Đo đặc trưng phổ tổng trở CIS 36 Trang 4 MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực điện tử học bỏn dẫn, cỏc cấu trỳc kiểu tụ điện cú rào thế kộp, cỏc đi-ốt xuyờn ngầm cộng hưởng cú cấu trỳc rào thế kộp ha
TỔNG QUAN 6
Giới thiệu chung 6
Công nghệ thông tin hiện đại dựa vào vật liệu bán dẫn và từ tính, với quá trình thu nhận và xử lý thông tin nhờ vào thuộc tính điện tích của điện tử trong transistor và mạch tích hợp Việc lưu trữ thông tin sử dụng thuộc tính spin của điện tử trong các đĩa có mật độ cao, cho thấy rằng điện tích và spin đã được nghiên cứu riêng lẻ trong các linh kiện khác nhau Công nghệ điện tử bán dẫn đang dần được thay thế bởi kỹ thuật điện tử spin, cho phép sử dụng đồng thời cả hai thuộc tính của điện tử trong cùng một linh kiện, từ đó tạo ra các hiện tượng vật lý mới Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, nỗ lực tìm kiếm các đối tượng mới thay thế cho điện tử truyền thống đã gia tăng, đặc biệt là sau khi phát hiện hiện tượng từ điện trở khổng lồ (GMR) trong các màng mỏng từ, mở ra hướng nghiên cứu mới tập trung vào spin của điện tử Việc điều khiển spin bằng từ trường kết hợp với điện trường hứa hẹn sẽ mang đến một kỷ nguyên mới cho điện tử học, vốn đang đối mặt với nhiều thách thức.
Hình 1.3 Các “nút” công nghệ logic và độ dài của cổng Transistor theo dòng thời gian [19]
Đến năm 1995, lĩnh vực điện tử học từ (Magnetoelectronics) đã được hình thành trong điện tử học truyền thống, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều cấu trúc và vật liệu mới có khả năng khai thác và điều khiển spin Những phát minh này bao gồm cấu trúc van spin, hiệu ứng GMR trong các cấu trúc từ dạng hạt, cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ) với hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (TMR), hiệu ứng từ điện trở xung kích (BMR), và hiệu ứng GMR của sợi carbon nano.
Nhiều vật liệu mới cho spintronics đang được nghiên cứu nhằm tăng cường hiệu suất vận chuyển spin và khả năng tích tụ, phun spin, cũng như cải thiện chiều dài khuyếch tán và thời gian hồi phục spin Các cấu trúc tiếp xúc dị thể sắt từ bán dẫn và hiệu ứng từ điện trở siêu - khổng lồ (CMR) đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các linh kiện spintronics.
Các thiết bị điện tử thế hệ mới sở hữu tính tổ hợp cao với sự kết hợp của điện tử học, từ học và quang tử Chúng đa chức năng, thông minh, nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng nhưng vẫn đạt hiệu suất cao Ngoài ra, khả năng xử lý thông tin với tốc độ rất nhanh và tính năng kết nối internet, liên lạc không dây cùng điều khiển từ xa là những đặc điểm nổi bật Những chức năng này chỉ có thể được tìm thấy trong các cấu trúc nano.
Cấu trúc nano từ tính có kích thước từ vài nguyên tử đến một micromet, thể hiện nhiều hiện tượng vật lý thú vị Những cấu trúc này không chỉ đã được ứng dụng mà còn có tiềm năng ứng dụng lớn trong tương lai.
Các vật liệu cấu trúc dị thể hoặc nano dạng hạt bao gồm các hạt nano ba chiều trên nền vật liệu vô định hình Trong cấu trúc này, từ tính có thể xuất hiện trên một hoặc cả hai pha Đây là đặc trưng của các vật liệu từ mềm và từ cứng có cấu trúc nano, như các vật liệu với hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ như Fe/Cu và Co/Ag.
Các cấu trúc nano một chiều được sử dụng trong bốn loại màng mỏng đa lớp, bao gồm vanspin (spin valve), công tắc spin (spin switches) và tiếp xúc xuyên ngầm (spin-tunnel junction) Những cấu trúc này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng spintronics, giúp cải thiện hiệu suất và tính năng của thiết bị điện tử.
