Một trong những tiêu chí để đánh giá một chất bán dẫn từ có thể ứng dụng được hay không đó là nhiệt độ Curie TC (hay điểm Curie, nhiệt độ tới hạn). Đây là nhiệt độ chuyển pha sắt từ và thuận từ của vật liệu. Ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu mang tính sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie thì vật liệu sẽ mất tính sắt từ và trở thành thuận từ. Chính vì vậy đây là một thông số rất quan trọng và là ưu tiên hàng đầu để đánh giá một chất bán dẫn từ có thể ứng dụng vào thực tế hay không. Để có thể chế tạo các linh kiện như spin- diode, spin-transistor ứng dụng vào thực tế thì chất bán dẫn từ phải có nhiệt độ Curie lớn hơn nhiệt độ phòng (khoảng 300K tức 27oC) để đảm bảo các linh kiện này hoạt động ổn định. Chính vì vậy việc nghiên cứu xác định và cải thiện nâng cao nhiệt độ Curie của chất bán dẫn từ là rất quan trọng.
Trong đề tài này nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb sẽ được xác định bằng phương pháp vẽ đồ thị Arrott plot. Trong vật lí chất rắn, một đồ thị Arrott plot thể hiện mối quan hệ của bình phương độ từ hóa của một chất (M2), so với tỷ lệ của từ trường tác dụng với độ từ hóa (H/M) ở một nhiệt độ cố định. Đồ thị Arrott cũng là một cách để xác định sự hiện diện của trật tự sắt từ trong vật liệu. Tên của phương pháp này được đặt theo tên của nhà vật lí người Mỹ Anthony Arrott, ông sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu từ tính lần đầu tiên vào năm 1957. 27
Theo thuyết trường trung bình (mean field) của Ginzburg–Landau,27 năng lượng tự do của vật liệu sắt từ gần tới điểm chuyển pha có thể được viết là:
𝐹(𝑀) = −𝐻𝑀 + 𝑎𝑇 − 𝑇𝑐
𝑇𝑐 𝑀2+ 𝑏𝑀4+ ⋯
Ở đây 𝑀 là độ từ hóa của vật liệu, 𝐻 là từ trường đặt vào, 𝑇C là nhiệt độ tới hạn và
𝑎, 𝑏 là các hằng số vật chất.
Ở điểm chuyển pha, ta có phương trình cho độ từ hóa:
𝑀2 =4𝑏1 𝑀𝐻−2𝑏𝑎 𝜖. Trong đó 𝜖 =𝑇−𝑇c
𝑇c là một đại lượng không thứ nguyên của nhiệt độ.
Do đó, khi khảo sát sự thay đổi của M2 theo H/M ở các nhiệt độ khác nhau, đồ thị Arrott plot nào đi qua gốc tọa độ tương ứng với nhiệt độ đang khảo sát là nhiệt độ tới hạn. Cùng với việc khảo sát MCD cung cấp bằng chứng cho sự tồn tại của pha sắt từ, đồ thị Arrott plot có thể được sử dụng để xác định nhiệt độ tới hạn cho quá trình chuyển pha thuận từ - sắt từ.V
32
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Các thông số của mẫu nghiên cứu:
Hình 3.1 cho cho thấy cấu trúc của các màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử. Tất cả các mẫu đều được chế tạo trên đế (wafer) GaAs thương mại. Các bước chế tạo mẫu được tiến hành như sau: 4
1. Đầu tiên đế GaAs được nung nóng ở nhiệt độ khoảng 550oC đế để bay hơi lớp oxit Ga2O3 trên bề mặt.
2. Tiếp đến dùng MBE để tạo lớp đệm (buffer layer) GaAs có bề dày 50nm làm phẳng bề mặt đế lần lượt các lớp đệm AlAs, AlSb nhằm tăng dần hằng số mạng, giảm sự khác biệt hằng số mạng giữa GaAs và (In,Fe)Sb. 3. Sau đó lớp màng mỏng (In,Fe)Sb dày 20nm sẽ được phủ ở các nhiệt độ
khác nhau với tốc độ 500nm/h.
