MONG (In,Fe)Sb
2.1. Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE)
2.1.1 Tìm hiểu về kĩ thuật Epitaxy
Epitaxy là một kỹ thuật phát triển các mang đơn tinh thé trên chất nên tinh thé được định hướng về mặt tỉnh thẻ sau khi đọng trên chất nền đó (theo tiếng Hy lạp
epi có nghĩa “ở trén” và taxy có nghĩa là “theo thứ tự” từ đó có thê hiệu epitaxy được dịch là “sắp xếp theo thứ tự”). Có hai loại epitaxy: homoepitaxy (trong đó lớp vật liệu nên và lớp tăng trưởng giống nhau ví dụ Si -Si) và heteroepitaxy (vật liệu nên và lớp tăng trưởng khác nhau ví dụ Ga-As). [22]
Not
epitaxial
Epitaxial growth
Hình 2.1: Mô tá sự sắp xếp các mang đơn tinh thé đúng theo kỹ thuật epitaxy (bên
phải)
2.1.2 Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE)
MBE sử dụng kỹ thuật bay hơi trong chân không siêu cao (<10" Torr) dé phát triển các lớp epitaxy trên chất nẻn tỉnh thể bằng chùm phân tử từ các vật liệu nguồn siêu tinh khiết. Sự tăng trưởng của MBE phan lớn phụ thuộc vảo một quả trình động học như hap phụ, giải hấp, kết hop, di chuyển và phan ứng. Hệ thống MBE cho phép tạo ra các mảng mỏng đơn tinh thé được lắng đọng lên từ lớp dé (substrate) đơn tỉnh thẻ với tốc độ cực thấp và có độ hoàn hảo rất cao. Vì thế, ky thuật MBE cho phép tạo ra các siêu móng, thậm chi chi vài lớp nguyên tử với chat lượng rat cao rat phù hợp dé nghiên cứu khoa học cơ bản va sản xuất chat bán dẫn hợp chất
đơn tinh thé chat lượng cao cho ngành điện tử. Hình 2.2 mô ta sơ đồ của một hệ
thống epitaxy chùm phân tứ. Môi trường chân không cực cao trong buông tăng trưởng (growth chamber) được duy trì bằng hệ thong bơm chân không, ngoài ra thành kim loại của buồng được làm lạnh bằng cách sứ dụng nitơ lỏng hoặc khí nite
26
lạnh đến nhiệt độ gan 77 K. Các bề mặt lạnh có kha năng hút các tạp chất trong
buồng chân không, vì vậy mức độ chân không trong buông sẽ có bậc lớn hơn so với
việc chỉ dùng bơm.
a Molecular beam epitaxy
Quadrupole
mass analyser RHEED
fluorescent screen
Sample
mu Effusion cells
Entry
chamber Shutters
Cryoshrouds Cryoshrouds
RHEED
electron gun
Hình 2.2: Mô tả sơ dé của một hệ thông epttaxy chùm phân tử. [22]
Trên hình 2.2 ta thay, các nguyên tổ ở dang siêu tinh khiết được dùng dé tạo màng mỏng sẽ được nung nóng trong các các ông chứa nguyên liệu (gọi là Knudsen cell hay K-cell) đến mức bay hơi từng phân tử và đi đến đế. Các phân tử sau đó ngưng tụ trên dé và kết hợp với nhau như trên hình 2.3. Việc thay đổi nhiệt độ nung nóng của ống chứa nguyên liệu cho phép kiểm soát tốc độ của các phân tử bay đến dé và việc thay đôi nhiệt độ của dé sẽ ảnh hưởng đến tốc độ hình thành liên kết tạo thành màng mỏng. Các tam dé mà các tinh thé được phát triển được gắn trên một đĩa quay, có thé được làm nóng đến vai trăm độ C trong quá trình hoạt động.
Điểm quan trọng nhất của phương pháp epitaxy chùm phân tử là tốc độ lắng đọng chậm (chậm hơn 3.000 nm mỗi giờ) cho phép các màng mỏng phát triển từng lớp một. Buồng MBE không cần sử dụng khí mang, cộng với như môi trường chân không cực cao cho nên các màng được chế tạo sẽ có độ tinh khiết cao nhất có thé.
Thuật ngữ "chùm phân tử" có nghĩa là các nguyên tứ vật chat bay hơi không tương tác với nhau cũng như không tương tác với khí trong buông chân không cho đến khi chúng chạm tới dé, do các quãng đường tự do trung bình của các nguyên tử dai hơn
27
khoảng cách từ các ông chứa nguyên liệu den đề.
