Chế tạo và nghiên cứu các tính chất điện và từ của các màng mỏng từ dạng hạt kiểu FM o (FM=Fe, ni, co, py, cofe, ; o=sio2, al2o3, mgo, )

Đinh Văn Tương-2016 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu trúc màng mỏng từ dạng hạt 1.1.1 Màng mỏng cấu trúc MTJ 1.1.2 Màng mỏng cấu trúc dạng hạt 1.2 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm 1.2.1 Hiệu ứng xuyên ngầm lượng tử cấu trúc MTJ 1.2.2 Hiện tượng xuyên ngầm cấu trúc dạng hạt 1.3 Phổ trở kháng phức hệ dạng hạt 1.3.1 Tổng quan lý thuyết 1.3.2 Đặc trưng CIS hệ dạng hạt 12 1.4 Về tượng số điện môi siêu cao cấu trúc dạng hạt nano 13 1.4.1 Hệ dạng hạt phi từ 13 1.4.2 Hệ dạng hạt từ tính 14 CHƢƠNG II: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16 2.1 Công nghệ chế tạo mẫu 16 2.1.1 Kỹ thuật phún xạ catot 16 2.1.2 Một số yếu tố kỹ thuật phún xạ 19 2.1.3 Chuẩn bị bia, đế 21 2.1.4 Sử dụng mặt nạ để chế tạo mẫu 22 2.1.5 Xử lý mẫu 23 2.2 Khảo sát cấu trúc 24 2.2.1 Xác định chiều màng mỏng 24 2.2.2 Xác định thành phần hóa học EDS 26 Đinh Văn Tương-2016 2.2.3 Nhiễu xạ tia X (XRD) 27 2.2.4 Hiển vi điện tử quét (SEM) 28 2.2.5 Hiển vi lực nguyên tử (AFM) 30 2.3 Đo từ trễ (M-H) 30 2.4 Đo từ điện trở 33 2.5 Đo tính chất điện 34 2.5.1 Đo đặc trưng I-V V-I 34 2.5.2 Đo phổ trở kháng phức (CIS) 34 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Cấu trúc màng mỏng 36 3.1.1 Phân tích thành phần nguyên tố EDX 36 3.1.2 Cấu trúc pha XRD màng mỏng Co-Al-O phún xạ 37 3.1.3 Cấu trúc hình thái bề mặt SEM 39 3.1.4 Cấu trúc hình thái bề mặt AFM 40 3.2 Các tính chất từ từ điện trở xuyên ngầm 41 3.2.1 Đặc trưng từ màng mỏng Co-Al2O3 theo tỷ lệ Co 41 3.2.2 Ảnh hưởng công suất phún xạ (P) & nhiệt độ ủ (Ta) 46 3.3 Các tính chất điện 56 3.3.1 Đặc trưng I-V 56 3.3.2 Phổ CIS phụ thuộc từ trường 60 KẾT LUẬN 66 KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Đinh Văn Tương-2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Đinh Văn Tƣơng Đinh Văn Tương-2016 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MTJ Magnetic Tunnel Junction TMR Tunneling Magneto Resistance GMR Giant MagnetoResistance CIS Complex Impedance Spectroscopy RF Radio Frequency VSM Vibrating Sample Magnetometer Đinh Văn Tương-2016 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Quan hệ tỷ phần Co màng với tốc độ lắng đọng 25 Bảng 3.1: Tương quan tỷ lệ diện tích Co bia phún xạ với tỷ lệ phần trăm nguyên tử Co màng mỏng Co-Al2O3 xác định EDX 36 Đinh Văn Tương-2016 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hình ảnh minh họa cấu trúc MTJ Hình 1.2: Ảnh TEM hạt nano Co phân tán ô-xýt ZrO2-Y2O3 [1] Hình 1.3: Minh họa cấu trúc dạng hạt nano màng mỏng Co-Matrix Hình 1.4: Hình ảnh cấu trúc dạng hạt với kích thước hình dạng hạt phụ thuộc tỷ lệ thành phần sắt từ màng mỏng Hình 1.6: Cơ chế xuyên ngầm phụ thuộc spin cấu trúc MTJ Hình 1.5:Mô hình lượng cho xuyên ngầm điện tử qua lớp rào Hình 1.7: Cơ chế vận chuyển spin theo kiểu nhảy cóc Hình 1.8: Vectơ Fresnel mặt phẳng phức 11 Hình 1.9: a) Mạch điện, b) đường trở kháng, c) biểu đồ Bode 12 Hình 1.10: Dạng đường Nyqiust mô tả: (a) cấu trúc dạng hạt thông thường, b) trạng thái liên kết hay tương tác hạt, c) dạng biến tính khác 13 Hình 1.11: Đo số điện môi LTNO (Li0.01TaxNi(0.99−x)O) [17] 14 Hình 1.12: (a) Cấu trúc MTJ thông thường với lớp xen màng mỏng ô-xýt thông thường, Al2O3 (b) Cấu trúc MTJ lai dạng hạt với lớp xen màng mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3 (c) Ý tưởng làm thay đổi số điện môi cấu trúc MTJ lai dạng hạt tác dụng từ trường 15 Hình 2.1: Nguyên lý trình hình thành màng phương pháp phún xạ 17 Hình 2.2: Hệ phún xạ RF Alcatel SCM-400 a)Máy phún xạ Alcatel, b)Nguồn RF 18 Hình 2.3: Bia ghép Al2O3-Co để tạo lớp rào dạng hạt 21 Hình 2.4: Mask sử dụng để tạo dải điện cực Co thứ 22 Hình 2.5: Mask sử dụng để định hình lớp Co-Al2O3 22 Hình 2.6: Mask sử dụng để tạo dải điện cực Co thứ 23 Hình 2.7: Các mặt nạ dùng để phún xạ tạo mẫu Co/Co-Al2O3/Co 