4. Cuối cùng là lớp InSb làm phần che chắn phía trên dày 2nm nhằm ngăn chặn quá trình oxy hóa của lớp (In,Fe)Sb.
5. Trong suốt quá trình chế tạo các lớp màng mỏng, ảnh nhiễu xạ RHEED được sử dụng để theo dõi sự phát triển của các lớp tinh thể.
InSb 2nm (In,Fe)Sb 20nm (10%Fe) AlSb 100nm AlAs 10nm GaAs 50nm SI-GaAs sub
Hình 3.1 Hình vẽ mô tả cấu trúc của các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trên đế GaAs.
Trong đề tài này các mẫu (In,Fe)Sb được tạo nhằm mục đích khảo sát sự phụ thuộc của tính chất từ vào nhiệt độ nên các thông số khác được cố định như bề dày màng mỏng (In,Fe)Sb được cố định d = 20nm, nồng độ pha tạp Fe x = 10%. Đề tài nghiên cứu 4 mẫu màng mỏng (In,Fe)Sb pha tạp 10%Fe được chế tạo ở các nhiệt độ đế khác nhau
33
Tđế = 2100C, 2300C, 2500C, 2700C với ký hiệu lần lượt là A1 – A4 được liệt kê trên bảng 3.1. Ngoài ra một mẫu bán dẫn không pha tạp InSb (bán dẫn thuần) kí hiệu mẫu A0 cũng được chế tạo ở nhiệt độ 2500C để làm mẫu đối chiếu so sánh.
Bảng 3.1 Thông số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong đề tài. Các mẫu (In1-x,Fex)Sb từ
A0 đến A4 với nhiệt độ đế từ 210oC đến 270oC , trong đó mẫu A0 là mẫu đối chiếu.
Mẫu x (%) d (nm) Tđế (oC) TC (K) A0 0 20 250 0 A1 10 210 50 A2 230 80 A3 250 210 A4 270 110
34
3.2. Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb
Hình 3.2 cho thấy ảnh nhiễu xạ chùm điện tử phản xạ năng lượng cao (RHEED) của các lớp đệm AlSb của 4 mẫu nghiên cứu trước khi được phủ lớp (In,Fe)Sb. Ảnh nhiễu xạ RHEED của các lớp đệm AlSb của cả 4 mẫu đều cho thấy các đường thẳng (streak) có cường độ rất sáng và rõ ràng, cho thấy các lớp đệm này đều có bề mặt đồng đều, bằng phẳng (flat) theo định hướng hai chiều (2D) và cấu trúc tinh thể lớp đệm rất tốt. Điều này đồng nghĩa với việc các lớp màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb sẽ được chế tạo trên các lớp đệm có cấu trúc tinh thể tốt. Ngoài ra ảnh RHEED của các lớp đệm là tương đối giống nhau, do đó đảm bảo việc so sánh đối chiếu là trong cùng một điều kiện lớp đệm.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.2 (a) – (d) Hình ảnh RHEED của các lớp đệm AlSb của các mẫu theo thứ tự
tương ứng A1 – A4.
Hình 3.3 (b) - (e) cho thấy hình ảnh RHEED theo trục phương vị [110] của các lớp (In1-x,Fex)Sb của các mẫu lần lượt A1- A4. Ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb có dạng các đường thẳng (streak) chứng tỏ bề mặt của các lớp (In,Fe)Sb tương đối bằng phẳng. Riêng mẫu A1 (hình 3.3b) và mẫu A2 (hình 3.3c) ảnh RHEED hơi tối đi, các đường thẳng (streak) dần chuyển sang dạng điểm sáng (spot) chứng tỏ hình thái bề mặt màng trở nên xấu đi, chuyển từ một bề mặt màng mỏng bằng phẳng dạng hai chiều (2D) sang gồ ghề với các ốc đảo dạng ba chiều (3D). Điều này có thể được giải thích là do các mẫu A0, A3, A4 được chế tạo ở nhiệt độ đế cao hơn (từ 250 – 270oC) nên năng lượng cung cấp cho các phân tử nhiều hơn, do đó các phân tử liên kết lại với nhau trên
A1 A2
35
đế dễ dàng hơn, dẫn đến màng tạo thành có bề mặt đồng đều bằng phẳng và chất lượng tinh thể tốt. Còn hai mẫu A1 và A2 được tạo ra ở nhiệt độ thấp hơn 210 – 230oC nên chưa đủ năng lượng cần thiết để các tạo được màng có bề mặt đồng đều và chất lượng tinh thể tốt. Sự khác biệt về chất lượng cấu trúc tinh thể khi thay đổi nhiệt độ đế ảnh hưởng thế nào đến tính chất từ của các mẫu (In,Fe)Sb sẽ được khảo sát trong mục sau. Tuy nhiên điều cần nhấn mạnh ở đây là ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb của cả 4 mẫu A1 - A4 cho thấy các đường thẳng ở các vị trí giống với ảnh RHEED của mẫu đối chiếu InSb không pha tạp (mẫu A0 – xem hình 3.3 a), đồng thời không có bất kì dạng cấu trúc tinh thể khác lạ nào được quan sát thấy (hay không có phase thứ hai nào). Điều này chứng tỏ các lớp (In,Fe)Sb được chế tạo thành công bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử, các màng bán dẫn từ (In,Fe)Sb vẫn duy trì được cấu trúc tinh thể loại zinc- blende của bán dẫn gốc InSb, và các nguyên tử Fe thay thế tốt vào vị trí của In trong mạng tinh thể mà không tạo ra bất cứ các cụm nano kim loại (nanocluster) nào.
(a) (b) (c)
(d) (e)
Hình 3.3 (a) – (e) Hình ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb của các mẫu A0 – A4 theo
thứ tự lần lượt.
InSb – 2500C A1 – 2100C A2 – 2300C
36
3.3. Khảo sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb
Tiếp theo để để nghiên cứu tính chất từ của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) chế tạo ở các nhiệt độ đế khác nhau (210oC, 230oC, 250oC, 270oC) thì phương pháp đo quang phổ MCD đã được sử dụng. Hình 3.4 cho thấy phổ MCD của các mẫu A1-A4. Ngoài ra phổ MCD của mẫu đối chiếu InSb không pha tạp A0 (đường màu đen) cũng được vẽ nhằm mục đích so sánh. Lưu ý ở đây là cường độ phổ MCD của mẫu A0 rất nhỏ (vì đây là mẫu bán dẫn thuần không có từ tính) nên để tiện cho việc so sánh và nhìn rõ hình dạng thì cường độ MCD của mẫu này đã được nhân lên 15 lần (15) khi vẽ trên cùng một đồ thị với phổ MCD của các mẫu A1-A4.
Từ hình 3.4 có thể thấy phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb A1-A4 đều có cùng một đỉnh phổ (peak) ở vùng năng lượng photon khoảng 2eV giống với phổ MCD của với mẫu InSb không pha tạp A0, đây là đỉnh phổ đặc trưng ứng với mức năng lượng chuyển tiếp E1 của bán dẫn InSb.28 Điều này chứng tỏ các mẫu (In,Fe)Sb vẫn giữ nguyên được cấu trúc vùng năng lượng (band structure) của bán dẫn gốc InSb, đồng thời cường độ đỉnh phổ MCD mạnh lên rất nhiều chứng tỏ độ từ hóa M của InSb tăng lên khi pha tạp Fe (vì độ từ hóa M tỉ lệ thuận với cường độ MCD) hay nói cách khác là từ tính của InSb mạnh lên khi pha tạp Fe. Cũng cần nhấn mạnh ở đây là phổ của các mẫu (In,Fe)Sb không phải là một nền phổ rộng và thể hiện các đỉnh phổ phù hợp với cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn InSb, điều này chứng tỏ trong cấu trúc các mẫu không tồn tại cụm nano liên quan đến hợp chất của sắt (Fe-related nanocluster). Vì vậy, phổ MCD cho thấy các mẫu (In,Fe)Sb được chế tạo thành công, từ tính của mẫu xuất phát từ vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb chứ không phải từ các tạp chất khác như cụm nano của hợp chất liên quan đến Fe.
