Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ pha tạp carbon pha tạp lên cấu trúc và tính chất từ của các màng mn 5 ge 3

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực Luận văn không trùng lặp với khóa luận, luận văn, luận án cơng trình nghiên cứu công bố Tác giả luận văn Trần Thị Thu ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS LÊ THỊ GIANG ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận văn Tơi xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn tới thầy cô môn Vật lý Kỹ thuật, thầy cô khoa Kỹ thuật Công nghệ, Phòng Sau Đại học, Trƣờng Đại Hồng Đức Thanh Hóa Các thầy trang bị tri thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt thời gian qua Tôi xin cảm ơn giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi Trƣờng Đại Học Hồng Đức, UBND Tỉnh Thanh Hóa, Sở Giáo Dục Đào Tạo Thanh Hóa, Trƣờng TH – THCS Thọ Thắng tơi q trình thực luận văn Sau cùng, xin cảm ơn thực khơng thể qn đƣợc giúp đỡ tận tình Thầy (Cô), bạn bè, anh, em động viên, tạo điều kiện ngƣời thân gia đình suốt trình thực luận văn Thanh Hóa, tháng năm 2019 Tác giả Trần Thị Thu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÀNG MỎNG SẮT TỪ TRONG CÔNG NGHỆ SPINTRONICS 1.1 Công nghệ spintronics 1.1.1 Sự đời mục tiêu spintronics 1.1.2 Hai phƣơng án bơm spin 1.2 Bơm spin từ kim loại sắt từ vào chất bán dẫn 1.2.1.Sự bất đối xứng spin mức Fermi 1.2.2 Tích lũy spin 1.2.3 Điều kiện bơm spin thu nhận spin: Ảnh hƣởng giao diện 1.3 Lựa chọn hệ Mn5Ge3/ Ge cho việc bơm spin 10 1.3.1 Lựa chọn kim loại sắt từ: Mn5Ge3 10 1.3.2 Vấn đề bơm spin vào Ge 11 1.3.3 Kỹ thuật epitaxy không cân 13 1.4 Kết luận 13 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 15 2.1 Phƣơng pháp chế tạo 15 2.2 Các thiết bị sử dụng 16 iv 2.2.1 Epitaxy chùm phân tử (MBE) 16 2.2.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 21 2.2.3 Giao thoa kế lƣợng tử siêu dẫn (SQUID) 26 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Chế tạo màng mỏng Mn5Ge3 đế Ge(111) 29 3.1.1 Cấu trúc màng Mn5Ge3 30 3.1.2 Từ tính màng Mn5Ge3 32 3.2 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp C lên cấu trúc màng Mn3Ge3 33 3.3 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp C lên từ tính màng Mn3Ge3 37 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu TC: Nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ (nhiệt độ Curie) Danh mục chữ viết tắt MBE: Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam epitaxy), RHEED: Nhiễu xạ điện tử phản xạ lƣợng cao (Reflection High- Energy Electron Diffraction ) TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electronic Microscopy ) SEM: Kính hiển vi điện tử quét SQUID: Máy đo từ (Superconducting Quantum Interference Device) GMR: Từ trở khổng lồ DMS: Bán dẫn pha loãng từ SC: Chất bán dẫn FM : Sắt từ vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình spin transtor hiệu ứng trƣờng, đƣợc