưới tác dụng của từ trường ngoài.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

Spin Valves

1991:

+ B. Dieny, et.al., Phys. Rev. B 43 (1991) 1297.

off

+ B. Dieny et. al., J. Appl. Phys., 69 (1991) 4774. + B. Dieny et. al., J. Magn. Magn. Mater., 93 (1991) 101.

C (ghim)

C (tù do)

exc

GMR ~ 8-20% at Troom

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Spin Valves

C¸c van spin kh«ng ghim

C¸c van spin ghim kh«ng ®èi xøng

C¸c van spin ®Ønh

C¸c van spin ®¸y

Van spin ®èi xøng

Van spin kh«ng ®èi xøng

F NM F

AF F NM F

F1 NM F2

A B C F

Van spin ghim ®èi xøng

AF F1 NM F2

AF F1 NM F2 (F1) NM F1 AF

D G

I

Tõ ®é

AF F1 F2 NM F2 F1 E H

Tõ ®é líp bÞ ghim

Tõ ®é líp tù do

Mét sè kiÓu cÊu tróc van spin th«ng dông. KiÓu A vµ B: kh«ng sö dông líp AF ®Ó ghim mµ sö dông tõ tr−êng ngoµi, dÞ h−íng tõ, hoÆc hai líp tõ cã HC kh¸c nhau. C¸c kiÓu tõ C ®Õn I sö dông líp AF ®Ó ghim. Trong sè nµy chia lµm 3 lo¹i: Lo¹i ghim ®Ønh (C, D, E), lo¹i ghim ®¸y (F, G, H) vµ lo¹i ghim ®èi xøng (I).

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Tõ ®é líp ®iÒu khiÓn bÒ mÆt

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ

Sơ đồ cấu hình sắp xếp spin của một cấu trúc gồm 2 lớp từ tiếp xúc dị thể - sắt từ với phản sắt từ (FM/AFM) - ứng với các trạng thái từ hóa khác nhau để giải thích hiện tượng dịch của đường từ trễ do tương tác trao đổi spin ở bề mặt tiếp xúc – hiệu ứng trao đổi dịch:

(i)

Lớp AFM là thuận từ, còn lớp FM vẫn là sắt từ, khi nhiệt độ của hệ thấp hơn TC (của FM) nhưng cao hơn TN (của AFM).

(ii)

Lớp AFM trở thành phản sắt từ khi T < TN.

(iii)

Từ trường đảo chiều làm đảo từ độ của lớp FM, nhưng chưa đủ mạnh để thắng tương tác trao đổi, nên vẫn bị “ghim” lại.

(iv)

Trường trao đổi dịch (hay trường “ghim”): Hex = Jint /(MFM.tFM) (Jint: năng lượng của bề mặt tiếp xúc FM/AFM; MFM: từ độ của lớp FM; tFM: chiều dày của lớp FM)

Từ trường đảo chiều đủ mạnh, thắng tương tác trao đổi, nên làm đảo hoàn tòan mômen từ của lớp FM (trạn thái bão hòa mômen từ của lớp FM).

Hex

(v)

Do năng lượng tương tác trao đổi có tính dị hướng mạnh theo phương từ trường làm lạnh ban đầu [bước (ii)], nên chỉ cần từ trường ngòai giảm ít cũng dễ bị cạnh tranh bới trường liên kết trao đổi dị hướng - mômen từ của lớp FM dễ dàng bị đảo lại.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ

Meiklejohn’s model

• Mô hình đơn giản của Meiklejohn giả thiết tương tác trao đổi chỉ

xảy ra ở bề mặt phân cách AFM/FM.

• Năng lượng tính cho 1 đ.v diện tích bề mặt của hệ EB có dạng:

cos(

2 sin

sin(

cos(

−=

) − βθ

)( α

) α

−

) − αβ

tK AFM

AFM

tK AFM

AFM

INT

• Khi bỏ qua dị hướng của lớp FM và lấy cực tiểu năng lượng chỉ theo các góc α và β, có thể tìm được trường trao đổi dịch (hay KAFM,KFM

MAFM

trường ghim HE) như sau:

MFM

INT ×

và điều kiện về chiều dày tới hạn của lớp AF:

≥

AFM

INT

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ

Hex

z z

H

AF AF

x x

Soft

y y

FM FM

Líp s¾t tõ “tù do”

Líp s¾t tõ FM

- EBC th«ng th−êng, tFM ~ 10 nm vµ JK ~ 0.01 – 0.5 erg/cm2 ⇒ λinf ~ 1 nm

Tầm tác dụng của EBC, λinf

MÆt tiÕp xóc AF/FM

Líp ph¶n s¾t tõ AF

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

- Víi hÖ MnPd(Cr)/Co cã GEB, tFM ~ 40 -100 nm nh−ng JK > 2 erg/cm2 ⇒ λinf ~ 10 nm

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

Hiệu ứng GMR trong các cấu trúc dạng hạt Granular structure (Heterogeneous two phase structure)

Co, Ni, Fe,…

Cu, Ag, Au, ...

ΔR/R

Đế

θcos i

M = ∑ Mi = 0

HM ⋅ i H

(0)

−=

ρΔ ρ

(H) ρ

ρ − (0)

M M

2 S

⎛ ⎜⎜ ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

- HS

T ( ρ m ( ) T

T (

)

) +

+ ρρ ph

ρ m

ρ= ρ0 + ρph(T) + ρm(T){1 - f[(M/MS)2]}

0 Magnetic Field

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

Màng mỏng từ có cÊu tróc d¹ng h¹t

30 nm

¶nh TEM cña mµng máng hîp kim Co23Ag77 cho thÊy c¸c h¹t Co nhá cã d¹ng gÇn nh− h×nh cÇu ®−îc ph©n t¸n trong nÒn Ag.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

Hiệu ứng GMR trong các cấu trúc dạng hạt

x < xp

x ~ xp

x > xp

GMR tăng

GMR gi¶m

GMR = GMRmax

Chiều tăng x →

ChiÒu biÕn thiªn cña GMR

S¬ ®å minh ho¹ hình th¸i cÊu tróc h¹t víi tû lÖ thµnh phÇn Co x tăng dÇn, dÉn ®Õn sù kÕt tô cña c¸c h¹t Co khi tû lÖ thµnh phÇn Co lín h¬n ng−ìng lan to¶ xp. Tû sè GMR tăng theo x vµ ®¹t cùc ®¹i ë xp, sau ®ã gi¶m.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

➲ Có một giá trị p ~ xp là tỷ lệ thành phần tối ưu cho tỷ số GMR lớn nhất, GMRmax

Mét sè kiểu cÊu tróc cã hiÖu øng GMR

a) NM FM

Tõ tr−êng

b)

Co Cu Co

FeMn

Tõ tr−êng

)

c)

%

-1

(

-2

R M G

-3

-4

-5

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 H (kOe)

Tõ tr−êng

Ag Co

d) NiFe Ag

Tõ tr−êng

e) Ag NiFe Co

NiFe

Tõ tr−êng

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR

(MTJ: Magnetic tunnel junction; TMR: tunneling magnetoresistance)

1995:

+ J.S. Moodera, et. al.,Phys. Rev. Lett., 74 (1995) 3273. + H. Fujimori, et. al., Materials Science and Engineering B31 (1995) 219. + F. Guevara, et. al., J. Magn. Magn. Mater. 140-144 (1995) 381.

