Xuất phát từ những trở ngại của the hệ FMS pha tạp Mn, nhóm nghiên cứu của trường Đại học Tokyo (Nhật Ban) kết hợp cùng nhóm nghiên cứu của trường Dai học Sư phạm thành phố Hồ Chi Minh đã và đang nghiên cứu một lớp các chất bán dẫn từ mới đó là bán dẫn từ pha tạp sắt (Fe). So với Mn ở Sắt (Fe) khi pha tạp vào các chat bán dẫn III - V như InAs, GaSb hay InSb thé hiện được nhiều ưu
điểm:
Ưu điểm 1:
Ở hình 1.12 người ta thấy được sự thay đổi của hằng số mạng a của (Ga.Fe)Sb với nông độ Fe (x) tăng dần bằng khoảng một nửa so với (Ga,Mn)As điều này cho thay dé pha tạp Fe vào GaSb hơn nhiều so với việc pha tap Mn vào GaAs nhưng không làm suy giảm cau trúc và chất lượng tinh thé.
(b) GaSb
0.61 rực
See,
—
_ _— =-., ee
0 02 04 06 08 1
x
Hình 1.12: Thé hiện (Gaj-x,Fex)Sb cho thay hằng số mang a (Ga,Fe)Sb so với nông độ Fe (x) (hình vuông màu đỏ) va độ khớp tuyến tính tốt nhất của nó (đường nét đứt màu đỏ) còn ở (Gai-v.Mn,)As hang số mạng a (Ga,Mn)As so với
21
nông độ Mn, (hình vuông mau xanh) và độ khớp tuyến tính tốt nhất của nó
(đường nét đứt mau đen). [19]
Ưu điểm 2: Kiểm soát được nông độ dé tạo FMS loại N và P linh hoạt
Vì các nguyên tử Fe khi pha tạp vào bán dan IHI-V chi đóng vai trò tao
moment từ chứ không cung cấp các hạt tải điện. Do đó nồng độ hạt tải điện trong các chất này được tạo ra bằng cách đồng pha tạp (co-doping) các nguyên to khác
như Beryllium (Be) trong trưởng hợp của (In,Fe)As hoặc do các sai hỏng mạng nội tại (native defects) xảy ra do sự pha tạp Fe như trong trường hop của (Ga,Fe)Sb hoặc
(In,Fe)Sb. Chính vì vậy có thẻ tạo ra bán dẫn từ loại N hoặc loại P một cách linh hoạt tùy vào cách pha tạp. Hình 1.13 cho thấy hai loại bán dẫn từ (Ga.Fe)Sb va (In,Fe)Sb được chế tạo hành công băng phương pháp epitaxy chùm phân tử. Bán dan từ (Ga,Fe)Sb thé hiện loại P, còn các chất bán dẫn từ (In,Fe)As và (In,Fe)Sb thì
thê hiện loại N.
a) b)
GaFeSb
Hình 1.13: Anh STEM mặt cat ngang va ảnh nhiễu xạ chùm electron truyền qua (TED) cấu trúc mẫu mạng của TEM và mẫu TED của a) (Gai x,Fe,)Sb (x = 25%) và b) (Inj-x.Fex)Sb (x = 16%) màng mong. Các ảnh cầu trúc mẫu cho thay chi có cầu trúc tinh thé loại zin-blende mà không có lẫn các cau trúc tinh thể khác
(second phase) [1]
22
Ưu điểm 3: Có thê tăng nông độ pha tap Fe (x) đề đạt nhiệt độ Te cao, điều
mà các FMS pha tap Mn không làm được ở các nghiên cứu trước day [1]
Đối với các ứng dụng cho các thiết bị trong thực tế, nhiệt độ Curie 7c bắt
buộc phải cao hơn nhiệt độ phòng. Và nhiệt độ Curie của các EMS loại P sẽ phụ
thuộc vào nông độ x và nông độ lỗ p. Do đó tăng x là cách đơn giản nhất đề đạt được Te cao, tuy nhiên cho đến nay 7c tối đa của các FMS pha tạp Mn được nghiên cứu như (In,Mn)As (90 K) và (Ga,Mn)As (200 K) vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ phòng mặc dù đã thử nhiều giải pháp khác nhau. Trong (Ga.Mn)As nhiệt độ Curie trở nên bão hòa khi x tăng. Nhưng ở Fe khi pha tạp vào GaSb và InSb cho kết
quả Tc tang theo hàm lượng x.
