Khóa luận tốt nghiệp Sư phạm Vật lý: Khảo sát ảnh hưởng của thông lượng Antimony (Sb) đến tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb

Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một Hình 1.11 số vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm Ga,MnAs, In,MnAs, Ga,MnSb, In,MnSb.. Vật liệu bán dẫn là nguyên liệu n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SU PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH

| TP HO CHÍ MINH

NGUYEN MINH THUY VY

KHẢO SAT ANH HUONG CUA THONG LƯỢNG ANTIMONY (Sb) DEN

TINH CHAT TU CUA VAT LIEU BAN DAN TỪ (In,Fe)Sb

Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí

Mã ngành: 7.140.211

THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH 4/2024

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

KHAO SAT ANH HUONG CUA THONG LƯỢNG ANTIMONY (Sb) DEN

TINH CHAT TỪ CUA VAT LIEU BAN DAN TU (In,Fe)Sb

Chuyén nganh: Su pham Vat li

Mã ngành: 7.140.211 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Thúy Vy

Mã số sinh viên: 46.01.102.102

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Tú

THÀNH PHO HO CHÍ MINH - 4/2024

Tp Hồ Chi Minh, ngày tháng năm 2024

Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Đề có thé hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình, bên cạnh sự có gắng của ban than, em xin được lời cảm ơn chân thành nhất đến các thay cô khoa Vật lí

trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Và đặc biệt là TS Nguyễn

Thanh Tú (Khoa Vật lý — Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hỗ Chí Minh).

Cảm ơn thầy đã luôn chỉ dạy và hướng dẫn em vô cùng tận tình, giúp em có

thê hoàn thành khóa luận của mình một cách tốt nhất! Trong suốt quá trình hoànthành bài luận tốt nghiệp, em cảm thay minh đã được trau dồi và học hỏi rất nhiềuđiều bỏ ích Từ đó, bản thân em đã có thêm thật nhiều kỳ năng và kiến thức giúp ích

cho công việc sau này của mình.

Cuối cùng, em rất mong nhận được những lời nhận xét và góp ý quý báu từthay cô dé bài luận của em có thé hoàn thiện hơn nữa

Xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 4 năm 2024

Sinh viên

Nguyễn Minh Thúy Vy

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan kết quả đạt được trong khóa luận là sản phẩm của riêng cá

nhân, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của khóa luận,

những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tông hợp từ nhiều nguôn tài liệu Tat cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ rang và được trích

dan hợp pháp Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức ky luật theo quy định cho lời cam đoan của mình.

MỤC LỤC

DANH MỤC VIẾT TAU tono ng ginoieiiioiiiiiioiiinioioiintiiitii00010001200i61126ã46 1

DANH MỤC BANG BIEU VÀ HÌNH ẢNH sscssccseccscrsrrrsrree 2

MÔ ĐA qosaiaanoiioiiiiiitditoitii650000001G08101510033035013005000615588051090483638388636 7

CHUONG 1 TONG QUAN VE VAT LIEU BAN DAN TỪ .- 101.1 Điện tử hoc spin (SPiINtrOMICs) cọ HH HH TH HH HH nung 10

1.2 Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductor — FMSs) 16

1.2.1 Giới thiệu về ViYIi00ilBfBIB(DD sai csicti0i0220122222211220023121510122:220E0215522 161.2.2 Vật liệu bán dẫn từ pha tap Mn và han chế của nó - - :- : 191.2.3 Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Ta 21

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHAP CHE TAO VA PHAN TICH MANG MONG

(IN, FE)SB ccsscssssssssssssessssssssssssesssssssnsnssesessessensseesacseseessssesssnssessesessesesensassassasecsesesees 26

2.1 Phương pháp Epitaxy chùm phan tử (molecular beam epitaxy - MBE) 26

3,1,1 Tite hiểu VE KT ChUat EB PIORY sisessisssssssssossscessssissssiessssassssssssassosssssisassissssssavies 26

2.1.2 Phuong pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy — MBE) 26

2.2 Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng 292.3 Quang phô lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD).312.4 Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot 34

CHƯƠNG3: KET QUÁ VÀ BÀN LUẬN SE 37

3.1 Các thông số của mẫu nghiên Cứcu e-«©s«++e©vxetrxsetrkserxsservee 373.2 Khao sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thé của màng mỏng (In,Fe)Sb.393.3 Khao sát tính chất quang - từ (magneto — optical) của màng mỏng

(RE) TÔÌiegiiGi1000004160106311G31006016011601103100656166146363338463366556633585393638863ã338668944538869635316G3ã6 41

3.4 Sự phụ thuộc cua nhiệt độ Curie của mang mong (In,Fe)Sb theo thông

IN0RB | SW sssasssssssvsssnsssnsssnsssnsssossanssssscanssansscsssanssanssanssasssasssasssesssesssnasenassnissossanesaonsaons 44CTU CONG 6 RET IU BIN sosscsscsssccccsssnsssssscssssstesssessatsasicentnsassaesnasivenamaisassesneed 49

