Nhìn chung, tỉ số TMR giảm rất mạnh khi tăng hiệu điện thế giưa hai điện cực. Đó là do ảnh hưởng của điện trường lên hình dạng của hàng rào thế. Sự tăng của hiệu điện thế làm tăng tổng độ dẫn và do đó làm giảm tỉ số TMR. Giá trị tính toán lý thuyết của tỉ số TMR theo mô hình điện tử tự do giảm chậm hơn nhiều so với sự suy giảm thu được từ kết quả thực nghiệm, đặc biệt là ở vùng hiệu điện thế thấp. Ngoài ra sự phụ thuộc vào năng lượng của độ phân cực spin so ảnh hưởng của cấu trúc vùng cũng xó thể làm giảm tỉ số TMR ở vùng hiệu điện thế cao.
Trong thực tế sự suy giảm mạnh của tỉ số TMR có thể do ảnh hưởng của các magnon bên trong lớp sắt từ, chúng cung cấp thêm năng lượng cho các điện tử, gây ra sự bất trật tự của các spin của điện tử xuyên hầm và do đó làm tăng tổng độ dẫn. Tuy nhiên, cơ chế này không phải lúc nào cũng có thể giải thich được kết quả thực nghiệm rằng sự phụ thuộc của tỉ số TMR vào hiệu điện thế là do sự phụ của nó cào độ cao và chiều rộng của hàng rào.
2.8.4. Chiều cao rào thế và tính chất chuyển cục bộ
Để có thêt chế tạo được các tiếp xúc xuyên hầm sử dụng được trong các đầu đọc hoặc các bộ nhơ truy cập ngẫu nhiên( random access memory -RAM) thì điện trở của tiếp xúc xuyên hầm phải được kiểm soát một cách chính xác và sự thăng giáng của điện trở này càng nhỏ càng tốt. Chính vì lý do đó mà các đặc trưng của tính chất chuyển cục bộ
HV: Lê Phúc Quý Page 25
Lớp phản sắt từ Al2O3 Lớp phản sắt từ Lớp từ bị ghim Lớp từ mềm Lớp từ bị ghim
cần được nghiên cứu và mô tả kỹ càng. Thông thường, để làm việc này người ta dùng một hệ kính hiển vi quét đầu dò vào gồm một hiển vi lực nguyên tử (AFM)và một hiển vi quét xuyên hầm (STM). Đó thực sự là một trong những công cụ hiệu quả nhất để có thể thu được các đặc trưng về tính chất điện của một hệ kích thước bé ở thang nano mét.
Để có thể thảo luận một cách định lượng chất lượng của rào thế, đặc trưng I-V của những điểm khác nhau được khảo sát. Các đặc trưng này được làm khớp bởi công thức Simmon để thu được chiều cao rào thế và φ
độ dày hiệu dụng w của rào thế. Kết quả cho thấy độ dày hiệu dụng tại các điểm đó gần như là bằng nhau trong khi chiều cao rào thế lại thay đổi theo từng vùng. Mặt khác, sự sai khác này không phải là do sự bất đồng nhất gây nên về mặt hình thái gây nên. Kết quả này chỉ ra rằng độ tương phản trên cao rào thế cục bộ. Sự phân bố cục bộ này có thể là do sự thiếu O2 trong quá trình hình thành lớp oxit ở mức độ nguyên tử so với thành phần danh định gây nên.
Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng, ảnh điện thu được sau quá trình ủ nhiệt cho độ tương phản đồng đều hơn. Điều này giải thích tại sao giá trị TMR thu được lại tăng lên khi mẫu được ủ nhiệt ở một khoảng nhiệt độ thích hợp.
