0

9 9 0

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 19/01/2021, 09:22

Hiệu ứng từ trở của cấu trúc này được biết không chỉ bị ảnh hưởng lớn bởi lớp.. tiếp xúc giữa các bề mặt của các lớp màng mỏng với nhau mà còn bị ảnh.[r] (1)TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐẠI HỌC OSAKA, NHẬT BẢN CÁC HIỆU ỨNG LƯỢNG TỬ TRONG CÁC CHUYỂN TIẾP VỚI HÀNG RÀO THẾ MgO ĐỖ BẰNG (2)I TỔNG QUAN Hiệu ứng từ trở xuyên ngầm (Tunnel magnetoresistance effect – TMR) trong cấu trúc chuyển tiếp từ (Magnetic tunnel junction – MTJ) với hàng rào thế lớp đơn tinh thể Mg0 định hướng (100) (xem hình 1a) đặc biệt quan tâm nghiên cứu ứng dụng [1] Giá trị từ trở xác định khác nhau điện trở chuyển tiếp từ có lớp sắt từ (lớp quay tự do) lớp sắt từ (lớp bị ghim) trạng thái song song (Rp) phản song song (Rap) với nhau từ trường ngồi (hình 1b) Do hiệu ứng cho giá trị từ trở lớn nhiệt độ phòng cho phép ứng dụng vào linh kiện spin-điển tử hệ Hiệu ứng từ trở cấu trúc biết không bị ảnh hưởng lớn lớp tiếp xúc bề mặt lớp màng mỏng với mà bị ảnh hưởng hiệu ứng lượng tử xảy bên lớp bề mặt, ví dụ hiệu ứng tán xạ giao thao điện tử dẫn Cũng hiệu ứng gây tạn xá phonon, tán xạ của điện tử dẫn với tạp từ gây hiệu ứng Kondo magnon tại nhiệt độ đủ thấp làm giảm đáng kể giá trị từ trở Trong đó, hiệu ứng Kondo xem tượng tăng giá trị điện trở mẫu có chứa tạp từ khi nhiệt độ mẫu giảm giá trị định (nhiệt độ Kondo) tán xạ không bảo toàn điện tử dẫn với tạp từ [2] Hiệu ứng magnon gây TMR ≡ (RAP-RP)/RP T M R ( % ) Lớp sắt từ Lớp rào MgO Lớp sắt từ (a) (b) (3)từ sai hỏng cấu trúc mạng tinh thể làm thay đổi xác suất chuyển động xuyên ngầm qua lớp hàng rào [3] Nhiều mơ hình hiệu ứng Kondo magnon nghiên cứu áp dụng cho mẫu cấu trúc đơn lớp, đa lớp và cấu trúc chuyển tiếp từ với hàng rào nhơm ơxít, Al-O Tuy nhiên chế hiệu ứng chưa thống rõ ràng, đặc biệt cấu trúc chuyển tiếp sắt từ - MgO Trong đó, hiệu ứng giao thao điện tử dẫn lớp sắt từ siêu mỏng tạo trạng thái cộng hưởng tham gia vào trình dẫn làm tăng giá trị từ trở cấu trúc gồm có lớp sắt từ siêu mỏng [4] Việc nghiên cứu khảo sát hiệu ứng giao thao lượng tử nhiệt độ phòng chưa đạt kết cao Do bên cạnh việc nghiên cứu hiệu ứng Kondo va magnon cấu trúc chuyển tiếp sắt từ-MgO để làm rõ chế cũng hạn chế hiệu ứng này, việc nghiên cứu hiệu ứng giao thao lượng tử nhiệt độ phịng góp phần làm rõ chế chuyển động xuyên ngầm các điện tử dẫn qua lớp cách điện MgO làm tăng giá trị từ trở mẫu mục tiêu nghiên cứu luận án II THỰC NGIỆM Các mẫu sử dụng nghiên cứu khảo sát hiệu ứng Kondo và magnon chế tạo công nghệ phún xạ hệ (Canon ANELVA C-7100) với cấu trúc đa lớp gồm: CoFeB(3 nm)/MgO(1,75 nm)/CoFeB(t nm)/-CoFe(3-t nm) Trong thành phần Boron thay đổi với mục đích khảo sát sử ảnh hưởng tới hiệu ứng Ngoài ra, mẫu sử dụng để khảo sát hiệu ứng giao thao lượng tử chế tạo phương pháp epitaxy đơn tinh thể với lớp sắt từ siêu mỏng từ – 1,43 nm Các mẫu chế tạo thành chuyển tiếp từ có kích thước từ 0.2 × 0.5 n ì 10 àm2 bng phng phỏp to ảnh chùm điện tử Với mẫu nghiên cứu hiệu ứng giao thao lượng tử chế tạo đế MgO nhằm đảm bảo tính đồng chất lượng mẫu tính hệ thống độ dày (4)Điện trở độ dẫn động mẫu đo phương pháp look-in các điều kiện nhiệt độ từ trường khác hệ Physics Properties Measurement System (PPMS) Hiệu ứng spin-diode đo với chiều có giá trị thay đổi từ - 400 đến + 400 mV nhằm khảo sát ảnh hưởng các trạng thái cộng hưởng tới