37
Hình 3.4 Phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau
(210oC, 230oC, 250oC, 270oC), được đo ở nhiệt độ 5K khi đặt trong từ trường 1T. E1
E1
E1
E1
38
Tiếp theo để khảo sát kĩ hơn quang phổ MCD của các mẫu (In,Fe)Sb A1-A4, quang phổ MCD của các mẫu này đã được đo ở các từ trường khác nhau lần lượt là 0.2T, 0.5T và 1T (xem hình 3.5). Hình 3.5 cho thấy phổ MCD của các mẫu đo ở các từ trường
H = 0.2T, 0.5T và 1T, khi tăng từ trường từ 0.2T đến 0.5T thì cường độ MCD tăng dần, sau đó bão hòa ở từ trường 0.5T đến 1T, kết quả này hoàn toàn phù hợp với tính chất của một vật liệu sắt từ. Khi từ trường ngoài tăng lên thì độ từ hóa tăng lên và sau đó đạt đến trạng thái bão hòa. Điều cần lưu ý ở đây là hình dạng phổ MCD đo ở các từ trường khác nhau là giống nhau. Để dễ so sánh về hình dạng phổ, phổ MCD của các mẫu đo ở các từ trường khác nhau được chuẩn hóa (normalized) về cùng một cường độ. Các phổ MCD được chuẩn hóa bằng cách lấy cường độ MCD toàn phổ chia cho cường độ MCD tại đỉnh phổ E1 = 2eV, nơi có cường độ mạnh nhất, để có giá trị chuẩn hóa là 1.
Hình 3.6 cho thấy phổ MCD của các mẫu đo ở các từ trường khác nhau sau khi đã được chuẩn hóa, các phổ MCD gần như chồng khớp với nhau và cho thấy chúng có cùng một hình dạng, điều này đồng nghĩa với việc bên trong các mẫu chỉ có chứa một pha sắt từ duy nhất của (In,Fe)Sb mà không trộn lẫn bất kì pha sắt từ của một tạp chất nào khác. Vì nếu có hai hoặc ba pha sắt từ bên trong mẫu thì các pha này có độ từ hóa M khác nhau và phụ thuộc theo các cách khác nhau vào từ trường ngoài. Tuy nhiên điều này không được quan sát thấy trên phổ MCD đo ở các từ trường khác nhau. Vì vậy có thể kết luận các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb đã được chế tạo thành công, bên trong mẫu chỉ có một pha sắt từ duy nhất (single-phase) của vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb.
39
Hình 3.5 (a) – (d) Phổ MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) đo ở 5K dưới
40
Hình 3.6 (a) – (d) Phổ MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) đo ở 5K dưới
41
3.3 Sự phụ thuộc của nhiệt độ Curie của màng mỏng (In,Fe)Sb theo nhiệt độ chế tạo
Hình 3.7 thể hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ trường H (đồ thị MCD – H) của các mẫu A1, A2, A3, A4 đo ở các nhiệt độ khác nhau từ 5K đến 300K. Ở đây cường độ MCD được đo ở năng lượng photon 2eV (tương ứng với đỉnh phổ E1 trên quang phổ MCD), từ trường được thay đổi từ -1T đến 1T. Trên hình 3.7, chúng ta có thể thấy đồ thị MCD – H tất cả các mẫu ở nhiệt độ thấp như 5K đều có đồ thị dạng đường cong kín và có từ dư (remanent magnetization) khi từ trường được loại bỏ (H = 0). Điều này cho thấy sự hiện diện của trật tự sắt từ có trong mẫu khi ở nhiệt độ thấp, và các đồ thị này thể hiện đường cong từ trễ của bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong mẫu. Khi tăng dần nhiệt độ thì từ dư giảm dần, đồng thời các đường cong từ trễ này dần dần thẳng ra và tuyến tính hoàn toàn ở nhiệt độ 300K, cho thấy các mẫu đều ở trạng thái thuận từ ở 300K. Điều này cho thấy trong mẫu chỉ có mỗi bán dẫn từ (In,Fe)Sb và không có chứa các tạp chất khác như cụm nano của sắt hoặc hợp chất của Fe, bởi vì các hợp chất này thường có nhiệt độ Curie rất cao và từ tính rất mạnh do đó chúng thường thể hiện từ tính (cụ thể là đường cong từ hóa) kể cả ở nhiệt độ 300K.
