Nghiên cứu ảnh hưởng của carbon lên cấu trúc và từ tính của màng mỏng bán dẫn pha loãng từ gemn cấu trúc dạng cột nano”

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 Phạm Văn Thái ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS LÊ THỊ GIANG người trực tiếp hướng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy cô môn Vật lý Kỹ thuật, thầy cô khoa Kỹ thuật Công nghệ, Phòng Sau Đại học, Trường 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 Trường Đại Học Hồng Đức, UBND Tỉnh Thanh Hóa, Sở Giáo Dục Đào Tạo Thanh Hóa, Trường THPT Quảng Xương - Thanh Hóa tơi q trình thực luận văn Sau cùng, xin cảm ơn thực quên giúp đỡ tận tình Thầy (Cơ), bạn bè, anh, em động viên, tạo điều kiện người thân gia đình suốt trình thực luận văn Thanh Hóa, tháng năm 2017 Tác giả Phạm Văn Thái iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN PHA LOÃNG TỪ GeMn 1.1 Điện tử học spin (Spintronics) 1.2 Bán dẫn sắt từ 1.3 Bán dẫn pha loãng từ Ge1-xMnx 1.3.1 Những ưu việt bán dẫn pha loãng từ Ge1-xMnx 1.3.2 Tổng quan tình hình chế tạo bán dẫn pha loãng từ Ge1-xMnx 10 1.3.3 Kết luận 16 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 18 2.1 Phương pháp chế tạo 18 2.2 Các thiết bị sử dụng 19 2.2.1 Epitaxy chùm phân tử (MBE) 19 2.2.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 24 2.2.3 Giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID) 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Ảnh hưởng pha tạp C lên cấu trúc màng Ge1-xMnxCδ 32 3.2 Ảnh hưởng pha tạp C lên tính chất từ màng Ge1-xMnxCδ 35 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 iv 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) C: Carbon Danh mục chữ viết tắt MBE: Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam epitaxy), RHEED: Nhiễu xạ điện tử phản xạ lượng 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: Chất bán dẫn pha loãng từ CMS: Chất bán dẫn từ v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ba loại bán dẫn: (A) bán dẫn sắt từ tập trung, xuất mạng tuần hồn ngun tố từ tính; (B) Bán dẫn pha lỗng từ, ngun tử từ tính thay số vị trí mạng tinh thể bán dẫn; (C) bán dẫn khơng từ tính, khơng chứa ion từ tính Hình 1.2 a) Độ từ hóa phụ thuộc nhiệt độ màng Mn0.02Ge0.98 dày 615 Ǻ (từ trường = 0.1 T) b) Sự phụ thuộc nồng độ Mn Tc màng MnxGe1-x 10 Hình 1.3 .Ảnh TEM màng Ge0.97Mn0.03 13 Hình 1.4 Độ từ hóa phụ thuộc nhiệt độ đo mT 0.1 T 14 Hình 1.5 Ảnh STEM màng Ge0.927Mn0.073 chế tạo 60 °C 14 Hình 1.6 Ảnh TEM màng Ge1-xMnx chế tạo 130 °C chứa 6% manganese 15 Hình 1.7 Đường từ hóa phụ thuộc nhiệt độ , độ từ hóa màng tồn khoảng 400 K Hình nhỏ bên thể độ từ hosatheo nhiệt độ sau loại bỏ đóng góp từ cột nano 16 Hình 2.1: Sơ đồ buồng tạo màng MBE hệ thống phụ buồng 20 Hình 2.2 Xây dựng hình cầu Ewald sphere construction cho RHEED 23 Hình 2.3 Hình ảnh RHEED chụp theo phương [1-10] Ge (001) sau tổng hợp xong lớp đệm Ge (a) sau vài giây tổng hợp lớp màng Ge1-xMnx (b) 24 Hình 2.4.Sơ đồ cấu tạo TEM 25 Hình 2.5 Sơ đồ súng phóng điện tử 26 Hình 2.6 Thiết kế từ kế SQUID (a) phóng đại thiết bị SQUID(b) 29 Hình 3.1 Ảnh TEM tổng quát (a) từ độ phụ thuộc nhiệt độ (b) màng Ge1-xMnx có độ dày 80 nm chế tạo nhiệt độ 130 °C x ~0.06 32 Hình 3.2 Hình ảnh RHEED chụp dọc theo hướng [1-10] trình tăng trưởng Ge0.94Mn0.06 chưa pha tạp C (a) Ge0.94 Mn0.04 C0.02 (b) 33 vi Hình 3.3 Hình ảnh TEM tổng quát màng Ge0.94Mn0.04C0.02 (a) màng Ge0.94Mn0.05C0.01(b) 34 Hình 3.4 : Ảnh TEM tổng quát (a) ảnh TEM độ phân giải cao màng Ge0.94Mn0.055C0.005 34 Hình 3.5 Đường từ hóa phụ thuộc nhiệt độ màng Ge0.92Mn0.04C0.02, Ge0.93Mn0.06C0.01, Ge0.935Mn0.06C0.005 Ge0.94Mn0.06, có độ dày ~ 80 nm đo từ trường 0.5 T đặt song song với bề mặt mẫu 36 Hình 3.6 : Đường cong từ trễ màng Ge0.94Mn0.05C0.01 đo 400K với từ trường đặt song song với bề mặt mẫu 37 Hình 3.7 Đường từ hóa phụ thuộc nhiệt độ màng Ge0.93Mn0.06C0.01, có độ dày ~ 80 nm sau ủ nhiệt 450 650 oC 20 phút, đo từ trường 0.5 T đặt song song với bề mặt mẫu 38 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời gian gần đây, việc tổng hợp bán dẫn từ (magnetic semiconductor) trở thành thách thức lớn cho ngành công nghệ spintronic khả ứng dụng to lớn Vật liệu tổ hợp thuộc tính vận chuyển điện tử bán dẫn đặc tính nhớ vật liệu từ Chúng đóng vai trị quan trọng cho việc phát triển linh kiện điện tử điều khiển spin linh kiện từ tính Trong linh kiện điện tử truyền thống hoạt động dựa cở sở việc điều khiển dịng điện tích (loại n p), linh kiện sử dụng bán dẫn từ hoạt động dựa việc điều khiển trạng thái lượng tử spin (up down) Về mặt lý thuyết điều dẫn đến việc tạo độ phân cực spin gần toàn phần (trong Fe kim loại khác có độ phân cực gần 50%) Đây đặc tính quan trọng ứng dụng spintronics Dựa sở số đặc tính vật lý vật liệu từ bán dẫn truyền thống, nhà khoa học vật liệu dự báo rằng, bán dẫn từ ứng dụng rộng rãi chúng có cấu trúc tương tự vật liệu bán bẫn Chính mà thời gian gần đây, bán dẫn pha loãng từ (Diluted magnetic semiconductor – DMS) trở thành trọng tâm nhiều đề tài nghiên cứu vật liệu bán dẫn từ [5,12,18,22,25] Chúng tổng hợp dựa sở bán dẫn truyền thống pha tạp kim loại chuyển tiếp Mn, Cr, Ni, Fe hay Co, ma trận bán dẫn ngẫu nhiên thay ion kim loại chuyển tiếp Tuy nhiên, nhiệt độ chuyển pha Curie (Tc) vật liệu thấp phụ thuộc vào hàm lượng kim loại chuyển tiếp vật liệu điều kiện phát triển vật liệu Với bán dẫn từ có nhiệt độ Tc cao nhiệt độ phòng, ứng dụng nhiều thiết bị nano chẳng hạn, nhớ nanodots; hay nanochannels dùng cho spin injection Hơn nữa, việc điều khiển xác tính khơng đồng vật liệu thử thách mới, mở đường dẫn tới ứng dụng cơng nghiệp tính sắt từ bán dẫn từ Các nhà khoa học vật liệu tập trung mối quan tâm nghiên cứu vào bán dẫn từ nhóm IV khả tương thích với cơng nghệ silicon có Năm 2002, Park cộng cơng bố tính sắt từ màng mỏng Ge0,94Mn0.06 chế tạo phương pháp epitaxy chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy - MBE), với nhiệt độ Tc = 116K [7] Gần đây, có nhiều nghiên cứu công bố tăng lên đáng kể Tc Ge1-xMnx phụ thuộc vào điều kiện phát triển mẫu[3,9,15,24] Trong số pha Ge1-xMnx DMS, cột nano Ge1-xMnx pha có nhiệt độ Tc >400K [2, 19, 27, 29, 31] Do vậy, việc tổng hợp cột nano Ge1-xMnx mang lại nhiều ứng dụng công nghệ điện tử spin Tuy nhiên, pha có cấu trúc cột nano