Hiện nay, các cấu trúc MTJ đang được ứng dụng trong linh kiện spintronic như bộ nhớ MRAM và cảm biến từ trường Các màng mỏng điện môi như Al2O3, MgO, GeO đóng vai trò quan trọng là hàng rào điện môi trong các cấu trúc MTJ Tính chất vật lý của những vật liệu này ảnh hưởng lớn đến chất lượng cấu trúc MTJ, quyết định hiệu suất xuyên ngầm phụ thuộc spin của điện tử qua cấu trúc.
Trong vài thập kỷ qua, nhiều hiện tượng vật lý mới trong vật liệu và hệ từ tính đã được phát hiện, nổi bật là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance - GMR) được phát minh vào năm 1988 bởi các nhà vật lý Pháp và Đức Phát minh này mở ra khả năng phát triển linh kiện điện tử dựa trên cơ chế vật lý mới, đặc biệt là sử dụng tham số lượng tử spin của điện tử Kết quả nghiên cứu về GMR đã dự báo cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư dựa trên kỹ thuật điện tử spin vào đầu thế kỷ 21 Với tầm quan trọng của phát minh này, Albert Fert và Peter Grunberg đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 2007.
Năm 1975, Julliere đã phát hiện và công bố hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling Magneto Resistance - TMR) khi nghiên cứu hệ vật liệu ba lớp gồm lớp oxit vô định hình α-Ge2O cách điện nằm giữa hai lớp kim loại từ Fe và Co: Fe/α-Ge2O/Co Ông đã đưa ra mô hình cho các tiếp xúc xuyên hầm từ FM/I/FM, trong đó dòng điện đường ngầm trong mỗi kênh spin tỉ lệ với tích số của mật độ trạng thái đường ngầm hiệu dụng ở mức Fermi của hai điện cực kim loại Đối với tiếp xúc Fe/α-Ge2O/Co, Julliere quan sát được sự thay đổi độ dẫn (G) là 14% khi không đặt thế giữa hai điện cực ở nhiệt độ 4,2K, trong khi giá trị mong đợi từ mô hình của ông tính toán theo công thức (1.1) là 26% với độ phân cực PCo4%.
Hiệu ứng này giảm nhanh xuống còn 2% khi có điện thế một chiều 6mV được áp dụng Sự suy giảm nhanh chóng này được cho là do hiện tượng tán xạ spin xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa kim loại sắt từ và bán dẫn.
Sau khi Julliere phát minh ra hiệu ứng xuyên ngầm, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành thí nghiệm để khám phá hiện tượng này Năm 1982, Maekawa và Gafvert đã đạt được tỉ số TMR khoảng 3% ở 4,2K với cấu trúc Ni/NiO/Co, nhưng hiệu ứng này giảm nhanh khi nhiệt độ tăng, với tỉ số TMR ở 77K thấp hơn nhiều so với 4,2K Một số nhóm khác cũng quan sát thấy hiệu ứng TMR trên các cấu trúc với lớp cách điện như NiO, CoO, GdxO và Al2O3, nhưng tỉ số TMR không vượt quá 7% ở 4,2K và chỉ đạt khoảng 1% ở nhiệt độ phòng Đến năm 1995, các nhà khoa học đã đạt được thành công đáng kể với tỉ số TMR 10% ở nhiệt độ phòng trên cấu trúc Fe/Al-O/CoFe, từ đó tỉ số TMR bắt đầu tăng mạnh so với GMR, đạt 70% vào năm 2000 Việc thay thế lớp điện môi Al2O3 bằng MgO đã giúp nâng tỉ số TMR lên khoảng 270% ở nhiệt độ phòng Đặc biệt, vào năm 2007, các nhà khoa học tại Đại học Tohoku (Nhật Bản) đã thiết lập kỉ lục tỉ số TMR đạt 500% ở nhiệt độ phòng và 1010% ở 5K.