; . _ "
© '® |
Lớp phân tử đã ngưng tụ
N
Đề kiểm soát bề dày của lớp màng mong, trước mỗi ô chứa nguyên tô đều có một màn chắn (shutter) được điều khiển bằng tay (hoặc tự động) dé kiểm soát nguyên tô nào đi đến dé và phía trên để có một màn chắn lớn dé xác định thời gian bắt đầu cũng như kết thúc việc tạo màng mỏng. Hình 2.4 là ảnh chụp hệ MBE thực tế tại trường đại học Tokyo đã được sử dụng đẻ chẻ tạo các mẫu (In,Fe)Sb ma đề
tai này khảo sát.
Hình 2.4: Anh chụp buông tăng trưởng EpiQuest HI-V MBE tại đại học Tokyo.
2.2. Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng
Nhằm đánh giá chat lượng cấu trúc bề mặt của màng (In,Fe)Sb. Đề tài này sử
dụng ảnh nhiễu xạ của chùm electron phản xạ năng lượng cao (RHEED) của các
màng (In,Fe)Sb. RHEED là một kỹ thuật được sử dụng pho bién trong cac hé epitaxy chùm phan tử dé quan sát, đánh giá hình thái bề mặt và cau trúc tinh thé của
vật liệu. Phương pháp RHEED thu thập thông tin từ lớp bề mặt của mẫu bằng cách chiều một chùm electron hẹp có năng lượng từ 10- 50 KV với góc tới rất nhỏ đến bề
mặt vật liệu như trên hình 2.5.
Màn hình huỳnh quang
Súng electron
Đế giữ mẫu có thể
quay tròn
Hình 2.5: Sơ dé bỗ trí thiết bị dé thu ph RHEED.
Sơ đô hình 2.5 cho thay cách bồ trí thu phé RHEED với mẫu được quan sát ở cạnh trên. Súng điện tử tạo ra chùm tia điện tử được chiếu đến mẫu ở một góc rất
nhỏ so với bề mặt mẫu. Chùm electron tới nhiễu xạ trên các nguyên tử ở bẻ mặt
mẫu và một phan nhỏ các electron nhiễu xạ giao thoa tăng cường ở những góc nhất
định và tạo thành các ảnh nhiễu xạ (pattern) trên màn hình huỳnh quang.
Trong cấu trúc tinh thé, ta có các nguyên tử phân bố một cách có trật tự tuần hoàn như các cách tử nhiễu xạ và khi electron chiều đến bề mặt vật liệu cho phép các sóng điện tử này nhiễu xạ. Và dé có thẻ quan sát hình ảnh giao thoa, các sóng
phản xạ trên bê mặt vật liệu phải tuân theo định luật Bragg được thé hiện như hình
2.6 với công thức:
n :À = 2đ - sin8 (1)
29
Trong đú: n là số nguyờn. d là khoảng cỏch giữa cỏc mặt tinh thộ, ỉ là gúc nhiễu xa.
Hình 2.6: Sóng điện tử nhiễu xạ trên các mặt tinh thẻ theo định luật Bragg.
Như vay, các electron nhiều xa giao thoa tăng cường ở các góc xác định nào sẽ
tùy theo cấu trúc tinh thé và khoảng cách của các nguyên tử trên bề mặt mẫu và bước sóng của các electron tới. Do đó hình ánh nhiều xạ tại máy đò cho ta thông tin của bề mặt mẫu. Cũng can lưu ý là ảnh (pattern) thu được trên màn hình không phải
là vị trí các nguyên tử mà là ảnh của chùm electron bị tinh thé làm nhiễu xạ. Khi
cham electron chiếu đến bề mặt vật liệu như hình 2.7a có câu trúc bằng phang thì ảnh chùm electron nhiễu xạ thu được trên màn hình là những đường thăng (streak).
Còn đối với bề mặt vật liệu như hình 2.7b có cầu trúc map mô, go ghê theo định hướng ba chiều, thì ảnh nhiễu xạ thu được sẽ chuyển sang dạng chấm (spot).
Sample with small 3D islands
Flat sample z
Electron scattered at surface Electron transmitted through island a) streakly RHEED pattems b) Spotty RHEED pattems
Hình 2.7: Mô ta đường truyền electron khi chiếu đến bề mặt vật liệu a) mẫu có cau trúc bề mặt bằng phang theo định hướng hai chiều, b) mẫu có cau trúc bề mặt
map mô theo định hướng ba chiêu.