Ge1-xMnx trạng thái không ổn định (các cột nano bị phá hủy hoàn toàn chuyển sang pha Ge 3Mn5 nhiệt độ >450o C) Vấn đề đặt để đưa vào ứng dụng spintronic cần phải tìm cách ổn định pha Những kết nghiên cứu trước hệ vật liệu cho thấy, Các cột nano GeMn hình thành khuếch tán nguyên tử Mn theo bề mặt dọc theo chiều phát triển màng; Hiệu ứng hoạt tính bề mặt Mn vừa nguyên nhân tạo cấu trúc dạng cột màng, nguyên nhân gây tượng nồng độ Mn cột tăng theo chiều phát triển bị phá hủy để tạo đám Ge3Mn5 [1] Trong đó, nghiên cứu khác hệ Ge3Mn5 lại cho thấy rằng, việc pha tạp carbon làm hạn chế tượng khuếch tán Mn mạng Ge [21] Chính vậy, với hy vọng việc pha tạp carbon hạn chế phá hủy cột nano để hình thành đám Ge3Mn5, làm tăng tính ổn định nhiệt màng, tiến hành chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng carbon lên cấu trúc từ tính màng mỏng bán dẫn pha loãng từ GeMn cấu trúc dạng cột nano” Mục đích nghiên cứu - Tổng hợp bán dẫn từ pha loãng Ge1-xMnxCδ cấu trúc dạng cột nano; - Khảo sát cấu trúc tính chất từ vật liệu - Nghiên cứu tính ổn định nhiệt vật liệu Nội dung nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng C lên cấu trúc tính chất từ cột nano GeMn; - Phân tích kết thực nghiệm với hàm lượng C khác để có kết hợp lý cho mục tiêu ổn định pha GeMn cấu trúc cột nanơ có TC cao Ngồi phần mở đầu, kết luận phụ lục, luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan bán dẫn pha lỗng từ nhóm IV Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận Phương pháp nghiên cứu  Các màng mỏng Ge1-xMnx tổng hợp phương pháp epitaxy chùm phân tử đế đơn tinh thể Ge(001) Kỹ thuật MBE thực môi trường chân không siêu cao (áp suất thấp 10-9 Torr), màng mọc lên từ đế đơn tinh thể với tốc độ thấp, có độ tinh khiết hồn hảo cao, có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc lớp đế Kỹ thuật nhiễu xạ điện tử phản xạ lượng cao (Reflection High- Energy Electron Diffraction - RHEED) sử dụng trình hình thành màng để kiểm sốt q trình mọc màng thơng qua phổ nhiễu xạ điện tử ghi trực tiếp Q trình cho phép kiểm sốt phát triển màng với độ xác tới lớp nguyên tử Với nhiều ưu điểm trội, kỹ thuật MBE sử dụng nhiều vật lý chất rắn, khoa học công nghệ vật liệu, đặc biệt công nghệ bán dẫn để chế tạo màng đơn tinh thể với chất lượng cao, với độ dày thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục nanomet Với phát triển công nghệ nano nay, MBE kỹ thuật chủ đạo để chế tạo vật liệu nano  Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electronic Microscopy - TEM) sử dụng để khảo sát cấu trúc vật liệu  Các tính chất từ vật liệu khảo hệ đo SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) 30 siêu dẫn tạo giao thoa Josephson Hiệu ứng chịu ảnh hưởng từ trường vùng lân cận, khả mà cho phép tiếp xúc Josephson sử dụng thiết bị đo từ trường yếu Các tín hiệu từ tính mẫu lấy thơng qua cuộn cảm siêu dẫn, cuộn dây nối với ăng-ten SQUID, nằm cách xa mẫu heli lỏng Thiết bị chuyển đổi từ thông sang điện áp, sau điện áp khuếch đại đọc từ kế điện tử Khi mẫu di chuyển lên xuống, tạo từ thơng xoay chiều cuộn dây cảm, dẫn đến điện áp xoay chiều đầu thiết bị SQUID Bằng