MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................... v
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC ......................................... 7
1.1 Khái niệm về plasmon .................................................................................................. 9
1.2 Phân loại plasmon ...................................................................................................... 10
1.3 Điều khiển độ truyền qua của tinh thể plasmon từ bằng từ trường ngoài .................. 12
1.4 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt .................................................................. 16
1.5 Hiện tượng
1.6 Tương tá
ni
in
ni .................................................................. 17
gn n-plasmon ....................................................................................... 21
1.7 Sơ ược về tình hình nghiên cứu về spin-plasmonic ở tr ng nước............................. 27
1.8 Kết luận hương 1 ...................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 29
2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng hương há
2.1.1 Nguyên tắc chung củ
hương há
hún xạ cao tần 29
hún xạ cao tần.......................................... 29
2.1.2 Cách bố trí bia khi chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt ........................................ 32
2.1.3 Xử lý màng mỏng sau khi chế tạo ....................................................................... 33
2.2 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng hương há bốc bay nổ trong
chân không ....................................................................................................................... 33
2.2.1 Nguyên lý của bốc bay nổ .................................................................................... 34
2.2.2 Ưu điể , nhượ điể
2.3 Cá
ủ
hương há bố b
nổ ........................................... 35
hương há khảo sát màng mỏng ..................................................................... 36
2.3.1 Phương há nghiên ứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X ....................................... 36
2.3.2 Kính hiển i điện tử quét (SEM).......................................................................... 37
2.3.3 Kính hiển i điện tử truyền qua (TEM) ............................................................... 37
2.3.4 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ...................................................................... 37
i
2.3.5 Khảo sát tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM) ......................................... 38
2. Thiết ậ hệ đ qu ng-từ để khả
2. .1 Sơ đ khối ủ
át hiện tượng
monic...................................... 38
á hệ đ qu ng-từ ...................................................................... 38
2. .2 Th ng ố k thuật ủ
á thiết b ử ụng tr ng á hệ đ qu ng-từ.................. 40
2. .3 Thiết ậ hệ đ qu ng-từ với ngu n ánh áng
er đỏ ........................................ 45
2.4.4 Thiết lập hệ đ qu ng-từ với á ánh áng đơn ắc khác nhau ............................ 46
2.5 Kết luận hương 2 ...................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH THÁI CẤU TRÚC DẠNG
HẠT CỦA CÁC MÀNG MỎNG Co-Al2O3 VÀ Co-Ag..................................................... 50
3.1 Một số đặ trưng ấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Al2O3 ....................................... 50
3.1.1 Tỉ lệ thành phần Co trong màng mỏng Co-Al2O3 ................................................ 50
3.1.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 53
3.1.3 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 54
3.1.4 Hình thái vi cấu trúc thông qua giản đ XRD ..................................................... 56
3.1.5 Tính chất từ của hệ màng mỏng Co-Al2O3 .......................................................... 59
3.2 Một số đặ trưng ấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Ag ........................................... 62
3.2.1 Tỉ lệ thành phần Co trên màng mỏng Co-Ag....................................................... 62
3.2.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 64
3.2.3 Hình thái màng mỏng dạng hạt thông qua ảnh TEM ........................................... 67
3.2.4 Khảo sát cấu trúc màng mỏng thông qua phổ nhiễu xạ điện tử (ED) .................. 68
3.2.5 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 68
3.2.6 Tính chất từ của hệ Co-Ag ................................................................................... 71
3.3 Kết luận hương 3 ...................................................................................................... 72
CHƯƠNG : HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Ag ......................................... 73
.1 iểu hiện
ni từ tính thông qua phổ truyền qua của ánh sáng nhìn thấy ở hệ
màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 74
4.1.1 Phổ truyền qua của hệ màng mỏng Co-Ag .......................................................... 74
ii
.1.2 Sự hụ thuộ
.1.3 Hiện tượng
ủ
hổ tru ền qu
tỉ ệ C
ni từ t nh trên hệ
4.2 Biểu hiện plasmonic từ t nh th ng qu
ẫu
từ trường ngoài ...................... 75
ng
ỏng C -Ag........................... 78
hổ hản xạ ủ ánh áng nh n thấ ở hệ
màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 79
.2.1 Phổ hản xạ hụ thuộ
tỉ ệ hạt ắt từ C tr ng
.2.2 nh hưởng ủ từ trường ên hổ hản xạ ủ
4.2.3 Về biểu hiện ủ hiện tượng
ẫu .................................... 80
ng
ni từ t nh trên hệ
ỏng C -Ag .................... 82
ẫu C -Ag ................... 85
4.3 Kết luận hương ...................................................................................................... 89
CHƯƠNG 5: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Al2O3..................................... 90
