Nghiên cứu chế tạo các cấu trúc xuyên ngầm từ dạng lai giữa kiểu lớp và kiểu hạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LƯƠNG VĂN SỬ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC CẤU TRÚC XUYÊN NGẦM TỪ DẠNG LAI GIỮA KIỂU LỚP VÀ KIỂU HẠT Chuyên ngành : Khoa học Kỹ thuật vật liệu điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGUYỄN ANH TUẤN Hà Nội – 2011 Luận văn thạc sỹ MỤC LỤC                     Trang  TRANG PHỤ BÌA LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TÓM TẮT LUẬN VĂN CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀCẤU TRÚC HMTJ 1.1 GIớI THIệU CÁC CấU TRÚC MTJ 1.1.1 Màng mỏng cấu trúc đơn lớp GMTJ 1.1.2 Màng mỏng cấu trúc LMTJ 1.1.3 Cấu trúc HMTJ 1.2 MộT Số VấN Đề LÝ THUYếT 10 1.2.1 Khảo sát đặc trưng vật liệu phổ tổng trở CIS 10 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 18 2.1 CÔNG NGHệ CHế TạO MẫU 18 2.1.1 Kỹ thuật phún xạ 18 2.1.2 Một số yếu tố kỹ thuật phún xạ 21 2.1.3 Chuẩn bị bia, đế 23 2.1.4 Chế tạo mặt nạ 24 2.2 ĐO TÍNH CHấT CủA MẫU HMTJ 26 2.2.1 Đo tính chất từ 26 2.2.2 Đo đặc trưng phổ tổng trở (CIS) 27 2.3 CHế TạO Đế GÁ MẫU ĐO ĐặC TRƯNG ĐIệN 29 2.3.1 Chế tạo đế gá mẫu: 29 2.3.2 Gắn mẫu vào đế đo: 29 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 TÍNH CHấT Từ CủA CÁC CấU TRÚC HMTJ 31 3.1.1 Ảnh hưởng thành phần Co lên tính chất từ màng Co-Al2O3 31 3.1.2 3.2 Tính chất từ cấu trúc lớp (HMTJ): Co/Co-Al2O3/Co 34 PHổ TRở KHÁNG PHứC CủA CấU TRÚC HMTJ 40 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Luận văn thạc sỹ KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT MTJ Magnetic Tunnel Junction GMTJ Grain-type Magnetic Tunnel Junctions LTMJ Layer-type Magnetic Tunnel Junctions HMTJ Hybrid-type Magnetic Tunnel Junctions SDT Spin-Dependent Tunneling MR Magneto Resistance TMR Tunneling Magneto Resistance GMR Giant MagnetoResistance CIS Complex Impedance Spectroscopy 10 RF Radio Frequency 11 VSM Vibrating Sample Magnetometer 12 SQUID Superconducting Quantum Interference Device Luận văn thạc sỹ DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Ảnh TEM màng có tỷ lệ thành phần nguyên tử sắt từ thay đổi: a) Co71Al29, b) Co61Al26O13 c) Co56Al23O21, d) Co46Al19O35 e) Co38Al15O47 Hình 1.2 a) Đường cong I-V b) TMR phụ thuộc vào điện áp 4,2K [19]) .1 Hình 1.3 Dạng bất thường TMR đo từ trường lên tới 130 kOe 20K “Nguồn: nhóm tác giả O Chayka [20]” Hình 1.4 Vecto Fresnel mặt phẳng phức .11 Hình 1.5 Mạch điện a) , đường trở kháng b) biểu đồ Bode 11 Hình 1.6 Phổ trở kháng phức hệ O2, Pt/YSZ/Pt,O2 13 Hình 1.7: Mạch tương đương (a) đường trở kháng (b) rút từ lý thuyết phân cực điện tích không gian 15 Hình 1.8: Hệ có CIS bán cung tròn, a) Bán cung phổ tổng trở, b) sơ đồ mạch tương đương 16 Hình 1.9: Hệ có CIS cung tròn, a) bán cung phổ tổng trở, b) sơ đồ mạch tương đương 16 Hình 2.1: Nguyên lý trình hình thành màng phương pháp phún xạ 19 Hình 2.2: Hệ phún xạ RF Alcatel SCM-400 a)Máy phún xạ Alcatel, b)Nguồn RF 20 Hình 2.3: Dạng mẫu sau chế tạo xử lý (a) Nhìn từ xuống, (b) mặt cắt ngang Hình 2.4: Bia ghép Al2O3-Co Hình 2.5: Mask (Lớp điện cực Co) 24 Hình 2.6: Mask (Lớp Co-Al2O3) 24 Hình 2.7: Mask (Lớp điện cực Co) .25 Hình 2.8: Các mặt nạ dùng để phún xạ tạo mẫu Co/Co-Al2O3/Co 25 Hình 2.9: Sơ đồ khối từ kế mẫu rung 26 Hình 2.10: Đế gá mẫu đo CIS 29 Hình 2.11: Mẫu gá lên đế a) Mẫu Co/Co-Al2O3/Co trước gá b)Mẫu sau gá vào đế 29 Hình 2.12: Mẫu sau gắn keo Ag .30 Hình 2.13: Chiều dòng điện đo qua mẫu a)Đo điện cực(1-2), b)Đo điện cực(1-4), c)Đo điện cực(2-3), d)Đo điện cực(3-4) 30 Hình 3.1 VSM Co8%-Al2O3 (60nm) .31 Hình 3.2 