Có thê xét ví dụ sau đây: ở hình 2.7 cho thấy ảnh RHEED thu được trong quá
trỡnh chế tạo màng mỏng bỏn dẫn TiOằ trờn dộ LaAlO: bằng phương phỏp MBE
[23]. Bên trái là ảnh RHEED, còn bên phải là ảnh minh họa hình thái bề mặt tương
30
ứng. Chúng ta có thé thay khi bề mặt màng có dang đồng đều bằng phang (flat) theo định hướng hai chiều (2D) và cau trúc tinh thể màng tốt có trật tự thì chùm điện tử nhiều xạ theo các hướng xác định nên ảnh RHEED thu được là những đường thăng (streak, gọi là các đường Kikuchi). Còn khi bé mặt màng có cau trúc dạng ốc đảo, map mô, go ghé theo định hướng dạng ba chiều (3D) thì anh RHEED thu được là một nên (background) tối hơn với một số các điểm sáng (spot) doc theo đường thăng ban đầu cho thấy cường độ chùm nhiều xạ điện tử bị yếu đi do bị tan xạ ở
những chỗ go ghé và chỉ mạnh ở một vai vùng trên bê mặt.
cv A OR
7.137 73771}...
Hình 2.8: Ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng mong bán dẫn TiO> trên dé LaAlO; bằng phương pháp MBE. Bên trái là ảnh RHEED, còn bên phải là ảnh minh họa hình thái be mặt tương ứng. (a) Anh RHEED của dé LaAlO3 trước khi phủ TiO2 có dang bằng phăng. (b) — (đ) Ảnh RHEED của lớp TiO2 ứng với bê day 4, 30, 40nm. [23]
2.3. Quang phố lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD)
Trong dé tai nay, các mẫu (In,Fe)Sb sau khi được chế tạo sẽ được đo quang phô lưỡng sắc tròn (MCD) dé nghiên cứu tính chất từ của chúng. MCD là phương
31
pháp phô biến được sử dụng dé nghiên cứu từ tinh của các loại vật liệu bán dẫn từ đo có nhiều ưu điểm. Quang phố MCD dựa trên phép đo độ hap thụ vi sai của ánh sing phân cực tròn bằng một mẫu đặt trong tir trường mạnh định hướng song song với hướng truyền ánh sáng vì đưới tác dụng của từ trường hiệu ứng Zeeman sẽ phân
tách các mức năng lượng của ban dẫn từ thành nhiều vạch năng lượng, từ đó MCD
sẽ đo sự khác nhau giữa độ phản xạ ánh sáng phân cực tròn trái và ánh sáng phân
cực tròn phải. Và ở nghiên cứu này cường độ MCD được biểu thị như sau:
ucp = 22 (=2 AE dR @
~ a \RL +R) R dE
Trong đó R là hệ số phản xa, R,và R_ là hệ số phản xạ đối với ánh sáng phân cực
tron phải (ỉ”) và trỏi ( z~) tương ứng. E là năng lượng photon và AE là năng lượng
phan tách Zeeman tỉ lệ với độ từ hóa MI.
a)
Hình 2.9: a) Sơ đồ minh họa cách bồ trí thu phô MCD của màng mỏng bán dẫn từ.
b) Ảnh chụp máy đo phô MCD ở trường đại học Tokyo.
Do phố MCD của bán dẫn từ liên quan đến cau trúc vùng năng lượng (band structure) của bán dan từ và cường độ của phô MCD tỉ lệ thuận với độ từ hóa M của chat bán dẫn từ (AE~M) nên MCD là một công cụ hữu ích dé nghiên cứu tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ. Phô MCD của một chat ban dẫn từ nội tai (intrinsic) sẽ cho thấy các đỉnh phô (peak) tương ứng với cau trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn gốc (host semiconductor). Trong khi phô MCD của mang bán dẫn từ có lẫn các cụm kim loại sắt từ (Fe-related nanocluster) sẽ cho phô rộng không có bất kì đỉnh đặc biệt nào liên quan đến cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn gốc. Từ đó với
32
hình dạng phô MCD chúng ta có thé đánh giá xem tính sắt từ đến từ FMS nội tai hay có lẫn pha sắt từ khác.