5.1 Nghiên cứu thực nghiệm phổ truyền qua ở màng mỏng dạng hạt Co - Al2O3 ........... 91
5.1.1 Sự tru ền qu
hụ thuộ từ trường
5.1.2 Sự truyền qua phụ thuộ
5.2 Cơ hế tương tá
5.2.1 M h nh h
5.2.2 Cơ hế ghi
tỉ lệ C
ủ ánh áng
er đỏ. ................ 91
hướng của từ trường ngoài .................................... 95
gn n-plasmon ở màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 ..................... 98
ơ hế tương tá
h t n-magnon ................................................... 98
gn n tr ng tương tá
gn n-plasmon ................................... 103
5.3 Kết luận hương 5 .................................................................................................... 106
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 107
TÀI LIỆU THAM KH O .................................................................................................... A
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố CỦA LUẬN ÁN ................................ N
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
AFM
AMR
CVD
ED
EDS
FE
FM
GMR
GGG
IG
LSP
MBE
MEF
MGF
NM
PVD
RF
RKKY
Interraction
SEM
SERS
SNOM
SPE
EELS
SPP
SPR
TEM
TMR
XRD
Tên tiếng Anh đầy đủ
Atomic Force Microscope
Anisotropic Magnetoresistance
Chemical Vapor Deposition
Electron Diffraction
Energy Dispersion
Spectroscopy
Flash Evaporation
Ferromagnetic Material
Giant Magneto-Resistance
Gadolinium Gallium Garnet
Iron Garnet
Local Surface Plasmon
Molecular Beam Epitaxy
Metal Enhancement
Fluorescent
Magnetic granular thin film
Nonmagnetic Material
Physical Vapor Deposition
Radio Frequency
Ruderman-Kittel-KasuayaYosida Interraction
Scanning Electron Microscope
Surface Enhanced Raman
Spectroscopy
Near-field Scanning Optical
Microscope
Spinplasmonic electron
Electron Energy Loss
Spectroscopy
Surface Polariton Plasmon
Surface Plasmon Resonance
Transmission Electron
Microscope
Tunneling Magnetoreristance
X-ray Diffraction
iv
Dịch nghĩa
Kính hiển vi lực nguyên tử
Từ điện trở d hướng
Lắng đọng h hơi hó học
Nhiễu xạ điện tử
Phổ tán sắ năng ượng
Bốc bay nổ
Vật liệu sắt từ
Từ điện trở khổng l
Tinh thể đ nh hướng GGG
Tinh thể Iron Garnet
Plasmon bề mặt đ nh xứ
Phương há e it x hù
phân tử
Huỳnh qu ng tăng ường
nhờ kim loại
Màng mỏng từ dạng hạt
Vật liệu phi từ
Lắng đọng h hơi ật lý
Tần số Radio
Tương tá RKKY
Kính hiển i điện tử quét
Tán xạ R
n tăng ường
bề mặt
Kính hiển vi quang học
quét trường gần
Điện tử spinplasmonic
Phổ tổn h năng ượng
điện tử
Plasmon polariton bề mặt
Cộng hưởng plasma bề mặt
Kính hiển i điện tử truyền
qua
Từ điện trở xuyên ngầm
Nhiễu xạ tia X
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [90]. ...................................... 9
Hình 1.2 Phân loại plasmon [76]. ............................................................................ 10
Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [19]..................................................................... 11
Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [34]. ........................................................................... 12
Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [30]. ......................... 14
Hình 1.6 Phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic [96]. ............................................ 15
Hình 1.7 Kết quả phổ truyền qua tinh thể plasmon từ với cấu trúc hốc nano (đường
kính 150 nm và chu kì là 400 nm ) trên bề mặt mẫu. Một sóng phân cực thẳng tới
vuông góc trên tinh thể từ phía không khí [96]. ....................................................... 16
Hình 1.8 Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt nano [96]. .... 17
Hình 1.9 Khi các vi hạt Co/Au được đặt trong từ trường ngoài, các electron trong
các hạt Co bị phân cực spin [11].............................................................................. 18
Hình 1.10 Cơ chế của hiện tượng plasmon-spin [58]. ............................................. 19
Hình 1.11 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au
(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ
trường B// [58]........................................................................................................... 20
Hình 1.12 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au
(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ
trường B [58]. ........................................................................................................ 21
Hình 1.13 Plasmon tạo bởi từ trường không đồng nhất [114]. ................................ 23
Hình 1.14 Hiệu ứng phân cực spin của electron trong nguyên tử từ [114]. ............ 24
v
Hình 1.15 Spin trên phổ tiêu hao năng lượng của các phương Gd/Mo (112) ở 0(a),
1/2(b), 3/4 (c) và 5/4 (d)[49]..................................................................................... 25
Hình 1.16 Bất đối xứng spin của kích thích plasmon (hình vuông) tại năng lượng
tiêu hao khoảng 5 eV và Drude (vòng tròn) với năng lượng tiêu hao cỡ 1,5 eV như
một chức năng của vector sóng [43]. ....................................................................... 26
Hình 1.17 Phổ tổn hao năng lượng trên Gd/Mo (112) ở trung tâm các vùng
Brillouin 200K và 300K [49]. ................................................................................... 27
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy phún xạ........................................................................ 30
Hình 2.2 Bia ghép Al2O3-Co. .................................................................................... 32
Hình 2.3 Sơ đồ hệ bốc bay nổ trong chân không. .................................................... 35
Hình 2.4 Nguyên lí hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử AFM [14]. ............... 38
Hình 2.5 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài.
