Chế tạo và nghiên cứu tính chất các màng mỏng bán dẫn từ vùng cấm rộng dùng trong linh kiện Spintronic

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
sỊc :|; :Ị:
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN cứ u TÍNH CHẤT CÁC MÀNG
MONG BÁN DẨN TỪ VÙNG CÂM RỘNG DÙNG TRONG
LINH KIỆN SPINTRONIC
MẢ SỐ: QG 06-03
CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI :
PGS.TS. Phạm Hổng Quang
CÁC CÁN BỘ THAM GIA:
GS.TS. Nguyễn Huy Sinh
Th.s. Trần Quang Hung
Th.s. Trần Hoài Thanh
Tli.s. Vũ Xuân Phúc
TS. Nsô Xuân Đại
NCVC. Trần Đình Thọ

—

•Ja : học QUÔC gia hả NÓ!
RUNG TÂM THÕNG TIN THIJ VIỀN
i _ ĩ > r _ /. ____________
HẢ NỘI - 2008
A. Báo cáo tóm tat
a. Tên đề tài (hoặc dụ án), mã sỏ:
C hế tạo và nghiên cứu tính chát các màng mỏng hán dẫn từ vùng câm
rộng dùng trong linh kiện spintronics.
Mã số: QG 06-03
b. Chủ trì đé tài: PGS.TS. Phạm Hồng Quang
c. Các cán bộ tham gia:
GS.TS. Nguyễn Huy Sinh

Th.s. Trần Quans Hung
Th.s. Trần HoàiVhanh
Th.s. Vũ Xuân Phúc
TS. Nsô Xuân Đại
NCVC. Trần Đình Thọ
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
Chế lạo các màng mỏng bán dẫn từ vùng cám rộng loại AIN pha lạp Cr và
Mn có nhiệt độ Curie trên nhiệt độ phòng với chất lượng cao bans phún xạ
catôì một chiều và xoay chiểu. Nồng độ nguyên lố pha tạp dược iliay đổi, các
đicu kiện chế tạo dược thay đổi và tối ưu hoá. Tìm hiếu các vấn dề lý thuyết
liên quan đến hiệu ứng chuyên và từ xây ra trong vật liệu. Nghiên cứu một
cách hệ thống các lính chất cua vật liệu và sự phụ thuộc của chúng vào các
điều kiện chế tạo. Tăns cường khá nãnt! nshién cứu trên lĩnh vực màn 11 móng
cua đơn vị vé trình độ cán bộ khoa học cũim như trang thiôi bị. lăn <2 c ườn li
khá năng hợp tác quốc lố. Đề lài là cơ sớ đào tạo khoánạ 02 thạc sỹ và mộl
số cử nhân.
e. Các két quả dạt được.
- Kết quả khoa học:
Đã chế lạo thành công hai họ mầu màns mỏnc AIN pha tạp Cr vù Mil
bàng hai phương pháp phún xạ một chiểu và xoay chiều với các Ihành phím
pha tạp khác nhau, đế mầu khác nhau và chế độ côiiii nghệ khác nhau. Đã
khao sát các tính chất của mẫu buna các phương pháp thực nghiệm khác
nhau.
Câu trúc tinh the và chất lươn<2 mẫu dược đánh giá qua phép do X-ray
và phổ kê Augcr cho thấy các mẫu đơn pha có cấu trúc lục giác loại Wurzii.
Giới hạn đơn pha cho nồnc độ pha lạp ớ các mẫu trung bình khoáng 10 %.
Đã ihành cỏns tạo nên trạng thái sắt từ biing việc pha tạp Cr và Mil.
lạo nên CO' chế sắt từ lỗ irons Irung SIjan. Tính sát lừ dược quan sát ihãy trong
các mẫu lổn lại cho đến nhiệl độ ít nhát là 470 K. Đáy là giá trị lớn hon hãn
các kết quá cíia các tác ciả trước đó. Tuy nhiên. ìiiá trị từ độ còn khá nho.

tương ứng chi vài phấn trăm imuyén tứ pha lạp 1 ixS ihành sãI lừ. Nguyón nhãn
được cho là do nồnsi độ hạt lái còn tháp liên quan ctên độ rộntĩ rát lớn cua
vùim câm.
Độ rộng vùng cấm. một thông số quan trọng của vật liệu đã được xác
định qua phép đo hấp thụ quans học. Sự thay đổi cua độ rộng vùng cấm theo
nồng độ pha tạp cũng như các điều kiện chế tạo đã được kháo sút. Kết quả
cho thấy độ rộng vùng cấm liên quan chạt chẽ đến mật độ trạng thái của các
mức tạp, thể hiện qua sự giảm của độ rộng vùng cấm theo sụ tăng của nồng
độ tạp và sự lăng của độ rộng vùng cấm khi chất lượng mẫu được cài thiện.
Kết quả phép đo điện trở như một hàm cúa nhiệt độ cho thấy mẫu đơn
pha có dặc trưng bán dẫn. Khi nồng độ vượt quá giá trị eiới hạn đơn pha, tính
dẫn bắt đầu chuyên sang kim loại do sự tham gia của các đám Cr hoặc Mn.
Giá trị năng lượng hoạt, năng lượng cần ihiết đê’ điện lú nháy lừ vùng hoú trị
lên mức lạp đã được rút ra từ phép làm khớp dườns phụ thuộc nhiệt độ của
diện trở. Giá trị năng lượn lì hoạt cũns được quan sál lliấy chịu ánh hưởng
mạnh của các yếu tố tác dộng đến chất lượnc mầu.
Các kết quá khoa học đã dược CÔ112, bó tron a 05 bài báo. trong đó có
02 bài báo quốc tế
- Kết quả ứng dụng:
Đã dưa ra diều kiện tối ưu cho việc chế tạo một sỏ vật liệu mùng mỏng
bán dẫn từ. Các mầu chế tạo đã thể hiện tính bán dẫn và tính sắt từ với nhiệt
độ Curia cao. có thê thử nghiệm chê tạo linh kiện spintronics.
- Két quả về đào tạo:
Sỏ cứ nhân dược đào tạo none khuôn khổ để lài: 03
Số thạc SV dược đào tạo liên quan đến đe tài: 02
- Kết quà vé tăns cườnạ tiềm lực cho đơn vị:
Đã xây dựng hệ đo diện trờ và hệ do Hall với kỹ lliuặt (lu xoay chiêu
có độ nhậy và độ tin cậy cao.
f. Tình hình kinh phí của để tài.
Kinh phí dược cấp: năm 2006 là 40 triệu đồn 11 và năm 2007 là 20 triệu đổng,

lổno côn2 60 triêu done. Đã sứ dung hết llieo du trù và đã quyết toán xong.
KHOA QUẢN LÝ CHI) TRÌ t)Ể TẢI
(ky và ịilii rõ họ toil) (K
P(ỈS. TS. Nguyền Thế Bình PCiS.TS. Phạm Hổng Quang
TRI ÓNG ĐẠI HOC KHOA HOC T ự NHIÊN'
2. Summary
a. Title of project:
Synthesis and characterization of the wide band ẹap semiconductor films for
spitronic devices
b. : Coordinator: Ass. Prof. Dr. Pham Hong Quail”
c. Project members:
Prof. Dr. Nguyen Huy Sinh
Ms. Tran Quang Huim
Ms. Tran Hoai Thanh
Ms. Vu Xuan Pliuc
Dr. Ngo Xuan Dai
Researcher: Tran Dinh Tho
d. Objective and plan of the project:
Synthesis of the wide band gap semiconductor films, namely Cl- and
Mn doped AIN bv DC and RF sputtering technique with high Curie
temperature and high quality. The doping concentration anil growth
condition will be changed and optimized. Study of the theories relating to
magnetotransporl effect which occurs in materials. Systematic study of
properties of materials and their dependences on the synthesis conditions.
Development of the abilities oi' the Physics Faculty in stall!' academic level
as well as in facilities. The project will be the supports for 02 Masier theses
and some Bachelor theses.
c. Results of the project
- Results in science and technology:
We have been successful in fabrication of I wo sample systems by DC

and RF. namely Cl - and Mn- doped AIN films. We have chanced the dopina
concentration and growth conditions and have used different substrates. We
have studied properties of samples bv a number of expcrimcnlal techniques.
Crystalline structure and quality of samples have been determined by
X-ray and Aimer spectrometer. The results indicate that ihe samples arc
single phase with hexagonal structure if the doping concentration is below
about 10 percents.
We have successfully created ihc ferromatinetic state in materials bv
introducins Cl and Mn elements into host materials. The ferromagnetic stale
was observed at the temperature up to 470 K. a record value. However, the
value of magnetization is slill low. corresponding to a lew perccnl of
impurity atoms beinc fcnomagnciic. Ill is problem can he attri billed lo ihc
low concenlration of carrier which relates lo ihc wide hand gap
characteristics.
The band sap. one of the most imporlanl parameters of materials has
been determined by optical absorption measurement. The dependence ol
band gap on the doping concentration and growth conditions has been
studied. It was shown that the band sap has a strong relation with ihe density
of state at the impurity bands, indicating the narrowing of the band gap with
the increasing of doping concentration and the broadening with the
increasing of sample quality.
The temperature dependence of resistance shows lhat the single phase
samples exhibit a semiconducting characteristics. In ihe samples which have
the doping concentration exceeds the limitation, the conductive property
becomes metallic type due to the role of Cr 01' Mn clusters. The activation
energy has been derived from the fittine, method for the temperature
dependence of resistivity. The values of activation enerạy are also sensitive
with all factors effecting, on the quality of sample.
The scientific results have been reported in 05 paper, among them 02
ones are in International Conference or journal.