CU a peeccecteoetiiooitiottita213122126601102336266256036503883343383333883358336339023333838838861883332g833Ẻ 49đ'2iHgGnẽiphftirlEn:efla COA aagaaỹaỹ-.-ayỹỷ-agaaaỷiaỷiaaadaraaiaratioirsaastaaausszasi 50

TÀI LIEU THAM KHAO ceccscccsssssssssssccscccssscsssssssssssssssssssssssssnssssssssssssssssssesseseeseeee 51

DANH MỤC VIET TAT

(Theo thứ tự bảng chữ cái)

Chữ viết tắt Nội dung

FMS Ferromagnetic semiconductor — Bán dẫn từ

Reflection high-energy electron diffraction - Nhiều xa electron

phản xa năng lượng cao

| Giant magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở không lồ

Tunnel magnetorcsistance effect - Hiệu ứng từ điện trở xuyên hãm

DANH MỤC BANG BIEU VÀ HÌNH ANH

Tên bảng

Thông số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong đề tài.

Các mẫu (In.›,Fe.)Sb từ AO đến A4 với thông lượng

Sb từ 5.5 — 8,5 (x 10Pa) trong đó mẫu AO là mẫu

InSb đối chiếu.

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)

Dự báo của Intel về định luật Moore đến năm 2030 (Nguồn

Hình 1.2

điện và từ của clectron.

a) Cau trúc hiệu ứng từ điện trở không 16 GMR

b) Cau trúc hiệu ứng từ điện trở chui ham TMR.

Câu trúc | 6 MRAM cơ bản (hình trên) và mô tả các bit (0)

và (1) theo trạng thái điện trở (hình dưới).

Cau trúc day đủ của một 6 MRAM,

Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM (a) MRAM đảo bằng ig

từ trường (b) MRAM đảo băng dong phân cực spin.

Sơ 46 minh họa các vật liệu

a) Vật liệu bán dẫn từ (FMS);

b) Vật liệu bán dẫn;

c) Vật liệu bán dẫn từ tính loãng (DMS) (Trong đó vòng

tron có mũi tên đại diện cho nguyên tử có từ tính và các vòng tròn còn lại đại diện cho nguyên tử không từ tính).

Hình 1.9 Tóm tất lịch sử hình thành chất bán dẫn từ trong 50 năm.

a) Điều khiến tính chất từ bằng dòng điện trên (In.Mn)As

Hình 1.10 b) Trong đó Rea là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa

M.

Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một Hình 1.11 số vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm

(Ga,Mn)As, (In,Mn)As, (Ga,Mn)Sb, (In,Mn)Sb.

Thể hiện (Gaiy,Fex)Sb cho thấy hing số mang a

(Ga,Fe)Sb so với nông độ Fe (x) (hình vuông màu đỏ) và

KEDRIEEEI gòn ở (Gai+,Mn¿)Aš hằng số mang a (Ga,Mn)As so với

nông độ Mn, (hình vuông màu xanh) và độ khớp tuyến

tính tốt nhất của nó (đường nét đứt màu đen)

Anh STEM mat cắt ngang và ảnh nhiễu xạ chùm electron truyền qua (TED) cấu trúc mẫu mạng của TEM và mẫuTED của a) (Gai-x,Fev)Sb (x = 25%) và b) (Ini-x,Fev)Sb (x

Hình 1.13 từng oo

= 16%) mang mong Các ảnh câu trúc mau cho thay chi có

cau trúc tinh thẻ loại zin-blende ma không có lẫn các cau

trúc tỉnh thê khác (second phase)

Sự phụ thuộc 7c của (Ga¡x.Fex)Sb và (Ini;.Fex)Sb vào

Mình 1.14 ham lượng Fe (x)

Hình 2.3

Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một

số vật liệu bán dan từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm

(Ga,Fe)As,(In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb, và (In,Fe)Sb.

Điều khiên tính chất từ của màng mỏng (In.Fe)Sb bằng điện

trường Trong đó Rua là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ

hóa M Khi đặt vào công điện áp đương (+5V) RHall tăng

lên cho thay độ từ hóa M hay từ tinh của màng (In,Fe)Sb

tăng lên.

Mô ta sự sắp xếp các mang đơn tinh thé đúng theo kỹ thuậtepitaxy (bên phải).

Mô tả sơ đồ của một hệ thông epitaxy chùm phân từ

Mô ta sự tăng trưởng của chùm phân tử trong phương pháp

MBE.

Anh chụp buồng tăng trưởng EpiQuest HI-V MBE tai đạihọc Tokyo.

Sơ đồ bồ trí thiết bị dé thu phô RHEED.

Sóng điện tử nhiễu xạ trên các mặt tinh thé theo định luật

Bragg.

Mô tả đường truyền electron khi chiều đến bề mặt vật liệu

chiều, b) mẫu có cấu trúc bề mặt mắp mô theo định hướng

ba chiêu.

Ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng mỏngbán dẫn TiO2 trên dé LaAlO3 bằng phương pháp MBE.