cách đồng hóa tần số điện áp với tần số chuyển động, hệ thống từ kế đạt độ nhạy cao cho tín hiệu từ tính siêu nhỏ Các từ kế SQUID đạt tới độ nhạy tốt 10-9 emu từ trường T Khả đo theo nhiệt độ thực cách đưa vào buồng mẫu điều nhiệt không gian chứa cuộn cảm ứng Các thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID), cho phép thực phép đo từ tính từ 1,8 K đến 400 K, thường sử dụng để phát moment từ vô nhỏ với độ nhạy cao - vừa đủ nhỏ để đo từ trường sinh vật sống 31 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nghiên cứu gần cho thấy, pha tạp lượng nhỏ C, ngun tử C, chúng có bán kính ngun tử nhỏ, dễ dàng kết hợp vào vị trí trống mạng Mn5Ge3 làm giảm đáng kể khuếch tán nguyên tử Ge Mn.[6] Hợp chất Mn5Ge3Cx thu ổn định nhiệt lên tới 850 °C, so với 650 °C khơng pha tạp C Thêm vào đó, lý thuyết thực nghiệm chứng tỏ từ tính Mn5Ge3Cx tăng lên đáng kể tăng cường tương tác trao đổi cặp nguyên tử Mn lân cận với C vị trí trống [4,16] Nghiên cứu nhóm cho thấy, lắng đọng vài lớp C lên bề mặt màng Mn 5Ge3 ngăn chặn khuếch tán Mn Mn5Ge3 [20] Trong đó, theo kết nghiên cứu chế hình thành thành phần cấu tạo cột nanơ màng GeMn thì: Trong q trình tăng trưởng cột nanơ, ngun tử Mn chuyển dời dọc theo chiều tăng trưởng màng làm cho thành phần Mn cột nanô không đồng mà tăng dần phía bề mặt đạt nồng độ cao cỡ 40% ; Khi đạt đến nồng độ này, tiếp tục lắng đọng màng pha cột nanơ bị phá vỡ cấu trúc chuyển sang pha đám Mn5Ge3 Việc lựa chọn pha tạp C để ổn định pha cột nanô GeMn xuất phát từ kết Trong nghiên cứu trước nhóm, xác định điều kiện tổng hợp màng bán dẫn pha lỗng từ GeMn có cấu trúc dạng cột nano Để đảm bảo tái tổng hợp cột nano, luận văn này, màng GeMn tổng hợp nhiệt độ 130oC, nồng độ Mn khoảng 6% chiều dày màng cỡ 80 nm Kết khảo sát cấu trúc kính hiển vi điện tử truyền qua TEM kết đo phụ thuộc nhiệt độ độ từ hóa hình 3.1 cho thấy, tái tổng hợp màng GeMn cấu trúc dạng cột nanơ có TC> 400K 32 Hình 3.1 Ảnh TEM tổng quát (a) từ độ phụ thuộc nhiệt độ (b) màng Ge1-xMnx có độ dày 80 nm chế tạo nhiệt độ 130 °C x ~0.06 Để nghiên cứu ảnh hưởng C lên hình thành cột nanơ Ge1xMnx, màng Ge1-xMnxC tổng hợp hệ epitaxy chùm phân từ (MBE) trang bị đồng với thiết bị nhiễu xạ điện tử phản xạ lượng cao (RHEED) Ge Mn bốc bay từ ống chứa với tốc độ tương ứng 0.4 nm/phút Sự bốc bay C thực phương pháp thăng hoa tinh thể có độ tinh khiết cao với tốc độ 0.4 Ǻ/phút Các màng Ge1-xMnxC lắng đọng đế Ge(001) C pha tạp đồng thời với trình lắng đọng Ge Mn với hàm lượng khác nhau; Các tham số chế tạo (nhiệt độ đế, nồng độ Mn) giữ không đổi giống trình chế tạo màng GeMn cấu trúc cột nanô 3.1 Ảnh hưởng pha tạp C lên cấu trúc màng Ge1-xMnxCδ Để nghiên cứu ảnh hưởng C lên hình thành cột nanơ thơng qua quan sát hình ảnh RHEED, chúng tơi tiến hành thực loạt thí nghiệm Một số mẫu đầu cho pha tạp C bắt đầu lắng đọng màng Loạt mẫu sau, cho phát triển lớp màng GeMn (khơng có carbon) với độ dày định sau thêm carbon với nồng độ khác Sự thay đổi hình ảnh RHEED trình pha tạp C cung cấp cho thông tin để đánh giá nhanh chuyển biến hình thái bề mặt mẫu 33 Hình 3.2(a) biểu thị hình ảnh RHEED đặc trưng bề mặt