MTJ:[FM/I/FM]

Al2O3, SiO2, Ta2O5, MgO, ...

Fe, Co, CoFe, NiFe,...

Granular MTJ

TMR ~ 10 - 50% at Troom

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR Cấu trúc MTJ và sự xuyên ngầm lượng tử

Hạt Co ~ 2.5 nm

4.5 nm 6 nm

2.5 nm

Cấu trúc MTJ dạng hạt: Hạt nano Co trong nền Si3N4 [S.Gu´eron, et. al., Laboratory of ASSP, Cornell University, Ithaca, NY 14853 (2005)]

3 nm

1nm

21 nm

Al2O3

23 nm

J

S¬ ®å rµo thÕ

, Stuart Parkin, June 25, 2002

EF1

EF2

D1

CÊu tróc MTJ: FM/I/FM

D2

∞

~)(

(

)

−

[ )

] ( dEEf )

( VEfEDVED 2

∫

∞−

FM1 FM2

) n Ö i ® h c ¸ c ( Õ h t o µ r p í L

J ~ exp[– 2 d√(2mφ/ħ2)]

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR

Cơ chế vận chuyển xuyªn ngÇm phô thuéc spin - Hiệu ứng TMR

J1 J2

J1 > J2

TMR = =

RAP - RP RP GP - GAP GAP

2P1P2 TMR = P =

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

[D↑(EF) - D↓(EF)] [D↑(EF) + D↓(EF)] (1- P1P2)

1.3. Cấu trúc perovskite & hiệu ứng CMR

•

O

1950: Hợp chất LaMnO3 là chất AF và không dẫn điện. (cid:132) Khi thay thế một phần ion La3+ bằng các ion hoá trị 2 như Sr2+, Ca2+, Ba2+,... (từ 10 - 50%) hợp chất (La-X)MnO3 trở thành FM và dẫn điện. • Thực nghiệm đo được ở màng mỏng của hợp chất La-Ga-Mn-O ở 77 K với CMR = Δρ/ρ ~ 127.000 %.

Mn

• Cơ chế:

La

Sr

Ở những vị trí có ion 2+ thay thế vị trí La3+, ion Mn3+ gần đó sẽ nhường cho ion này 1e và trở thành ion Mn4+ (cid:132) Giữa ion Mn3+ và Mn4+ có tương tác trao đổi thông qua ion O2- ở giữa (góc tương tác Mn-O-Mn là 1800) (cid:132) Xuất hiện sự trao đổi kép.

(cid:132) Các ion Mn3+ và Mn4+ đổi chỗ cho nhau.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Mn3+ O2 - Mn4+

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích (Ballistic Magneto Resistance: BMR)

1999, G. Tatara, Y.-W. Zhao, M. Muñoz, and N. Garcı´a

“Domain Wall Scattering Explains 300% Ballistic Magnetoconductance of Nanocontacts”, PHYSICAL REVIEW LETTERS 83 (1999) 2030.

2001, N. Garcı´a, M. Mun˜oz, G. G. Qian, H. Rohrer, I. G. Saveliev, and Y.-W.

Zhao

“Ballistic magnetoresistance in a magnetic nanometer sized contact: An effective gate for spintronics”, APPLIED PHYSICS LETTERS 79 (2001) 4550.

2002, H.D. Chopra and S.Z. Hua

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

“Ballistic magnetoresistance over 3000% in Ni nanocontacts at room temperature”, PHYSICAL REVIEW B 66, 020403(R) 2002

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích

Sự vận chuyển phụ thuộc spin kiểu xung kích trong các cấu trúc tiếp xúc nano dạng chữ T

Cu

Ni

Tiếp xúc nano (đặc trưng bởi điện trở tiếp xúc RC )

u C

Dây Ni

Tiếp xúc Ni–Ni hình chữ T: (a) tiếp xúc bằng các dây Ni;(b) tiếp xúc giữa hai lớp Ni mỏng được tạo ra bằng phương pháp điện phân một phần trên dây Cu.

Dây Ni

(H.D. Chopra et. al., PHYSICALREVIEWB 66 (2002) 020403(R))

RC ~ 8 Ohm BMR ~ 3150 %

(D↑ - D↓) p = ----------- (D↑ + D↓) F ≤ 1 (tính không bảo toàn phương spin)

Bán kính cong của các đầu tip thay đổi từ 40 – 400 nm (C) → BMR ~ 500 - 3000 %.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích

• Dây Ni có đường kính 125 μm được tạo ra mũi nhọn bằng phương pháp điện hóa.

• Bán kính cong của các đầu tip thay đổi từ 40 – 400 nm → BMR ~ > 500 - > 3000 %.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

• Điện trở tiếp xúc Rc xác định đường kính mũi nhọn d:

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon Spintronics in carbon nanotube

(K.Tsukagoshi, et. al.; PhysicaB 323 (2002) 107–114)

(a) Micrograph of a nanotube device of a single MWNT electrically contacted by ferromagnetic Co.

(d) Two magnetization configurations, a resistance of the anti-parallel state is larger than a resistance of the parallel state.

(c) Two terminal differential resistance as a function of magnetic .eld. The magnetic .eld is directed parallel to the substrate, and the temperature is 4.2 K.

(b) Schematic cross section of the device. The Co contacts lie on top of the MWNT, the conducting channel is approximately 250nm in length.

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon

Sù phun Spin qua èng nano carbon

Yªu cÇu:

Dây nano carbon

Co

T¸n x¹ Spin ë trong èng nanocarbon còng nh− ë bÒ mÆt gi÷a èng nano vµ ®iÖn cùc s¾t tõ ph¶i ®ñ nhá. Theo m« h×nh Julliere ®èi víi cÊu tróc MTJ, chiÒu dµi t¸n x¹ spin λS ~ 260 nm.