.................................................................................................................................. 39
Hình 2.6 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số phản xạ phụ thuộc từ trường ngoài. ... 39
Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của dòng quang điện của quang
trở vào cường độ chiếu sáng đến quang trở............................................................. 41
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của điện trở của quang trở vào cường độ sáng .................. 41
Hình 2.9 Laser He- Ne gồm đầu phát Laser(a) và nguồn cao áp (b). ..................... 42
Hình 2.10 Khảo sát sự phụ thuộc của từ trường trong cuộn cảm vào cường độ dòng
điện bằng máy đo từ Gauss. ..................................................................................... 43
Hình 2.11 Sự phụ thuộc của từ trường B vào cường độ dòng điện. ......................... 44
Hình 2.12 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là đầu đo công suất. (1) nguồn laser
đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây tạo từ trường, (4) thấu kính hội tụ, (5) đầu đo
công suất, (6) nguồn một chiều, (7) ôm kế, (8) nguồn cao áp của laser He-Ne. ..... 45
vi
Hình 2.13 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là quang trở CdS. (1) nguồn laser đỏ,
(2) kính phân cực, (3) cuộn dây, (4) thấu kính hội tụ, (5) quang trở CdS, (6) nguồn
một chiều, (7) ampe kế, (8) ôm kế, (9) nguồn cao áp của laser He-Ne. ................... 46
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài. . 46
Hình 2.15 Thiết bị lock-in DSP 7225. ...................................................................... 47
Hình 2.16 Hệ tán sắc ánh sáng CARLZEISS JENA. .............................................. 47
Hình 2.17 Chopper tạo xung. ................................................................................... 48
Hình 2.18 Hệ đo quang-từ với các ánh sáng đơn sắc khác nhau. (1) máy quang phổ;
(2) chopper; (3) kính phân cực; (4) và (4’) thấu kính hội tụ; (5) nam châm; (6) cảm
biến quang trở CdS; (7) bộ khuếch đại lock-in DSP 7225; (8) nguồn một chiều. ... 49
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa tỉ lệ % nguyên tử Co trên mẫu so với tỉ lệ diện tích bia.
.................................................................................................................................. 52
Hình 3.2 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 tẩm thực NaOH 10 phút.
.................................................................................................................................. 53
Hình 3.3 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 đã tẩm thực NaOH 5 phút.
.................................................................................................................................. 53
Hình 3.4 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(15%)-Al2O3 chưa ủ
nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54
Hình 3.5 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(40%)-Al2O3 chưa ủ
nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54
Hình 3.6 Ảnh AFM được trích xuất từ các ảnh AFM của các mẫu màng mỏng
Co(15%)-Al2O3 và Co(40%)-Al2O3 sau khi đã ủ nhiệt ở 250oC trong vòng 1h . ..... 55
Hình 3.7 Minh họa mặt cắt của bề mặt ghi nhận được bằng AFM của các mẫu
màng mỏng Co-Al2O3, thể hiện các hạt/chùm nguyên tử Co cô lập được bao bởi lớp
nền Al2O3. ................................................................................................................. 56
vii
Hình 3.8 Giản đồ XRD của mẫu màng mỏng dạng hạt Cox(Al2O3)1-x với x = 0.27. 57
Hình 3.9 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(x%)-Al2O3 với từ
trường vuông góc bề mặt mẫu với x = 6, 16, 27, 49. ............................................... 59
Hình 3.10 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3........ 61
Hình 3.11 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3 với từ
trường theo hai phương song song và vuông góc với bề mặt mẫu........................... 61
Hình 3.12 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(49%)-Al2O3........ 62
Hình 3.13 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(8%)-Ag. ............................ 62
Hình 3.14 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(15%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.15 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(25%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.16 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(50%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(23%)-Ag bốc bay nổ.
.................................................................................................................................. 65
Hình 3.18 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(20%)-Ag phún xạ. ... 65
Hình 3.19 So sánh hình thái bề mặt qua ảnh SEM của các mẫu màng mỏng được
bốc bay nổ với tỷ lệ Co khác nhau............................................................................ 65
Hình 3.20 Ảnh SEM của mẫu Co(27%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66
Hình 3.21 Ảnh SEM của mẫu Co(20%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66
Hình 3.22 Ảnh TEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag bốc bay nổ.
.................................................................................................................................. 67
Hình 3.23 Ảnh ED của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag. ................... 68
Hình 3.24 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(22%)-Ag. ............................... 69
viii
Hình 3.25 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(27%)-Ag. ............................... 69
Hình 3.26 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Co. ..................................... 70
Hình 3.27 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Ag. ..................................... 70
Hình 3.28 Tính chất từ của một số màng mỏng từ dạng hạt Co-Ag. ....................... 71
H nh .1 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với x = 0 và x = 27% nguyên
tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác dụng (B = 500 G). ............. 75
H nh .2 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với các x khác nhau, trong
khoảng 0 – 63 % nguyên tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác
dụng (B = 500 G). .................................................................................................... 75
H nh .3 Sự biến thiên có dạng dao động tắt dần theo tỷ lệ thành phần Co (x trong
khoảng 0 63% nguyên tử) của hệ số truyền qua quan sát tại các bước sóng
= 560 nm (a) và 660 nm (b). ................................................................................. 77
H nh . Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 80
H nh .5 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 81
H nh .6 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co ứng với bước sóng 660 nm khi B = 0. ............. 81
H nh .7 (a) Phổ phản xạ của màng mỏng với x = 7% khối lượng Co-Ag dưới tác
dụng của từ trường ngoài có cường độ khác nhau, B = 0 500 G. (b) Vùng phổ
dưới bước sóng dài được tách từ hình (a) để thấy rõ xu hướng biến thiên theo
cường độ từ trường ngoài. ........................................................................................ 82
H nh . Phổ phản xạ của ánh sáng trên bề mặt mẫu màng mỏng có các tỷ lệ Co
khác nhau với tác dụng của từ trường ngoài B = 0 và 500 Gs: (a) x = 0; (b) x ~
0.04; (c) x ~ 0.06; (d) x ~ 0.07. ............................................................................... 83
H nh . 1.6Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. .................................... 85
ix
H nh 5.1 Tỷ số truyền qua phụ thuộc từ trường của chùm tia laser đỏ đối với các
màng mỏng Cox-Al2O3 có tỷ lệ Co khác nhau: x = 16%(hình a), 27% (hình b), 49%
(hình c), 63% (hình d) và 100%(hình e). Các đường chấm ngang thể hiện các mức
nền truyền qua khi x nhỏ (≤ 49 %) và các mức trần truyền qua khi x lớn (> 49 %).