Vào đầu những năm 70, nhóm tác giả Gittleman đã phát hiện ra hiệu ứng tương tự, mặc dù nhỏ, trong hệ màng hạt Ni – Si O và Co.
Si được chế tạo thông qua phương pháp phún xạ, và sự xuyên ngầm phụ thuộc spin có thể là nguyên nhân dẫn đến kết quả này Mặc dù vậy, quan điểm chung trong thời kỳ này cho rằng sự xuyên ngầm phụ thuộc spin chỉ xảy ra trong hệ màng dạng hạt nền kim loại.
Hiệu ứng xuyên ngầm lượng tử 14
Trong cơ học lượng tử, khái niệm “trạng thái” rất quan trọng, vì nó chứa đựng toàn bộ thông tin về hệ thống động học mà chúng ta quan tâm Hàm sóng, thường được gọi là hàm trạng thái, cung cấp thông tin về sự phân bố mômen, năng lượng của hệ, cũng như mật độ có thể có của các phân tử trong hệ.
Khi một hạt có khả năng thâm nhập vào bức tường thế năng, điều này cho thấy hạt có thể xuyên qua hàng rào năng lượng, một hiện tượng được gọi là “hiệu ứng xuyên ngầm” Hàm sóng của hạt tự do có thể được biểu diễn bằng công thức ψ1(x, t) = Aei(px - Et)/ħ, trong đó A là hằng số, cho thấy sóng di chuyển theo chiều trục x với năng lượng E Ngoài ra, hàm sóng thứ hai được mô tả là ψ2(x, t) = Bei(-px - Et)/ħ, với B cũng là hằng số.
Sóng chạy về bên trái mang năng lượng tương tự, và khi một hạt có năng lượng E từ bên trái va chạm với hàng rào thế năng, nếu năng lượng E thấp hơn đỉnh hàng rào, theo cơ học cổ điển, hạt sẽ bị phản xạ hoàn toàn Tuy nhiên, trong cơ học lượng tử, một số hạt có thể bị phản xạ, trong khi một số khác sẽ thâm nhập vào hàng rào thế năng và vượt qua phía bên phải, tiếp tục di chuyển ra xa Hiện tượng này được gọi là sự xuyên ngầm.
Cấu trúc của hệ tiếp xúc xuyên hầm điển hình F1/I/F2 bao gồm một lớp màng cách điện I được kẹp giữa hai lớp màng điện cực kim loại F1 và F2 Khi áp dụng hiệu điện thế V lên hai điện cực, sự chênh lệch mức năng lượng ở mức Fermi xuất hiện, tạo điều kiện cho dòng điện tử xuyên ngầm qua cấu trúc.
Hình 1.4 Giản đồ năng lượng cho sự xuyên ngầm của điện tử qua lớp rào thế giữa hai kim loại
Khi đó mật độ dòng xuyên ngầm được xác định bởi:
J≈exp [ − 2 a ( 2 m φ / 2 ) ] (1.4) trong đó m là khối lượng điện tử, a là độ rộng của rào thế.
Các cấu trúc từ 16
Sự truyền qua chủ yếu giữa hai điện cực có thể được chia thành hai loại (hình 1.3) như sau:
Khi khoảng cách giữa các điện cực vượt quá vài angstrom (Å), các điện tử di chuyển giữa các điện cực thông qua hiện tượng xuyên ngầm Có thể khẳng định rằng bất kỳ điện tử nào xuyên qua rào cản với độ cao V và chiều dài l đều có thể được mô tả bởi các yếu tố này.
Hằng số T 2 2 exp (1.5) biểu thị tính thống nhất trật tự, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng của rào chắn và hàm sóng điện tử Rào chắn có thể được coi là chân.
EF eV không được hình thành giữa hai điện cực khi có độ cao rào thế do hàm của các điện cực Rào chắn được tạo ra bởi lớp điện môi đặt giữa hai điện cực, và độ cao rào thế phụ thuộc vào vị trí của các đỉnh khe của vật liệu điện môi so với mức Fermi của các điện cực.
