Chế tạo và nghiên cứu các tính chất điện và từ của các màng mỏng từ dạng hạt kiểu FM o (FM=Fe, ni, co, py, cofe, ; o=sio2, al2o3, mgo, )

Đinh Văn Tương-2016

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ..................................................................................... 3
1.1 Giới thiệu về các trúc màng mỏng từ dạng hạt .................................................. 3
1.1.1 Màng mỏng cấu trúc MTJ ........................................................................... 3
1.1.2 Màng mỏng cấu trúc dạng hạt ..................................................................... 4
1.2 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm ...................................................................... 6
1.2.1 Hiệu ứng xuyên ngầm lượng tử trong các cấu trúc MTJ ............................ 6
1.2.2 Hiện tượng xuyên ngầm trong các cấu trúc dạng hạt .................................. 8
1.3 Phổ trở kháng phức ở các hệ dạng hạt ............................................................... 9
1.3.1 Tổng quan lý thuyết ..................................................................................... 9
1.3.2 Đặc trưng CIS ở hệ dạng hạt ..................................................................... 12
1.4 Về hiện tượng hằng số điện môi siêu cao trong cấu trúc dạng hạt nano ......... 13
1.4.1 Hệ dạng hạt phi từ ..................................................................................... 13
1.4.2 Hệ dạng hạt từ tính .................................................................................... 14
CHƢƠNG II: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ................................... 16
2.1 Công nghệ chế tạo mẫu.................................................................................... 16
2.1.1 Kỹ thuật phún xạ catot............................................................................... 16
2.1.2 Một số yếu tố kỹ thuật phún xạ ................................................................. 19
2.1.3 Chuẩn bị bia, đế ......................................................................................... 21
2.1.4 Sử dụng mặt nạ để chế tạo mẫu ................................................................ 22
2.1.5 Xử lý mẫu .................................................................................................. 23
2.2 Khảo sát cấu trúc ............................................................................................. 24
2.2.1 Xác định chiều màng mỏng ....................................................................... 24
2.2.2 Xác định thành phần hóa học bằng EDS ................................................... 26

Đinh Văn Tương-2016

2.2.3 Nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................................... 27
2.2.4 Hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................................................... 28
2.2.5 Hiển vi lực nguyên tử (AFM) .................................................................... 30
2.3 Đo từ trễ (M-H)................................................................................................ 30
2.4 Đo từ điện trở ................................................................................................... 33
2.5 Đo các tính chất điện ....................................................................................... 34
2.5.1 Đo đặc trưng I-V và V-I ............................................................................ 34
2.5.2 Đo phổ trở kháng phức (CIS) .................................................................... 34
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 36
3.1 Cấu trúc màng mỏng ........................................................................................ 36
3.1.1 Phân tích thành phần nguyên tố bằng EDX .............................................. 36
3.1.2 Cấu trúc pha XRD của màng mỏng Co-Al-O phún xạ ............................. 37
3.1.3 Cấu trúc hình thái bề mặt bằng SEM ........................................................ 39
3.1.4 Cấu trúc hình thái bề mặt bằng AFM ........................................................ 40
3.2 Các tính chất từ và từ điện trở xuyên ngầm ..................................................... 41
3.2.1 Đặc trưng từ của màng mỏng Co-Al2O3 theo tỷ lệ Co .............................. 41
3.2.2 Ảnh hưởng của công suất phún xạ (P) & nhiệt độ ủ (Ta) .......................... 46
3.3. Các tính chất điện ........................................................................................... 56
3.3.1 Đặc trưng I-V ............................................................................................ 56
3.3.2 Phổ CIS phụ thuộc từ trường ..................................................................... 60
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 66
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 69


Đinh Văn Tương-2016

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Đinh Văn Tƣơng


Đinh Văn Tương-2016

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1

MTJ

Magnetic Tunnel Junction

2

TMR

Tunneling Magneto Resistance

3

GMR

Giant MagnetoResistance

4

CIS

Complex Impedance Spectroscopy

5

RF

Radio Frequency

6

VSM

Vibrating Sample Magnetometer


Đinh Văn Tương-2016

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Quan hệ giữa tỷ phần Co trong màng với tốc độ lắng đọng ................... 25
Bảng 3.1: Tương quan giữa tỷ lệ diện tích Co trong bia phún xạ với tỷ lệ phần trăm
nguyên tử Co ở trong màng mỏng Co-Al2O3 được xác định bằng EDX .................. 36


Đinh Văn Tương-2016

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Hình ảnh minh họa một cấu trúc MTJ cơ bản ............................................ 3
Hình 1.2: Ảnh TEM của các hạt nano Co phân tán trong nền ô-xýt ZrO2-Y2O3. [1] 5
Hình 1.3: Minh họa cấu trúc dạng hạt nano của màng mỏng Co-Matrix. ................. 5
Hình 1.4: Hình ảnh cấu trúc dạng hạt với kích thước và hình dạng hạt phụ thuộc tỷ
lệ thành phần sắt từ của màng mỏng ........................................................................... 6
Hình 1.6: Cơ chế xuyên ngầm phụ thuộc spin trong cấu trúc MTJ ........................... 7
Hình 1.5:Mô hình năng lượng cho sự xuyên ngầm của các điện tử qua lớp rào thế. 7
Hình 1.7: Cơ chế vận chuyển spin theo kiểu nhảy cóc .............................................. 9
Hình 1.8: Vectơ Fresnel trong mặt phẳng phức. ...................................................... 11
Hình 1.9: a) Mạch điện, b) đường trở kháng, c) biểu đồ Bode. ............................... 12
Hình 1.10: Dạng đường Nyqiust mô tả: (a) một cấu trúc dạng hạt thông thường, b)
các trạng thái liên kết hay tương tác giữa các hạt, và c) một dạng biến tính khác. .. 13
Hình 1.11: Đo hằng số điện môi của LTNO (Li0.01TaxNi(0.99−x)O) [17]. ................. 14
Hình 1.12: (a) Cấu trúc MTJ thông thường với lớp xen giữa là màng mỏng ô-xýt
thông thường, như Al2O3. (b) Cấu trúc MTJ lai dạng hạt với lớp xen giữa là màng
mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3. (c) Ý tưởng làm thay đổi hằng số điện môi của cấu trúc
MTJ lai dạng hạt dưới tác dụng của từ trường ngoài. ............................................... 15
Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình hình thành màng bằng phương pháp
phún xạ