.................................................................................................................................. 92
H nh 5.2 Quan hệ giữa cường độ chùm laser tới J0 , và truyền qua được JT phụ
thuộc vào lượng hạt, hay chùm nguyên tử, Co ít (a) hay nhiều (b) trong nền Al2O3.
.................................................................................................................................. 93
H nh 5.3 (a) Cơ chế plasmonic, (b) và cơ chế spinlasmonics [7]. ......................... 103
H nh 5. Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. ......................................... 99
H nh 5.5 (a) Một tia sáng của ánh sáng nhìn thấy tác động vào màng mỏng từ dạng
hạt đặt trong một từ trường ngoài có thể điều chỉnh được. (b) Minh họa sự tương
quan giữa hình học (x, y, z, φ), quang học (trục quang, B0, E0) và từ trường (Hinit,
Mi, H) là các yếu tố ảnh hưởng. (c) Biểu hiện của hiện tượng plasmonic với điện
trường phân cực E’ trong màng mỏng từ dạng hạt với kích thước D . (d) và (e)
Các hạt siêu thuận từ trong màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 khi có hoặc không có từ
trường ngoài H. ...................................................................................................... 105
H nh 5.6 Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào hướng của từ trường ngoài. ....... 96
H nh 5.7
Minh hoạ về cơ chế hiện tượng plasmonic cho các spin trong các màng
mỏng từ dạng hạt bị tác động bởi ánh sáng. (b) Các spin bị phân cực thể hiện bằng
vectơ từ độ Mi khi chịu tác động của từ trường B0 và bị phân cực điện bởi E’ do
chịu tác động của điện trường E0. (c)-(h) Minh họa sự tương tác photon-magnon
dưới tác dụng của từ trường H thay đổi theo góc . .............................................. 102
H nh 5. (a) Hệ số truyền qua khi φ = 0 là một hàm của tỉ lệ Co trong mẫu (x), với
các ánh sáng có bước sóng khác nhau. (b) Hệ số truyền qua khi φ = 0o là một hàm
của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. (c) Hệ số truyền qua khi
φ = 45o là một hàm của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. ....... 98
x
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngay từ thế kỉ thứ tư
u
ng ngu ên người t đã biết đến một hiện tượng rất lý
thú là ánh sáng ứng với tần số xá đ nh có thể truyền qua hay b chặn lại bởi chiếc
cốc Lycurgus [30] được làm từ thủy tinh có pha các hạt kim loại Au k h thước vài
chục nanomét [65]. Tu nhiên, đến tận thế kỉ 20 hiện tượng này mới đượ đề cập
đến một cách khoa học. Vào những nă
có thể thực hiện việ đ nh xứ (nhốt h
uối thế kỉ 20, nhiều nghiên cứu cho thấy
gi
hã
óng điện từ ở tại bề mặt của
kim loại bằng hiện tượng phân cực plasmon bề mặt. Từ những nă
các kỹ thuật chế tạo nano phát triển, vấn đề dẫn truyền h
2000 trở đi, khi
đ nh xứ óng điện từ có
thể thực hiện được dễ dàng, các linh kiện quang-điện tử hiện đại sử dụng hiện tượng
kích thích các trạng thái
động plasmon bề mặt đã h nh th nh nên
ột nhánh
công nghệ mới ó tên “plasmonics” 2001 .
Trên thế giới, đã ó nghiên ứu tổng qu n ề ật iệu
nghiên ứu ề á t nh hất ủ
ật iệu
điều kiện xả r hiện tượng
th
đổi khi h u tá
ni như ự h n ự
ni trên bề
ụng ủ
ặt ki
Ở iệt N
ng bố n
hất ủ
in
ới á
, tại thời điể
iêu nh nh [25],
ại [96], t nh hất qu ng
in
ni đã
ặt trời [72][51][124] nhằ
ật iệu bán ẫn th ng thường.
tá giả bắt đầu thự hiện đề t i ủ
nghiên ứu ề hiện tượng
ại ật iệu n .
ó nhiều
ự điện từ [56]. Đặ biệt, hiện tượng
đượ nghiên ứu the hướng ứng ụng để hế tạ
tăng hiệu uất ủ
ni [74]
nh, hư thấ
ni , ật iệu
ni
ni
ột hiện tượng
đó, hiện tượng
ó
á t nh
n rất
mới ở nước ta.
Đề tài nghiên cứu “Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các
màng mỏng Co-Ag và Co-Al2O3” được tá giả thực hiện tại Viện Đ
về Khoa học Vật liệu (ITIMS)-ĐH K H Nội nhằ
tạo Quốc tế
ơ ở để phát triển nghiên
cứu và ứng dụng một nh ực mới về plasmonics ở tr ng nước, là một yêu cầu có
tính cấp thiết nhằm phát triển nghiên cứu và ứng dụng mới đối với các vật liệu từnano hiện đại ở nước ta.