Bên trái là ảnh RHEED, còn bên phải là ảnh mình họa hìnhthái bề mặt tương ứng (a) Ảnh RHEED của dé LaAlO3

trước khi phủ TiO2 có dang bằng phăng (b) - (d) Ảnh

RHEED của lớp TiO2 ứng với be day 4, 30, 40nm.

a Sơ đồ minh họa cách bố trí thu pho MCD của màngmỏng bán dẫn từ

b Ảnh chụp máy đo phố MCD ở trường đại học Tokyo

cường độ mạnh mẽ tại các peak quan trọng của InAs (b)Phỏ MCD của lớp Fe day 44nm thé hiện một peak nénrộng khác biệt hoàn toàn so với (In,Fe)As.

Đồ thị Arrott plot biểu điển một quá trình chuyên pha sắt từ đơn giản trong từ trường Dưới nhiệt độ Currie thì

(e< 0), tại nhiệt độ Currie (€ = 0) và trên nhiệt độ

Currie (€ > 0) Một số sách người ta thường biểu diễn quan hệ M3 và H nhưng đồ thị Arrott thường được sắp xếp lại thành M* và H/M.

Hình vẽ cấu trúc của các mẫu bán dẫn từ (In.Fe)Sb trên để

GaAs.

(a) — (d) Hình anh RHEED cua các lớp đệm AISb của các Hình 3.2 | mẫu theo thứ tự tương ứng AI - A4.

Hình 3.3 | Hình ảnh RHEED của lớp (In.Fe)Sb của các mẫu theo thứ tự

Phé MCD của các mẫu (In,Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các

thông lượng Sb khác nhau (5,5 - 8,5( x 107° Pa)), được

đo ở nhiệt độ 5 K khi đặt trong từ trường IT.

Hình 3.9

Phé MCD tương ứng của mẫu (In,Fe)Sb (A2) đo ở 5 K

dưới các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và IT.

Phô MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A2) đo ở 5 K

dưới các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và 1T sau khi dađược chuẩn hóa

Đồ thị thê hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ

trường của các mẫu AI, A2, A3, A4, theo thứ tự được đo ở

các nhiệt độ khác nhau từ 5 K đến 300 K.

Đồ thị Arrott plot của 4 mẫu (In,Fe)Sb theo thứ tự từ Al

-Đồ thị biểu diễn mỗi liên hệ giữa nhiệt độ Curie Te theo

thông lượng Sb.

47

MO DAU

1 Ly do chọn dé tài.

Trong nhiều thập kí, vật liệu bán dan và vật liệu sắt từ được sử dụng riêng biệtnhau đề tạo nên hai tinh nang quan trọng trong các máy tính (lưu trữ và xử lý thông

tin) Vật liệu bán dẫn là nguyên liệu nên cho transistor — linh kiện cơ ban cho bộ xử

lý trung tâm của máy tính, trong khi vật liệu sắt từ là nguyên liệu chính trong các

thiết bị lưu trữ như ô cứng ngoài Hiện nay, sự phát triển của các công nghệ máy tính thúc đây các nhà nghiên cứu tìm ra những loại vật liệu mới và thiết bị có tính năng mới nhằm nâng cao tốc độ tính toán và giảm kích thước của các chip vi xử lý trong máy tính Vì vậy việc tích hợp hai vật liệu bán dan và sắt từ làm một mang đến nhiều tiềm năng giúp cho các loại linh kiện trên máy tính trở nên nhỏ gọn và tính toán nhanh hơn [lJ] Từ đó vật liệu “bán dẫn tù” (ferromagneticsemiconductor) được quan tâm nghiên cứu như một chìa khóa mở ra cánh cửa

tương lai với tốc độ xử lý và dữ liệu nhanh hơn, giải quyết được số lượng lớn các thông tin mà con người cần xử lý trong một ngày.

Vật liệu bán dẫn từ là vật liệu mang cả tính chất của vật liệu bán dẫn và cả tính

chất từ của vật liệu sắt từ [2] Sự kết hợp của hai tính chất này mở ra tiềm năng giúp

cho các nhà khoa học có thê tạo ra những thiết bị điện tử mới như spin-transistor,

máy tính lượng tử với nhiều chức năng hon, nhanh hơn và tiêu thụ ít điện năng

hơn so với các thiết bị điện tử hiện nay Trong thực tế dé đưa vào sử dụng nhiệt độCurie (nhiệt độ chuyển pha giữa thuận từ và sắt từ) của vật liệu bán dẫn từ phải lớn

hơn nhiệt độ phòng (khoảng 300 K) Tuy nhiên, tat cả các vật liệu bán dan từ được

phát hiện cho đến nay đều có nhiệt độ Curie (nhiệt độ chuyên pha sắt từ) rất thấp

Chăng hạn, chất bán dẫn từ được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay là Gallium

Manganese Asenide (GaMnAs) có nhiệt độ Curie cao nhất cũng chỉ 200 K (-73°C)

[3], điều này gây khó khăn cho việc đưa vào ứng dụng trong các thiết bị điện tử.