tín hiệu cộng hưởng chuyển động tiến động spin điện tử với tần số dòng xoay chiều III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 1 Hiệu ứng Kondo chuyển tiếp sắt từ - MgO Kết từ phép đo phổ d2I/dV2 nhiệt độ K mẫu có cấu trúc CoFeB/MgO/CoFeB(x) trạng thái song song (P) phản song song (AP) (hình 2a), ta quan sát thấy định điện khoảng – mV (được đánh dấu: ZBA (Zero Bias Anomaly)) Các đỉnh khảo sát kết luận hiệu ứng Kondo mẫu có chứa tạp từ gây Để tìm chế hiệu ứng Kondo mẫu, phổ d2I/dV2 được khảo sát nhiệt độ khác Kết thu tính tích phân để có thể thu phổ dI/dV Giá trị dI/dV (V = 0) điện vẽ một hàm phụ thuộc vào nhiệt độ (hình 2b) Các kết thực nghiệm sau được khớp với phương trình lý thuyết mơ hình hiệu ứng Kondo gây 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 1 10 100 d I / d V d I / d V d I / d V d I / d V V= 0 ( 1 0 -3 / ΩΩΩΩ ) Temperature (K) Hình (a) Phổ d2I/dV2 mẫu có cấu trúc CoFeB/MgO CoFeB(x) trạng thái song song (P) phản song song (AP) nhiệt độ K Kết khớp phương trình lý thuyết (1) kết thực nghiệm (5)hiện ứng giao thao Fano điện tử chuyển động xuyên ngầm trực tiếp gián tiếp qua tán xạ với tạp từ [5]: (1) Kết thu nhiệt độ Kondo tạp từ khoảng 80-100 K Các phép đo tương tự thực với mẫu có thành phần Boron khác Tuy nhiên kết thu cho thấy nhiệt độ Kondo không phụ thuộc vào thành phần Boron mẫu Do ta kết luận hiệu ứng Kondo trong mẫu gây tán xạ điện tử dẫn với tạp từ Fe, Co, Mn các lớp CoFeB MgO khuếch tán trình ủ mẫu nhiệt độ 360oC 2 Hiệu ứng Magnon chuyển tiếp sắt từ - MgO Bên cạnh việc quan sát đỉnh gây hiệu ứng Kondo phổ d2I/dV2 (hình 2a) trình bày, cịn quan sát đỉnh rộng điện cao từ khoảng 10 - 40 mV (đánh dấu: mag) Tuy nhiên, đỉnh quan sát mẫu trạng thái phản song song xem gây hiệu ứng magnon, hiệu ứng đảo spin điện tử sau tán xạ với tạp từ sai hỏng cấu trúc mạng Như vậy, hiệu ứng magnon góp phần làm tăng độ dẫn, giảm điện trở mẫu trạng thái phản song song khi điện nhiệt độ tăng Kết làm giảm giá trị từ trở mẫu so sánh với kết thu nhiệt độ điện thấp xấp xỉ (các điểm thực nghiệm biễu diễn hình tam giác hình 3) Tương tự, kết thực nghiệm khớp với phương trình các mơ hình lý thuyết [6, 7] (2a) (2b) (((( ))))            ∝ ∝∝ ∝ −−−− ∗∗∗∗∗∗∗∗ ∗∗∗∗ ∗∗∗∗ ∗∗∗∗       −−−− ++++       ++++ ++++ ∗∗∗∗ 2 , , ln ln / ln ln 2 2 2 2 T a T T a T T T f ππππ T* << (1a) ((((q2 f))))/((((1 f)))), dV dI −−−− −−−− ∝ ∝ ∝ ∝       ∆∆∆∆ T* >> (1b) (6)Từ kết thu dạng phổ d2I/dV2, ta kết luận hiệu ứng magnon mẫu chuyển tiếp sắt từ - MgO, CoFeB/MgO/CoFeB, phù hợp với mơ hình sóng spin chiều (2D) biểu diễn phương trình 2a Điều có nghĩa hiệu ứng magnon mẫu gây tán xạ của điện tử dẫn với tạp từ bề mặt tiếp xúc lớp CoFeB MgO có kích thước mỏng từ đến lớp nguyên tử (2D) 3 Hiệu ứng giao thao lượng tử chuyển tiếp sắt từ - MgO Các tính tốn lý thuyết hiệu ứng giao thao lượng tử chuyển tiếp sắt từ -MgO cho thấy giá trị từ trở mẫu tăng từ đến bậc điện tương ứng với lượng trạng thái cộng hưởng (quantum well resonant states) Mặt khác, tượng giao thao lượng tử dễ dàng thu được cách chèn lớp kim loại siêu mỏng cỡ 1nm vào lớp hàng rào MgO điện cực Trong nghiên cứu này, hiệu ứng giao thao lượng tử được quan sát lớp Fe có độ dày từ 0-1.43 nm chèn vào lớp MgO lớp Cr chuyển tiếp sắt từ - MgO, cấu trúc Cr/Fe(siêu mỏng)/MgO/Fe Các trạng thái giao thao cộng hưởng dễ dàng quan sát bằng phép đo phổ dI/dV Trong đó, trạng thái cộng hưởng tương ứng với các