- Results in application:
Based on the above results, one can determine an optimal conditions
for synthesis of these type of magnetic semiconductor films. Our samples
show the fcnomaiinclic stale and semiconductor eharaclcristics. So they mav
he used for fabrication of spintronic (Icviccs.
- Results in training:
03 Bachelor theses and 02 Master theses.
- Results in development of the abilities of the Institution.
We have built up a resistant measurement and an anomalous Hall
measurement with AC current technique which have a high sensitivity.
f. Situation of budget
The project has received totally 60 millions VN ilong for 02 years. 40
millions for 2006 and 20 millions for 2007. The budget has been balanced.
FACULTY OF PHYSICS
COORDINATOR
Ass. Prof. Dr Nguyen Tile Binli Ass. Prof.Dr. Pham Hong Quail"
HANOI COLLEGE OF SCIENCE
B. PHẦN CHÍNH BÁO CÁO
1. Mục lục
2. Mở’ đầu
3. Nội duna chính
3.1 Thực nghiệm
3.1.1 Xây dựng hệ đo Hall dị thường
3.1.2 Chế tạo mẫu
3.1.3 Các phép đo
3.1.3.1 Phổ Auger
3.1.3.2 Phổ nhiễu xạ tia X
3.1.3.3 Phép đo từ
3.1.3.4 Phô hấp thụ quan« học
3.1.3.5 Điện trỏ'

3.2 Ket quả và thảo luận
3.2.1 Các mầu chế tạo bang phún xạ một chiều
3.2.1.ỉ Thành phần và cấu trúc tinh thể
3.2.1.2 Tính chất từ
3.2.1.3 Tính chât quans, và độ rộns vùng cấm
3.2.1.4 Điện trỏ' và năng, lượng hoạt
3.2.2 Các mâu chê tạo băne. phún xạ xoay chiêu
4. Kết luận
5. Tài liệu tham kháo
2. Mỏ đầu
Kỹ thuật điện lử thônu thường khai thác đặc trưnu vé điện tích của các
hạt lải điện bans cách khốns chế và điều khiển hưóìiii cũns như độ lớn của
các dòng hạt lái. Các nhà khoa học và công nahệ đã không neừim sáns tạo.
phát triển các công nạhệ tiên liến nhằm tạo ra các linh kiện và ihiếl bị với
các chức năng ngày càng phức tạp và tốc độ hoạt động no ày càng nhanh. Bên
cạnh đó các kỹ thuậl lổn 2 hợp vật liệu cũnc. phát triên nhanh chóna. tronc dó
công nghệ chế tạo màng mỏng đang ngày càns dược quan tâm đặc biệt bởi
nhũng tính chất quý báu và khá nãn° cúa các màn2, mỏns tron 11 việc ihu nhó
kích thước linh kiện điện tử. Tuy nhiên, kỹ thuật điện tủ' theme ill ườn» ihế
hiện íiới hạn của nó tron" các linh kiện có kích thước nano mà ở dó no ười ta
phái tính đốn sự xuâì hiện của các hiệu ứne lượn2 tử. Vì vậy cán có một cuộc
cách mạng khoa học và cỏns nghệ tro 112, lĩnh N ực này nhằm đem lại cho nó
nhũng kha nãna mới. Nhiều phát minh gần dây về hiệu ihm lừ trỏ' khổnu lổ
đã dẫn đến nhữna ý tưởng mới về sự kết hợp các đặc tính điện tích và dặc
tính spin (từ lính) của các hại lái trong các linh kiện điện lu ( spintronic).
Tron2 vật liệu kim loại và họp kim, đó là các bộ nhó' MRAM
(Masnetoresistivc Random Access Memory) \ói đặc tính khóna tự xoá khi
không có nguồn nuôi. Việc khống chế và diều khiên (lòng các hạt tái có spin
phân cực trong các linh kiện bán dần đang là mục tiêu và nội dung cùa một
kỹ thuật diện tử mới, gọi là kỹ thuật điện tứ spin bán dẫn (hay kỹ thuật diện

tử bán dẫn từ). Trong kỹ thuật có tính đột phá này. các vậi liệu sọi là các hán
dẫn lừ pha loãng (DMSs - Diluted Magnetic Semiconductors), tức là các chài
bán dẫn có nồng độ loãng các tạp từ tính (Semiconductor of Diluted
Concentration of Magnetic Dopans), dang có nhiều hứa hẹn to 1ỚI1 và ngàv
càng dược quan tâm sâu sắc. Khả năng ứng dụng to lớn của các vật liệu tù
pha loãng dựa trên cơ sở sự tồn lại dồng thòi cá hai lính chất bán dẫn và tính
chất từ irong một vật liệu. Ngoài ra người la còn khai thác các lính chất
quang trong mộl sỏ vật liệu DMSs. Nhiều million cứu đã tìms tập trung vào
DMSs trên cơ sớ bán dẫn loại II-VI như (CdMn)Tc. (ZnCo)S. Tuy nhiên
những khó khăn trong việc tạo ra trạng thái sắt từ dã han chế khả nàng ứng
dụng cua họ hán dẫn này. Họ hán dần loại III-V dã thê hiện sự ưu việt cùa
nó irons vai trò bán dẫn nền cho các DMSs. Tuy nhiên, các vật liệu DMSs
trên cơ sỏ' nhóm III-V được nghiên cứu I ru óc dây như (In.Mn)As và
(Ga.Mn)N có từ lính (thườn ° là lính sắt lừ) ớ nhiệi độ thấp cỡ 100 K. khôm:
đáp ứns khá năng ứns dụna tron2, các linh kiện hoại động ở nhiệt độ phònc.
Gần dây những lính toán lý thuyết cũim như két qua ill ực nshiệm dã cho thây
có thê nhận dược các DMSs có tính sắt lừ ó' nhiệt độ phone bằng cách pha
tạp các neuycn tó từ (như các kim loại chuyên liếp 3d: Fe. Co. Ni. Mil, Cr )
vào vâl liêu bán (lẫn có độ rộng. vùne cấm lớn.
A1N là một tron 2, nhừna họp chât hán dan săt từ III - V mà có độ rộ na
vùnu cấm lớn cờ 6,2 eV. Các DMSs trên cơ sớ hán dan nên A1N như A] 1 _
vMnxN. Al|.xCi\N được chò' đợi có tính sãt từ ứ nhiệt độ trẽn nhiệt độ phone.
Nsoài ra. hợp clìât A1N cỏ nhiêu tính chãi quí báu nhu độ bên co học. lính
dẫn nhiệt, độ ồn định hoá học, độ trone suôt trona YÙ111I kha kiên và vùnii
hồng rnioại cao, hệ số 2 Ĩãn nơ nhiệt tliâp. Gàn đây. một sỏ nhóm nghiên cứu
đã CÔI12. bố \ iệc quan sát thấv trạna thái sãt từ troim các DMSs trên co so
bán dần non A1N đirợc chế tạo bàng các phương pháp khác nhau. Ví dụ.
nhóm S. G. Yans tạo được mầu AI].nG\N cỏ tính sat từ ỏ' nhiệt độ 340 K.
bầtm phucrnu pháp phún xạ xoav chiều, nhóm R. M. l-razier quan sát thây
trạ no thái sál từ ò' nhiệt độ phòng trons mâu Al|.sMnNN chẻ tạo băng phương