VSM Co10%-Al2O3 (60nm) 32 Hình 3.3 VSM Co25%-Al2O3 (90nm) 32 Hình 3.4 VSM Co35%-Al2O3 (130nm) 33 Hình 3.5 Tổng hợp đường cong từ trễ Co-Al2O3 thay đổi tỷ phần Co từ 8%35% Al2O3 33 Danh mục hình vẽ Hình 3.6 VSM Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm) .34 Hình 3.7 VSM Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) .35 Hình 3.8 VSM Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) .35 Hình 3.9 a)VSM Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm) b) Co/Co10%Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) c) Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) 37 Hình 3.10 a)VSM Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm) b)Co/Co25%Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) c)Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) 38 Hình 3.11 a)VSM Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm) b)Co/Co35%Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) c)Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/130nm/90nm) .40 Hình 3.12: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm) .41 Hình 3.13: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) .41 Hình 3.14: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) .42 Hình 3.15: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm) 43 Hình 3.16: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) 43 Hình 3.17: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) 44 Hình 3.18: CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm) 44 Hình 3.19: CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) 45 Hình 3.20: CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm) 45 Hình 3.21: CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) 46 Hình 3.22: Hằng số điện môi Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) .47 Hình 3.23: Hằng số điện môi Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm) .48 Hình 3.24: Hằng số điện môi Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) .48 Hình 3.25: Hằng số điện môi Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm) .49 Hình 3.26: Hằng số điện môi Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) .50 Hình 3.27: Tổng hợp số điện môi phụ thuộc từ trường mẫu HMTJ 50 Luận văn thạc sỹ VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU KHÓA 2009 Tên luận văn: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC CẤU TRÚC XUYÊN NGẦM TỪ DẠNG LAI GIỮA KIỂU LỚP VÀ KIỂU HẠT Tác giả: Người hướng dẫn: Người nhận xét: LƯƠNG VĂN SỬ PGS, TS NGUYỄN ANH TUẤN Tóm tắtluận văn: Các cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (magnetic tunnel junction, MTJ) với lớp rào dạng hạt Co điện môi Al2O3 , gọi cấu trúc HMTJ hay cấu trúc MTJ dạng lai (hybrid-type magnetic tunnel junctions, HMTJ), kiểu màng mỏng lớp Co/Co-Al2O3/Co nghiên cứu chế tạo phương pháp phún xạ catốt với chiều dày lớp điện môi dạng hạt xen thay đổi khoảng từ 20-130 nm Một số tính chất từ, điện (có mặt từ trường ngoài) khảo sát nhằm tạo sở cho việc nghiên cứu việc chế tạo cấu trúc xuyên ngầm từ dạng lai hướng tới nghiên tượng vận chuyển đơn spin từ trường tượng điện môi siêu cao điều khiển từ trường Các tính chất từ cấu trúc HMTJ khảo sát phép đo từ độ; tính chất điện khảo sát kỹ thuật phổ trở kháng phức (Complex Impedance Spectroscopy, CIS) Các khảo sát thảo luận tập trung vào việc tìm hiểu thay đổi tính chất nêu theo thay đổi chiều dày lớp tỷ phần Co Al2O3 Từ thấy xu hướng ảnh hưởng yếu tố lên cấu trúc HMTJ, đưa chế thích hợp để giải thích Cũng sở định hướng cho việc cấu trúc trình xử lý phù hợp để chế tạo cấu trúc HMTJ Từ khóa: xuyên