đỉnh cực đại phổ dI/dV mẫu trạng thái song song (hình 4a) Các Hình Sự phụ thuộc nhiệt độ giá trị điện trở mẫu CoFeB/MgO/CoFeB (7)thu vị trí trạng thái cộng hưởng phụ thuộc vào độ dày lớp sắt Kết mối liên hệ độ dày lớp Fe lượng trạng thái cộng hưởng biểu diễn hình (4b) (3) Qua việc so sánh giá trị thực nghiệm với tính tốn lý thuyết phương trình (3) cho thấy kết thu phù hợp với chất lượng mẫu không bị ảnh hưởng nhiều hàng rào MgO bốc bay lớp Fe siêu mỏng 4 Ảnh hưởng trạng thái giao thao cộng hưởng tới tính chất phổ spin-diode. Phổ spin-diode xem phép đo hữu hiệu để kiểm tra tính chất của tượng cộng hưởng chuyển động tiến động spin điện tử tương ứng với tần số dòng xoay chiều [8] Khi tưởng cộng hưởng xảy ra, một chiều tạo mẫu quan sát đỉnh cực đại tần số cộng hưởng Hình biểu diễn đặc trưng phổ spin-diode mẫu chuyển tiếp từ - MgO có cấu trúc Cr/Fe(10 lớp nguyên tử)/MgO/Fe Để khảo sát ảnh hưởng trạng thái giao thao cộng hưởng tới giá trị biên độ -1000 -500 500 1000 2 ML ML ML ML 10 ML 20 nm d I/ d V ( a u ) Bias voltage (m V) 0 - 0 - 0 0 0 R e f [ ] F e -t h ic k n e s s ( M L ) B ia s v o lt a g e ( m V ) - - 0 2 Hình (a) Phổ dI/dV chuyển tiếp sắt từ -MgO với độ dày lớp Fe khác Sự phụ thuộc vị trí lượng cộng hưởng vào độ dày lớp Fe (b) thực nghiệm, (c) lý thuyết phương trình (3) (((( ))))d ϕϕϕϕ ϕϕϕϕ nππππ kFe,↑↑↑↑ ΓΓΓΓ . Fe ++++∆∆∆∆ Fe,MgO ++++∆∆∆∆ Fe,Cr ==== 2 (a) (b) (8)chiều, phổ spin-diode đo với giá trị dòng chiều khác Biên độ đỉnh cộng hưởng phụ thuộc vào chiều biểu diễn hình nhỏ phía hình So sánh với đặc trưng lượng trạng thái giao thao lượng tử (hình nhỏ phía hình 5), ta thấy biên độ của đỉnh cộng hưởng tăng từ đến lần điện tương ứng với vị trí lượng trạng thái cộng hưởng Từ kết cho thấy, hiệu ứng giao thao lượng tử khơng góp phần làm tăng giá trị từ trở mẫu mà làm thay đổi tính chất phổ spin-diode IV KẾT LUẬN Qua việc khảo sát phổ d2I/dV2 mẫu CoFeB/MgO/CoFeB(x) các nhiệt độ khác nhau, hiệu ứng Kondo xem có nhiệt độ Kondo khoảng 80 – 100 K phù hợp với mơ hình lý thuyết hiệu ứng Kondo gắn liền với tượng giao thao Fano điện tử dẫn chuyển động không bị tán xạ điện tử bị tán xạ tạp từ Kết cho thấy tạp từ Fe, Co Mn khuếch tán vào lớp điện cực MgO trong trình ủ mẫu nhiệt độ cao Hiệu ứng magnon đồng thời khảo sát với mẫu Kết quả cho thấy mơ hình magnon chiều phù hợp với kết thực nghiệm Các Hình Phổ spin-diode mẫu chuyển tiếp từ - MgO có cấu trúc Cr/Fe(10 lớp (9)tán xạ điện tử với tạp từ sai hỏng bề mặt tiếp xúc lớp điện cực lớp MgO Hiệu ứng giao thao lượng tử quan sát mẫu có cấu trúc Cr/Fe(độ dày vài lớp nguyên tử)/MgO/Fe không làm tăng giá trị từ trở mẫu mà làm thay đổi tính chất cơng hưởng spin mẫu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Yuasa, T Nagahama, A Fukushima, Y Suzuki, and K Ando, Nature Mater 3, 868 (2004) [2] J Kondo Progr Theore Phys (Kyoto) 2, 772 (1962) [3] J S Moodera, J Nowak, and R J M van de Veerdonk, Phys Rev Lett 80, 2941 (1998) [4] Z Y Lu, X –G Zhang, and S T Pantelides, Phys Rev Lett 94, 207210 (2005) [5] E Minamitani, H Nakanishi, W A Diño, and H Kasai, J Phys Soc Japan 78, 084705 (2009) [6] S Zhang, P M Levy, A C Marley, and S S P Parkin, Phys Rev Lett 79, 3744 (1997) [7] X G-.Zhang, Y Wang, and X F Han, Phys Rev B 77, 144431 (2008) [8] H Kubota, A Fukushima, K Yakushiji, T Nagahama, S Yuasa, K Ando, H Maehara, Y Nagamine, K Tsunekawa, D D Djayaprawira, N Watanabe and Y
- Xem thêm -