pháp epitaxy chùm phân tử. Khó khăn chuim hiện nay là việc tạo nên trạng
thái sắt lừ với một aiá trị khả dĩ cùa từ độ. Các nghiên cửu thực nghiệm trôn
loại vật liệu này đana được nhiều nhóm thục hiện theo hưóng nâng cao
phàm chắt mầu để đáp ứn<z tiêu chuân làm \'ật liệu clio linh kiện spintronic.
Naoài ra, mỗi phirona pháp chế tạo mầu cùnu cân có những qui trình tôi ưu.
Trona số các phirơim pháp chế tạo mầu màna mong, phương pháp phún \ạ
catốt là phironu pháp tliích họp nhất cho việc chê tạo các linh kiện.
Trên cơ sô' những vân đê đã nêu trên đây, chúne tôi đà đề xuất đề tài
nghiên cửu vói tiêu đê: “Nghiên cửu chế tạo các m àng mỏng bán dẫn từ
vùng câm rộng dung trong linh kiện s p in tr o n ic Đê tài thực hiện trong hai
năm 2006 và 2007 mang mã sô ỌG 06-03 vói mục tiêu và nội dung sau:
• Chế tạo các màng mòng bán dần từ loại A1N pha tạp Cr và Mn
băng phương pháp phún xạ cattôt một chiêu và xoay chiêu vói
nhiệt độ Curie trên nhiệt độ phòng.
• Nghiên cứu một cách hệ thốne mối liên quan giữa thành phần,
điêu kiện chê tạo và các tính chât cua vật liệu, đua ra qui trình
công nghệ tối ưu.
• Tăng cườns khả năn ti nghiên cứu của đơn vị về trình độ cán bộ
cũng như trang thiẽt bị, tăng cưònu kha năna họp tác quốc tế.
• Đê tài là cơ sờ đào tạo một sô cử nhân và thạc sỳ.
Trone quá trình thực hiện đc tài, chúne, tôi có sự hợp tác và tiiíip đõ
hiệu quả của Tnrờno, Đại học Tônu hợp Ọuổc uia Chunabuk, Hàn quốc.
3. Nội dung chính
3.1 Thực nghiệm
3.1.1 Chế tạo tù kế Hall dị thuòng dòng xoay chiều
Tro nu vật liệu từ. thế hiệu Ilall naoài phân đóníi cóp cua hiệu ứim
llall thông tlurờim (OI1E) ti lệ vói tù trưòrm nsoài, còn có dóng uóp cua
hiệu ỨIIO Hall dị thuòriLL (AHK) ti ]ệ với tù độ của mầu theo cônu thức sau:
V" = (R„ỉ/t)B± ^(RJ/í)M±
vói Ro là hệ số Hall thirờna, Rs là hệ so Hall dị thườna, / là cườna độ dònu

qua mầu, t là độ dầy mẫu, Bx là thành phẩn vuông góc với mặt phân tu Hall
cua từ tnrờnu imoài. M± là thành phàn vuôna, uóc cua tù dộ cùa mâu.
Dóno, aóp cua hiệu ứim Hall dị thườnc, là cơ sớ nguyên lý hoạt động
cua tù kế Hall dị thườn2 . Loại từ kê này thích họp cho nghiên cứu các màng
móng sất tù vì tin hiệu thế lối ra (hiệu thẻ Hall dị thường) ti lệ nghịch vói
chiều dày cua mầu. Tù kể Hal] có thê hoạt độii2 theo chê độ dòng và từ
trườne. một chiêu, chẽ độ từ trườn ỉ! xoay chiêu hoặc chẽ độ dòng xoay chiêu.
Năm 2005. chúnu tôi đã xây dựns một hệ từ kê Hall tại Bộ môn Vật lý Nhiệt
độ thấp lioal độnti theo chế độ dòim một chiêu. Kliược diêm cua phương
pháp này là độ nhậy thấp do chịu nhiêu anh hướng cua các lác động gây
nhiễu và sai số hệ thốns,, trons, đó dánu chú ý là hiệu úng thê nhiệt diện ớ
các tiếp xúc. Tronu khuôn khố đề tài. chúng tôi đặt ra nhiệm vụ cai tiên nâng
cao độ nhậy phép đo băna kỹ thuật dònu xoav chiên. d\r kiên su dụng hệ do
này để khảo sát từ tính của các mẫu chế tạo đươc.
Cấu tạo cùa buồng đo cơ bản khôns thay đổi so với hệ đo Hall dòns
một chiều. Đầu đo với 4 mũi dò đuợc đặt trong buồns đo được hút chân
không và nạp khí Hêli. Cả buông đo đuợc nhúng vào nitơ lỏno. Các mũi dò
được bô trí theo câu hình Van der Paw với kích thước mẫu là 8mm X 8mm
(đâu dò đặt ờ các đỉnh hình vuông, một cặp cấp dòng và một cặp lấy tín hiệu
thê). Toàn bộ hệ được đặt trong một từ trường của một nam châm điện có
độ lớn cực đại lTesla. Cân mẫu đưọc thiết kế có thể quay quanh trục thăng
đứng, như vậy góc giữa mặt phăng mẫu và từ trườn* có thể thay đổi. Điểm
cải tiến cơ bản là dòng chạy qua mẫu là dòn« xoay chiều, được cấp từ một
máy phát dòng âm tân. Tín hiệu thu được từ các mùi dò đo thể được đua vào
khuếch đại lọc lựa. Tín hiệu so sánh cho khuếch đại lọc lựa được lấy từ máy
phát âm tần. Các tín hiệu đo từ trường, nhiệt độ của buông mầu, tín hiệu đầu
ra cùa khuếch đại lọc lựa đưọc shép nối vói máy tính qua máy đo vạn năng
Keithley. So' đô khôi của hệ đo đưọc trình bày tron2, hình 1. Độ nhậy của
phép đo được nâng cao nhò tính nănu cua thiết bị khuếch đại lọc lựa.
H .I. S ơ đồ kìiồi hệ c1o lla ll dòìiịỉ xoay chiên

Chúno tôi đã đo kiêm tra một màu màn» mong sất chi có độ dây 2000
Ả tạo trên đế silic bằnu phươno, pháp phún xạ catôt và so sánh với kêt quả đo
sử dụne dụnG kĩ thuật dòng một chiều, kết qua được trình bày trên hình 2.
Chúng ta đễ dàng nhận thấy rang kết quả đo theo kỹ ihuật dòng xoay chiêu
có tỉ lệ tín hiệu/nhiễu cao hơn nhiêu so với kỹ thuật dòng một chiêu. Hơn thề
nữa, ảnh hườne cua sụ bất đối xứng mầu được xừ lý dê dàng trong k\ thuật
đo xoay chiều bàna, chúc năna, offset cùa khuêch đại lọc lựa, kêt qua là
đường cons từ trễ đo được có tính đôi xứna. Giả trị moment từ bão hòa cùa
mầu cồ 10*7 emu có thể được ước lượng qua eiá trị tù' độ bão hòa cua săt o
nhiệt độ phòng, kích thước và độ dầv cúa mẫu. Giá trị này là rất nho so vói
độ phân giải cùa một từ kế mẫu rung (VSM) thương phẩm. Như vậy, từ kế
Hall do chúng tôi xây dựng đã thê hiện khả năng vẽ lên đường cons tù trề
cùa màng mỏng từ.
li "
■ - DC
T AC
II I IniMMK ik O r I
H .2. The hiệu Iỉa ll đo băiiíỊ phiroiỉi’ pháp (/ÒI1ỊỊ một chiêu và xoay chiên trẽn
man màníỊ niÓMỊ sãt.
Chúng tôi cùna thừ nehiệm đo một mầu màníi uhi từ vuôim 2ÓC
(PMRM) mà o đỏ có sự đóne góp đána kê cua hiệu ứns Iỉall tliôns thưònu.
Trong truòim họp này, chúna tôi phai thực hiện bước loại trù đóim íióp cua
Hal] thôna thirờne. Ket qua đo trước và sau khi khử đỏna aóp cua Hall thỏiiíi
thườna được trình bàv trong hình 3.
í
1 .
1 .
■
1 ■
> l .