ngầm phụ thuộc spin (SDT); cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ); cấu trúc HMTJ (HMTJ); màng mỏng từ dạng lai; phổ trở kháng phức (CIS) Luận văn thạc sỹ INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE OF MATERIALS SCIENCE BATCH 2009 Title of MSc thesis: STUDY ON FABRICATION OF HYBRID – TYPE MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS (HMTJ) Author: Supervisor: Referees: LUONG VAN SU Dr NGUYEN ANH TUAN Abstract: The magnetic tunnel junction (MTJ) structures with the barrier layer of granular Co in dielectric Al2O3, which are hybrid-type structure, also called hybrid-type magnetic tunnel junctions (HMTJ), based on three layerCo/CoAl2O3/Co have been studied to prepare by cathode sputtering method with change of thickness of the dielectric layersCo-Al2O3 from 20 to130 nm Some magnetic andelectric properties (without and with presence ofexternal magnetic field) Which were surveyed to provide a basis for further research on the fabrication hybrid-type magnetic tunnel junction sand towards research on the phenomenon single spin transport in magnetic field sand ultra-high dielectric phenomena can be control by the external magnetic field Magnetic properties of the HMTJ structures were investigated by measurements of magnetization; electrical properties were investigated by complex impedance spectroscopy (CIS) technique Investigations and discussion in the thesis focused infinding out about changes in the properties from the thickness and the percentage of Co in the Al2O3 Therefor trend shows the influence of these factors on a structure HMTJ, and the suitable mechanisms to explain could be brought out Also on that basis to indicate the orientation of structures and processes appropriate to make the structure HMTJ Key words: spin-dependent tunneling (SDT); magnetic tunnel junction (MTJ); hybrid-type magnetic tunnel junctions (HMTJ); hybrid-type thin films; complex impedance spectroscopy (CIS) Cơ sở khoa học thực tiễn Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Cơ sở khoa học: Hiện tượng xuyên ngầm lượng tử phụ thuộc spin cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ kiểu lớp (LMTJ) cấu trúc kiểu hạt (GMTJ) Hiện tượng xuyên ngầm kiểu nhảy cóc hạt nano từ lớp rào dạng hạt nano cấu trúc lai kiểu lớp hạt (HMTJ) Cơ sở thực tiễn: Một số linh kiện ứng dụng hiệu ứng trên: (Van spin, cảm biến từ, linh kiện đơn spin) Luận văn thạc sỹ MỞ ĐẦU Trong 10 năm trở lại đây, màng mỏng có cấu trúc dạng hạt kim loại sắt từ kích thước nanô điện môi (chẳng hạn Co-Al-O, Co-Fe-Al-O, Co-Pt-AlO) quan tâm nghiên cứu đáng kể điểm lý thú tính chất vật lý khả ứng dụng chúng Từ kết nghiên cứu nhiều nhóm tác giả, thấy độ lớn gọi “từ điện trở kiểu xuyên ngầm (TMR)” “hay từ điện trở khổng lồ (GMR) màng mỏng từ dạng hạt cách điện” phụ thuộc mạnh vào vi cấu trúc mẫu Vi cấu trúc mẫu lại bị ảnh hưởng nhiều tham số, chẳng hạn phụ thuộc vào thành phần, nồng độ hạt sắt từ, nhiệt độ ủ, kiểu cấu trúc, bề dày lớp điện môi Vì vậy, việc nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng nói cung cấp cho ta nhiều thông tin bổ ích chế xuyên ngầm phụ thuộc spin kiểu màng mỏng dạng hạt sắt từ hay kiểu kết hợp lớp - hạt điện môi Và thực tế giới SDT thu hút nhiều nghiên cứu nhằm lý giải chất tượng màng mỏng dạng hạt sắt từ điện môi nói chung.Cũng nằm xu chung đó, nghiên cứu xuyên ngầm phụ thuộc spin phạm vi luận văn hướng tới mục đích sau: Nghiên cứu chế tạo cấu trúc HMTJ kiểu lớp kiểu hạt Khảo sát số tính chất từ, điện cấu trúc HMTJ Luận văn chia làm chương, với nét chương sau: Chương 1: Tổng quan cấu trúc HMTJ Giới thiệu nghiên cứu liên quan giới khái niệm Các phương pháp chế tạo mẫu dạng lớp, hạt Và số vấn đề lý thuyết Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm Trình bày phương pháp thực nghiệm chế tạo, xử lý, đo đạc phân tích mẫu sử dụng luận văn Chương 3: Kết thảo luận - Ảnh hưởng tỷ phần Co lớp hạt lên tính chất từ mẫu - Tính chất điện mẫu HMTJ qua phép phân tích đặc trưng phổ tổng trở CIS Chương I: Tổng quan cấu trúc HMTJ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀCẤU TRÚC HMTJ 1.1 Giới thiệu cấu trúc MTJ 1.1.1 Màng mỏng cấu trúc đơn lớp GMTJ Màng mỏng từ dạng hạt có cấu trúc đơn lớp M-Al-O gồm có hạt cấu tạo nguyên tử sắt từ M Co, Ni, Fe hay hợp kim chúng, nằm phân bố ngẫu nhiên oxit kim loại không dẫn điện Al2O3, MgO Do có tách pha hạt kim loại sắt từ M không hoà tantrong cách điện hạt kim loại sắt từ có xu hướng kết tụ lạithành cụm nhỏ cô lập Vào năm 1997 M.Ohnuma cộng [1] viện nghiên cứu vật liệu, trường đại học Tohoku Nhật Bản nghiên cứu chế tạo hệ màng mỏng dạng hạt Co-Al-O phương pháp phún xạ RF Họ quan sát cấu trúc màng Co-Al-O kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) thấy hình 1.1 Từ ảnh TEM cho ta biết thông tin thông số hình học hạt Co cách cụ thể Với mẫu màng Co71Al29 thấy hình 1.1-a, nhận thấy màng có cấu trúc dạng hạt rõ bao gồm hạt kim loại sắt từ Co có mật độ dày đặc, đóng thành cục không tạo biên hạt với hình thành lên hạt có kích thước lớn nằm xen lẫn kim loại Al Vùng có vết mầu sẫm hạt Co kết tụ lại tạo hạt có kích thước to vùng có vết sáng trắng hạt Al co cụm lại tạo kích thước hạt lớn nhìn thấy rõ qua ảnh trường sáng TEM Khi tỷ lệ thầnh phần Co giảm thay dần tỷ lệ thành phần oxy, màng tạo thay đổi mạnh vi cấu trúc màng Sự có mặt oxy màng tạo vùng biên phân cách hạt hạt kim loại Co bao quanh vùng có đốm sáng có kích thước hạt trung bình khoảng 2-3 nm thấy hình 1.1-b Quan sát ảnh trường sáng TEM nhận thấy vùng có đốm đen hạt kim loại Co vùng có đốm sáng biên bao quanh hạt Co tạo nên có mặt oxy hay Al2O3 Luận văn thạc sỹ Hình 3.12 đến hình 3.14 thể đường phổ CIS mẫu với 8% nguyên tử Co Trong điện môi Al2O3 Ở chiều dày khác lớp hạt từ 20 nm đến 60 nm từ trường H = Oe đến H = 3000 Oe (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) 200 -Z''(MΩ) 150 100 50 0 50 100 150 200 250 300 Z'(MΩ) Hình 3.12: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm) Mẫu sau tăng chiều dày lớp hạt xen lên 40 nm cho thấy dạng cung hở hình thành bán cung (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 3000 Oe) 1500 -Z''(MΩ) 1000 500 0 500 1000 1500 2000 Z'(MΩ) Hình 3.13: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) Tiếp tục tăng chiều dày lớp mẫu lên 60 nm hình thành bán cung hở thẳng đứng mẫu trước cho thấy cấu trúc tụ điện túy với môi trường điện môi Al2O3 kết thể hình 3.14 Với mẫu cho thấy phụ thuộc vào từ trường phổ CIS ta tăng từ trường đặt lên mẫu thay đổi phổ tổng trở Điều cho thấy thành phần lớp hạt Co xen có tỷ lệ thành phần chiều dày lớp Al2O3 lớn nên không điện tử bị ngăn cách lớp rào lớn tham gia vào trình xuyên ngầm 41 Chương III: Kết thảo luận -Z''(MΩ) 2000 (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) 1000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Z'(MΩ) Hình 3.14: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) Dạng đường cong kép chưa khép kín mẫu với tỷ phần 8% Co có phần đóng góp thành phần điện trở biên hạt Thành phần biên hạt gồm có Al Al2O3 Cụ thể, thành phần 8% ngtCo mẫu phổ CIS hình thành dạng bán cung tròn mà có dạng bán cung đơn chưa khép kín Điều có nghĩa trường