Trong công cuộc nghiên cứu, tìm kiếm gần hai thập ký khi các nghiên cứu

chuyên sâu về các vật liệu bán dẫn từ khác nhau chưa thé tạo ra được vật liệu bán

dan từ có thé đưa vào sit dụng với nhiệt độ Curie cao (7c > 300 K) thì vào năm

2018, nhóm hợp tác nghiên cứu giữa hai trường là Đại học Tokyo (Nhật Bản) va

Dai học Sư phạm Thành phố Hồ Chi Minh đã chế tạo thành công chất bán dẫn từ

?

mới Indium Iron Antimonide (In.Fe)Sb có nhiệt độ Curie cao đến 385 K (112°C)

bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử [4] [5] Đây được xem là vật liệu bán dan

từ có nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho đến nay, mở ra nhiều tiém năng đềứng dụng trong lĩnh vực điện tử Tuy nhiên việc tôi ưu hóa các điều kiện chế tạo vật

liệu (In,Fe)Sb (như thông lượng antimony, bề dày màng mỏng ) van chưa đượcnghiên cứu và thực hiện.

Vì vậy với mong muốn được tìm biểu nghiên cứu sâu hơn về vật liệu

(In.Fe)Sb va tìm điều kiện dé cải thiện tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb, tác

giả mong muốn thực hiện dé tài “Khao sát ảnh hưởng của thông lượng Antimony

(Sb) đến tinh chat từ của vật liệu bán dẫn từ (In, Fe)Sb”.

2 Mục đích nghiên cứu

Khảo sát ảnh hưởng của thông lượng Antimony (Sb) đến tính chất từ của vật

liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb nhằm tối ưu hóa điều kiện chế tạo màng mỏng bán dẫn từ(In,Fe)Sb bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tìm hiểu về vật liệu bán dan từ (In,Fe)Sb

- Tìm hiểu về phương pháp chế tao màng mong (phương pháp epitaxy cham

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 ởtrường đại học Tokyo và phân tích các kết quả từ số liệu thu được

- So sánh, đánh giá kết qua và đưa ra kết luận vẻ thông lượng Antimony tôi ưu

dé chế tạo màng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu định lượng

- Phương pháp phân tích và tông hợp lý thuyết

5 Cấu trúc của khóa luận tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan về vật liệu bán dẫn từ

1.1 Điện ur học spin (spintronics)

1.2 Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductor — FMSs)

Chương 2: Phương pháp chế tạo và phân tích màng móng (In,FeSb)

2.1 Phương pháp epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy MBE)

-2.2 Phương pháp kiêm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng (reflected

high energy electron diffraction - RHEED)2.3 Quang phô lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra -MCD)

Chương 3: Kết luận và thao luận

9

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE VAT LIEU BAN DAN TỪ

1.1 Điện tử hoc spin (spintronics)

Nhìn vào lich sử phát triển của ngành điện tử chúng ta có thé dé dang nhận

thay sự thay đôi đáng kể của nhân loại, bat đầu từ năm 1945 với sự ra đời của

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) — siêu máy tính dau tién

với kích thước lớn gan bằng một căn phòng đến thời điểm hiện tại các máy tinh đã được thu nhỏ rất nhiều với khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu ngày càng được đòi hỏi nhiều và nhanh hơn Điều nảy doi hỏi các thiết bị lưu trừ phải càng ngày càng nhỏ

hơn nữa đến kích thước nano dé phù hợp với kích thước của máy tính từ đó giảm

được chi phi dé san xuat máy tính Mặc dù định luật Moore do Gordon Moore — đồng sáng lập Intel (tập đoàn sản xuất chip máy tính nôi tiếng) đã và đang làm nên

bước ngoặt lớn trong ngành công nghệ điện tử trong việc giúp giảm giá thành trong

khi vẫn tiếp tục nâng cao được hiệu suất của phần cứng với phát biêu như sau: “Số

lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi 24 tháng"

(linch vuông xấp xi 6.45 cm’).

Drinking cược

Sim oe) bagi vi bự ng on beg pn}

Hình 1.1: Dinh luật Moore cho thay dự đoán tốc độ tăng số lượng transistor trên một đơn vị điện tích theo thời gian (Nguồn Intel.com)

10

Tuy nhiên, có rất nhiều dự báo về sự kết thúc của định luật Moore đã được đưa

ra ve van dé có thực sự việc thu nhỏ sẽ có thẻ cắt giảm được chi phí sản xuất hay

không? Và nó cũng được dự đoán sẽ kết thúc sớm do những hạn chế vật lí của các

thiết bị điện tử sử dung Silicon (silicon-based) xảy ra ở quy mô nano mặc cho phíatập doan Intel đã vạch ra con đường phát triển tới năm 2030 sẽ có 1 nghìn tỷ

transistor trên một gói và tự tin "sẽ duy trì định luật Moore trong thập ky tới hoặclâu hơn” Hình 1.2 là 46 thị biểu dién dự báo của Intel về số lượng transistor mà họ

có thé đáp ứng đến năm 2030.