1
2. Mục tiêu
Nghiên cứu tiếp cận được các hiện tượng
ó iên qu n đến tương tá
spin-plasmon trong dải óng điện từ ó bước sóng lớn hơn k h thước hạt: Sử
dụng ánh sáng nhìn thấy (~300800 nm), trong khi các hạt sắt từ n n được
qu n t
thường ó k h thước phổ biến trong khoảng ưới 100 nm.
Tạ r được hệ thống mẫu màng mỏng từ dạng hạt nano với tỷ phần sắt từ khác
nhau và thiết lậ được hệ đ
chất h
hương há đ th h hợ để khảo sát các tính
đặ trưng đá ứng quang phụ thuộc vào từ trường ngoài.
Tìm hiểu về tương tá
gn n-
n, ũng
hản ánh bản chất củ tương
tác photon-spin, thông qua phổ truyền qua và phổ phản xạ của ánh sáng phụ
thuộc vào từ trường ngoài và tỉ lệ % nguyên tử Co trong màng mỏng.
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các vấn đề đặt ra trong các mụ tiêu trên đ , trước hết việc chế
tạo mẫu để thực hiện nghiên cứu phải có cấu trúc dạng hạt nano là yếu tố hàng
đầu. Vì vậy các hệ màng mỏng Co-Al2O3 và Co-Ag, là những kiểu cấu trúc
nano từ tiếp xúc d thể sắt từ-phi từ tiêu biểu và thích hợ để nghiên ứu hiện
tượng
ni . Nhóm nghiên cứu spintronics của Viện ITIMS đã ó kinh
nghiệm nhiều nă
ề chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của những hệ
như ậ .
ẽ là một thuận lợi lớn đối với luận án.
đó đ
Việc tìm hiểu những đặ trưng ề cấu trúc và tính chất từ của các hệ màng mỏng
từ dạng hạt ũng đã được thực hiện ở luận án này, mặ
ùđ
những hệ đã
được nhóm nghiên cứu khảo sát khá nhiều và chi tiết ở những nghiên cứu trước
đ
đối với những hệ tương tự như ử dụng á
AFM, VSM). Tuy nhiên ở đ
hé đo quang-từ (chủ yếu
hé đ XR , E , SEM, TEM,
húng t i tập trung nhiều hơn
á
hé đ
ự truyền qua và phản xạ có và không
có tác dụng của từ trường ng i để khảo sát và tìm hiểu á
hiện tượng iên qu n đến hiện tượng
ử dụng các
ơ hế đối với các
ni ở các hệ mẫu màng mỏng từ
dạng hạt nano Co-Al2O3, Co-Ag. Vì vậy, một trong những vấn đề quan trọng ở
luận án này là thiết ậ được hệ đ qu ng tr ng từ trường quang-từ và không có
từ trường, và tìm hiểu á
hé đ
hối hợp khác nữ , đã được triển khai. Trên
ơ ở thiết ậ được hệ đ qu ng-từ tốt,
2
đặc biệt là loại trừ được yếu tố của
các hiệu ứng quang-từ thường gặ , như hiệu ứng Kerr-Faraday, những kết quả
khả quan nhất đã được tổng hợp và trình bày trong luận án.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý ngh kh
học củ đề tài nghiên cứu ở luận án này, là vấn đề tìm hiểu về tính
phụ thuộc spin của hiện tượng
ni , trước hết thể hiện ở chỗ, đ
ần
đầu tiên ở tr ng nước tiếp cận đến nghiên cứu một nh ực còn khá mới mẻ
không chỉ ở tr ng nướ ,
ũng hỉ mới xuất hiện gần đ
trên thế giới, nhưng
n hư được quan tâm nhiều. Vì vậy nhiều tri thức khoa học và công nghệ mới
sẽ có khả năng đượ t
t i, được khám phá. Ví dụ như á hiện tượng xuất phát
từ tương tá giữa photon với mạng spin củ
nên hiện tượng hiện tượng
á điện tử trong hạt nano từ đã tạo
ni , h
magnon, một trạng thái k h th h
tương tá giữa các photon với
động tuế sai của mạng
in ưới tác dụng
của từ trường ngoài hay không có từ trường ng i, tr ng đó th nh hần B của
óng điện từ kích thích lên các spin trong các hạt từ nano.
Các kết quả thu được của luận án đã gợi ý về một cách tiếp cận thực nghiệ
tìm hiểu về ơ hế
để
quá tr nh tương tá giữa photon của ánh sáng với mạng
spin, thông qua các hạt nano từ.
Kết quả nghiên cứu về hiện tượng plasmonic trên của các hạt nano Co trong các
màng mỏng Co-Ag và Co-Al2O3 của luận án, thể hiện qua sự biến đổi của những
tính chất truyền qua/phản xạ đối với hệ các hạt sắt từ nano, những tính chất
qu ng đó b điều biến khá thường bởi các yếu tố từ tính của hệ, như n ng độ
hạt C , ường độ
tính chất đó
hướng từ trường tác dụng lên các hạt nano Co, và những
n hụ thuộ
năng ượng photon kích thích plasmon, là những
đóng gó đã được ghi nhận cho sự phát triển của khoa học nano và công nghệ
vật liệu nano nói chung, công nghệ quang-spin và ứng dụng spintronics nói riêng
(thông qua các công bố quốc tế có uy tín).
