BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Nguyễn Bình An
KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ
CHẾ TẠO CỦA TÍNH CHẤT TỪ
CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ
INDIUM IRON ANTIMONIDE (In,Fe)Sb
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Thành phố Hồ Chí Minh – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Nguyễn Bình An
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ
CHẾ TẠO CỦA TÍNH CHẤT TỪ
CỦA VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ
INDIUM IRON ANTIMONIDE (In,Fe)Sb
Ngành Sư phạm Vật lý
Mã số sinh viên: 42.01.102.001
Giảng viên hướng dẫn
Giảng viên phản biện
TS. NGUYỄN THANH TÚ
TS. CAO ANH TUẤN
TP. Hồ Chí Minh, năm 2020
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH .......................................................................... 2
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ ................................................ 8
1.1. Điện tử học spin (spintronics) ....................................................................................... 8
1.2. Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors - FMSs) ................................. 12
1.2.1. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ. ........................................................................ 12
1.2.2. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó ........................................... 14
1.2.3. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp sắt ........................................................................... 17
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÀNG MỎNG (In,Fe)Sb ......................... 23
2.1. Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE) ................ 23
2.2. Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng .................................... 25
2.3. Quang phổ lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD) ............ 28
2.4. Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot .................................... 31
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................................ 32
3.1. Các thông số của mẫu nghiên cứu: ............................................................................ 32
3.2. Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb ........... 34
3.3. Khảo sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb ........... 36
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ...................................................................................................... 46
4.1 Kết luận ......................................................................................................................... 46
4.2 Hướng phát triển của đề tài ......................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 48
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Nội dung
(Theo thứ tự bảng chữ cái)
Ferromagnetic semiconductor – Bán dẫn từ FMS
Molecular-beam epitaxy: Epitaxy chùm phân tử MBE
Magnetic circular dichroism - Lưỡng sắc tròn từ tính MCD
RHEED Reflection high-energy electron diffraction - Nhiễu xạ electron phản xạ năng lượng cao
Giant magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR
1
Tunnel magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở chui hầm TMR
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH
Số thứ tự Tên bảng Trang
Thông số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong đề tài. Các mẫu
(In1-x,Fex)Sb từ A0 đến A4 với nhiệt độ đế từ 2100C đến Bảng 3.1 33
2700C, trong đó mẫu A0 là mẫu InSb đối chiếu.
Tên hình Số thứ tự Trang
Định luật Moore cho thấy dự đoán tốc độ tăng số lượng
transistor trên một đơn vị diện tích theo thời gian. (Nguồn Hình 1.1 8
Intel.com)
Minh họa lĩnh vực spintronic ứng dụng cả tính chất điện và từ Hình 1.2 9 của electron.
(a) Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. (b) Hiệu ứng từ điện trở Hình 1.3 10 chui hầm.
Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM. (a) MRAM đảo bằng từ
trường (b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin. (Nguồn: Hình 1.4 12
Wikipedia.com)
Hình 1.5 Minh họa sự tạo thành vật liệu bán dẫn từ. 13
Sự phụ thuộc của độ từ hóa M theo từ trường của màng mỏng
(Ga,Mn)As có nồng độ 3.5%Mn ở 5K. Hình bên trong biễu Hình 1.6 15
diễn độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này.
Quang phổ MCD của các màng mỏng (Ga,Mn)As với nồng Hình 1.7 15 độ pha tạp 0.5% và 7.4%Mn.
2
Điều khiển tính chất từ bằng dòng điện trên (In,Mn)As. Trong Hình 1.8 16 đó RHall là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M.
Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số
vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm (Ga,Mn)As, Hình 1.9 17
(In,Mn)As, (Ga,Mn)Sb, (In,Mn)Sb.
Ảnh chụp cấu trúc tinh thể bằng kính hiển vi điện tử truyền
qua (STEM) của các mẫu bán dẫn từ pha tạp sắt như 19 Hình 1.10 (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb chế tạo bằng phương pháp
epitaxy chùm phân tử.
Quang phổ MCD của (a) các màng mỏng (Ga,Fe)Sb với nồng
độ pha tạp Fe từ 3.9 - 25% và (b) (In,Fe)Sb với nồng độ pha Hình 1.11 20
tạp Fe từ 5 - 16%.
Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số
vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As, Hình 1.12 21
(In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb, và (In,Fe)Sb.
Điều khiển tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb bằng điện
trường. Trong đó RHall là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ Hình 1.13 22 hóa M. Khi đặt vào cổng điện áp dương (+5V) RHall tăng lên
cho thấy độ từ hóa M hay từ tính của màng (In,Fe)Sb tăng lên.
Hình 2.1 Sơ đồ minh họa hệ thống epitaxy chùm phân tử. 23
Mô tả sự tăng trưởng của chùm phân tử trong phương pháp Hình 2.2 24 MBE.
Ảnh chụp buồng tăng trưởng EpiQuest III-V MBE tại đại học Hình 2.3 25 Tokyo.
Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thiết bị để thu phổ RHEED. 25
Ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng mỏng
Hình 2.5 26 bán dẫn TiO2 trên đế LaAlO3 bằng phương pháp MBE. Bên
3
trái là ảnh RHEED, còn bên phải là ảnh minh họa hình thái bề
mặt tương ứng. (a) Ảnh RHEED của đế LaAlO3 trước khi phủ
TiO2 có dạng bằng phẳng. (b) – (d) Ảnh RHEED của lớp TiO2
ứng với bề dày 4, 30, 40nm.
Ảnh RHEED chụp theo phương [110] của các màng mỏng (a)
GaAs chế tạo ở nhiệt độ 250oC, (b) (Ga,Mn)As ở 250oC, (c) Hình 2.6 27
(Ga,Mn)As 170oC, và (d) (Ga,Mn)As 320oC.
Sơ đồ minh họa cách bố trí thu phổ MCD của màng mỏng bán Hình 2.7a 28 dẫn từ.
Hình 2.7b Ảnh chụp máy đo phổ MCD ở trường đại học Tokyo. 28
(a) Quang phổ MCD của (In,Fe)As cho thấy có sự tăng cường
độ mạnh mẽ tại các peak quan trọng của InAs. (b) Phổ MCD Hình 2.8 30 của lớp Fe dày 44nm thể hiện một peak nền rộng, khác biệt
hoàn toàn so với (In,Fe)As.
Hình vẽ cấu trúc của các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trên đế Hình 3.1 32 GaAs.
(a) – (d) Hình ảnh RHEED của các lớp đệm AlSb của các Hình 3.2 34 mẫu theo thứ tự tương ứng A1 – A4.
Hình 3.3 Hình ảnh RHEED của lớp (In,Fe)Sb của các mẫu theo thứ tự. 35
Phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các nhiệt
độ khác nhau (210oC, 230oC, 250oC, 270oC). Phổ MCD được Hình 3.4 37
đo ở nhiệt độ 5K khi đặt trong từ trường 1T.
(a) – (d) Phổ MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) Hình 3.5 39 đo ở 5K dưới các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và 1T.
(a) – (d) Phổ MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4)
đo ở 5K dưới các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và 1T sau Hình 3.6 40
4
khi đã được chuẩn hóa.
Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ
trường của các mẫu A1, A2, A3, A4, theo thứ tự được đo ở Hình 3.7 42
các nhiệt độ khác nhau từ 5K đến 300K.
Đồ thị Arrott plot của 4 mẫu (In,Fe)Sb từ A1 – A4 chế tạo ở
các nhiệt độ khác nhau lần lượt 210oC, 230oC, 250oC, và Hình 3.8 44
270oC.
5
Đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ Curie TC theo nhiệt 45 Hình 3.9 độ chế tạo mẫu Tđế.
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Những năm gần đây vật liệu “bán dẫn từ” (ferromagnetic semiconductor -
FMS) thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó sở hữu cả hai tính chất quan trọng là tính
bán dẫn và từ tính. Sự kết hợp của hai tính chất này giúp cho các nhà khoa học có thể
tạo ra những thiết bị điện tử mới như spin-transistor, máy tính lượng tử…với nhiều chức
năng hơn, nhanh hơn, và tiêu thụ ít điện năng hơn so với các thiết bị điện tử hiện nay.1,2
Để có thể đưa vào sử dụng trong thực tế, nhiệt độ Curie TC (nhiệt độ chuyển pha giữa
thuận từ và sắt từ) của vật liệu bán dẫn từ phải lớn hơn nhiệt độ phòng (khoảng 300
Kelvin (K)). Tuy nhiên, tất cả các vật liệu bán dẫn từ được phát hiện cho đến nay đều
có nhiệt độ Curie rất thấp. Chẳng hạn, chất bán dẫn từ được nghiên cứu nhiều nhất hiện
nay là Galium Manganese Asenide ((Ga,Mn)As) có nhiệt độ Curie cao nhất cũng chỉ
200K (-730C),3 điều này gây khó khăn cho việc đưa vào ứng dụng trong các thiết bị điện
tử.
Gần đây, nhóm hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) và trường
đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã chế tạo thành công chất bán dẫn từ mới Indium
Iron Antimonide (In,Fe)Sb có nhiệt độ Curie cao đến 385K (tức 1120C) bằng phương
pháp epitaxy chùm phân tử.4, 5 Đây được xem là vật liệu bán dẫn từ có nhiệt độ Curie
cao nhất được báo cáo cho đến nay, vì vậy chúng có rất nhiều tiềm năng để ứng dụng
trong lĩnh vực điện tử. Tuy nhiên việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb
như nhiệt độ chế tạo, bề dày màng mỏng,… vẫn chưa được nghiên cứu và thực hiện. Vì
vậy với mong muốn được tìm hiểu nghiên cứu sâu hơn về vật liệu (In,Fe)Sb và tìm điều
kiện để cải thiện tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb, tôi mong muốn thực hiện đề tài
“Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ chế tạo của tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ
Indium Iron Antimonide (In,Fe)Sb”
2. Mục đích nghiên cứu
Khảo sát sự thay đổi tính chất từ của màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb theo
6
nhiệt độ chế tạo từ đó tìm ra nhiệt độ tốt nhất để chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb.
- Tìm hiểu về phương pháp chế tạo màng mỏng (phương pháp epitaxy chùm phân tử)
và các phương pháp phân tích tính chất của màng mỏng.
