Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Hiện tượng xuyên ngầm spin và các tính chất liên quan trong các kiểu cấu trúc mt...

Tài liệu Hiện tượng xuyên ngầm spin và các tính chất liên quan trong các kiểu cấu trúc mtj

.PDF
119
681
57

Mô tả:

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 -

Tài liệu liên quan