2.8.5. Tiếp xúc xuyên hầm kép.
Tiếp xúc xuyên hầm thuộc spin kép bao gồm ba lớp sắt từ được ngăn cách bởi hai lớp hàng rào bằng vật liệu cách điện như mô tả trên hình 2.8. Trong đó hai lớp sắt từ bị ghim chặt nhờ tương tác trao đổi với hai lớp phản sắt từ. Lớp sắt từ chính giữa được chế tạo từ vật liệu sắt từ mềm sao cho chỉ cần một từ trường ngoài nhỏ thì từ độ của nó vẫn có thể bị quay theo chiều của từ trường ngoài.
Hình 2.8 : cấu trúc xuyên hầm phụ thuộc spin kép
Điện tử sẽ thực hiện xuyên hầm ngang qua hai lớp hàng rào. Hiệu ứng TMR trong trường hợp này về cơ bản cũng giống như trong trường hợp một hàng rào nhưng có giá trị cao hơn. Giá trị lớn nhất ở nhiệt độ phòng của TMR đã đạt được ở hệ hàng rào kép này cho đến nay là trên 40% ở hệ màng NiFe/IrMn/CoFe/Al2O3/Co9Fe/Al2O3/CoFe/IrMn/NiFe. Giá trị TMR nhận được ở nhiệt độ phòng lớn hơn giá trị tính toán theo mo hinh Julliere
HV: Lê Phúc Quý Page 26
sử dụng độ phân cực spin của CoFe, Co9Fe và có tính đến sự phụ thuộc nhiệt độ của TMR. Giá trị này cũng lớn hơn giá trị nhận được từ hàng rào đơn CoFe/Al2O3/Co9Fe. Nguyên nhân có thể là ngoài sự xuyên hầm liên tiếp giữa hai lớp CoFe xuyên hầm trực tiếp giữa ba lớp CoFe/Al2O3/Co9Fe.
HV: Lê Phúc Quý Page 27
Hình 2.9 : TMR và điện trở của hệ rào kép chế tạo bằng kĩ thuật quang khắc và khắc ion
Chương III: Ứng Dụng
Hiệu ứng từ trở xuyên hầm đang được sử dụng trong các linh kiện thế hệ spintronic thứ nhất, điển hình là các bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM) không tự xóa, các transistor sử dụng tiếp xúc spin chui hầm và trong các cảm biến chất lượng cao...
3.1. Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) :
MRAM là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính. Nó ghi nhớ dữ liệu bằng các thuộc tính từ, có khả năng lưu trữ thông tin như một ổ đĩa cứng, thậm chí có thể lưu trữ thông tin ngay cả khi dòng điện đã bị ngắt. Các bộ nhớ MRAM có tốc độ đọc và ghi nhanh hơn nhiều và không hề bị suy giảm theo thời gian.
Hình 3.1.: Tín hiệu TMR khi cấp từ trường
ngoài, Xuất hiện hai trạng thái bit rõ rệt trong o MRAM.
Trong MRAM, mỗi bit nhớ chiếm dữ một ô và cũng được gọi là một bit stack nó bao gồm một vài lớp mỏng. Ở đây hiệu ứng từ trở xuyên hầm TMR (Tunneling Magnetoresistive) được sử dụng và hoạt động trong mỗi ô nhớ. Thực vậy bit được đọc một cách chính xác dựa vào sự thay đổi đột ngột điện trở (và kéo theo cả điện thế) có thể dễ dàng nhận biết được: tín hiệu TMR ở mức cao tách biệt khá lớn so với mức thấp về mặt điện trở do vậy nên hình thành trạng thái của hai bit.
3.1.1. Kiến trúc của MRAM
Để thiết kế một linh kiện MRAM, các bit stack đ ược xắp xếp trong một ma trận hình chữ nhật của bit line và word line. Thể hiện trên hình 7.
Khi một bit cell transistor đóng (turn on), dòng điện được cung cấp cho bit line, xác định bit, và như vậy bit được đọc. Để viết được thì quan trọng là hai trường điện từ: khi chọn
HV: Lê Phúc Quý Page 28 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
bit transistor tắt (off) và nguồn cung cấp cho bit line, word line và tất cả những bit dọc cả hai line sẽ được ‘chọn phân nửa’ (‘half-selected’), nhưng tổng từ trường sẽ chỉ đủ ở giao của chúng. Khi chọn bit cell thì chỉ bit nay bị thay đổi. Hình 8 mô tả quá trình viết của một MRAM ma trận.