- Tiến hành xử lý các số liệu đo đạc thực nghiệm của nhóm nghiên cứu ở trường đại học
Tokyo và phân tích các kết quả từ số liệu thu được.
- So sánh, đánh giá kết quả và đưa ra kết luận về nhiệt độ tối ưu để chế tạo màng.
4. Những đóng góp của đề tài
Thông qua quá trình xử lý và đánh giá số liệu được đo đạc thực nghiệm, đề tài đã
đưa ra được nhiệt độ tối ưu tốt nhất để chế tạo vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb bằng phương
pháp epitaxy chùm phân tử, ngoài ra kết quả nghiên cứu cũng cho biết quy luật ảnh
hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng mỏng (In,Fe)Sb, từ đó chọn được
7
nhiệt độ chế tạo thích hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ
1.1. Điện tử học spin (spintronics)
Nhờ những phát minh ra các thiết bị điện tử như transitor, mạch tích hợp (ICs) và
laser các nhà khoa học đã tạo nên cuộc cách mạng của công nghệ thông tin và cải thiện
chất lượng của cuộc sống con người. Để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng của con
người, các thiết bị điện tử đã được phát triển liên tục, cứ sau 18 tháng số lượng
transistor trên một đơn vị diện tích cho mỗi bộ vi xử lý được tăng gấp đôi, đó là nội
dung của định luật Moore như thể hiện trên hình 1.1. Điều này dẫn đến sự cải thiện về
tốc độ và năng lực của máy tính cũng như làm giảm chi phí của máy tính. Tuy nhiên,
quy luật này được dự đoán sẽ kết thúc sớm do những hạn chế vật lí của các thiết bị điện
tử sử dụng Silicon (silicon-based) xảy ra ở quy mô nano.
Hình 1.1 Định luật Moore cho thấy dự đoán tốc độ tăng số lượng transistor trên
một đơn vị diện tích theo thời gian. (Nguồn Intel.com)
Để khắc phục những hạn chế này, rất nhiều phương pháp tiếp cận đã được đề xuất
như thay thế Silic bằng các vật liệu mới hoặc đề xuất các thiết bị có các nguyên lý làm
việc mới. Trong số nhiều phương pháp tiếp cận có một lĩnh vực mới nổi gọi là
"spintronics", đây được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện tử trong
8
tương lai.
Các thiết bị spintronics không chỉ sử dụng "điện tích" của electron, mà còn khai
thác một đặc tính nội tại của các electron được gọi là "spin", như trong hình 1.2. Trong
các thiết bị spintronics, bit "0" và "1" của dữ liệu kỹ thuật số nhị phân có thể được thể
hiện bằng trạng thái spin up () và spin down (), thay vì "có" hoặc "không có" các điện
tích. Bởi vì spin không thay đổi hay mất đi khi ngưng cung cấp năng lượng cho nên các
thiết bị spintronics dự kiến sẽ có nhiều ưu điểm như tiêu thụ điện năng thấp, không cần
cung cấp điện xuyên suốt, tốc độ cao,...6 Ngoài ra, vì spin có thể dễ dàng điều chỉnh bởi
từ trường bên ngoài nên vật liệu spintronics có thể cung cấp các chức năng mới chưa
từng có trong vật liệu Silicon thông thường.
Hình 1.2 Minh họa lĩnh vực spintronic ứng dụng cả tính chất điện và từ của
electron.
Các thiết bị spintronic thuộc thế hệ đầu tiên hoạt động bằng cách sử dụng hiệu
ứng từ điện trở khổng lồ (Giant magnetoresistance effect - GMR) và hiệu ứng từ điện
trở chui hầm (Tunnel magnetoresistance effect - TMR). Trong các thiết bị hoạt động
dựa trên các hiệu ứng từ điện trở khổng lồ và hiệu ứng từ điện trở chui hầm, điện trở có
thể điều chỉnh bằng cách kiểm soát từ trường của các lớp kim loại sắt từ. Hình 1.3(a)
mô tả hiệu ứng GMR ở hai bản kim loại sắt từ ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại
không có từ tính. Khi từ trường trong hai bản kim loại từ tính song song nhau điện trở
của hệ nhỏ, ngược lại khi từ trường ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ trở nên rất
lớn. Hiện tượng này được phát hiện vào cuối những năm 1980 bởi nhóm của A. Fert và
9
P. Grunberg (được trao giải Nobel năm 2007)I, và được giải thích dựa vào sự tán xạ phụ
thuộc spin (spin-dependent scattering) của electron tại mặt tiếp xúc các lớp7, 8. Ngoài ra
sự tán xạ phụ thuộc spin của electron cũng xảy ra trong các tiếp xúc từ chui hầm
(magnetic tunnel junction (MTJ)) là các màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ ngăn cách
bởi các lớp điện môi được mô tả trong hình 1.3(b), hiện tượng này được khám phá vào
năm 1995 bởi Miyazaki và Mooder và được đặt tên là hiệu ứng từ điện trở chui hầm9, 10.
Khi từ trường trong hai bản kim loại từ tính song song nhau điện trở của hệ nhỏ, ngược
lại khi từ trường ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ trở nên rất lớn.
Hình 1.3 (a) Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. (b) Hiệu ứng từ điện trở chui hầm.
Những thiết bị spintronic dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ hay hiệu ứng từ
điện trở chui hầm có nhiều ưu điểm như không cần duy trì nguồn điện, tiêu thụ điện
năng thấp, tuy nhiên do chúng có thành phần là các kim loại sắt từ nên một số tính chất
như nồng độ hạt mang điện không thể thay đổi. Do đó thế hệ các thiệt bị spintronic này
chỉ được sử dụng trong các thiết bị thụ động như MRAM (Magnetoresistive Random
Access Memory - bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên từ điện trở) và cảm biến dựa trên GMR
(hay TMR) cho đầu đọc của đĩa cứng.
MRAM có cấu trúc là một lớp tiếp xúc chui hầm từ tính có hiệu ứng từ điện trở
10
chui hầm. Trong MRAM, thông tin được lưu trữ bởi độ từ hóa của lớp màng mỏng từ.
Các bit thông tin được đảo khi độ từ hóa của lớp màng mỏng được đảo chiều. Thông tin
được đọc thông qua sự thay đổi điện trở của lớp tiếp xúc từ. Khi độ từ hóa của các lớp
màng mỏng từ ở trạng thái đối song song, điện trở của tiếp xúc từ lớn, tương ứng với bit
(1), còn khi hệ ở trạng thái song song thì điện trở giảm mạnh, và tương ứng với bit (0).
Trong những thế hệ ban đầu của MRAM, người ta sử dụng cấu trúc màng mỏng từ đa
lớp với hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, nhưng cấu trúc kiểu này gây khó khăn cho sự phát
triển do các lớp đều là kim loại, điện trở của linh kiện trở nên rất nhỏ và tạo ra tín hiệu
yếu. Sau sự phát triển của hiệu ứng từ điện trở chui hầm (đặc biệt là hiệu ứng trong các
lớp tiếp xúc sử dụng MgO với tỉ số từ điện trở tới hàng trăm phần trăm ở nhiệt độ phòng),
các tiếp xúc từ chui hầm với điện trở lớn (và sự thay đổi điện trở rất lớn) đã thay thế cấu
trúc GMR truyền thống và tạo sự phát triển nhanh chóng của MRAM.
Ở thế hệ MRAM đầu tiên, trạng thái của các lớp từ tính được đảo bằng cách sử
dụng một từ trường ngoài. Cấu trúc kiểu này yêu cầu có một bộ phận tạo từ trường và
do đó tạo ra kích thước ô nhớ rất lớn, tiêu tốn khá nhiều năng lượng cho bộ phận đảo từ.
Thế hệ mới nhất của MRAM là Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) được đảo
từ bằng dòng phân cực spin (spin polarized current). Hoạt động của STT-MRAM dựa
trên hiệu ứng truyền momen spin (spin transfer torque) là hiệu ứng truyền moment động
lượng spin của điện tử cho một momen từ và kết quả là moment từ bị quay đi theo chiều
của moment động lượng spin đó. Khi dòng phân cực spin chạy qua lớp từ tính thì
moment từ của lớp này bị quay theo chiều của dòng phân cực spin. Cơ cấu kiểu này cho
phép loại bỏ hoàn toàn các bộ phận phụ, giảm kích thước ô nhớ đồng thời tăng tốc độ
11
và giảm lỗi địa chỉ.II
Hình 1.4 Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM. (a) MRAM đảo bằng từ trường
(b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin. (Nguồn: Wikipedia.com)
Thế hệ tiếp theo của các thiết bị spintronic cần có thêm những chức năng hấp dẫn
hơn, vì vậy spin của electron cần được khai thác vào ứng dụng vào chất bán dẫn. Do đó
chất bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors) đã được nghiên cứu rộng rãi trong hai
thập kỷ qua.
1.2. Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors - FMSs)
1.2.1. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ.
Chất bán dẫn từ là loại vật liệu bán dẫn được pha trộn một tỉ lệ kim loại chuyển tiếp
nhất định (các nguyên tố có mang điện tử trong quỹ đạo lớp d như sắt (Fe), mangan
(Mn), coban (Co), crom (Cr)…) giúp bán dẫn đó thể hiện cả tính chất từ và tính chất của
bán dẫn. Cho đến nay, vật liệu bán dẫn là nguyên liệu cho hầu hết các thiết bị của nền
công nghiệp điện tử như diode, LED, và đặc biệt là transitor, linh kiện cơ bản cấu thành
nên bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU) của máy tính. Trong khi đó, vật
liệu sắt từ với khả năng duy trì trạng thái từ hóa một cách bền vững và không tiêu tốn
năng lượng là nguyên liệu chính trong các thiết bị lưu trữ thông tin như ổ cứng ngoài.