Hình 1.5 a) cấu trúc xuyên ngầm, b) cấu trúc tiếp xúc
Sự xuyên ngầm phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực trong cấu trúc lớn, nơi dòng điện xuất hiện do tác động xuyên ngầm tại các điểm lồi trên bề mặt Sự thay đổi chỉ vài angstrom có thể làm biến đổi đáng kể xác suất xuyên ngầm Độ dẫn điện tại mọi điểm được xác định bởi các yếu tố này.
Loại thứ hai của hai điện cực có thể là các tiếp xúc điểm, trong đó độ dẫn của mỗi tiếp xúc được xác định bởi gấp e 2 /h lần số dải sóng điện tử Số này được biểu diễn qua tiết diện của tiếp xúc theo đơn vị k F − 2, với kF là véc tơ sóng Fermi.
≈ (1.7) Ở đây A là diện tích của cấu trúc
Các thảo luận trước đây đã không xem xét độ của các điện cực Khi số lượng điện tử spin phân cực không bằng nhau, cần xác định sự phụ thuộc của spin vào độ dẫn tại từng điểm mà điện tử di chuyển giữa các điện cực Biểu thức xác định này được điều khiển bởi mật độ trạng thái của từng loại điện tử Khi áp dụng thế hiệu dịch, các điện tử từ dải dẫn đến từ đỉnh mức và V có khoảng cách eV so với năng lượng Fermi, EF Do đó, để hiểu sự truyền qua tại thế hiệu dịch, chúng ta cần biết mật độ trạng thái tại mức Fermi, D ↑ (E F).
D ↓ Biên độ xuyên ngầm có thể phụ thuộc vào các hàm sóng điện tử trong hệ từ, sẽ là spin phụ thuộc
Trường điện từ có khả năng thay đổi độ phân cực của các điện cực, dẫn đến sự biến đổi mật độ trạng thái Cụ thể, từ trường nhỏ có thể làm thay đổi năng lượng của hàng rào tại các bề mặt Trong nhiều trường hợp, chúng ta chỉ cần tập trung vào sự thay đổi các tính chất truyền qua do trường gây ra, chẳng hạn như điện trở của cấu trúc Vì vậy, việc xem xét chi tiết hàng rào là không cần thiết, mà có thể mô tả năng lượng phụ thuộc vào hệ số truyền qua.
Lập luận gần đúng cho phép chúng ta đơn giản hóa cấu trúc bằng cách bỏ qua hướng liên kết giữa các điện cực Khi khoảng cách giữa các nguyên tử trong các điện cực khác nhau tăng lên, liên kết trao đổi giữa chúng sẽ giảm Điều này dẫn đến việc định hướng từ độ trong mỗi điện cực chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác Do đó, mối liên hệ giữa định hướng từ độ của hai điện cực có thể thay đổi linh hoạt và nhận mọi giá trị.
Dưới tác động của từ trường, sự thăng giáng từ độ của mỗi điện cực sẽ bị triệt tiêu, dẫn đến việc cần tính toán từ điện trở của cấu trúc Để có được kết quả chính xác, chúng ta cần so sánh với độ dẫn khi từ độ của các điện cực có định hướng ngẫu nhiên, lúc này các từ độ sẽ thẳng hàng.
Chúng ta giả thiết thêm rằng:
(1.8) ở đó, N ↑ và N ↓ là số điện tử với spin up và spin down Do đó, trong các trạng thái không phân cực, chúng ta được:
Với chỉ số L và R là chữ viết tắt của điện cực trái và phải, NL và NR là tổng số các điện tử
Mặt khác, trong trường hợp phân cực ta có:
Do đó, chúng ta có:
Do đó, từ điện trở tỷ lệ với độ phân cực của các điện cực
Một lý thuyết thực tế hơn đã chỉ ra, ít ra, bao gồm thêm hai ảnh hưởng:
- Mật độ trạng thái tại mức Fermi không cần phải tỷ lệ với độ phân cực tổng cộng
Các hàm sóng của điện tử sơ cấp và thứ cấp gần hàng rào không cần phải giống nhau Hệ số truyền qua sẽ phụ thuộc vào spin, và sự phụ thuộc này cũng có ảnh hưởng đến từ điện trở.