hợp hình thành cấu trúc dạng hạt Co mà Co tồn dạng nguyên tử với số lượng Al2O3 Như gần cấu trúc dạng lớp Co/Al2O3/Co Do ảnh hưởng đến dạng đường cong phổ CIS nói điện trở điện cực cấu trúc điện mô tả dạng tụ điện với hai điện cực Ag môi trường điện môi Al2O3 Và thực tế phổ tổng trở tương ứng có trở kháng lớn Đối với mẫu 10% nguyên tử Co chiều dày lớp hạt 20nm, với thành phần Co tăng thêm mẫu trước xem xét Có thể thấy rằng, pha vật liệu xuất mẫu gồm có Co, Al, Al2O3 tăng thêm so với mẫu trước có 2% nguyên tử Co Nhưng có xuất cấu trúc kiểu tiếp xúc hai lớp Co Do đóng góp vào dạng đường cong phổ tổng trở hình 3.15 gồm hai thành phần điện trở tiếp xúc điện trở biên lớp tiếp xúc dạng đường cong cung kép, hình thành cấu trúc tụ điện kép Từ kết cho thấy ta tăng từ trường lên xu hướng phổ tổng trở thu lại phần thực phần ảo, mà giữ nguyên hai cung Như cho biết phổ CIS phụ thuộc vào từ trường ngoài, tăng từ trường độ dẫn mẫu tăng lên chứng tỏ xảy trình xuyên ngầm phụ thuộc spin mẫu nên làm tăng độ dẫn mẫu 42 Luận văn thạc sỹ (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) -Z''(MΩ) 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Z'(MΩ) Hình 3.15:CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm) Cùng mẫu tăng thêm chiều dày lên 40nm đường phổ CIS hình 3.16 cung đơn khép kín Điều cho thấy mẫu màng mỏng từ có cấu trúc kiểu tụ điện đơn lý tưởng bao gồm điện trở tụ mắc song song với Do chiều dày tăng nên điện môi có vài đám nguyên tử Co hình thành cấu trúc hạt Nên có tham gia điện trở hạt Co vào phổ CIS (H = Oe) (H = 500 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) -Z''(MΩ) 0,4 0,2 0,0 0,0 0,5 Z'(MΩ) Hình 3.16: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) Khi mẫu 10% ngt Co tăng thêm chiều dày mà lượng Co không tăng thêm lớp xen lại trở thành lớp điên môi, giống mẫu 8% ngt Co đường phổ CIS hình 3.17 lại đường cong hở không khép kín Cho thấy cấu trúc dạng lớp đơn Co/Al2O3/Co.Kết CIS mẫu tăng chiều dày cho thấy phụ thuộc phổ CIS vào từ trường Khi tăng từ trường độ dẫn tăng lên H = 500 Oe tăng tiếp tục từ trường lên đến H = 3000 OE không nhận thấy thay đổi thêm phổ CIS Có thể nói từ trường đến 500 Oe momen từ mẫu đạt trạng thái bão hòa 43 Chương III: Kết thảo luận điện tử xuyên ngầm với lượng không đổi nên ta tiếp tục tăng mà độ dẫn -Z''(MΩ) mẫu không tăng 160 140 120 100 80 60 40 20 (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) 50 100 150 200 250 300 350 Z'(MΩ) Hình 3.17:CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) Tiếp tục xem xét mẫu với tỷ phần nguyên tử Co tăng lên 25% thấy thành phần Co tăng lên 25% pha vật liệu tồn màng có Co, Al hợp kim Co Al, trường hợp nói đóng góp vào đường cong phổ tổng trở hạt nanô kim loại (Co, Al Co-Al) điện môi Al-O, dạng đường cong bán cung đơn khép kín Và kết hình 3.18 dạng phổ tổng trở cấu trúc kiểu có trở kháng nhỏ, phù hợp với tương quan điện trở mô hình hình 1.8a (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) 1,2 1,0 -Z''(MΩ) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Z'(MΩ) Hình 3.18:CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm) Nhận thấy phổ tổng trở mẫu chưa xử lý nhiệt phụ thuộc vào từ trường đặt vào mẫu Với mẫu 10% Co chiều dày lớp hạt 20nm phổ tổng trở có xu hướng co lại phần thực ảo tăng từ trường Cùng với mẫu 44 Luận văn thạc sỹ tăng chiều dày lên 40nm tăng từ trường từ H = Oe đến H = 500 Oe phổ tổng trở không tăng Khi tăng tỷ lệ phần trăm nguyên tử Co lớp hạt lên đến 25% cho điều tương tự với mẫu có chiều dày 30 nm ngược lại ta tàng tăng từ trường phần thực ảo phổ CIS đểu