Hình 3.1 cho cho thấy cau trúc của các màng mỏng bán dẫn từ (In.Fe)Sb chế tao bằng phương pháp epitaxy chùm phan tử. Tất cả các mẫu đều được ché tạo trên để (wafer) GaAs thương mại. Các bước chế tạo mẫu được tiến hành như sau: *
1.
kè
Đầu tiên dé GaAs được nung nóng ở nhiệt độ khoảng 550°C dé dé bay hơi lớp oxit GazO: trên bề mặt.
Tiếp đến dùng MBE dé tạo lớp đệm (buffer layer) GaAs có bề dày 50nm làm phăng bè mặt dé lần lượt các lớp đệm AlAs, AISb nhăm tăng dan hằng số mạng, giảm sự khác biệt hang số mạng giữa GaAs và (In.Fe)Sb.
Sau đỏ lớp màng mỏng (In,Fe)Sb day 20nm sẻ được phủ ở các nhiệt độ
khác nhau với tốc độ 500nnưh.
Cuỗi cùng là lớp InSb làm phần che chắn phía trên dày 2nm nhằm ngăn
chặn quá trình oxy hóa của lớp (In,Fec)Sb.
Trong suốt quá trình chế tạo các lớp màng mỏng, ảnh nhiều xạ RHEED được sứ dụng dé theo đối sự phát triển của các lớp tinh thẻ.
(In,Fe)Sb 20nm (10% Fe)
Hình 3.1 Hình vẽ mô ta cau trúc của các mau bán dẫn từ (In,Fe)Sb trên dé GaAs.
Trong dé tai nay cac mẫu (In,Fe)Sb được tạo nhằm mục đích khảo sát sự phụ thuộc của tinh chất từ vào nhiệt độ nên các thông số khác được có định như bề day màng mỏng (Jn, Fe)Sb được cố định d = 20nm, nông độ pha tạp Fe x = 10%. Đề tài nghiên cứu 4 mẫu màng mỏng (In,Fe)Sb pha tạp 10%Fe được chế tạo ở các nhiệt độ để khác nhau
32
Tạ: = 210°C, 230°C, 250°C, 270°C với ký hiệu lần lượt là Al — A4 được liệt kê trên bảng 3.1. Ngoài ra một mẫu bán dẫn không pha tạp InSb (bán dẫn thuần) kí hiệu mẫu A0 cũng được chế tạo ở nhiệt độ 250°C dé làm mẫu đối chiếu so sánh.
Bang 3.1 Thông số các mẫu bán dẫn từ (In.Fe)Sb trong đề tài. Các mẫu (Ini...Fe,)Sb từ AO đến A4 với nhiệt độ dé từ 210°C đến 270°C , trong đó mẫu AO là mẫu đối chiếu.
[os am | mg
33
3.2. Khao sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb
Hình 3.2 cho thay ảnh nhiều xạ chim điện tử phản xạ nang lượng cao (RHEED)
của các lớp đệm AISb của 4 mẫu nghiên cứu trước khi được phủ lớp (In,Fe)Sb. Ảnh
nhiễu xạ RHEED của các lớp đệm AISb của cá 4 mẫu déu cho thay các đường thăng (streak) có cường độ rat sáng và rõ ràng. cho thay các lớp đệm này đều có bề mặt đồng đều, bang phẳng (flat) theo định hướng hai chiều (2D) và cấu trúc tinh thẻ lớp đệm rat tốt. Điều này đồng nghĩa với việc các lớp mang mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb sẽ được chế tạo trên các lớp đệm có cấu trúc tinh thé tốt. Ngoài ra ảnh RHEED của các lớp đệm là tương đối giống nhau, do đó dam bảo việc so sánh đôi chiếu là trong cùng một điều kiện
lớp đệm.
(b)
(c) (đ)
Hình 3.2 (a) — (đ) Hình ảnh RHEED của các lớp đệm AISb của các mẫu theo thứ tự
tương ứng Al — À4.