màng GeMn cấu trúc dạng cột nanơ Hình ảnh quan sát giai đoạn đầu thí nghiệm chưa pha tạp C Khi đó, bề mặt mẫu thể hình thức tăng trưởng 2D có vài vị trí nhiễu xạ Bragg có cường độ mạnh sọc ½ trở nên mờ Khi bắt đầu pha tạp C, hình 3.2(b) cho thấy hình ảnh RHEED nhanh chóng chuyển sang hình thức tăng trưởng 3D, chứng tỏ độ gồ ghề bề mặt tăng lên Với nồng độ C cao cỡ 2% hình, quan sát thấy xuất đốm sáng thay sọc sáng hình 3.2(a) thể tính chất đa tinh thể màng Hình 3.2 Hình ảnh RHEED chụp dọc theo hướng [1-10] trình tăng trưởng Ge0.94Mn0.06 chưa pha tạp C (a) Ge0.94 Mn0.04 C0.02 (b) Để có nhìn rõ thay đổi màng pha tạp C, chúng tơi trình bày hình 3.3 hình ảnh TEM tổng quát ba mẫu với nồng độ C 0.02 0.01 Hình 3.3(a, b) tương ứng với mẫu lượng nhỏ C (δ = 0.02 0.01) pha tạp bắt đầu lắng đọng màng (ống chứa C mở đồng thời với ống chứa Ge Mn) Nó cho thấy rằng, C làm nhiễu loạn hình thành cột nanơ màng, chí khơng cịn quan sát thấy hình ảnh cột nanơ màng Ge0.94Mn0.04C0.02, màng có cấu trúc khơng xác định Khi giảm hàm lượng C xuống 0.01, màng thấy xuất số cấu trúc tinh thể dạng cột dài phía gần bề mặt màng xếp khơng có trật tự 34 Hình 3.3 Hình ảnh TEM tổng quát màng Ge0.94Mn0.04C0.02 (a) màng Ge0.94Mn0.05C0.01(b) Hình 3.4 biểu diễn kết TEM mẫu giảm lượng C xuống δ = 0.005 pha tạp vào màng sau lắng đọng 20nm Ge 0.94Mn0.04 Chúng ta thấy rằng, sau 20nm có cấu trúc dạng cột nanơ, màng có cấu trúc tinh thể cột nanơ tồn chúng có kích thước ngắn chiều dài to chiều ngang nằm khơng trật tự màng Hình ảnh TEM chụp chế độ phân giải cao mẫu hình 3.4(b) cho thấy, với cấu trúc cột nanô đám MnGeC Như vậy, kết phân tích từ TEM hồn tồn phù hợp với phân tích qua thay đổi RHEED Hình 3.4 : Ảnh TEM tổng quát (a) ảnh TEM độ phân giải cao màng Ge0.94Mn0.055C0.005 35 Tóm lại, phân tích từ TEM cho thấy việc pha tạp C làm giảm đáng kể hệ số khuyêch tán bề mặt, hai nguyên tố Ge Mn Chúng tơi làm thí nghiệm C pha tạp vào trình lắng đọng màng Ge lên đế Ge Với nhiệt độ tăng trưởng 130 oC, chưa pha tạp C, qua trình tăng trưởng thể RHEED layer – by – layer Ngay C pha tạp vào, hình ảnh RHEED chuyển sang tăng trưởng 3D Điều lý giải có giảm độ dài khuyêch tán Ge Chúng muốn nhấn mạnh rằng, với kết chưa thể phân tích chất thành phần đám hay cấu trúc bất trật tự Có thể nghiên cứu tiếp phải sử dụng đến việc phân tích mẫu kính hiển vi đâù dò nguyên tử dùng xung laser (ATP) để xác định thành phần chúng ma trận xung quanh đám 3.2 Ảnh hưởng pha tạp C lên tính chất từ màng Ge1-xMnxCδ Hình 3.5 biểu diễn độ từ hóa phụ thuộc nhiệt độ mẫu tăng hàm lượng C Để so sánh, chúng tơi đưa vào đường từ hóa theo nhiệt độ M(T) mẫu có cấu trúc cột nanơ Ge0.94Mn0.06 khơng có C Các phép đo từ thực hệ đo SQUID từ trường 0.5T đặt song song với bề mặt mẫu Bề dày tất màng gần Trước hết, nhận điều thú vị rằng, hình ảnh TEM hai mẫu 0.02 0.01 khơng quan sát thấy có xuất cột nanô trật tự sắt từ hai mẫu lại tồn đến nhiệt độ 400K Hơn nữa, so sánh với mẫu không chứa C hai mẫu chứa nồng độ C 0.02 0.01 có độ từ hóa tăng đáng kể theo chiều tăng nồng độ C 36 Hình 3.5 Đường từ hóa phụ thuộc nhiệt độ màng Ge0.92Mn0.04C0.02, Ge0.93Mn0.06C0.01, Ge0.935Mn0.06C0.005 