23 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý đo chiều dày màng mỏngtheo phương pháp dò bậc mũi nhọn 24 Đinh Văn Tương-2016 Hình 2.9: Minh họa kết phép đo bậc chiều dày màng mỏng máy Alpha –Step IQ 24 Hình 2.10: Ảnh hưởng tỷ phần Co lên tốc độ lắng đọng màng Co-Al-O 25 Hình 2.11: Mối quan hệ hàm FIT tỷ lệ Co theo diện tích bia tỷ lệ nguyên tử Co màng 26 Hình 2.12:Sơ đồ nguyên lý hiển vi điện tử quét 28 Hình 2.13: Hệ SEM Jeol JSM 7600F 29 Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo hiển vi AFM 30 Hình 2.15: Hiển vi FlexAFM hệ Nanosurf 30 Hình 2.16: Sơ đồ khối từ kế mẫu rung VSM 31 Hình 2.17: Hình ảnh hệ đo từ VSM DMS 880 hãng Digital Measurements System 32 Hình 2.18: Sơ đồ hệ đo đặc trưng TMR (gồm cầu đo đặc trưng điện HP hệ tạo từ trường) 33 Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý hệ đo TMR 33 Hình 2.20: a)Hình ảnh hệ đo I-V AUTO LAB PGS TAT 12 b) Giá gắn mẫu mạch in sơ đồ gắn mẫu để đo I-V 35 Hình 2.21: Sơ đồ hệ đo Phổ trở kháng phức 35 Hình 3.1: Giản đồ pha nhiễu xạ XRD mẫu màng mỏng Co-Al2O3 với 27% nguyên tử Co 37 Hình 3.2: Ảnh SEM mẫu A12, A16, A32 40 Hình 3.3: Ảnh AFM màng mỏng Co-Al2O3 chữa 9% ng.tử Co chưa ủ, với hai mode ghi ảnh hình thái bề mặt (topography) mode biên độ bề mặt (amplitude) 40 Hình 3.4: Ảnh AFM màng mỏng Co-Al2O3 chữa 9% ng.tử Co sau ủ 250oC vòng giờ, ứng với hai mode ghi ảnh hình thái bề mặt mode biên độ bề mặt 40 Đinh Văn Tương-2016 Hình 3.5: Ảnh AFM màng mỏng Co-Al2O3 chữa 27% ng.tử Co chưa ủ, với hai mode ghi ảnh hình thái bề mặt (topography) mode biên độ bề mặt (amplitude) 41 Hình 3.6: Ảnh AFM màng mỏng Co-Al2O3 chữa 27% ng.tử Co sau ủ 250oC h, ứng với hai mode ghi ảnh hình thái bề mặt mode biên độ bề mặt 41 Hình 3.7: (a) Đường cong từ hóa mẫu Cox(Al2O3)1-x x = 6, 16, 27, 49 % nguyên tử (b) Đường từ trễ trường hợp với x ~ 30 % ng.tử Co 42 Hình 3.8: (a) Đường từ trễ mẫu x = 27 % ng.tử Co đo vùng từ trường ± kOe (b) Đường từ trễ mẫu x = 49% ng.tử Co đo vùng từ trường ± 400 Oe 44 Hình 3.9: Các đường từ trễ mẫu x = 27 % ng.tử Co đo theo hai phương từ trường song song vuông góc với bề mặt mẫu 45 Hình 3.10: Đường cong từ hóa hệ màng Co30(Al2O3)70 phún xạ 100 W ủ nhiệt độ khác 47 Hình 3.11: Trường dị hướng từ theo nhiệt độ ủ Ta khác mẫu Co30(Al2O3)70 phún xạ P = 100 W 48 Hình 3.12: Đường cong từ hóa mẫu Co30(Al2O3)70 phún xạ công suât: (a) 200W; (b) 300 W, (c) 400 W 49 Hình 3.13: Đường cong từ hóa theo nhiệt độ ủ mẫu Co30(Al2O3)70 phún xạ với công suât 300 W 50 Hình 3.14: Đường cong từ hóa màng mỏng Co30(Al2O3)70 chưa ủ chế tạo công suất phún xạ khác 50 Hình 3.15: Ảnh hưởng tỷ lệ thành phần Co công suất phún xạ P = 300 W lên tính chất từ hệ màng mỏng Cox(Al2O3)1-x với x = 10, 20 45 % ng.tử 51 Hình 3.16: TMR mẫu 12% nguyên tử Co-Al2O3 điện áp sụt khác chưa ủ 52 Hình 3.17: TMR mẫu 12% nguyên tử Co-Al2O3 điện áp sụt khác ủ 100oC 53 Đinh Văn Tương-2016 Hình 3.18:TMR mẫu 12% nguyên tử Co/Al2O3 điện áp sụt khác ủ 300oC h 54 Hình 3.19:TMR mẫu 12% nguyên tử Co/Al2O3 điện áp sụt khác ủ 400oC 1h 55 Hình 3.20: TMR mẫu 12% Co/Al2O3 với công suất phún xạ P=300 W chưa ủ 56 Hình 3.21: TMR mẫu 12% Co/Al2O3 với công suất phún xạ P=300 W ủ 300oC 56 Hình 3.22: Sự chênh lệch mức Fermi lớp tiếp xúc xuyên ngầm 57 Hình 3.23: Đặc trung I-V mẫu Cox-Al2O3 58 Hình 3.24: Đặc trưng V-I sử dụng mode quét dòng mẫu Co-Al2O3 59 Hình 3.25: Các cấu trúc MTJ: (a) MTJ đơn (3 lớp) Co/Al2O3/Co (tụ điện kiểu I); (b) MTJ lớp với lớp rào kiểu dạng hạt Co/Co-Al2O3/Co (tụ điện kiểu II);(c) MTJ lớp Co/Al2O3/Co-Al2O3/Al2O3/Co (tụ điện kiểu III) 61 Hình 3.26: Cấu tạo kích thước hình học mẫu MTJ lớp Co/Al2O3/ CoAl2O3/Al2O3/Co để khảo sát phụ thuộc từ trường phổ CIS 61 Hình 3.27: Kết đo phổ trở kháng phức CIS mẫu 10% Co/Al2O3 62 Hình 3.28: Cấu tạo kích thước hình học mẫu MTJ lớp Co/Co-Al2O3/Co để khảo sát phụ thuộc từ trường phổ CIS 63 Hình 3.29: ảnh hưởng lớp Cox-Al2O3 dày (60 nm) cấu trúc lai Co/CoAl2O3/Co với tỷ lệ Co khác 64 Hình 