Spintronics
Một số khả năng khai thác SPIN
•Sử dụng các cấu trúc từ đa lớp với hiệu ứng GMR. Một cấu trúc đa lớp gồm các lớp sắt từ, như Co, Ni, Fe, được ngăn cách với nhau bằng những lớp kim loại phi từ như Cu, Ag, Au,...có chiều dày từ vài đến vài chục nanômét. Cơ chế vận chuyển phụ thuộc spin trong các cấu trúc này được coi là mấu chốt để hiểu nguyên lý hoạt động của các linh kiện sử dụng hiệu ứng GMR, các van spin, cũng như để hiểu về những cơ chế có kiểu tương tự trong các cấu trúc từ “nhân tạo” khác. Độ lớn của hiệu ứng GMR thường được xác định qua sự thay đổi tương đối của điện trở cấu trúc đa lớp do tác dụng của từ trường.
Độ lớn điển hình của GMR là từ vài chục đến vài trăm phần trăm. Cơ chế này cho thấy các cấu trúc màng mỏng từ đa lớp có đặc tính như một cái “van” đối với dòng spin đi qua. Do đó các cấu trúc kiểu này còn được gọi là van spin, và hiệu ứng GMR có thể còn được gọi là hiệu ứng van spin. Tuy nhiên thường van spin được dùng để gọi cho trường hợp riêng của cấu trúc đa lớp đề cập ở dưới đây.
• Sử dụng các cấu trúc từ kiểu van spin, có cấu tạo tương tự kiểu “bánh kẹp”, gồm có ít nhất hai lớp sắt từ cách nhau bằng một lớp phi từ, trong đó một lớp sắt từ được “ghim chặt” từ độ bằng tương tác trao đổi dị hướng đơn hướng với một lớp là chất phản sắt từ. Từ độ của lớp sắt từ còn lại có thể “tự do” quay theo phương từ trường ngoài tác
dụng. GMR ở các van spin chỉ cỡ một vài chục phần trăm, nhưng rất nhạy với sự thay đổi của từ trường, có thể biến đổi tới vài phần trăm/oersted. Vì vậy cấu trúc van spin đã được sử dụng để làm cảm biến từ trường yếu và đầu đọc GMR cho các ổ đĩa từ có dung lượng lớn, mật độ cao và siêu cao.
•Sử dụng cấu trúc MTJ với hiệu ứng TMR. Một cấu trúc MTJ đơn gồm hai lớp sắt từ ngăn cách nhau bằng một lớp kim loại phi từ nhưng cách điện, như Al2O3, MgO,... Đây là quá trình xuyên hầm phụ thuộc spin và là cơ chế gây ra hiệu ứng TMR. Cấu trúc MTJ tương tự như một tụ điện, ở đó dòng xuyên hầm lượng tử tự nhiên phụ thuộc vào chiều cao f và tăng nhanh theo hàm mũ khi độ rộng d của rào thế giảm. Trong trường hợp của MTJ, các lớp sắt từ khác nhau có mật độ trạng thái D1 và D2 khác nhau và mật độ dòng xuyên hầm phụ thuộc vào điện áp thiên áp (bias) đặt lên hai điện cực sắt từ. Như vậy dòng xuyên hầm trong các cấu trúc MTJ sẽ có tính phân cực spin khi tác dụng một từ trường đủ lớn lên cấu trúc MTJ làm cho từ độ trong các điện cực sắt từ sắp xếp song song
với nhau (hình 2-33a).
Hình 2-33 Sơ đồ nguyên lý của xuyên hầm spin khi từ độ của các điện cực sắt từ song song và phản song song
Ngoài ra còn có nhiều cách khác nữa có thể tạo ra sự vận chuyển phụ thuộc spin để điều khiển dòng spin của điện tử. Ví dụ như sử dụng màng mỏng từ có cấu trúc dạng hạt (gồm các hạt sắt từ có kích thước vài nanomét cô lập với nhau và được phân tán trong một nền vật liệu phi từ), cấu trúc gồm các hạt tinh thể sắt từ tiếp xúc nhau qua biên hạt có hiệu ứng từ điện trở biên hạt, cấu trúc BMR, sợi carbon nano (cũng có hiệu ứng GMR), các cấu trúc tiếp xúc dị thể sắt từ-bán dẫn và bán dẫn từ-bán dẫn, v.v...
Những linh kiện tiêu biểu
Các linh kiện spintronics đã được chế tạo và đưa ra sử dụng là cảm biến van spin, đầu từ GMR/TMR và bộ nhớ MRAM như đã đề cập ở trên. Một số linh kiện spintronics khác đã được đề xuất và chủ yếu mới ở mức độ nghiên cứu ở phòng thí nghiệm. Đó là
transistor van spin (SVT), transistor spin lưỡng cực (BST), điôt quang spin (SPD), transistor hiệu ứng trường phân cực spin (SPFET), transistor đơn spin (SSET), v.v....