Hình 3.2. các bit cell sắp xếp theo ma trận.
Bit điện trở chính xác định hằng số thời gian RC và thời gian đọc dữ liệu, ví dụ ô có giá trị điện trở 10 kΩ cho phép thời gian truy xuất cỡ nano giây (ns). Tich điện trở ×diện tích (R × A) được xác định độ cao rào chắn xuyên hầm φ và độ dày t. Giá tri điện trở dao động xung quanh tâm phụ thuộc vào lớp tiếp giáp, điều chỉnh đường kính và độ dày hàng rào ngăn cách không đồng nhất gây ra bởi sự ghồ ghề của điện cực. Có thể giữ tín hiệu TMR cực đại với giá trị R×A trong khoảng 100-106 Ω.μm2, độ dày lớp AlOx trong khoảng 9 Å và 20 Å Rất nhiều nghiên cứu đã thực hiện nhằm giảm giá trị R×A xuống tới 1 Ω.μm2 nhưng vẫn giữ đầy đủ tính chất TMR để cho phép sử dụng chuyển đổi spin để đảo ngược độ từ hóa và ghi các bit trên ô. Bit trên ô cũng được quét giá trị R×A thấp và giữ giá trị bit điện trở xác định, trong khi ô bit thấp hơn 90 nm
3.1.2. Cách thức hoạt động của MRAM3.1.2. .1. Quá trình đọc 3.1.2. .1. Quá trình đọc
Thiết bị được đọc bằng cách đo điện trở tác động của cấu trúc, nó có liên quan tới chức năng trạng thái của lớp không từ. Để làm được điều này lớp không từ được kết nối với một dây dẫn điện, được gọi là bit line, và lớp đáy được kết nối với một transistor có thể đóng (turned on). Sau đó cấp dòng điện cho bit line, dòng điện sẽ chảy qua bit stack và đồng thời cũng qua transistor.
Để truy xuất trạng thái bit, điện trở bit được so sánh với giá trị điện trở nằm giữa
giá trị bit cao (Rhigh) và bit thấp (Rlow). Giá trị điện trở mằn trong khoảng Rhigh và
Rlow phải được giảm khi. Vì vậy tồn tại một giá trị điện thế thuận lợi để đọc l à xấp xỉ 30 mV. Đây là giá trị khá cao so với những mạch tích hợp ngày nay
HV: Lê Phúc Quý Page 29
3.1.2. 2. Quá trình ghi
Một bit được ghi bằng cách cấp từ trường ngoài cho lớp tự do (free layer) để đảo ngược sự từ hóa. để làm được việc này transistor tắt (turned off) và những dây dẫn điện khác được thêm vào phía dưới bit cell, được gọi là digit line hay word line. Khi cấp nguồn cho cả hai dây bit line và digit line, chúng có thể tạo ra hai từ trường, khi chúng kết hợp lại có thể đảo ngược sự từ hóa của lớp tự do (free layer). Dòng điện trong digit line được giữ cố định, nó tạo một từ trường dọc theo trục khó bị từ hóa (hard axis) của lớp tự do. Hướng của dòng điện trong bit line có thể được chọn, do vậy từ trường tạo ra có thể âm hoặc dương. Từ trường này được phân bố dọc theo trục dễ bị từ hóa (easy axis) của lớp tự do
Hình 3.5. Ảnh chụp một MRAM phát triển bởi SPINTEC. 3.2. Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm.
