LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn và PGS.TS. Đỗ Phương Liên, các kết quả nghiên cứu
báo cáo trong luận án là trung thực, không trùng lặp với bất kỳ nghiên cứu, luận án
nào khác đã công bố.
Người hướng dẫn
Tác giả
1
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đầu tiên và sâu sắc nhất của mình tới tập thể
hướng dẫn khoa học là PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn, PGS.TS Đỗ Phương Liên người Thầy tận tâm, tận lực hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên
cứu này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể các Thầy, Cô, các cán bộ viên chức, các
NCS, học viên và cựu học viên của Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu
(ITIMS) - Đại học Bách khoa Hà Nội (một môi trường lý tưởng để học tập và
nghiên cứu theo đúng tiêu chuẩn Quốc tế) đã góp ý, động viên, giúp đỡ tôi cả về
tinh thần lẫn vật chất trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Bộ môn Quang - Điện tử Viện Vật lý
Kỹ thuật - Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia,
Phòng thí nghiệm Vật liệu và linh kiện điện tử - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng thí nghiệm Vật lý các Vật liệu - Viện
Công nghệ Hoàng gia Thụy Điển đã quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi làm
thực nghiệm đạt kết quả tốt nhất để hoàn thành luận án.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo
sau đại học đã tạo điều kiện về mặt thủ tục, hồ sơ, giúp đỡ tôi từ khi bắt đầu đăng ký
thi dự tuyển NCS cho đến ngày bảo vệ luận án tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới UBND TP Hà Nội, trường Cao đẳng Cộng
đồng Hà Nội, các đồng nghiệp tại cơ quan công tác đã tạo điều kiện, động viên,
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn đề tài thuộc Quĩ NAFOSTED mã số 103.02.50.09 và
103.02.2012.65 về sự giúp đỡ.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình đã luôn quan
tâm chăm sóc, động viên giúp cho tôi thêm nghị lực để hoàn thành bản luận án này.
Hà Nội, tháng 8 năm 2016
2
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ĐẦU
5
7
10
11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MTJ VÀ MỘT SỐ
VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
15
1.1. Những nghiên cứu liên quan ở nước ngoài và trong nước
1.1.1. Những nghiên cứu liên quan ở nước ngoài
1.1.2. Những nghiên cứu liên quan ở trong nước
1.2. Một số dạng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ) điển hình
1.2.1. Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng hạt (GMTJ)
1.2.2. Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lớp (LMTJ)
1.2.3. Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lai lớp-hạt (HMTJ)
1.2.4. Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng rào thế kép
(DBMTJ)
1.3. Một số mô hình xuyên ngầm
1.3.1. Hiện tượng xuyên ngầm lượng tử trong cấu trúc MTJ(mô hình Zhang)
1.3.2. Cơ chế xuyên ngầm phụ thuộc spin trong cấu trúc MTJ (mô hình Julliere)
1.3.3. Xuyên ngầm bậc cao trong chế độ chắn Coulomb
(xuyên ngầm kiểu nhảy cóc)
1.3.4. Hiệu ứng tích điện của các hạt nano (Hiệu ứng chắn
Coulomb)
1.3.5. Xuyên ngầm đơn điện tử phụ thuộc spin (SD-SET)
1.3.6. Tích tụ spin trong các hạt nano
1.3.7. Các mô hình khác
1.4. Kết luận
15
15
17
20
20
22
23
25
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
39
2.1. Các thực nghiệm chế tạo mẫu
2.1.1. Lắng đọng màng mỏng bằng kỹ thuật phún xạ
2.1.2. Hệ phún xạ cao tần Alcatel SCM-400
2.1.3. Chuẩn bị bia, đế và xử lý mẫu
2.1.4. Chế tạo mặt nạ các dạng cấu trúc mẫu
2.2. Thực nghiệm phân tích cấu trúc
2.2.1. Phân tích thành phần (EDS)
2.2.2. Quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc lớp (SEM, AFM)
39
39
40
41
43
45
45
49
26
26
28
30
31
33
35
36
38
3
2.3. Thực nghiệm khảo sát các tính chất vật lý
2.3.1. Khảo sát tính chất từ (VSM)
2.3.2. Khảo sát tính chất điện (CIS, I-V)
2.4. Kết luận
51
51
52
57
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA CẤU
TRÚC MTJ DẠNG HẠT (GMTJ) (Co-Al2O3, FeCo-Al2O3)
58
3.1. Cấu trúc MTJ dạng hạt (GMTJ)
3.2. Vật liệu và phương pháp thực nghiệm
3.3. Tính chất từ của cấu trúc MTJ dạng hạt
3.4. Tính chất điện của cấu trúc MTJ dạng hạt (FeCo)-Al2O3
3.5. Kết luận về cấu trúc MTJ dạng hạt (GMTJ)
58
59
60
63
69
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA CẤU
TRÚC MTJ DẠNG LAI HẠT (HMTJ) (Co/Co-Al2O3/Co)
71
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
Cấu trúc MTJ dạng lai hạt (HMTJ)
Vật liệu và phương pháp thực nghiệm
Tính chất từ của cấu trúc MTJ dạng lai hạt
Tính chất điện của cấu trúc MTJ dạng lai hạt
Kết luận về cấu trúc MTJ dạng lai hạt (HMTJ)
71
72
74
77
82
CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CỦA CẤU
TRÚC MTJ DẠNG RÀO THẾ KÉP (DBMTJ)
(Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co)
83
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
Cấu trúc MTJ dạng rào thế kép (DBMTJ)
Vật liệu và phương pháp thực nghiệm
Tính chất từ của cấu trúc MTJ dạng rào thế kép
Tính chất điện của cấu trúc MTJ dạng rào thế kép
5.4.1. Đặc trưng I-V
5.4.2. Đặc trưng phổ trở kháng phức
5.5. Kết luận về cấu trúc MTJ dạng rào thế kép (DBMTJ)
83
85
85
87
87
92
103
KẾT LUẬN CHUNG
105
106
118
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
4
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
1
AFM
Atomic Force Microscope
2
BEEM
3
CB
Coulomb Blockade
4
CPE
Constrant Phase Element
5
CIS
Complex Impedance Spectroscopy
6
CVD
Chemical Vapor Deposition
7
DCE
Distribute Circuit Element
8
DBMTJ
9
DMS
Dilute Magnetic Semiconductor
10
DOS
Desity Of State
11
EDS
Energy-dispersive X-ray spectroscopy.