Về mặt thực tiễn, các hiện tượng hiện tượng
ứng dụng rất độ đá
hữu
ni hứa hẹn mở ra những
h tr ng đời sống hiện đại, điển hình là các ứng
dụng trong công nghệ chuyển mạ h qu ng ượng tử, th ng tin qu ng ượng tử,
tàng hình.
5. Những điểm mới của luận án
3
Trong quá trình thực hiện luận án, húng t i đã thiết lập và tiến hành được một số
những hoạt động và kỹ thuật thực nghiệm có tính mới trong việc tiến hành nghiên
cứu của luận án ở tr ng nước và công bố quốc tế, g
h i điểm nổi bật như
u:
Phát triển được kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không (Flash Evaporation, FE)
áp dụng trong việc chế tạo các mẫu màng mỏng có kiểu cấu trúc dạng hạt nano,
như ở hệ Co-Ag. Mặc dù kỹ thuật bốc bay nổ tr ng h n kh ng đã được thực
hiện từ lâu. Tuy nhiên, ch đến n
hư thấy có công bố nào, cả ở trong và
ng i nướ , đề cậ đến việc áp dụng kỹ thuật này để chế tạo các cấu trúc dạng
hạt nano, tương tự như đã á
ụng trong luận án này. Vì vậ đ
ần đầu tiên,
ũng thể hiện tính mới của luận án, ở tr ng nướ đã ử dụng kỹ thuật này cho
hệ màng mỏng cấu trúc dạng hạt nano.
Thiết lậ được hệ đ quang-từ nhằm khảo sát sự phụ thuộc của hệ số truyền qua
và hệ số phản xạ củ ánh áng
er đỏ
ánh áng đơn ắc (sử dụng hệ tán sắc
ánh sáng trắng) trên các màng mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3 và Co-Ag vào tỉ lệ %
nguyên tử Co trong màng, bướ
óng ủ ánh áng
từ trường ng i
ả hướng
độ ớn . Tìm hiểu ơ bộ ở tr ng nước trong thời gian gần đ , húng t i hư
phát hiện thấ
ó đơn
nghiên cứu n
truyền qua và phản xạ củ ánh
cả về ường độ
đã từng thiết lập một hệ thực nghiệm
ng tr ng điều kiện có từ trường th
hướng tác dụng lên mẫu, như hệ thực nghiệ
đổi được
đã được chúng
tôi thiết lập.
Về mặt khoa học, những điểm mới về học thuật được thể hiện qua những điểm
h nh
uđ :
Lần đầu tiên chế tạo thành công màng mỏng từ có cấu trúc dạng hạt nano Co-Ag
bằng kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không.
Lần đầu tiên qu n át được xu hướng biến đổi khá bất thường ở các tính chất
phản xạ/truyền qua củ ánh áng đối với đá
á hạt nano sắt từ Co có kích
thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng kích thích, có n ng độ khác
nhau, và được phân tán ở tr ng á
i trường nền khác nhau: dẫn điện tốt (Ag)
á h điện tốt (Al2O3), không có và có từ trường với ường độ
dụng lên các hạt nano Co th
hướng tác
đổi, và cả khi các bước sóng của ánh sáng kích
thích khác nhau.
4
Tác giả, cùng với thầ hướng dẫn, đã đề xuất được mô hình mô tả về ơ hế
tương tá
h t n- magnon, phản ánh tương tá
h t n-spin, nhằm giải thích cho
á h nh i đá ứng qu ng đã ghi nhận được trong luận án (đã được công bố
quốc tế). Cụ thể, ở đó đã
tả cho thấy rõ quá tr nh tương tá giữa các thành
phần véc-tơ từ trường B
điện trường E của sóng ánh sáng (photon) với các
in điện tử S và từ độ M của các hạt nano Co ó k h thước D nhỏ hơn nhiều so
với bước sóng λ củ ánh áng k h th h như thế n
tác dụng của từ trường ngoài H, khi ường độ
b th
ưới tác dụng và không có
hướng của từ trường tác dụng
đổi.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án g m 103 trang, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia làm 05
hương ới các nội ung h nh như
u:
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng plasmonic
Chương n
tr nh b
á
spinplasmons và ơ hế tương tá
khái niệ
ơ bản về plasmon, plasmonic,
gn n-plasmon.
Chương 2: Thực nghiệm
Ở đ , húng t i nêu r
á
hương há thực nghiệ
đã ử dụng trong luận án
để chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt như: hún xạ Catốt, bốc bay nổ trong chân
kh ng; á
hương há khảo sát tính chất màng mỏng dạng hạt như: SEM, EDS,
AFM, TEM, VSM, XRD. Đặc biệt, tr ng hương n
húng t i tr nh b
ề việc
thiết ậ thành công hệ đ qu ng-từ nhằm khảo sát các hiện tượng plasmonic trên
các màng mỏng dạng hạt nano tại PTN Qu ng ượng tử-Khoa Vật lý-Trường
ĐHKHTN-ĐHQG H Nội.