................................................................................................................. 17

Hình 2.2: Hệ phún xạ RF Alcatel SCM-400 a)Máy phún xạ Alcatel, b)Nguồn RF 18
Hình 2.3: Bia ghép Al2O3-Co để tạo ra lớp rào thế dạng hạt ................................... 21
Hình 2.4: Mask 1 được sử dụng để tạo ra dải điện cực Co thứ nhất. ....................... 22
Hình 2.5: Mask 2 được sử dụng để định hình lớp Co-Al2O3 ................................... 22
Hình 2.6: Mask 3 được sử dụng để tạo ra dải điện cực Co thứ 2 ............................. 23
Hình 2.7: Các mặt nạ dùng để phún xạ tạo mẫu Co/Co-Al2O3/Co. ......................... 23

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý đo chiều dày màng mỏngtheo phương pháp dò bậc bằng
mũi nhọn .................................................................................................................... 24


Đinh Văn Tương-2016

Hình 2.9: Minh họa kết quả một phép đo bậc chiều dày màng mỏng trên máy Alpha
–Step IQ..................................................................................................................... 24
Hình 2.10: Ảnh hưởng của tỷ phần Co lên tốc độ lắng đọng của màng Co-Al-O ... 25
Hình 2.11: Mối quan hệ và hàm FIT giữa tỷ lệ Co theo diện tích trong bia và tỷ lệ
nguyên tử Co trong màng. ......................................................................................... 26
Hình 2.12:Sơ đồ nguyên lý hiển vi điện tử quét. ..................................................... 28
Hình 2.13: Hệ SEM Jeol JSM 7600F ....................................................................... 29
Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo của hiển vi AFM ............................................................. 30
Hình 2.15: Hiển vi FlexAFM hệ Nanosurf .............................................................. 30
Hình 2.16: Sơ đồ khối của từ kế mẫu rung VSM. .................................................... 31
Hình 2.17: Hình ảnh hệ đo từ VSM DMS 880 của hãng Digital Measurements
System ...................................................................................................................... 32
Hình 2.18: Sơ đồ hệ đo đặc trưng TMR (gồm cầu đo đặc trưng điện HP và hệ tạo từ
trường) ....................................................................................................................... 33
Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý hệ đo TMR .................................................................. 33
Hình 2.20: a)Hình ảnh hệ đo I-V AUTO LAB PGS TAT 12. b) Giá gắn mẫu mạch
in và sơ đồ gắn mẫu để đo I-V. ................................................................................. 35
Hình 2.21: Sơ đồ hệ đo Phổ trở kháng phức ............................................................ 35
Hình 3.1: Giản đồ pha nhiễu xạ XRD của mẫu màng mỏng Co-Al2O3 với 27%
nguyên tử Co. ............................................................................................................ 37
Hình 3.2: Ảnh SEM của các mẫu A12, A16, A32 ................................................... 40
Hình 3.3: Ảnh AFM của màng mỏng Co-Al2O3 chữa 9% ng.tử Co khi chưa ủ, với
hai mode ghi ảnh là hình thái bề mặt (topography) và mode biên độ bề mặt
(amplitude). ............................................................................................................... 40

Hình 3.4: Ảnh AFM của màng mỏng Co-Al2O3 chữa 9% ng.tử Co sau khi ủ 250oC
trong vòng 1 giờ, ứng với hai mode ghi ảnh là hình thái bề mặt và mode biên độ bề
mặt. ............................................................................................................................ 40


Đinh Văn Tương-2016

Hình 3.5: Ảnh AFM của màng mỏng Co-Al2O3 chữa 27% ng.tử Co khi chưa ủ, với
hai mode ghi ảnh là hình thái bề mặt (topography) và mode biên độ bề mặt
(amplitude). ............................................................................................................... 41
Hình 3.6: Ảnh AFM của màng mỏng Co-Al2O3 chữa 27% ng.tử Co sau khi ủ 250oC
trong 1 h, ứng với hai mode ghi ảnh là hình thái bề mặt và mode biên độ bề mặt. .. 41
Hình 3.7: (a) Đường cong từ hóa của các mẫu Cox(Al2O3)1-x trong đó x = 6, 16, 27,
49 % nguyên tử. (b) Đường từ trễ của một trường hợp với x ~ 30 % ng.tử Co. ...... 42
Hình 3.8: (a) Đường từ trễ của mẫu x = 27 % ng.tử Co đo trong vùng từ trường ± 3
kOe. (b) Đường từ trễ của mẫu x = 49% ng.tử Co đo trong vùng từ trường ± 400
Oe. ............................................................................................................................. 44
Hình 3.9: Các đường từ trễ của mẫu x = 27 % ng.tử Co được đo theo cả hai
phương từ trường song song và vuông góc với bề mặt mẫu. .................................... 45
Hình 3.10: Đường cong từ hóa của hệ màng Co30(Al2O3)70 được phún xạ ở 100 W
và được ủ ở các nhiệt độ khác nhau .......................................................................... 47
Hình 3.11: Trường dị hướng từ theo nhiệt độ ủ Ta khác nhau của các mẫu
Co30(Al2O3)70 phún xạ ở P = 100 W ......................................................................... 48
Hình 3.12: Đường cong từ hóa của mẫu Co30(Al2O3)70 phún xạ ở các công suât: (a)
200W; (b) 300 W, và (c) 400 W. .............................................................................. 49
Hình 3.13: Đường cong từ hóa theo nhiệt độ ủ của mẫu Co30(Al2O3)70 phún xạ với
công suât 300 W. ....................................................................................................... 50
Hình 3.14: Đường cong từ hóa của các màng mỏng Co30(Al2O3)70 khi chưa ủ chế
tạo ở những công suất phún xạ khác nhau. ............................................................... 50
Hình 3.15: Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần Co ở công suất phún xạ P = 300 W lên

tính chất từ ở hệ màng mỏng Cox(Al2O3)1-x với x = 10, 20 và 45 % ng.tử. .............. 51
Hình 3.16: TMR của mẫu 12% nguyên tử Co-Al2O3 ở những điện áp sụt khác nhau
khi chưa ủ. ................................................................................................................. 52
Hình 3.17: TMR của mẫu 12% nguyên tử Co-Al2O3 ở những điện áp sụt khác nhau
được ủ ở 100oC trong 1 giờ ....................................................................................... 53