42
Hình 3.7 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của cường độ MCD theo từ trường của các mẫu
43
Để xác định nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb, phương pháp vẽ đồ thị Arrott plot đã được sử dụng trong đề tài này. Hình 3.8 thể hiện Arrott plot tương ứng của các đồ thị MCD-H trong hình 3.7. Những đường thẳng được vẽ tiếp tuyến với phần bão hòa trên đồ thị MCD2 – H/MCD (những đường nét đứt). Nhiệt độ tại đó đường tiếp tuyến đi qua gốc tọa độ chính là nhiệt độ Curie. Nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb A1- A4 tính từ cách vẽ Arrott plot được liệt kê trong bảng 1 và vẽ theo một hàm của nhiệt độ chế tạo Tđế trên hình 3.9.
Trên hình 3.9, kết quả Arrott plot cho thấy các mẫu A1 (Tđế = 210oC) và A2 (Tđế = 230oC) có nhiệt độ Curie tương đối thấp lần lượt là 50K và 80K. Kết quả này khá phù hợp với kết quả ảnh nhiễu xạ RHEED thu được của hai mẫu này. Như đã đề cập ở phần 3.1 ảnh RHEED của mẫu A1 (hình 3.3b) và mẫu A2 (hình 3.3c) ảnh RHEED hơi tối và có dạng các điểm sáng trên nền các đường thẳng mờ, chứng tỏ hình thái bề mặt màng không đồng đều và chất lượng tinh thể có thể bị kém đi khi chế tạo ở nhiệt độ thấp, vì vậy tính chất từ yếu đi hay nhiệt độ Curie giảm xuống. Điều này có thể là do nhiệt độ chế tạo ở các mẫu này khá thấp dẫn đến năng lượng nhiệt cung cấp không đủ để các nguyên tử Fe liên kết thay thế vào mạng tinh thể của InSb. Trong khi đó, đối với các mẫu chế tạo ở nhiệt độ cao hơn như A3 (Tđế = 250oC) và A4 (Tđế = 270oC) có nhiệt độ Curie cao hơn lần lượt là 210K và 110K, điều này phù hợp với kết quả thu được từ ảnh nhiễu xạ RHEED của hai mẫu này. Ảnh nhiễu xạ RHEED của hai mẫu này cho thấy cấu trúc màng đồng đều bằng phẳng và chất lượng tinh thể tốt vì vậy tính chất từ được cải thiện tốt hơn, nhiệt độ Curie cao hơn. Điều này có thể là do khi nhiệt độ đế cao hơn năng lượng nhiệt cung cấp cho các phân tử lớn hơn, do đó các nguyên tử Fe dễ thay thế vào trong mạng tinh thể của InSb hơn.
Kết quả từ hình 3.9 cũng cho thấy là nhiệt độ Curie của các mẫu (In,Fe)Sb đạt cao nhất khi chế tạo ở nhiệt độ đế Tđế = 250oC. Mẫu A3 chế tạo ở nhiệt độ này có nhiệt độ Curie là 210K, kết quả này khá phù hợp với kết quả báo cáo gần đây của nhóm nghiên