Chương 3: Nghiên cứu một số đặc trưng hình thái cấu trúc dạng hạt
Hệ thống mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co-Al2O3 được tiến hành chụp SEM,
XRD, AFM và khảo sát hình thái dạng hạt thông qua khảo sát tính chất từ trên máy
VSM. Các màng mỏng dạng hạt nano Co-Ag chế tạo bằng hương há bốc bay nổ
và phún xạ ũng được tiến hành chụp SEM, TEM, ED và khảo sát tính chất từ trên
máy VSM nhằ
qu n át được hình thái dạng hạt trên màng.
Chương 4: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Ag
5
Trình bày các kết quả nghiên cứu về hệ số truyền qua và hệ số phản xạ phụ thuộc
từ trường ng i
bước sóng của ánh sáng chiếu tới, tỉ ệ
C tr ng
ng
độ
ớn ủ từ trường ng i. Đặ biêt, húng t i đã hát hiện thấy biểu hiện của hiện
tượng plasmonics trong các cấu trúc nano kim loại d thể dạng hạt Co-Ag. Đ ng
thời, húng t i đã hế tạo thành công màng mỏng dạng hạt nano bằng hương há
bốc bay nổ, đ
tr ng nướ
hương há
hư từng được sử dụng để chế tạo loại màng này ở
ũng như trên thế giới.
Chương 5: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Al2O3
Trình bày các kết quả nghiên cứu về sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào tỉ lệ
% Co trong mẫu, bướ
óng ủ ánh áng k h th h và từ trường ng i
độ ớn . Hơn nữ , húng t i đã ận dụng được ơ hế tương tá
để giải thích các kết quả thu được.
Phần cuối của luận án trình bày các kết luận và kiến ngh .
6
ả hướng
gn n-plasmon
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC
ni
Trong nhiều thập kỷ qua p
đã hát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở tr ng nh
vực vật lý và quang học của các chất ngưng tụ. Sự kích thích tập thể của các hệ điện
tử đã được cho thấy hết sức rõ rệt qua những tính chất tương tá giữa ánh sáng và
vật chất đối với rất nhiều hệ vật liệu khác nhau. Với sự phát triển và những thành
tựu của khoa học nano và công nghệ chế tạo vật liệu nano từ khoảng đầu thế kỷ 21
đến nay, nhiều hệ vật liệu nano khác nhau, từ các dạng màng mỏng, dạng sợi/dây
n n
h đến các dạng hạt/chùm hạt n n đã thu hút được sự quan tâm to lớn vì
chúng cho thấy nhiều đặ t nh
ni đặc biệt. Trong số các vật liệu nano, các
kim loại quý đã nhận được sự qu n t
đáng kể nhờ cả hiện tượng plasmon bề mặt
và khối diễn ra hết sức mạnh mẽ do mật độ trạng thái (DOS) cao của chúng ở mức
Fermi, nên rất dễ
ng được kích thích tập thể. Các tính chất quang họ , như tru ền
qua, phản xạ hay hấp thụ, của vật liệu càng trở nên bất thường hơn khi tương tá
ới
ánh áng k h th h ó bước sóng lớn hơn nhiều so với k h thước của vật liệu.
Plasmon bề mặt là những
động tập thể củ
á điện tử tự do được hình thành
trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và điện môi do sự
động tập thể củ
á điện
tử dẫn [132], chúng lan truyền dọc theo bề mặt lớp tiế xú , được gọi là sóng
plasmon bề mặt. Plasmon bề mặt đ nh xứ cao tại bề mặt của các hạt nano kim loại
được gọi là plasmon bề mặt đ nh xứ [68][136]. Cá trường điện từ tạo ra sự cộng
hưởng plasmon bề mặt đ nh xứ trên bề mặt của hạt nano kim loại, gây ra sự hấp thụ,
tán xạ ánh sáng mạnh,
xứ năng ượng điện từ) hoặ
tăng ường á trường điện từ đ nh xứ (thực hiện đ nh
th
đổi sự phân bố trường điện từ ở mứ độ nhỏ
hơn bước sóng ánh sáng [73]. Vì plasmonics là sự tổ hợp củ
điện tử học
(electronics) và quang tử học nano (nano-photonics), vì vậy các hiện tượng plasmon
bề mặt đ nh xứ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều nh ực quan trọng, như tán
xạ R
n tăng ường bề mặt (SERS) [80][27], huỳnh qu ng tăng ường nhờ kim
loại (MEF) [127], hấp thụ h ng ngoại tăng ường bề mặt và tán xạ R
ường. Sóng plasmon bề mặt có ứng dụng lý thú do có khả năng
trường điện từ đáng kể, như k nh hiển i trường gần và cảm biến y sinh.