Vì mang các tính chất hoàn toàn khác nhau, các vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ cũng
như các thiết bị điện tử sử dụng chúng tồn tại một cách riêng biệt và giữ vai trò khác
nhau trong máy tính: Bộ phận xử lý thông tin và bộ phận lưu trữ thông tin. Việc kết hợp
các đặc tính của vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ trên cùng một thiết bị là vấn đề mới
12
được đặt ra trong vòng ba thập kỷ gần đây, khi nhu cầu cắt giảm năng lượng hao phí và
tăng tốc độ hoạt động của hệ thống thông tin trở nên cấp thiết. Nếu các thiết bị điện tử
như transistor có khả năng “nhớ” được trạng thái của mình mà không cần cung cấp năng
lượng một cách liên tục, biên giới và độ trễ giữa việc lưu trữ thông tin và xử lý thông
tin sẽ được cải thiện đáng kể, dẫn đến một thế hệ máy tính mới hoạt động đặc biệt nhanh
hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Chất bán dẫn từ chính là chìa khóa để mở ra cánh cửa
tương lai đó.
Trong vật liệu bán dẫn từ một số nguyên tử trong tinh thể bán dẫn được thay thế
bằng các nguyên tử kim loại chuyển tiếp có từ tính như Mn, Cr, Fe,.. Nguyên tử có từ
tính cung cấp các moment từ do đó làm tăng trật tự sắt từ trong khi vẫn duy trì tính chất
của bán dẫn. Kết quả là bán dẫn từ thể hiện cả tính chất của bán dẫn và của kim loại sắt
từ, có thể sử dụng cho các thiết bị điện tử không cần duy trì nguồn điện và tiêu thụ điện
năng thấp. Hình 1.5 minh họa sự tạo thành các vật liệu bán dẫn từ.11 Ban đầu khi chưa
pha tạp các kim loại thì bán dẫn không có từ tính. Sau khi một số nguyên tử trong tinh
thể bán dẫn được thay thế bởi các nguyên tử có từ tính thì các moment từ của các nguyên
tử này có thể sắp xếp ngẫu nhiên nên vật liệu có tính thuận từ, nhưng khi có sự hỗ trợ
của các hạt tải điện như electron hay lỗ trống thông qua tương tác trao đổi (exchange
interaction) thì các moment từ này sắp xếp có trật từ và hình thành nên trạng thái sắt từ.
Hình 1.5 Minh họa sự tạo thành vật liệu bán dẫn từ.11
Trong số các loại bán dẫn từ thì bán dẫn từ nhóm II-VI pha tạp Mn như
(Cd,Mn)Te và (Zn,Mn)Te đã được nghiên cứu từ đầu những năm 1980.12 Trong các vật
liệu loại II-VI đó, nguyên tử Mn có hóa trị II, do đó có thể pha tạp Mn với nồng độ cao
vào bán dẫn gốc. Tuy nhiên rất khó để kiểm soát các tính chất truyền dẫn của các bán
dẫn từ loại II-VI do đó việc ứng dụng bán dẫn từ loại II-VI vào các thiết bị spintronic
13
vẫn là một thách thức.
Năm 1989, loại bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn đầu tiên được phát triển thành
công trên bán dẫn GaAs bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE – Molecular-
beam epitaxy) bởi Munekata và các cộng sự.1 Do độ hòa tan thấp của Mn trong bán dẫn
loại III-V nên cần hạ thấp nhiệt độ đế ( ) để ngăn sự hình thành cụm nano kim
loại (nanocluster) hoặc các pha hợp chất khác (second phases) trong bán dẫn. Kỹ thuật
này được gọi là epitaxy chùm phân tử nhiệt độ thấp. Sau đó, nhóm nghiên cứu của Ohno2
và Hayashi13 đã hoạt động độc lập cùng phát triển một bán dẫn từ loại III-V pha tạp Mn
khác là (Ga,Mn)As. Trong suốt hai thập kỉ qua, vật liệu (Ga,Mn)As là vật liệu bán dẫn
từ được quan tâm nhất vì nó có tính chất đặc biệt là từ tính gây ra bởi hạt mang điện lỗ
trống (hole-induced ferromagnetism), nghĩa là độ từ hóa có của vật liệu này có thể được
điều khiển được bằng cách thay đổi nồng độ lỗ trống thông qua việc dùng điện trường
(electrical control ferromagnetism) hay chiếu xạ ánh sáng (light irradiation). Ngoài ra,
bán dẫn III-V như GaAs, InAs, GaSb… đã được sử dụng rộng rãi trong nền công nghiệp
điện tử, vì vậy việc tạo sử dụng vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V có nhiều lợi thế về mặt
kĩ thuật khi các dây chuyền, công nghệ sản xuất đã có sẵn.
1.2.2. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó
Trong hai thập kỷ qua, hầu hết các nghiên cứu về bán dẫn từ được tập trung vào
bán dẫn loại III-V pha tạp Mn, chẳng hạn (In,Mn)As và (Ga,Mn)As, đây là những bán
dẫn loại P. Nổi bật nhất là vật liệu bán dẫn từ (Ga,Mn)As được chế tạo đầu tiên bởi
Hideo Ohno và cộng sự vào năm 1996. Hình 1.6 cho thấy đường biểu diễn độ từ hóa
phụ thuộc cường độ từ trường H (đường cong từ hóa) và nhiệt độ Curie của màng mỏng
(Ga,Mn)As đầu tiên được chế tạo với nồng độ pha tạp 3.5%Mn.2 Đường cong từ hóa
này cho thấy (Ga,Mn)As có từ tính rất mạnh và độ từ dư lớn thuận tiện trong việc chế
tạo các linh kiện thực tế do đó vật liệu này nhanh chóng thu hút sự quan tâm nghiên cứu
của các nhà khoa học trên thế giới. Hình nhỏ bên trong cho thể hiện độ từ dư theo nhiệt
độ của mẫu này. Khi nhiệt độ tăng dần đến 60K thì độ từ dư hoàn toàn biến mất cho
thấy nhiệt độ Curie của mẫu (Ga,Mn)As đầu tiên này khoảng 60K. Hình 1.7 là quang
phổ lưỡng sắc tròn (magnetic circular dishroism – MCD) của một số màng mỏng
(Ga,Mn)As với các nồng độ pha tạp 0.5% và 7.4%Mn được nghiên cứu ở công trình sau
14
đó.14 Phổ MCD của các mẫu này vẫn thể hiện các đỉnh phổ tương ứng giống với phổ
MCD của mẫu đối chiếu GaAs không pha tạp. Điều này cho thấy (Ga,Mn)As vẫn giữ
được cấu trúc tinh thể và cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn gốc GaAs.
Hình 1.6 Sự phụ thuộc của độ từ hóa M theo từ trường của màng mỏng (Ga,Mn)As có
nồng độ 3.5%Mn ở 5K. Hình bên trong biễu diễn độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này.
Hình 1.7 Quang phổ MCD của các màng mỏng (Ga,Mn)As với nồng độ pha
15
tạp 0.5% và 7.4%Mn.
Bên cạnh việc thể hiện có từ tính mạnh thì điều đặc biệt nhất thu hút rất nhiều
các nhà nghiên cứu ở các chất bán dẫn từ pha tạp Mn như (In,Mn)As và (Ga,Mn)As là
nhiệt độ Curie TC của chúng không chỉ phụ thuộc vào việc chế tạo mà còn phụ thuộc
vào nồng độ pha tạp Mn x và nồng độ lỗ trống p. Vì vậy nhiều tính chất của vật liệu sắt
từ như nhiệt độ chuyển pha TC hay độ từ hóa có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi
nồng độ pha tạp của Mn hay nồng độ lỗ trống bằng cách dùng cổng điện tử hay chiếu
xạ ánh sáng. Hình 1.8(a) mô tả kết quả thí nghiệm được thực hiện bởi Hideo Ohno và
cộng sự,15 trong thí nghiệm đó từ tính của (In,Mn)As có thể thay đổi bằng dòng điện.
Trong hình 1.8(b) độ từ hóa M của (In,Mn)As tỉ lệ thuận với điện trở Hall RHall, có thể
điều chỉnh bằng cách sử dụng một cổng điện áp. Với cổng điện áp âm, độ từ hóa được
tăng lên nhờ sự gia tăng mật độ lỗ trống. Ngược lại, độ từ hóa giảm đi với cổng điện áp
dương. Đó là một khả năng độc đáo của bán dẫn từ mà các loại vật liệu sắt từ kim loại
thông thường được sử dụng phổ biến hiện nay như FeSi, NiFe, FePt… không có được.
Hình 1.8 Điều khiển tính chất từ bằng dòng điện trên (In,Mn)As.18 Trong đó RHall là
điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M.
Mặc dù có rất nhiều ưu điểm, tuy nhiên bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn vẫn còn
một số hạn chế chưa khắc phục được có thể tóm tắt như sau:
(1) Để chế tạo các thiết bị điện tử bán dẫn như diode, transistor… thì việc hội tụ đủ
cả hai loại bán dẫn N và P là điều kiện hết sức cần thiết. Tuy nhiên thì tất cả các chất
bán dẫn từ pha tạp Mn hiện nay đều là bán dẫn từ loại P với hạt dẫn điện chính là lỗ
trống. Nguyên nhân chính là do khi pha tạp vào các chất bán dẫn hệ III-V thì nguyên tử
16
Mn cung cấp đồng thời cả moment spin và lỗ trống, vì vậy vật liệu bán dẫn từ được chế
tạo dựa vào việc pha tạp Mn luôn chỉ có thể trở thành bán dẫn loại P. Điều này là một
thách thức khó khăn trong việc đưa các vật liệu bán dẫn từ này vào ứng dụng thực tế.
(2) Ngoài ra, nhiệt độ Curie TC (nhiệt độ mà tại đó vật liệu không còn giữ được đặc
tính sắt từ) của các bán dẫn từ pha tạp Mn phổ biến hiện nay đều thấp hơn nhiệt độ
phòng như trên hình 1.9. Cụ thể là nhiệt độ Curie cao nhất của các vật liệu từ nhóm III-
V pha Mn như (Ga,Mn)As, (In,Mn)As,16 (Ga,Mn)Sb17 và (In,Mn)Sb18 lần lượt là 200K
(tức -73 độ C).3 , 110K, 30K, và 10K, tất cả nhiệt độ Curie của các vật liệu này đều thấp
hơn rất nhiều so với nhiệt độ phòng 300K. Điều đó đồng nghĩa với việc các linh kiện
làm từ các vật liệu này không thể hoạt động trong điều kiện bình thường ở nhiệt độ
phòng.III Chính vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra cả hai loại bán dẫn từ loại P và loại N
có nhiệt độ Curie ở nhiệt độ phòng để ứng dụng vào thực tế là hết sức cần thiết và cấp
bách.
Hình 1.9 Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số vật liệu
bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm (Ga,Mn)As,3 (In,Mn)As,16 (Ga,Mn)Sb,17
(In,Mn)Sb18.
1.2.3. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp sắt
Để vượt qua những trở ngại của vật liệu bán dẫn từ, gần đây nhóm nghiên cứu của
trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) kết hợp cùng nhóm nghiên cứu của trường Đại học 17
Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã và đang nghiên cứu một lớp các chất bán dẫn từ
mới đó là bán dẫn từ pha tạp sắt (Fe). Nhằm tránh những hạn chế của các bán dẫn từ pha
tạp Mn, nhóm đã đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới. Đó là thay vì dùng các chất bán
dẫn có bề rộng vùng cấm lớn như GaN hay GaAs thì nhóm đã sử dụng các bán dẫn có
bề rộng vùng cấm hẹp như InAs, GaSb và InSb làm bán dẫn gốc. Đồng thời nhóm thay
kim loại pha tạp Mn bằng một kim loại mới đó là sắt (Fe).
Khác với Mn khi pha tạp vào bán dẫn nhóm III-V thường có hóa trị II (Mn2+) do
đó khi thay thế vào vị trí nguyên tố nhóm III sẽ tạo nên lỗ trống dẫn đến luôn tạo nên
bán dẫn loại P. Ưu điểm của bán dẫn từ pha tạp sắt là khi pha tạp Fe vào các chất bán
dẫn nhóm III-V như InAs, GaSb hay InSb thì các nguyên tử Fe có xu hướng biểu hiện
hóa trị III (Fe3+) nên các nguyên tử Fe chỉ đóng vai trò tạo ra moment từ chứ không cung
cấp các hạt tải điện. Nồng độ hạt tải điện trong các chất này được tạo ra bằng cách đồng
pha tạp (co-doping) các nguyên tố khác như Beryllium (Be) trong trường hợp của
(In,Fe)As hoặc do các sai hỏng mạng nội tại (native defects) xảy ra do sự pha tạp Fe như
trong trường hợp của (Ga,Fe)Sb hoặc (In,Fe)Sb. Chính vì vậy có thể tạo ra bán dẫn từ
loại N hoặc loại P một cách linh hoạt tùy vào cách pha tạp. Thực tế là cả hai loại bán
dẫn từ loại P và N đều đã được nhóm phát triển thành công bằng phương pháp epitaxy
chùm phân tử. Bán dẫn từ (Ga,Fe)Sb thể hiện loại P,19, 20 còn các chất bán dẫn từ
(In,Fe)As21 và (In,Fe)Sb4 thì thể hiện loại N. Hình 1.10 cho thấy ảnh chụp cấu trúc tinh
thể của các mẫu bán dẫn từ pha tạp sắt như (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb bằng kính
hiển vi điện tử truyền qua (Scanning Tranmission Electron Microscopy - STEM). Các
ảnh STEM cho thấy các mẫu bán dẫn từ được chế tạo thành công bằng phương pháp
epitaxy chùm phân tử, trong đó cấu trúc tinh thể rất rõ và đồng đều cho thấy các nguyên
tử Fe thay thế rất tốt vào trong tinh thể bán dẫn mà không tạo ra bất kì các cụm kim loại
18
sắt nào.
Hình 1.10 Ảnh chụp cấu trúc tinh thể bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) của
các mẫu bán dẫn từ pha tạp sắt như (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb chế tạo bằng
phương pháp epitaxy chùm phân tử.4,20,21
Ngoài ra, một ưu điểm khác khi sử dụng nguyên tố Fe đó là khi pha tạp Fe vào
bán dẫn nhóm III-V thì do các nguyên tử Fe có hóa trị III (Fe3+) nên dễ thay thế vào vị
trí các nguyên tử nhóm III (Ga hoặc In) trong mạng tinh thể, vì vậy một lượng lớn Fe
(nồng độ lớn hơn 10%) có thể pha tạp vào trong chất bán dẫn nền. Hình 1.11 (a) và (b)
cho thấy phổ MCD của các mẫu bán dẫn từ (Ga,Fe)Sb loại P với nồng độ pha tạp 3.9 -
25%Fe 20 và (In,Fe)Sb loại N với nồng độ pha tạp 5 - 16%Fe 4 trong đó phổ MCD của
các mẫu (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb vẫn có dạng phổ tương tự như phổ MCD của các chất
bán dẫn nền GaSb và InSb. Điều này cho thấy (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb vẫn giữ được cấu
trúc vùng năng lượng của các chất bán dẫn nền và một lượng lớn Fe có thể pha tạp thành
19
công vào các chất bán dẫn GaSb và InSb.
b)
a)
) g e d m
(
Hình 1.11 Quang phổ MCD của (a) các màng mỏng (Ga,Fe)Sb với nồng độ
pha tạp Fe từ 3.9 - 25% và (b) (In,Fe)Sb với nồng độ pha tạp Fe từ 5 - 16%.
Việc có thể pha tạp nồng độ Fe với nồng độ lớn mang lại lợi thế rất lớn cho vật
liệu bán dẫn từ pha tạp Fe, đó là có thể tạo nên các chất bán dẫn từ có nhiệt độ TC cao
do nhiệt độ TC tỉ lệ thuận với nồng độ pha tạp Fe. Thực tế cho thấy nhiệt độ Curie của
(Ga1-x,Fex)Sb với nồng độ pha tạp Fe 25% ( ) có nhiệt độ TC lên đến 340 K, còn
(In1-x,Fex)Sb với với nồng độ pha tạp Fe 16% có TC lên đến 335K, đây là những giá trị
TC lớn nhất của bán dẫn từ nhóm III-V được báo cáo cho đến nay.
Hình 1.12 cho thấy nhiệt độ Curie cao nhất được cho tới nay của một số vật liệu
bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As,22 (In,Fe)As,21 (Ga,Fe)Sb,20 và
(In,Fe)Sb4. Trong đó hai loại vật liệu bán dẫn từ (Ga,Fe)Sb loại P và (In,Fe)Sb loại N
cho thấy nhiều tiềm năng có thể ứng dụng trong các linh kiện spintronics thực tế do có
nhiệt độ Curie cao trên nhiệt độ phòng. Đặc biệt là vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb có nhiệt
độ Curie cao (335K) chỉ với nồng độ pha tạp 16%Fe, do đó nhiệt độ Curie này có thể
tiếp tục tăng cao hơn nữa khi tiếp tục tăng thêm nồng độ pha tạp Fe lên 20 hay 25%.
Ngoài ra độ từ hóa của của vật liệu này còn có thể điều khiển bằng từ trường giống như
các loại bán dẫn từ tiêu biểu (Ga,Mn)As hay (In,Mn)As. Trên hình 1.13 cho thấy độ từ
hóa M của (In,Fe)Sb tỉ lệ thuận với điện trở Hall RHall cũng có thể điều chỉnh bằng cách
sử dụng một cổng điện áp.23 Với điện áp dương, độ từ hóa được tăng lên nhờ sự gia tăng
20
mật độ electron. Ngược lại, độ từ hóa giảm đi với cổng điện áp âm. Điều này cho thấy
(In,Fe)Sb cũng có khả năng độc đáo của các chất bán dẫn từ tiêu biểu như (Ga,Mn)As
hay (In,Mn)As. Vì vậy vật liệu (In,Fe)Sb cho thấy rất nhiều triển vọng và hứa hẹn có
thể ứng dụng vào thực tế nếu được tiếp tục được nghiên cứu và phát triển.
Chính vì vậy việc tiếp tục nghiên cứu và nâng cao nhiệt độ Curie của (In,Fe)Sb
là hết sức cần thiết và cấp bách. Tuy nhiên vấn đề được đặt ra hiện nay là để có thể tăng
nhiệt độ Curie của (In,Fe)Sb bằng cách tăng thêm nồng độ pha tạp Fe đòi hỏi các điều
kiện chế tạo màng mỏng như nhiệt độ chế tạo, độ dày màng phải được tối ưu hóa đến
mức tốt nhất có thể, nhằm đảm bảo các mẫu (In,Fe)Sb tạo ra có thể giữ được cấu trúc
tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng cũng như tính chất bán dẫn của bán dẫn nền ban đầu.
Tuy nhiên thì việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb này cho đến nay
vẫn chưa được nghiên cứu và thực hiện. Chính vì vậy với mong muốn được tìm hiểu
nghiên cứu sâu hơn về vật liệu (In,Fe)Sb và tìm điều kiện để cải thiện tính chất từ của
màng mỏng (In,Fe)Sb, tác giả mong muốn thực hiện đề tài “Khảo sát sự phụ thuộc vào
nhiệt độ chế tạo của tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ Indium Iron Antimonide
(In,Fe)Sb”.
Hình 1.12 Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số vật liệu bán
dẫn từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As,22 (In,Fe)As,21 (Ga,Fe)Sb,20 và (In,Fe)Sb4. 21
Hình 1.13 Điều khiển tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb bằng điện trường. Trong
đó RHall là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M. Khi đặt vào cổng điện áp dương
22
(+5V) RHall tăng lên cho thấy độ từ hóa M hay từ tính của màng (In,Fe)Sb tăng lên.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÀNG MỎNG (In,Fe)Sb
2.1. Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE)
Epitaxy chùm phân tử là phương pháp phát triển màng mỏng với độ tinh khiết
cao, MBE diễn ra trong chân không cao hoặc chân không cực cao (10−8 đến 10-12 Torr).