3.30: Ảnh SEM mặt cắt cấu trúc lớp mẫu Co/Cox-Al2O3/Co 65 Hình 3.31: Phổ CIS phụ thuộc từ trường cấu trúc lớp Co/Cox-Al2O3/Co66 Đinh Văn Tương-2016 MỞ ĐẦU Gần hệ màng mỏng từ dạng hạt FM-O nghiên cứu nhiều đặc tính lý thú chúng Tại viện Itims, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có số nghiên cứu hệ màng mỏng FM-O, chẳng hạn nghiên cứu từ điện trở xuyên ngầm phụ thuộc spin màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 luận văn tác giả Triệu Tiến Dũng [25], nghiên cứu màng mỏng từ dạng hạt M-Al-O tác giả Lưu Văn Thiêm [27], nghiên cứu hệ dạng hạt Co/Co-Al2O3-Co/Co luận văn tác giả Lương Văn Sử [26] Trong nghiên cứu trước màng từ dạng hạt FM-O, tác giả tập trung vào tính chất xuyên ngầm vật liệu, tính chất quan trọng việc nghiên cứu hệ MTJ hệ màng mỏng từ dạng hạt Một điểm đáng ý tính chất điện môi oxýt Al2O3 là, gần người ta quan sát thấy số điện môi (k = ε/ε0) Al2O3, εAl2O3, tăng lên mạnh, hàng nghìn lần, tạo chùm nguyên tử Ag phân tán oxýt, ứng với số điện môi εAgAl2O3 Những vật liệu gọi vật liệu số điện môi cao, siêu cao (hight-k, super-k) Đây loại vật liệu điện tử tạo siêu tụ điện (super-capacitor) có khả tích trữ lượng điện (điện dung) lớn Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu luận văn hướng tới tìm hiểu tính chất điện môi hệ Co-Al2O3 Mặc dù luận văn Lương Văn Sử [26] bắt đầu có nhắc đến việc bắt đặt sở để tiếp cận tìm hiểu thay đổi εAl2O3 Al2O3 có mặt hạt sắt từ nano Co; nữa, thử tìm hiểu phụ thuộc từ trường số điện môi εCo-Al2O3.thông qua điện dung C cấu trúc Co/Co-Al2O3/Co Do điều kiện nghiên cứu chưa thuận lợi, vấn đề để ngỏ Dựa gợi ý vấn đề hấp dẫn này, cố gắng thử tiếp tục hướng tới hệ dạng hạt nano kiểu FM-O, tiêu biểu màng mỏng hệ Co-Al2O3, hy vọng khai thông thêm đường tiếp cận đến mục đích nhóm nghiên cứu spintrronics nêu khả tạo lọai vật liệu có ε cao, hay k, phụ thuộc từ trường Đinh Văn Tương-2016 Zoom In 100 8% Co 10% Co 20% Co 25% Co 28% Co 80 60 20 I (mA) I (nA) 40 -20 -40 8% 10% 20% 25% 28% -1 -60 -2 -80 -3 -4 -100 -1.0 -1.0 -0.5 0.0 0.5 -0.5 1.0 0.0 0.5 Co Co Co Co Co 1.0 V (V) V (V) Hình 3.21: Đặc trung I-V mẫu Cox-Al2O3 Đối với cấu trúc hay linh kiện xuyên ngầm thông thường, chế độ bơm dòng phản ánh sụt qua hàng rào thế: Về bản, sụt lớn chứng tỏ mức độ vận chuyển điện tích, xuyên ngầm điện tử, thấp Nói khác đi, mức độ tích trữ lượng lớn, nghĩa tích tụ điện tích cao Vì khảo sát chế độ phản ánh chất điện môi lớp rào cấu trúc kiểu tụ điện hay linh kiện xuyên ngầm Đối với màng mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3 phép đo theo mode cung cấp thông tin quan trọng số điện môi cao, kỳ vọng nêu mục đích cuối luận văn Để sử dụng mốt quét dòng, dùng nguồn dòng siêu ổn định để bơm dòng dc với cường độ xác định có độ ổn định cao qua hệ dạng hạt, dòng bơm quét khoảng định, ±0.5 nA, ±1 nA, ± nA ± nA Kết quan sát thấy dạng đặc trưng parabolic đường cong V-I Kết đặc trưng V-I trình bày hình 3.24 Quan sát thấy có sụt áp tăng mạnh khoảng quét dòng bơm tăng lên, có biểu tính trễ quét dòng bơm phân cực khác (chiều quét) Khi nồng độ Co tăng lên, x = – 25 % ng.tử, điện áp đỉnh có xu hướng tăng lên khoảng cách đỉnh điện áp đo khoảng quát dòng bơm khác có xu hướng tăng theo Sụt áp dòng bơm lớn, lên tới hàng chục 58 Đinh Văn Tương-2016 vôn với dòng bơm vài nano ampe Đây kết thú vị quan sát thấy hệ sắt từ có cấu trúc kiểu dạng hạt nano, tiếp tục nghiên cứu thêm để giải thích chế xuyên ngầm bơm dòng qua hệ sắt từ dạng hạt nano Qua đồ thị trình bày Hình 3.24 đây, dễ nhận thấy với khoảng quét dòng (bơm dòng) nhỏ, sụt áp tương ứng qua lớp Co-Al2O3 yếu Khi khoảng quét dòng tăng lên, sụt áp tăng lên theo Điều cho thấy khả vận chuyển (xuyên ngầm) điện tử qua lớp không nhất, cấu trúc dạng hạt nano đây, dường trở nên Nói khác đi, vật liệu Co-Al2O3 có số điện môi cao vật liệu Al2O3 thông thường Hơn nữa, có mặt Co nhiều, số lựong hạt Co diện tích bề mặt đối diện hạt tăng lên, khoảng cách hạt giảm đi, độ sụt áp 30 60 % ng.tö Co 20 10 % ng.tö Co 40 20 V (volt) V (volt) 10 -10 -20 -20 -40 -30 -60 -40 I: +/-4 nA I: +/-1 nA -80 -6 -4 -2 -6 -4 -2 I (nA) I (nA) 20 % ng.tö Co 25 % ng.tö Co -10 20 -20 10 -30 V (volt) V (volt) 30 -40 -50 -10 -60 -20 I = +/- nA I = +/- 0.5 nA -30 -1.5 I = +/- nA I = +/- nA -70 -80 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -6 -4 -2 I (nA) I (nA) Hình 3.22: Đặc trưng V-I sử dụng mode quét dòng mẫu Co-Al2O3 cao Trong trường hợp có tượng chắn Coulomb, giam hãm spin (đưa tài liệu trích dẫn đây), tham gia vào trình tích tụ điện tích 59 Đinh Văn Tương-2016 phụ thuộc spin Vì tượng phụ thuộc spin có ảnh hưởng đến tính điện môi ô-xýt Al2O3 Cụ thể tăng lên ε Từ kết gợi ý cho khả nghiên cứu mở rộng với đặc trưng V-I phụ thuộc từ trường 3.3.2 Phổ CIS phụ thuộc từ trường Nhằm bước đầu tiếp cận tìm hiểu xem ảnh hưởng tính chất điện môi spin tác dụng từ trường màng mỏng dạng hạt CoAl2O3 vai trò lớp rào cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ), qua thấy tác động lên hành vi vận chuyển (xuyên ngầm) dòng spin điện trường xoay chiều (ac), cấu trúc MTJ dạng lai, lớp xen giữa, hay lớp rào thế, có kiểu cấu trúc dạng hạt: MTJ lớp Co/Al2O3/Co-Al2O3/Al2O3/Co MTJ lớp Co/Co-Al2O3/Co) chế tạo, phổ CIS chúng khảo sát tác dụng từ trường cường độ khác Bằng lựa chọn cấu trúc có lớp vật liệu sắt từ, Co, vậy, việc tạo dòng phân cực spin bơm qua lớp dạng hạt CoAl2O3 xen để khảo sát tính điện môi spin lớp này, dẫn đến kết khả quan gợi ý để tiếp tục nghiên cứu sau Các MTJ đơn thông thường có cấu trúc đơn giản gồm lớp tương tự tụ điện (tụ điện kiểu I): Co/Al2O3/Co, trình bày hình 3.25(a), với lớp rào có số điện môi ô-xýt nhôm, εAO Trong cấu trúc MTJ lớp Co/Co-Al2O3/Co, hình 3.25(b), tương tự tụ điện có lớp rào gồm hạt từ nano Co ứng với số điện môi εCAO (tụ điện kiểu II) Với cấu trúc MTJ lớp Co/Al2O3/Co-Al2O3/Al2O3/Co, hình 3.25(c), dạng cải biến so với hai trường hợp trên: lớp dạng hạt Co-Al2O3 xen ngăn cách với lớp điện cực Co lớp điện môi mỏng ô-xýt Al2O3 khiết (tụ điện kiểu III) Hằng số điện môi loại tụ điện kiểu III có giá trị trung gian εAO εCAO 60 Đinh Văn Tương-2016 3.3.2.1 Nghiên cứu vai trò lớp dạng hạt Co-Al2O3 cấu trúc MTJ lớp Co/Al2O3/Co Al2O3/Al2O3/Co Cấu trúc MTJ lớp phún xạ với công suất 300 W có chiều dày lớp Co/Al2O3/Co-Al2O3/Al2O3/Co tương ứng (90nm/1nm/2,5nm/1nm/90nm) Lớp dạng hạt Co-Al2O3 xen có 10 % nguyên tử Co Cấu tạo kích thước hình học mẫu đo trình bày hình 3.26 Khi đo phổ trở kháng phức phụ thuộc từ trường, hướng tác dụng từ trường đặt song song với bề mặt mẫu, với cường độ thay đổi từ – kOe Kết đo trình bày hình 3.27 Nhận thấy cấu trúc này, với x = 10 % ng.tử lớp Co-Al2O3 có độ dày mỏng, 2,5 nm, độ lớn trở kháng ảo (Z''), nghĩa thành phần tạo nên yếu tố dung kháng, không thay đổi theo từ trường tác dụng: Theo kết hình 3.27, Z'' ~ 75 Ω Trong thành phần trở kháng thực (Z'), Co Co Al2O3 (εAO) Co Hạt Co (εCAO) Co Co (a) (b) Lớp Al2O3 (εAO /εCAO) Co (c) Hình 3.25: Các cấu trúc MTJ: (a) MTJ đơn (3 lớp) Co/Al2O3/Co (tụ điện kiểu I); (b) MTJ lớp với lớp rào kiểu dạng hạt Co/Co-Al2O3/Co (tụ điện kiểu II); (c) MTJ lớp Co/Al2O3/Co-Al2O3/Al2O3/Co (tụ điện kiểu III) CoAl2O3 Hình 3.23: Cấu tạo kích thước hình học mẫu MTJ lớp Co/Al2O3/ Co-Al2O3/Al2O3/Co để khảo sát phụ thuộc từ trường phổ CIS 61 Đinh Văn Tương-2016 thành phần đặc trưng cho điện trở hệ, gồm R0 R1, thay đổi rõ rệt Ban đầu, R0 R1 giảm nhẹ, xung quanh cỡ ~ 270 Ω R0, từ ~ 475 xuống ~ 460 Ω R1 H tăng đến kOe (chu trình {1} hình trên); sau lại tăng lên từ ~ 270 Ω đến ~ 300 Ω R0 tăng mạnh từ ~ 460 lên ~ 500-620 Ω R1 H ≥ kOe (chu trình {2} hình 3.27) Ngoài ra, tất trường hợp trên, đường Niquist xuất đoạn cung nhỏ (không hoàn chỉnh) vùng tần số thấp, cung vùng tần số cao nói chung có dạng nửa đường tròn hoàn chỉnh Một đặc điểm khác dễ nhận thấy đây, với từ trường cao, H > kOe, bắt đầu xuất phân tách cung (ở phía tần số cao) thành hai cung, biểu chỗ lõm, cung ứng với