Đinh Văn Tương-2016

Hình 3.18:TMR của mẫu 12% nguyên tử Co/Al2O3 ở những điện áp sụt khác nhau
khi ủ ở 300oC trong 1 h. ............................................................................................ 54
Hình 3.19:TMR của mẫu 12% nguyên tử Co/Al2O3 ở những điện áp sụt khác nhau
khi ủ ở 400oC trong 1h. ............................................................................................. 55
Hình 3.20: TMR của mẫu 12% Co/Al2O3 với công suất phún xạ P=300 W và chưa
được ủ ........................................................................................................................ 56
Hình 3.21: TMR của mẫu 12% Co/Al2O3 với công suất phún xạ P=300 W được ủ ở
300oC trong 1 giờ. ..................................................................................................... 56
Hình 3.22: Sự chênh lệch mức Fermi giữa 2 lớp tiếp xúc xuyên ngầm ................... 57
Hình 3.23: Đặc trung I-V của mẫu Cox-Al2O3 .......................................................... 58
Hình 3.24: Đặc trưng V-I sử dụng mode quét dòng của mẫu Co-Al2O3 ................ 59
Hình 3.25: Các cấu trúc MTJ: (a) MTJ đơn (3 lớp) Co/Al2O3/Co (tụ điện kiểu I);
(b) MTJ 3 lớp với lớp rào thế kiểu dạng hạt Co/Co-Al2O3/Co (tụ điện kiểu II);(c)
MTJ 5 lớp Co/Al2O3/Co-Al2O3/Al2O3/Co (tụ điện kiểu III). .................................... 61
Hình 3.26: Cấu tạo và kích thước hình học của mẫu MTJ 5 lớp Co/Al2O3/ CoAl2O3/Al2O3/Co để khảo sát sự phụ thuộc từ trường của phổ CIS. ......................... 61
Hình 3.27: Kết quả đo phổ trở kháng phức CIS của mẫu 10% Co/Al2O3 ............... 62
Hình 3.28: Cấu tạo và kích thước hình học của mẫu MTJ 3 lớp Co/Co-Al2O3/Co để
khảo sát sự phụ thuộc từ trường của phổ CIS. .......................................................... 63
Hình 3.29: ảnh hưởng của lớp Cox-Al2O3 dày (60 nm) trong cấu trúc lai Co/CoAl2O3/Co với tỷ lệ Co khác nhau. ............................................................................. 64
Hình 3.30: Ảnh SEM mặt cắt cấu trúc 3 lớp của mẫu Co/Cox-Al2O3/Co .............. 65
Hình 3.31: Phổ CIS phụ thuộc từ trường của các cấu trúc 3 lớp Co/Cox-Al2O3/Co66

Đinh Văn Tương-2016

MỞ ĐẦU
Gần đây các hệ màng mỏng từ dạng hạt FM-O được nghiên cứu khá nhiều vì
các đặc tính lý thú của chúng. Tại viện Itims, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
có một số nghiên cứu về hệ màng mỏng FM-O, chẳng hạn như nghiên cứu từ điện
trở xuyên ngầm phụ thuộc spin trong màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 trong luận văn
của tác giả Triệu Tiến Dũng [25], nghiên cứu màng mỏng từ dạng hạt M-Al-O của
tác giả Lưu Văn Thiêm [27], nghiên cứu hệ dạng hạt Co/Co-Al2O3-Co/Co trong
luận văn của tác giả Lương Văn Sử [26]. Trong các nghiên cứu trước đây về màng
từ dạng hạt FM-O, các tác giả tập trung vào các tính chất xuyên ngầm của vật liệu,
vì đây là tính chất quan trọng trong việc nghiên cứu các hệ MTJ và các hệ màng
mỏng từ dạng hạt.
Một điểm đáng chú ý đối với tính chất điện môi của các oxýt như Al2O3 là, gần
đây người ta quan sát thấy rằng hằng số điện môi (k = ε/ε0) của Al2O3, εAl2O3, có thể
tăng lên rất mạnh, hàng nghìn lần, khi tạo ra được các chùm nguyên tử Ag phân tán
ở trong nền oxýt, ứng với hằng số điện môi mới là εAgAl2O3. Những vật liệu như thế
được gọi là vật liệu hằng số điện môi cao, hoặc siêu cao (hight-k, super-k). Đây sẽ là
loại vật liệu điện tử có thể tạo ra những siêu tụ điện (super-capacitor) có khả năng
tích trữ năng lượng điện (điện dung) rất lớn.
Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có nghiên cứu ở các luận văn nào hướng tới
tìm hiểu tính chất điện môi của hệ Co-Al2O3. Mặc dù luận văn của Lương Văn Sử
[26] đã bắt đầu có nhắc đến việc bắt đặt cơ sở để tiếp cận tìm hiểu về sự thay đổi
đối với εAl2O3 của Al2O3 khi có mặt các hạt sắt từ nano Co; và hơn nữa, thử tìm hiểu
sự phụ thuộc từ trường của hằng số điện môi εCo-Al2O3.thông qua điện dung C của
cấu trúc Co/Co-Al2O3/Co. Do điều kiện nghiên cứu còn chưa được thuận lợi, vấn đề
này cho đến nay vẫn còn để ngỏ. Dựa trên sự gợi ý về vấn đề hấp dẫn này, chúng tôi
cố gắng thử tiếp tục hướng tới những hệ dạng hạt nano kiểu FM-O, trong đó tiêu

biểu là các màng mỏng hệ Co-Al2O3, hy vọng có thể khai thông thêm con đường
tiếp cận đến mục đích chính do nhóm nghiên cứu spintrronics nêu ra về khả năng
tạo được lọai vật liệu có ε cao, hay k, phụ thuộc từ trường.