Có thể chia một cách tương đối các linh kiện spintronics thành 3 thế hệ như sau: - Thế hệ I: Gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng GMR, TMR, trong các màng mỏng từ tiếp xúc dị thể kim loại-kim loại hoặc kim loại-điện môi, như các cảm biến, đầu đọc từ, các loại MRAM, các transito kim loại (hay transito lưỡng cực), transito van spin, công tắc/khoá spin,...
- Thế hệ II: Gồm các linh kiện sử dụng việc phun dòng spin phân cực qua tiếp xúc dị thể bán dẫn-sắt từ hay bán dẫn từ-bán dẫn (vì thế vẫn có thể tận dụng được kỹ thuật vi điện tử hiện nay). Đó là các mạch khoá siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,... Các linh kiện này sử dụng các bán dẫn từ pha loãng/bán dẫn sắt từ hay các half-metal, các linh kiện vận chuyển điện đạo (ballistic electron transport) sử dụng hiệu ứng BMR, và các loại transisto spin đã nêu ở trên.
- Thế hệ III: Là các linh kiện sử dụng các cấu trúc nano (dạng dot, dây và sợi) và sử dụng các trạng thái spin điện tử đơn lẻ như cổng logic lượng tử (là cơ sở cho máy tính lượng tử), các transistor đơn spin (SSET), v.v...
Những mục tiêu đang được spintronics hướng tới trong thế kỷ 21 là các linh kiện thuộc nhóm thế hệ II và III. Cụ thể là thực hiện được việc tổ hợp quang-spin hiệu năng cao, linh kiện vận chuyển đơn spin (SSET), máy tính điện tử đơn chíp thao tác siêu nhanh và tiêu thụ năng lượng cực thấp, máy tính lượng tử với Q-bit là spin. Các vấn đề đang tiếp tục nghiên cứu hiện nay chủ yếu liên quan đến tìm kiếm các vật liệu có độ phân cực spin cao, thực hiện được các việc phun spin, kết hợp spin và ghi nhận/phát hiện spin một cách hoàn hảo.
17.
hương pháp tổng hợp các linh kiện phân tử. Những biện pháp kỹ thuật nâng P
cao chất lượng khi tổng hợp các linh kiện phân tử.
Tổng hợp các linh kiện phân tử
Các linh kiện điện tử phân tử (ME) được định nghĩa là các linh kiện ghép nối kích thước tiêu chuẩn dưới 5nm.
Theo định nghĩa kinh điển, phân tử là mẩu vật chất nhỏ nhất mà vẫn giữ được những đặc
tính hoá học của nó.
Nguyên tắc tổng hợp các linh kiện phân tử theo cơ chế lượng tử, ứng dụng
công nghệ chế tạo dưới lên bottom-up. Các linh kiện phân tử thực hiện gộp các phân tử tập hợp theo chức năng. Tất cả các vật liệu đều kết hợp từ các nguyên tử (NT) và các phân tử (PT). Chế tạo các linh kiện vi điện tử microelectronic sử dụng các công nghệ
như: quang khắc, lắng đọng, ăn mòn axit, pha tạp, bốc bay,...thường theo phương pháp công nghệ trên xuống, trong đó các NT và PT không được xem xét.
Tổng hợp các linh kiện phân tử, không những với các linh kiện thể rắn, lỏng mà cả các IC phức hệ. Tổng hợp các IC này bằng cách sử dụng phân tử điều khiển được, tự hợp và mức độ kêt hợp rất cao.
Tổng hợp hữu cơ là tập hợp các thủ tục cho việc chuẩn bị các phân tử riêng biệt và tập các phân tử. Trong kế hoạch tổng hợp các phân tử mong muốn, phải chọn dự báo precursor. Số lượng rất lớn các precursor thương mại và tự nhiên là sẵn có. Quá trình phân tích tổng hợp lùi: Phân tử đích⇒ các precursor, mũi tên nghĩa là làm từ. Cần nhiều hơn một bước tổng hợp:
PT đích ⇒Precursor 1 ⇒. . . ⇒Precursor M ⇒PT bắt đầu
Tổng hợp tuyến tính mà đủ cho các PT đơn giản là dãy các bước liên tiếp được thực hiện, kết quả trong các sản phẩm tổng hợp trung gian. Đối với các PT phức tạp, yêu cầu tổng hợp hội tụ hoặc phân kỳ. Các thủ tục khác nhau cho cả các sản phẩm tổng hợp trung gian. Đối với các sản phẩm tổng hợp trung gian mới, yêu cầu các bước phát hiện, phát triển, tối ưu và thực hiện.
-Việc tạo các linh kiện vật lý nhiều cực khác lại là vấn đề rất quan trọng. Các linh kiện rắn nhiều cực với các đặc tính I –V và G–V điều khiển được, hiện tượng lượng tử
riêng biệt có thể được sử dụng- ví dụ tương tác lượng tử, giao thoa lượng tử, quá độ lượng tử, dao động, hiệu ứng Colomb, spin điện tử ,... Các linh kiện vật lý dựa trên các hiện tượng này phải được thực hiện kết hợp bởi các tập phân tử tổng hợp dưới lên mà nó sẽ thể hiện các hiện tượng.