Khóa luận tốt nghiệp: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là khảo sát sự thay đổi tính chất từ của màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb theo nhiệt độ chế tạo từ đó tìm ra nhiệt độ tốt nhất để chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: 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

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 (Theo thứ tự bảng chữ cái) Chữ viết tắt Nội dung FMS Ferromagnetic semiconductor – Bán dẫn từ MBE Molecular-beam epitaxy: Epitaxy chùm phân tử MCD Magnetic circular dichroism - Lưỡng sắc tròn từ tính Reflection high-energy electron diffraction - Nhiễu xạ electron phản RHEED xạ năng lượng cao GMR Giant magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ TMR Tunnel magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở chui hầm 1
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 Bảng 3.1 (In1-x,Fex)Sb từ A0 đến A4 với nhiệt độ đế từ 2100C đến 33 2700C, trong đó mẫu A0 là mẫu InSb đối chiếu. Số thứ tự Tên hình Trang Định luật Moore cho thấy dự đoán tốc độ tăng số lượng Hình 1.1 transistor trên một đơn vị diện tích theo thời gian. (Nguồn 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 Hình 1.4 trường (b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin. (Nguồn: 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 Hình 1.6 (Ga,Mn)As có nồng độ 3.5%Mn ở 5K. Hình bên trong biễu 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. 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. 2
Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số Hình 1.9 vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm (Ga,Mn)As, 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 Hình 1.10 19 (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 Hình 1.11 độ pha tạp Fe từ 3.9 - 25% và (b) (In,Fe)Sb với nồng độ pha 20 tạp Fe từ 5 - 16%. Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số Hình 1.12 vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As, 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 bán dẫn TiO2 trên đế LaAlO3 bằng phương pháp MBE. Bên 26 trái là ảnh RHEED, còn bên phải là ảnh minh họa hình thái bề 3
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) Hình 2.6 GaAs chế tạo ở nhiệt độ 250oC, (b) (Ga,Mn)As ở 250oC, (c) 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 Hình 3.4 độ khác nhau (210oC, 230oC, 250oC, 270oC). Phổ MCD được 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) Hình 3.6 đo ở 5K dưới các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và 1T sau 40 khi đã được chuẩn hóa. 4
Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ Hình 3.7 trường của các mẫu A1, A2, A3, A4, theo thứ tự được đo ở 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 Hình 3.8 các nhiệt độ khác nhau lần lượt 210oC, 230oC, 250oC, và 44 270oC. Đồ thị biễu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ Curie TC theo nhiệt Hình 3.9 45 độ chế tạo mẫu Tđế. 5
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 nhiệt độ chế tạo từ đó tìm ra nhiệt độ tốt nhất để chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb. 6
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 nhiệt độ chế tạo thích hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau. 7
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 tương lai. 8
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 P. Grunberg (được trao giải Nobel năm 2007)I, và được giải thích dựa vào sự tán xạ phụ 9
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 chui hầm. Trong MRAM, thông tin được lưu trữ bởi độ từ hóa của lớp màng mỏng từ. 10
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 và giảm lỗi địa chỉ.II 11
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 được đặt ra trong vòng ba thập kỷ gần đây, khi nhu cầu cắt giảm năng lượng hao phí và 12
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 vẫn là một thách thức. 13
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 (  3000 C ) 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 đó.14 Phổ MCD của các mẫu này vẫn thể hiện các đỉnh phổ tương ứng giống với phổ 14
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 tạp 0.5% và 7.4%Mn. 15
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 Mn cung cấp đồng thời cả moment spin và lỗ trống, vì vậy vật liệu bán dẫn từ được chế 16
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