Cả hai ảnh hưởng đầu tiên đã giải thích việc sử dụng mô tả sóng phẳng của các hàm sóng điện tử Tuy nhiên, nhiều vật liệu từ, đặc biệt là các nguyên tố chuyển tiếp, yêu cầu mô tả phức tạp hơn Trong trường hợp hợp kim Fe, độ phân cực của mật độ trạng thái tại mặt Fermi có thể ngược lại với độ phân cực tổng cộng Gần bề mặt, các điện tử s không định xứ đóng vai trò chính trong quá trình truyền qua, và cấu trúc từ điện trở chủ yếu được xác định bởi độ phân cực của các điện tử s, trong khi độ phân cực chủ yếu khác nhau bởi quỹ đạo d Các quỹ đạo của các điện cực từ có thể liên kết với các nguyên tử trong hàng rào điện môi, dẫn đến việc từ điện trở ít phụ thuộc vào các tính chất chủ yếu của các điện cực Sự tồn tại của trạng thái bề mặt có thể biến đổi mật độ trạng thái, và các trạng thái này sẽ bị phân cực chủ yếu bởi từ độ, dẫn tới sự cộng hưởng của từ điện trở là hàm của thế hiệu dịch.
Chúng tôi phân tích rào chắn Coulomb (CB) trong các cấu trúc xuyên ngầm kép, cho thấy rằng từ trường làm giảm điện trở xuyên ngầm, dẫn đến sự giảm bền của CB do thăng giáng lượng tử năng lượng Sự xuất hiện của từ trường gây ra sự đánh thủng đột ngột của CB với E C / k B T và R T (0) / R q Quá trình xuyên ngầm bậc cao làm thay đổi thông số xuyên ngầm R q / R T (H) theo độ lớn của từ trường ngoài Lý thuyết về hiệu ứng chắn Coulomb trong cấu trúc xuyên ngầm từ đơn đã chứng minh rằng sự tăng tỷ số thay đổi từ điện trở là do không tuyến tính trong đặc trưng I-V trong khe hẹp Coulomb, giải thích bởi sự đánh thủng đột ngột của CB Trong lý thuyết này, ảnh hưởng của trường điện từ đã bị loại bỏ, tuy nhiên, trường điện từ vẫn là yếu tố quan trọng trong hiện tượng chắn Coulomb, ảnh hưởng đến trạng thái điện tích của các đảo và đặc trưng I-V.
Công thức Keldysh được áp dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của sự xuyên ngầm bậc cao, trong đó có hai đóng góp chính Đầu tiên, giá trị tuyệt đối của tỷ lệ thức yếu tố ma trận xuyên ngầm được xem xét, cụ thể là ( ' ) 2 α.
T kk và thứ hai là tỷ lệ thức tổ hợp như ( ' ) ( " )* α α kk kk T
T Khi đó, dòng xuyên ngầm qua cấu trúc α được biểu diễn như sau:
(1.12) c α = 1 ( − 1 ) với α = L (R ) ở đây, ξ k (α σ ) và n F ( ξ k (α σ ) ) tương ứng là năng lượng của electron với spin σở điện cực αvà hàm phân bố Fermi
Hàm Green của đảo điện tích:
Hàm tương ứng về sự biến đổi pha ϕ α ≡ c α κ α ϕ − ψ ( κ α ≡ C / C α ) với điện tích Q α trên cấu trúc α được định nghĩa như sau:
F (1.16) các hàm pha tương ứng với trường điện từ và các trạng thái điện tích của đảo [5,6]
Dễ dàng thử lại, I α tự động thỏa mãn với điều kiện liên tục của dòng, IL IR = I Đường sóng tương ứng với F α λλ ' là tổng hợp của hai đường, không có sự tối giản của R R q ( ) T α, trái ngược với sự xuyên ngầm thông thường Một số véc tơ sóng phụ thuộc vào năng lượng riêng, trong khi một số khác thì không, ngay cả khi vecto sóng phụ thuộc vào T kk ( ) α ' đã bị bỏ qua Sự đóng góp của ( R R q T ( ) 2 α ) được duy trì, và đặc trưng I V được tính toán Biến dạng của bước nhảy Coulomb đã được quan sát do ảnh hưởng của xuyên ngầm bậc cao Chúng ta đánh giá ảnh hưởng của từ điện trở, R eff ( ) H − 1 ≡ dI H V ( , ) / dV V = 0, trong phương trình (1): R T ( ) α → R ( ) T α ( ) H và quan sát giá trị R T ( ) α ( ) H Trong trường hợp này, sự tăng của R eff ( ), H ∆ R eff ( ) [R (0) - R (H)]/R ( ) H ≡ eff eff eff H là không quan trọng so với các kết quả thu được ở các cách tiếp cận trước Vecto sóng phụ thuộc vào năng lượng riêng được xử lý rất cẩn thận.