Ge0.94Mn0.06, có độ dày ~ 80 nm đo từ trường 0.5 T đặt song song với bề mặt mẫu Tính chất từ mẫu chứa hàm lượng C thấp (0.005) đặc biệt không theo quy luật mẫu trước nên khó hiểu đặc tính Đường M(T) mẫu thể giảm đáng kể độ từ hóa xuống thấp nhiều so với mẫu khơng C TC giảm xuống khoảng 200K Điều lý giải cấu trúc chứa hai lớp khác : 20 nm cột nanơ 60 nm đám GeMnC Từ thấy rằng, cần phải thực thêm thí nghiệm cho màng lớp GeMnC với hàm lượng C thay đổi quanh giá trị 0.005 để phân tích xác kết Ngồi ra, phép đo xác định thành phần cần thực để xác định đươc chất đám GeMnC Do nhiệt độ hạn chế thiết bị đo SQUID tối đa 400k để khẳng định lần tồn trật tự sắt từ mẫu Ge0.94Mn0.05C0.01, thực phép đo độ từ hóa phụ thuộc từ trường mẫu nhiệt độ 400K 37 thể hình 3.6 Kết cho thấy, nhiệt độ 400K mẫu thể đường cong từ trễ FM So sánh với kết đo từ độ ref 29 30, pha từ gán cho đám Mn5Ge3C Như vậy, từ kết phép đo từ cho thấy màng tồn đám GeMnC ta tạm thời gán cho chúng đám Mn5Ge3C Kết hoàn toàn phù hợp với dấu hiệu 3D xuất hình ảnh RHEED hay hình ảnh đám kết chụp TEM Hình 3.6 : Đường cong từ trễ màng Ge0.94Mn0.05C0.01 đo 400K với từ trường đặt song song với bề mặt mẫu Những nỗ lực để nghiên cứu tính ổn định nhiệt màng pha tạp carbon GeMnC thực Hình 3.7 biểu diễn thay đổi đường từ hóa phụ thuộc nhiệt độ mẫu Ge0.94Mn0.05C0.01 sau ủ nhiệt nhiệt độ 450 650 oC vịng 20 phút Có thể thấy rằng, sau ủ nhiệt, độ từ hóa nhiệt độ Curie mẫu giảm Nhiêt độ chuyển pha TC hai mẫu giảm xuống khoảng 300K Rất thú vị hình dạng dường cong từ hóa MS(T) thu sau ủ nhiệt giống với đường cong từ hóa mẫu Mn5Ge3 Điều hoan tồn hợp lý để gán cho pha pha từ đám Mn5Ge3 xuất màng 38 Để hiểu chuyển hóa này, nhớ lại hệ Ge1-xMnx, cấu trúc đám Mn5Ge3 pha ổn định nhất, cột nanô pha ổn định nhiệt, chúng chuyển sang dạng đám Mn5Ge3 ủ nhiệt khoảng 450 °C Sự giảm nhiệt độ chuyển pha TC lý giải việc nguyên tử C giải phóng khỏi đám Mn5Ge3C ủ nhiệt Như vậy, kết luận rằng, sau ủ nhiệt nhiệt độ 450 6500C, cột nanô đám Mn5Ge3C chuyển thành dạng Mn5Ge3, màng Ge0.94Mn0.06C lúc thể tính chất từ Mn5Ge3 quan sát Hình 3.7 Đường từ hóa phụ thuộc nhiệt độ màng Ge0.93Mn0.06C0.01, có độ dày ~ 80 nm sau ủ nhiệt 450 650 o C 20 phút, đo từ trường 0.5 T đặt song song với bề mặt mẫu Tóm lại, chúng tơi cố gắng sử dụng việc đồng pha tạp C để ổn định pha cột nano màng GeMn thấy C làm thay đổi kiểu tăng trưởng màng, đặc biệt làm giảm hệ số tán xạ Mn Ge Điều thú vị pha tạp C, đám khơng có trật tự GeMn hình thành thay 39 cột dạng cột GeMn Tuy nhiên, màng thể tinh sắt từ với nhiệt độ Curie cao Liên quan đến ảnh hưởng việc ủ nhiệt, khơng đủ thời gian thiết bị khảo sát tính chất, kết thu chưa đầy đủ hệ thống để hiểu ảnh hưởng sâu xa C lên cột nanô Cần phải chế tạo thêm nhiều mẫu với nồng độ C khác thực thêm nhiều phép phân tích cấu trúc, phân tích thành phần thang nanơ, phân tích từ tính màng để hiểu chất, vai trị C q trình kết hợp vào màng trình ủ nhiệt màng GeMnC 40 KẾT LUẬN Trong thời gian thực đề tài, chúng tơi thu số kết sau: - Chúng khảo sát thành công số màng GeMnC, nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ tính ổn định nhiệt chúng - Những phân tích cấu trúc màng cho thấy việc pha tạp C làm giảm đáng kể hệ số khuyếch tán bề mặt, hai nguyên tố Ge Mn; - So sánh với mẫu không chứa C hai mẫu chứa nồng độ C 0.02 0.01 có độ từ hóa tăng đáng kể theo chiều tăng nồng độ C; - Sau ủ nhiệt nhiệt độ 450 650 oC, cột nanô đám Mn5Ge3C chuyển thành dạng Mn5Ge3, màng Ge0.94Mn0.06C lúc thể tính chất từ Mn5Ge3 ; - Cần phải thực thêm nhiều thí nghiệm cách hệ thống với việc thay đổi hàm lượng C để hiểu vai trị C q trình kết hợp vào màng trình ủ nhiệt màng GeMnC 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Le Thi Giang, Nguyen Manh An (2014), “Segregation of Manganese Atoms during the Growth of Ge1-xMnx Nanocolumns on Ge (001)”, VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, Vol 30, No 2 Le Thi Giang, Nguyen Manh An, “New insight into the kinetic formation of high-TC GeMn nanocolumns”, Tạp chí Khoa học Công nghệ 52 (3B), 30-37 ISSN 0866-708x A P Li, J Shen, J R Thompson, and H H Weitering (2005), “Ferromagnetic percolation in MnxGe1-x dilute magnetic semiconductor”, Appl Phys Lett 86, 152507 A Spiesser, I Slipukhina, M-T Dau, E Arras, V Le Thanh, L Michez, P Pochet, H Saito, S Yuasa, M Jamet, and J Derrien, “Control of magnetic properties of epitaxial Mn5Ge3Cx films induced by carbon doping”Phys Rev B 84, 165203 (2011) A Spiesser, S.F Olive-Mendez, M.-T Dau, L.A Michez, A Watanabe, V Le Thanh, A Glachant, J Derrien, A Barski, M Jamet (2010), Thin Solid Films, 518, S113 A Spiesser, V Le Thanh, S Bertaina, and L A Michez (2011), “Thermal stability of epitaxial Mn5Ge3 and carbon-doped Mn5Ge3 films”App Phys Lett 99, 121904 A.P Li, J.F Wendelken, J Shen, L.C Feldman, J.R Thompson, H.H Weitering (2005), “Magnetism in Ge1–x Mnx semiconductors mediated by impurity band carriers”, Phys Rev B 72, 195205 C Bihler, C Jaeger, T Vallaitis, M Gjukic, M S Brandt, E Pippel, J Woltersdorf, and U Gösele (2006), “Structural and magnetic properties of Mn5Ge3 clusters in a diluted magnetic germanium matrix”, Appl Phys Lett 88, 112506 D Bougeard, S Ahlers, A Trampert, N Sircar, G Abstreiter (2006), 42 “Clustering in a Precipitate-Free GeMn Magnetic Semiconductor”, Phys Rev Lett 97, 237202 10 D Bougeard, S Ahlers, A Trampert, N Sircar, G Abstreiter (2006), “Clustering in a Precipitate-Free GeMn Magnetic Semiconductor”, Phys Rev Lett 97, 237202 11 F Matsukura, H Ohno, A Shen, Y Sugawara (1998), “Transport properties and origin of ferromagnetism in (Ga,Mn)As”, Phys Rev B 57, R2037 12 F Tsui, L He, L Ma, A Tkachuk, Y S Chu, K Nakajima, and T Chikyow (2003), “Novel Germanium-Based Magnetic Semiconductors”, Phys Rev Lett 91, 177203 13 F.M Zhang, X.C Liu, J Gao, X.S Wu, Y.W Du, H Zhu, J.Q Xiao, P Chen (2004), “Investigation on the magnetic and electrical properties of crystalline Mn0.05Si0.95 films” Appl Phys Lett 85, 786 14 H H Woodbury & W W Tyler (1955), “Properties of germanium doped with manganese.” Phys Rev 100, 659 15 H Ohno, D Chiba, F Matsukura, T Omiya, E Abe, T Dietl, Y Ohno, and K Ohtani (2000), “Electric-field control of ferromagnetism”, Nature 408, 944 16 I Slipukhina, E