tăng lên, nói ta đặt chiều từ trường làm momen từ lớp Co xếp phản song so với mẫu khác làm cản trở xuyên ngầm điện dẫn tới làm tăng tổng trở mẫu kết hình 3.18 cho thấy tổng trở phần thực phần ảo tăng tăng từ trường Điều làm giảm độ dẫn mẫu 0,14 (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) (H = 3500 Oe) 0,12 -Z''(MΩ) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,0 0,1 0,2 0,3 Z'(MΩ) Hình 3.19: CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) (H = Oe) (H = 500 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) -Z''(MΩ) 0,2 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 Z'(MΩ) Hình 3.20:CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm) 45 -Z''(MΩ) Chương III: Kết thảo luận (H = Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 2500 Oe) (H = 3000 Oe) 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 Z'(MΩ) Hình 3.21:CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) Từ hình 3.20 hình 3.21là kết phổ CIS mẫu thành phần Co tăng lên 35% pha vật liệu tồn mẫugồm có Co, Al hợp kim Co Al, kết đóng góp vào phổ CIS hạt nanô kim loại (Co, Al Co-Al) điện môi Al2O3, dạng đường cong bán cung đơn khépkín Như từ kết đo phổ tổng trở CIS mẫu nhận định mẫu hình thành hạt ban đầu từ dạng nguyên tử Co giải giác điện môi Al2O3 tăng tỷ phần nguyển tử Co lên đến 35% hình thành hạt lớn có kích thước nano nằm Al2O3 hạt tạo tụ điện nhỏ cỡ nano Các tụ hay lực Coulomb cản trở trình vận chuyển điện tích điện tử Từ kết phân tích thấy rằng, kết hợp thông tin từ phép phân tích cấu trúc VSM CIS… cung cấp cho ta nhìn khái quát mối liên quan tính chất điện, tính chất từ, với thay đổi vi cấu trúc bên màng dạng hạt việc sử dụng phương pháp phân tích phổ CIS không cho phép khảo sát tiếp xúc điện cực mà cho phép phân tích gián tiếp cấu trúc mẫu, phụ thuộc phổ CIS từ trường, giúp ích nhiều việc giải thích mối quan hệ dạng phổ tổng trở tỷ phần nguyên tử Co màng Như cấu trúc HMTJ thông qua phép phân tích từ điện cho thấy chế 46 Luận văn thạc sỹ tạo thành công cấu trúc HMTJ lai kiểu lớp kiểu hạt với tỷ phần Co khác với bề dày khác lớp điện môi Al2O3 Từ kết đo phổ tổng trở CIS ta tính toán số điện môi cấu trúc tụ điện mẫu thông qua phép phân tích mạch điện tương đương đề cập đến phần lý thuyết phổ CIS ε(µF/m) 10% - 40nm 1,62 1,60 1,58 1,56 1,54 1,52 1,50 1,48 H(KOe) Hình 3.22: Hằng số điện môiCo/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm) Với mẫu có tỷ lệ thành phần Co 10% kết hình 3.22 cho thấy tăng từ trường số điện môi mẫu có xu hướng giảm Tuy lượng giảm chưa lớn cho thấy phổ tổng trở phụ thuộc vào từ trường hay số điện môi cấu trúc HMTJ dạng tụ điện phụ thuộc vào từ trường Kết hình 3.23 lại cho ta thông tin khác với kết trước: ban đầu tăng từ trường số điện môi tăng tương ứng cho kết lớn H = 1500 Oe đến H = 2000 Oe Nhưng tiếp tục tăng từ trường số điện môi lại giảm Như nói ban đầu từ trường tăng từ Oe đến 1000 Oe trình quay momen từ lớp Co có xu hướng song song tới hạn lớn số điện môi hoàn toàn phản song tiếp tục tăng từ trường 47 Chương III: Kết thảo luận từ 1500 Oe đến 3500 Oe momen từ tiếp tục quay có xu hướng tiến tới song song với nên số điện môi giảm 25% - 30nm 1,08 ε(µF/m) 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 H(KOe) Hình 3.23: Hằng số điện môiCo/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm) Đối với mẫu 25% Co tăng chiều dày trước (mẫu 25% - 30 nm) 90 nm Kết hình 3.24 cho thấy tăng từ trường số điện môi tăng tiếp tục tăng từ trường số điện môi lại không tăng Cho thấy trạng thái xuyên ngầm phụ thuộc spin với dòng xuyên ngầm ổn định, momen