Hình 1.2: Dự báo của Intel về định luật Moore đến năm 2030 (Nguồn Intel.com) [6]

Đứng trước những dự báo như vậy đã mở đường cho nhiều phương pháp tiếp cận được dé xuất như thay thế Silic bằng các vật liệu mới hoặc để xuất các thiết bị

có các nguyên lý làm việc mới, trong đó spintronics là một trong những lĩnh vực

mới nồi dành cho các thiết bị điện tử nano thế hệ tiếp theo nhằm giảm mức tiêu thụ

điện năng và tăng khả năng xử lý va lưu trữ bộ nhớ Đây được xem là một giải pháp

hứa hẹn cho các thiết bị điện tử trong tương lai.

Hau hết các thiết bị điện tử sử dung một tính chất của electron gọi là “điện

tích” dé mã hóa các thông tin dưới dang số bit “0” và “1” Tuy nhiên trong electron còn một tính chất khác được spintronics được mô tả như hình 1.3 sử dụng là

moment từ spin, được quy định bởi vật lý lượng tử luôn theo một trong hai trạng

thái: spin up (hướng lên) hoặc spin down (hướng xuống) dé mã hóa dit liệu Ta có

thé điều khiển hướng của spin bằng cách đưa nó vào từ trường và spin không thay đôi hay mat đi khi ngừng cung cấp năng lượng cho nên các thông tin đã được lưu trữ

vẫn không bị mắt điều này làm cho các thiết bị spintronics dự kiến sẽ có nhiều ưuđiểm như tiêu thụ điện năng thấp, không cần cung cấp điện xuyên suốt, tốc độ cao nên vật liệu spintronics có thé cung cấp các chức năng mới chưa từng có trong vật

liệu Silicon thông thường.

Người ta định nghĩa spintronics: “spintronics là một ngành đa lĩnh vực mà

mục tiêu chính là thao tac và điều khiển các bậc tự do của spin trong các hệ chat

rấn ” [7] Và ngành khoa học này bắt nguồn tir việc tim thấy hiệu ứng từ điện trở không 16 (Giant Magnetoresistance effect - GMR) sau này có thêm hiệu ứng từ điện trở xuyên ham (Tunnel Magnetoresistance effect - TMR) đây là những nền

tảng cơ bản cho spintronics.

12

Hiệu ứng GMR được phat hiện vào những năm 1988 bởi Albert Fert và Peter

Grunberg và đã giành giải Nobel Vật lý năm 2007 [8] Hình 1.4a 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 moment từ trong hai bản kim loại từ tính song song với nhau điện trở của

hệ nhỏ, ngược lại khi moment từ ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ trở nên rấtlớn Hiện tượng này được giải thích dựa vào sự tấn xạ phụ thuộc spin (spin-dependent scattering) của electron tại mặt tiếp xúc các lớp.

Bên cạnh đó sự tán xạ phụ thuộc spin của electron cũng xảy ra trong các tiếpxúc từ xuyên ham (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 1.4b Khi moment

từ trong hai ban kim loại từ tính song song nhau điện trở của hệ nhỏ, ngược lại khimoment từ ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ tưở nên rất lớn Từ điện trở xuyên ham Tunnel Magnetoresistance (TMR) lan dau tién được phát hiện bởi nhóm của

1.S Moodera của MIT năm 1995 trên mang da lớp CoFe/AlaOx/Co [9],

Low resistance state High resistance state

Hình 1.4 a) Cau trúc hiệu ứng từ điện trở không 16 GMR; b) Cấu trúc hiệu ứng từ điện trở xuyên ham TMR [10]

13

Hai phát hiện này đã góp phan quan trọng cho sự phát triển nhảy vot củaMRAM (Magnetic Random Access Memory) — bộ nhớ RAM từ điện trở, một linh

kiện nhớ với mật độ lưu trữ thông tin cao, truy cập ngau nhiên và không tự xóa Tuy

nhiên trong thé giới MRAM, hiệu ứng TMR được ưa chuộng hơn so với hiệu ứng

GMR Lý do là cau trúc của GMR thuần các lớp kim loại, điện trở của linh kiện thường rất nhỏ nên tín hiệu sẽ không lớn Trong khi ở các lớp tiếp xúc từ chui hằm,

nhờ một lớp điện môi, điện trở của linh kiện trở lên lớn và tạo ra tín hiệu lớn hơn

cho mạch điện [11]

Một 6 nhớ cơ bản của MRAM (hình 1.5) được gọi là MTI [2] [11] gồm 2 lớp

từ tính kẹp giữa là một lớp cách điện mong (cỡ dưới nm) Moment từ của một lớp

đóng vai trò lớp cô định (fixed layer), bị giữ cô định theo một chiêu, còn moment từ

của lớp còn lại như là lớp tự do (free layer) có thê đảo (dưới tác dụng của từ trường)

từ song song đến phản song song với lớp cô định do đó dẫn đến sự thay đổi về điện

trở của cau hình (do sự tán xạ khác nhau của điện tử trong các trạng thái song song

và phan song song) Các bịt (0) va (1) được quy ước tương ứng với trang thái điện

trở thấp và cao

Resistance henge (%) Bese ® z

Hình 1.5: Cấu trúc 1 6 MRAM cơ bản (hình trên) và mô tả các bit (0) và (1) theo

trạng thái điện trở (hình dưới) [2]