12
EEC
Equivalent Electric Circuit
13
FM/AFM
14
FIB
15
GMR
Giant Magneto Resistance
16
GMTJ
Grain-type Magnetic Tunnel Junctions
17
GIG
Grain In Gap
18
HMF
Half Metal Ferromagnetic
19
HMTJ
Hybrid-type Magnetic Tunnel Junctions
20
LTMJ
Layer-type Magnetic Tunnel Junctions
21
MCB
Magnetic Coulomb Blokade
22
MR
23
MRAM
24
MSC
Ballastic Electron Emission Microscopy
Double Barrier Magnetic Tunnel Junctions
FerroMagnetic/Anti FerroMagnetic
Focused Ion Beam
Magneto Resistance
Magnetoresistive Random Access Memory
Magnetic Semiconductor
5
25
MTJ
Magnetic Tunnel Junction
26
NM
None Magnetic
27
QMTD
28
RF
Radio Frequency
29
SB
Spin Blockade
30
SDT
31
SD-SET
32
SED
Single Electron Device
33
SEM
Scanner Electron Microscope
34
SET
Single Electron Tranzitor
35
SMTJ
Single Barrier Magnetic Tunnel Junctions
36
SSET
Single Spin Electron Transport
37
STT
Spin Torque Transfer
38
SQUID
39
TEM
Transmission Electron Microscopy
40
TMR
Tunneling Magneto Resistance
41
VSM
Vibrating Sample Magnetometer
Quantum Mechanical Tunneling Device
Spin-Dependent Tunneling
Spin Dependent-Single Electron Tunneling
Superconducting Quantum Interference Device
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Minh họa màng mỏng cấu trúc xuyên ngầm từ dạng hạt (GMTJ)
19
Hình 1.2 Ảnh TEM của màng có tỷ lệ thành phần nguyên tử sắt từ thay đổi
20
Hình 1.3 Minh họa màng mỏng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lớp
(LMTJ)
22
Hình 1.4 Minh họa màng mỏng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lai lớp
hạt (HMTJ)
23
Hình 1.5 a) Đường cong I-V và b) TMR phụ thuộc vào điện áp tại 4,2K
24
Hình 1.6 Dạng bất thường của TMR đo được trong từ trường lên tới 130 kOe
24
Hình 1.7 Minh họa màng mỏng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ rào thế kép
(DBMTJ)
25
Hình 1.8 Mô hình năng lượng cho sự xuyên ngầm của các điện tử qua lớp
rào thế.
27
Hình 1.9 Mô tả cơ chế xuyên ngầm phụ thuộc spin
29
Hình 1.10 Sơ đồ minh họa cấu trúc dạng hạt và quá trình xuyên ngầm bậc
cao
30
Hình 1.11 Mô hình một mạch kín bao gồm một chuyển tiếp kép xuyên ngầm
đơn điện tử.
31
Hình 1.12 Đặc trưng I-V của chuyển tiếp kép SET,
32
Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý xuyên ngầm đợn Spin điện tử (SSET)
33
Hình 1.14 Sơ đồ chuyển tiếp kép sự dịch thế hóa do sự tích tụ spin trong hạt
nano FM
35
Hình 1.15 Mô tả lớp rào thế nằm xen giữa hai lớp điện cực kim loại 1 và
điện cực 2
37
Hình 2.1 Hệ phún xạ RF Alcatel SCM-400
40
Hình 2.2 Bia ghép Al2O3-Co để tạo ra lớp rào thế dạng hạt
41
Hình 2.3 Mặt nạ 1 được sử dụng để tạo ra dải điện cực Co thứ nhất.
43
Hình 2.4 Mặt nạ 2 được sử dụng để tạo ra lớp Co-Al2O3
43
Hình 2.5 Mặt nạ 3 được sử dụng để tạo ra dải điện cực Co thứ 2
44
Hình 2.6 Ghép mặt nạ dùng để phún xạ tạo mẫu Co/Co-Al2O3/Co
44
Hình 2.7 Hệ đo phổ tán sắc năng lượng (EDS): JEOL JSM-7600F
45
Hình 2.8 Mối quan hệ và hàm FIT giữa tỷ lệ Co theo diện tích và tỷ lệ
nguyên tử Co
46
Hình 2.9 Mối quan hệ giữa Tỷ phần Co và tốc độ lắng đọng
48
Hình 2.10 Ảnh FE – SEM của mẫu cấu trúc MTJ
59
Hình 2.11
a) Hiển vi lực nguyên tử Flex AFM (nano surf)
b) Hình thái bề mặt mẫu GMTJ Co-Al2O3 quan sát bằng AFM.
50
7
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý và máy đo VSM
51
Hình 2.13 Vecto Fresnel trong mặt phẳng phức
54
Hình 2.14 a) Mạch điện, b) đường trở kháng, c) biểu đồ Bode
54
Hình 2.15 Hệ đo phổ trở kháng phức của một cấu trúc MTJ
55
Hình 2.16 Đế gắn mẫu đo phổ trở kháng phức
56
Hình 2.17 Mẫu được gá lên đế
56
Hình 2.18 Chiều dòng điện đo qua mẫu.
56
Hình 2.19 Máy Autolab PGS TAT 12
57
Hình 3.1 a) Ảnh SEM bề mặt mẫu 35% Co-Al2O3 chưa ủ.
58
o
b) Ảnh AFM bề mặt mẫu 35% Co-Al2O3 ủ ở 250 C/1 h
Hình 3.2 Sơ đồ mình hoạ và thông số kích thước của mẫu MTJ dạng hạt
59
Hình 3.3 Đường từ trễ của mẫu Co 8%-Al2O3
60
Hình 3.4 Đường từ trễ của mẫu Co 10 %-Al2O3
60
Hình 3.5 Đường từ trễ của mẫu Co 25 %-Al2O
61
Hình 3.6 Đường từ trễ của mẫu Co 35 %-Al2O3
61
Hình 3.7 Tổng hợp các đường từ trễ Co-Al2O3 khi thay đổi tỷ phần Co
62
Hình 3.8 Đường cong từ hóa của mẫu (CoFe)x-(Al-O)1-x/Si(100) chưa xử lý
nhiệt và xử lý nhiệt (với x = 0,1 và 0,3)
62
Hình 3.9 Đường cong đặc trưng I-V của mẫu (CoFe)x-(Al-O)1-x /Si(100)
chưa xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại Ta = 350 oC trong 1h (với x = 0,1 )
63
Hình 3.10 Đường cong đặc trưng I-V của mẫu (CoFe)x-(Al-O)1-x /Si(100)
chưa xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại Ta = 350 oC trong 1h (với x= 0,3).
64
Hình 3.11 Đường cong đặc trưng I-V của mẫu (CoFe)0.1-(Al-O)0.9 phún xạ
lắng đọng trên đế thuỷ tinh và ủ ở nhiệt độ Ta = 350 oC trong 1h
66
Hình 3.12. a) Minh hoạ các chuỗi hạt CoFe sắp xếp giữa các điện cực Ag
(b) Các tiếp xúc xuyên ngầm từ nano rào thế kép – nano DBMTJ (trong hộp)
68
Hình 4.1. Cấu trúc của một HMTJ
71
Hình 4.2 Ảnh SEM của cấu trúc 3 lớp (HMTJ)
72
Hình 4.3 Sơ đồ và thực tế mạch đo phổ CIS
73
Hình 4.4 Hành vi từ thay đổi khi tỷ lệ Co tăng dần
74
Hình 4.5- 4.8 Vai trò của lớp xen giữa với liên kết tĩnh từ của hai lớp ngoài
76
Hình 4.9 Phổ đặc trưng CIS của các mẫu đặt trong từ trường có cường độ
khác nhau
78
Hình 4.10 Phổ đặc trưng CIS của các mẫu đặt trong từ trường có cường độ
khác nhau
78
Hình 4.11 Phổ đặc trưng CIS của các mẫu đặt trong từ trường có cường độ
khác nhau
80
8
Hình 4.12 Phổ đặc trưng CIS của các mẫu đặt trong từ trường có cường độ
khác nhau
80
Hình 5.1 Minh họa và ảnh SEM một cấu trúc MTJ rào thế kép
83
Hình 5.2 Minh họa hiện tượng STT.
84
Hình 5.3 Các đường từ trễ đo với phương song song và vuông góc mặt
phẳng mẫu
86
Hình 5.4 Các đường đặc trưng I-V đo trong vùng thiên áp được quét trong
khoảng ± 3 V.
88
Hình 5.5 Các đường đặc trưng I-V của mẫu S13 cho thấy đặc trưng răng cưa
88
Hình 5.6 Các biểu hiện của hành vi răng cưa qua các cấu trúc có chiều dày
90
khác nhau
Hình 5.7 Cấu trúc của MTJ 2 lớp rào thế được coi như là hộp đơn điện tử
91
Hình 5.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên trở kháng ac (CIS) của mẫu DBMTJ
93
Hình 5.9 Đường Nyquist được vẽ từ số liệu CIS của các mẫu được tách ra từ
hình 5.8
93
Hình 5.10 Cấu trúc 5 lớp DBMTJ Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co được đưa ra như là
một hệ tụ điện kép hoặc một cấu trúc dạng hạt (b) Mạch điện tương đương
95
Hình 5.11 Các mạch điện cơ bản cho EECs trong phân tích CIS
98
Hình 5.12 Các thành phần thực (Z') và ảo (-Z'') như là chức năng của tần số
được đưa ra trong vùng hồi phục khác nhau có liên hệ với các khoảng tần số
102
9
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1 Quan hệ giữa tỷ phần diện tích Co và tỷ phần nguyên tử Co trong màng
46
Bảng 2.2 Quan hệ giữa tỷ phần diện tích Co và tỷ phần nguyên tử Co trong lớp
47
dạng hạt của mẫu HMTJ
Bảng 2.3 Quan hệ giữa tỷ phần Co trong màng với tốc độ lắng đọng
47
Bảng 2.4 Chiều dày lớp xen giữa dạng hạt của mẫu HMTJ tính theo hàm Fit
48
Bảng 5.1 Các tính chất từ cơ bản của các cấu trúc MTJ hai lớp rào thế được đo
theo hai phương: trong mặt phẳng và vuông góc với mặt phẳng mẫu.
86
Bảng 5.2 Các thông số của EEC phù hợp với dữ liệu CIS do phần mềm
ZSIMPWIN trong trường hợp chưa ủ và ủ ở nhiệt độ Ta = 1000 và 3000 C
100
Bảng 5.3 Các thông số của mạch điện giả Randles tại Ta = 3000 và 3500 C
101
.
10
MỞ ĐẦU
Với sự phát triển của công nghệ nano trong thời gian qua, các nghiên cứu về
tính chất, hiện tượng lượng tử của các quá trình vận chuyển điện tích trong các linh
kiện điện tử có cấu trúc hay kích thước nano đã đạt được những kết quả hết sức nổi
bật. Vào đầu thế kỷ 21, trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu thiết lập các cơ sở nền
tảng cho công nghệ điện tử nano (nanoelectronics) thay cho công nghệ vi điện tử.
Công nghệ chế tạo nano (nano fabrication), một công nghệ mới có trình độ cao hơn
thay cho công nghệ vi chế tạo. Các linh kiện điện tử lúc này sẽ sử dụng chủ yếu là
các hiện tượng vận chuyển kiểu đơn điện tích (Single Electron Transport - SET)
thay cho kiểu vận chuyển tập thể và sẽ là những linh kiện điện tử chủ đạo [3].
Trên cơ sở hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magneto Resistance - GMR)
khám phá vào những năm cuối thập niên 1980 đầu thập niên 90 của thế kỷ trước
(1986-1988) đã mở đầu cho một thời kỳ mới của nền công nghệ mới mà ở đó khai
thác và sử dụng thuộc tính spin của điện tử, một thuộc tính lượng tử hầu như chưa
được chú ý ứng dụng nhiều trong thực tế. Từ sự phát triển hết sức mạnh mẽ của nền
công nghệ mới ra đời này trong suốt thập kỷ cuối TK 20 và thập kỷ đầu TK 21, giải
thưởng Nobel Vật lý năm 2007 đã được trao cho hai nhà vật lý đã khám phá ra hiệu
ứng GMR, là P. Grunberg của Đức và A. Fert của Pháp. Tiếp theo sự khám phá ra
hiệu ứng GMR, vào khoảng 1995 hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling
Magneto Resistance - TMR) trong các cấu trúc ba lớp được gọi là tiếp xúc xuyên
ngầm từ (Magnetic Tunnel Junction - MTJ), tiếp tục được nghiên cứu. Từ đó, cùng
với hiệu ứng GMR, một nền công nghệ vật liệu cấu trúc nano và các loại linh kiện
khác nhau khai thác thuộc tính spin điện tử - điện tử học spin, hay spintronics, đã
trở thành một công nghệ then chốt cho một nền công nghiệp chế tạo các linh kiện và
thiết bị điện tử thế hệ mới mà nguyên lý hoạt động dựa trên bậc tự do của spin điện
tử: các linh kiện nano spin-electronics (hay ngắn gọn là các linh kiện nanospinics)
[43, 85, 135].