HV: Lê Phúc Quý Page 30
Transitor từ xuyên hầm cũng là một cấu trúc ba cực trong đó cực đáy là một lớp sắt từ đơn, kèm theo một lớp vật liệu xuyên ngầm. Các điện tử vượt rào năng lượng của tiếp xúc phát xuyên ngầm để tiêm vào lớp đáy sắt từ nhờ có thế hiệu nền (VEB) đặt vào giữa hai cực phát và cực đáy. Tán xạ của các điện tử trong lớp đáy sẽ làm mất năng lượng và làm biến đổi xung lượng. Chỉ có các diện tử còn giữ được đủ năng lượng để vượt hàng rào Schottky ở cực góp mới được truyền tới một mức nằng lượng phù hợp trong vùng dẫn của chất bán dẫn.
Hình 3.6. sơ đồ vùng năng lượng của một MTT
Khảo sát một MTT với lớp rào là AlOx theo bài báo: Magnetoelectronic Characteristics of Magnetic Tunnel Transistors with AlOx Tunnel Barrier
Transitor từ xuyên hầm (MTTs) bờ phân cách đường hầm AlOx để đạt được có được hiệu ứng cao hơn trong sự chuyển dời của các ”hot electrons” phụ thuộc spin. Các rào cản cách nhiệt AlOx được tạo ra bằng phương pháp oxy hóa điều khiển plasma rf để tăng cường tính chất điện và cấu trúc của các MTTs. Hơn nữa, vấn đề quan trọng trong phương pháp này là cải thiện tính chất rào cản Schottky của cực collector bằng phương pháp plasma và hóa học của đế nên Si. Tỷ lệ cao nhất dòng từ và dòng ra của MTTs đã được quan sát thực nghiệm khoảng 6% và 42 μA tại VEB là 0,5 V, tương ứng. Đặc biệt, tỷ lệ chuyển đổi khoảng 10-2 đã thu được bằng cách thay đổi độ cao rào cản của các điện cực phát và thu trong thí nghiệm của chúng tôi.
HV: Lê Phúc Quý Page 31
Hình 3.7 : Dòng chuyển qua phụ thuộc mặt phân cách FM/Si (100) không có sự kích thích quang. Tính chất mặt ghép Schottky tại CoFe (solid circle) và NiFe (open circle) lớp base. (b) đường cong đặt trưng M-H của màng CoFe trên Si(100) bề mặt sau từ trường phụ thuộc dòng điện trường của MTT với Si(100)/(60 Å)Co80Fe20/(20 Å)Al2O3/(70 Å)Co80Fe20/(100Å)Ir20Mn80/Ta.
Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết quả thực nghiệm cho MTTs với màng mỏng sắt từ làm cực emitter tại RT. Nhấn mạnh đầu tiên của thí nghiệm này được đặt trên độ cao khác nhau Schottky của cực base và cực collector bởi hai phương pháp tiền xử lý khác nhau. MTTs bao gồm lớp base NiFe, lớp emitter CoFe, lớp xuyên hầm AlOx và lớp collector Si (100). Tính chất điện của MTTs được thảo luận về rào chiều cao Schottky và điện áp giữa cực emitter / base. Ngoài ra, thay đổi góc nghiêng của trục lớp CoFe được phân tích bằng từ kế mẫu rung (VSM).
3.3. Đầu đọc từ ổ HDD.
Hiệu ứng ‘‘từ-trở xuyên hầm’’ đã được dùng để chế tạo các đầu đọc/ghi của đĩa cứng trong máy vi tính. Để nhanh chóng đạt tới những thông tin chứa trong đĩa cứng, máy vi tính phải có nhiều đầu đọc. Mỗi lần một thông tin (bit) đi qua, đầu đọc ‘‘nhìn thấy’’ một cực bắc hay một cực nam, cực này tạo thành từ trường. Tùy theo bản chất nam hay bắc của cực, bit thông tin nhị phân sẽ là 0 hay 1. Mỗi bit xem như một nam châm trong đĩa cứng; một đĩa 40 GigaOctet đựng ít nhất 8*40*109, tức là khoảng vài trăm tỉ, nam châm. Khi chúng ta mở máy vi tính, máy sẽ đọc một số dữ liệu trên đĩa và đem chúng vào các bộ nhớ RAM (Random Access Memory), thời gian đạt tới bộ nhớ RAM làm bằng chất bán dẫn rất nhanh (cỡ 1 phần trăm triệu giây đồng hồ).