Lưu ý :

+ §é ph©n cùc Spin ë gÇn bÒ mÆt tiÕp xóc èng nano/s¾t tõ phô thuéc vµo chÊt l−îng cña bÒ mÆt tiÕp xóc mµng.

+ §iÖn trë tiÕp xóc cao g©y ra t¸n x¹ m¹nh Spin, dÉn ®Õn c¶n trë kh¶ n¨ng phun c¸c điện tử ph©n cùc Spin vµo trong èng nano carbon.

(A.T. Johnson, Jr.; Physics & Systems Engineering, University of Pennsylvania, 2002).

+ §iÖn trë tiÕp xóc cao cã thÓ do Co bÞ oxy hãa ë bÒ mÆt, t¹o ra mét hµng rµo xuyªn hÇm gi÷a èng nano carbon vµ ®iÖn cùc s¾t tõ.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Ảnh AFM của ống nano-carbon có đường kính ~ 1-2 nm được nối với hai điện cực Co dày 20 nm.

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon

Cơ chế vận chuyển xung kích phụ thuộc spin trong ống CNT

Vật dẫn thông thường

Vật dẫn xung kích

L > λmfp (cid:68) tán xạ (cid:68) điện trở lớn (cid:68) Sự chuyển động kiểu zigzag

(Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

L ~ λmfp (cid:68) không tán xạ (cid:68) không điện trở (cid:68) Sự chuyển động kiểu xung kích

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon

Trường hợp vận chuyển giữa hai đômen từ

Chiều dày vách Néel ở màng mỏng λ ~ 100-200 nm (cid:68) BMR không đáng kể

Trường hợp vận chuyển giữa hai điện cực từ được nối bởi ống nano

Mặc dù λ ~ (<) λmfp (cid:68) sự tán xạ vẫn mạnh khi mômen từ của hai điện cực ngược nhau (cid:68) BMR không đáng kể

(Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon

(Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)

Hiệu ứng BMR cho trường hợp hai điện cực từ nối với nhau bởi ống nano carbon

(A): Trạng thái điện trở cao (B): Trạng thái điện trở thấp

Hiệu ứng BMR (∆G/G) phụ thuộc vào: P (độ phân cực spin) và λ (quãng đường tự do trung bình của điện tử)

P P

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon

Một khả năng ứng dụng của hiệu ứng BMR làm đầu đọc các bit từ có kích thước nano (ổ đĩa có mật độ siêu cao – dung lượng cực lớn)

Co

Một bit từ xác định

Có thể ứng dụng BMR trong công nghệ lưu trữ thông tin: đầu đọc BMR cho đĩa từ có mật độ siêu cao

(Theo H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET)

HIỆU ỨNG CHẮN COULOMB (CB)

Hiện tượng ch¾n Coulomb

eЄ

e e

)

(Qextφ

( Qφ

nh− mét “Rµo ch¾n”

Q = -e Q = 0

"Đảo nano" giữa một khe nano

)

1 Qε (

Hiện tượng vận chuyển đơn điện tử

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET)

Hiệu ứng chắn Coulomb từ (Magnetic Coulomb Blockade, MCB) & Sự vận chuyển đơn spin - SSET

Sơ đồ một cấu trúc MTJ kiểu “đảo”

Điện cực FM

“Đảo nano” Co

Điện cực FM

J. Varalda et al. (2005)

Lớp rào Al2O3 hay TiO2

SỰ CHẮN SPIN (SPIN-BLOCKADE)

Al2O3

FM

Al2O3

FM

e-

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Sơ đồ nguyên lý của linh kiện xuyên ngầm đơn spin (Single Spin Electron Tunneling: SSET).

1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET)

Sự khác nhau cơ bản giữa các linh kiện truyền thống và SET

(cid:190) Các linh kiện truyền thống (MOSFET, BJT )

• Các hạt tải điện tích "chảy" liên tục • Được mô hình hóa bằng các phương trình

thủy động lực học (hydrodynamic equations)

(cid:190) Các linh kiện đơn điện tử (SET)

• Hoạt động dựa trên sự lượng tử hóa của

điện tích của điện tử

• "Chảy" từng điện tử một • Hàm sóng điện tử là định xứ • Sử dụng phương pháp mô phỏng hạt (phương pháp Monte Carlo trực tiếp)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

II. CÁC VẬT LIỆU SPINTRONICS

2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ

2.2. Bán dẫn từ, bán dẫn từ pha loãng

2.3. Phản sắt từ (AFM)

2.4. Hợp chất/hợp kim sắt từ nửa kim loại (Half-metallic Ferromagnets -

HMF)

2.5. Các vật liệu từ có cấu trúc nano khác

2.6. Phân tử hữu cơ và Spintronics

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ

Các sắt từ nửa kim loại (half-metallic ferromagnets):

- Các hợp kim bán Heusler: NiMnSb, PtMnSb, UNiSn - Cấu trúc rutile: CrO2 - Cấu trúc perovskite: (La1-xSrx)MnO3, Sr2FeMoO6

Các ferri từ nửa kim loại (half-metallic ferrimagnets):

- FeMnSb, Fe3O4

Các phản sắt từ nửa kim loại (half-metallic antiferromagnets):

- CrMnSb, La2VMnO6, La2VCuO6

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.2. Bán dẫn từ (MS), bán dẫn từ pha loãng (DMS)

CÁC BÁN DẪN TỪ

Bán dẫn từ pha loãng (DMS)

Bán dẫn từ (MS)

Bán dẫn phi từ (NMS)

(III-V)-Mn GaAs-Mn InSb-Mn InAs-Mn

A-B GaAs InSb ZnO

AO:M ZnO:Co/Cr TiO2:Co SiO2:Mn

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.2. Bán dẫn từ (MS), bán dẫn từ pha loãng (DMS)

Sự phát triển của các vật liệu trên cơ sở bán dẫn với các tính chất từ hay liên quan đến spin trong thời đại “điện tử bán dẫn”: 60s-90s, và bắt đầu thời đại “điện tử spin”: ~ 2000s.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ

Mét sè yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi hÖ AF/FM

(cid:190) Tr−êng ghim (pinning field, hoÆc exchange bias field) lín:

HE > ~ 300 Oe.

(cid:190) NhiÖt ®é blocking TB > ~ 200 0C. (cid:190) VËt liÖu sö dông lµm c¸c líp FM vµ AF cã TC, TN > 300 K,

cã ®é bÒn ho¸ häc vµ c¬ häc cao.