1


Đinh Văn Tương-2016

Nhằm thực hiện tiếp cận theo chiều hướng của mục tiêu đó, chúng tôi đã đặt
vấn đề tiếp tục tạo ra các hạt kim loại có tính sắt từ (FM) khác nhau như Co,Ni, Fe,
NiFe, CoFe,... trong nền các ôxýt (O) như Al2O3, SiO2 hay MgO,... để thông qua sự
thay đổi các trạng thái tương tác từ tính và sự vận chuyển phụ thuộc spin giữa các
hạt nano dưới tác dụng của từ trường ngoài, có thể dẫn đến làm thay đổi hằng số
điện môi của vật liệu. Đó là cơ sở khoa học của loại vật liệu điện môi spin có hằng
số điện môi cao (spin-dependent high-k permittivity). Tuy nhiên, trong khuôn khổ
của một đề tài luận văn cao học, với thời gian hạn chế và chưa thể hội tụ đủ điều
kiện về vật tư và trang thiết bị, chúng tôi chỉ giới hạn nghiên cứu ở luận văn này chỉ
trong khuôn khổ chế tạo thành công các màng mỏng có cấu trúc dạng hạt với nền là
Al2O3 và các chùm/hạt là Co có tỷ lệ chủ yếu từ rất thấp đến dưới 50% nguyên tử,
bằng kỹ thuật phún xạ; từ đó khảo sát một số tính chất tiêu biểu của các màng mỏng
này trong một số điều kiện công nghệ nhất định. Đây sẽ là tiền đề để tạo cơ sở tiến
sâu hơn nữa đến việc nghiên cứu về loại vật liệu điện môi spin sau này.
Luận văn gồm 4 phần, với 3 chương và phần Kết luận chung và Kiến nghị:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chương này giới thiệu những khái niệm cơ bản liên quan tới các hệ màng
mỏng FM-O. Nêu một số vấn đề lý thuyết liên quan như tính chất xuyên ngầm trong
các cấu trúc dạng hạt, phổ trở kháng phúc và đề cập đến hiện tượng hằng số điện
môi siêu cao.
Chƣơng 2: Các phƣơng pháp thực nghiệm

Trình bày các phương pháp thực nghiệm về chế tạo, xử lý, đo đạc và phân tích
mẫu được sử dụng trong luận văn.
Chƣơng 3: Kết quả và Thảo luận
đây t nh bày các kết quả nghiên cứu chính của luận văn và thảo luận về các
kết quả đó. Những kết quả chính bao gồm đặc trưng về cấu trúc, về các tính chất từ
(chủ yếu về quá trình đảo từ M-H của các hạt Co trong nền Al2O3), từ điện trở
xuyên ngầm (hiệu ứng TMR), và các đặc trưng điện (I-V, I-V và phổ trở kháng
phức CIS) phụ thuộc tỷ phần Co trong Al2O3.
Cuối cùng là phần Kết luận về cấu trúc Co-Al2O3 và một số kiến nghị.

2


Đinh Văn Tương-2016

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về các trúc màng mỏng từ dạng hạt
1.1.1 Màng mỏng cấu trúc MTJ
Một cấu trúc tương tự như một tụ điện trong đó 2 điện cực là 2 lớp kim loại sắt
từ được phân cách bởi một lớp cách điện mỏng đóng vai trò là lớp rào thế, như
minh họa trên hình 1.1. Cấu trúc như vậy gọi là tiếp xúc xuyên ngầm từ (MTJ). Lớp
điện môi mỏng chỉ cỡ một vài nano mét, sao cho các điện tử có thể xuyên ngầm qua
rào thế khi đặt một điện áp phân cực giữa 2 lớp điện cực kim loại sắt từ. Tính chất
quan trọng nhất của MTJ là dòng xuyên ngầm phụ thuộc vào định hướng tương đối
của từ độ 2 lớp sắt từ (có thể làm cho thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài).
Khi 2 lớp sắt từ có từ độ cùng chiều sẽ có dòng điện xuyên ngầm đi qua MTJ,
ngược lại khi 2 lớp từ độ ở vị trí phản song song dòng xuyên ngầm sẽ bị cản trở. Cơ
chế của sự thay đổi điện trở như vậy là do bản chất phụ thuộc vào hướng spin của
điện tử khi xuyên ngầm giữa hai điện cực sắt từ.
Cấu trúc MTJ được biết đến vào đầu những năm 1970, nhưng phải tới năm

1975, hiệu quả của cấu trúc MTJ mới được Julliere [2] phát hiện ra trong hệ vật liệu
Fe/α-Ge2O/Co ở nhiệt độ 4,2 oK. Và đó cũng là lần đầu tiên hiệu ứng xuyên ngầm
trong các cấu trúc MTJ được phát hiện ra, với độ lớn của hiệu ứng từ điện trở xuyên
ngầm TMR đạt được vào khoảng 14%. Phát hiện này đã làm tiền đề cho sự phát
triển của các cấu trúc MTJ sau này, và được mở rộng sang cho hiện tượng xuyên
ngầm qua các cấu trúc sắt từ dạng hạt nano.