Xem thêm: ,

Hình ảnh liên quan

Hình 1. (a). Cấu trúc chuyển tiếp sắt từ với hàng rào thế MgO ở trạng thái song song và phản song song -

Hình 1..

(a). Cấu trúc chuyển tiếp sắt từ với hàng rào thế MgO ở trạng thái song song và phản song song Xem tại trang 2 của tài liệu.
Hình 2. (a). Phổ d2I/dV2 của mẫu có cấu trúc CoFeB/MgO CoFeB(x) ở các trạng thái  song  song  (P)  và  phản  song  song  (AP)  tại  nhiệt độ  2  K -

Hình 2..

(a). Phổ d2I/dV2 của mẫu có cấu trúc CoFeB/MgO CoFeB(x) ở các trạng thái song song (P) và phản song song (AP) tại nhiệt độ 2 K Xem tại trang 4 của tài liệu.
Hình 3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của giá trị điện trở của mẫu CoFeB/MgO/CoFeB -

Hình 3..

Sự phụ thuộc nhiệt độ của giá trị điện trở của mẫu CoFeB/MgO/CoFeB Xem tại trang 6 của tài liệu.
Hình 4. (a) Phổ dI/dV của các chuyển tiếp sắt từ-MgO với các độ dày của lớp Fe khác nhau -

Hình 4..

(a) Phổ dI/dV của các chuyển tiếp sắt từ-MgO với các độ dày của lớp Fe khác nhau Xem tại trang 7 của tài liệu.
Hình 5. Phổ spin-diode của mẫu chuyển tiếp từ-MgO có cấu trúc Cr/Fe(10 lớp nguyên tử)/MgO/Fe và ảnh hưởng của các trạng thái giao thao cong hưởng -

Hình 5..

Phổ spin-diode của mẫu chuyển tiếp từ-MgO có cấu trúc Cr/Fe(10 lớp nguyên tử)/MgO/Fe và ảnh hưởng của các trạng thái giao thao cong hưởng Xem tại trang 8 của tài liệu.