(cid:190) ®ßi hái vÒ gia c«ng nhiÖt thÊp nhÊt: viÖc ñ ë nhiÖt ®é cao lµm mÊt hiÖu øng EB v× qu¸ tr×nh khuÕch t¸n giữa hai líp FM/AF.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ

Material

TB (K)

TN (K)

NiO (1 1 1)

450 – 500

520

NiO (1 0 0)

480

C¸c vËt liÖu sö dông trong hÖ AF/FM

CoO (poly) (10 K)

290

CoO (poly) (150 K)

290

370

CoxNi1-xO (poly)

290 – 520

390 – 430

CoxNi1-xO (1 1 1)

VËt liÖu sö dông lµm líp AF

380 – 410/290 – 520 450 – 620

CoO/NiO (poly- multi) Fe2O3 (poly)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Mét sè ««xýt ph xýt ph¶¶n sn s¾¾t tõt tõ dïng lµm líp AF trong c¸c hÖ trao ®æi dÞch vµ c¸c nhiÖt ®é TB vµ TN t−¬ng øng.

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ

Material

TN (K)

TB (K) 420 – 570

380 – 480

490

770

1070

520 – 650

420

–

470 – 620

–

C¸c vËt liÖu sö dông trong hÖ AF/FM (tiÕp)

420

–

450

–

600

–

620

–

570

–

650

–

550

–

400 – 650

480–980

570

–

VËt liÖu sö dông lµm líp AF

400 – 520

690

Fe50Mn50 (poly-ann) Fe50Mn50 (1 1 1) Ni50Mn50 (poly-ann) Ni50Mn50 (1 1 1-ann) Ni25Mn75 (1 1 1-ann) FexNiyMn1-x-y (poly) FeMnRh (poly) Cr1-xMnx (poly) CrxMnyPt1-x-y (poly) CrxMnyRh1-x-y (poly) CrxMnyCu1-x-y (poly) CrxMnyPd1-x-y (poly) CrxMnyIr1-x-y (poly) PtxMn1-x (poly-ann) PdxPtyMn1-x-y (poly) IrxMn1-x (1 1 1)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Mét sè hhîîp kim ph p kim ph¶¶n sn s¾¾t tõt tõ dïng lµm líp AF trong c¸c hÖ trao ®æi dÞch vµ c¸c nhiÖt ®é TB vµ TN t−¬ng øng.

& Spintronics 3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics

2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ

Vật liệu sử dụng làm lớp rào thế trong các cấu trúc MTJ với hiệu ứng TMR: việc sử dụng rào thế là MgO từ 2002 đã làm tăng vọt tỷ số TMR.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

III. MỘT SỐ LINH KIỆN, DỤNG CỤ SPINTRONICS & ỨNG DỤNG

3.1. Nguyên tắc & Phân loại các linh kiện spintronics 3.2. Cảm biến, đầu đọc từ van spin 3.3. Bộ nhớ từ không tự xoá (MRAM) 3.4. Các loại tranzito spin

3.4.1. Tranzito Johnson (BST) 3.4.2. Tranzito van spin (SVT) 3.4.3. Tranzito spin hiệu ứng trường (FEST)

3.5. Điốt quang-spin điện tử 3.6. Các linh kiện nanospinics

3.6.1. Linh kiện đơn spin điện tử (SSED) 3.6.2. Linh kiện dẫn spin trên sợi nanocarbon

3.7. Spin và máy tính lượng tử 3.8. Một số ứng dụng

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Các thế hệ linh kiện/dụng cụ Spintronics

(cid:190) Thế hệ I: GMR, TMR (kim loại sắt từ-kim loại hoặc kim loại sắt từ-điện

môi): Cảm biến, đầu đọc từ, các loại MRAM, các transito kim loại (hay

transito lưỡng cực), tranzito van spin, công tắc/khoá spin,...

(cid:190) Thế hệ II: phun dòng spin trong bán dẫn từ pha loãng, bán dẫn sắt từ,

half-metal. (bán dẫn-sắt từ, bán dẫn từ-bán dẫn, tiếp xúc ôxyt từ xuyên

ngầm spin (MOTJ) hay các tiếp xúc khác, v.v...): Mạch khoá spin siêu

nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,...

(cid:190) Thế hệ III: hiệu ứng spin lượng tử (dạng dot, dây, sợi nano →

nanospintics) như các linh kiện vận chuyển kiểu điện đạo (ballistic

electron transport) (các hiệu ứng BMR, MCB),…Các cấu trúc/linh kiện

nano sử dụng các trạng thái spin của các điện tử đơn lẻ: cổng logic

lượng tử spin, là cơ sở cho máy tính lượng tử, các transistor đơn spin

(SSET),...

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THUỘC DÒNG SPINTRONICS

Nguồn spin

Spin source

Phun spin

(cid:190) Ferromagnetic materials (FM)

Injection

Thao tác spin

(cid:190) Electronic

(cid:190) Half-metallic ferromagnets (HMF)

(cid:190) Optical

Manipulation

(cid:190) Magnetic

(cid:190) Thermal

Phát hiện/đo/phân tích spin

(cid:190) V.v...(???)

semiconductors (MSC)

Detection

- Cấu trúc đa lớp - Cấu trúc dạng hạt - Cấu trúc van spin

(cid:190) Dilute magnetic semiconductors (DMS)

(cid:190) V.v… (???)

- Cấu trúc MTJ - Các cấu trúc lai - v.v… (???)

Các hiệu ứng do sự vận chuyển phụ thuộc spin: GMR, TMR, BMR, CMR, ... (???) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

NG SPIN ƯU ĐIỂỂM CM CỦỦA VIA VIỆỆC SC SỬỬ DDỤỤNG SPIN ƯU ĐI

Tiêu thụ ít năng lượng hơn

- Việc chuyển trạng thái 0 và 1 trong các Transistor MOS-FET được thực hiện bằng cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi kênh transistor. - Việc vận chuyển điện tích đòi hỏi phải tạo ra được sự chênh lệch của trường thế (gradient điện trường) ⇒ Bị tổn hao thành nhiệt và không thể bù đắp. ⇒ Đòi hỏi tiêu tốn năng lượng và thời gian hơn.

Không gây ồn/nhiễu như điện tích

- Spin không liên kết dễ dàng với điện trường tạp tán (nhưng lại liên kết spin-quỹ đạo rất mạnh ở trong chất rắn) ⇒ tránh được nhiễu và ồn như điện tích.