Hình 1.1: Hình ảnh minh họa một cấu trúc MTJ cơ bản

3


Đinh Văn Tương-2016

Sau phát hiện của Julliere, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về cấu trúc
MTJ và hiệu ứng TMR được các nhà khoa học quan tâm, và cố gắng tìm ra những
loại vật liệu khác nữa có hiệu ứng xuyên ngầm cao. Một số nhóm nghiên cứu như
vậy đầu tiên trên thế giới như Maekawa và Gafvert thực hiện vào năm 1982, cho tỉ
số TMR xấp xỉ 3% ở 4,2K trên cấu trúc Ni/NiO/Co. Một vài nhóm khác cũng quan
sát được hiệu ứng TMR trên các cấu trúc với các lớp vật liệu cách điện ô-xýt khác
nhau, như NiO, CoO, GdxO và Al2O3. Tuy nhiên tất cả những thực nghiệm này đều
cho tỉ số TMR không lớn hơn 7% ở nhiệt độ 4,2K, và thậm trí chỉ đạt được giá trị
1% ở nhiệt độ phòng. Sau 20 năm kể từ phát hiện của Julliere, đến năm 1995, các
nhà khoa học mới thu được thành công đáng kể cho giá trị TMR = 10% ở nhiệt độ
phòng trên cấu trúc Fe/Al–O/CoFe [3]. Kể từ đó, ưu thế của các cấu trúc TMR so
với GMR trở nên nổi trội rõ rệt, với sự tăng vọt về độ lớn của hiệu ứng TMR. Trong
thời gian này, với việc thay thế lớp điện môi Al–O bằng MgO, các nhà khoa học đã
đạt được tỉ số TMR vào khoảng 270% ở nhiệt độ phòng. Vào năm 2007, các nhà
khoa học Đại học Tohuku (Nhật Bản) đã đạt được giá trị kỉ lục TMR = 500% ở
nhiệt độ phòng và TMR = 1010% ở nhiệt độ 5K. [4].

1.1.2 Màng mỏng cấu trúc dạng hạt
Màng mỏng từ đơn lớp dạng hạt FM-O có cấu trúc gồm các hạt sắt từ nano M,
như Co, Ni, Fe hay hợp kim của chúng, phân bố ngẫu nhiên trong nền oxit kim loại
không dẫn điện O, như Al2O3, MgO. Do có sự tách pha giữa M và O vì các nguyên
tử kim loại sắt từ M không bị hoà tan vào với các nguyên tử/phân tử trong nền cách
điện O, nên các nguyên tử kim loại sắt từ M có xu hướng kết tụ lại với nhau thành
các cụm, các chùm nguyên tử, hay các hạt nhỏ cô lập và phân tán ở trong nền O,
như được minh họa ở hình 1.2. Một số cấu trúc dạng hạt tiêu biểu gồm có các hệ
như Co-Al2O3, trong đó lớp nền (matrix) là lớp điện môi Al2O3 với các hạt nano là
kim loại sắt từ Co. Hình 1.3 cho thấy ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) một cấu
trúc dạng hạt của hệ Co- ZrO2-Y2O3 được chế tạo bởi các tác giả của nhóm B. J.
Hattink (năm 2003) [1].

đây có thể thấy rất rõ cấu trúc các hạt Co phân tán tron

nền điện môi ô-xýt ZrO2-Y2O3. Khi xét hai hạt nano sắt từ bất kỳ cạnh nhau, có thể
thấy thực chất chúng tạo thành một cấu trúc MTJ như đề cập ở trên, nhưng với kích

4


Đinh Văn Tương-2016

thước nano mét. Vì vậy có thể gọi 1 hệ sắt từ có cấu trúc dạng hạt là cấu trúc MTJ
kiểu dạng hạt.
Đối với hệ màng mỏng Co-Al-O, lần đầu tiên vào năm 1995 nhóm tác giả H.
Fujimorri [3] đã nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp phún xạ RF trong môi
trường hỗn hợp của khí Ar + O2, dùng bia Co80Al20 và Co75Al25, và màng mỏng có
cấu trúc dạng hạt đã được lắng đọng trên đế thuỷ tinh. Các màng mỏng dạng hạt hệ
Fe-Al-O đã được Chen Chen và các cộng sự nghiên cứu cũng chế tạo bằng phương

pháp phún xạ RF magnetron trong môi trường khí Ar sử dụng bia Fe có ghép các
miếng Al2O3 và lắng đọng trên bề mặt của đế SiO2. Tiếp sau đó vào năm 1999,
nhóm nghiên cứu của tác giả F. Shelp [5] cũng đã nghiên cứu các màng mỏng từ có
cấu trúc dạng hạt Co trên nền điện môi Al2O3 theo các tỷ lệ Co khác nhau, và quan
sát thấy sự thay đổi của hình thái hạt nano đối với tỷ lệ Co như thấy trên hình 1.4.
Đây là những nghiên cứu về hệ FM-O nói chung, và hệ Co-Al-O nói riêng, đã tạo
tiền đề để chúng tôi tiếp tục nghiên cứu sâu thêm về những đặc trưng cấu trúc và
các tính chất từ và điện của hệ Co-Al-O.

Hình 1.2: Ảnh TEM của các hạt nano Co phân tán trong
nền ô-xýt ZrO2-Y2O3. [1]

Hình 1.3: Minh họa cấu trúc dạng hạt nano của màng mỏng Co-Matrix.
5


Đinh Văn Tương-2016

Hình 1.3: Hình ảnh cấu trúc dạng hạt với kích thước và hình dạng
hạt phụ thuộc tỷ lệ thành phần sắt từ của màng mỏng
1.2 Hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm
1.2.1 Hiệu ứng xuyên ngầm lượng tử trong các cấu trúc MTJ
Dựa trên giả thiết về điện tử tự do, mô hình Zhang [6] đã tính toán được mật độ
dòng xuyên ngầm qua các cấu trúc lớp rào thế như trong hình 1.5 như sau. Khi Vb = 0,
UĐiện cực 1 = UĐiện cực 2, mật độ dòng J = 0. Khi Vb = 0, vì Uđiện cực 1 ≠ UĐiện cực 2 nên
mật độ của dòng điện xuyên ngầm tỷ lệ với hệ số truyền qua T theo phương trình:
J

2e

 2 

3

 

0     f ( E )  F ( E  eVb  dk y dk z T  Ex  dEx



(1.1)

Trong đó f(E) là hàm phân bố Fermi – Dirac, V(b) là điện áp đặt lên hai điện cực,
T(Ex) là hệ số truyền qua theo phương x.