14

Trên thực tế, cấu trúc thực của một MTJ phức tạp hơn nhiều (hình 1.6), mô

hình trên chỉ là đơn giản hóa Sự lưu trữ thông tin sau khi ngắt nguồn điện được xác

lập nhờ sự giữ lại trạng thái của các moment từ

— - +

al

Hình 1.6 : Cau trúc day đủ của một ô MRAM [12]

Đến nay MRAM đã được phát triển và phân loại qua cách thức ghi dữ liệu được mô

(STT-của STT-MRAM dựa trên hiệu ứng truyền moment spin (spin transfer torque) là hiệu

ứng truyền moment động lượng spin của điện tử cho một moment từ và kết qua 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 tử 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

Dòng phân cực spin

Transistor

a) Dao bang từ trường b) Đảo bang dòng phân cực spin

Hình 1.7: Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM (a) MRAM đảo bằng từ

trưởng (b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin [13]

Thẻ hệ tiếp theo của các thiết bị spintronic cần có thêm những chức năng hap

dan hon, vì vậy spin của electron cần được khai thác vào ứng dụng vào chat bán dan.

Do đó chat ban dan từ (ferromagnetic semiconductors) đã được nghiên cứu rộng rãi

trong hai thập ky qua.

1.2 Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductor - FMSs)

1.2.1 Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ

FMS thường được tạo thành bằng cách pha tạp một lượng lớn nguyên tô kimloại chuyên tiếp (các nguyên tô có mang điện tử trong quỹ đạo lớp d như sắt (Fe),

mangan (Mn), coban (Co), crom (Cr) hoặc lớp như Lantan (La),

Vanadium(V) ) vao các chất bán dẫn thông thường như Silicon (Si), Gallium

Arsenide (GaAs), Tùy vào cách sắp xếp của các hạt điện tử trong quỹ đạo lớp d hoặc lớp f mà các nguyên tử kim loại chuyên tiếp này có thé mang trong mình một

moment spin nhất định, năm phân tán bên trong tinh thé của chat bán dẫn mẹ Dướimột số điều kiện nhất định các moment spin này có thẻ tương tác với nhau thôngqua nhân tô trung gian là các hạt điện tử (hoặc lỗ trỗng mang điện tích) chuyên

động tự do, vốn cũng mang spin của chính nó, và kết quả là chúng cùng xoay theo một hướng để đạt trạng thái năng lượng bên vững, hay là trạng thái sắt từ Những

vật liệu bán dan pha tạp nguyên tố kim loại chuyền tiếp đạt được trạng thái sắt từ

nói trên được gọi chung là chat bán dẫn sat từ (FMS).

16

Ngoài ra ta cũng cần phân biệt giữa FMS và DMS (Diluted MagneticSemiconductors) — chat bán dẫn từ tính loãng, ta có thé phân biệt chúng giữa vào số

lượng nguyên tô kim loại chuyên tiếp được pha vào các chất bán dẫn Ở DMS số

lượng kim loại chuyền tiếp pha vào ít hơn so với FMS (được thé hiện ở hình 1.7

dưới đây) Trong dé tai này ta dé cập chủ yêu vé FMS.

oO Elemee# 1: Nom-magnetic @ Elemem 2: Non-magnetic + Element 3: Magectic

Hình 1.8: So đồ minh hoa các vật liệu a) Vật liệu bán dẫn tir (FMS); b) Vật liệu

bán dẫn; c) Vật liệu bán dan từ tính loãng (DMS) (Trong đó vòng tròn có mũi tên đại

điện cho nguyên tử có từ tính và các vòng tròn còn lại đại diện cho nguyên tử không

từ tính) [14]

17

Overview of Magnetic Semiconductors, including Diluted Magnetic Semiconductors (DMS) and

Ferromagnetic Semiconductors (FMS)

1960s Eu-VI (VI=S, Se)

1970s CdCr;Se,

1980s II-VI based DMS

CdMnTe, CdMnSe, ZnMnTe, ZnMnSe

lIII-V based FMS (In,Mn)As IV-VI based FMS PbSnMnTe

Wide-gap FMS, Oxide FMS (Zn,X)O (X=Mn, Ni, Co), CdMnGeP;, TiO„:Co (Ga,Mn)N, (Ga,Fe)N, (GaCr)N, (ZnCr)Te

zb-CrAs, zb-CrSb, zb-MnAs (zb: zinc-blende)

Group-lV based FMS GeMn, GeFe

Narrow-gap Fe-doped III-V FMS

(In,Fe)As, (Al,Fe)Sb, (Ga,Fe)Sb, (In,Fe)Sb I-II-V based DMS (FMS)

(Ba,K)(Zn,Mn);As;, Ba(Zn, Co);As;