Thao tác nhanh hơn

- Vì không phải mất thời gian cho việc vận chuyển điện tích trong một khoảng thời gian dài (transit time), chỉ mất thời gian lật phương spin tại chỗ (flip time).

(cid:214) Đối với spin: chỉ cần “bật” chiều spin “lên” và “xuống” ⇒ Đòi hỏi tiêu tốn ít

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

năng lượng và thời gian hơn nhiều.

CCÁÁCC LINH KI

LINH KIỆỆN ĐIN ĐIỆỆN TN TỬỬ THTHẾẾ HHỆỆ MMỚỚI SI SỬỬ DDỤỤNG SPIN ĐI

NG SPIN ĐIỆỆN TN TỬỬ

ChuyÓn ®æi từ-®iÖn

(cid:190) Cảm biến từ (cid:190) Đầu từ GMR

(cid:190) Bộ nhớ từ kh«ng tự xãa

(Non-volatile Magnetoresistance-RAM) (cid:190) C¸c linh kiÖn/thiết bị tõ-®iÖn tö:

* Robot xóc gi¸c/Robot th«ng minh * PhÝm bÊm kh«ng tiÕp xóc * §éng c¬ kh«ng chæi than * Gi¶i m· v¹ch * §Õm tèc ®é * §iÒu chØnh ®¸nh löa bugi ®éng c¬ * M¸y trî thÝnh * HiÓn vi tõ ®iÖn trë * Đầu đọc ổ đÜa cøng m¸y tÝnh

v.v...

- Transistor lưỡng cực (Bipolar Transistor, BPT)

Một số loại cảm biến dùng để đo từ trường thấp (10-9 Oe/V/Hz)

- Transistor cộng hưởng spin (Spin-Resonance Transistor, SRT)

)

W m

(

- Transistor xuyên ngầm từ (Magnetic Tunnel Transistor, MTT)

- Transistor trường spin

(Spin-FET)

GMR

t ấ u s g n ô C

-Điốt quang spin (Spin Light-Emitting Diode, Spin-LED)

Giá thành của hệ cảm biến (USD)

(cid:190) Máy tính lượng tử

(Quantum Computer, QC)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Các cảm biến từ trường – phạm vi làm việc & so sánh với cảm biến van spin

Ph¹m vi tõ tr−êng cã thÓ ®o ®−îc (kOe)

C¸c lo¹i c¶m biÕn tõ tr−êng

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

101

103

1. SQUID.......................................

2. Cæng tõ th«ng (Flux-gate).........

3. B¬m quang (Optical pumping)..

precession).....................................

5. Sîi quang (Fiber-optic)..............

6. HiÖu øng Hall............................

7. Magneto-diode..........................

8. Magneto-transistors...................

9. Quang tõ (Magneto-optic).........

11. GMR.......................................

12. Tranzito van spin...................

13. AMR........................................

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Applications of GMR and spin valves

FM

NM

FM

〈

−

〉

cos(

)

2 R

IU =

↑↑

S

Δ R R

w h

θ 1 2

⎞ ⎟ ⎠

⎛ ⎜ ⎝

max

I

M2 θ2

M1

θ1

I

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

• Ổ đĩa cứng nhỏ nhất trên thế

giới (Guinness World Records): 0.85-inch (~ 2 cm) của Toshiba Corporation công bố vào ngày 16 March 2004 tại Nhật bản.

Spintronics trong các ổ đĩa cứng máy tính

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3- Nhu cÇu t¨ng mËt ®é vμ dung l−îng l−u tr÷ th«ng tin

T×nh h×nh t¨ng tr−ëng cña mËt ®é l−u tr÷ cña ®Üa cøng

m¸y tÝnh (HDD) trong thêi gian qua

(cid:121) S¶n phÈm æ ®Üa cøng (HDD) cña IBM (cid:121) PTN c«ng nghiÖp demo

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

T×nh h×nh t¨ng tr−ëng dung l−îng nhí cña æ ®Üa cøng m¸y tÝnh (HDD)

trong thêi gian qua

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Sù ph¸t triÓn cña mËt ®é diÖn tÝch cña æ ®Üa cøng (HDD) vμ bé nhí ®éng (DRAM)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Xu thÕ ph¸t triÓn cña mËt ®é l−u tr÷ vμ c¸c h×nh thøc l−u tr÷ th«ng tin

Giíi h¹n mËt ®é bÒ mÆt ng.tö

C¸c æ ®Üa tõ ®−îc t¨ng c−êng

Giíi h¹n diÖn tÝch tiÕp xóc AFM

Giíi h¹n siªu thuËn tõ

L−u tr÷ ë møc ng.tö

L−u tr÷ kiÓu hiÓn vi lùc ng.tö (AFM) vµ kü thuËt toµn ¶nh

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Cấu trúc của đầu từ GMR

Líp tõ "tù do"

Líp ph¶n s¾t tõ

Líp c¸ch kh«ng tõ

Líp tõ bÞ ghim

I I

M2

M1

Cùc dÉn dßng ®iÖn

θ2

θ1

CÊu t¹o cña mét ®Çu từ GMR cña æ ®Üa cøng m¸y tÝnh sö dông van spin cã ghim

〈

−

〉

cos(

)

2 R

IU =

↑↑

S

Δ R R

w h

θ 1 2

⎛ ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

max

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

mét sè c¶m biÕn GMR th−¬ng phÈm

Ghi chó

®é nh¹y

M∙ hiÖu/kiÓu cảm biÕn GMR

Khoảng tõ tr−êng lµm viÖc

~ 15 Oe

1.2 kA/m

4.2 mV/V Oe

AA002

52 mV/V kAm-1 Usôt ¸p = 5 kΩ * 1 mA

~ 20 -

1.6 -

3.2 -

40 -

5 kΩ * 1 mA

AA003

~ 50 -

4.0 -

1.3 -

16 -

5 kΩ * 1 mA

AA004

~ 100 -

8.0 -

0.6 -

8 -

5 kΩ * 1 mA

AA005

~ 20 -

1.6 -

3.2 -

40 -

30 kΩ * 0.3 mA

AA006

~ 20 -

1.6 -

3.2 -

40 -

AC004

~ 252 -

20 -

AB001

B

Ghi chó: mV/VOe t−¬ng øng víi [Ura/Usôt ¸pH], trong ®ã Usôt ¸p = I.R, lµ ®iÖn ¸p sôt trªn c¶m biÕn khi được nu«i b»ng mét dßng ®iÖn kh«ng ®æi (mçi c¶m biÕn cã mét ®iÖn trë x¸c ®Þnh).

