Bài giảng Vật liệu có cấu trúc Nano phần 3 Vật liệu từ cấu trúc Nano Spintronics trình bày các nội dung chính về: Tính chất từ ở thang nano, Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ, vật liệu từ khối có cấu trúc nano, màng mỏng từ cấu trúc nano, dây từ và ống từ nano, phân tử và nguyên tử từ cô lập Nam châm phân tử, các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các �...
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE VIỆN VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC NANO NANOSTRUCTURED MATERIALS PHẦN III VẬT LIỆU TỪ CÓ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS NANOTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS PGS TS Nguyễn Anh Tuấn HANOI-2010 PHÂN CÔNG GIẢNG DẠY GIỚI THIỆU TỔNG QUAN PGS TS Nguyễn Anh Tuấn PHẦN I: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO PGS TS Nguyễn Văn Hiếu PHẦN II: VẬT LIỆU QUANG TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC NANO TS Nguyễn Văn Quy PHẦN III: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS PGS TS Nguyễn Anh Tuấn PHẦN IV: CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN PGS TS Nguyễn Anh Tuấn PGS TS Nguyễn Văn Hiếu TS Nguyễn Văn Quy Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 CẤU TRÚC PHẦN MÔN HỌC Phần III: Vật liệu từ cấu trúc nano & Spintronics • • • • • • • TÍNH CHẤT TỪ CHUNG Ở THANG NANOMÉT VẬT LIỆU TỪ KHỐI CÓ CẤU TRÚC NANO MÀNG MỎNG TỪ CẤU TRÚC NANO DÂY TỪ VÀ ỐNG TỪ NANO HẠT TỪ NANO, DOT TỪ VÀ CHÙM NANO TỪ PHÂN TỬ VÀ NGUYÊN TỬ TỪ CÔ LẬP CÁC KỸ THUẬT HIỆN ĐẠI QUAN SÁT VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC TỪ NANO Phần VI: Các vật liệu nano khác số vấn đề liên quan • • • • • • • CÁC VẬT LIỆU NANO CARBON CÁC VẬT LIỆU NANO CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT KHÁC HOÁ HỌC NANO KHÍA CẠNH AN TOÀN VÀ NHỮNG THÁCH THỨC CỦA VẬT LIỆU NANO CÁC CẤU TRÚC NANO TRONG TỰ NHIÊN ĐIỆN TỬ HỌC PHÂN TỬ, NGUYÊN TỬ, VÀ THÔNG TIN LƯỢNG TỬ TƯƠNG LAI CỦA CÔNG NGHỆ NANO Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS NANOSTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS & SPINTRONICS 3.1 Tính chất từ thang nano 3.2 Hạt từ nano, dot từ chùm nano từ 3.3 Vật liệu từ khối có cấu trúc nano 3.4 Màng mỏng từ cấu trúc nano Spintronics 3.5 Dây từ ống từ nano 3.6 Phân tử nguyên tử từ cô lập - Nam châm phân tử 3.7 Các kỹ thuật đại quan sát phân tích đặc trưng cấu trúc từ nano Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.1 Tính chất từ thang nano - Một số cấu trúc hình học nano tiêu biểu: Chuỗi hạt nano Dot nano Dây nano dạng dải Dây nano dạng trụ Dot ngược (Antidot) Tiếp xúc nano Ống nano Bậc nano bề mặt kề cận Xuyến (vòng) nano Màng mỏng tạo cấu trúc nano theo khuôn mẫu (pattern) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.1 Tính chất từ thang nano NHỮNG TÍNH CHẤT TỪ NỔI BẬT Ở THANG NANO SO VỚI DẠNG KHỐI: - Hành vi nội cấu trúc nano từ bị thay đổi bởi: + hiệu ứng kích thước bị giới hạn + hiệu ứng bề mặt Vấn đề đặt ra: giới hạn nguyên tử để trì hành vi nội nam châm khối ? Tính chất/hành vi nội (intrinsic): intrinsic tính chất/hành vi thuộc chất, vốn có, tự thân có, tạo từ thành phần cấu trúc bên đối tượng; không phụ thuộc số lượng, hình dạng, kích thước yếu tố bên khác; có tính bất biến Ngược lại: ➽ extrinsic - Các tính chất từ nội như: T c , Ms , K - Các tính chất từ ngoại lai như: Hc, Mr, (BH)max - Một số hành vi nội tiêu