H = 6; 9,5 kOe Tổng hợp đặc điểm cấu trúc MTJ lớp, lớp dạng hạt xen mỏng (2,5 nm) có tỷ lệ Co thấp (10% nguyên tử), cho thấy rằng, từ trường có tác dụng rõ rệt đến độ dẫn spin cấu trúc Hiện tượng giảm điện trở chu kỳ {1} từ trường tăng từ H = đến kOe cho có liên quan đến tăng cường mật độ dòng xuyên ngầm spin qua chùm hạt Co số trạng thái spin cho phép định xứ chùm hạt Co tăng lên Tuy nhiên H tiếp tục tăng lên tiếp nữa, từ H = đến 9,5 kOe, tượng chắn spin tích tụ spin tăng lên mạnh hơn, dẫn đến làm suy giảm dòng spin xuyên ngầm chùm hạt Co Điều gợi ý khả tính chất điện môi spin lớp Co-Al2O3 bộc lộ: εCAO dường bắt đầu tăng lên H > kOe 300 H = KOe KOe KOe KOe KOe KOe 9,5 KOe - Z" (Ohm) 250 200 150 100 50 [1] 200 R0 300 400 [2] R1 500 600 700 Z' (Ohm) Hình 24: Kết đo phổ trở kháng phức CIS mẫu 10% Co/Al2O3 62 Đinh Văn Tương-2016 3.3.2.2 Nghiên cứu vai trò lớp dạng hạt Cox-Al2O3 cấu trúc MTJ lớp Co/Co-Al2O3/Co Đối với loại cấu trúc MTJ kiểu lớp Co/Cox-Al2O3/Co, cấu tạo hình học mẫu đo cho thấy hình 3.28 Các khảo sát phổ CIS kiểu cấu trúc chia làm loại: loại ứng với lớp dạng hạt Co-Al2O3 xen dày, tới 60 nm, loại mỏng, chục nanomét (3-9 nm) Các lớp Co tất cấu trúc xét giống cố định chiều dày 90 nm Sau kết thu phổ CIS(H) từ hai loại cấu trúc a) Trường hợp lớp Co-Al2O3 dày 60 nm Đối với mẫu này, phổ CIS xét với tỷ lệ Co lớp dạng hạt xen khác nhau: 8; 10 25 % nguyên tử Kết đo trình bày hình 3.29 Nhận thấy cấu trúc MTJ lớp này, với tỷ lệ Co % ng.tử, hai thành phần trở kháng thực (trở kháng thuần, Z') ảo (thành phần dung kháng, Z'') lớn, việc tăng từ trường tác dụng lên mẫu không làm thay đổi đáng kể thành phần này, không làm thay đổi tính chất vận chuyển spin điện trường ac mẫu Tuy nhiên, tăng tỷ lệ Co lên 10 25 % ng.tử, phổ CIS hệ cho thấy thành phần ảo thực giảm rõ rệt, có thay đổi đáng kể tác dụng từ trường Sự thay đổi theo H rõ rệt mẫu có tỷ lệ Co x = 25% từ trường tăng lên đến kOe Trong trường hợp khảo sát, H < kOe thay đổi thành phần trở kháng cấu trúc MTJ 3lớp (xem hình 3.29) Điều chứng tỏ khả tích tụ spin mật độ trạng thái cho phép giam hãm spin chùm hạt Co tăng lên đáng kể tác dụng từ trường đủ mạnh, ví dụ Hình 25: Cấu tạo kích thước hình học mẫu MTJ lớp Co/Co-Al2O3/Co để khảo sát phụ thuộc từ trường phổ CIS 63 Đinh Văn Tương-2016 350 120 8%Co-90/60/90 200 H=0 H = kOe H = kOe H = kOe 150 100 50 10%Co-90/60/90 H=0 H = 1.0 kOe H = 1.5 kOe H = 2.0 kOe H = 3.0 kOe 100 250 - ImZ (M) - ImZ (M) 300 10 20 30 40 80 60 40 20 50 ReZ (M) 250 25%Co-90/60/90 20 30 40 50 ReZ (M) H = kOe H = 1.0 H = 1.5 H = 2.0 H = 3.0 - 200 - Z'' (M) 10 150 100 50 0 10 20 30 40 50 Hình 3.26: ảnh hưởng lớp CoxAl2O3 dày (60 nm) cấu trúc lai Co/Co-Al2O3/Co với tỷ lệ Co khác Z' (M) tới ~ kOe Rất thay đổi cấu trúc hạt Co bên lớp xen giữa, tỷ lệ Co quy định, làm cho khả tích tụ spin mẫu thay đổi Nói khác đi, số εCAO lớp điện môi cấu trúc MTJ lớp kiểu tụ điện II quy định bằng, trường hợp này, tỷ lệ Co điều khiển từ trường b) Trường hợp lớp Co-Al2O3 mỏng: 3; 6; nm Đối với cấu trúc kiểu MTJ lớp Co/Cox-Al2O3/Co lớp xen Cox-Al2O3 mỏng, cấu tạo hình học mẫu để khảo sát có dạng minh họa hình 3.28 Hình 3.30 ảnh SEM mặt cắt ngang vuông góc với bề mặt mẫu, lấy làm đại diện, có chiều dày lớp nm tỷ lệ Co 30% ng.tử Do kỹ thuật xử lý bề mặt mẫu để chụp ảnh SEM chưa thực tốt nên ảnh nhận (chế độ điện tử thứ cấp, SEI) chưa đủ phân giải rõ ràng phân biên lớp Tuy nhiên quan sát thấy lờ mờ cấu trúc lớp với chiều dày tương ứng lớp xác định được: Co/Co-Al2O3/Co tương ứng 90nm/9nm/90nm 64 Đinh Văn Tương-2016 Kết khảo sát phụ thuộc từ trường, khoảng 0-8 kOe, hệ mẫu lớp Co/Co-Al2O3/Co, với lớp dạng hạt xen Cox-Al2O3 có tỷ lệ Co khác nhau: x = 10, 20 30 % nguyên tử, trình bày hình 3.31, cột ứng với chiều dày lớp Co-Al2O3 cố định 3, hay nm Nhận thấy rằng, tương tự kết thu hệ có lớp Cox-Al2O3 xen dày, 60 nm, thành phần trở kháng thực (Z') ảo (Z'') lớn x nhỏ, ~ % ng.tử Co, giảm mạnh x tăng lên (hãy để ý đến so