ε(µF/m) từ bão hòa 25% - 90nm 3,42 3,40 3,38 3,36 3,34 3,32 3,30 3,28 3,26 3,24 3,22 3,20 3,18 H(KOe) Hình 3.24: Hằng số điện môiCo/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) 48 Luận văn thạc sỹ Kết hình 3.25 cho kết gần tương tự hình 3.23 Nhưng tăng từ trường lớn số điện môi giảm trạng thái ban đầu từ trường Có thể ban đầu momen từ cấu trúc tự có xác lập số điện môi Khi đặt từ trường số điện môi có xu hướng tăng lên Khi tiếp tục tăng lớn 2000 Oe momen từ hoàn toàn song song tạo nên giá ε(µF/m) trị số điện môi thấp giá trị ban đầu 1,68 1,66 1,64 1,62 1,60 1,58 1,56 1,54 1,52 1,50 35% - 45nm H(KOe) Hình 3.25: Hằng số điện môiCo/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm) Với chiều dày mẫu tăng lên 90 nm ta nhận kết ngược lại với kết hình 3.25 ban đầu số điện môi lớn Nhưng tăng từ trường số điện môi có xu hướng giảm tới hạn 1000 Oe tiếp tục tăng từ trường lớn số điện môi lại tăng lên Có thể nói ban đầu momen từ lớp Co phản song nhau, tăng từ trường có xu hướng momen từ quay gần song song, tiếp tục tăng từ trường momen từ lại có xu hướng phản song không quay giá trị ban đầu 49 Chương III: Kết thảo luận 35% - 90nm 3,38 ε(µF/m) 3,36 3,34 3,32 3,30 3,28 3,26 H(KOe) Hình 3.26: Hằng số điện môiCo/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) Như qua kết phổ CIS phép phân tích mạch tương đương, cho thấy phụ thuộc từ trường số điện môi Nói lên tính chất cấu trúc lớp điện môi mà có tham gia Co với tỷ lệ thành phần chiều dày khác Sự đóng góp hạt Co vào trình xuyên ngầm phụ thuộc spin nói nên thay đổi độ dẫn hay tổng trở mẫu 3,5 3,0 10% 40nm(1) 25% 30nm(2) 25% 90nm(3) 35% 45nm(4) 35% 90nm(5) ε(µF/m) 2,5 2,0 1,5 1,0 H(KOe) Hình 3.27: Tổng hợp số điện môiphụ thuộc từ trường mẫu HMTJ 50 Luận văn thạc sỹ Từ kết tổng hợp số điện môi mẫu phụ thuộc vào từ trường cho thấy với tỷ lệ thành phần 35% tăng chiều dày lên gấp số điện môi tăng lên 1,99 ≈ lần.Và chiều dày 90 nm tăng từ 25% lên 35% nguyên tử Co số điện môi gần không tăng hệ số Với chiều dày mẫu 10% - 40nm với mẫu 35% -45nm có chiều dày gần tương đương số điện môi gần không thay đổi Như khoảng cách cực mà khác tỷ lệ thành phần Co số điện môi gần giữ nguyên Khi thay đổi chiều dày lớp hạt số điện môi thay đổi theo 51 Chương III: Kết thảo luận KẾT LUẬN Qua số kết nghiên cứu nhằm chế tạo cấu trúc HMTJ, rút số kết luận sau: Đã chế tạo thành công cấu trúc xuyên ngầm từ dạng lai kiểu lớp kiểu hạt Co/Co-Al2O3/Co phương pháp phún xạ rfvới chiều dày lớp dạng hạt CoAl2O3 thay đổi từ khoảng 20 nm đến 130 nm, nồng độ Co lớp dạng hạt thay đổi khoảng 8% đến 35% nguyên tử Tính chất từ màng dạng hạt đơn lớp cho thấy có thay đổi rõ rệt từ độ theo tỷ lệ thành phần Co: Màng có biểu hành vi thuận từ yếu sắt từ yếu nồng độ Co tăng từ 8% đến 35% nguyên tử Trạng thái liên kết từ hai lớp Co cấu trúc lai Co/Co-Al2O3/Co thể rõ thay đổi từ liên kết kiểu song song kiểu phản song chiều dày lớp xen Co-Al2O3 thay đổi từ 20 nm đến 130 nm Số liệu phổ tổng trở CIS phản ánh mẫu có cấu trúc kiểu tụ điện điển hình (thể qua bán cung hở khép kín) Hành vi xuyên ngầm hai điện cực Co thông qua chùm hạt Co lớp xen thay đổi rõ rệt tỷ lệ thành phần hạt Co tăng lên Quá trình xuyên ngầm phụ thuộc spin qua cấu trúc MTJ lai đánh giá qua số liệu phổ CIS phụ thuộc vào từ trường Từ trường lớn dòng xuyên ngầm cao.