■
■ " Z
■
• ~
■
• •
“
1 •
•
7 n -
■ ■
r
■
c
■
■
J:
•
■
r • '
•
1 •
=
•
■
i -
•
1
♦

-

:

-

1

6 -J : c 2 •: '
.
T .llri.n uy Ikth I
If/nil 3(1 Thê hicn ỉỉoìì cua m ùnq m om ỉ H ìnlỉ 3 b The hiện A HE. cũng chinh ìii ihrùn”
từ hai lớ p có iỉónạ ịỉỏp cua cu hai loai C O I JV lù trê cua mãn
A HE rò ONE.
Thừ nghiệm khào sát từ tính cua mẫu bán dần từ do chúng tôi chế tạo
chưa cho kêt quả do từ tính của mẫu quá nhỏ và điện trở cùa mẫu quá lớn.
3.1.2 Chế tạo mẫu.
Các mâu A1N pha tạp Cr và Mn được chế tạo bans pinions pháp phún
xạ trong môi trường hoạt, o đây là khí nitơ. cấu tạo cùa hệ phún xạ catổt
được mô tả tron? hình 4.
/lìn/i 4\ S(>’ iỉõ ngin cn lý CUII lììõl hệ plỉúi]
xụ caíõì
Tron° buồna tạo mầu. đe mầu có săn mau được đặl dôi diện với bia
vói klioảns cách 5 cm. Buồnu mầu sau khi được hút chân khòns đạt mức 5 X
10‘" Torr được thổi hồn họp khí Ar và nitơ trong lúc bom chân không vân
làm việc, tạo nên một áp suất làm việc 3-6 mTorr. Ti lệ khí Ar và N: được
khao sát và cuối cùne được chọn là 2/1. Phương pháp phún xạ xoay chiêu
thườn1’ được sử dụno trona írưòns họp mau chê tạo là loại vật liệu có điện
trờ cao để tránh hiện tirợna mat plasma mà nuuvên nhàn là sụt uiàni thê íiiiìa
bia và mâu do tích điện trong quá trình phún xạ. Dưó'i tác dụna cùa điện

trường, một môi trường plasma được tạo ra trons khoáng không eian aiừa
bia và đê mâu, kẽt quà bia sẽ bị băn phá bỏi các ion Ar làm bật ra các
nguyên tử AI, Cr và Mn. Các nguyên tử bốc bav phản ứne vói các ion nitơ
có trong môi trường plasma, tạo nên hợp chất A1N và bám vào bề mặt đế.
Các mẫu đu'Ọ'c chê tạo trên các đê khác nhau như đế silic đon tinh thể (100),
đê thạch anh nhăm thực hiện các phép đo khác nhau. Đê được làm sạch liên
tục lân lưọt trons, trichloroetylenc, axeton và ethanol băng siêu âm trong thòi
eian năm phút cho mồi loại, sau đó được thổi khô bàng khí Nitơ. Bia (target)
là một đĩa AI có độ tinh khiết cao (cõ' 99?999 %) vói đườns kính 3 inch và
một sô mâu Cr (Mil) vuông có kích thước 5mm X 5mm được đặt đổi xứng
trên bê mặt đĩa AI. Hàm lượna Cr (Mn) trona mầu được điêu khiên băne
việc thay đôi sô mâu Cr (Mn) trên bia. Nhiệt độ đế trong quá trinh phún xạ
được thay dôi lừ nhiệt độ phòne, cho đến là 500°c. Công suât phún xạ
khoáne 120W. Trước khi bất đầu quá trinh phún xạ. một quá trình tiên phún
xạ được thực hiện trong vòne, 15 phút nhàm làm sạch bê mặt bia. Tât ca các
màng mỏne đêu đônẹ nhât và bám dính hoàn toàn trên đê.
3.1.3 Các phép đo
♦> Xác định thành phần bang pho tán sac năng lirọng (EDS) và
phố Auger (AES)
Phép đo EDS thực hiện tại Tmns tâm KHVL, Trườn a ĐHKHTN Hà
Nội. Phép đo phổ Auger được thực hiện tại Dại học Quốc gia Chunuhuk,
Hàn quốc. Các phép đo này xác định thành phàn, none độ các nguyên tô
trong mầu. Tronu phép đo A user, một chùm electron nănu lượng cao chiêu
vào bề mặt mầu. khiến cho electron năm sâu bên tronạ nạuyên tứ có đu năng
lượns để bật ra ngoài. Khi dỏ. electron lóp nuoài kê cận sẽ nhây vào lâp chồ
trố 11» vừa xuất hiện, nó sẽ phát ra năns lượng dưói dạng phonon. Nêu năng
luợnu phonon này phù hợp có thê khiến cho electron khác ờ lớp ngoài hâp
thụ và đù để bứt khói nguyên tư. l a sẽ thu được electron Auger. Hình 5 là
một ví dụ điên hình cơ chế lạo ra phát xạ Auger.
í filth 5: Su phái xụ cíiậỉ III'A UỊĩcr

Khi chùm electron năng ỉượng cao chiếu vào khiển cho điện tư lóp K
bị băn ra ngoài. Điện tử lớp L] nhây vê vị trí trổng lóp K, phát ra năng lượng
làm bật điện tử khỏi lóp L23 với động năng:
KE = E|< — (E li + E1.23)
Như vậy KE phụ thuộc vào mức năng lượng K, L|, L23.
**»* Phổ kế nhiễu xạ tỉa X
Phép phân tích nhiều xạ tia X đã được sử dụng rộng rãi đê tìm hiểu
câu trúc cùa các loại vật liệu khác nhau. Hiện tượng nhiều xạ tia X có the
được mô tả theo định nghĩa phàn xạ tù' một tập hợp mặt phẳng tuân theo
điêu kiện phản xạ Bragg:
2dhk!- sin0 = n.Ằ.
trong đó d|lk| là khoảng cách giũa các mặt phẳne, mạng lân cận gần nhất có
cùng chỉ sô Miller (hkl). Giàn đồ nhiều xạ tia X cho nhữne thône, tin quan
trọng vê câu trúc cùns như xác định các hànu sô mạn2. a,b.c. So sánh tỉ
lượng tương đôi aiìra các pha, xác định các tạp chất trona mẫu. Hầnu số
mạng cua các mẫu tinh thê lục giác được xác định thông qua côn2, thức:
ỵ_Á2 AtB: - AJỈt : _ Ả: A
3 B : siIV <9, - /i, si IV 0: 4 sin (K - A2 sin2 fị
Trona đó A =h: + hk +k2, B =/". Mồi cặp đinh nhiều xạ cho phép xác
định một cặp aiá trị c và a. Nêu có nhiêu cặp uiá trị c và a. chúnu tôi lây uiá
trị trung bCác phân tích nhiễu xạ tia X được do trên máy Siemens D5005 tại
Trim li tâm khoa học vật liệu, khoa Vật lý, trườn a Dại học Khoa học tự
nhiên, ĐHỌCiHN.
♦> Phép đo từ tính
Từ tính của mẫu được đo băng hai phưong pháp là dao thoa lượn>2. lư
siêu dẫn (SỌƯID) và tù kế gradient xoay chiêu (AGM) tại Trường Đại học
Tổnu họp Chunabuk. Đây là các phươne pháp đo từ có độ nhậy cao nhất, cờ
10'"' emu. Phương pháp SỌU1D dựa trên hai hiên írnu quan trọns ià hiệu
ứno siêu dẫn và hiệu ứns Josephson. Phươna pháp AGM dựa trên tác dụ nu
lực từ xoay chiều lên mầu. Mỏ ta chi tiêt về hai loại phép đo này được trình

bày tron° cuốn giáo trình “Các phép do tù" cua tác uiá Phạm Hỏn 12 Quan”.
NXB Đại học quốc gia 2007.
Các thư nahiệm đo tù lính sử dụna phép đo từ kê mau runti VSM và
Hall di thườna đều khônu đem lại kết qua do tù độ cua mầu quá nho. Đôi
với hệ đo Hall còn có nsuyên nhân từ thực tê điện tra rát lớn cua mail. Cùnn
vì n«u\'ên nhân nàv mà chúna tôi không xác định được loại hạt tai từ phép
do Hall thòng thường.
Chún° tôi cũna sư dụim phép đo cộim hirớnu sãt tù', một phép do cỏ
thê có nhiệt độ đo lẻn đến 470 K đê kháo sát niới hạn tinh săt lừ cua mau.
❖ Phép đo phô hâp thụ quang học
Phép đo quane phổ hếp thụ quane học được thực hiện trona dải bước
sóng từ 200 nm - 900 nm tương ứng với năng lượng photon tù 6,0 eV - 1,38
eV trên các mẫu có đế bans thạch anh hoặc sa phia. Phép đo được thực hiện
với che độ truyền qua, có nghĩa là cường độ hấp thụ được xác định bàne.
hiệu cường độ chùm tia tới và cường độ chùm tia truyền qua. Phép đo thực
hiện tại khoa Vật lý, trường Đại học khoa học tự nhiên.
❖ Đo điện trỏ' bang phương pháp bốn mũi dò
Hình 6 là SO' đồ khối của phép đo điện trở bang plurơns, pháp bổn mũi
dò. Đầu các mũi dò được mạ vàng đẻ tạo tiêp xúc tôt và được đặt thang hàng
trên bề mặt mẫu cách đêu nhau, hai mũi ngoài câp imuôn dòng không đôi,
hai mũi giữa do hiệu diện thế ra, từ đó có the xác định điện trò suất qua công
thức: S = {V! I).2ttS.F{LIS)
2
3
ỊỈÌIĨỈI 6 : S ơ iíồ khối cua phép đo diện irơ bằng hon mũi dò.
1: Máy tính.
2: Nouồn cuna cấp dòim cho mâu
3: Ampe kế đo dòng cấp cho mẫu.
4. Cặp nhiệt diện
5: Vôn kế đo thế ra cua mầu