Phương pháp phổ trở kháng phức sử dụng kỹ thuật điện xoay chiều (AC) đã được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu các tính chất điện – vật lý của hệ vật liệu Phương pháp này chủ yếu tập trung vào việc so sánh trở kháng và hệ số điện môi phức để đánh giá các đặc tính của vật liệu.
Trở kháng điện Z ( ω )được xác định như là tỷ số của điện áp hình sin t e i
U ( ω ) = 0 ω đặt lên hệ điện và dòng xoay chiều thu được I ( ω ) = I 0 e i ( ω t + φ )
Z là một số phức, có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ cực bởi biên độ /Z/ và góc pha φ, hoặc trong tọa độ đề các: Z (ω) = Re Z + i Im Z
Trong đó, Re Z và Im Z là phần thực và phần ảo của trở kháng Z ( ω ) Sự liên hệ giữa các đại lượng này được biểu diễn: φ φ φ sin / / Im , cos / / Re
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 29
Chế tạo màng dạng cấu trúc FM/I/FM/I/FM 29
2.1.1.1 Làm sạch bia và đế
Bia Al2O3, Co được làm sạch sơ bộ bằng dung môi Aceton, giúp loại bỏ các tạp kim loại khó tẩy trên bề mặt Quá trình làm sạch này bao gồm việc ngâm trong một hỗn hợp đặc biệt để đạt hiệu quả tối ưu.
K2Cr2O7 và H2SO4 được làm sạch bằng cách bắn phá bề mặt bằng chùm ion Ar trong môi trường chân không Đế được sử dụng trong quá trình này là
Kích thước của si là 10x10 mm² và có độ dày khoảng 1 mm Trước khi sử dụng, đế cần được làm sạch sơ bộ bằng cách ngâm trong dung dịch Aceton và sử dụng rung siêu âm trong khoảng 1 giờ.
Bia Co, Al2O3 được lắp đặt trên hai catot riêng biệt, với hai chỗ gá lắp đế mẫu trên cùng một mâm tròn có thể xoay, đối diện với catot Khoảng cách giữa bề mặt bia và bề mặt đế mẫu được duy trì là 8cm, trong khi đường kính tối đa của bia có thể lắp lên catot là 100mm, tương ứng với kích thước của giá đỡ Khí trơ sử dụng để phóng điện tạo plasma là Ar công nghiệp, và lưu lượng khí Ar vào buồng chân không được điều chỉnh bằng van vi chỉnh, cho phép kiểm soát áp suất trong buồng với độ chính xác lên đến 10 -4 Torr.
2.1.2 Phún xạ tạo màng và xử lý nhiệt
Phương pháp phún xạ dựa trên hiện tượng va chạm giữa các hạt năng lượng cao và nguyên tử của chất rắn, làm bật nguyên tử ra khỏi bề mặt Để phún xạ hiệu quả, kích thước của các hạt tới cần phải cỡ nguyên tử; chẳng hạn, hạt điện tử quá nhỏ để tạo đủ xung lượng, trong khi chùm phân tử lại quá lớn để phún xạ từng nguyên tử riêng lẻ Do đó, ion của nguyên tử khí trơ là lựa chọn lý tưởng cho hạt bắn phá, với năng lượng tiêu biểu trong một khoảng nhất định.