Hình 3.3 (b) - (e) cho thay hình ảnh RHEED theo trục phương vị [110] của các lớp (In:..,Fe,)Sb cúa các mau lần lượt Al- A4. Ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb có dạng các đường thăng (streak) chứng tỏ bề mặt của các lớp (In,Fe)Sb tương đối bằng phăng. Riêng mẫu AI (hình 3.3b) và mẫu A2 (hình 3.3c) ảnh RHEED hơi tối đi, các đường thang (streak) dần chuyên sang dạng điểm sáng (spot) chứng tỏ hình thái bé mặt màng trở nên xấu đi, chuyển từ một bề mặt màng mỏng bằng phẳng dang hai chiều (2D)
sang gỏ ghé với các ốc đáo dang ba chiêu (3D). Điều này có thé được giải thích là do các mẫu A0, A3, A4 được chế tạo ở nhiệt độ dé cao hon (từ 250 - 270°C) nên năng
lượng cung cấp cho các phần tử nhiều hơn, do đó các phân tử liên kết lại với nhau trên
34
dé dé dang hơn, dẫn đến màng tạo thành có bè mặt đồng đều băng phẳng và chất lượng tinh thé tốt. Còn hai mẫu Al và A2 được tạo ra ở nhiệt độ thấp hơn 210 — 230°C nên chưa đủ năng lượng can thiết dé các tạo được màng có bề mat đồng déu và chất lượng tinh thê tốt. Sự khác biệt về chất lượng cấu trúc tinh thê khi thay đôi nhiệt độ dé anh hưởng thé nào đến tính chất từ của các mẫu (In,Fe)S$b sẽ được khảo sát trong mục sau.
Tuy nhiên điều cần nhắn mạnh ở đây là ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb của cả 4 mẫu AI - A4 cho thấy các đường thang ở các vị trí giỗng với ảnh RHEED của mẫu đối chiếu InSb không pha tạp (mẫu A0 — xem hình 3.3 a), đồng thời không có bat kì dang cau trúc tinh the khác lạ nào được quan sát thấy (hay không có phase thứ hai nào). Điều này
chứng tỏ các lớp (In,Fe)Sb được chế tạo thành công bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử, các màng bán dan từ (In,Fe)Sb vẫn duy trì được cau trúc tinh thê loại zinc- blende của bán dẫn gốc InSb, và các nguyên tử Fe thay thé tốt vào vị trí của In trong
InSb — 250°C Al — 210°C A2 — 230°C
ity
(d) (e)
Hình 3.3 (a) - (e) Hình ảnh RHEED của các lớp (In,Fe)Sb của các mẫu A0 - A4 theo
thứ tự lần lượt.
35
3.3. Khao sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mong (In,Fe)Sb
Tiếp theo đề đẻ nghiên cứu tính chất từ của các mẫu (In,Fe)Sb (AI-A4) chế tạo ở các nhiệt độ dé khác nhau (210°C, 230°C, 250°C, 270°C) thì phương pháp đo quang phô MCD đã được sử dụng. Hình 3.4 cho thấy phô MCD của các mẫu AI-A4. Ngoài ra phô MCD của mẫu đối chiếu InSb không pha tạp AO (đường màu den) cũng được vẽ nhăm mục đích so sánh. Lưu ý ở đây là cường độ phô MCD của mẫu A0 rất nhỏ (vì đây là mau bán dẫn thuần không có từ tính) nên dé tiện cho việc so sánh và nhìn rõ hình đạng thì cường độ MCD của mẫu này đã được nhân lên 15 lần (x15) khi vẽ trên cùng
một đỏ thị với phỏ MCD của các mẫu Al-A4.
Từ hình 3.4 có thé thay phô MCD của các mẫu (In,Fc)Sb AI-A4 đều có cùng một định phô (peak) ở vùng năng lượng photon khoảng 2eV giống với pho MCD của
với mau InSb không pha tạp AO, đây là đỉnh phô đặc trưng ứng với mức năng lượng
chuyên tiếp E của bán dẫn InSb.?Š Điều này chứng tỏ các mẫu (In.Fe)Sb vẫn giữ nguyên được cau trúc vùng năng lượng (band structure) của bán dẫn gốc InSb, đông thời cường độ đình phô MCD mạnh lên rất nhiều chứng to độ từ hóa M của InSb tăng lên khi pha
tạp Fe (vì độ từ hóa M tí lệ thuận với cường độ MCD) hay nói cách khác là từ tính của
InSb mạnh lên khi pha tạp Fe. Cũng can nhân mạnh ở đây là phô của các mẫu (In,Fe)Sb không phải là một nén phô rộng và thể hiện các đỉnh phô phù hợp với cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn InSb, điều này chứng tỏ trong cấu trúc các mẫu không tôn tại cụm nano liên quan đến hợp chất của sắt (Fe-related nanocluster). Vì vậy. phô MCD cho thấy các mẫu (In,Fe)Sb được chế tạo thành công, từ tính của mẫu xuất phát từ vật liệu bán dẫn từ (In.Fe)Sb chứ không phải từ các tạp chất khác như cụm nano của hợp chất liên quan đến Fe.