Arras, Ph Mavropoulos, and P Pochet (2009), “Simulation of the enhanced Curie temperature in Mn5Ge3Cx compounds” Appl Phys Lett 94, 192505 17 J K Furdyna, “Diluted magnetic semiconductors”, J Appl Phys 64, R29 (1988) 18 L Morresi, J Ayoub, N Pinto, M Ficcadenti, R Murri, A Ronda, and I Berbezier (2006), “Formation of Mn5Ge3 nanoclusters in highly diluted MnxGe1-x alloys”, Mater Sci Semicond Process 9, 836 19 M Jamet, A Barski, T Devillers, V Poydenot, R Dujardin, P BayleGuillemaud, J Rothman, E Bellet-Amalric, A Marty, J Cibert, R Mattana, S Tatarenko (2006), “High-Curie-temperature ferromagnetism in self-organized Ge1−xMnx nanocolumns”, Nat Mater 5, 653 43 20 Minh -Tuan Dau, V Le Thanh, Thi -Giang Le, A Spiesser, M Petit, L A Michez and R Daineche (2011), “Mn segregation in Ge/Mn5Ge3 heterostructures: The role of surface carbon adsorption” Appl Phys Lett 99, 151908 21 Minh Tuan Dau, Vinh Le Thanh, Thi Giang Le, A Spiesser, M Petit, L A Michez, T-H Ngo, D L Vu, Q L Nguyen, P Sebban (2012), Suppression of Mn segregation in Ge/Mn5Ge3 heterostructures induced by interstitial carbon, Thin Solid Films, Volume 520, 3410 22 N Pinto, L Morresi, M Ficcadenti, R Murri, F D’Orazio, F Lucari, L Boarino, and G Amato (2005), “Magnetic and electronic transport percolation in epitaxial Ge1–xMnx films”, Phys Rev B 72, 165203 23 P D Padova, J.-P Ayoub, I Berbezier, P Perfetti, C Quaresima, A M Testa, D Fiorani, B Olivieri, J.-M Mariot, A Taleb-Ibrahimi, M C Richter, O Heckmann, K ricovini (2008), “Mn0.06Ge0.94 diluted magnetic semiconductor epitaxially grown on Ge(001): Influence of Mn5Ge3 nanoscopic clusters on the electronic and magnetic properties” Phys Rev B 77, 045203 24 S Cho, S Choi, S.C Hong, Y Kim, J.B Ketterson, B.-J Kim, Y.C Kim, J.-H Jung, “Ferromagnetism in Mn-doped Ge”, Phys Rev B 66, 033303 (2002) 25 S Datta, B Das (1990) “Electronic analog of the electrooptic modulator” Appl Phys Lett 56, 665 26 T B Massalski (1990) “Binary Alloy Phase Diagram” vol.2, (American Society of Metals, OH 27 T Devillers, M Jamet, A Barski, V Poydenot, P Bayle-Guillemaud, E Bellet-Amalric, S Cherifi, J Cibert (2007), “Structure and magnetism of self-organized Ge1–x Mnx nanocolumns on Ge(001)”, Phys Rev B 76, 205306 28 T Jungwirth, K.Y.Wang, J Masek, K.W Edmonds, J Konig, J Sinova, 44 M Polini, N.A Goncharuk, A.H MacDonald, M Sawicki, A.W Rushforth, R.P Campion, L.X Zhao, C.T Foxon, B.L Gallagher (2005), “Prospects for high temperature ferromagnetism in (Ga,Mn)As semiconductors”, Phys Rev B 72, 165204 29 Thi Giang Le, D.N.H Nam, Minh Tuan Dau, V Le thanh, D N H NAM, M Petit, L.A Michez, N.V Khiem and M.A Nguyen (2012), “Growth competition between semiconducting Ge1-xMnx nanocolumns and metallic Mn5Ge3 clusters” Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 3, 025007 30 Y D Park, A T Hanbicki, S C Erwin, C S Hellberg, J M Sullivan, J E Mattson, T F Ambrose, A Wilson, G Spanos, and B T Jonker (2002), “A group-IV ferromagnetic semiconductor: MnxGe1-x” Science 295, 651 31 Y Tawara and K Sato (1963), “On the Magnetic Anisotropy of Single Crystal of Mn5Ge3”, J Phys Soc Jpn 18, 773