Đặc biệt thấy phụ thuộc từ trường số điện môi cấu trúc MTJ dạng lai Kết thu từ luận văn bước đầu, gợi mở số hướng nghiên cứu thực tương lai 52 Luận văn thạc sỹ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] M Ohnuma K.Hono, E Abe, and H.Ondera, S Mitani and H Fujimori, , J Magn Appl.Phys 82, 5646 (1997) [2] X Zhang, B, Z Li, G.Sun, and F Pu, “spin-polarized tunneling and magnetiresistance in ferromagnetic/Insulator (semiconductor) single and double tunel junctions subjected to an electric field”, Phys Rev.B,56 (9):5484-5488 (1997) [3] J Chiba, S Mitani, K Takanashi and H Fujimori, “STM observation of metalnonmetal granunar thin films”, J.Magn Soc Japan, Vol.23, 82-84 (1999) [4] M.Julliere, “Tunneling between ferromagnetic films”, Phys Lett, Vol 54A, pp 225-226 (1975) [5] S Mitani, K Takanashi K Yakushiji, S Maekawa, H Fujimori “Anomalous behavior of temprature and bias-voltage dependence of tunnel-type giant magnetoresistance in insulating granular systems”, J.Appl.Phys Vol 83,6524-6524 (1998) [6] S Mitani, S Takanashi, K Takanashi K Yakushiji, S Maekawa, H Fujimori “Enhanced magnetorresistance in insulating granular systems: Evidence for higherorder tunneling” Phys, Rev Lett 28, 2799-2802 (1998) [7] J.M Daughton, J Appl Phys., 81(18) (1997) 3758 Hoặc Nonvolatile Electronics, Inc (1999) in http://www.nve.com/index html [8] H Fujimori, S Mitani, S Ohnuma, Mater Sci Eng B31 (1995) 219 [9] J I Gittleman, Y Goldstein and S Bozowski, Phys Rev B (1972) 3609 [10] S Barzilai, Y Goldstein, I Balberg and J S Helman, Phys Rev B 23 (1981) 1809 [11] S Mitani, H Fujimori, S Ohnuma J Magn Magn Mater 165 (1997) 141 [12] S Mitani, H Fujimori, S Ohnuma, J Magn Magn Mater 177-181 (1998) 919 53 Tài liệu tham khảo [13] S Mitani, H Fujimori, 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 198-199 (1999) 179 [14] S Mitani, K Takanashi, K Yakushiji, J Chiba, H Fujimori Mater Sci Eng B84 (2001) 120 [15] S Kaji, G Oomi, S Mitani, K Takanashi J Magn Magn Mater 272-276 (2004) 1829 [16] H Fujimori, S Mitani, S Ohnuma, Mater Sci Eng B31 (1995) 219 [17] S Mitani, H Fujimori, S Ohnuma, J Magn Magn Mater 177-181 (1998) 919 [18] P Sheng, B Abeles, and Y Arie, Phys Rev Lett 31 (1973) 44 [19] K Yamane, K Yakushiji, F Ernult, M Matsuura, S Mitani, K Takanashi, H Fujimori J Magn Magn Mater 272-276 (2004) e1091 [20] O Chayka, L Kraus, P Lobotka, V Sechovsky, T Kocourek, M Jelinek J Magn Magn Mater 300 (2006) 293 [21] J.-G Kim,J -G Ha, J.-H Koh, S.-M Lim, C.-W Kim Thin Solid Films 515 (2006) 2562 [22] K Yakushiji, S Mitani,F Ernult, K Takanashi, H Fujimori: Physics Reports 451 (2007) [23] S Mitani, H Fujimori, 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 198-199 (1999) 179 Tiếng Việt: [24] Lưu Văn Thiêm (2006) “Màng mỏng từ dạng hạt không dẫn điện MAl-O” Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu ITIMS - Đại học Bách Khoa Hà Nội [25] Triệu Tiến Dũng (2007), “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 54 Luận văn thạc sỹ [26] Vũ Thị Hoài Hương (2009), “Nghiên cứu chế tạo số tính chất từ điện cấu trúc MTJ kép”Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu ITIMS - Đại học Bách Khoa Hà Nội 55 ... tượng xuyên ngầm lượng tử phụ thuộc spin cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ kiểu lớp (LMTJ) cấu trúc kiểu hạt (GMTJ) Hiện tượng xuyên ngầm kiểu nhảy cóc hạt nano từ lớp rào dạng hạt nano cấu trúc lai. .. thuộc từ trường mẫu HMTJ 50 Luận văn thạc sỹ VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU KHÓA 2009 Tên luận văn: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC CẤU TRÚC XUYÊN NGẦM TỪ DẠNG LAI GIỮA KIỂU LỚP VÀ KIỂU HẠT Tác... nhằm tạo sở cho việc nghiên cứu việc chế tạo cấu trúc xuyên ngầm từ dạng lai hướng tới nghiên tượng vận chuyển đơn spin từ trường tượng điện môi siêu cao điều khiển từ trường Các tính chất từ cấu