Hình 2.1 mô tả sơ đồ của một hệ thống epitaxy chùm phân tử. Môi trường chân không
cực cao trong buồng tăng trưởng (growth chamber) được duy trì bằng hệ thống bơm
chân không, ngoài ra thành kim loại của buồng được làm lạnh bằng cách sử dụng nitơ
lỏng hoặc khí nitơ lạnh đến nhiệt độ gần 77K. Các bề mặt lạnh có khả năng hút các tạp
chất trong buồng chân không, vì vậy mức độ chân không trong buồng sẽ có bậc lớn hơn
so với việc chỉ dùng bơm.IV
Trên hình 2.1 ta thấy, các nguyên tố ở dạng siêu tinh khiết được dùng để tạo
màng mỏng sẽ được nung nóng trong các các ống chứa nguyên liệu (gọi là Knudsen cell
hay K-cell) đến mức bay hơi từng phân tử và đi đến đế. Các phân tử sau đó ngưng tụ
trên đế và kết hợp với nhau như trên hình 2.2. Việc thay đổi nhiệt độ nung nóng của ống
chứa nguyên liệu cho phép kiểm soát tốc độ của các phân tử bay đến đế và việc thay đổi
nhiệt độ của đế sẽ ảnh hưởng đến tốc độ hình thành liên kết tạo thành màng mỏng. Các
tấm đế mà các tinh thể được phát triển được gắn trên một đĩa quay, có thể được làm
nóng đến vài trăm độ C trong quá trình hoạt động.
23
Hình 2.1 Sơ đồ minh họa hệ thống epitaxy chùm phân tử.
Điểm quan trọng nhất của phương pháp epitaxy chùm phân tử là tốc độ lắng đọng
chậm (chậm hơn 3.000nm mỗi giờ) cho phép các màng mỏng phát triển từng lớp một.
Buồng MBE không cần sử dụng khí mang, cộng với như môi trường chân không cực
cao cho nên các màng được chế tạo sẽ có độ tinh khiết cao nhất có thể. Thuật ngữ "chùm
phân tử" có nghĩa là các nguyên tử vật chất bay hơi không tương tác với nhau cũng như
không tương tác với khí trong buồng chân không cho đến khi chúng chạm tới đế, do các
quãng đường tự do trung bình của các nguyên tử dài hơn khoảng cách từ các ống chứa
nguyên liệu đến đế.
Hình 2.2 Mô tả sự tăng trưởng của chùm phân tử trong phương pháp MBE.
Để kiểm soát bề dày của lớp màng mỏng, trước mỗi ô chứa nguyên tố đều có một
màn chắn (shutter) được điều khiển bằng tay (hoặc tự động) để kiểm soát nguyên tố nào
đi đến đế và phía trên đế có một màn chắn lớn để xác định thời gian bắt đầu cũng như
kết thúc việc tạo màng mỏng. Hình 2.3 là ảnh chụp hệ MBE thực tế tại trường đại học
Tokyo đã được sử dụng để chế tạo các mẫu (In,Fe)Sb mà đề tài này khảo sát.
Ngoài ra trong quá trình hoạt động của MBE, ảnh nhiễu xạ của chùm electron
phản xạ năng lượng cao (Reflection high-energy electron diffraction - RHEED) được
24
sử dụng để theo dõi sự phát triển của các lớp tinh thể.
Hình 2.3 Ảnh chụp buồng tăng trưởng EpiQuest III-V MBE tại đại học Tokyo.
2.2. Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng
Chụp ảnh nhiễu xạ của chùm electron phản xạ năng lượng cao (RHEED) là một kỹ
thuật được sử dụng phổ biến trong các hệ epitaxy chùm phân tử để quan sát, đánh giá
hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của vật liệu. Các hệ thống RHEED thu thập thông
tin từ lớp bề mặt của mẫu bằng cách chiếu một chùm electron hẹp có năng lượng từ 10
- 50kV với góc tới rất nhỏ đến bề mặt vật liệu như trên hình 2.4. Sự nhiễu xạ của electron
ở các mạng nguyên tử trên bề mặt được hiển thị trên màn huỳnh quang. Ảnh nhiễu xạ
được ghi lại nhờ chùm tia phản xạ trên bề mặt mẫu và mẫu được quay đều trong quá
trình ghi ảnh.
25
Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thiết bị để thu phổ RHEED.
Sơ đồ hình 2.4 cho thấy cách bố trí để thực hiện thí nghiệm RHEED, với mẫu được
quan sát ở cạnh trên. Trong thực tế, màn hình hiển thị thường là lớp phủ phốt-pho ở bên
ngoài cửa sổ chân không và ảnh nhiễu xạ có thể được xem và ghi lại từ phía bên ngoài
của cửa sổ. Bằng cách sử dụng hình ảnh nhiễu xạ RHEED, có thể theo dõi và kiểm tra
được cấu trúc mạng tinh thể và chất lượng bề mặt vật liệu trong suốt quá trình chế tạo
màng mỏng. Để rõ hơn về phương pháp RHEED ta có thể xét 2 ví dụ sau đây.
Đầu tiên là hình 2.5 cho thấy ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng
mỏng bán dẫn TiO2 trên đế LaAlO3 bằng phương pháp MBE.24 Bên trái là ảnh RHEED,
còn bên phải là ảnh minh họa hình thái bề mặt tương ứng. Chúng ta có thể thấy khi bề
mặt màng có dạng đồng đều bằng phẳng (flat) theo định hướng hai chiều (2D) và cấu
trúc tinh thể màng tốt có trật tự thì chùm điện tử nhiễu xạ theo các hướng xác định nên
ảnh RHEED thu được là những đường thẳng (streak, gọi là các đường Kikuchi). Còn
khi bề mặt màng có cấu trúc dạng ốc đảo, mấp mô, gồ ghề theo định hướng dạng ba
chiều (3D) thì ảnh RHEED thu được là một nền (background) tối hơn với một số các
điểm sáng (spot) dọc theo đường thẳng ban đầu cho thấy cường độ chùm nhiễu xạ điện
tử bị yếu đi do bị tán xạ ở những chỗ gồ ghề và chỉ mạnh ở một vài vùng trên bề mặt.
Hình 2.5 Ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng mỏng bán dẫn TiO2 trên
26
đế LaAlO3 bằng phương pháp MBE. Bên trái là ảnh RHEED, còn bên phải là ảnh minh
họa hình thái bề mặt tương ứng. (a) Ảnh RHEED của đế LaAlO3 trước khi phủ TiO2 có
dạng bằng phẳng. (b) – (d) Ảnh RHEED của lớp TiO2 ứng với bề dày 4, 30, 40nm.
Hình 2.6 cho thấy ảnh RHEED của các màng mỏng (Ga,Mn)As chế tạo trên đế
GaAs ở các nhiệt độ đế khác nhau.25 Hình 2.6a là ảnh RHEED tham chiếu của lớp đế
GaAs trước khi phủ màng (Ga,Mn)As với những đường thẳng đặc trưng của cấu trúc
tinh thể zinc-blende của GaAs, điều này cho thấy hình thái bằng phẳng và chất lượng
tốt của bề mặt đế GaAs. Hình 2.6b là ảnh RHEED của lớp đế (Ga,Mn)As chế tạo ở nhiệt
độ đế 250oC với những đường thẳng cho thấy cấu trúc tinh thể của bề mặt (Ga,Mn)As
rất tốt. Tuy nhiên khi giảm nhiệt độ đế xuống 170oC thì ảnh RHEED của (Ga,Mn)As
cho thấy các điểm sáng (spot) như hình 2.6c chứng tỏ sự sắp xếp của các phân tử chuyển
từ trạng thái bằng phẳng theo hai chiều (2D) sang gồ ghề theo ba chiều 3D đồng thời
cường độ nhiễu xạ của chùm điện tử giảm đi, ảnh RHEED trở nên tối dần cho thấy chất
lượng cấu trúc tinh thể giảm hẳn đi. Trái lại khi tăng nhiệt độ đế lên 3200C, ảnh nhiễu
xạ xuất hiện nhiều điểm sáng (spot) ở các vị trí khác nhau chứng tỏ cấu trúc tinh thể của
màng đã thay đổi chuyển từ đơn tinh thể sang đa tinh thể, chùm điện tử bị nhiễu xạ trên
nhiều mạng tinh thể khác trong trong mẫu nên xuất hiện có điểm sáng mới khác xa dạng
ảnh RHEED ban đầu của đơn tinh thể (Ga,Mn)As.
Hình 2.6 Ảnh RHEED chụp theo phương [110] của các màng mỏng (a) GaAs chế tạo
ở nhiệt độ 250oC, (b) (Ga,Mn)As ở 250oC, (c) (Ga,Mn)As 170oC, và (d) (Ga,Mn)As
27
320oC.
2.3. Quang phổ lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD)
Quang phổ lưỡng sắc tròn (MCD) là phương pháp phổ biến được sử dụng để
nghiên cứu từ tính của các loại vật liệu bán dẫn từ do có nhiều ưu điểm. Quang phổ
MCD dựa trên phép đo độ hấp thụ vi sai của ánh sáng phân cực tròn bằng một mẫu đặt
trong từ trường mạnh định hướng song song với hướng truyền ánh sáng. Phổ MCD có
thể thu được từ các chất khí, dung dịch hoặc chất rắn đẳng hướng.
Hình 2.7(a) và (b) mô tả sơ đồ và ảnh chụp một hệ thống đo MCD. Nguyên lý
của quang phổ MCD là đo sự chênh lệch giữa độ phản xạ ánh sáng phân cực tròn phải
(Rσ+) và ánh sáng phân cực tròn trái (Rσ-) được gây ra bởi sự chia tách vạch quang phổ
khi có sự hiện diện của từ trường. Cường độ MCD được biểu diễn bằng phương trình:
(2.1)
Trong đó R là phản xạ quang, E là năng lượng photon tới, và Δ𝐸 là năng lượng phân
tách spin (spin splitting energy) hay năng lượng Zeeman của vật liệu.26
28
Hình 2.7a Sơ đồ minh họa cách bố trí thu phổ MCD của màng mỏng bán dẫn từ.
Hình 2.7b Ảnh chụp máy đo phổ MCD ở trường đại học Tokyo.
Do phổ MCD của bán dẫn từ liên quan đến cấu trúc vùng năng lượng (band
structure) của bán dẫn từ và cường độ của phổ MCD tỉ lệ thuận với độ từ hóa M của chất
bán dẫn từ (Δ𝐸~𝑀) nên MCD là một công cụ hữu ích để đánh giá bản chất của một vật
liệu bán dẫn từ là nội tại (intrinsic) hay không. Phổ MCD của một bán dẫn từ nội tại
(intrinsic) sẽ có những đỉnh phổ (peak) ở có năng lượng photon tương ứng với cấu trúc
vùng năng lượng của chất bán dẫn gốc, và cường độ các đỉnh phổ sẽ được tăng cường
mạnh hơn so với phổ MCD của bán dẫn gốc do có năng lượng phân tách spin (spin
splitting energy) khi đặt trong từ trường.
Để minh họa rõ hơn về phổ MCD của một chất bán dẫn từ, chúng ta có thể xem
xét hình 2.8 a thể hiện phổ MCD của một bán dẫn từ nội tại (In,Fe)As. Có thể thấy rằng
phổ MCD của chất bán dẫn từ (In,Fe)As hiển thị 4 đỉnh phổ tương ứng với các mức
năng lượng chuyển tiếp E1, E1 +1, E0’, và E2 tương ứng với cấu trúc vùng năng lượng
của bán dẫn gốc InAs.21 Điều này cho thấy bán dẫn từ (In,Fe)As vẫn mang những đặc
trưng của của bán dẫn gốc như cấu trúc vùng năng lượng (band structure) từ đó có thể
suy ra các cấu trúc điện (electronic structure) và cấu trúc tinh thể vẫn được giữ nguyên
không có sự trộn lẫn với các cấu trúc khác như các cụm kim loại (nanocluster) bên trong
29
màng mỏng (In,Fe)As. Nhằm so sánh sự khác biệt giữa phổ MCD của chất bán dẫn từ
nội tại với phổ MCD của các chất sắt từ kim loại khác, hình 2.8b hiển thị phổ MCD của
một lớp kim loại Fe 44nm được phủ trên đế GaAs. Ảnh phổ MCD của Fe cho thấy một
đỉnh phổ (peak) rất rộng xung quanh vị trí 5.0eV và không có các đỉnh phổ đặt biệt nào
đặc trưng cho các mức năng lượng chuyển tiếp trong cấu trúc vùng năng lượng của bán
dẫn, điều này hoàn toàn khác với phổ MCD của bán dẫn từ (In,Fe)As. Chính vì vậy phổ
MCD được xem là một phương pháp hữu ích và tin cậy để đánh giá tính nội tại của các
loại vật liệu đặc biệt là bán dẫn từ, từ hình dạng phổ MCD ta có thể đánh giá rằng tính
sắt từ là do nội tại của chất bán dẫn từ đó hay xuất phát từ cụm kim loại xen lẫn bên
trong màng mỏng bán dẫn.
Hình 2.8 (a) Quang phổ MCD của (In,Fe)As cho thấy có sự tăng cường độ mạnh mẽ
tại các peak quan trọng của InAs. (b) Phổ MCD của lớp Fe dày 44nm thể hiện một
30
peak nền rộng, khác biệt hoàn toàn so với (In,Fe)As.
2.4. Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot
Một trong những tiêu chí để đánh giá một chất bán dẫn từ có thể ứng dụng được
hay không đó là nhiệt độ Curie TC (hay điểm Curie, nhiệt độ tới hạn). Đây là nhiệt độ
chuyển pha sắt từ và thuận từ của vật liệu. Ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu mang tính sắt
từ, ở trên nhiệt độ Curie thì vật liệu sẽ mất tính sắt từ và trở thành thuận từ. Chính vì
vậy đây là một thông số rất quan trọng và là ưu tiên hàng đầu để đánh giá một chất bán
dẫn từ có thể ứng dụng vào thực tế hay không. Để có thể chế tạo các linh kiện như spin-
diode, spin-transistor ứng dụng vào thực tế thì chất bán dẫn từ phải có nhiệt độ Curie
lớn hơn nhiệt độ phòng (khoảng 300K tức 27oC) để đảm bảo các linh kiện này hoạt động
ổn định. Chính vì vậy việc nghiên cứu xác định và cải thiện nâng cao nhiệt độ Curie của
chất bán dẫn từ là rất quan trọng.
Trong đề tài này nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb sẽ được xác định bằng
phương pháp vẽ đồ thị Arrott plot. Trong vật lí chất rắn, một đồ thị Arrott plot thể hiện
mối quan hệ của bình phương độ từ hóa của một chất (M2), so với tỷ lệ của từ trường tác
dụng với độ từ hóa (H/M) ở một nhiệt độ cố định. Đồ thị Arrott cũng là một cách để xác
định sự hiện diện của trật tự sắt từ trong vật liệu. Tên của phương pháp này được đặt
theo tên của nhà vật lí người Mỹ Anthony Arrott, ông sử dụng kỹ thuật này để nghiên
cứu từ tính lần đầu tiên vào năm 1957. 27
Theo thuyết trường trung bình (mean field) của Ginzburg–Landau,27 năng lượng
tự do của vật liệu sắt từ gần tới điểm chuyển pha có thể được viết là:
𝐹(𝑀) = −𝐻𝑀 + 𝑎 𝑀2 + 𝑏𝑀4 + ⋯ 𝑇 − 𝑇𝑐 𝑇𝑐
Ở đây 𝑀 là độ từ hóa của vật liệu, 𝐻 là từ trường đặt vào, 𝑇C là nhiệt độ tới hạn và
𝑎, 𝑏 là các hằng số vật chất.
1
𝐻
𝑎
Ở điểm chuyển pha, ta có phương trình cho độ từ hóa:
4𝑏
𝑀
2𝑏
𝑀2 = − 𝜖.
𝑇−𝑇c 𝑇c
là một đại lượng không thứ nguyên của nhiệt độ. Trong đó 𝜖 =
Do đó, khi khảo sát sự thay đổi của M2 theo H/M ở các nhiệt độ khác nhau, đồ thị
Arrott plot nào đi qua gốc tọa độ tương ứng với nhiệt độ đang khảo sát là nhiệt độ tới
hạn. Cùng với việc khảo sát MCD cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của pha sắt từ,
đồ thị Arrott plot có thể được sử dụng để xác định nhiệt độ tới hạn cho quá trình chuyển
31
pha thuận từ - sắt từ.V
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Các thông số của mẫu nghiên cứu:
Hình 3.1 cho cho thấy cấu trúc của các màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb chế tạo
bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử. Tất cả các mẫu đều được chế tạo trên đế
(wafer) GaAs thương mại. Các bước chế tạo mẫu được tiến hành như sau: 4
1. Đầu tiên đế GaAs được nung nóng ở nhiệt độ khoảng 550oC đế để bay hơi
lớp oxit Ga2O3 trên bề mặt.
2. Tiếp đến dùng MBE để tạo lớp đệm (buffer layer) GaAs có bề dày 50nm
làm phẳng bề mặt đế lần lượt các lớp đệm AlAs, AlSb nhằm tăng dần hằng
số mạng, giảm sự khác biệt hằng số mạng giữa GaAs và (In,Fe)Sb.
3. Sau đó lớp màng mỏng (In,Fe)Sb dày 20nm sẽ được phủ ở các nhiệt độ
khác nhau với tốc độ 500nm/h.
4. Cuối cùng là lớp InSb làm phần che chắn phía trên dày 2nm nhằm ngăn
chặn quá trình oxy hóa của lớp (In,Fe)Sb.
5. Trong suốt quá trình chế tạo các lớp màng mỏng, ảnh nhiễu xạ RHEED
được sử dụng để theo dõi sự phát triển của các lớp tinh thể.
InSb 2nm
(In,Fe)Sb 20nm (10%Fe)
AlSb 100nm
AlAs 10nm
GaAs 50nm
SI-GaAs sub
Hình 3.1 Hình vẽ mô tả cấu trúc của các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trên đế GaAs.
Trong đề tài này các mẫu (In,Fe)Sb được tạo nhằm mục đích khảo sát sự phụ
thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ nên các thông số khác được cố định như bề dày màng
mỏng (In,Fe)Sb được cố định d = 20nm, nồng độ pha tạp Fe x = 10%. Đề tài nghiên cứu
32
4 mẫu màng mỏng (In,Fe)Sb pha tạp 10%Fe được chế tạo ở các nhiệt độ đế khác nhau
Tđế = 2100C, 2300C, 2500C, 2700C với ký hiệu lần lượt là A1 – A4 được liệt kê trên bảng
3.1. Ngoài ra một mẫu bán dẫn không pha tạp InSb (bán dẫn thuần) kí hiệu mẫu A0 cũng
được chế tạo ở nhiệt độ 2500C để làm mẫu đối chiếu so sánh.
Bảng 3.1 Thông số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong đề tài. Các mẫu (In1-x,Fex)Sb từ
A0 đến A4 với nhiệt độ đế từ 210oC đến 270oC , trong đó mẫu A0 là mẫu đối chiếu.
Mẫu
x (%) d (nm)
Tđế (oC)
TC (K)
0
A0
0
250
50
A1
210
20
80
A2
230
10
210
A3
250
110
A4
270
33
3.2. Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb
Hình 3.2 cho thấy ảnh nhiễu xạ chùm điện tử phản xạ năng lượng cao (RHEED)
của các lớp đệm AlSb của 4 mẫu nghiên cứu trước khi được phủ lớp (In,Fe)Sb. Ảnh
nhiễu xạ RHEED của các lớp đệm AlSb của cả 4 mẫu đều cho thấy các đường thẳng
(streak) có cường độ rất sáng và rõ ràng, cho thấy các lớp đệm này đều có bề mặt đồng
đều, bằng phẳng (flat) theo định hướng hai chiều (2D) và cấu trúc tinh thể lớp đệm rất
tốt. Điều này đồng nghĩa với việc các lớp màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb sẽ được chế
tạo trên các lớp đệm có cấu trúc tinh thể tốt. Ngoài ra ảnh RHEED của các lớp đệm là
tương đối giống nhau, do đó đảm bảo việc so sánh đối chiếu là trong cùng một điều kiện
lớp đệm.
A1
A2
(a) (b)
A3
A4
(c) (d)
Hình 3.2 (a) – (d) Hình ảnh RHEED của các lớp đệm AlSb của các mẫu theo thứ tự
tương ứng A1 – A4.