6


Đinh Văn Tương-2016

Hình 1.4: Mô hình năng lượng cho sự xuyên ngầm
của các điện tử qua lớp rào thế.

Hình 1.5: Cơ chế xuyên ngầm phụ thuộc spin trong cấu trúc MTJ
Cơ chế xuyên ngầm từ phụ thuộc spin trong các cấu trúc MTJ đã được giải thích
theo lý thuyết của Julliere [2], như mô tả trong hình 1.6. Từ các tính toán của
Julliere, có thể xác định được độ lớn của từ trở xuyên ngầm theo công thức:
TMR 

2P1P2

1  P1P2

(1.2)

Trong đó P1, P2 lần lượt là độ phân cực spin của điện cực thứ nhất và thứ hai
PI 

P i P i
P i P i

với i là chỉ số có giá trị bằng 1và 2 tương ứng với các điện cực sắt từ 1 và 2.

7

(1.3)


Đinh Văn Tương-2016

1.2.2 Hiện tượng xuyên ngầm trong các cấu trúc dạng hạt
Những tính toán này của Julliere đã giúp ích rất nhiều cho việc nghiên cứu sau
này về hiện tượng xuyên ngầm. Từ các cấu trúc MTJ các nhà khoa học đã phát triển
và tạo ra các cấu trúc từ dạng hạt trên nền điện môi, họ cho rằng mỗi cặp hạt gần
nhau tương đương với một cấu trúc MTJ siêu nhỏ, hiện tượng xuyên ngầm phụ
thuộc spin sẽ diễn ra trong các hạt. Khi đó chúng ta hoàn toàn có thể điều khiển
được dòng xuyên ngầm phụ thuộc spin bằng cách dùng từ trường bên ngoài để điều
khiển hay định hướng spin của của các hạt theo từ trường ngoài. Từ đó thay thế các
điện môi thông thường dùng trong tụ điện, tạo ra các tụ điện có thể điều khiển bằng
từ trường ngoài một cách linh hoạt.
1.2.2.1 Cơ chế vận chuyển kiểu nhảy cóc

Trong hệ màng mỏng dạng hạt kích thước của các hạt có ảnh hưởng rất lớn
đến tính chất của màng cũng như cơ chế xuyên ngầm có thể xảy ra. Một mô hình đã
được nhóm tác giả Fujimori [7, 8], sử dụng để giải thích cho cơ chế vận chuyển
spin theo kiểu “nhảy cóc”.
Màng có cấu trúc dạng hạt, kích thước của các hạt trong màng không đồng
nhất, luôn có các hạt nhỏ được xen giữa các hạt lớn như mô tả trong hình 1.7. Mô
hình cấu trúc này gồm có hệ các hạt được giả thiết có kích thước trung bình d với
năng lượng điện tích Ec như chỉ ra trong hình 1.7-b.
Độ dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ được tính toán như sau:
Quá trình xuyên ngầm của điện tử từ hạt có kích thước lớn sang hạt nhỏ hơn
đã làm tăng năng lượng điện tích như chỉ ra trong phương trình 1.4.
Ec 

1
1

Ec /  1  
2
n


(1.4)

Với n là số hạt có kích thước trung bình d. Độ dẫn của điện tử như một hàm
phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ ảnh hưởng lớn tới quá trình xuyên ngầm của điện
tử phụ thuộc spin, ở đó các hạt tải đã được vận chuyển từ điện tích của hạt lớn nhảy
xuyên qua một dãy các hạt nhỏ sang các hạt lớn hơn trung hòa về điện tích và quá
8

Đinh Văn Tương-2016

trình này gọi là quá trình xuyên ngầm đơn điện tử. Độ dẫn σ(T) phụ thuộc vào độ
phân cực spin P của điện tử. Hình 1.7 chỉ ra ví dụ minh họa quá trình vận chuyển
các hạt tải. Tỷ số TMR phụ thuộc vào độ phân cực spin của các hạt kim loại sắt từ
như sau:
 T   m
1 

 Tm 



(1.5)

Họ đã đưa ra phương trình tỷ số từ điện trở xuyên ngầm phụ thuộc độ phân
cực spin của các hạt kim loại từ như sau:



 0  P2m2 1  C T



(1.6)

Trong đó C là một hệ số phụ thuộc vào năng lượng điện tích Ec và chiều dày của lớp
cách điện, P là độ phân cực phụ thuộc spin của các hạt kim loại sắt từ, còn m = M/Ms
với Ms là mômen từ bão hòa và T là nhiệt độ. Giá trị như một hàm phụ thuộc vào
nhiệt độ.

1.3 Phổ trở kháng phức ở các hệ dạng hạt
1.3.1 Tổng quan lý thuyết
Phương pháp phổ trở kháng phức dựa trên kỹ thuật điện xoay chiều (AC) từ
lâu đã được ứng dụng trong nghiên cứu tính chất điện – vật lý của các hệ vật liệu.

Hình 1.6: Cơ chế vận chuyển spin theo kiểu nhảy cóc

9


Đinh Văn Tương-2016

Về cơ bản đây là phương pháp nghiên cứu liên quan đến việc so sánh các đặc tính
điện xoay chiều của hệ đã có với các mạch tương đương. Các thông số cơ bản để
đánh giá và so sánh trong phương pháp này là trở kháng và hệ số điện môi phức.
Trở kháng điện Z () được xác định như là tỷ số của điện áp hình sin
U ( )  U 0 .e it đặt lên hệ điện và dòng xoay chiều thu được I ( )  I 0 .e i (t  ) .
Z ( )  U ( ) / I ( )  U 0 / I 0 .e i

(1.7)

Z () là một số phức, có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ cực bởi biên độ /Z/

và góc pha  , hoặc trong tọa độ đề các: Z ()  Re Z  i Im Z
Trong đó, Re Z và Im Z là phần thực và phần ảo của trở kháng Z () . Sự liên
hệ giữa các đại lượng này được biểu diễn:
/ Z / 2  (Re Z ) 2  (Im Z ) 2

  arctan(Im Z / Re Z )
Re Z  / Z / cos ,

Im Z  / Z / sin 

(1.8)