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Ứng dụng cảm biến GMR trong công nghiệp ô-tô

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Ứng dụng cảm biến GMR trong công nghiệp ô-tô

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

MLX90316 wins Best of Sensors 2006 Gold Award

Ứng dụng van spin làm Bộ nhớ MRAM

¤ nhí

Líp c¸ch ®iÖn

§−êng ghi bit

Lớp từ 1

Lớp c¸ch sắt từ

Lớp từ 2

§Õ thuû tinh

§−êng ®äc bit

PhÇn tö van spin cã ghim (L−u tr÷ th«ng tin)

a)

b)

R(H)

Møc “cao”

R + ΔR

M« h×nh cÊu tróc cña mét « nhí c¬ së sö dông phÇn tö GMR víi c¸ch bè trÝ c¸c ®−êng ®äc vµ ®−êng ghi bit th«ng tin.

Ô nhớ trong bộ nhớ kiểu VRAM

CoFe Cu

Møc “thÊp”

CoFe

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Một số bộ nhớ GMR-MRAM mẫu (prototyp) với các thông số về dung lượng, kích thước, và thời gian truy nhập:

IBM: 1-Kb, chip (1-mm x 1.5-mm). Thời gian truy nhập: 3–10-ns. a) b) Motorola: 256-Kb, chip (3.9-mm x 3.2-mm). Thời gian truy nhập: 35-ns. c) Motorola: 1-Mb, chip (4.25-mm 5.89-mm). Thời gian truy nhập: 50-ns. d) Motorola: 4-Mb, chip (4.5-mm x 6.3-mm). Thời gian truy nhập: 25-ns. IBM: 16-Mb, chip (7.9-mm 10-mm). Thời gian truy nhập: 30-ns. e)

(Theo 2000 IEEE, 2001 IEEE, 2002 IEEE, 2003 IEEE và 2004 IEEE.)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

MỘT SỐ BỘ NHỚ GMR-MRAM

MỘT SỐ TRANSITO SPIN

Transito hiệu ứng trường phân cực spin (SPFET)

SPFET (Spin-FET)

Conventional Electronics

Vg Cæng M¸ng

InAlAs MOSFET Nguån Fe Fe

InGaAs

Cổng

Kªnh dÉn (KhÝ ®iÖn tö 2-D)

Oxit

Nguồn n+

Máng n+

Lớp đảo điện tích

P-type Si

Fe Fe

Spintronics

CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tranzito hiÖu øng tr−êng ph©n cùc spin (SPFET). Hai ®iÖn cùc nguån vµ m¸ng lµ c¸c líp s¾t tõ, vÝ dô nh− Fe, cã t¸c dông phun vµ gãp c¸c ®iÖn tö cã spin ®∙ ®−îc ph©n cùc. C¸c ®iÖn tö phân cực ®i qua kªnh dÉn vµ ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng hiÖu øng tr−êng (điện trường) và từ trường.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Transito Johnson

M. Johnson, Phys. Rev. Lett. 70, 2142 (1993).

F1, F2: Co

Anti-parallel

Parallel

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

NM: Cu, Ag

Transito van spin (SVT)

V T

Van spin

D. J. Monsma, et. al, Phys. Rev. Lett. 74, 5260 (1995)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tranzito van spin. Cùc bad¬ lµ mét phÇn tö van spin ë gi÷a hai líp b¸n dÉn b»ng Si, ®ãng vai trß cña emit¬ vµ colect¬. b) S¬ ®å c¸c møc n¨ng l−îng ë chç tiÕp xóc trong cÊu tróc kiÓu SMS (b¸n dÉn/kim lo¹i/b¸n dÉn), c¬ së cña øng dông tranzito van spin. Trong h×nh (a), phÇn tö van spin ®−îc thay cho líp kim lo¹i M ë trong cÊu tróc nµy.

Spin Light-Emitting Diode

Magnetic field

p-type ferromagnetic semiconductor GaMnAs

Non-magnetic

Spin-polarized Hole curent

GaAs

InGaAs GaAs

n-GaAs

Electro- luminescence

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Một số ứng dụng khác của cảm biến GMR và TMR

Pit«ng

Sensor GMR S

Ph−¬ng chuyÓn ®éng cña pit«ng

N S

C¶m biÕn GMR

Ph−¬ng tiÕp cËn víi vËt

C¸c c¶m biÕn GMR x¸c ®Þnh theo vÞ trÝ

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

(b) (a)

Một số ứng dụng khác của cảm biến GMR và TMR

−

GMR

C¶m biÕn GMR

VÕt nøt

ΔU

(a)

èng thÐp

−

I1 I2

GMR _

ΔU

(b)

KiÓm tra vËt liÖu kh«ng ph¸ huû mÉu (èng thÐp) b»ng c¶m biÕn GMR.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Đo cường độ dòng điện lớn từ xa

a) Nguyên lý để đo dòng lớn không trực

tiếp.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

b) Đặc tuyến V-I của cảm biến RMS đo dòng xoay chiều tần số công nghiệp (50 Hz). Độ nhạy xác định được là 35 mVrmsrA.

Điều khiển vị trí góc (Angular Position monitoring)

(a) Sơ đồ bố trí cảm biến để đo tốc độ quay. Hệ thống gồm bánh răng bằng vật liệu từ

mềm, một nam châm vĩnh cửu mà ở phần đầu có lắp một cảm biến GMR hay TMR sao

cho lớp bị ghim có phương từ độ hướng xuống phía dưới, còn từ độ của lớp tự do có

thể quay trong một mặt phẳng vuông góc với màn hình (hướng từ phía sau ra phía

trước màn hình). Như vậy cảm biến này chỉ nhạy với thành phần của từ trường nằm

dọc theo hướng của lớp bị ghim. (b) Khi bánh răng quay, các răng lần lượt di chuyển

qua cảm biến và làm nhiễu đường sức từ. (c) Đường đặc trưng của điện áp ra phụ

thuộc góc của cảm biến.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Điều khiển tốc độ quay

a) Cảm biến đặt cách mặt biên của bánh xe bằng nam châm vĩnh cửu đang quay một khoảng d.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

b) Đồ thị biểu diễn tín hiệu điện áp ra của cảm biến theo thời gian ứng với tốc độ quay của bánh xe là 360 vòng /phút đối với trường hợp khi d = 1 mm. Bảng nhỏ cho ở trong đồ thị này cho thấy biên độ tín hiệu đo dược phụ thuộc vào khoảng cách d, và thấy rõ tín hiệu có biên độ ổn định ở khoảng cách từ d = 0.5 mm tới d = 2 mm.