Hình 1.9: Tóm tắt lịch sử hình thành chất bán dẫn từ trong 50 năm [1}

Kẻ từ những năm 1960, các FMS hợp chất như Eu — X (X=S, Se) và CdCrSes

đã được nghiên cứu nhưng chưa được ứng dụng nhiều do khó chế tạo các màng

mỏng và các cầu trúc dj thé có nông độ pha tạp cao Ngoài ra do nhiệt độ Curie - 7c (sẽ đề cập ở chương sau) của chúng thấp hơn nhiệt độ phòng (nhiều nhất 130-

150K) [1] Trong những năm 1980 trở vẻ sau, phương pháp epitaxy chùm phân tử

-MBE (sẽ dé cập ở chương sau) cho phép các nha nghiên cứu phát trién nhiều loại

vật liệu mới và cấu trúc dị thẻ Trong giai đoạn này, các chất bán dẫn hợp kim dựa

trên II -VI, HI-V hoặc nhóm IV được pha tạp các nguyên tổ kim loại chuyền tiếp 3d

từ tính (chủ yêu là Mn) Kê từ những năm 1990, các FMS dựa trên HI-V chang hạnnhư (In,Mn)As (Ga,Mn)As và (InGa,Mn)As đã được nghiên cứu rộng rãi với

(Ga.Mn)As được coi như là FMS nguyên mẫu và được nghiên cứu chuyên sâu nhất.

18

Vốn di chất bán dẫn III-V được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử tốc độ caocũng như cho các thiết bị quang điện tử và cau trúc dị thẻ dựa trên chúng, đặc biệt làcác thiết bị dựa trên hệ thông GaAs/(Al,Ga)As vốn là mô hình thử nghiệm chongành vật lí mới và các thiết bị mới Và nỗ lực phát triển chat bán dẫn từ dựa trên

IlI-V đã thành công thông qua việc chế tạo (In,Mn)As trên để GaAs bằng phươngpháp epitaxy chùm phân tử (MBE - Molecular- beam epitaxy) Sau đó việc phathiện trật từ sắt đo lỗ trống ở loại p (In,Mn)As đã khuyến khích các nhà nghiên cứu

tiếp tục phát triên và đã thành công tìm ra chất bán dẫn từ (Ga.Mn)As

1.2.2 Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó

Trong suốt hai thập ky gần đây, hầu hết các nghiên cứu về FMS đều tập trung

vào các FMS loại p III-V pha tap Mn như (In,Mn)As và(Ga,Mn)As cho thấy tính sắt

từ thông qua lỗ trông Bên cạnh việc thé hiện có từ tính mạnh thì điều đặc biệt nhất

thu hút rất nhiều các nhà nghiên cứu ở các chất bán dẫn tir pha tap Mn như

(In.Mn)As và (Ga,Mn)As là nhiệt độ Curie Te của chúng không chi phụ thuộc vào

việc chế tạo ma còn phụ thuộc vào nông 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

thê được kiêm soát bằng cách thay đổi nông độ pha tạp của Mn hay nông độ lỗ

trồng bằng cách dùng điện áp công hay chiều xạ ánh sáng [15] Hình 1.10 (a) mô tả

kết quả thí nghiệm được thực hiện bởi Hideo Ohno và cộng sự, trong thí nghiệm đó

từ tinh của (In,.Mn)As có thé thay đôi bằng dòng điện Trong hình 1.10 (b) điện trởHall Ruan (ti lệ thuận với độ từ hóa M) của (In,Mn)As có thé điều chỉnh bằng cách

sử dụng một công điện áp Với công 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 công điện áp dương Đó là

một khả năng độc đáo của bán dẫn từ ma các loại vật liệu sắt từ kim loại thông

thường được sử dụng phổ biến hiện nay như FeSi, NiFe, FePt không có được

19

The 05 ° 95 1.0

8ímn

Hình 1.10 a) Điều khién tính chất từ bằng dòng điện trên (In.Mn)As: b) Trong đóRuuị là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M [15]

Mặc dù có rất nhiều wu 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:

- _ Thứ nhất, trong các FMS pha tap Mn chưa có loại bán dẫn từ loại N dang tin

cậy nào có sẵn.

- Thứ hai, giá trị nhiệt độ Curie 7c của các FMS nghiên cứu được đến nay

chưa có loại nào cho nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng mặc dù nông độ lỗ

trong của chúng rất cao (p = 1022 -10?! em) (Hình 1.11)

- _ Thứ ba cơ chế sắt từ và cau trúc vùng nang lượng tương ứng của chúng chưa

được hiểu hoàn toàn và vẫn đang được tranh luận

Do đó việc tạo ra các FMS có thẻ vừa là loại n và loại p có tính sắt từ ở nhiệt độ

phòng vẫn là một thách thức lớn cho vật liệu bán dẫn từ.