sánh thang đo hình 3.31: giảm từ cỡ hàng trăm mega-ohm ứng với x = 8% xuống vài kilo-ohm tăng x = 20 30%) Điều cho thấy việc tăng tỷ lệ x làm tăng kích thước số lượng chùm hạt sắt từ nano Co lên, với lớp Co-Al2O3 mỏng làm tăng độ dẫn xuyên ngầm spin lên Do làm trở kháng hệ suy giảm Một đặc trưng đáng ý cấu trúc có tỷ lệ Co cao, 20 30 % ng.tử, đường Nyquist có dạng phức tạp, có dạng cung tròn dạng xoắn Đặc điểm phân tích kỹ nghiên cứu Xét hành vi phổ CIS biến thiên theo chiều dày lớp Cox-Al2O3 hình 3.31, hàng ngang ứng với tỷ lệ Co lớp Co-Al2O3 cố định 10, 20 hay 30 % ng.tử, với chiều dày 3, nm, nhìn chung ảnh hưởng chiều dày lên tính chất điện ac chưa rõ ràng hệ Co (90 nm) Co-Al-O (9 nm) Co (90 nm) Đế thủy tinh Hình 3.27: Ảnh SEM mặt cắt cấu trúc lớp mẫu Co/Cox-Al2O3/Co với lớp dạng hạt dày nm 65 Đinh Văn Tương-2016 Tuy nhiên tất trường hợp cấu trúc MTJ lớp kiểu tự điện II đây, ảnh hưởng từ trường hệ cấu trúc cần phải phân tích thêm để thấy rõ xu hướng tác động đới với số điện môi spin thay đổi tỷ lệ Co tác dụng từ trường mạnh 500 500 500 10% Co; nm 10% Co; nm H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe 200 100 300 H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe 200 100 0 20 40 60 Z' (k) 80 20 40 60 80 100 H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe 20% Co; nm 4 8 -Z'' (k) 0 Z' (k) 10 10 12 14 16 18 20 Z' (k) H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe 30% Co; nm 0 -1 H= kOe H= kOe H= kOe H= kOe H= kOe 30% Co; nm -Z'' (k) 10 H= kOe H= kOe H= kOe H= kOe H= kOe -1 Z' (k) 30% Co; nm 100 Z' (k) 80 H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe 10 60 Z' (k) 20% Co; nm -1 -1 40 0 20 5 - Z (k) 100 Z' (k) H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe 20% Co; nm H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe H = kOe 200 0 100 300 -Z'' (k) -Z'' (k) 400 -Z'' (k) -Z'' (k) -Z'' (k) 300 -Z'' (k) 10% Co; nm 400 400 -1 -1 Z' (k) 10 10 Z' (k) Hình 3.28: Phổ CIS phụ thuộc từ trường cấu trúc lớp Co/Cox-Al2O3/Co với tỷ lệ Co lớp dạng hạt x = 10, 20 30 % nguyên tử, dày 3, nm 66 Đinh Văn Tương-2016 KẾT LUẬN 1- Chế tạo màng mỏng Co-Al2O3 kỹ thuật phún xạ ca-tốt tạo cấu trúc gồm chùm ng.tử hay hạt nano Co phân tán ô-xýt Al2O3 với kích thước (đường kính) ước tính trung bình nằm khoảng 1-5 nm 2- Tính chất từ hệ Co-Al2O3 thay đổi từ hành vi kiểu thuận từ tỷ lệ Co x < 16% ng.tử, đến siêu thuận từ 16 ≤ x ≤ 30% ng.tử, kiểu siêu sắt từ x > 30% ng.tử 3- Hiệu ứng TMR quan sát chứng tỏ rằng, mặt, hệ có cấu trúc kiểu dạng hạt nano, mặt khác trình xuyên ngầm spin hạt sắt từ Co 4- Công suất phún xạ (P) nhiệt độ ủ (Ta) ảnh hưởng rõ rệt lên đặc trưng từ xuyên ngầm spin: (a) Tính dị hướng từ vuông góc mạnh P thấp (100 -200 W), đẳng hướng P cao (300-400 W); (b) Với P = 300 W, hiệu ứng TMR trở nên rõ rệt mạnh hơn; (c) Xuất hiệu ứng TMR ngược P = 200 W Ta = 400oC (d) TMR có xu hướng lớn tác dụng Vset thấp, ~ 10-50 mV 5- Dòng xuyên ngầm hạt Co tỷ lệ với điện áp có xu hướng tăng theo tỷ lệ Co, đặc biệt tăng mạnh ngưỡng thấm loang xp ~ 30% ng.tử, hệ giảm khoảng cách hạt Co đồng thời tăng diện tích bề mặt hạt Co x tăng Ngưỡng thấm loang xp phản ánh tính tối ưu tỷ số khoảng cách hạt Co diện tích bề mặt chúng 6- Đã quan sát thấy kết lý thú đường đặc trưng V-I thực chế độ bơm dòng qua hệ sắt từ cấu trúc kiểu dạng hạt nano Quan sát thấy sụt áp lớn (hàng chục vôn) hệ dòng bơm nhỏ (vài nano ampe) 7- Phổ CIS phụ thuộc từ trường theo tỷ lệ Co chiều dày màng mỏng CoAl2O3 cấu hình kẹp hai điện cực Co nhằm tìm hiểu trình vận chuyển spin, đặc biệt tượng tích tụ spin hạt Co, điện trường xoay chiều cung cấp thông tin liên quan đến số điện môi phụ thuộc từ trường loại vật liệu điện mội spin Co-Al2O3 67 Đinh Văn Tương-2016 KIẾN NGHỊ Như trình bày mục đích cuối luận văn này, nhằm tạo loại vật liệu từ điện môi vừa có giá trị k cao, vừa phụ thuộc vào đặc trưng từ tính hệ, từ đầu đặt vấn đề tạo loại hạt kim loại có tính sắt từ khác