gọi Hình 2.1: Sơ đồ buồng tạo màng MBE hệ thống phụ buồng 17 Hình 2.2 Xây dựng hình cầu Ewald sphere construction cho RHEED 20 Hình 2.3 Hình ảnh RHEED chụp theo phƣơng [1-10] Ge (001) sau tổng hợp xong lớp đệm Ge (a) sau vài giây tổng hợp lớp màng Ge1-xMnx (b) 21 Hình 2.4.Sơ đồ cấu tạo TEM 22 Hình 2.5 Sơ đồ súng phóng điện tử 24 Hình Thiết kế từ kế SQUID (a) phóng đại thiết bị SQUID(b) 27 Hình 3.1 Hình ảnh RHEED chụp dọc theo hƣớng [1-10] [11-2] trình phát triển màng Mn5Ge3 Trƣớc lắng đọng Mn (a, b); Ngay sau lắng đọng xong lớp Mn dày 40 nm (c, d) sau ủ nhiệt độ 450 o C 15 phút (e, f) 30 Hình 3.2 Ảnh TEM tổng quát (a) TEM độ phân giải cao (b) màng Mn5Ge3 có độ dày 40 nm đế Ge(111) 31 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X màng Mn5Ge3 mọc đế Ge(111) 32 33 Hình 3.4: Đƣờng từ hóa phụ thuộc nhiệt độ M(T) (a) đƣờng từ hóa phụ thuộc từ trƣờng (b) 40 nm màng Mn5Ge3 33 Hình 3.5 Hình ảnh RHEED chụp dọc theo hƣớng [11-2] (a) hƣớng [1-10] Hình 3.6 Ảnh TEM TEM độ phân giải cao màng Mn5Ge3C0,6 35 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X màng Mn5Ge3C0,6 mọc đế Ge(111) 35 Hình 3.8 Hình ảnh RHEED chụp dọc theo hƣớng [11-2] [1-10] màng Mn5Ge3Cx với x = 0,7 (a, b) x=0,9 (c, d) 36 Hình 3.9 : Ảnh TEM tổng quát (a) ảnh TEM độ phân giải cao (b) màng Mn5Ge3C0,7 36 vii Hình 3.10 : Đƣờng cong từ trễ màng Mn5Ge3C0,4, Mn5Ge3C0,6 , Mn5Ge3C0,7 Mn5Ge3C0,9 đƣợc đo nhiệt độ 5K đặt song song với bề mặt mẫu 37 Hình 3.11 Đƣờng từ hóa phụ thuộc nhiệt độ đƣợc chuẩn hóa màng Mn5Ge3C0,1, Mn5Ge3C0,6 , Mn5Ge3C0,7 đƣợc đo từ trƣờng 10kOe đặt song song với bề mặt mẫu 38 Hình 3.12: Sự phụ thuộc nhiệt độ chuyển pha (phải) phụ thuộc độ từ hóa bão hịa (trái) vào nồng độ pha tạp carbon 39 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Công nghệ điện tử spin, hệ công nghệ bán dẫn, đƣợc thúc đẩy phát triển cách mạnh mẽ tính chất sắt từ nhiệt độ phịng đƣợc đƣa vào thiết bị bán dẫn mạch tích hợp Có hai phƣơng pháp đƣợc sử dụng để tiêm dòng spin phân cực vào bán dẫn: sử dụng tiếp giáp không đồng kim loại sắt từ /bán dẫn thông qua hàng rào điện môi hàng rào Schottky [1]; sử dụng bán dẫn pha loãng từ nhƣ điều chỉnh spin [2] Với phƣơng pháp thứ nhất, vấn đề khó khăn gặp phải lắng đọng trực tiếp kim loại sắt từ lên bán dẫn để tạo lớp tiếp giáp kim loại /bán dẫn Phƣơng pháp thứ hai bị hạn chế nhiệt độ chuyển pha thấp bán dẫn pha loãng từ (dƣới nhiệt độ phòng) [3] Gần đây, phƣơng án thay đƣợc đƣa ra, hợp chất sắt từ nhƣ Fe3Si [4,5],Fe1.7Ge [6] hay Mn5Ge3 [7–11] đƣợc phát triển epitaxy đế Si Ge hoạt động nhƣ tiêm spin Trong số đó, có hợp chất Mn5Ge3 thể tính sắt từ nhiệt độ phịng Theo tính tốn lý thuyết, Mn5Ge3 cho hiệu suất tiên spin cao có độ phân cực spin lên tới 42% [9] Các màng mỏng Mn5Ge3 đƣợc phát triển cách epitaxy đế Ge(111) [7-9], cho phép tiêm trực tiếp dịng spin phân cực vào bán dẫn nhóm IV Đặc biệt số nghiên cứu làm tăng từ tính độ phân cực spin Mn5Ge3 cách pha tạp lƣợng nhỏ C [10,11] Fe [12,13] Nghiên cứu lý thuyết cho thấy, pha tạp lƣợng nhỏ C làm tăng nhiệt độ chuyển pha vật liệu ngun tử C có bán kính nhỏ nên dễ dàng khuếch tán đến vị trí trống mạng tinh thể Một số nghiên cứu thực nghiệm ban đầu theo hƣớng đƣợc thực nhƣng chƣa đƣa đƣợc nồng độ C pha tạp tối ƣu [14, 15] Nhìn chung, vật liệu khơng có nhiệt độ chuyển pha cao mà phải giữ đƣợc cấu trúc ổn định trình chế tạo thiết bị trải qua số bƣớc ủ nhiệt Chính vậy, với hy vọng lựa chọn đƣợc hàm lƣợng C phù hợp để vừa làm tăng nhiệt độ chuyển pha vừa đảm bảo ổn định cấu trúc màng Mn5Ge3, tiến hành lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ pha tạp carbon pha tạp lên cấu trúc tính chất từ màng Mn5Ge3” Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp đƣợc màng Mn5Ge3Cδ cấu trúc đơn tinh thể; - Khảo sát cấu trúc tính chất từ vật liệu; - Xác định đƣợc hàm lƣơng C tối ƣu để làm tăng nhiệt độ chuyển pha từ ổn định đƣợc cấu trúc vật liệu Nội dung nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề sau: - Chế tạo mẫu Mn5Ge3Cx với hàm lƣợng C khác đế Ge(111) phƣơng pháp MBE; - Nghiên cứu cấu trúc Mn5Ge3Cx; - Nghiên cứu tính chất từ Mn5Ge3Cx; - Tổng hợp kết quả, đƣa hàm lƣợng C pha tạp phù hợp để ổn định tốt pha Mn5Ge3 Ngoài phần mở đầu, kết luận phụ lục, luận văn gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan màng mỏng sắt từ công nghệ spintronics Chƣơng 2: Thực nghiệm Chƣơng 3: Kết thảo luận Phƣơng pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu này, lựa chọn chế tạo mẫu Mn5Ge3Cx với hàm lƣợng C khác (x= 0; 0,1 ; 0,2 ; 0,4; 0,6; 0,7 ; 0,9) phƣơng pháp epitaxy chùm phân tử (MBE) đế Ge(111) Các mẫu đƣợc khảo sát cấu trúc giản đồ nhiễu xạ tia X kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Tính chất từ mẫu đƣợc khảo sát thiết bị giao thoa kế lƣợng tử siêu dẫn (SQUID) Kết phép đo đƣợc phân tích tổng hợp để đƣa hàm lƣợng C pha tạp phù hợp nhằm ổn định tốt bán dẫn sắt từ Mn5Ge3 30 Hình 3.1 Hình ảnh RHEED chụp dọc theo hướng [1-10] [11-2] trình phát triển màng Mn5Ge3 Trước lắng đọng Mn (a, b); Ngay sau lắng đọng xong lớp Mn dày 40 nm (c, d) sau ủ nhiệt độ 450 oC 15 phút (e, f) 3.1.1 Cấu trúc màng Mn5Ge3 Phân tích cấu trúc bƣớc cần thiết để nghiên cứu chất lƣợng tinh thể lớp màng mỏng nhƣ giao diện màng đế Các khuyết tật giao diện tính đồng lớp màng thơng tin dễ phát kính hiển vi điện tử truyền qua chụp theo mặt cắt ngang mẫu Hình 3.2 cho thấy hình ảnh TEM lớp Mn 5Ge3 có độ dày 40nm đế Ge (111) Màng thu đƣợc đơn tinh thể đồng nhất, khuyết tật màng ít, giao diện màng đế rõ ràng có thay đổi đột ngột cấu trúc tinh thể Chúng ta quan sát thấy độ dày màng gần 31 nhƣ không đổi phạm vi rộng thay đổi bề mặt dƣờng nhƣ không đáng kể Điều khẳng định lại hình ảnh quan sát đƣợc từ RHEED hồn tồn phù hợp Hình ảnh TEM độ phân giải cao 3.2 b cho thấy sai hỏng màng nhƣ giao diện, mật độ sai hỏng thấp nên khơng quan sát đƣợc TEM Hình 3.2 Ảnh TEM tổng quát (a) TEM độ phân giải cao (b) màng Mn5Ge3 có độ dày 40 nm đế Ge(111) Các màng Mn5Ge3 thu đƣợc đơn tinh thể đƣợc khẳng định giản đồ nhiễu xạ tia X Hình 3.3 biểu diễn phổ nhiễu xạ tia X màng Mn5Ge3 đƣợc mọc đế Ge(111) phƣơng pháp epitaxy pha rắn Đầu tiên, thấy có hai đỉnh nhiễu xạ (111) (333) tƣơng ứng với hƣớng (111) đế Ge Tiếp đến, quan sát thấy có hai đỉnh nằm vị trí có giá trị 2θ = 35,4° 2θ = 74,5° tƣơng ứng với phản xạ mặt (002) (004) màng Mn5Ge3 Khơng có xuất đỉnh khác lần chứng minh vắng mặt pha tinh thể thứ cấp màng Mn5Ge3 Ngoài ra, phản xạ từ mặt phẳng (002) (004) Mn5Ge3 mặt phẳng (001) Mn5Ge3 song song với mặt phẳng (111) Ge, phù hợp với quan hệ cấu trúc quan sát đƣợc hình ảnh TEM RHEED Kết cho thấy, thực tế Mn11Ge8 hợp chất ổn định giản đồ Mn-Ge, hiệu ứng epitaxy với Ge có định hƣớng 32 tinh thể (111) cho phép hình thành pha Mn5Ge3, có tính đối xứng với đế Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X màng Mn5Ge3 mọc đế Ge(111) 3.1.2 Từ tính màng Mn5Ge3 Từ tính màng mỏng Mn5Ge3 mọc epitaxy đế Ge(111) đƣợc khảo sát giao thoa kế lƣợng từ (SQUID) Các phép đo cho phép xác định đại lƣợng đặc trƣng màng Mn5Ge3 nhƣ độ từ hóa bão hịa, dị hƣớng từ nhiệt độ Curie Hình 3.4 biểu diễn tính chất từ màng Mn5Ge3 dày 40 nm Để xác định nhiệt độ chuyển pha TC, hình 3.4a thể phụ thuộc nhiệt độ độ từ hóa mẫu đƣợc đo khoảng nhiệt độ từ 5K đến 320K Trích xuất từ đƣờng cong M(T) cung cấp cho nhiệt độ chuyển pha mẫu 297K, giống nhƣ kết vật liệu khối [41] Liên quan đến tính dị hƣớng từ lớp Mn 5Ge3, chúng tơi so sánh hai đƣờng cong từ trễ Hình 3.4b nhận thấy khác biệt nhƣ sau: từ hóa cịn lại 20% cấu hình song song từ hóa gần cấu hình vng góc Ngồi ra, để đạt độ bão hịa, cần có trƣờng 0,5 T trƣờng hợp song song, trong cấu hình vng góc, từ trƣờng cần thiết 0,8 T để bão hòa mẫu Đặc điểm cho thấy, mẫu có tính dị hƣớng từ hƣớng song song với bề mặt màng có độ từ hóa dễ Tính dị 33 hƣớng từ màng kết cạnh tranh dị hƣớng từ tinh thể dị hƣớng từ hình thành ứng suất màng Hình 3.4: Đường từ hóa phụ thuộc nhiệt độ M(T) (a) đường từ hóa phụ thuộc từ trường (b) 40 nm màng Mn5Ge3 3.2 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp C lên cấu trúc màng Mn3Ge3 Sự phát triển màng Mn5Ge3Cx đƣợc thực thông qua phƣơng pháp SPE Chúng cho lắng đọng đồng thời nguyên tử Mn C đế Ge (111) nhiệt độ phịng, sau ủ nhiệt 450 ° C để kích hoạt khuếch tán nguyên tử C, Mn Ge Các ngun tử carbon có bán kính ngun tử đủ nhỏ nên có nhiều khả kết hợp đƣợc vào màng epitaxy Mn5Ge3 thơng qua q trình phát triển Hàm lƣợng carbon đƣợc điều chỉnh cho tỷ lệ x thay đổi khoảng từ 0,1 đến 0,9 Cấu trúc màng Mn5Ge3Cx đƣợc xác định dựa vào việc phân tích kết từ RHEED, TEM độ phân giải cao giản độ nhiễu xạ tia X Hai khoảng nồng độ carbon pha tạp đƣợc xác định theo chất lƣợng tinh thể màng tính chất từ có liên quan: 0,1