biểu: + Xác lập mức độ dị hướng từ ngẫu nhiên + Tăng cường độ từ dư + Định xứ tính vi từ (micromagnetic) + Xuất kiểu (mode) tạo mầm từ dạng lồi (bulging-type) + Có nhiều loại liên kết trao đổi khác + Các hiệu ứng biên hạt Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.1 Tính chất từ thang nano Các độ dài tới hạn sở: •z Hằng số mạng: a ≤ nm •z Quãng đường tự trung bình điện tử kim loại, ví dụ Al: λ ≅ 102 nm •z Độ dày vách domain: w ∝ (A/K)1/2 ≥ nm •z Bước sóng số hạt vận chuyển: (Particle wavelength) λF ∝ kF-1 ∝ n1/3 - Với bán dẫn: n ≅ 1016/cm-3 λ > 10 nm - Với kim loại: n ≅ 1022/cm-3 λ ~ 0.1 nm Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.1 Tính chất từ thang nano Hiện tượng nhốt (hay giam hãm) lượng tử hiệu ứng điện tích kích thước thay đổi Vùng hiệu ứng lượng tử trội Vùng hiệu ứng điện tích trội Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.1 Tính chất từ thang nano Các tính chất nội hiệu ứng kích thước hữu hạn - Các ng.tử bề mặt mặt phân cách/tiếp xúc cấu trúc nano đóng góp mạnh không giống vào hành vi nội Các tính chất nội (mômen từ lượng trao đổi) cấu trúc đa lớp Pt-Fe (Theo Sabiryanov and Jaswal, 1998) Mômen từ lượng trao đổi nguyên tử bị biến đổi: thăng giáng mômen mạnh bao trùm qua vài lớp ng.tử Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.1 Tính chất từ thang nano Các tính chất nội hiệu ứng kích thước hữu hạn - Trong cấu trúc nano từ pha không trật tự, có chung nhiệt độ TC Điểm Curie gần với điểm Curie pha có tương tác trao đổi mạnh Khi kích thước hạt > khoảng cách vài lớp ng.tử ⇛ Thể rõ tính sắt từ không đồng nhất: điểm Curie MS(T) chồng chập pha khác MS MS TC1 TC2 TC T T M SP FM H Magnetic hysteresis loops for (a) 10 and (b) 15 nm diameter nanoparticles Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NHỮNG THÁCH THỨC CỦA SP↑ SP NTRON↓CS TRONG TƯƠNG LAI • Những thách thức chung • Những thách thức riêng 1- Các cấu trúc MTJ MRAM tổ hợp với CMOS 2- Các thách thức kết cấu/kiến trúc nanoelectronic NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Những thách thức chung • Số khái niệm sử dụng spintronics lớn: Phương trình Shockley: Sự thành công khoa học ∝ {Số khái niệm bao gồm}! ( bao trùm toàn vấn đề vật lý chất rắn : kim loại - bán dẫn - điện môi - siêu dẫn • Là lĩnh vực liên ngành Ä cần phải phát huy cách tích cực tất vốn hiểu biết sở Ä tạo thách thức lớn • Các vấn đề liên quan đến lượng tử spin, rối lượng tử thông tin lượng tử Liên ngành ? Một lĩnh vực gọi liên ngành hoạt động nghiên cứu hỗ trợ, tổ hợp nhiều tri thức khoa học công nghệ thuộc nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhằm giúp cho việc hiểu biết đắn hơn, xác vật hay tượng phúc tạp, tạo sản phẩm, hoạt động động cụ thể có tính năng, tính chất thuộc nhiều lĩnh vực, nhiều ngành thành phần, nhằm giải vấn đề (kể tri thức hiểu biết) mà riêng ngành, lĩnh vực thành phần khả giải cách tốt NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Những thách thức riêng 1- Các cấu trúc MTJ MRAM tổ hợp với CMOS • Vấn đề xung khắc/cạnh tranh nhiệt độ xử lý tổ hợp cấu trúc MTJ với CMOS MRAM: Một số trình CMOS chuẩn xảy nhiệt độ Ta ~ 4000C, nhiệt độ hiệu ứng TMR lại giảm nghiêm trọng, giảm từ 40 % (ở ~ 250-270oC) xuống 1-2 % • Vấn đề độ đồng điện trở bề mặt RA (resistance-area) bề mặt phiến bán dẫn (wafer) rộng Có nhiều kỹ thuật để tạo lớp rào ôxýt Al-O, kỹ thuật ưa chuộng sử dụng plasma (do đơn giản tính cạnh tranh công nghiệp) Các kỹ thuật khác gây khác độ đồng điện trở MTJ Chìa khoá cho cấu trúc MTJ có RA đồng chiều dày lớp Al phải có độ đồng cao NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Những thách thức riêng • Vấn đề tạo vật liệu MTJ có RA thấp Trong MRAMs, bits nhỏ đòi hỏi vật liệu MTJ có RA thấp Trong đầu đọc ổ cứng sử dụng hiệu ứng TMR đòi hỏi vật liệu MTJ có RA thấp Với cấu trúc MTJ thông thường, chiều dày lớp AlO nm (ứng với TMR ~ 20%), RA ~ 400 Ω-μm2 (đây giá trị cần tiệm cận đến MRAM tương lai gần với giá trị mà đầu đọc ổ cứng phải đạt) 2- Các thách thức kết cấu/kiến trúc nanoelectronic • Vấn đề giảm thiểu công suất-nhiệt (P/H): phân tán/phân bố công suất, tản nhiệt loại trừ điểm phát nhiệt tập trung; • Vấn đề độ bền/chắc chắn (reliablity) (REL): phải tăng lên qua độ dư thừa không gian thời gian, hai, yếu tố dư thừa cần phải (rất) nhỏ; • Vấn đề kiểm định (TST): liên quan đến giá thành, phải giảm thiểu; NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 • Vấn đề kết nối (connectivity) (CONN): giảm đồng thời chiều dài số kết nối cấu trúc (liên quan đến dây dẫn, ảnh hưởng đến REL); • Vấn đề thông tin liên lạc (COMM) cấu trúc phải sử dụng phương pháp tối ưu; • Vấn đề tổ hợp lai (hybrid integration) (HYB): phải tạo ra, bao gồm thiết kế hỗn hợp tiếp xúc bề mặt; • Vấn đề logic mã hoá/giải mã (L/C): phải tối ưu để giảm mạch chuyển đổi (switching), tính toán thông tin liên lạc; - Vấn đề cải tiến thuật toán (ALG): ví dụ vấn đề xác suất; - Vấn đề tính phức tạp thiết kế (design complexity) (DCOM): cần phải suy giảm (ví dụ cách sử dụng lại) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Phân loại thứ hạng (theo tầm quan trọng) thách thức kết cấu nanoelectronic "Tầm quan trọng" thách thức thể qua tỷ lệ % Tổng cộng tất thách thức 100 % ALG DCOM 10% 5% 5% 5% 5% 5% 10% 5% 5% Algorithms ALG DesignComplexity DCOM -5% -10% -10% -5% 15% -5% 5% 10% -10% -10% 5% (100%) D Cấu trúc kết cấu nanoelectronics phải khác NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Các giải pháp cho thách thức kết cấu nanoelectronic - Giải pháp ngắn hạn/trước mắt: điều chỉnh thích ứng, đồng thời, kết nối, biến đổi - Giải pháp trung hạn: đồng cục chưa đồng toàn (GALS), VD: GOLE - Giải pháp dài hạn: tính đến điện tử học phân tử tính toán/máy tính lượng tử, người máy tế bào dot lượng tử cạnh tranh sinh học NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Trong tương lai gần, có linh kiện tổ hợp loại linh kiện có chức khác nhau: hybrid system-on-chip NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 KẾT LUẬN CHUNG VỀ VẬT LIỆU TỪ NANO & SPINTRONICS NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 ... t nano Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3. 1 Tớnh cht t thang nano - Mt s cu trỳc hỡnh hc nano tiờu biu: Chui ht nano Dot nano Dõy nano dng di Dõy nano dng tr Dot ngc (Antidot) Tip xỳc nano ng nano. .. (Particle wavelength) F kF-1 n1 /3 - Vi cỏc bỏn dn: n 1016/cm -3 > 10 nm - Vi cỏc kim loi: n 1022/cm -3 ~ 0.1 nm Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3. 1 Tớnh cht t thang nano Hin tng nht (hay giam... NGH NANO Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 CHNG 3: VT LIU T CU TRC NANO & SPINTRONICS NANOSTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS & SPINTRONICS 3. 1 Tớnh cht t thang nano 3. 2 Ht t nano, dot t v cỏc chựm nano