3. Phương pháp nghiên cứu
1.6. Tính chất điện từ của các NC bán dẫn pha tạp KLCT
Bên cạnh tính chất quang và điện, người ta mong muốn bán dẫn có thêm tính chất từ. Việc tích hợp các tính chất quang, điện và từ trong bán dẫn (gọi chung loại vật liệu này là bán dẫn từ) sẽ mở ra những triển vọng ứng dụng mới của bán dẫn, đặc biệt là trong việc tạo ra các linh kiện điện tử thế hệ mới đa chức năng có dòng phân cực spin dưới tác dụng của điện-từ trường, đó là linh kiện spintronic. Để có thêm tính chất này,
ion kim loại trong bán dẫn có một moment từ (). Dưới điều kiện thích hợp (tùy thuộc vào nồng độ pha tạp, sai hỏng mạng, cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng...), tập hợp của các moment từ có thể tạo ra trật tự sắt từ trong bán dẫn ở nhiệt độ phòng. Đã có rất nhiều nỗ lực để chế tạo thành công loại bán dẫn này có giá trị từ độ M lớn (với M =
N/V, trong đó N là tổng số moment từ trong một thể tích V) và lực kháng từ (Hc) phù hợp, nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng linh kiện spintronic.
Đối với việc pha tạp kim loại chuyển tiếp 3d, các nguyên tố Fe, Ni, Co, Mn, và Cu thường được lựa chọn. Chúng thường được pha tạp ở nồng độ (x) dưới 10%. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy rằng việc chế tạo bán dẫn từ dạng khối có chất lượng tinh thể tốt rất khó để tạo ra tính chất sắt từ ở nhiệt độ phòng. Chẳng hạn, vật liệu ZnO:Mn khối có tính chất sắt từ khi được chế tạo ở nhiệt độ dưới 700oC, nhưng ở nhiệt độ cao hơn sẽ thu được vật liệu thuận từ, xem hình 1.18 – sự phụ thuộc của M vào từ trường đặt vào (H)[17]. Trong trường hợp này, tính chất sắt từ được cho là do sự kết cặp trao đổi giữa các iôn Mn3+ và Mn4+, thay vì giữa các iôn Mn2+ mà người ta mong muốn (vì moment của Mn2+ lớn, khoảng 5B, trong đó B là Bohr magneton – giá trị moment từ của điện tử).
Hình 1.18. Đường cong từ trễ, M(H), ở nhiệt độ phòng của ZnO:Mn dạng khối chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn ở các nhiệt độ khác nhau [17].
Bảng 1.1. Năng lượng vùng cấm (Eg) và tham số từ của Cd1-xCoxS [20].
x Eg (eV) Ms (emu/g Hc (Oe)
0.1 2.65 0.053 254.9
0.2 2.57 0.025 7815.5
0.3 2.7 0.676 86
Điều đáng chú ý là hầu hết các vật liệu bán dẫn cấu trúc nano(như màng mỏng, dây nano, thanh nano, hạt nano hay chấm lượng tử...) pha tạp thường có tính chất sắt từ ở nhiệt độ phòng, như đã được thống kê cẩn thận đối với ZnO pha Mn và Co trong các tài liệu tham khảo [18, 19]. Tính chất sắt từ được cho là liên quan tới cả các ion pha tạp và sai hỏng mạng. Chính vì các bán dẫn cấu trúc nano pha tạp thường có tính chất sắt từ nhiệt độ phòng, rất nhiều mối quan tâm nghiên cứu hướng tới vật liệu hạt nano (kích thước hạt thay đổi trong dải dưới 100 nm), không chỉ với bán dẫn vùng cấm rộng như GaN, ZnO, ZnS.., mà cả bán dẫn vùng cấm hẹp như CdSe, CdS, CdTe, GaAs...
Liên quan tới các bán dẫn vùng cấm hẹp, Sathyamoorthy và cộng sự đã tìm thấy mối liên hệ giữa từ độ bão hòa Ms và Hc vào năng lượng vùng cấm (Eg) khi thay đổi x
trong nano tinh thể Cd1-xCoxS từ 0.1 đến 0.3, xem bảng 1. Sự thay đổi này là liên quan tới sự thay đổi tương tác từ loại siêu trao đổi giữa các ion Co2+ lân cận gần sang loại tương tác trao đổi kép giữa các ion Co2+ thông qua S2-, do sự lai hóa quỹ đạo d-s giữa chúng. Khi nghiên cứu hạt nano CdS pha tạp Ni và Cu, Kumar và cộng sự [20] đã tìm thấy sự tăng tính chất sắt từ khi cả hai kim loại này được pha tạp vào, xem hình 1.19. Sự tăng tính chất sắt từ trong trường hợp này được cho là quá trình tương tác trao đổi sắt từ giữa các ion kim loại thông qua các sai hỏng điểm. Ở đây, mật độ sai hỏng có xu hướng tăng lên khi CdS được tạp đồng thời Cu và Ni. Trong một nghiên cứu khác, Majid và cộng sự đã quan sát thấy hiện tượng sắt từ ở nhiệt độ phòng của các nano tinh thể CdTe pha tạp Mn, nhưng với các giá trị rất nhỏ Ms = (0.06~0.28)10-4 emu/g. Bên cạnh tính chất sắt từ nhiệt độ cao, một số tác giả nghiên cứu chấm lượng tử CdSe pha tạp Co, và chỉ tìm thấy tính chất sắt từ dưới 100 K.
Hình 1.19. Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng ghi nhận được từ các hạt nano CdS pha tạp Cu hoặc/và Ni [20].
Rõ ràng là các kết quả khác nhau thu nhận được từ những nghiên cứu trên cho thấy việc chế tạo và tìm hiểu cơ chế tương tác từ trong bán dẫn sắt từ ở nhiệt độ phòng không hề đơn giản và cần được nghiên cứu thêm. Chúng tôi cho rằng, việc nghiên cứu không chỉ giới hạn ở việc pha tạp nguyên tố 3d vào bán dẫn truyền thống hai cấu tử như CdS, CdSe, ZnO,..., mà cần mở rộng sang các loại bán dẫn khác nhiều cấu tử hơn như CdTeSe, CdSeS, ZnSeS, HgCdTe, AlGaAs ..., bởi vì tính chất từ được cho là có liên quan tới cấu trúc điện tử và cấu trúc vùng năng lượng của mạng nền bán dẫn.
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
Chương 2 của luận văn sẽ trình bày quy trình thực nghiệm chế tạo NC CdTe1- xSex và CdTe1-xSex:Niy (0<y<10%) bằng phương pháp hóa ướt và các phương pháp khảo sát đặc trưng của chúng.