Cấu tạo
HV: Lê Phúc Quý Page 32
Hình 3.8: cấu tạo ổ cứng HDD và đầu đọc ghi trong ổ cứng. Hoạt động
Có một vật liệu dẫn hình chữ U có cuộn dây dẫn xung quanh ( man châm hình móng ngựa ) để làm đầu đọc ghi trên ổ cứng . Trong quá trình ghi số liệu lên ổ cứng , một dòng điện được cung cấp vào cuộn dây dẫn tạo ra một từ trường xung quanh đầu đọc ghi. Trường này sẽ từ hoá bề mặt bên dưới đầu đọc ghi , những hạt từ tính được sắp thành hàng , chúng theo chiều trái hoặc phải phụ thuộc vào chiều của dòng điện được cung cấp qua cuộn dây dẫn . Bit được lưu trữ liên tiếp trong các hạt từ tính . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.9: Quá trình đọc ghi số liệu trong ổ cứng HDD
Trong năm 2005, các ổ đĩa đầu tiên với đầu đọc sử dụng hiệu ứng điện trở xuyên hầm (TMR) được giới thiệu bởi Seagate cho phép các ổ đĩa chưa dung lượng tới 400 GB với 3 tấm ghi đĩa
3.4. Cảm biến chất lượng cao.
HV: Lê Phúc Quý Page 33
Sensor TMR là loại sensor được ứng dụng đo nồng độ khí, đo cường độ điện trường, điện áp hay có thể đo nồng độ của các hạt nano trong dung dịch. Ở dưới đây là một số hình ảnh của một sensor đo nồng độ của hạt nano.
Hình 3.9: sensor và cấu tạo của một sensor
Hình 3.10. Sơ đồ thể hiện của sensor từ điện trở xuyên hầm (TMR) thiết lập cho việc phát hiện các hạt nano có đường kính là 14 nm: (a) Stray trường của một hạt đồng nhất từ hoá, (b) TMR-cảm biến với các hạt trên bề mặt, (c) trạng thái cân bằng từ tính của các điện cực sắt từ.
Hình 3.11: hạt nano trên sensor với số lượng hạt khác nhau.
HV: Lê Phúc Quý Page 34
Hình 3.12: giản đồ thể hiện sự thay đổi điện trở khi không có hạt nano trên sensor (a) và khi có hạt nano trên sensor
Tài liệu kham khảo.
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Tunnel_magnetoresistance [2] Tunneling-Magnetoresistance
[3] Development of the study of tunnel magnetoresistance effect
[4] Tunnel magnetoresistance (TMR) in ferromagnetic metalinsulator granular films [5] Theory of tunneling magnetoresistance in granular magnetic films
[6] Magnetoelectronic Characteristics of Magnetic Tunnel Transistors
[7] Development of a magnetic tunnel transistor based on a double tunnel junction
HV: Lê Phúc Quý Page 35
[8] Tunnel spin polarization of Ni80Fe20/SiO2 probed with a magnetic tunnel transistor [9] Wide range and tunable linear magnetic tunnel junction sensor using two exchange pinned electrodes
[10] A Study of Magneto-Resistive Read-Write Head Reliability Using Low-Frequency [11] Noise Measurement Technique
[12] A Method to Design High SNR Nanoscale Magnetic Sensors Using an Array of
[14] Tunneling Magneto-Resistive (TMR) Devices
[15] Tunnel Magnetoresistance Effect and Its Applications
[16] “ Vật liệu từ cấu trúc Nano và điệnn tử học Spin “ (Nguyễn Hữu Ðức) [17] Vật liệu từ có cấu trúc nano (PGS.TS Trần Hoàng Hải)
HV: Lê Phúc Quý Page 36