6. ITIMS VÀ CÁC ĐƠN VỊ KHÁC TRONG NƯỚC ĐÃ NGHIÊN CỨU NHỮNG VẤN ĐỀ GÌ LIÊN QUAN ?

TiÕpTiÕp ccËËnn spintronics

i ITIMS spintronics tt¹¹i ITIMS

Bắt đầu từ 1995 (là đơn vị đầu tiên trong nước)

(cid:190) Nghiªn cøu GMR trong mµng máng ®a líp vµ d¹ng h¹t (1995-2006)

(cid:190) Nghiªn cøu GMR cña hîp kim dÞ thÓ hai pha nguéi nhanh (1999-2006)

(cid:190) ChÕ t¹o van spin, sensor GMR vµ nghiªn cøu øng dông van spin lµm c¶m biÕn tõ

truêng (2000 – nay)

(cid:190) Nghiªn cøu hiÖu øng TMR trong c¸c cÊu tróc MTJ (2002-nay)

(cid:190) Nghiªn cøu hiÖu øng trao ®æi dÞch (EBC) (2002-nay)

(cid:190) Nghiªn cøu mét sè hîp chÊt half-metal (2004-nay)

(cid:190) Nghiªn cøu cÊu tróc MTJ d¹ng ®¶o vµ hiÖn t−îng ch¾n Coulomb từ (2004-nay)

(cid:190) Nghiªn cøu cÊu tróc MTJ d¹ng h¹t vµ hiÖu øng TMR (2005-nay)

(cid:190) Nghiªn cøu vËt liÖu b¸n dÉn tõ (???)

(cid:190) Nghiên cứu các hiện tượng vật lý spin mới: spin torque; spin Hall; magnetic

Casimir effect, magnetic plasmon,…(2008 – nay)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

MMỘỘTT SSỐỐ ĐƠN V

ĐƠN VỊỊ ỞỞ TRONG NƯ

TRONG NƯỚỚC NGHIÊN

SPINTRONICS C NGHIÊN CCỨỨU VU VỀỀ SPINTRONICS

1. HIỆU ỨNG GMR & CẤU TRÚC VAN SPIN (ITIMS, IMS)

2. CẤU TRÚC MTJ VÀ HIỆU ÚNG TMR (ITIMS)

3. TRAO ĐỔI DỊ HƯỚNG ĐƠN HƯỚNG (TRAO ĐỔI DỊCH) (ITIMS)

4. SỰ CHẮN COULOMB TỪ VÀ SỰ XUYÊN NGẦM ĐƠN SPIN (ITIMS)

5. SẮT TỪ NỬA KIM LOẠI (HALF-METALLIC FERROMAGNETS) (ITIMS, IMS)

6. BÁN DẪN TỪ (MAGNETIC SEMICONDUCTORS & DILUTE MAGNETIC

SEMICONDUCTORS ) (IMS, CRYOLAB, HUE, ITIMS)

7. Spin torque transfer (ITIMS)

8. Spin-plasmonics (ITIMS)

9. Spin Hall effect (ITIMS)

MỚI BẮT ĐẦU TRIỂN KHAI VÀ DỰ KIẾN TRIỂN KHAI

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

10. Magnetic Casimir effect (tương tác từ tầm xa) (ITIMS)

CCÁÁC nGHI

ITIMS C nGHIÊN CÊN CỨỨUU CCỤỤ THTHỂỂ tt¹¹ii ITIMS

spintronics CCỦỦA NHA NHÓÓM M spintronics

1. GMR: Co-Ag; Co-Cu; NiFe-Ag; Co/Ag/Co; Co/Cu/Co; Co/Ag/NiFe;

CoFe/Ag(Cu)/CoFe; CoNiFe/Ag(Cu)/CoNiFe; ...

2. ChÕ t¹o van spin: Co/Ag/Co; Co/Cu/Co; NiFe/Ag/NiFe;

FeMn/Co(NiFe)/Ag/NiFe(Co); NiMn/Co/Ag(Cu)/NiFe(Co); PdMn/Co/Ag/NiFe; ...

3. MTJ/TMR & Chắn Coulomb từ: Co/Al2O3/NiFe; Co/Al2O3/Co;

Co/Co-Al-O/Co; Co-Al-O; Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co

4. Half-metals: HÖ Heusler: Ni(Co, Cu)-Mn-Sb(Si, Al, Sn, Bi)

(d¹ng mµng máng vµ khèi); FM-CrAl (dạng màng mỏng) - FM = Fe, Ni, Co, CoFe, NiFe,...

Hệ oxyt: CrO2 ; NiMnSb; FM-CrAl (d¹ng mµng máng)

5. EBC: MnPd/Co; MnNi/Co; MnCr/Co; MnPd/NiFe; MnPt/Co; MnPt/NiFe; MnNi/NiFe; IrMn/Co(CoFe); {MnPd/Co}10.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

CCÁÁC nGHI

ITIMS C nGHIÊN CÊN CỨỨUU CCỤỤ THTHỂỂ tt¹¹ii ITIMS

spintronics CCỦỦA NHA NHÓÓM M spintronics

6. DMS: ZnO:Co

7. Spin-plasmonics: Co/Ag; Co/Cu; NiFe/Ag; CoFe)/Ag; Co-Ag; Co-

Cu; Co/Al2O3; Co-Al2O3.

8. Hiệu ứng Casimir từ - tương tác từ tầm xa trong các MTJ:

Co/Al-O/Co; Co/Ag/Co; NiFe/Ag/Co; Co/Cu/Co; NiFe/Cu/Co;

9. Bộ chuyển đổi từ điện:

- Sử dụng cảm biến van spin kim loại mắc theo kiểu mạch cầu Wheatston chế tạo các bộ chuyển đổi từ-điện.

- Bộ đo từ trường, khoảng cách, góc, vận tốc, gia tốc, khối lượng, áp lực/áp suất.