Với công nghệ điện tử nano, là công nghệ không chỉ đơn thuần là giảm kích
thước từ thang micro xuống đến thang nano, mà còn là vấn đề gắn với bản chất vật
lý bị thay đổi một cách căn bản khi giảm kích thước của vật liệu và các linh kiện
xuống đến thang nano mét. Những hiện tượng vật lý được quan tâm đối với các loại
vật liệu này được tập trung vào các hiệu ứng/hiện tượng lượng tử. Điều đó đã dẫn
đến nhu cầu về những vật liệu mới hay những cấu trúc (vật liệu) mới, và các giải
pháp công nghệ mới. Từ đó đặt ra tính cấp thiết và tầm quan trọng của việc tìm
hiểu, nghiên cứu những tri thức chung về mặt vật lý cơ sở và những tri thức cụ thể
đối với các vấn đề có liên quan trong lĩnh vực này. Những xu hướng nghiên cứu đó
sẽ gợi mở và hứa hẹn những khả năng ứng dụng hoàn toàn mới và đầy bất ngờ. Đặc
biệt hiện nay đang xuất hiện những nhu cầu rất lớn về ứng dụng công nghệ
nanoelectronics trong lĩnh vực y-sinh học và chăm sóc sức khoẻ. Bởi vì các linh
kiện, thiết bị điện tử thế hệ nanoelectronics sẽ có những đặc trưng không chỉ là rất
11
nhỏ gọn, có thể được thu nhỏ kích thước đến mức tối đa, tiêu thụ năng lượng ở mức
rất thấp, có tốc độ thao tác hay chuyển đổi trạng thái cực nhanh, mà còn hứa hẹn có
những tính năng vượt trội khác rất nhiều so với các linh kiện điện tử truyền thống
hiện nay. Vì vậy trong thời gian gần đây trên thế giới đã bắt đầu tập trung nghiên
cứu phát triển công nghệ các linh kiện đơn điện tử (Single Electric Device - SED),
các linh kiện xuyên ngầm lượng tử (Quantum Mechanical Tunnel Devices QMTD), các cấu trúc bit lượng tử sử dụng spin dùng cho máy tính lượng tử, và
nhiều loại linh kiện spintronics hay nanospinics khác. Ở các linh kiện này, ngoài
việc sử dụng điện tích của điện tử kết hợp với sử dụng các tính chất có được từ cấu
trúc hay kích thước nano, người ta còn sử dụng đến thuộc tính spin của điện tử [18,
28, 68, 84, 115].
Trong công nghệ nanospintronics đề cập đến ở trên, ngoài những vấn đề về vật
lý cơ bản mới xuất hiện còn là vấn đề về công nghệ mới nảy sinh từ việc kết hợp
hay tổ hợp với bán dẫn, oxit và kim loại. Về mặt cấu trúc, những kiểu cấu trúc vật
liệu đang được chú ý nhiều nhất là các cấu trúc tiếp xúc kiểu xuyên ngầm từ
(Magnetic Tunnel Junction - MTJ) dạng hạt, dạng lớp, dạng lai lớp-hạt và dạng rào
thế kép. Trong thời gian gần đây các nhà khoa học đã đặt ra vấn đề về những tính
chất/tính năng mới đối với các kiểu cấu trúc MTJ khác nhau này, và chúng đã cho
thấy có nhiều khả năng mở ra những ứng dụng mới hết sức lý thú trong thực tế từ
những hiện tượng xuyên ngầm phụ thuộc spin [122, 134]. Một cấu trúc MTJ dạng
hạt (Grain Magnetic Tunnel Junction - GMTJ) bao gồm các hạt kim loại sắt từ kích
thước nano mét phân tán trong nền của một chất điện môi phi từ. Một cấu trúc
MTJ dạng lớp truyền thống (Layer Magnetic Tunnel Junction - LMTJ) gồm hai lớp
kim loại sắt từ, có chiều dày từ vài đến có thể vài trăm nano mét, được ngăn cách
bằng một lớp điện môi phi từ có chiều dày chỉ từ một vài đến vài chục nano mét.
Việc kết hợp hai cấu trúc GMTJ và LMTJ để trở thành một cấu trúc MTJ kiểu mới
– cấu trúc MTJ dạng lai (Hybrid-type Magnetic Tunnel Junctions - HMTJ) – sẽ
mong đợi dẫn đến những tính năng/tính chất và khả năng ứng dụng hoàn toàn mới
[43, 60]. Một số vấn đề vật lý tiêu biểu, như là đã phát hiện ra các hiện tượng chắn
Coulomb từ (magnetic Coulomb blockage), chắn spin, truyền xoắn spin, và nắn
spin, v.v… đã được ghi nhận từ một số kiểu của cấu trúc lai này. Những ứng dụng
điển hình nhất bao gồm cảm biến từ có độ nhạy rất cao, các bộ nhớ từ với kích
thước vừa nhỏ gọn vừa có mật độ dung lượng nhớ cực lớn (Magnetoresistive
Random Access Memory - MRAM). Gần đây các linh kiện xuyên ngầm điện tử dựa
trên cấu trúc MTJ có 2 lớp rào thế gọi là các cấu trúc MTJ rào thế kép (Double
Barrier Magnetic Tunnel Junction - DBMTJ) có thể tạo ra các linh kiện hoạt động
dựa trên hiện tượng truyền spin xoắn (Spin Torque Transfer - STT) và các thiết bị
điện tử làm việc trong các vùng tần số cao và siêu cao với mức tiêu thụ năng lượng
rất thấp. Đặc biệt là các linh kiện đơn spin điện tử (Single Spin Electron Transport SSET) đang được nghiên cứu để triển khai ứng dụng trong thực tế.
12
Với những nhận định tình hình chung nêu trên đây, tác giả luận án đã được
hướng dẫn quan tâm nghiên cứu cả về mặt công nghệ chế tạo các MTJ có cấu trúc
kiểu lai khác nhau cũng như những hiệu ứng, tính chất của các cấu trúc đó, đặc biệt
là những hiệu ứng, tính chất liên quan đến vật lý spin. Từ đó đề tài nghiên cứu của
luận án mang tên: “Hiện tượng xuyên ngầm spin và các tính chất liên quan trong
các kiểu cấu trúc MTJ”. Đề tài luận án này cho thấy hoàn toàn phù hợp với xu thế
phát triển hiện đại nhất hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực khoa học và công nghệ
nano nói chung, vật lý và công nghệ của vật liệu điện tử nano nói riêng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nhằm:
- Tạo ra được các cấu trúc MTJ dạng hạt (GMTJ), dạng lai lớp hạt (HMTJ) và
cấu trúc MTJ có rào thế kép (DBMTJ).