1.2.3 Vật liệu bán dẫn từ pha tạp sắt

Xuất phát từ những trở ngại của the hệ FMS pha tạp Mn, nhóm nghiên cứu

của trường Đại học Tokyo (Nhật Ban) kết hợp cùng nhóm nghiên cứu của trường

Dai học Sư phạm thành phố Hồ Chi Minh đã và đang nghiên cứu một lớp các chất bán dẫn từ mới đó là bán dẫn từ pha tạp sắt (Fe) So với Mn ở Sắt (Fe) khi pha tạp vào các chat bán dẫn III - V như InAs, GaSb hay InSb thé hiện được nhiều ưu

điểm:

Ưu điểm 1:

Ở hình 1.12 người ta thấy được sự thay đổi của hằng số mạng a của (Ga.Fe)Sbvới nông độ Fe (x) tăng dần bằng khoảng một nửa so với (Ga,Mn)As điều này chothay dé pha tạp Fe vào GaSb hơn nhiều so với việc pha tap Mn vào GaAs nhưngkhông làm suy giảm cau trúc và chất lượng tinh thé

Hình 1.12: Thé hiện (Gaj-x,Fex)Sb cho thay hằng số mang a (Ga,Fe)Sb so với

nông độ Fe (x) (hình vuông màu đỏ) va độ khớp tuyến tính tốt nhất của nó

(đường nét đứt màu đỏ) còn ở (Gai-v.Mn,)As hang số mạng a (Ga,Mn)As so với

21

nông độ Mn, (hình vuông mau xanh) và độ khớp tuyến tính tốt nhất của nó

(đường nét đứt mau đen) [19]

Ưu điểm 2: Kiểm soát được nông độ dé tạo FMS loại N và P linh hoạt

Vì các nguyên tử Fe khi pha tạp vào bán dan IHI-V chi đóng vai trò tao

moment từ chứ không cung cấp các hạt tải điện Do đó nồng độ hạt tải điện trong các chất này được tạo ra bằng cách đồng pha tạp (co-doping) các nguyên to khác

như Beryllium (Be) trong trưởng 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 hop của (Ga,Fe)Sb hoặc

(In,Fe)Sb Chính vì vậy có thẻ tạo ra bán dẫn từ loại N hoặc loại P một cách linh

hoạt tùy vào cách pha tạp Hình 1.13 cho thấy hai loại bán dẫn từ (Ga.Fe)Sb va(In,Fe)Sb được chế tạo hành công băng phương pháp epitaxy chùm phân tử Bán

dan từ (Ga,Fe)Sb thé hiện loại P, còn các chất bán dẫn từ (In,Fe)As và (In,Fe)Sb thì

thê hiện loại N.

a) b)

GaFeSb

Hình 1.13: Anh STEM mặt cat ngang va ảnh nhiễu xạ chùm electron truyền

qua (TED) cấu trúc mẫu mạng của TEM và mẫu TED của a) (Gai x,Fe,)Sb (x = 25%) và b) (Inj-x.Fex)Sb (x = 16%) màng mong Các ảnh cầu trúc mẫu cho thay chi

có cầu trúc tinh thé loại zin-blende mà không có lẫn các cau trúc tinh thể khác(second phase) [1]

22

Ưu điểm 3: Có thê tăng nông độ pha tap Fe (x) đề đạt nhiệt độ Te cao, điều

mà các FMS pha tap Mn không làm được ở các nghiên cứu trước day [1]

Đối với các ứng dụng cho các thiết bị trong thực tế, nhiệt độ Curie 7c bắtbuộc phải cao hơn nhiệt độ phòng Và nhiệt độ Curie của các EMS loại P sẽ phụthuộc vào nông độ x và nông độ lỗ p Do đó tăng x là cách đơn giản nhất đề đạt được Te cao, tuy nhiên cho đến nay 7c tối đa của các FMS pha tạp Mn được nghiên

cứu như (In,Mn)As (90 K) và (Ga,Mn)As (200 K) vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt

độ phòng mặc dù đã thử nhiều giải pháp khác nhau Trong (Ga.Mn)As nhiệt độ

Curie trở nên bão hòa khi x tăng Nhưng ở Fe khi pha tạp vào GaSb và InSb cho kếtquả Tc tang theo hàm lượng x.

0 5 10 15 20 25

x(%)

Hình 1.14: Sự phụ thuộc 7c của (Ga¡-,Fex)Sb và (Ini.,Fev)Sb vào hàm lượng Fe,

[4]

Việc có thể pha tạp nông độ Fe với nông độ lớn mang lại lợi thé rat lớn cho

vật liệu bán dan từ pha tạp Fe, đó là có thé tạo nên các chat bán dẫn từ có nhiệt độ

Tc cao do nhiệt độ 7c tỉ lệ thuận với nông độ pha tạp Fe Thực tế cho thấy nhiệt độ

Curie của (Gai.,,Fe,)Sb với nông độ pha tap Fe 25% (x = 25% ) có nhiệt độ 7c lên đến 340 K, còn (In ,Fe.)Sb với với nồng độ pha tạp Fe 16% có 7c lên đến 335 K, đây là những giá trị 7c lớn nhất của bán dẫn từ nhóm III-V được báo cáo cho đến

nay [4]

Hình 1.14 cho thay nhiệt độ Curie cao nhất được cho tới nay của một số vật

liệu bán dan từ nhóm III-V pha tạp Fe gom (Ga,Fe)As, (In,Fe)As,(Ga,Fe)Sb,va

23