Nếu tần số góc  thay đổi, tập hợp các điểm M của véctơ trở kháng miêu tả
trên mặt phẳng phức là đường cong đặc trưng cho hệ khảo sát (hình 1.8).
Các quy tắc đơn giản cho xác định trở kháng tổng của hệ ghép nối. Trở kháng
tổng cộng của hệ nối tiếp là tổng của các trở kháng thành phần. Với mạch mắc song
song, sử dụng cùng một quy tắc như cho độ dẫn:
Y ()  1/ Z ()

(1.9)

Z và Y được liên hệ bởi biểu thức:
Re Z / Re Y  Im Z / Im Y  (Re Z ) 2  (Im Z ) 2  1 /[(Re Y ) 2  (Im Y ) 2 ]

(1.10)

Mạch điện ví dụ đơn giản được đưa ra trên hình 1.5a. Bằng cách áp dụng các
quy tắc trên, tổng trở kháng có thể được viết:
Z ( )  [r  R /(1  (t ) 2 )]  i[ Rt /(1  (t ) 2 )]  Z 'iZ "

(1.11)

Trong đó t = RC là hằng số thời gian của mạch RC song song. Ước lượng t
Trong phần thực và phần ảo của Z () ta có:
[( Z 'r )  R / 2] 2  ( Z " ) 2  ( R / 2) 2

10

(1.12)


Đinh Văn Tương-2016

| Z | sin

-Im(Z)

M

|Z

|


| Z | cos 

Re(Z)

II.5.1.BiÓu
vector
Hình 1.7:H×nh
Vectơ
FresneldiÔn
trong
mặt phẳng phức.
Fresnel trong mÆt ph¼ng phøc.

Đây là phương trình của bán cung với tâm tại (r+R/2) trên trục thực và bán

kính bằng R/2. Bán cung này cắt trục thực tại r khi    và tại (r + R) khi

  0 (hình 1.9b). Biên độ cực đại của Z” = Im Z bằng R/2 tại  0 t   0 RC  1 . Biết
tần số đặc trưng  0 tại đỉnh của bán cung cho phép tính toán được điện dung C:
C  1 /  0 R  1 / 2f 0 R

(1.13)

Cảm kháng không phải là đặc trưng duy nhất của mẫu xác định được từ phép
đo phổ trở kháng phức. Các đại lượng khác có thể rút ra từ đo trở kháng và được
biểu diễn theo cùng một cách, chúng gồm:
Độ dẫn:
Hằng số điện môi:
Modun:

Y ()  1/ Z ()

 ()  Y () / i  1/(i.Z ().)
M ()  1/  ()  i.Z ().

(1.14)
(1.15)
(1.16)

Các đường cong này sẽ được giãn rộng ở dải tần số cao của phổ và trong một
số trường hợp nó cho phép xác định tốt hơn các hiệu ứng dung kháng yếu. Biểu
diễn các giá trị trở kháng trong mặt phẳng Bode nhiều khi thuận tiện hơn cho phân
tích vì phân bố tần số được biểu diễn trực tiếp (Hình 1.9). Điện dung C của một tụ
điện phẳng có hai điện cực được ngăn cách bởi môi trường điện môi là , và 0 =
8,85. 10-12 (F/m) là hằng số điện môi chân không.

C

 . 0 .A
,
d

trong đó A là diện tích bản tụ, d: chiều dày lớp điện môi.

11

(1.17)


Đinh Văn Tương-2016

Hình 1.8: a) Mạch điện, b) đường trở kháng, c) biểu đồ Bode.
1.3.2 Đặc trưng CIS ở hệ dạng hạt
Các đường Nyquist của một cấu trúc dạng hạt tiêu biểu, trong đó các hạt vật liệu
cách nhau bởi những lớp biên hạt mỏng thường có dạng gồm 3 nửa đường tròn, như
minh họa trên hình 1.10 (a), trong đó tương ứng có thể biểu diễn với một mạch điện
tương đương ở bên trên mô tả các đóng góp trở kháng do phần lõi bên trong các hạt,
biên hạt, và trở kháng nối với các điện cực. Hình 1.10 (b),

(a)

(b)

12

Đinh Văn Tương-2016

(c)
Hình 1.9: Dạng đường Nyqiust mô tả: (a) một cấu trúc dạng hạt thông thường, b)
các trạng thái liên kết hay tương tác giữa các hạt, và c) một dạng biến tính khác.
1.4 Về hiện tƣợng hằng số điện môi siêu cao trong cấu trúc dạng hạt nano
1.4.1 Hệ dạng hạt phi từ
Gần đây các vật liệu với hằng số điện môi siêu cao được nghiên cứu rộng rãi
sử dụng trong ngành vi điện tử chẳng hạn như tụ điện và các thiết bị bộ nhớ, và
hằng số điện môi chính là yếu tố quyết định khả năng thu nhỏ của các linh kiện nói
trên [9, 10]. Hằng số điện môi càng cao thì điện dung của tụ càng lớn theo công
thức 1.18 , và cũng đồng nghĩa với tăng khả năng lưu chữ thông tin của các thiết bị
bộ nhớ, đồng thời giảm được kích thước của linh kiện, điều mà ngành công nghiệp
điện tử luôn muốn hướng tới. Các tính chất điện môi của hệ hạt nano kim loại đã
được các nhà khoa học dự đoán cách đây trên 30 năm [11]. Nhưng chỉ gần đâu,
người ta mới phát hiện ra hiện tượng hằng số điện môi siêu cao trong các hệ nano
bạc, đó là kết quả của sự giam hãm lượng tử của các hàm sóng điện tử đã được công
bố bởi nghiên cứu [12]. Hằng số điện môi mà các nhà khoa học đã đo được với
những hạt nano bạc siêu mịn lên tới gần 1010.
Năm 2005, nhóm nghiên cứu của S K Saha [13] đã thành công với việc nghiên
cứu tính chất điện môi của hệ dây nano Au với hằng số điện môi đạt được là khoảng
1.8 x 107. Hằng số điện môi siêu cao cũng được phát hiện ra trong hệ vật liệu
CaCu3Ti4O12, với hằng số điện môi lên tới 300.000 khi ở dạng tinh thể ceramic[14],
và lên tới 100.000 [15] khi ở dạng đơn tinh thể, tuy nhiên ở dạng màng mỏng thì
hằng số điện môi của vật liệu này chỉ là 700 [16].