nhau, Co, Ni, Fe, NiFe, CoFe, phân tán số ôxýt điện môi thông dụng thường sử dụng vật liệu điện tử, Al2O3, SiO2 hay MgO, Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu có hạn nhiều hạn chế điều kiện kỹ thuật nước, số hoàn cảnh khác quan klhacs, kết đạt trình bày luận văn chủ yếu dựa vào hệ Co-Al2O3, đủ cho nội dung luận văn thạc sỹ khoa học, nên chưa đáp ứng yêu cầu đặt từ đầu nhóm nghiên cứu, khảo sát lớp rộng hệ khác Vì kiến nghị cần tiếp tục phát triển nghiên cứu sang hệ khác nữa, nhằm xác lập mối quan hệ tính chất từ loại hạt sắt từ khác với tính chất điện môi ô-xýt khác Hơn nữa, kết đạt luận văn tạm thời dừng lại mức độ khảo sát sơ số đặc trưng liên quan đến cấu trúc, tính chất từ, từ điện trở điện, chưa tiến hành khảo sát liên quan đến tính chất điện môi spin hệ vật liệu dạng hạt sắt từ nano Cụ thể chưa thực tiến hành khảo sát đặc trưng ε phụ thuộc vào tỷ lệ loại hạt sắt từ nano khác nhau, đặc biệt phụ thuộc vào từ trường ứng với tỷ lệ thành phần sắt từ khác Vì thời gian tới, mục tiêu cho nội dung nghiên cứu 68 Đinh Văn Tương-2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng anh: [1] B J Hattink A.L., M Garcı´a del Muro, and X Batlle (2003), "Competing tunneling and capacitive paths in Co-ZrO2 granular thin films", Physical review B (67), 033402 [2] Julliere (1975), "Tunneling between ferromagnetic films", Phys Lett, (Vol.54A), pp.225-226 [3] Fujimori S.M., S Ohnuma (1995), " Tunnel-type GMR in metal-nonmetal granular alloy thin films." Mater Sci, (Eng B31), 219 [4] Yakushiji S.M., F Ernult, K Takanashi, H Fujimori (2007), " Spin-dependent tunneling and Coulomb blockade in ferromagnetic nanoparticles", Physics Reports, 451 [5] Schelp E.-L.R., J - L Maurice, F Petroff, A Vaurès (1999), "Tunnel magnetoimpedance in cobalt discontinuous films", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, (205), 170–176 [6] X Zhang B., Z Li, G.Sun, and F Pu (1997), "spin-polarized tunneling and magnetiresistance in Ferromagnetic/Insulator (semiconductor) single and double tunel junctions subjected to an electric field", Phys Rev.B Vol 56 5484-5488 [7] Mitani H.F., K Takanashi, K Yakushiji, J G Ha, S Takahashi, S Maekawa, S Ohnuma, N Kobayashi, T Masumoto, M Ohnuma, K Hono J Magn Magn Mater J Magn Magn Mater, 198-199, 179 [8] Mitani, H Fujimori., S Ohnuma, (1998)," Temperature dependence of tunneltype GMR in insulating granular systems” Journal of Magnetism and Magnetic Materials , 177-181, 919 [9] Spearing.SM (2000), " Materials issues in microelectromechanical systems (MEMS)" Acta Mater (48), 179 [10] Setter.N W.R (2000), "Electroceramic materials" Acta Mater, (48 ), 151 [11]Bernasconi R.M.J.a (1972), " Gor'kov-Eliashberg Effect in One-Dimensional Metals? " Phys Rev Lett, (29), 113 69 Đinh Văn Tương-2016 [12] Saha.S.K (2004), " Observation of Giant Dielectric Constant in an Assembly of Ultrafine Ag Particles" Phys Rev Lett, (B 69 ), 125416 [13] Saha M.D., Qingling Hang, T Sands, DB Janes (2006), "A nanocapacitor with giant dielectric permittivity", Nanotachnology, (17), 2284- 2288 [14] Adams T.B.S., D C.; West, A R (2002), " Characterization of grain boundary impedances in fine-and coarse-grained CaCu3Ti4O12 ceramics", Adv Mater., ( 14), 1321 [15] Kant C.R., T.; Mayr, F.; Krohns, S.; Lunkenheimer, P.; and S.G.L Ebbinghaus (2008), " Broadband dielectric response of CaCu3Ti4O12: From dc to the electronic transition regime", Phys Rev Lett, (77), 045131 [16] Deng G.Y., T.; Muralt, P Appl (2007), " Evidence for the existence of a metalinsulator-semiconductor junction at the electrode interfaces of CaCu3Ti4O12 thin film capacitors" Phys Lett, ( 91), 202903 [17] Yu-Jen Hsiao Y.-S.C., Te-Hua Fang, Yin-Lai Chai, and C.-Y.C.a.Y.