7
eigh tăng
tăng ường
Trong số các kim loại, bạ
ng
được xem là các ứng viên tốt nhất để làm
tăng ường các vùng hấp thụ plasmon bề mặt của chúng trong vùng ánh áng nhìn
thấy. V tr
ường độ củ đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim
loại có thể được kiểm soát bằng k h thước, hình dáng, thành phần của hạt nano,
i trường điện môi, tinh thể. Bên cạnh các nghiên cứu về các nano kim loại quý,
h đến nay, các cấu trúc nano ủ
á ki
ại ắt từ như C , e, C
e... vẫn đ ng
tiếp tục đượ nghiên ứu trong khoa học nano [89][79][101]. Điều khiến cho các hạt
nano sắt từ hết sức được quan tâm về hương iện vật lý plasmonic và plasmonic từ
tính (magneto-plasmonic) chính là ở chỗ mật độ trạng thái điện tử DOS có tính phân
cực spin. Tr ng nh ự điện tử học spin, người t thường sử dụng hiệu ứng bơ
spin, ngh
là thực hiện sự chuyển đổi mô-men góc spin, thông qua động lực học từ
độ ở trong một chất sắt từ, trở thành những
in điện tử dẫn ở trong một chất thuận
từ được gắn liền bên cạnh [73]. Khi có sự chuyển động của mômen từ trong chất
sắt từ được kích thích (ví dụ bằng ánh sáng), một dòng spin sẽ đượ bơ
từ sang chất thuận từ. Các nghiên cứu gần đ
ứng bơ
in. Một
độ, tr ng đó á
bơ
ề
spin kết hợ , ngh
intr ni
bơ
từ chất sắt
đã h thấy có hai loại hiệu
do tuế sai pha kết hợp của từ
ộng hưởng sắt từ hoặc song spin có thể được kích thích bằng bức
bơ
xạ vi sóng [115][34][137]. Loại thứ hai
in kh ng kết hợp, ngh
là do
trạng thái không cân bằng của các spin ở bề mặt giao tiếp giữa sắt từ và thuận từ
(FM/PM được kích thích bởi các nhiễu loạn không kết hợp ở bên ngoài. Khi đó
gn n k h th h
động của mạng spin trong chất sắt từ FM) và (hoặc) các
điện tử trong chất thuận từ PM b chệch ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt, một dòng
spin thuần được phát ra qua bề mặt tiếp xúc FM/PM [13]. Một ví dụ điển hình của
việ bơ
in kh ng kết hợp là spin Seebeck effect [13], ở đó các hàm phân bố
magnon/e e tr n đượ điều biến bởi các gradient nhiệt độ bên ngoài. Liên quan tới
luận án này, quá trình kích thích bằng ánh sáng làm xuất hiện spin-
n
u đó
đượ điều biến bằng từ trường bên ngoài, cả về ường độ
hương, ũng ẽ dẫn
đến quá trình kích thích magnon mạnh và diễn r
in kh ng kết hợp.
ơ hế bơ
Như vậy, spin-plasmonics còn là sự tổ hợp của điện tử học, quang tử học nano và
điện tử học spin (spintronics), làm cho các vấn đề spin-plasmonics hết sức được
quan tâm trong thời gian rất gần đ
[95][73][116][85][93][117][130][99][110]
8
[118][88], và dẫn đến nhiều khả năng ứng dụng của spin-plasmonics còn phong phú
và sâu sắ hơn nữa.
1.1 Khái niệm về plasmon
động
chất kh
động của mật độ hạt giống như
động âm học ở trong
ó điện nhưng bản chất của chúng hoàn toàn khác nhau. Thực vậ đối với
động âm học thì va chạm giữa các hạt kh đóng
ó thăng giáng
i tr
ập lại cân bằng mỗi khi
ật độ, còn ở plasma thì lự tương tá giữa các hạt đóng
Những k h th h ơ bản tập thể tương ứng với
i tr n .
động Plasma trong ngôn ngữ lý
thuyết gọi là Plasmon.
Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [102].
Thực nghiệm chứng tỏ sự t n tại của Plasmon bằng á h đ
suy giả
năng ượng khi h
á
hù
hổ đặ trưng ủa
điện tử ó năng ượng cỡ keV hoặc phản xạ
hoặc truyền qua các màng mỏng kim loại. Đặc biệt thí nghiệm về phản xạ chùm
điện tử trên bề mặt vật rắn còn cho thấy có hai loại Plasmon: loại trong khối và loại
bề mặt, húng h h i
ũi nhọn sát nhau ở trên phổ đặ trưng ủa suy giả
năng
ượng như h nh 1.1. Tóm lại, trong các cấu trúc kim loại thì các tính chất quang học
chủ yếu là do các electron dẫn của kim loại quyết đ nh sự k h th h điện từ làm cho
9
những electr n n
động tập thể, tạo nên một hệ
động được gọi là plasmon
trong không gian của cấu trúc kim loại đó. Như ậy plasmon là những
động của
mật độ điện tử tự do trong kim loại. Khoa học về plasmon và ứng dụng được gọi là
plasmonics. Chú ý rằng plasmonics không tách rời với ánh sáng tác dụng lên những
điện môi ở kích thước nano nên có thể xem plasmonic là
tiếp xúc d thể kim loại
quang học ở k h thước nano.
1.2 Phân loại plasmon
Tù the
á điều kiện biên (phụ thuộ
k h thước, hình dáng và hằng số
điện môi của cả kim loại và chất bao), á
động có thể được phân loại thành
3 mode: plasmon khối, plasmon bề mặt và plasmon bề mặt đ nh xứ được mô phỏng
như h nh 1.2.
Hình 1.2 Phân loại plasmon [86].
a
on khối vo
tr ng khối ki
ại
pa
on :
năng ượng ủ
á
động tậ thể ủ e e tr n ẫn
á ượng tử kh ảng 10 e .
Plasmon bề mặt (surface plasmons): Plasmon bề mặt là những
động tập
thể củ điện tử dọc theo mặt tiếp xúc giữa kim loại-điện môi. Đơn giản hơn, t
có thể đ nh ngh Plasmon bề mặt là sự kích thích các electron bề mặt của kim
loại bằng ngu n sáng tới.
10
- Xem thêm -