Trong quá trình lắng đọng màng mỏng, các nguyên tử phún xạ từ bia có năng lượng trung bình từ 10 đến 40 eV, trong khi năng lượng liên kết của các nguyên tử bề mặt chất rắn chỉ vào khoảng 2 đến 10 eV Điều này cho thấy rằng quá trình này diễn ra với năng lượng cao, đặc biệt khi so sánh với năng lượng bay hơi nhiệt chỉ khoảng 0.2 đến 0.3 eV, hay năng lượng ion hóa của nguyên tử Ar là 15,76 eV Ngoài ra, bức xạ cực tím từ plasma Ar có năng lượng khoảng 12 eV, trong khi bức xạ nhìn thấy có năng lượng khoảng 2 eV.
Nguyên tử bia có năng lượng cao, khi lắng đọng trên đế sẽ di chuyển để tìm vị trí cân bằng, từ đó hình thành màng mỏng với cấu trúc tinh thể tốt và độ bằng phẳng cao Việc này thuận lợi cho việc chế tạo màng dị thể với cấu trúc dạng hạt, giúp tạo ra màng mỏng ít sai hỏng và điện trở thấp do tán xạ Tuy nhiên, cần kiểm tra kích thước và khoảng cách giữa các hạt, cũng như chọn điều kiện phún xạ phù hợp Đối với chế tạo màng nhiều lớp, phương pháp phún xạ là lựa chọn lý tưởng, cho phép dễ dàng thay đổi bia và vẫn duy trì các ưu điểm của màng.
Hệ phún xạ RF Alcatel SM400 được sử dụng để chế tạo các mẫu màng mỏng dạng FM/I/FM/I/FM với điều kiện chân không cơ sở khoảng 10^-6 mbar, áp suất khí Ar 5x10^-3 mbar và công suất phún xạ 300 W Quá trình chế tạo bao gồm việc thay đổi độ dày của lớp điện môi và lớp kim loại sắt từ Hệ thống này hoạt động ở tần số 13.56 MHz với công suất phát tối đa 600 W, đạt chân không 10^-6 Torr và có hai catot riêng biệt cho các bia vật liệu khác nhau Mẫu được lắp đặt trên mâm tròn có thể xoay, với khoảng cách giữa các catot là 100 mm Khí trơ Ar công nghiệp được sử dụng để tạo plasma, và lưu lượng khí được điều chỉnh bằng van vi chỉnh, đảm bảo độ chính xác cao trong áp suất buồng chân không.
10 -4 Torr Hình 2.1 mô tả sơ đồ cấu tạo của hệ phún xạ RF đã được sử dụng
Các mẫu sau khi chế tạo được cắt thành các mảnh vuông nhỏ kích thước khoảng 10x10 mm², dùng để đo đặc trưng từ hoặc kết nối ra mạch ngoài bằng điện cực để đo đặc trưng điện Bên cạnh đó, mẫu còn được xử lý nhiệt trong môi trường chân không (~ 10⁻⁵ mbar) ở các nhiệt độ ủ 100, 150, 200 và 250 độ C.
300 o C Sau thời gian ủ 1 giờ, mẫu được làm nguội tự nhiên trong khi vẫn duy trì môi trường chân không
Các phương pháp đo 32
Mẫu sau khi chế tạo và xử lý, được đem đi kiểm tra các tính chất và các đặc điểm cần thiết nhờ các phương pháp đo:
2.2.1 Phương pháp đo chiều dày
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một thiết bị quang học sử dụng chùm electron hẹp để quét bề mặt mẫu, cho phép tạo ra hình ảnh chi tiết Nguyên lý hoạt động của SEM được minh họa rõ ràng trong sơ đồ hình 2.3.
Hình 2.3 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét
Quan sát cấu trúc lớp giúp hiểu rõ hơn về đặc điểm của màng mỏng hình thành Luận văn này sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) để nghiên cứu chiều dày của các lớp, với kính hiển vi Hitachi S 2700 Ảnh SEM được ghi theo chế độ ảnh điện tử thứ cấp (SEI) với các thông số kỹ thuật như điện áp tăng tốc 20-25 kV và cường độ dòng chùm điện tử từ 5-10 àA Độ phân giải của kính hiển vi này đạt khoảng 4-5 nm Các mẫu quan sát ảnh SEM được xử lý bằng cách phủ một lớp hợp kim.