- Các bộ chuyển mạch cơ-điện sử dụng van spin

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

nguyên tửử ttừừ cô lcô lậậpp

3.3.66.. PhPhâân n ttửử vvàà nguyên t Các chùm phân tử từ (magnetic molecular clusters) - còn gọi là các nam châm nano phân tử (molecular nanomagnets) hoặc các nam châm đơn phân tử (single- molecule magnets: SMM) - là những giới hạn nhỏ cuối cùng của hệ từ khi đi từ khối đến các nguyên tử.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

3.3.66.. PhPhâân n ttửử vvàà nguyên t

nguyên tửử ttừừ cô lcô lậậpp

- Ở các hệ SMM đang kỳ vọng quan sát thấy các hiện tượng lượng tử vì chúng có cấu trúc rất xác định với trạng thái spin nền và dị hướng từ rất đặc trưng.

- Các phân tử từ này có thể được điều khiển để lắp ráp thành các tinh thể từ lớn mà ở đó tất cả các phân tử thường có cùng hướng. Vì vậy từ các phép đo vĩ mô có thể suy trực tiếp đến các tính chất của phân tử đơn.

- Một phân tử từ, tương tự một nam châm nano nhỏ, phải có một dị hướng từ rõ rệt và phải có một spin trạng thái cơ bản lớn.

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Sơ đồ của một lõi từ của chùm Fe8

t hiệện đn đạại quan s

i quan sáát vt vàà phân t

c trưng phân tíích cch cáác đc đặặc trưng

3.3.77.. CCáác kc kỹỹ thuthuậật hi ccấấuu trtrúúc tc từừ nanonano

1- Hiển vi điện tử (SEM, CTEM, STEM) cho độ phân giải ~ 0.25 – 0.1 nm đ/v UA ~ 200 – 1250 V

2- Hiển vi Lorentz

3- Hiển vi lực từ (MFM)

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

PHỤ LỤC

SSỰỰ PHÂN B

PHÂN BỐỐ CCÁÁC CHC CHỦỦ Đ ĐỀỀ NGHIÊN NGHIÊN

CCỨỨU NANO T

U NANO TỪỪ TRÊN TH

TRÊN THẾẾ GIGIỚỚII

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

NHỮNG THÁCH THỨC CỦA

SPSP↑NTRON

NTRON↓↓CSCS

TRONG TƯƠNG LAI

• Những thách thức chung

• Những thách thức riêng

1- Các cấu trúc MTJ trong MRAM tổ hợp với CMOS

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

2- Các thách thức về kết cấu/kiến trúc nanoelectronic

Những thách thức chung

• Số các khái niệm sử dụng trong spintronics Phương trình Shockley: SSựự ththàànhnh công

spintronics rất lớn: công khoa

đưđượợcc baobao ggồồm}!m}!

khoa hhọọcc ∝∝ {{SSốố ccáácc khkhááii niniệệmm (cid:40) bao trùm toàn bộ các vấn đề của vvậậtt lýlý chchấấtt rrắắnn : kim loại - bán dẫn - điện môi - siêu dẫn

•

Là một lĩnh vực liên ngành (cid:196) cần phải phát huy một cách tích cực tất cả vốn hiểu biết cơ sở (cid:196) tạo ra một thách thức lớn.

• Các vấn đề liên quan đến lượng tử spin, rối lượng tử và thông tin lượng tử.

Liên ngàành lnh làà ggìì ?? Liên ng

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

Một lĩnh vực được gọi là liên ngành khi các hoạt động nghiên cứu của nó được sự hỗ trợ, tổ hợp của nhiều tri thức khoa học và công nghệ thuộc nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm giúp cho việc hiểu biết đúng đắn hơn, chính xác hơn đối với các sự vật hay hiện tượng phúc tạp, hoặc tạo ra những sản phẩm, những hoạt động động cụ thể có những tính năng, tính chất thuộc về nhiều lĩnh vực, nhiều ngành thành phần, nhằm giải quyết các vấn đề (kể cả tri thức hiểu biết) mà riêng mỗi ngành, mỗi lĩnh vực thành phần không có khả năng hoặc không thể giải quyết được một cách tốt nhất.

Những thách thức riêng

1- Các cấu trúc MTJ trong MRAM tổ hợp với CMOS

• Vấn đề xung khắc/cạnh tranh về nhiệt độ xử lý khi tổ hợp cấu trúc MTJ với CMOS

trong các bộ MRAM: Một số quá trình CMOS chuẩn xảy ra ở nhiệt độ Ta ~ 4000C,

trong khi ở nhiệt độ này hiệu ứng TMR lại giảm nghiêm trọng, có thể giảm từ 40 % (ở

~ 250-270oC) xuống còn 1-2 %.

• Vấn đề độ đồng đều của điện trở bề mặt RA (resistance-area) trên bề mặt phiến bán

dẫn (wafer) rộng. Có nhiều kỹ thuật để tạo ra lớp rào thế ôxýt Al-O, và kỹ thuật được

ưa chuộng sử dụng nhất là plasma (do đơn giản và tính cạnh tranh công nghiệp).

Các kỹ thuật khác nhau gây ra sự khác nhau về độ đồng đều của điện trở MTJ. Chìa

khoá cho một cấu trúc MTJ có RA đồng đều là chiều dày của lớp Al phải có độ đồng

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

đều cao.

Những thách thức riêng

• Vấn đề tạo ravậ t liệu MTJ có RA rất thấp. Trong MRAMs, các bits càng nhỏ đòi hỏi

vật liệu MTJ có RA càng thấp. Trong đầu đọc ổ cứng sử dụng hiệu ứng TMR cũng

đòi hỏi vật liệu MTJ có RA thấp. Với cấu trúc MTJ thông thường, chiều dày lớp AlO

dưới 1 nm (ứng với TMR ~ 20%), RA ~ 400 Ω-μm2 (đây là giá trị cần tiệm cận đến

đối với MRAM trong tương lai và gần với giá trị mà các đầu đọc ổ cứng sẽ phải đạt).

2- Các thách thức về kết cấu/kiến trúc nanoelectronic

• Vấn đề giảm thiểu công su công suấấtt--nhinhiệệtt (P/H): phân tán/phân bố đều công suất, tản nhiệt

và loại trừ các điểm phát nhiệt tập trung;

• Vấn đề đđộộ bbềền/chn/chắắc chc chắắnn (reliablity) (REL): phải được tăng lên qua độ dư thừa về

không gian và thời gian, hoặc cả hai, nhưng các yếu tố dư thừa cần phải (rất) nhỏ;

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

• Vấn đề kikiểểm đm địịnhnh (TST): liên quan đến giá thành, phải được giảm thiểu;

• Vấn đề kkếếtt nnốốii (connectivity) (CONN): giảm đồng thời cả chiều dài và số các kết nối trong cấu trúc (liên quan đến dây dẫn, ảnh hưởng đến REL);

• Vấn đề thông