- Thấy được các tính chất liên quan trong các kiểu cấu trúc MTJ đã chế tạo, tập
trung vào các hiện tượng vật lý spin nổi bật như: chắn Coulomb, chắn spin,
chỉnh lưu spin, các hiện tượng xuyên ngầm hay vận chuyển phụ thuộc spin,
chuyển động xoắn spin.
- Hiểu được bản chất vật lý và các tính chất liên quan đến các hiện tượng vật lý
spin trong các cấu trúc MTJ tiêu biểu nêu trên. Trên cơ sở đó nhận thấy và tiếp
cận gần hơn tới những khả năng ứng dụng của các hiện tượng, tính chất này
trong công nghệ spintronics.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Kế thừa từ những nghiên cứu trước đây và chú trọng hơn vào những vấn đề mới
của vật lý spin chưa được nghiên cứu như đã nêu, nhằm thực hiện các mục tiêu đề
ra ở trên, luận án tập trung vào một số nội dung chính như sau:
- Chế tạo các cấu trúc MTJ kiểu dạng hạt, kiểu lai lớp hạt và kiểu rào thế kép
với các đối tượng cụ thể là các màng mỏng có cấu trúc tiếp xúc dị thể với những
kiểu khác nhau:
+ Với hệ GMTJ: Co-Al2O3, (CoFe)-Al2O3
+ Với hệ HMTJ: Co/Co-Al2O3/Co
+ Với hệ DBMTJ: Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co
- Khảo sát các tính chất chủ yếu liên quan đến các kiểu cấu trúc MTJ chế tạo
được trên đây, như vi cấu trúc, các tính chất từ và điện dưới ảnh hưởng của một số
yếu tố liên quan đến chiều dày các lớp, tỷ lệ thành phần hay nhiệt độ xử lý, hoặc có
yêu tố xoay chiều với tần số cao trong một số trường hợp, và đặc biệt dưới tác dụng
của từ trường ngoài.
- Phân tích để rút ra những hành vi, những tính chất mang tính đặc thù liên quan
đến các hiện tượng do tính phân cực spin ở các cấu trúc MTJ mang lại, như các quá
trình xuyên ngầm spin, sự tương tác và vận chuyển cảm ứng bởi spin. Qua đó xác
lập được sự hiểu biết chung về bản chất vật lý và những tính chất quan trọng nhất
với các kiểu cấu trúc MTJ khác nhau. Trên cơ sở đó đề xuất những gợi ý về khả
13
năng ứng dụng của các hiện tượng, tính chất quan sát được cho công nghệ
spintronics.
Với những nội dung được tập trung quan tâm như vậy, nghiên cứu được triển
khai bằng một số phương pháp thực nghiệm tiêu biểu như:
- Chế tạo các màng mỏng MTJ có cấu trúc khác nhau bằng phương pháp phún
xạ catốt tần số cao (RF = 13,56 MHz), với thành phần sắt từ chủ yếu là Co, Fe,
NiFe và CoFe, và thành phần cách điện phi từ chủ yếu dựa trên oxit nhôm vô
định hình Al2O3. Để tạo ra những mẫu có hình dạng và kích thước hình học
thích hợp, các bộ mặt nạ (mask) tương ứng sử dụng trong quá trình phún xạ đã
được chế tạo.
- Khảo sát thành phần vi cấu trúc và các hình thái cấu trúc tương ứng bằng phổ
tán sắc năng lượng (EDX), hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi lực nguyên tử
(AFM).
- Đo tính chất từ đặc trưng bằng kỹ thuật từ kế mẫu rung (VSM).
- Thiết lập một số hệ đo phù hợp để khảo sát các đặc trưng I-V, phổ trở kháng
phức CIS dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Tính mới, tính thời sự và ý nghĩa khoa học của luận án
Những nội dung nghiên cứu trên đây đã tiếp cận tới những vấn đề còn rất mới,
cả ở trong nước và trên thế giới. Do đó những kết quả nghiên cứu của luận án được
kỳ vọng sẽ góp phần không chỉ làm phong phú thêm các chủng loại, các tính chất và
chức năng mới cũng như công nghệ mới của các vật liệu điện tử đối với khoa học
và công nghệ vật liệu nói chung, khoa học và công nghệ nano nói riêng, đặc biệt là
công nghệ nano từ và linh kiện spin điện tử, mà còn trên cơ sở đó kỳ vọng đạt được
mục đích là nhằm góp phần vào sự hiểu biết chung ở lĩnh vực khoa học và công
nghệ nano, làm cơ sở cho việc tiếp nhận tri thức công nghệ cao trong lĩnh vực này
để thúc đẩy sự phát triển hơn nữa những ứng dụng nanoelectronics và
nanospintronics ở trong nước.
Cấu trúc của luận án:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về các cấu trúc MTJ và một số vấn đề liên quan
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm
Chương 3: Nghiên cứu các tính chất của cấu trúc MTJ dạng hạt (GMTJ)
Chương 4: Nghiên cứu các tính chất của cấu trúc MTJ dạng lai hạt (HMTJ)
Chương 5: Nghiên cứu các tính chất của cấu trúc MTJ dạng rào thế kép (DBMTJ)
Kết luận chung
Tài liệu tham khảo
14
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CẤU TRÚC MTJ VÀ
MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
Công nghệ nano là công nghệ đặc trưng của thế kỷ 21, với các tính chất, các
hiện tượng lượng tử của các quá trình vận chuyển điện tích trong các linh kiện điện
tử có cấu trúc hay kích thước nano sẽ là những đặc trưng nổi trội. Các linh kiện điện
tử lúc này sẽ sử dụng chủ yếu là các hiện tượng vận chuyển kiểu đơn điện tích
(SET- single electron transport) thay cho kiểu vận chuyển tập thể và sẽ là những
linh kiện điện tử chủ đạo. Các cấu trúc tiếp xúc kiểu xuyên ngầm từ (MTJ) với các
hiện tượng, tính chất và khả năng ứng dụng của nó trong lĩnh vực này đã được các
phòng thí nghiệm và các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu.