R |: Điện trờ chuân.
trong đó ô là điện trỏ suất, V là thế đo được, / là dòns điện, s là khoảng cách
giữa hai mũi dò, F(L/S) được gọi là hệ số chuần, tuỳ thuộc vào hình dạnG
mẫu.
Câu tạo cùa hệ đo gồm một cần mẫu được đặt trong ống thạch anh và
nổi với bơm chân không. Nhiệt độ của mầu được xác định thônu qua cặp
nhiệt điện Cu - Constatant. Tín hiệu từ cặp nhiệt điện và hiệu điện thế lối ra
được đira vào máy tính đê xử lý và vẽ đồ thị R(T).
Trong các phép đo, chúng tôi sử dụng điện trờ chuẩn R|. cờ 10' íì. Vói
các mẫu có điện trở lớn, chúng tôi sử dụng điện trờ chuẩn R| cờ 1 o6 Lì.
3.2 Kết quả và thảo luận
3.2.1 Các mẫu chế tạo bang phún xạ một chiều
♦> Thành phân và cấu trúc tinh the
Thành phẩn của mẫu được xác định bàne, phổ kế tán sắc nănii lượng
(EDS). Nồng độ Cr của một hệ mẫu Al|_
xCi\N điên hình xác định bans. phố tán sac
năna lượne (EDS) thay đôi từ 0,00 đến 0,39
tươns. ứne với sổ mâu Cr từ 0 đến 6. Trone,
khi đó nồna độ Mn trone hệ mầu Al|.xMnNN
thav đôi từ 0,00 đẽn 0,16 tương ứna sô mâu
Mn từ 0 đến 4. Các kết quá về thành phần
mẫu cho thây các nsuyên tô pha tạp Cr và
Mn thay thế cho vị trí cua Al.
Cấu trúc tinh thể của các mẫu được
khao sát ban 12, phép đo nhiễu xạ tia X
(XRD) trên các mầu đế Si đơn tinh thể
(100) hoặc thạch anh theo phương pháp sóc
tới nhỏ vói bước sóng Cu-Ka. Truong hợp pha tạp Cr, giản đô tia X cùa các
mẫu trình bày trone hình 7 cho thấy rằn a các mẫu với nò nu dộ x< 0.25 là
đon pha vói can trúc AIN lục siác, trona khi đó mẫu vói x=0,39 cỏ pha thử

hai là Cr. Hằng số mạng đưọc tính từ số liệu XRD là a = 3,136 A, c =4,958
 cho mầu X = 0,13 và a = 3,153 Á. c = 4.942 Ấ cho mầu X = 0.25.
Điều này có nahTa là việc dưa Cr vào mạne A1N đã làm tăng trục a
nhưna lại làm uiám trục c cùa mạna tinh thê A1N (đôi với AIN. a = 3.114 A.
c = 4.986 Á). Sự thay đôi tirons đối cua cưcrnu độ các dinh nhiêu xạ XRD
còn cho thấy hiện tượna pha tạp Cr làm thav đôi hướna kêt tinh iru tiên. Kèt
quả tương tụ cũim được quan sát thây trons 1 rường hợp pha tạp Mn. diêm
khác nhau là íiiới hạn 110112 độ pha tạp Mn đẽ mầu đon pha chi là X < 0.13.
1600
> 1200
■o
•D
p>
C
§
o
800
400
A I C r N 1
1-1 l
■ 1
■ 1
x = 0 .0 7 J
S i
o PO 04
1 r o T-
i k J I a
. .* = 0 , 1 3 Ạ . .
1. A ,
. . -Ạ A

x = 0 .2 5 ẳ
1 T
^ . 0 , 3 9 A
20
30
50
20
G0
70
Hình 7. ( Hán dó Ronạhcn CHU cúc mìiiỉịỊ mong
All ,(V ,N (x-().(>. 0.13, 0 25 vù 0 39) chế lạo
lri'11 (1e Si.
M ( e m u / c m 3)
0,10 T
Al Cr N
1-x X
2.0 3,0
H ( k O e )
-L-0.10
Hlnh H. Từ độ cùa các 111(111% /ÌÌÓIÌỢ /í//.vO\;Y
íx = 0.1 ỉ: 0.25 V£7 0.39) như một hàm cùa lù
tnrờiìỉỉ Iiựoìii lụi lìlìiệl ổộ phòng
Các phô nhiều xạ tia X nói chune có nhiễu nền và độ rộng đỉnh nhiễu
xạ lớn, cho thây kích thước của các hạt tinh thể khá nhò. Điều này phù họp
với kêt quả quan sát từ EDS. Quá trình xử lý nhiệt tỏ ra không hiệu qua đế
cải thiện kích thước hạt tinh thể của mẫu.
•> Tính chất từ
Từ độ của các mẫu Al|.xCi\N được đo
băng từ kẽ gradient xoay chiều (AGM) tại
nhiệt độ phòng. Hình 8 trình bày từ độ nhu

một hàm của từ trường nRoài đặt song song
với mặt mẫu. Chúng ta thấy rõ đó là đưòno
cong từ trề đặc trưng của chất sắt từ. Giá trị
từ độ bão hoà Ms là 0,067, 0,096, 0,053
emu/cnr lần lượt cho các mẫu X = 0,13, 0,25,
0,39. Giá trị của Ms cho thay chỉ có một tì lệ
rất nhỏ các nguyên tử Cr có trật tự sắt từ.
Chúng tôi cho rằng 2 Ía trị Ms cùa mẫu X =
0,39 còn nhỏ hơn cua hai mẫu có nồng độ Cr
thấp hơn liên quan đến tình trạng khôns đon
pha cùa mẫu này. Như vậy, giá trị từ độ
không chì phụ thuộc nông, độ Cr mà còn phụ
thuộc rất nhiều vào chất lượng cúa mẫu, có
nghĩa là phụ thuộc vào công nghệ chê tạo
mẫu. Theo mô hình lồ trông truns, gian do
Zenner đề xuất, các chất bán dan từ là các
hợp chất mà các nsuyên tủ' 3d như Cr, Mn
thay thế cho các nguyên tô nhóm III irons
mạng tinh thể. Các cặp spin của các nguyên
tử 3d có liên kết sắt từ nhờ vai trò trung gian
cua các hạt tải là các lồ trốns. Như vậy, tính
chât từ cua vật liệu liên quan chặt chẽ đèn
nồng độ hạt tai. tức là liên quan đến số các
nguyên tử Cr (Mn) thực sự được thê vào vị
trí của .AI cũna như số các nsuyên tử ỏ' trạng
thái kích thích.
Để có bàng chửng về sụ tồn tại trạnạ thải sắt từ ơ nhiệt độ cao hon
340 K, aiới hạn nhiệt độ Curie được CÔĨ12, bô bởi Yang, phép đo cộng hường
sắt từ (FMR) đã được thực hiện trên mẫu X = 0,25 với tân sô 9,2 GHz. trong
dai nhiệt độ từ 100 K đến 470 K. Hình 9 trình bày sự phụ thuộc nhiệt độ cua

trường cộna hưởng Hr (là từ trườna ngoài khi xây ra cộng hường). Xu thê
3.0
2.8
2,6
2.4
a 1200
f z
«■ 400
1 0
ro
~ -400
T = 400 K
- J
f V -
/
/
1.0 2.0 3,0 4.0 5 .0 ,
H(kOe)
AI Cr N
0,75 0.25
100 150 200 250 300 350
T ( K )
400 450 500
Ifinli 9. Sự phụ thuộc nhiệt độ CHU lừ truân ụ
cộ)ì ụ hướng lìr cùa IIHỈÌI Hình
phụ là một vi dụ vẻ phô FAIR í/triri dang đau
hàm cùa hệ xó háp thụ theo lừ rnimiẹ
ììưnai.
chưa bão hoà của H, tại 470 K, ta cho thấy nhiệt độ Curie cua mầu này vượt
khá xa giá trị 470 K.

Từ độ của các mẫu Ali_xMnxN đuợc đo bầne từ kế aiao thoa lượng tử
SQUID tại nhiệt độ 10 K và 300 K. Hình 10 là kết quả đo từ độ cùa mẫu pha
tạp Mn có nông độ cao nhât, X = 0,136. Giá trị từ dộ bão hòa cua các mầu
pha tạp Mn khá lớn hon của các mầu pha tạp Cr. Tuy nhiên, aiá trị này cũng
chi tương đưong với khoảng 3% nguyên tứ Mn là sắt từ.
Như đã nói ơ trên, chúna tôi cũ nu đà thu rmhiệm khảo sát từ tính cua
các mẫu bang từ kê mail 111112 (VSM) và tù' kẽ Hall dị ihườim nhung đêu
không thành côna. Nuuyên nhân là íiiá trị mỏmen từ của mầu quá nho.
❖ Tính chất quang và độ rộng vìing câm
Dộ rộna vùng cấm £„ là một thônạ sỏ quan trọna cua chât bán dan. Đẻ
xác định iiiá trị Eo, phép đo phô hấp thụ quana học u v đã được thực hiện
trên các mầu chế tạo trên đê saphia. Hình 1 ] là đô thị bình phưong hệ sô hâp
thụ ơphụ thuộc nănti krone nhòtòn /?rcũa môt sô mau Al|.sCi\N.
Từ độ (emu/cm1)
10 K
H ìnli 10. Từ đỏ cua màng mang ì U.S như nil'll hàm I lia lit inrửnV’ ngoài
lại nhiệt iỉỏ 10 K và 300 K
o
X
E
u
3 0 4 0 5 0 6.0 7.C
NSna lương phóton (eV)
Hình 11. Đ ồ thi h ì n h p i l l i o n e h è s ô lu ip th u iỊiia n íỉ h o c p h u rInn'll.
I n i n a ỉ i a m ự photon c ù a c á c m ú n Al/.X’i\X t.x= 0,0 - (I
Trước hết, chúng tôi nhận thấy ờ vùng khả kiến, các mẫu có độ truyền
qua tôt. Ngoài rạ, hệ số hấp thụ của mầu không pha tạp rất nhỏ so với mẫu
pha tạp và hệ sô hâp thụ cũng giảm rõ rệt sau khi các mẫu đà được xử lý
nhiệt. Độ rộng vùng cấm được xác định bằng cách naoại suy về 0 phẩn
tuyến tính của đường cc(hv). Sự thay đổi của Eị theo nồng độ Cr được thể

hiện trong hình 12a và theo nồng độ Mn được the hiện trong hình 12b. Nhận
thấy răng EK giảm khá tuyến tính theo nồng độ Cr tăno. Trong khi đó, sự
giảm cùa Eịị theo nồng độ Mn lại tuân theo hàm mũ. Ban chất cua sự khác
nhau này vẫn chưa đuợc sáng tò. Đánti chú ý là giá trị Eg= 6,2 eV của mẫu
A1N mà chúng tôi đo được hoàn toàn phù họp với kết quả của các tác iiià
khác.
Noil" dó Cr (xl
~ t I.
■ạ \ *
u
CJD •;!.
C
C ■■ »
•p-
c r-1
AI, M i N
\
c C3 '.! •>': ' j li‘j f. 1:
K>1 <onct'i-ỉr.M<v>'
Nóng độ Mil (\|
H ìn h ì 2d Đ ộ /ỵi/ỉ” vùniỉ câm và hãnự sô /lìn h I 2b Đ ộ rộiĩiỊ YÙI1ỈỊ câm nhu ìììộĩ
m ạ n i Ị c u a trụ c c n h ư m ộ t h à m C 1IÚ n õ i ỉ i Ị i ỉ ộ h à m c i i t ì n ô n g c ĩ ộ M n C1ICI c á c m â u
C r CÍUI cá c nnhi VjA' (x~ 0.() - 0. 25) ,Ư/?vV (x = 0.0-0. J36)
Chúim tôi cho răng độ rộna vùng câm xác định băng pluronu pháp hâp
thụ quang học trên đây liên quan đên sự chuyến dòi của điện tu từ đỉnh vùim
tạp (tạo bởi sự lai hoá của các quĩ đạo p-d) lên đáy vùng dẫn. Độ rộnu vùim
tạp đưọc mở rộno khi tăns nồng độ Cr hoặc Mil, kết qua là làm hẹp độ rộna
vùns cấm. Cách aiài thích của chúng tôi tuone tụ với Hashimoto và cộnụ sự
cho kết quá quan sát được vê độ rộna vùnu câm của các mẫu GaCrN. Một
côna trình lý thuyết côns bổ bởi Sato và cộnu sự vê càu trúc vùns, cua GaN

pha tạp Mn cũna cho thấy sự mơ rộng cùa viins tạp do sụ phu nhau cua hàm
sóna Mn-d khi nồna độ Mn tănạ lên. Troim các mầu cùa chúna tôi, một sự
lai hoá p-d mạnh là điều có thê dụ đoán do nôn« độ nauvên tô pha tạp lớn.
•> Điện trò’và năng hrọng kích hoạt
Ket quá phép đo điện trỏ' cho thâv tirònu họp khôna pha tạp, mầu là
chất cách điên tronc, loàn dải nhiệt độ khao sát. Nmivên nhân là A1N có dộ
rộ ne vùna cấm rất lớn (6.2 eV), như chúng tỏi đã đo được bâim phuơno,
pháp quana. Đối với các mẫu không đơn pha (quan sát được băna. nhiều xạ
tia X), sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trò' thể hiện tính kim loại do sự dẫn
điẹn thực hiện chủ yêu qua pha Cr hoặc Mn tụ thành đám. Vói các mẫu đon
pha, điện trờ khá lớn và các đường cong R( r) mang đặc trưng của chất bán
dẫn. Ví dụ về kết quả đo điện trở cua các mầu A io . 7 5 C r o .2 5 N ~ Alo.82Cro.1sN
được trình bày trong hình 13. Như vậy việc pha tạp Cr hoặc Mil đa ĩàm cho
vật liệu trở thành một bán dẫn tạp.
I (kl
ỈIÌIĨỈ1 /.?. Sự phụ thuộc nhiệt độ cua lỉicn trò cúc hai mail A ỈN
pha lạp Cr điên hình
Khi Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trờ mang đặc trưng bán dẫn, nó cỏ
thê được mô tả bans, hàm sổ R(T) = R ucx p (E t/ k HT ). Thừa sổ exp(EJkịịT) là
hàm Boltzmann xác định số các hạt tải được lạo thành do sự ion hoá tại
nhiệt độ T. o đây, Ea là năno lượna kích hoạt hay còn dược sọi là năng
lượn a ion hoá. Bans cách làm khóp đườna, cona R(T), chúim tỏi đã thu được
siá trị năng lượnu kích hoạt Ea cùa nhiêu hệ mầu khác nhau. Các kết quả cho
thấv giả trị năns, lượna kích hoạt eiảm theo nônu độ tạp tăim. biêu hiện ỉà
đường conu R(T) dịch vê bên phai nhu ta thây tron” hĩnh 7. Hiện tượníi này
có thề được siai thích bans việc tăng nônu độ pha tạp đã làm tăna độ rộn ạ
vùne tạp. Già thiết này được ủim hộ băne việc quan sát thây sự aiám của khe
nàna lưonu theo nồng độ tạp. Chúng tôi quan sát thây anh hườns, rât mạnh
của điều kiện chế tạo như nhiệt độ đế, quá trinh xử ]ý nhiệt lên giá trị £„. Ví
du đổi với hệ mầu pha tạp Mn, chúns; tôi kháo sát E„ của các mẫu có cùng

thành phần X = 0,13 nhu'112, được chế tạo tại các nhiệt độ đê khác nhau và xứ
lý nhiệt ở' các nhiệt độ khác nhau. Ket quả đo đircnm R(T) của các mầu có
nhiệt độ đế khác nhau được trình bày trono hình 14a và chế độ xử lý nhiệt
khác nhau à hình 14b. Giá trị năne luợno kích hoạt rút ra từ các đườne R(T)
đươc tônu hop ironu bàn2 1. Kêt qua cho thây aiá trị E„ ỉiiảm tlieo nhiệt độ
đế. Điều nàv chínm to nhiệt độ đẽ có vai trò rát quan Irọim troim việc tănn li
phần các nsuyên tử c r hoặc Mn thực sụ đirợc tha\- the \ ào vị trí cua AI
trono mane tinh thê. Ọuá trinh xu lý nhiệt lại tạo nên sự tăne. cua năns lượnií
. n, HOC QUỐC GIA HÁ NÒI
KỤNG TAM THQNG TiN THỰ VIÊN
Ì>T L 3 U
kích hoạt. Chúng tôi cho răng xu lý nhiệt đã loại bót các mức tạp sây boi các
sai hỏng. Kẻt quả là làm giảm sô các nguyên tử bị kích thích. Tương ứne ta
thu được giá trị Ea cao hơn.
Cuôi cùng, chúng tôi có nhận xét là các giá trị Ea đều khá lớn so với
giá trị năng lượng nhiệt ợ nhiệt độ phòng (25 meV) và đó là nmivên nhân
các mẫu đều có điện trở rất lớn.
T(K j r,K ’
(a) (b)
Iỉìn/i 14 Sự phu thuộc nhiệt độ cùa (liêu trớ (i1ã chtián hứa) cùa các man Ah,s-Mn„ / :À' với
(a) các nhiệt iỉộ đẽ khác nhan và (h) vài nhiêỉ itõ xu lý nliiệt khác nhau
Tên mẫu
T . m
K,
111)01
60 phút
300
7] mcV
111 1011
60 phút

300 600 81 meV
m 1012
60 phút
300
800
i 18 mcV
ml 02
60 phút 27
73 mcV
111 1021
60 phút
27
600
91 mcV
1111022
60 phút
27
800
133 me V
Bein'’ ì . Giá tri HÕIHỊ hrựMỊ kích hoạt cua các IIU ÌII Alns~M>io / JfA với các nhiệt iỉộ cĩê khác
nhau và vói lìhiệl íỉõ XII lý nhiệt khác nhau
3.2.2 Các mẫu chế tạo bằng phún xạ xoay chiều
Tương tự như các mẫu chế tạo bàng phún xạ một chiêu, phô nhiều xạ tia
X cho thấy các mầu chỉ đon pha vói câu trúc lục «iác A IN (wurlizite) khi
nồim độ pha tạp ỏ dirới một giói hạn nào đó. Ví dụ đỉnh nhiều xạ đặc trưnu
của Cr bất đầu xnắt hiện khi sổ mâu (gọi là n) Cr trên tarset lớn hon 2, đỉnh
của Mn kim loại bẳt đầu xuất hiện ờ n > 3 và lớn dần theo số mẩu Mn tăna.
Hình 15a và 15b trình bày phổ XRD của một số mẫu A1N pha tạp Cr và pha
tạp Mn. Chúng ta có thể nhận thấy là phổ XRD có nhiễu nền và độ rộng đinh
nhiêu xạ khá lớn. Điêu này phản ánh tình trạng, tinh thể, cụ thể là kích thước

hạt tinh thê còn hạn chê (cờ 10-15 nm, ước lượng theo côns thức Sherrer).
ố
l io i )
(001
AlCrN6p
À v V ' ‘
ị '
AlCrN4p
1 1 .
f \
AICrM2p
35-
e SB
'S
ễ 25
20-
15 -
—
o
—
o
2
- Mn “
® !
AIMnN4p
.
V' í}' ri 1 .1 ị.i
' » Hjijj ; í
AIMnN3{
1 1

n 1 AIM nNlp
w V rfW .r
30 40 50
20 (degree)
40 50 eo
200
Hình 15a. Phó nhiễu xạ tia X cùa các Wnh ì5h ph(] ,iu ỵ cua củc mj u AI \! p/ỉa
máu .41N phu tạp Cr với sỏ mâu Cr trẽn lợp Mn vớị n Ị 3 va 6
bia nhỏm ỉ à 2.4 và 6 (được í1ặl lẽn ì à
Ả l C r N n p r ứ i n = 2 . 4 V Ù 6 ) .
Ket quá phô Auger cho thây nôna, độ Cr và Mn hâu như tăng tuvến tính
theo /7, cụ thể cho pha tạp Cr là khoảng 4,3; 8.4; 17 và 25 % nauyèn tử cho
một đcm vị công thức tưong ứng n = 1; 2; 4 và 6 và cho pha tạp Mil là 3; 6; 9
và 12 % nguyên từ trong một đơn vị côna thức cho các mẫu với n - 1; 2; 3
và 4. Kết hợp vói kết quả XRD, ta có thê đánh giá giới hạn đảm bảo đơn pha
cho nồng độ Cr và Mn là khoảng 9 %, có phân thâp hơn so với phương pháp
phún xa một chiều. Đê khảo sát tình trạng ôxv hóa bề mặt. mầu AICrN2p và
AlMnN3p đã đưọc chọn đê đo phô Auaer nhiêu lân với thời gian ăn mòn
mầu khác nhau tù 0 đến 3 phút, kêt quả được trinh bày trone hình ]6a và
16b. Phổ A user cùa mẫu “khôns ăn mòn” cho thây một luợns ôxi khá lớn
trên bề mặt mẫu. Phổ Auger của các mẫu “được ăn mòn" hâu nhu uiổna
nhau và vần chỉ ra một lượng nhò ôxi (vài phân trăm) tôn tại trong mẫu. Ket
quả phân tích hàm lượna các nauyên tô thành phân cho thây o các mẫu đon
pha (khône chứa các đám Cr hay Mn kim loại), lưọna Cr hav Mn pha tạp
vào mẫu có xu hưóna thay thế vị trí cua nguyên tư AI trong mạng tinh thê
mẫu, lức là mầu chứa một pha chính A !(}.*}IftCro.oxjN hoặc AI|).9|Mn0.,)ọN. Việc
tôn tại một lượng nhỏ ôxy trong mầu cần được khấc phục. Nauyên nhân cua
vân đê cỏ thê là đường dẫn khí khôna, tuyệt đối kín.
• 5
■ 10

■
1 - , —1

r

-

1

-

T~—
-

1

-

100000 -
«
3 min. cichinc
IOOOC .
u
1
1 min. cichinu
toccc -
— 40000 -
Y,
ỏ
'

70D00 -
\ %
noclchinc 1
e -
t
2 o
<
ỈOOOO -
0 20 0 4 00 SCO 8 00 1 00 0 1 20 0 1 40 0 I to c
Kinclic Eiht"\ (cV)
r
i I
» phui .
I phui .«(« !*)••»
’I I
ì|'
__
I,
J0G 0 ỈC0 40C (0 0 *0 0 1C00 1200 1«00 1*00 ’ »co
ilỉin i: I I \ I
Hình lóa. Phô Auger cùa num M C rS lp Hình ỉób. Phổ Auger cm, mau A lM n S ĩp
vói thời gian ủn mon khác nhau với càc 'h()i ”ian ân mon khác nhau
Hình 1 7a là đô thị sự phụ thuộc năng lượng phôtôn hy (h là hànu số
Plank và V là tân sô ánh sánu kích thích) cùa bỉnh phưonc hệ số hấp thụ
quana học a dối với các mầu A1N pha tạp Cr với /7 = 2, 4 và 6. Hình 17b là
kẻt qua tươna, lự cho A IN pha tạp Mn. Đặc điểm chung là các mẫu đơn pha
thê hiện đặc tính cùa một chất bán dẫn thẳng, ơ các mầu norm độ pha tạp
thấp, sô các điện tử chuvcn dời từ vùnu hóa trị chiếm ưu thè, \à do vậy. uiá
trị độ rộna \'ùn<i câm có thê được xác định bănu cách nsoại SU) \ è khônu
phần tuyến tính cua đưòim ơ. (hv). Bătm phươns pháp này, chúnti tôi đà xác

định 2,iá trị Eỵ là 5,7 eV và 5,2 eV lân lượt cho các mẫu AlCrNlp và
AlCrN2p. Với pha tạp Mn. Ep là 6.0 eV. 5,8 eV và 5.6 eV lần lượt cho các
mầu AlMnNlp. AlMnN2p \ à AIMnN3p. Cùna cân nói thêm là phò hấp thụ
quana học cũnu được chúiiLL tỏi khảo sát trên mâu khôim pha tạp \ à cho kêi
quá En = 6,2 eV, hoàn toàn trùng với kẻt quá của các tác aià khác. Khi lăn li
nồniỉ độ Mn, độ rộnu vùnu tạp sẽ nơ 1‘ộnụ, có thêm các mức tạp cua Mn kim
loại, sổ điện tư chuven dời từ \ ùnu tạp lên vùna hỏa trị cũna tănsi. Tất cả các
hiệu ứna này cùne dần đèn một hiện tirợna là xuât hiện “cái đuôi khác
không" cua dườim a (hr) O' \ Lino, năim lượna thâp, được thâ\ rò trona trưònu
hợp mẫu AICrN4p và AlCrNóp tronc hình I 7a và AIMnNóp trên hình 1 7b.
Sự phụ thuộc nhiệt độ cùa điện trở một sỏ mâu chọn lọc dược trinh bàv
trên hình 18 a-b. Do siá trị tuvệt đôi cua điện tro' các mâu cỏ sụ khác nhau
lớn hình 18 chi có thẻ được thê hiện bănu các eiá trị tirơna đôi. Tronc sô các
mầu được chọn, ta lhâ> chi có mau AlCrN2p và AlMnN2p là thô hiện tính
bán dân, tức là điện trờ giảm theo nhiệt độ tăns, tuân theo hàm Boltzman R
exp (E(/kfíT). Giá trị năng lưọno hoạt được xác định bàng phương pháp
photon energy
Hình 17(1 Phó hâp thụ lỊiunnỊ học cho 03 Hình Ỉ7b Phô hap thụ íỊitưiĩỉỊ học cho
mẫu iỉìên hình A lC r N 2p, A ÌC r N 4p and A lM n N ỉp và A lM nSồ p .
A lc 'r\6p.
làm khóp đườne, R(T) là 0.06 eV và 0,08 eV cho các mẫu AlCrN2p vả
AICrNlp; 0,07 eV cho mẫu A]MnN2p và 0,09 eV cho mẫu AlMnNlp. Các
giá trị này khá lớn so với năna lượne, nhiệt (kHT= 0,026 eV tại 300 K). Điều
đó °iài thích vì sao các mau đêu có điện trờ rât lớn. Hình 18 cũng chI rõ hiện
tưọnc khi nôna độ Cr ha\' Mn tiẻp tục tăn2 qua một uiá trị nhât định thi tính
dần cua mầu chuyên dan sans đặc tính kim loại. Kèt qua này phù họp với
việc quan sát thấy việc hình
thành các đám Cr và Mil kim loại tro nu, hai hệ
mau
K

_______
* **
■ I

\* ị
l ■ AIM nN2p
■ 1 curve fit I •
• • AiMnN 3p / *
\ *
A iMnN 5p I /
V
- V i
ISO :oo
T(K)
l( k)
ỉũ n h 18a Sự phụ thuộc nhiệt dô a m điện H ình ISh Sự phụ thuộc Iiliiệi lĩộ a m tliãì
tro môl .vỡ mẩn hệ AK V.Y inr mõi sò mún he A l\ín .\
4. Kết luân
Đã cải tiến thành công hệ đo Hall dị thường từ chế độ đo một chiều
thành đo xoay chiêu, qua đó nâng cao độ nhậy và tỉ lệ tín hiệu/nhiều. Hệ đo
sẽ là thiêt bị rât hiệu quả trong nghiên cứu mànụ 1110112,
sấy.
Tuy nhiên việc
thừ nghiệm trên các mầu bán dẫn từ chưa thành co nu.
Đã chế tạo thành công hai họ mẫu màng mono A1N pha tạp Cr và Mn
băng hai phương pháp phún xạ một chiều và xoay chiều với các thành phần
pha tạp khác nhau, đế mẫu khác nhau và chế độ công nghệ khác nhau. Đã
kháo sát các tính chái của mẫu bần2 các phươne pháp Ihực nghiệm khác
nhau.
Câu trúc tinh thế và chất lượng mẫu dược đánh giá qua phép đo X-ray

và phổ kế Auger cho thấy các mầu đơn pha có cấu trúc lục giác loại
Wurtizite. Giới hạn đon pha cho nồng độ pha lạp ờ các mẫu trung bình
khoáng 10 %.
Đã thành côns tạo nên trạng thái sảt từ bằng việc pha lạp Cr và Mn.
tạo nên cơ chế sắl từ lỗ trống trung gian. Tính sất từ dược quan sát thấy trong
các mẫu tổn tại cho đến nhiệt độ ít nhất là 470 K. Đáy là giá trị lớn hơn hắn
các kết quá của các tác giả trước đó. Tuy nhiên, giá trị từ độ còn khá nhỏ,
lương ứng chỉ vài phần trâm nguyên lử pha tạp trỏ' thành sắt từ. Nguycn nhân
được cho là do nống độ hại tải còn ihấp liên quan đốn độ rộng rất lớn của
vùng cấm.
Độ rộng vùng cấm. một thông số quan trọng cúa vật liệu dã được xác
định qua phép đo hấp ihụ quane học. Sự thay dổi của độ rộng vung cấm iheo
nồng độ pha tạp CŨIÌS nhu các điều kiện chê lạo dã dược kháo sát. Kếl quả
cho thấy độ rộim vùne câm liên quan chặt chẽ đến mật độ irạns thái cua các
mức tạp. thể hiện qua sự giám của độ rộng vùng cấm theo sự lăne cua nồng
độ tạp và sự tăng cua độ rộna vùng cấm khi chất lượng mẫu được cái thiện.
Kết quá phép do điện trỏ' như một hàm cua nhiệt độ cho thấy mẫu đon
pha có dặc limm hán dẫn. Khi nổns độ vượt quá iiiá trị iiiói hạn đơn pha. tính
dẫn bắt đầu chuyến sane kim loại do sự tham ilia của các dám Cr hoặc Mil.
Giá trị năng lượn2 hoạt, năng lượns cần thiết đố diện tử nháv lù vùng hoá trị
lên mức tạp (lã được rút ra từ phép làm khớp dườna phụ Ihuộc nhiệt độ của
điện trở. Giá trị nănỉi lượna hoạt cũn2 được quan sái thấy chịu ánh hưởng
mạnh của các yếu lố tác độna đến chất lượng mầu.
Các kết quả khảo sát ảnh lurờns cua chc độ chê tạo mail đà định
hướn° cho việc xác định điều kiện lói ưu cho việc chê tạo vật liệu màns
mỏns bán dẫn từ loại A1N bàna phưona pháp phún xạ ca tôt. Các mẫu chế
tao đã đat được hai yêu cầu chính là thê hiện lính bán dẫn và lính sắt tù với
nhiệt độ Curia cao. có thể thu nshiệm chế tạo linh kiện spinlronics.
Các kêt quả khoa học đã được công bố trong 05 bài báo, trong đó có
02 bài báo quốc tế

Số cử nhân được đào tạo trong khuôn khổ để tài: 03
Số thạc sỹ được đào tạo liên quan đến đề lài: 02
5. Tài liệu tham khảo
1. H. Ohno, Science 281, 951 (1998).
2. H. Ohno, D. Chiba, F. Matsukura, T. Omiya, E. Abe, T. Dietl, Y.
Ohno, and K. Ohtani, Nature (London) 408, 944 (2000).
3. T.Dietl (1994), Masnetic semiconductor, in T. s. Moss (Ed.),
Handbook of Semiconductor, Vol 3B. North-Holland, Amsterdam.
4. H.Ohno, H. Munekata, T. Penny, s von Molnar and 1. 1. Chang (1992),
Phys. Rev. Lett. 68, 2664.
5. X. Liv. Y. Sakaki and J.K. Furdyna (2001), Appl. Phvs. Lett. 79,
2414.
6. T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert, D. Ferrand (2000), Science
287, 1019.
7. F. Hasecawa, T. Takahashi, K. Kubo, Y.Nannichi, Jpn. Appl. Phys.
26, 1555 (1987).
8. S.G. Yang, A.B. Pakhomov, ST. Huns, and C.Y. Worm, Appl. Phys.
Lett. 81, 2418 (2002).
9. R. Frazier, G. Thaler, M. Overbers, B. Gila. C.R. Abernathy, and S I.
Pearton, Appl. Phys. Lett. 83, 1758 (2003).
10. Gall, c.s. Shin, R.T. Haasch, I. Petrov, and .I.E. Greene, J.Appl. Plivs.
91, 5882 (2002).
11. M. Hashimoto, Y.K. Zhou, M. Kanamura, H. Katayama-Yoshida, and
H. Ahashi. Journal of Crystal Growth 251. 327 (2003).
12. K. Sato and H. Katavama-Yoshida, Jpn. J. App]. Phys. 40, 485 (2001).
13. S. J. Pearton, C.R. Abernathy, G.T. Thaler, R. M. Frazier. D.p.
Norton, F. Ren, Y. D. Park, J. M. Buyanova, w. M. Chen and A. F.
Hebard. J.Phys. Condens. Matter 16 (2004) R209-R245.
14. Crepieux, p. Bruno. Physical Review B. Vol 64 (2001). 014416
] 5. J. E. Hirsh, Physical Review Letters, Vol 83, No 9 (1999). 1834

17. R. A. Lomas, M. J. Hampshire and R. D. Tomlinson, J. Phys. E: Sci.
Instriim. Vol. 5 (1972), p. 822.
19. Phạm Mona Quana, Trần Quang Huns, và Nsuyễn thị Vân Anh,
Tuyến tập báo cáo tại hội n°hị Vật ìý toàn quôc lân thử VI, Hà nội
2 0 0 5 , trang 694