13


Đinh Văn Tương-2016

Có thể thấy rằng hằng số điện môi của oxit kim loại khi được pha tạp có sự
thay đổi đáng kể và lý thú. Như trong nghiên cứu của Yu-Jen Hsiao năm 2007 [17],
nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi pha tạp Ta và Li trên nền điện môi NiO
(Li0.01TaxNi(0.99−x)O) thì hằng số điện môi thay đổi rất lớn khi tat hay đổi nồng độ
pha tạp và thay đổi nhiệt độ ủ của mẫu. Với x = 5% cho ra mẫu LTNO có hằng số
điện môi gần 105 như hình 1.11.
1.4.2 Hệ dạng hạt từ tính
Nghiên cứu trên cho thấy khả năng pha tạp các nguyên tố kim loại trên nền
điện môi oxit trong một cấu trúc MTJ thông thường, như cấu trúc Co/Al2O3/Co
(hình 1.12(a)) để tạo ra một cấu trúc MTJ lai kiểu dạng hạt (hình 1.12(b)), trong đó
lớp vật liệu điện môi mới là màng mỏng sắt từ có cấu trúc kiểu dạng hạt nano CoAl2O3 có hằng số điện môi siêu cao. Trên cơ sở đó, chúng tôi cho rằng pha tạp các
hạt kim loại sắt từ vào trên nền điện môi oxit kim loại không những có thể tạo ra
một loại vật liệu có hằng số điện môi siêu cao mà còn có thể điều khiển được giá trị
của hằng số điện môi đó nhờ vào từ trường ngoài. Trong luận văn này chúng tôi kỳ
vọng rằng với loại màng mỏng từ dạng hạt Co/Al2O3 sẽ đo được hằng số điện môi
siêu cao và có ứng dựng trong công nghệ điện tử. Một loại điện môi có hằng số điện
môi siêu cao, hơn nữa có thể điều khiển được nhờ vào từ trường ngoài. Từ trường
ngoài có thể sẽ làm thay đổi hướng của các domen từ của các hạt kim loại sắt từ và
làm thay đổi trở kháng của vật liệu dẫn tới thay đổi hằng số điện môi của vật liệu.

Hình 1.10: Đo hằng số điện môi của LTNO (Li0.01TaxNi(0.99−x)O) [17].
14


Đinh Văn Tương-2016

(a)

(b)

(c)

Hình 1.11: (a) Cấu trúc MTJ thông thường với lớp xen giữa là màng mỏng ô-xýt thông
thường, như Al2O3. (b) Cấu trúc MTJ lai dạng hạt với lớp xen giữa là màng mỏng từ
dạng hạt Co-Al2O3. (c) Ý tưởng làm thay đổi hằng số điện môi của cấu trúc MTJ lai
dạng hạt dưới tác dụng của từ trường ngoài.

15


Đinh Văn Tương-2016

CHƢƠNG II: CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 Công nghệ chế tạo mẫu
2.1.1 Kỹ thuật phún xạ catot
Để chế tạo màng mỏng chúng ta có rất nhiều phương pháp thông dụng có thể
kể tới như phương pháp bốc bay nhiệt, phương pháp bốc bay bằng chùm tia lazer và
phương pháp phún xạ. Với phương pháp phún xạ, chúng ta có ba loại: phún xạ
phóng điện hào quang một chiều DC, phún xạ catôt dòng xoay chiều cao tần RF và
phún xạ magneton. Trong ba phương pháp kể trên thì phương pháp thông dụng nhất
vẫn là phún xạ catôt xoay chiều cao tần RF. Vì nó mang lại nhiều ưu điểm hơn so
với các phương pháp trên như buồng chân không cao đạt đến 10-6 mBar, màng có
độ bằng phẳng cao hơn, liên kết giữa các nguyên tử trong màng rất chặt và có thể
tạo ra chiều dày màng phù hợp với mục đích nghiên cứu... Vì vậy trong luận văn
này, chúng tôi sử dụng phương pháp phún xạ catốt xoay chiều cao tần RF để chế tạo
màng mỏng. Để chế tạo được những màng mỏng FM-O có các tính chất từ và điện
phù hợp nhất với mục đích nghiên cứu, việc cần phải đi sâu vào bản chất vật lý
cũng như quá trình hình thành màng mỏng bằng phương pháp phún xạ này là rất
cần thiết.

2.1.1.1 Bản chất vật lý quá trình tạo màng bằng phún xạ
Quá trình phún xạ bắt đầu xảy ra khi một ion hay nguyên tử khí trơ Ar va đập
vào bề mặt bia làm cho các nguyên tử trên bề mặt bia bị bật ra khỏi bia và bắn lên
phía trên theo các hướng khác nhau rồi lắng đọng lên đế mẫu. Các nguyên tử bị bắn
ra khỏi bia này gọi là các nguyên tử bị phún xạ và khi các nguyên tử bị phún xạ này
đến được đế mẫu chúng bị lắng đọng lại trên bề mặt đế và bắt đầu hình thành màng
mỏng như đã trình bày trong hình 2.1. Thời gian phún xạ dài làm cho các nguyên tử
bị phún xạ lắng đọng trên đế mẫu dày hơn nghĩa là màng dày hơn nhưng độ dày của
màng lại phụ thuộc vào công suất phún xạ cũng như tuỳ thuộc vào từng vật liệu cần
phún xạ. Với mỗi vật liệu bia phún xạ khác nhau thì tốc độ các nguyên tử bị bật ra
khỏi bia là khác nhau.

16