-H Chang (2007), "High dielectric permittivity of Li and Ta codoped NiO ceramics", J Phys.D: Appl Phys, (40 ), 863–868 [18] http://www.webelements.com [19]B.D Cullity and S.R Stock (2001), Elements of X-ray diffraction, Third Edition, Prentice Hall, Prentice Hall, Inc New Jersey, pp 255-257 [20] D Kechrakos, K.N Trohidou (2000), "Interplay of dipolar interactions and grain-size distribution in the giant magnetoresistance of granular metals", Physical Review B, vol 62, no 6, pp 3941–3951 [21]B.D Cullity (1972), Introduction to magnetic materials, Addison-Wesley Pub Co., Inc., Menlo Park, California – London – Amsterdam – Don Mills, Ontario – Sydney, pp 383–389 [22]M.B Stearns, Y Cheng (1994), "Determination of para and ferromagnetic components of magnetization and magnetoresistance of granular Co/Ag films", Journal of Applied Physics, vol 75, no 10, pp 6894–6899 [23] C.L Chien(1991), "Granular magnetic solids", Journal of Applied Physics, vol 69, iss 8, pp 5267–5272 70 Đinh Văn Tương-2016 [24] A Dzarova, F Royer, M Timko, D Jamon, P Kopcansky, J Kovac, F Choueikani, H Gojzewski, J.J Rousseau, "Magneto-optical study of magnetite nanoparticles prepared by chemical and biomineralization process", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol 323, iss 11, pp 1453–1459, 2011 Tài liệu tiếng việt: [25] Triệu Tiến Dũng (2007) luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu xuyên ngầm phụ thuộc spin màng mỏng dạng hạt Co-Al-O”.Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu ITIMS - Đại học Bách Khoa Hà Nội [26] Lương Văn Sử (2011) luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế tạo cấu trúc xuyên ngầm từ dạng lai kiểu lớp kiểu hạt” Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu ITIMS - Đại học Bách Khoa Hà Nội [27] Lưu Văn Thiêm (2006) luận văn thạc sĩ “Màng mỏng từ dạng hạt không dẫn điện M-Al-O” Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu ITIMS - Đại học Bách Khoa Hà Nội 71 Đinh Văn Tương-2016 DANH SÁCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 1) Giap Van Cuong, Dinh Van Tuong, Nguyen Tuan Anh, Tran Trung, Nguyen Anh Tuan (2014), “Spectroscopy of Polarized Light Depend on External Magnetic Field and Ferromagnetic Component Granular Magnetic Thin Films Co-Ag”, The 2nd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, pp 454-456 2) Nguyen Tuan Anh, Luong Van Su, Dinh Van Tuong, Nguyen Tuyet Nga, Nguyen Anh Tue, Do Phuong Lien, Giap Van Cuong, Hoang Quoc Khanh, Nguyen Anh Tuan (2014), “Study of Co/Co-Al2O3/Co granular-type barrier MTJs by complex impedance spectroscopy technique”,(poster) 7th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology, IWAMSN 2014 3) Nguyễn Tuấn Anh, Lương Văn Sử, Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Tuyết Nga, Nguyễn Văn Tuệ, Giáp Văn Cường, Đinh Văn Tương, Hoàng Quốc Khánh (2014), “Nghiên cứu chế tạo tính dẫn điện AC cấu trúc MTJ lai dạng hạt kỹ thuật phổ trở kháng phức”, tạp chí khoa học công nghệ 102, 127133 4) Giap Van Cuong, Nguyen Anh Tuan, Nguyen Tuan Anh, Dinh Van Tuong, Nguyen Anh Tue, Nguyen Tuyet Nga, and Do Phuong Lien (2015), “Structural Characteristics and Magnetic Properties of Al2O3 Matrix-Based Co-Cermet Nanogranular Films” Hindawi Publishing Corporation, Volume 2015, Article ID 834267, pages 5) Giáp Văn Cường, Nguyễn Anh Tuấn, Trần Trung, Nguyễn Thế Bình, Nguyễn Anh Tuệ, Đinh Văn Tương (2015), “Về chế tương tác Mognon-plasmon màng mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3”, Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 9, trang 7-11 72 ... số nghiên cứu hệ màng mỏng FM-O, chẳng hạn nghiên cứu từ điện trở xuyên ngầm phụ thuộc spin màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 luận văn tác giả Triệu Tiến Dũng [25], nghiên cứu màng mỏng từ dạng hạt. .. cao tần RF để chế tạo màng mỏng Để chế tạo màng mỏng FM-O có tính chất từ điện phù hợp với mục đích nghiên cứu, việc cần phải sâu vào chất vật lý trình hình thành màng mỏng phương pháp phún xạ... 1.1.2 Màng mỏng cấu trúc dạng hạt Màng mỏng từ đơn lớp dạng hạt FM-O có cấu trúc gồm hạt sắt từ nano M, Co, Ni, Fe hay hợp kim chúng, phân bố ngẫu nhiên oxit kim loại không dẫn điện O, Al2O3,