350
300 250
— 200
tế 150
ky 100
50 0
0 5 10 15 20 25
x(%)
Hình 1.14: Sự phụ thuộc 7c của (Ga¡-,Fex)Sb và (Ini.,Fev)Sb vào hàm lượng Fe,
[4]
Việc có thể pha tạp nông độ Fe với nông độ lớn mang lại lợi thé rat lớn cho
vật liệu bán dan từ pha tạp Fe, đó là có thé tạo nên các chat bán dẫn từ có nhiệt độ
Tc cao do nhiệt độ 7c tỉ lệ thuận với nông độ pha tạp Fe. Thực tế cho thấy nhiệt độ
Curie của (Gai.,,Fe,)Sb với nông độ pha tap Fe 25% (x = 25% ) có nhiệt độ 7c lên đến 340 K, còn (In..,Fe.)Sb với với nồng độ pha tạp Fe 16% có 7c lên đến 335 K, đây là những giá trị 7c lớn nhất của bán dẫn từ nhóm III-V được báo cáo cho đến
nay. [4]
Hình 1.14 cho thay nhiệt độ Curie cao nhất được cho tới nay của một số vật liệu bán dan từ nhóm III-V pha tạp Fe gom (Ga,Fe)As, (In,Fe)As,(Ga,Fe)Sb,va
23
(In,Fe)Sb. Trong đó hai loại vật liệu bán dan từ (Ga,Fe)Sb loại P và (In,Fe)Sb loại
N cho thấy nhiều tiềm năng có thể ứng dụng trong các linh kiện spintronics thực tế
đo có nhiệt độ Curie cao trên nhiệt độ phòng. Đặc biệt là vật liệu bán dân từ (In.Fe)Sb
có nhiệt độ Curie cao (335 K) chi với nông độ pha tạp 16% Fe, do đó nhiệt độ Curie nay có thẻ tiếp tục tăng cao hơn nữa khi tiếp tục tăng thêm nông độ pha tạp Fe lên 20 hay 25%. Ngoài ra độ từ hóa của của vật liệu này còn có thể điều khién bằng tir trường giống như các loại bán dan từ tiêu biểu (Ga,Mn)As hay (In,Mn)As. Trên hình 1.15 cho thấy điện trở Hall Rusu (tỉ lệ thuận với độ từ hóa M) của (In.Fe)Sb cũng có thẻ điều chỉnh bằng cách sử dụng một cổng điện áp [5]. Với điện áp dương,
độ từ hóa được tăng lên nhờ sự gia tăng mật độ electron. Ngược lại. độ từ hóa giảm
đi với công điện áp âm. Điều này cho thấy (In,Fe)Sb cũng có khả năng độc đáo của các chất bán dan từ tiêu biểu như (Ga,Mn)As hay (In.Mn)As. Vi vậy vật liệu (In,Fe)Sb cho thay rất nhiều triển vọng và hứa hẹn có thé ứng dụng vào thực tế nếu được tiếp tục được nghiên cứu vả phát triển.
Chính vì vậy việc tiếp tục nghiên cứu va nâng cao nhiệt độ Curie của (In,Fe)Sb là hết sức cần thiết và cap bách. Tuy nhiên van dé được đặt ra hiện nay là dé có thé tăng nhiệt độ Curie của (In.Fe)Sb bằng cách tăng thêm nông độ pha tạp Fe đòi hỏi các điều kiện chế tạo màng mỏng như thông lượng Antimony, độ đày màng phải được tối ưu hóa đến mức tốt nhất có thé, nhằm đảm bảo các mẫu (In,Fe)Sb tạo ra có thé giữ được cau trúc tinh thé, cầu trúc vùng năng lượng cũng như tinh chất bán dẫn của bán dẫn nền ban dau. Tuy nhiên thì việc tối uu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb nay cho đến nay van chưa được nghiên cứu và thực hiện. Do đó ở dé tài này anh hưởng của thông lượng Antimony (Sb) đến tính chat từ của vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb sẽ được khảo sát nghiên cứu nhằm tim ra điều kiện tối ưu hơn
khi chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử.
24
wet
Nhiệt độ Curie 7c (K)
-§9 LGAaFeAs InFeAs GaFeSb InFeSb
Hình 1.15: Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số vật liệu
bán dan từ nhóm HI-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As [20],(In,Fe)As [21], (Ga,Fe)Sb
[19], va (In,Fe)Sb [4]
@ 600
300 +5V
=
= oO OV (initial)
Z 0V(final
2 -300 om nal)
a= -600
-0.8 -0.4 0 0.4 0.8
Magnetic Field (T)
Hình 1.16: Điều khién tính chat từ của màng mỏng (In,Fe)Sb bằng điện trường.
Trong đó Rusu là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M. Khi đặt vào công điện
áp dương (+5V) Ruau tăng lên cho thấy độ từ hóa M hay từ tính của mang
(In,Fe)Sb tăng lên. [Š]