1.1 Những nghiên cứu liên quan ở nƣớc ngoài và trong nƣớc
1.1.1 Nghiên cứu liên quan ở nƣớc ngoài
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, các quốc gia tập trung nghiên cứu mạnh
nhất về spintronics trong đó bao gồm cấu trúc MTJ và các ứng dụng của nó ở trên
thế giới chủ yếu là 3 khu vực: Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản, Đài Loan. Ngoài ra, Nga
đại diện cho khu vực Đông Âu cũng quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu bao trùm
tất cả các khía cạnh của khoa học và công nghệ: về vật liệu (chế tạo và đặc trưng
của các cấu trúc nano từ), về từ học và điều khiển spin trong các cấu trúc nano từ,
về các tính chất quang-từ của các chất bán dẫn, và về điện tử học từ tính
(magnetoelectronics) và các linh kiện. Mỗi quốc gia trong các khu vực trên đây lại
tập trung nghiên cứu riêng vào những vấn đề cụ thể như sau [19, 85, 114]:
- Mỹ tập trung vào quang điện tử (optoelectronics), như: Phun và ghi
nhận/phát hiện spin bằng nguyên lý quang học; Các thiết bị, linh kiện mới (như hiển
vi điện tử xung kích từ tính - BEEM). Mỹ cũng nghiên cứu mạnh nhất về các ứng
dụng của spin: Các cảm biến, linh kiện từ và đầu đọc các ổ đĩa ghi từ có mật độ cao
và siêu cao; Các bộ nhớ từ không tự xoá, như MRAM.
- Tây Âu chủ yếu quan tâm tới các vấn đề lý thuyết liên quan đến spintronics :
Cấu trúc của các linh kiện phun spin và các linh kiện xuyên ngầm; Lý thuyết về cấu
trúc dải năng lượng nhằm tiên đoán các tính chất của vật liệu; Phát triển các vật liệu
bán dẫn từ và các cấu trúc dị tiếp xúc giữa kim loại từ tính với bán dẫn.
- Nhật Bản nghiên cứu chủ yếu các vấn đề về công nghệ để tổng hợp ra các vật
liệu mới cho spintronics và nghiên cứu các đặc trưng về mặt cấu trúc của các vật
liệu này. Trong đó các vật liệu và linh kiện bán dẫn với các tính chất quang-từ được
chú trọng đến nhiều nhất.
- Đài Loan tập trung nghiên cứu cấu trúc và ứng dụng về linh kiện cảm biến
Ngoài ra một số khía cạnh hiện đại của vật lý spin đang được quan tâm:
15
Vấn đề spintronics trong bán dẫn: Vật lý của các bán dẫn từ và bán dẫn từ pha
loãng; Cơ chế kết cặp spin trong siêu dẫn nhiệt độ cao; Spin trong lý thuyết trường
lượng tử và các hạt lượng tử mang spin; Spin của hạt nhân.
Trong công nghệ nanospintronics, về mặt cấu trúc, những kiểu cấu trúc sau
đây được cho là những cấu trúc lõi để chế tạo ra các linh kiện điện tử nano nói
chung, đặc biệt là đối với điện tử nano spin, và đang được quan tâm nhiều là:
Các cấu trúc tiếp xúc kiểu xuyên ngầm từ (MTJ) dạng hạt và dạng lớp mà ở đó
thực hiện các quá trình vận chuyển xuyên ngầm phụ thuộc spin (SDT), hoặc các cấu
trúc MTJ kiểu lai giữa cấu trúc lớp và hạt để có thể thực hiện được sự vận chuyển
đơn spin (cấu trúc SSET: single spin electron tunneling) [27, 43, 122].
Các cấu trúc chuyển tiếp dị thể (heterogeneous junctions) dựa trên các tiếp xúc
sắt từ/bán dẫn hay bán dẫn/bán dẫn từ (hoặc bán dẫn từ pha loãng),… Các cấu trúc
như vậy thường xuất hiện hiện tượng tích tụ spin, nên dưới tác dụng của điện trường
có thể thực hiện các quá trình phun spin, vận chuyển spin, và có thể dùng làm linh
kiện để phát hiện/ghi nhận hay chuyển đổi dòng phân cực spin. Nghĩa là các linh
kiện điện tử dựa trên các cấu trúc này chính là các linh kiện spintronic trên cơ sở vật
liệu bán dẫn.
Các cấu trúc tiếp xúc sắt từ/phản sắt từ (FM/AFM) mà ở đó bộc lộ các hiện
tượng liên quan đến tương tác spin bề mặt, là một trong những vấn đề vật lý cơ bản
gần đây đang rất được quan tâm, ngoài những khả năng ứng dụng mới trong các van
spin đề cập ở trên cho lĩnh vực lưu trữ trong công nghệ thông tin và điện tử học
nano [115, 134].
Các cấu trúc dot từ, dây nano từ và các cấu trúc tiếp xúc giữa chúng với các
màng mỏng từ nano. Những cấu trúc này cũng đều cho thấy những vấn đề vật lý
mới hấp dẫn cả về mặt cơ bản cũng như khả năng ứng dụng mới cho các vật liệu và
linh kiện nano-electronics. Chẳng hạn như chỉ cần tạo ra một cấu trúc đơn giản gồm
một sợi ống nano carbon với 2 đầu của nó là 2 điện cực sắt từ màng mỏng là có thể
tạo ra được một linh kiện (nano/submicron) spintronics, vì ở đó có thể điều khiển
được sự vận chuyển phụ thuộc spin qua ống nano này [12].
Các cấu trúc van spin phân tử, transistor spin phân tử, transistor spin nguyên
tử,… là những phần tử lõi cho một dạng linh kiện điện tử spin mới khác thuộc lĩnh
vực điện tử học phân tử hay nguyên tử (molecular electronics (moletronics), atomic
electronics (atotronics) mà hiện nay các phòng thí nghiệm trên thế giới đang bắt đầu
quan tâm nghiên cứu [25].
Các vật liệu được quan tâm chú ý đáp ứng cho nhu cầu phát triển công nghệ
spintronics, các nghiên cứu hiện nay trên thế giới tập trung nhiều vào một số loại
vật liệu chức năng điển hình như: các vật liệu sắt từ có độ phân cực spin cao là các
hợp chất sắt từ bán kim loại (ferro-magnetic half-metals), các bán dẫn từ (MSC) và
bán dẫn từ pha loãng (DMS), các oxit từ, các phân tử hữu cơ pha tạp hay mang các
ion từ tính, các vật liệu cách điện làm lớp rào thế cho cấu trúc MTJ, và nhiều vật
16
liệu nano dạng khác như ống/dây nano carbon, các dot và dây nano là bán dẫn hay
kim loại, v.v.
Các công nghệ chế tạo vật liệu ở kích thước nanomet trong lĩnh vực này là các
kỹ thuật lắng đọng màng mỏng bằng phương pháp vật lý như phún xạ, bốc bay
trong chân không,… là những kỹ thuật được sử dụng phổ biến để tạo ra các cấu trúc
nano ở dạng màng mỏng, là kỹ thuật thích hợp cho việc chế tạo các linh kiện điện tử
nói chung. Ngoài ra các công nghệ màng mỏng, kết hợp cả các kỹ thuật vật lý và
hóa học, để tạo ra và sắp xếp các dot từ hay dây từ bằng các phân tử từ tính trong
các cấu trúc MTJ hay các cấu trúc phân tử cô lập (là những phần tử lõi của các linh
kiện nanoelectronics), các kỹ thuật tự sắp xếp (self-assembly), quang khắc bằng tia
laze, tia X và “quang” khắc bằng tia điện tử, các kỹ thuật thao tác, lắp ghép trên
từng nguyên tử bằng các kỹ thuật vi mũi dò,… đang rất được quan tâm nhằm làm
chủ công nghệ trong việc tạo ra được các cấu trúc vật liệu hay các linh kiện nanomicro mong đợi [11, 114].