Hình 3.3 (b) - (e) cho thấy hình ảnh RHEED theo trục phương vị [110] của các
lớp (In1-x,Fex)Sb của các mẫu lần lượt A1- A4. Ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb có
dạng các đường thẳng (streak) chứng tỏ bề mặt của các lớp (In,Fe)Sb tương đối bằng
phẳng. Riêng mẫu A1 (hình 3.3b) và mẫu A2 (hình 3.3c) ảnh RHEED hơi tối đi, các
đường thẳng (streak) dần chuyển sang dạng điểm sáng (spot) chứng tỏ hình thái bề mặt
màng trở nên xấu đi, chuyển từ một bề mặt màng mỏng bằng phẳng dạng hai chiều (2D)
sang gồ ghề với các ốc đảo dạng ba chiều (3D). Điều này có thể được giải thích là do
các mẫu A0, A3, A4 được chế tạo ở nhiệt độ đế cao hơn (từ 250 – 270oC) nên năng
lượng cung cấp cho các phân tử nhiều hơn, do đó các phân tử liên kết lại với nhau trên 34
đế dễ dàng hơn, dẫn đến màng tạo thành có bề mặt đồng đều bằng phẳng và chất lượng
tinh thể tốt. Còn hai mẫu A1 và A2 được tạo ra ở nhiệt độ thấp hơn 210 – 230oC nên
chưa đủ năng lượng cần thiết để các tạo được màng có bề mặt đồng đều và chất lượng
tinh thể tốt. Sự khác biệt về chất lượng cấu trúc tinh thể khi thay đổi nhiệt độ đế ảnh
hưởng thế nào đến tính chất từ của các mẫu (In,Fe)Sb sẽ được khảo sát trong mục sau.
Tuy nhiên điều cần nhấn mạnh ở đây là ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb của cả 4 mẫu
A1 - A4 cho thấy các đường thẳng ở các vị trí giống với ảnh RHEED của mẫu đối chiếu
InSb không pha tạp (mẫu A0 – xem hình 3.3 a), đồng thời không có bất kì dạng cấu trúc
tinh thể khác lạ nào được quan sát thấy (hay không có phase thứ hai nào). Điều này
chứng tỏ các lớp (In,Fe)Sb được chế tạo thành công bằng phương pháp epitaxy chùm
phân tử, các màng bán dẫn từ (In,Fe)Sb vẫn duy trì được cấu trúc tinh thể loại zinc-
blende của bán dẫn gốc InSb, và các nguyên tử Fe thay thế tốt vào vị trí của In trong
mạng tinh thể mà không tạo ra bất cứ các cụm nano kim loại (nanocluster) nào.
InSb – 2500C
A1 – 2100C
A2 – 2300C
(a) (b) (c)
A3 – 2500C
A4 – 2700C
(d) (e)
Hình 3.3 (a) – (e) Hình ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb của các mẫu A0 – A4 theo
35
thứ tự lần lượt.
3.3. Khảo sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb
Tiếp theo để để nghiên cứu tính chất từ của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) chế tạo
ở các nhiệt độ đế khác nhau (210oC, 230oC, 250oC, 270oC) thì phương pháp đo quang
phổ MCD đã được sử dụng. Hình 3.4 cho thấy phổ MCD của các mẫu A1-A4. Ngoài ra
phổ MCD của mẫu đối chiếu InSb không pha tạp A0 (đường màu đen) cũng được vẽ
nhằm mục đích so sánh. Lưu ý ở đây là cường độ phổ MCD của mẫu A0 rất nhỏ (vì đây
là mẫu bán dẫn thuần không có từ tính) nên để tiện cho việc so sánh và nhìn rõ hình
dạng thì cường độ MCD của mẫu này đã được nhân lên 15 lần (15) khi vẽ trên cùng
một đồ thị với phổ MCD của các mẫu A1-A4.
Từ hình 3.4 có thể thấy phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb A1-A4 đều có cùng
một đỉnh phổ (peak) ở vùng năng lượng photon khoảng 2eV giống với phổ MCD của
với mẫu InSb không pha tạp A0, đây là đỉnh phổ đặc trưng ứng với mức năng lượng
chuyển tiếp E1 của bán dẫn InSb.28 Điều này chứng tỏ các mẫu (In,Fe)Sb vẫn giữ nguyên
được cấu trúc vùng năng lượng (band structure) của bán dẫn gốc InSb, đồng thời cường
độ đỉnh phổ MCD mạnh lên rất nhiều chứng tỏ độ từ hóa M của InSb tăng lên khi pha
tạp Fe (vì độ từ hóa M tỉ lệ thuận với cường độ MCD) hay nói cách khác là từ tính của
InSb mạnh lên khi pha tạp Fe. Cũng cần nhấn mạnh ở đây là phổ của các mẫu (In,Fe)Sb
không phải là một nền phổ rộng và thể hiện các đỉnh phổ phù hợp với cấu trúc vùng
năng lượng của bán dẫn InSb, điều này chứng tỏ trong cấu trúc các mẫu không tồn tại
cụm nano liên quan đến hợp chất của sắt (Fe-related nanocluster). Vì vậy, phổ MCD
cho thấy các mẫu (In,Fe)Sb được chế tạo thành công, từ tính của mẫu xuất phát từ vật
liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb chứ không phải từ các tạp chất khác như cụm nano của hợp
36
chất liên quan đến Fe.
E1
E1
E1
E1
E1
Hình 3.4 Phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau
(210oC, 230oC, 250oC, 270oC), được đo ở nhiệt độ 5K khi đặt trong từ trường 1T. 37
Tiếp theo để khảo sát kĩ hơn quang phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb A1-A4,
quang phổ MCD của các mẫu này đã được đo ở các từ trường khác nhau lần lượt là 0.2T,
0.5T và 1T (xem hình 3.5). Hình 3.5 cho thấy phổ MCD của các mẫu đo ở các từ trường
H = 0.2T, 0.5T và 1T, khi tăng từ trường từ 0.2T đến 0.5T thì cường độ MCD tăng dần,
sau đó bão hòa ở từ trường 0.5T đến 1T, kết quả này hoàn toàn phù hợp với tính chất
của một vật liệu sắt từ. Khi từ trường ngoài tăng lên thì độ từ hóa tăng lên và sau đó đạt
đến trạng thái bão hòa. Điều cần lưu ý ở đây là hình dạng phổ MCD đo ở các từ trường
khác nhau là giống nhau. Để dễ so sánh về hình dạng phổ, phổ MCD của các mẫu đo ở
các từ trường khác nhau được chuẩn hóa (normalized) về cùng một cường độ. Các phổ
MCD được chuẩn hóa bằng cách lấy cường độ MCD toàn phổ chia cho cường độ MCD
tại đỉnh phổ E1 = 2eV, nơi có cường độ mạnh nhất, để có giá trị chuẩn hóa là 1.
Hình 3.6 cho thấy phổ MCD của các mẫu đo ở các từ trường khác nhau sau khi đã
được chuẩn hóa, các phổ MCD gần như chồng khớp với nhau và cho thấy chúng có cùng
một hình dạng, điều này đồng nghĩa với việc bên trong các mẫu chỉ có chứa một pha sắt
từ duy nhất của (In,Fe)Sb mà không trộn lẫn bất kì pha sắt từ của một tạp chất nào khác.
Vì nếu có hai hoặc ba pha sắt từ bên trong mẫu thì các pha này có độ từ hóa M khác
nhau và phụ thuộc theo các cách khác nhau vào từ trường ngoài. Tuy nhiên điều này
không được quan sát thấy trên phổ MCD đo ở các từ trường khác nhau. Vì vậy có thể
kết luận các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb đã được chế tạo thành công, bên trong mẫu chỉ
38
có một pha sắt từ duy nhất (single-phase) của vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb.
Hình 3.5 (a) – (d) Phổ MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) đo ở 5K dưới
39
các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và 1T.
Hình 3.6 (a) – (d) Phổ MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) đo ở 5K dưới
40
các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và 1T sau khi đã được chuẩn hóa.
3.3 Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie của màng mỏng (In,Fe)Sb theo nhiệt độ chế
tạo
Hình 3.7 thể hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ trường H (đồ thị MCD
– H) của các mẫu A1, A2, A3, A4 đo ở các nhiệt độ khác nhau từ 5K đến 300K. Ở đây
cường độ MCD được đo ở năng lượng photon 2eV (tương ứng với đỉnh phổ E1 trên
quang phổ MCD), từ trường được thay đổi từ -1T đến 1T. Trên hình 3.7, chúng ta có thể
thấy đồ thị MCD – H tất cả các mẫu ở nhiệt độ thấp như 5K đều có đồ thị dạng đường
cong kín và có từ dư (remanent magnetization) khi từ trường được loại bỏ (H = 0). Điều
này cho thấy sự hiện diện của trật tự sắt từ có trong mẫu khi ở nhiệt độ thấp, và các đồ
thị này thể hiện đường cong từ trễ của bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong mẫu. Khi tăng dần
nhiệt độ thì từ dư giảm dần, đồng thời các đường cong từ trễ này dần dần thẳng ra và
tuyến tính hoàn toàn ở nhiệt độ 300K, cho thấy các mẫu đều ở trạng thái thuận từ ở
300K. Điều này cho thấy trong mẫu chỉ có mỗi bán dẫn từ (In,Fe)Sb và không có chứa
các tạp chất khác như cụm nano của sắt hoặc hợp chất của Fe, bởi vì các hợp chất này
thường có nhiệt độ Curie rất cao và từ tính rất mạnh do đó chúng thường thể hiện từ tính
41
(cụ thể là đường cong từ hóa) kể cả ở nhiệt độ 300K.
Hình 3.7 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ trường của các mẫu
42
A1, A2, A3, A4, theo thứ tự được đo ở các nhiệt độ khác nhau từ 5K đến 300K.
Để xác định nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb, phương pháp vẽ đồ thị Arrott
plot đã được sử dụng trong đề tài này. Hình 3.8 thể hiện Arrott plot tương ứng của các
đồ thị MCD-H trong hình 3.7. Những đường thẳng được vẽ tiếp tuyến với phần bão hòa
trên đồ thị MCD2 – H/MCD (những đường nét đứt). Nhiệt độ tại đó đường tiếp tuyến đi
qua gốc tọa độ chính là nhiệt độ Curie. Nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb A1- A4
tính từ cách vẽ Arrott plot được liệt kê trong bảng 1 và vẽ theo một hàm của nhiệt độ
chế tạo Tđế trên hình 3.9.