Dé minh họa rõ hơn về phô MCD của một chất bản dẫn từ, chúng ta có thê xem xét hình 2.9a thé hiện phô MCD của một bán dẫn từ nội tại (In,Fe)As. Có thé thay răng phô MCD của chat bán dan từ (In,Fe)As hiển thị 4 đỉnh phô tương ứng với các mức năng lượng chuyên tiếp Ei, E¡ +A:, Eo’, và E› tương ứng với cau 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 cau trúc vùng năng lượng (band structure) từ đó có thê Suy ra các cầu trúc điện (electronic structure) va cau trúc tinh thé vẫn được giữ nguyên không có sự trộn lẫn với các cau trúc khác như các cụm kim loại (nanocluster) bên trong mang mỏng (In,Fe)As. Nhằm so sánh sự khác biệt giữa phô MCD của chất bán dẫn tir nội tại với phô MCD của các chất sắt từ kim loại khác, hình 2.9b hiển thị phô MCD của một lớp kim loại Fe 44 nm được phủ trên dé GaAs. Anh phô MCD của Fe cho thấy một đỉnh phô (peak) rất rộng xung quanh vị trí 5.0eV và không có các đỉnh phổ đặc biệt nào đặc trưng cho các
mức năng lượng chuyên tiếp trong cầu trúc vùng năng lượng của bán dan, điều này
hoàn toàn khác với phô MCD của bán dẫn từ (In,Fe)As. Chính vì vậy phô MCD
được xem là một phương pháp hữu ích và tin cậy dé đánh giá tính nội tại của các loại vật liệu đặc biệt là ban dẫn từ, từ hình dạng phô MCD ta có thê 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 ban dẫn.
33
MCD (mdeg)
T= 10K,H=1 Tesla
156 20 25 30 35 40 45 50 Photon energy (eV)
MCD (mdeg)
' 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Photon energy (eV)
Hình 2.10: (a) Quang phô MCD của (In,Fe)As cho thay có sự tăng cường độ mạnh mẽ tại các peak quan trọng của InAs. (b) Phê MCD của lớp Fe dày 44nm thẻ hiện
một peak nên rộng. khác biệt hoàn toàn so với (In,Fe)As. [21]
2.4. Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot
Một trong những tiêu chi dé đánh giá một chat bán dẫn từ có thê ứng dụng được hay không đó là nhiệt độ Curie Tc (hay điểm Curie, nhiệt độ tới hạn). Day là nhiệt độ mà tại đó vật liệu sắt từ (ferromagnetic) bắt đầu mat từ tinh và trở nên thuận từ (paramagnetic) khi vượt quá nhiệt độ này. O dưới nhiệt độ Curie, vật liệu mang tính sắt từ, ở trên nhiệt độ Curie thì vật liệu sẽ mat tính sắt từ và trở thành thuận từ. Nhiệt độ này xuất phát từ định luật Curie - Weiss: độ nhạy (kha nang vat
liệu bị từ hóa bởi từ trường ngoài) của vật liệu từ tính ty lệ nghịch với nhiệt độ.
34
(3)
Trong đó:
x: độ nhạy của vật liệu từ tính.
C: hằng số Curie đặc trưng của vật liệu.
T: nhiệt độ tuyệt đối.
Te: nhiệt độ Curic.
Chính vì vậy đây là một thông số rất quan trọng và là ưu tiên hàng đầu để đánh giá một chất ban dan từ có thé ứng dụng vao thực tế hay không. Đề có thé chế tao 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 300 K tức 27°C) dé đảm bảo các linh kiện nay hoạt động ôn định. Chính vi vậy việc nghiên cứu xác định và cải thiện nâng cao nhiệt độ Curie của chất bán dẫn từ là rất quan trọng.
Trong đẻ 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 ran, một đồ thị Arrott plot thé hiện mdi quan hệ của bình phương độ từ hóa của một chất (2), so với tỷ lệ của từ
trường tác dụng với độ từ hóa (H/M) ở một nhiệt độ cô định. Đồ thị Arrott cũng lả
một cách dé xác định sự hiện diện của trật tự sắt từ trong vật liệu. Tên của phương
pháp này được đặt theo tên của nha vật lí người Mỹ Anthony Arrott, ông sử dụng kỹ
thuật này đề nghiên cứu từ tính lần đầu tiên vào năm 1957 [24].
Theo thuyết trường trung bình (mean field) của Ginzburg-Landau, năng lượng tự do của vật liệu sắt từ gần tới điểm chuyên pha có thê được viết là:
T “ Te
Tẹ
O đây M là độ từ hóa cua vật liệu, H là từ trường đặt vào, 7c là nhiệt độ tới hạn và
F(M) = -HM + a M? + bM! + -- (4)
a, b là các hằng số vật chat.
Ở điểm chuyên pha, ta có phương trình cho độ từ hóa:
2 = 1H a