Đối với các hiện tượng liên quan đến quá trình vận chuyển spin, hiện tượng
xuyên ngầm phụ thuộc spin (SDT) vẫn đang là vấn đề mới trên thế giới vì ngoài
việc các cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ) là cơ sở của nhiều loại linh kiện
spintronics trong tương lai, đặc biệt là loại linh kiện vận chuyển đơn spin điện tử
(SSET) đang được các nhà khoa học và công nghệ rất chú ý [123], mà ở đây còn có
nhiều hiện tượng vật lý spin mới đang đòi hỏi khám phá để hiểu biết và ứng dụng:
- Cơ chế của hiện tượng xuyên ngầm kiểu “nhảy cóc” (hopping) trong các cấu
trúc MTJ kiểu hạt, như các hệ Co(Ni, Fe, CoFe)- Al2O3.
- Hiện tượng đồng xuyên ngầm từ (magnetic co-tunneling) trong các cấu trúc
MTJ kép kiểu lớp (cấu trúc với 2 lớp hay nhiều lớp rào thế), và kiểu lai lớp-hạt
(cấu trúc có lớp dạng hạt xen kẽ rào thế kép).
- Hiện tượng xuyên ngầm với hiệu ứng chắn Coulomb từ (magnetic Coulomb
blockage), thường xuất hiện ở trong các cấu trúc MTJ kép và lai, đặc biệt là cấu trúc
MTJ gồm có một “đảo” nano kim loại xen giữa 2 lớp điện cực sắt từ. Đây là hiện
tượng cơ bản được sử dụng để điều khiển quá trình xuyên ngầm đơn spin trong các
transistor đơn spin (SSET). Điều đáng quan tâm ở đây là làm sao có thể làm chủ
được công nghệ để chế tạo thành công cấu trúc MTJ dạng “đảo” này. Đây là vấn đề
đang được tập trung nghiên cứu ở nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới [11, 56].
1.1.2 Những nghiên cứu liên quan ở trong nƣớc
Trong những năm qua khoa học và công nghệ vật liệu nano nói chung, vật liệu
từ nano nói riêng ở trong nước đã được chú ý quan tâm. Từ 2004 đến nay, là giai
đoạn tập trung phát triển khoa học và công nghệ nano, những nghiên cứu ở trong
nước theo hướng này nhìn chung đã thu được những kết quả nghiên cứu rất đáng
khích lệ. Trong xu thế này, các vật liệu từ nano dạng màng mỏng cũng ngày càng
được quan tâm hơn trước. Gần đây đã có nhiều cơ sở nghiên cứu khoa học ở trong
17
nước, đã triển khai nghiên cứu về các vật liệu dùng cho lĩnh vực spintronics. Cụ thể
là: Viện Khoa học vật liệu (IMS) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
nam có nhóm của Nguyễn Xuân Phúc, Nguyễn Văn Hồng và cộng sự [1, 5, 6, 104],
trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội nhóm của Nguyễn Hữu Đức
cùng cộng sự [103]. Ngoài ra còn có Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường
Đại học Sư phạm Hà Nội [7]. Hiện nay, nhìn chung có thể thấy cơ sở nghiên cứu có
truyền thống và khá tập trung vào khu vực màng mỏng từ nano trong đó có các cấu
trúc MTJ dùng cho công nghệ spintronics ở trong nước vẫn là ITIMS, IMS và
trường Đại học Công nghệ của Đại học Quốc gia Hà Nội. Tuy nhiên các nghiên cứu
này mới chỉ tập trung nghiên cứu vào kiểu van spin kim loại có ghim, và gần đây đã
hướng tới nghiên cứu vật liệu sắt từ bán kim loại (HMF), nhưng chỉ ở dạng khối, và
một chút về hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (TMR). Khoa Vật lý của trường Đại
học Khoa học Tự nhiên và Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
trước đây cũng đã từng nghiên cứu về cấu trúc MTJ. Thêm vào đó có khoa Vật lý
của trường Đại học Sư phạm Hà Nội đang bắt đầu tiếp cận nghiên cứu các vật liệu
bán dẫn từ và bán dẫn từ pha loãng dùng cho công nghệ spintronics. ITIMS và
trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội nghiên cứu các linh kiện van
spin có sẵn từ nước ngoài để nghiên cứu ứng dụng. Trong xu thế tiếp cận nghiên
cứu chung như nêu ở trên, nhóm nghiên cứu ở ITIMS có thời gian nghiên cứu liên
tục và có hệ thống trong lĩnh vực này, bắt đầu nghiên cứu đối với dạng màng mỏng
từ nói chung, màng mỏng từ cấu trúc nano và spintronics nói riêng, từ trước đến nay
nhóm “Màng mỏng từ và Spintronics” ở ITIMS đã triển khai nghiên cứu theo các
hướng chính:
- Nghiên cứu các cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ) cả ở dạng lớp, dạng
hạt nano và dạng lai giữa các cấu trúc lớp và hạt. Các cấu trúc lớp chủ yếu là
Co/AlO/Co(Py) [101]; các cấu trúc dạng hạt điển hình là Co-AlO [4, 97], Ni-AlO,
Fe-AlO, CoFe-AlO, Py-AlO, hay CoNi-AlO; các cấu trúc nhiều lớp rào thế như:
Co/AlO/Co/AlO/Co [90, 95], và các cấu trúc lai Co/Co-AlO/Co.
- Nghiên cứu các cấu trúc tiếp xúc hai lớp và nhiều lớp sắt từ/phản sắt từ, mà ở
những bề mặt tiếp xúc đó xảy ra các hiện tượng vật lý liên quan tới sự tương tác của
các spin ở bề mặt phân cách (các hiện tượng từ bề mặt), mà điển hình là hiệu ứng
tương tác trao đổi dị hướng đơn hướng (trao đổi dịch) [91-96], nghiên cứu các vật
liệu sắt từ nửa kim loại dạng màng mỏng và dạng khối. Đây là loại vật liệu sắt từ có
độ phân cực spin cao, thường có cấu trúc tinh thể kiểu giả Heusler (có công thức
hoá học là XYZ), như NiMnSb, CoMnX, với X = Sb, Si, Bi, Al; hay kiểu cấu trúc
oxit như Fe3O4, CrO2 [2, 98-102]. Điểm cần quan tâm chú ý là hiệu ứng kiểu GMR
được quan sát thấy ở các vật liệu nửa kim loại đề cập trên đây được gán cho sự vận
chuyển phụ thuộc spin qua biên hạt; hoặc hiện tượng đảo từ độ do cơ chế xoắn spin
qua vách đômen, .v.v. là những hiện tượng vật lý spin mới đang được nghiên cứu
trong thời gian gần đây.
