Nghiên cứu chế tạo các cấu trúc xuyên ngầm từ dạng lai giữa kiểu lớp và kiểu hạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LