Hiện tượng xuyên ngầm SPIN và các tính chất liên quan trong các kiểu cấu trúc MTJ

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


Trong các năm từ 1994 đến 1998, nhóm tác giả H. Fujimori, S. Mitani, S.
Ohnuma [34] đã thực hiện nhiều nghiên cứu về GMR kiểu xuyên ngầm trong màng
mỏng dạng hạt nền điện môi Co-Al-O. Ngoài sự phụ thuộc của GMR kiểu xuyên
ngầm phụ thuộc vào điện trở suất, các nghiên cứu của họ còn cho thấy thêm mối
liên hệ giữa điện trở suất và nhiệt độ có dạng lnρ ∞ T-1/2 [34], GMR tăng theo tỷ
phần nguyên tử oxy và đạt cực đại với 8% tại nhiệt độ phòng và nồng độ nguyên tử
oxy trong khoảng 25 ÷ 30% [127]. Hơn nữa, sự phụ thuộc nhiệt độ của GMR kiểu
xuyên ngầm cũng đã được khảo sát kỹ trong nghiên cứu được thực hiện vào năm
1998, theo đó tại nhiệt độ bên dưới 50K tỷ số GMR gia tăng một cách đáng kể khi
nhiệt độ giảm đi, cụ thể là tăng lên 16% tại 4,2K [128] trong màng mỏng Co-Al-O.
Cũng trong thời gian này, sự phụ thuộc một cách dị thường của MR vào nhiệt
độ và điện áp trong màng dạng hạt Co-Al-O đã được tìm thấy bởi nhóm tác giả S.
Mitani và cộng sự [126], và đã được giải thích bởi lý thuyết về xuyên ngầm bậc cao
phụ thuộc spin. Còn độ nhạy theo từ trường của TMR trong hệ dạng hạt kim loạiđiện môi đã được cải thiện đột biến nhờ ý tưởng về phương pháp tạo cấu trúc “hạt
trong khe” (grain-in-gap, GIG) của họ.
Tiếp theo đó, nhóm tác giả S. Mitani và cộng sự [125] đã sử dụng công nghệ
vi chế tạo (chùm ion tập trung-FIB) để tạo ra các cấu trúc kiểu “cầu nối cỡ nano”
bao gồm các điện cực tách biệt nhau qua một khe cỡ nano mét (nanometer-sized
gap), bên trong khe này được điền đầy bởi một màng mỏng dạng hạt điện môi
Co36Al22O42, và cũng đã thảo luận về việc quan sát thấy hiệu ứng Coulomb
Blockade với điện áp ngưỡng (Vth) rõ ràng và từ điện trở xuyên ngầm được cải
thiện, đạt khoảng 30% tại điện áp lớn hơn xấp xỉ với Vth. Bên cạnh đó những nghiên

cứu sử dụng hiển vi xuyên ngầm quét (STM) cũng đã được thực hiện nhằm làm cho
rõ hơn các đặc trưng hình thái và hiệu ứng Coulomb Blockade trên bề mặt của
màng dạng hạt Co-Al-O.
Để nghiên cứu chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt thông thường người ta
hay sử dụng một số phương pháp sau: Phương pháp bốc bay nhiệt, phương pháp
bốc bay nổ, phương pháp bốc bay bằng chùm tia lazer và phương pháp phún xạ.
Tuy nhiên, hiện nay phương pháp chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt phổ biến
nhất vẫn là phương pháp phún xạ RF.
Trong thực tế đối với hệ màng M-Al-O, ở đó M là các kim loại sắt từ, người ta
thường dùng kỹ thuật phún xạ RF để chế tạo màng có cấu trúc dạng hạt. Vào năm
1995 nhóm tác giả H. Fujimorri [34] đã nghiên cứu chế tạo hệ màng mỏng dạng hạt
Co-Al-O bằng phương pháp phún xạ RF lắng đọng trên đế thuỷ tinh dùng bia
Co80Al20 và Co75Al25. Khí dùng để phún xạ là hỗn hợp của khí Ar+O2 với áp suất
trong buồng phún xạ khoảng 3 mTorr trong đó áp suất của khí O2 được thay đổi từ
0 đến 0,66 mTorr để điều chỉnh tỷ lệ thành phần oxy trong màng.
Đối với hệ màng dạng hạt Fe-Al-O đã được nghiên cứu chế tạo bằng phương
pháp phún xạ RF magnetron lắng đọng trên bề mặt của đế SiO2 sử dụng bia Fe có
21


ghép các miếng Al2O3 lên trên bề mặt bia Fe này, áp suất phún xạ khí Ar khoảng 4
mTorr và đã tạo ra màng có độ dày 200 nm.
1.2.2 Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lớp (LMTJ)

Cấu trúc của một tiếp xúc từ kiểu xuyên ngầm MTJ bao gồm những lớp sắt từ
(Ferro Magnetic - FM), như Co, Fe, CoFe,..., cách nhau bởi những lớp cách điện
(Isolator - I ), như Al2O3, MgO,..., có chiều dày nằm trong phạm vi nanomét. Trong
trường hợp đơn giản nhất, cấu trúc MTJ chỉ gồm 2 lớp FM cách nhau bằng một lớp
I có chiều dày khoảng một vài nanomét (FM/I/FM), lớp I được biểu thị như là một
lớp rào thế. Cấu trúc như vậy tương tự như một tụ điện và được gọi là cấu trúc MTJ

đơn dạng lớp như minh họa trong hình 1.3.
Julliere [83] phát hiện và công bố hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (Tunneling
Magneto Resistance - TMR) năm 1975, khi nghiên cứu hệ vật liệu ba lớp bao gồm
lớp vật liệu oxit vô định hình  - Ge2O cách điện nằm xen giữa hai lớp kim loại sắt
từ Fe và Co: Fe/  - Ge2O/Co. Julliere đã đưa ra mô hình cho các tiếp xúc xuyên
ngầm từ FM/I/FM ở đó dòng điện xuyên ngầm trong mỗi kênh spin tỉ lệ với tích số
của mật độ trạng thái xuyên ngầm hiệu dụng ở mức Fermi của hai điện cực kim loại
[83].
Đối với tiếp xúc xuyên ngầm Fe/  - Ge2O /Co, Julliere đã quan sát được sự
thay đổi độ dẫn (G) bằng 14% cho trường hợp không đặt thế giữa hai điện cực ở
nhiệt độ 4,2K. Trong khi đó giá trị được mong đợi từ mô hình của Julliere tính toán
theo công thức (1.1) phải là 26% với giá trị của độ phân cực PCo=34% và PFe = 44%
TMR



G
GP



GP  G
GP

AP



2 P1 P 2
1  P1 P 2

(1.1)

Trong đó: GP, GAP là độ dẫn tương ứng với các định hướng song song và phản
song song.
P1, P2 lần lượt là độ phân cực spin của điện cực thứ nhất và thứ hai
Hơn thế nữa, hiệu ứng này còn giảm rất nhanh xuống còn 2% khi có thế một
chiều 6mV đặt vào. Sự suy giảm nhanh khi có thế đặt vào được cho là do tán xạ
spin ở bề mặt tiếp xúc kim loại sắt từ/ bán dẫn.

Hình 1.3. Minh họa màng mỏng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lớp (LMTJ)FM/I/FM.

22


Sau phát minh của Julliere, các nhóm thực nghiệm khác trên thế giới đã tiến
hành nghiên cứu hiệu ứng xuyên ngầm giữa hai điện cực sắt từ. Thí nghiệm đầu tiên
của S. Maekawa và Gafvert [122] thực hiện vào năm 1982 cho tỉ số TMR xấp xỉ 3%
ở 4,2K trên cấu trúc Ni/NiO/Co. Hiệu ứng đó cũng giảm nhanh khi nhiệt độ tăng lên
và tỉ số TMR thu được ở 77K nhỏ hơn rất nhiều lần giá trị đo ở 4,2K. Sau 20 năm
kể từ phát hiện của Julliere, năm 1995 nhóm nghiên cứu của H. Fujimori [34] thu
được thành công giá trị TMR = 10% ở nhiệt độ phòng trên cấu trúc Fe/Al-O/CoFe.
Kể từ đó, ưu thế của các cấu trúc TMR so với GMR trở nên nổi trội rõ rệt. Đến năm
2000, tỉ số TMR đã đạt đến giá trị 70%. Trong thời gian này, với việc thay thế lớp
điện môi Al-O bằng MgO, Parkin và đồng sự đã đo giá trị TMR vào khoảng 220%
ở nhiệt độ phòng và 300% ở nhiệt độ thấp hơn [110]. Vào năm 2007, nhóm nghiên
cứu tại Đại học Tohuku Nhật Bản đã đạt được giá trị kỉ lục TMR = 500% ở nhiệt độ
phòng và TMR = 1010% ở nhiệt độ 4,2K [61].
1.2.3 Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lai lớp-hạt (HMTJ)

Khi thay thế lớp màng mỏng cách điện (I) ở giữa hai lớp sắt từ (FM) của cấu
trúc xuyên ngầm từ dạng lớp (LMTJ) bằng lớp màng mỏng dạng hạt thì có được cấu
trúc xuyên ngầm từ dạng lai lớp hạt (HMTJ) như hình minh họa 1.4.
Năm 2004, có sự đột phá về mặt công nghệ khi nhóm tác giả K. Yamane cùng
cộng sự [62] nghiên cứu về hiện tượng xuyên ngầm đơn điện tử phụ thuộc spin
(SET) đã sử dụng công nghệ vi chế tạo để tạo ra hệ dạng hạt từ với cấu hình dòng
vuông góc với bề mặt (CPP) kiểu cột Co/Al-O/Co31Al24/Co/Pt. Hiệu ứng MR xuyên
ngầm ngược được quan sát thấy xung quanh điểm nhảy bậc của hiệu ứng Coulomb.
Kết quả cụ thể được chỉ ra trên hình 1.5.
Năm 2006, nhóm tác giả O. Chayka và cộng sự [106] nghiên cứu các tính chất
vận chuyển điện và từ của màng mỏng dạng hạt nano Co-Al-O chế tạo bằng phương
pháp lắng đọng laser xung. Các đặc trưng I-V phụ thuộc vào nồng độ Co khác nhau
đã được quan sát trong màng. Đặc trưng từ điện trở xuyên ngầm cho thấy một biểu
hiện dị thường trong từ trường lớn tại nhiệt độ thấp. Cụ thể sự hiện diện của các
nguyên tử từ tính phân tán trong nền điện môi là một cách giải thích cho tính dị
thường quan sát được của TMR như hình 1.6.

Hình 1.4. Minh họa màng mỏng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng lai lớp hạt
(HMTJ).

23


(a)

(b)
Bias Voltage (V)

Bias Voltage (V)

Hình 1.5. a) Đường cong I-V và b) TMR phụ thuộc vào điện áp tại nhiệt độ 4,2K, cấu trúc
Co/Al-O(2nm)/Co-Al-O(15nm)/Co/Pt có cấu hình CPP. Hình nhỏ trong (a) là hình dạng
của cấu trúc. Hình nhỏ trong (b) cho đường đặc trưng MR tại điện áp lân cận bước nhảy
Coulomb staircase [62] .

Trong cùng năm, nhóm tác giả J.-G. Kim và cộng sự [50] đã nghiên cứu về
mối quan hệ giữa sự thay đổi vi cấu trúc và từ điện trở khổng lồ của màng mỏng
điện môi Co-Al-O như là một hàm của thời gian ủ nhiệt. Biên độ của từ điện trở
giảm mạnh khi thời gian ủ tăng lên, dù rằng kích thước của hạt Co ước lượng được
từ quan sát hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy chỉ có sự thay đổi nhỏ. So
sánh giữa kích thước hạt ước tính từ đường cong từ độ và quan sát TEM có thể sử
dụng để đánh giá sự khác nhau giữa kích thước hình học và kích thước từ của các
hạt. Việc làm khớp các tham số của đường cong từ độ theo hàm Lagevin cho thấy
có thể các đám lớn chứa một vài hạt Co nhỏ kết cặp lại với nhau về mặt từ tính là
nguyên nhân sự giảm của MR khi thời gian ủ tăng lên. Sự cải thiện của MR tại nhiệt
độ thấp trong các hệ dạng hạt điện môi cũng có thể được giải thích bởi hiệu ứng
xuyên ngầm ở bậc cao hơn (higher-order tunneling). Điều này ngụ ý rằng sự thay
đổi của MR theo nhiệt độ ủ được gắn liền với sự thay đổi trong vi cấu trúc, dẫn đến
thay đổi sự đóng góp của xuyên ngầm bậc cao hơn do hiệu ứng chắn Coulomb.
Thêm vào đó, nhóm tác giả L.F. Schelp cũng đã tìm thấy hiệu ứng chắn
Coulomb đối với TMR trong mẫu có các đám hạt Co cỡ nano mét [67]. Họ chế tạo
cấu trúc Co/Al-O/Al-O-Co/Al-O/Co và đã quan sát được TMR tại nhiệt độ 4,2K lớn
hơn hai lần so với tại nhiệt độ phòng. Nguồn gốc của sự cải thiện TMR đã được cho

Hình 1.6. Dạng bất thường của TMR đo trong từ trường lên tới 130 kOe tại nhiệt độ
4K và 20 K [106].

24

là do ảnh hưởng của sự chắn Coulomb trong các đám Co. Sự quan sát của họ về
TMR và sự chắn Coulomb, thậm chí trong mẫu có diện tích tiếp xúc rất lớn, là rất
có ý nghĩa, điều đó cho thấy khả năng nghiên cứu SD-SET trong các cấu trúc lớp.
1.2.4 Cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng rào thế kép (DBMTJ)

Cấu trúc MTJ có nhiều rào thế, thể hiện qua nhiều lớp I xen kẽ các lớp FM.
Cấu trúc MTJ nhiều rào thế đơn giản nhất là cấu trúc 5 lớp FM/I/FM/I/FM - hay
còn gọi là cấu trúc MTJ kép, được hiểu là cấu trúc có hai rào thế, hay rào thế kép
(DBMTJ - double barrier magnetic tunnel junction) (hình 1.7).
Trong lĩnh vực điện tử học bán dẫn, các cấu trúc kiểu tụ điện có rào thế kép,
các đi-ốt xuyên ngầm cộng hưởng có cấu trúc rào thế kép hay các linh kiện CMOS
có cấu trúc rào thế kép đã được nghiên cứu và sử dụng từ lâu, đặc biệt là trong lĩnh
vực điện tử tần số cao. Các cấu trúc tiếp xúc dị thể với rào thế kép (hai rào thế cách
nhau liên tiếp) được nghiên cứu lần đầu tiên vào những năm 1970 bởi L.Chang,
L.Esaki và R.Tsu là các tiếp xúc dị thể bán dẫn GaAs/AlGaAs và đó cũng là hệ mà
lần đầu tiên hiệu ứng xuyên ngầm cộng hưởng qua một cấu trúc có rào thế kép được
quan sát thấy [70]. Hiệu ứng lượng tử này sau đó đã là cơ sở cho những nghiên cứu
phát triển để ứng dụng trong các linh kiện điện tử siêu cao tần [133]. Tiếp theo một
cấu trúc tiếp xúc dị thể với hai rào thế của một loại bán dẫn khác là HgTe/HgCdTe
cũng đã cho thấy xuất hiệu ứng xuyên ngầm cộng hưởng [22]. Từ đó hiện tượng
xuyên ngầm qua một cấu trúc rào thế kép còn được nghiên cứu nhiều cả về mặt lý
thuyết [72, 107]. Đối với sự xuyên ngầm liên quan đến spin, các cấu trúc tiếp xúc dị
thể sắt từ - điện môi, chính là cấu trúc MTJ đã được sử dụng.
Ưu điểm chính của các cấu trúc rào thế kép là tăng cường mật độ dòng xuyên
ngầm và giảm nhiễu nền (noise) của các linh kiện [133]. Với sự phát triển của công
nghệ nano và điện tử học nano (nanoelectronics), các cấu trúc rào thế kép tiếp tục
được nghiên cứu mạnh mẽ bởi khả năng ứng dụng hiệu ứng chắn Coulomb cho mục
đích tạo ra các linh kiện siêu cao tần, và đặc biệt là các linh kiện vận chuyển đơn
điện tử (single electron transport, SET) [22].

Hình 1.7. Minh họa màng mỏng cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ dạng rào thế kép
(DBMTJ) - FM/I/FM/I/FM.

25


Vấn đề xuyên ngầm phụ thuộc spin ở các cấu trúc MTJ có rào thế kép được
các nhà khoa học và công nghệ chú ý [14, 136] vì ngoài những ưu điểm nổi bật như
đã nêu trên đối với một cấu trúc rào thế kép trong các linh kiện bán dẫn, người ta
còn thấy có sự tăng cường đáng kể của mật độ dòng xuyên ngầm spin [69], và nhiều
ưu điểm khác nữa, đặc biệt là có thể thực hiện được sự vận chuyển đơn spin điện tử
(single spin electron transport, SSET) bằng sử dụng hiệu ứng chắn Coulomb từ
(magnetic Coulomb blockage, MCB) [161].

Một số mô hình của hiện tƣợng xuyên ngầm

1.3

1.3.1 Hiện tƣợng xuyên ngầm lƣợng tử trong cấu trúc MTJ- (Mô hình Zhang)

Dựa trên giả thiết về điện tử tự do, mô hình Zhang [143] đã tính toán được
mật độ dòng xuyên ngầm qua cấu trúc lớp rào thế như trình bày trong hình 1.8. Mô
hình đã giả thiết các điện tử tự do không tương tác với nhau và không tương tác với
mạng tinh thể. Trong gần đúng bậc nhất, tính chất của các điện tử này có thể được
xem như là chất khí lý tưởng và chuyển động hỗn loạn trong mạng tinh thể nhưng
lại bị giữ lại trong thể tích tinh thể bởi các lực điện. Theo cơ học lượng tử, các hạt
điện tử đã bị lượng tử hoá, nghĩa là các hạt không có các trạng thái chuyển động tuỳ
ý, chúng chỉ có các trạng thái lượng tử với các mức năng lượng bị gián đoạn tức
năng lượng không có tính liên tục.
Năng lượng này có thể tính được bằng việc áp dụng phương trình Schrodinger

cho hàm sóng của điện tử có vectơ sóng
E 


2m

Trong đó:




kx

,

k

y



k


,

kz

2

k



2
2m

k

2
x



và năng lượng

k

 k

2
y

 k z2

E

.



(1.2)

là vector sóng gồm có ba thành phần theo các phương khác nhau
; m là khối lượng của hạt và ħ là hằng số Planck

Một điện tử ngoài việc có một điện tích còn có spin. Trong các vật liệu phi từ
không có sự khác nhau về thế năng của các điện tử có spin-up và spin-down trong
khi đó với các vật liệu sắt từ dải năng lượng có sự phân tách rõ nét.
Để mô tả trạng thái các điện tử xuyên ngầm trong cấu trúc tiếp xúc có lớp rào
thế, một điện tử tự do có năng lượng xác định đã được thừa nhận và giả thiết sự
dịch chuyển thế năng chỉ phụ thuộc vào x, còn theo hai phương khác y, z sự xuyên
ngầm được giả thiết có bề rộng lớn vô hạn. Thế năng V(x) đã vẽ trong hình 1.8.
Theo mô tả năng lượng trên hình 1.8, thế năng này chia làm ba phần: phần
điện cực bên trái (điện cực 1), phần cách điện ở giữa hay còn gọi là lớp rào thế và
phần điện cực bên phải (điện cực 2). Các mức thế năng này chỉ bằng không trong
trường hợp các điện cực bên trái, bên phải tương ứng với đáy vùng dẫn của dải dẫn.
Lớp rào thế có thể thay đổi như một hàm của x và độ cao rào thế bao giờ cũng ở vị
trí cao hơn mức fermi trong mỗi lớp điện cực. Để tính được mật độ dòng xuyên

26


ngầm theo cấu trúc đã mô tả trong hình 1.8 phải áp dụng phương trình Shrodinger
không phụ thuộc vào thời gian như phương trình (1.3).
 2



 2m


 V x  



2

x,

y, z  E

x,

y, z

(1.3)

Trong đó: m là khối lượng của hạt; ħ là hằng số Planck; V(x) là chiều cao rào thế;
ψ là hàm sóng của điện tử và E là năng lượng
Đơn giản bài toán, ta xét điện tử chuyển động một chiều theo phương x, chiều
cao rào thế V(x), có một năng lượng Vc không đổi đó là thế năng của đáy vùng dẫn.
vectơ sóng



kx

phụ thuộc vào năng lượng Ex và thế năng V(x),
k

x

2m E





Vc

x



(1.4)

2

Để có sự xuyên ngầm xảy ra giữa các điện tử, cần phải cấp một điện áp vào
hai điện cực 1 và điện cực 2 như mô tả trong hình 1.8 thoả mãn điều kiện thế năng
này phải có giá trị lớn hơn thế năng của lớp rào thế. Vì vậy đã tạo ra độ dốc giữa hai
điện cực này. Độ nghiêng của rào thế có thể được biểu diễn như một hàm bậc nhất
theo x như sau: V  x   a  bx trong đó a là một hằng số có thứ nguyên là năng
lượng còn b là một hệ số tỷ lệ.
Để sự xuyên ngầm xảy ra giữa các điện tử qua lớp rào thế được dễ ràng hơn,
vật liệu làm điện cực cần phải đồng nhất với nhau và rào thế có dạng hình chữ nhật
với độ cao thế năng Vbar nằm cao hơn thế năng ở đáy vùng dẫn Vc. Sự xuyên ngầm
có thể biểu diễn bởi hệ số truyền qua T theo phương trình (1.5).
T 

Trong đó:

k 

2m E


x
2

 2 kK 

K

2

Vc



 k

2



và

2

sinh
K 

2

2

 Kd    2 kK 
2 m V bar  E


x

2

cosh

2

 Kd 

(1.5)



2

Để tăng năng lượng trên đỉnh của lớp rào thế, hàm sóng của điện tử trong rào thế
phải có dạng hình sin, có vectơ sóng k phụ thuộc vào các giá trị năng lượng khác

nhau của điện tử cũng như thế năng thế năng của rào thế.


Hình 1.8. Mô hình năng lượng cho sự xuyên ngầm của các điện tử qua lớp rào thế.

27