Trên hình 3.9, kết quả Arrott plot cho thấy các mẫu A1 (Tđế = 210oC) và A2 (Tđế =
230oC) có nhiệt độ Curie tương đối thấp lần lượt là 50K và 80K. Kết quả này khá phù
hợp với kết quả ảnh nhiễu xạ RHEED thu được của hai mẫu này. Như đã đề cập ở phần
3.1 ảnh RHEED của mẫu A1 (hình 3.3b) và mẫu A2 (hình 3.3c) ảnh RHEED hơi tối và
có dạng các điểm sáng trên nền các đường thẳng mờ, chứng tỏ hình thái bề mặt màng
không đồng đều và chất lượng tinh thể có thể bị kém đi khi chế tạo ở nhiệt độ thấp, vì
vậy tính chất từ yếu đi hay nhiệt độ Curie giảm xuống. Điều này có thể là do nhiệt độ
chế tạo ở các mẫu này khá thấp dẫn đến năng lượng nhiệt cung cấp không đủ để các
nguyên tử Fe liên kết thay thế vào mạng tinh thể của InSb. Trong khi đó, đối với các
mẫu chế tạo ở nhiệt độ cao hơn như A3 (Tđế = 250oC) và A4 (Tđế = 270oC) có nhiệt độ
Curie cao hơn lần lượt là 210K và 110K, điều này phù hợp với kết quả thu được từ ảnh
nhiễu xạ RHEED của hai mẫu này. Ảnh nhiễu xạ RHEED của hai mẫu này cho thấy cấu
trúc màng đồng đều bằng phẳng và chất lượng tinh thể tốt vì vậy tính chất từ được cải
thiện tốt hơn, nhiệt độ Curie cao hơn. Điều này có thể là do khi nhiệt độ đế cao hơn năng
lượng nhiệt cung cấp cho các phân tử lớn hơn, do đó các nguyên tử Fe dễ thay thế vào
trong mạng tinh thể của InSb hơn.
Kết quả từ hình 3.9 cũng cho thấy là nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb đạt cao
nhất khi chế tạo ở nhiệt độ đế Tđế = 250oC. Mẫu A3 chế tạo ở nhiệt độ này có nhiệt độ
Curie là 210K, kết quả này khá phù hợp với kết quả báo cáo gần đây của nhóm nghiên
cứu trên Applied Physics Express năm 2018,4 trong đó mẫu (In,Fe)Sb pha tạp 11%Fe
chế tạo ở cùng nhiệt độ Tđế = 250oC có nhiệt độ Curie là 200K. Từ đây có thể rút ra kết
luận nhiệt độ 250oC là nhiệt độ tối ưu và phù hợp nhất để chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb
43
bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử.
Hình 3.8 (a) – (d) Đồ thị Arrott plot của 4 mẫu (In,Fe)Sb theo thứ tự từ A1 – A4 chế
44
tạo ở các nhiệt độ khác nhau lần lượt 210oC, 230oC, 250oC, và 270oC.
Hình 3.9 Đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ Curie TC theo nhiệt độ chế tạo
45
mẫu Tđế.
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN
4.1 Kết luận
Đề tài đã tiến hành phân tích kết quả đo đạc thực nghiệm của các mẫu vật liệu bán
dẫn từ (In,Fe)Sb được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau bằng phương pháp epitaxy chùm
phân tử. Hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb được khảo sát
bằng ảnh nhiễu xạ chùm điện tử phản xạ năng lượng cao RHEED; tính chất quang-từ
(magneto-optical) và nhiệt độ Curie của vật liệu (In,Fe)Sb được xác định bằng phép đo
phổ MCD và phương pháp vẽ Arrott plot của các đồ thị cường độ MCD theo từ trường
H (đường MCD-H). Quá trình phân tích thu được các thu được kết quả như sau:
- Kết quả phân tích ảnh nhiễu xạ RHEED cho thấy màng mỏng (In,Fe)Sb đã được
chế tạo thành công và giữ được cấu trúc tinh thể dạng zinc-blende của bán dẫn nền InSb,
không hình thành bất kì các tạp chất hay phase khác nào trong mẫu. Tuy nhiên kết quả
khảo sát cho thấy hình thái bề mặt và tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb phụ thuộc
vào nhiệt độ chế tạo. Ở nhiệt độ chế tạo thấp như 210 – 230oC, hình thái bề mặt màng
không đồng đều, hình thành các ốc đảo có dạng gồ ghề theo ba chiều (3D) và nhiệt độ
Curie cũng của màng mỏng (In,Fe)Sb tương đối thấp từ 50 – 80K. Còn đối với nhiệt độ
chế tạo từ 250 – 270oC, hình thái bề mặt màng mỏng (In,Fe)Sb tốt hơn, có dạng bằng
phẳng theo dạng hai chiều (2D) và nhiệt độ Curie cũng cao hơn từ 110 – 210K.
- Kết quả phân tích phổ MCD cho thấy các màng bán dẫn từ (In,Fe)Sb giữ được
cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn gốc và trong mẫu chỉ có duy nhất một pha sắt từ
của (In,Fe)Sb, không có các phase khác được tìm thấy trong mẫu, nhiệt độ Curie cao
nhất là 210K thu được khi chế tạo ở nhiệt độ 250oC cho thấy đây là nhiệt độ tối ưu để
chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb.
4.2 Hướng phát triển của đề tài
Trong đề tài này tác giả đã thực hiện việc khảo sát sự phụ thuộc của tính chất từ
của màng mỏng (In,Fe)Sb theo nhiệt độ chế tạo. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian
thực hiện khóa luận tốt nghiệp chính vì vậy còn nhiều các thông số khác ảnh hưởng đến
tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb như độ dày màng mỏng, tốc độ tạo màng,… vẫn
46
chưa được quan tâm khảo sát và nghiên cứu. Vì vậy đây cũng là một trong những hướng
phát triển của đề tài của nhóm nghiên cứu trong thời gian sắp tới nhằm cải thiện nhiệt
47
độ Curie, tăng độ từ hóa của vật liệu (In,Fe)Sb.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
_______________________ I https://sites.google.com/site/lebienbn/thu-vien-ve-cac-bai-bao-khoa-hoc/spintronics
II https://vi.wikipedia.org/wiki/Bộ_nhớ_RAM_từ_điện_trở
III https://vanj.jp/vi/2017/02/08/chat-ban-dan-pha-tap-sat-vat-lieu-mo-duong-cho-the-
IV https://voer.edu.vn/m/epitaxy-chum-phan-tu/4a459258
V https://wikipedia.org/wiki/Arrott_plot
VI David Halliday, Giáo trình Cơ sở vật lý IV – V, Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội,
he-thiet-bi-ban-dan-dien-tu-su-dung-spin/
VII Lê Đình, Vật lý chất rắn và bán dẫn, Trường Đại học sư phạm Huế, Huế, 1999.
2016.
Tiếng Anh
1 H. Munekata, H. Ohno, S. von Molnar, A. Segmuller, L. L. Chang, and L. Esaki, Phys.
2 H. Ohno, A. Shen, F. Matsukara, A. Oiwa, A. Endo, S. Katsumoto, and Y. Iye, Appl.
Rev. Lett. 63, 1849 (1989).
3 L. Chen, X. Yang, F. Yang, J. Zhao, J. Misuraca, P. Xiong, and S. von Molnar, Nano
Phys. Lett. 69, 363 (1996).
4 Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka, Applied
Lett. 11, 2584 (2011).
5 Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka, Applied
Physics Express 11, 063005 (2018).
6 Akinaga and H. Ohno, IEEE Trans. Nanotech. 1, 19 (2002).
7 B. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau and F. Petroff, Phys. Rev. Lett.
Physics Express 12, 103004 (2019).
8 G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach and W. Zinn, Phys. Rev. B 39, 4828 (1989).
48
61, 2472 (1988).
9 T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995).
10 J. S. Moodera, L. R. Kinder, T.M. Wong and R. Meservey, Phys. Rev. Lett. 74, 3273
11 K. Edmonds, Lectures, School of Physics & Astronomy, University of Nottingham.
12 J. K. Furdyna, J.Appl. Phys. 64, R29 (1988).
13 T. Hayashi, M. Tanaka, T. Nishinaga, H. Shimada, H. Tsuchiya, and Y. Otuka: J. Cryst.
(1995).
14 Ando, K. T. Hayashi, M. Tanaka and A. Twardowski, J. Appl. Phys. 83, 6548. (1998).
15 H. Ohno, D. Chiba, F. Matsukura, T. Omiya, E. Abe, T. Dietl, Y. Ohno, and K. Ohtani,
Growth 175-176, 1063(1997).
16 T. Schallenberg and H. Munekata, Appl. Phys. Lett. 89, 042507(2006).
17 E. Abe, F. Matsukura, H. Yasuda, Y. Ohno, and H. Ohno, Physica E 7, 981 (2000).
18 K. Ganesan, H. L. Brat, J. Appl. Phys. 103, 043701 (2008).
19 N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh and M. Tanaka, Phys. Rev. B 92, 144403 (2015).
20 N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh and M. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 108, 192401 (2016).
21 P. N. Hai, L. D. Anh, S. Mohan, T. Tamegai, M. Kodzuka, T. Ohkubo, K. Hono, and
Nature 408, 944 (2000).
22 S. Haneda, M. Yamaura, Y. Takatani, K. Hara, S. Harigae, and H.Munekata, Jpn. J.
M. Tanaka: Appl. Phys. Lett. 101, 182403(2012).
23 N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh and M. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 112, 122409 (2018).
24 Regina Ciancio, Andrea Vittadini, Annabella Selloni, Riccardo Arpaia, Carmela
Appl. Phys. 39, L9 (2000).
Aruta, Fabio Miletto Granozio, Umberto Scotti di Uccio, Giorgio Rossi, Elvio Carlino,
25 A. Shen 'l, H. Ohno, F. Matsukura, Y. Sugawara, N. Akiba, T. Kuroiwa, A. Oiwa, A.
J Nanopart Res (2013).
26 K. Ando and H. Munekata, J. Magn. Magn. Mater. 2004-2005, 272 (2004).
27 A. Arrott, Physical Review. 108 (6): 1394–1396 (1957).
28 S. Logothetidis, L. Vina, and M. Cardona, Phys. Rev. B 31, 947 (1985).
49
Endo, S. Katsumoto, Y. Iye, Journal of Crystal Growth 175/176 (1997) 1069-1074.
