Quang phổ lưỡng sắc tròn (MCD) là phương pháp phổ biến được sử dụng để nghiên cứu từ tính của các loại vật liệu bán dẫn từ do có nhiều ưu điểm. Quang phổ MCD dựa trên phép đo độ hấp thụ vi sai của ánh sáng phân cực tròn bằng một mẫu đặt trong từ trường mạnh định hướng song song với hướng truyền ánh sáng. Phổ MCD có thể thu được từ các chất khí, dung dịch hoặc chất rắn đẳng hướng.
Hình 2.7(a) và (b) mô tả sơ đồ và ảnh chụp một hệ thống đo MCD. Nguyên lý của quang phổ MCD là đo sự chênh lệch giữa độ phản xạ ánh sáng phân cực tròn phải (Rσ+) và ánh sáng phân cực tròn trái (Rσ-) được gây ra bởi sự chia tách vạch quang phổ khi có sự hiện diện của từ trường. Cường độ MCD được biểu diễn bằng phương trình:
+ - ( ) 90 90 MCD = ~ 2 R R dR E dE (2.1)
Trong đó R là phản xạ quang, E là năng lượng photon tới, và Δ𝐸 là năng lượng phân tách spin (spin splitting energy) hay năng lượng Zeeman của vật liệu.26
29
Hình 2.7b Ảnh chụp máy đo phổ MCD ở trường đại học Tokyo.
Do phổ MCD của bán dẫn từ liên quan đến cấu trúc vùng năng lượng (band structure) của bán dẫn từ và cường độ của phổ MCD tỉ lệ thuận với độ từ hóa M của chất bán dẫn từ (Δ𝐸~𝑀) nên MCD là một công cụ hữu ích để đánh giá bản chất của một vật liệu bán dẫn từ là nội tại (intrinsic) hay không. Phổ MCD của một bán dẫn từ nội tại (intrinsic) sẽ có những đỉnh phổ (peak) ở có năng lượng photon tương ứng với cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn gốc, và cường độ các đỉnh phổ sẽ được tăng cường mạnh hơn so với phổ MCD của bán dẫn gốc do có năng lượng phân tách spin (spin splitting energy) khi đặt trong từ trường.
Để minh họa rõ hơn về phổ MCD của một chất bán dẫn từ, chúng ta có thể xem xét hình 2.8 a thể hiện phổ MCD của một bán dẫn từ nội tại (In,Fe)As. Có thể thấy rằng phổ MCD của chất bán dẫn từ (In,Fe)As hiển thị 4 đỉnh phổ tương ứng với các mức năng lượng chuyển tiếp E1, E1 +1, E0’, và E2 tương ứng với cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn gốc InAs.21 Điều này cho thấy bán dẫn từ (In,Fe)As vẫn mang những đặc trưng của của bán dẫn gốc như cấu trúc vùng năng lượng (band structure) từ đó có thể suy ra các cấu trúc điện (electronic structure) và cấu trúc tinh thể vẫn được giữ nguyên không có sự trộn lẫn với các cấu trúc khác như các cụm kim loại (nanocluster) bên trong màng mỏng (In,Fe)As. Nhằm so sánh sự khác biệt giữa phổ MCD của chất bán dẫn từ
30
nội tại với phổ MCD của các chất sắt từ kim loại khác, hình 2.8b hiển thị phổ MCD của một lớp kim loại Fe 44nm được phủ trên đế GaAs. Ảnh phổ MCD của Fe cho thấy một đỉnh phổ (peak) rất rộng xung quanh vị trí 5.0eV và không có các đỉnh phổ đặt biệt nào đặc trưng cho các mức năng lượng chuyển tiếp trong cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn, điều này hoàn toàn khác với phổ MCD của bán dẫn từ (In,Fe)As. Chính vì vậy phổ MCD được xem là một phương pháp hữu ích và tin cậy để đánh giá tính nội tại của các loại vật liệu đặc biệt là bán dẫn từ, từ hình dạng phổ MCD ta có thể đánh giá rằng tính sắt từ là do nội tại của chất bán dẫn từ đó hay xuất phát từ cụm kim loại xen lẫn bên trong màng mỏng bán dẫn.
Hình 2.8 (a) Quang phổ MCD của (In,Fe)As cho thấy có sự tăng cường độ mạnh mẽ
tại các peak quan trọng của InAs. (b) Phổ MCD của lớp Fe dày 44nm thể hiện một peak nền rộng, khác biệt hoàn toàn so với (In,Fe)As.
31