Màng mỏng từ có những đặc trưng quan trọng về từ tính như từ độ (M) và lực kháng từ (HC) Các quá trình xảy ra dưới tác động của từ trường ngoài, chẳng hạn như sự đảo từ độ của các hạt từ trong màng dạng hạt và các lớp từ trong màng đa lớp, thường được đo bằng phương pháp từ kế mẫu rung (Vibrating sample magnetometer, VSM).
Nguyên lý hoạt động của máy đo VSM (Vibrating Sample Magnetometer) là đặt mẫu trong từ trường của nam châm điện và rung với tần số 86 Hz, tạo ra sự biến thiên từ thông qua hệ thống cuộn dây để lấy tín hiệu, từ đó xác định giá trị từ độ của mẫu Máy đo VSM kiểu DSM 880, do Digital Measurements Systems Inc sản xuất, có độ nhạy 1x10^-5 emu và từ trường tối đa đạt 13 kOe, cho phép đo ở nhiệt độ từ 77 K đến 700 K Để loại bỏ ảnh hưởng của nền và đế khi đo các mẫu có từ tính nhỏ như màng mỏng, cần thực hiện thao tác trừ nền và sử dụng hai mảnh đế bằng thủy tinh hoặc silic có kích thước tương đương với mẫu, đặt ở phía trên và dưới mẫu.
Hình 2.4 Sơ đồ khối của từ kế mẫu rung
Thực nghiệm đo đặc trưng I-V và G-V được thực hiện bằng cách áp dụng điện áp từ 1V đến +1V lên hai đầu điện cực bạc của mẫu màng mỏng đa lớp Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co, đồng thời ghi nhận sự thay đổi dòng tại lối ra Ngoài ra, đặc trưng I-V cũng có thể được đo khi có và không có từ trường nhờ vào nguồn từ trường bên ngoài Từ các kết quả thu được, mối quan hệ giữa dòng và điện áp được biểu diễn để có được đặc trưng I-V, trong khi đặc trưng G-V có thể thu được trực tiếp từ phép đo hoặc tính toán bằng cách lấy vi phân đặc trưng I-V theo điện áp.
Dòng xuyên ngầm không chỉ phụ thuộc vào tính dẫn điện của điện cực mà còn chịu ảnh hưởng lớn từ các đặc điểm vi cấu trúc của màng, như độ dày lớp điện môi và nhiệt độ ủ Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến cơ chế dẫn điện, chủ yếu là cơ chế nhảy cóc trong màng dạng lớp Đặc trưng I – V được sử dụng để đánh giá khả năng xuyên ngầm trong màng mỏng đa lớp, từ đó cung cấp hiểu biết về cơ chế xuyên ngầm phụ thuộc spin (SDT) trong cấu trúc Co/Al2O3/Co/Al2O3.
2.2.3.2 Đo đặc trưng phổ tổng trở (CIS)
Phổ tổng trở là phương pháp đánh giá sự đóng góp của điện trở hạt và biên hạt trong quá trình dẫn điện và từ điện trở (MR) của màng đa lớp sắt từ xen kẽ với lớp điện môi.
Nghiên cứu này khảo sát các mẫu màng đa lớp Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co bằng phương pháp đo tổng trở, tập trung vào ảnh hưởng của độ dày lớp Al2O3, lớp Co giữa và nhiệt độ ủ Ta Sử dụng thiết bị HP 4192A, tần số được thay đổi trong khoảng từ 6 Hz đến 13,5 MHz với điện áp xoay chiều 1 V đặt lên hai điện cực Ag Tín hiệu thu được bao gồm tần số điện áp cùng với phần thực (ReZ) và phần ảo (-ImZ) của tổng trở, từ đó mối quan hệ giữa phần thực và phần ảo cung cấp thông tin quý giá về sự xuyên ngầm trong màng mỏng đa lớp.