36
F 2,
B
20
ô
= -60
=
=r -100
E
Š -140
ô Năng lượng photon (eV)
b) A1
= 16 2 25 3 35 4 45 5
B: é :
s
a -405
Ò
= -80
s
= -120
Ễ -160
~ Năng lugng photon (eV)
c) A2
= 18 2 25 3 35 4 45 5
by
=s
Š
=
~
=
“ Năng lượng photon (eV) Ễ
d) A3
15 2 25 3 35 4 45 5
Cường độ MCD (mdeg) S Nang lượng photon (eV)
e) A4
2 25 3 35 @ 4S 5S
°
- uo
+°
Cường độ MCD (mdeg) 88 8 Nang lượng photon (eV)
Hình 3.4 Phé MCD của các mẫu (In.Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau
(210°C, 230°C, 250°C, 270°C), được đo ở nhiệt độ SK khi đặt trong từ trường IT.
37
Tiếp theo để khảo sát kĩ hơn quang phố MCD của các mẫu (In,Fe)Sb AI-A4,
quang phô MCD của các mẫu này đã được do ở các từ trường khác nhau lần lượt là 0.2T, 0.5T và IT (xem hình 3.5). Hình 3.5 cho thay phô MCD của các mẫu đo ở các từ trường H = 0.2T, 0.5T va IT, khi tăng từ trường từ 0.2T đến 0.5T thì cường độ MCD tăng dan, sau đó bão hòa ở từ trường 0.5T đến IT, kết quả này hoàn toàn phù hợp với tinh chat của một vật liệu sắt từ. Khi từ trường ngoài tăng lên thì độ từ hóa tăng lên và sau đó đạt đến trạng thái bão hòa. Điều cần lưu ý ở đây là hình dạng phô MCD đo ở các từ trường khác nhau là giống nhau. Dé dé so sánh về hình dang phố, phỏ MCD của các mẫu đo ở các từ trường khác nhau được chuân hóa (normalized) về cùng một cường độ. Các phô MCD được chuẩn hóa bằng cách lay cường độ MCD toàn phổ chia cho cường độ MCD tại đỉnh phô E¡ = 2cV, nơi có cường độ mạnh nhất, đề có giá trị chuẩn hóa là 1.
Hình 3.6 cho thay pho MCD của các mẫu đo ở các từ trường khác nhau sau khi đã được chuẩn hóa, các phô MCD gân như chồng khớp với nhau và cho thấy chúng có cùng một hình dạng, điều nay đồng nghĩa với việc bên trong các mẫu chỉ có chứa một pha sat từ đuy nhất của (In,Fe)Sb mà không trộn lẫn bat kì pha sắt từ của một tạp chat nào khác.
Vì nếu có hai hoặc ba pha sắt từ bên trong mẫu thì các pha nay có độ từ hóa M khác nhau và phụ thuộc theo các cách khác nhau vào từ trường ngoài. Tuy nhiên điều này không được quan sát thay trên phô MCD đo ở các từ trưởng khác nhau. Vì vậy có thé
kết luận các mẫu bán dẫn từ (In.Fe)Sb đã được chế tạo thành công, bên trong mẫu chỉ
có một pha sắt từ duy nhất (single-phase) cua vật liệu bán dan từ (In,Fe)Sb.
38
a) A1
25 3 35 4 45 5 o
= œ nN
ơ6
- N©
Cường độ MCD (mdeg) 8 8 8 Năng lượng photon (eV)
b) A2
2 25 3 35 4 45 5
°
= œ
8
Cường độ MCD (mdeg) = Sy8S S Nang lượng photon (cV)
d) A4
2 26 3 35 4 45 6 o
- oO
Cường độ MCD (mdeg) -140-1053 8 Nang lugng photon (eV)
c) A3
15 2 25 3 36 4 45 5
Cường độ MCD (mdeg) 8 & È 8 6
Năng lượng photon (eV)
Hình 3.5 (a) - (d) Phô MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1-A4) đo ở 5K dưới
các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và IT.
39
a) A1
= 15 2 25 3 35 4 45 5
csvo
E02
S 04
~
= -0.6 J -08
Ễ -1.24