18
Những nội dung đề cập ở trên đều là những vấn đề tiêu biểu của vật lý và công
nghệ nano nói chung và của công nghệ spintronics nói riêng. Các nội dung nghiên
cứu này cho thấy các nhóm nghiên cứu đã rất tích cực tập trung nghiên cứu theo cả
bề rộng và chiều sâu. Tình hình nghiên cứu cụ thể và các kết quả thu được về việc
nghiên cứu màng mỏng từ, cấu trúc MTJ cho công nghệ spintronics đã được phản
ánh trong các báo cáo tổng kết của các đề tài nghiên cứu và được công bố trên các
tạp chí, diễn đàn khoa học.
Do đó, luận án này là sự kế thừa tiếp tục nghiên cứu về cấu trúc MTJ dựa trên
trên các hệ màng mỏng dạng hạt Co-Al-O, dạng lai giữa các cấu trúc lớp và hạt, cấu
trúc MTJ rào thế kép. Trong nghiên cứu các đặc trưng điện, từ, từ điện trở được
khảo sát theo một số yếu tố công nghệ như chiều dày màng mỏng, tỉ phần Co trong
màng mỏng, công suất phún xạ, nhiệt độ ủ,…Sự xuyên ngầm phụ thuộc spin sẽ
được nghiên cứu thông qua việc phân tích các đặc trưng điện, từ, và các yếu tố ảnh
hưởng nhằm đem lại cái nhìn tổng quát về sự xuyên ngầm phụ thuộc spin trong các
cấu trúc MTJ đã được chế tạo.
1.2 Một số dạng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ) điển hình
1.2.1 Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng hạt (GMTJ)
Màng mỏng từ dạng hạt có cấu trúc đơn lớp M-Al-O gồm có các hạt được
cấu tạo bởi các nguyên tử sắt từ M như Co, Ni, Fe hay hợp kim của chúng, nằm
phân bố ngẫu nhiên trong nền oxit kim loại không dẫn điện như Al2O3, MgO... Do
có sự tách pha giữa các hạt kim loại sắt từ M không hoà tan trong nền cách điện cho
nên các hạt kim loại sắt từ có xu hướng kết tụ lại thành các cụm nhỏ cô lập trong
nền như minh họa trong hình 1.1.
M.Ohnuma và nhóm nghiên cứu ở viện nghiên cứu vật liệu, trường đại học
Tohoku Nhật Bản đã nghiên cứu chế tạo hệ màng mỏng dạng hạt Co-Al-O bằng
phương pháp phún xạ RF năm 1997 [78]. Họ quan sát cấu trúc màng Co-Al-O này
bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) như thấy trong hình 1.2. Ảnh TEM này
cho biết thông tin về hình thái và các thông số hình học của các hạt Co một cách cụ
thể hơn.
Hình 1.1. Minh họa màng mỏng cấu trúc xuyên ngầm từ dạng hạt (GMTJ).
19
Với mẫu màng Co71Al29 như thấy trong hình 1.2a, có thể nhận thấy rằng màng
có cấu trúc dạng hạt rất rõ bao gồm các hạt kim loại sắt từ Co có mật độ dày đặc,
đóng thành cục và không tạo ra các biên giữa các hạt với nhau và hình thành nên hạt
có kích thước rất lớn nằm xen lẫn trong nền kim loại Al. Vùng có các vết mầu sẫm
chính là các hạt Co được kết tụ lại tạo ra hạt có kích thước rất to còn vùng có các
vết sáng trắng là các hạt Al được co cụm lại cũng tạo ra kích thước hạt lớn có thể
nhìn thấy rất rõ qua ảnh trường sáng TEM. Khi tỷ lệ thành phần Co giảm và được
thay thế dần bởi tỷ lệ thành phần oxy, trong màng sẽ tạo ra sự thay đổi mạnh về vi
cấu trúc của màng. Sự có mặt của oxy trong màng này đã tạo ra các vùng biên phân
cách giữa các hạt trong đó những hạt kim loại Co được bao quanh bởi vùng có các
đốm sáng có kích thước hạt trung bình khoảng 2-3 nm như thấy trong hình 1.2b.
Quan sát ảnh trường sáng TEM nhận thấy vùng có các đốm đen chính là các hạt
kim loại Co và vùng có các đốm sáng là các biên bao quanh các hạt Co được tạo
nên do sự có mặt của oxy hay nền Al2O3.
Với tỷ lệ thành phần nguyên tử oxy cao hơn so với Co dẫn đến vùng có các
đốm sáng chiếm nhiều hơn so với vùng có các đốm đen như thấy trên hình 1.2e của
màng Co38Al15O47. Như vậy có thể thấy rằng tỷ lệ thành phần sắt từ trong cấu trúc
màng dạng hạt có ảnh hưởng rất lớn đến kích thước trung bình và mật độ phân bố
của các hạt sắt từ trong nền không dẫn điện Al2O3, khi tỷ lệ thành phần sắt từ cao
tạo nên mật độ phân bố của các hạt này lớn. Kích thước của các hạt này to hơn tạo
nên các hạt có cấu trúc vách đômen dẫn đến lực kháng từ Hc và từ độ của màng
tăng.
Ngay từ đầu những năm 1970, nhóm tác giả Gittleman đã quan sát thấy hiệu
ứng tương tự như vậy, nhưng nhỏ, trong hệ màng dạng hạt Ni - Si - O và Co - Si - O
chế tạo bằng phương pháp phún xạ và cho rằng sự xuyên ngầm phụ thuộc spin có
thể là nguyên nhân dẫn đến kết quả này [44]. Tuy vậy, quan điểm chung trong thời
kỳ này là sự xuyên ngầm phụ thuộc spin chỉ có thể xảy ra trong hệ màng dạng hạt
nền kim loại.
Hình 1.2. Ảnh TEM của màng có tỷ lệ thành phần nguyên tử sắt từ thay đổi: a) Co71Al29,
b) Co61Al26O13. c) Co56Al23O21. d) Co46Al19O35. và e) Co38Al15O47 [78].
20
- Xem thêm -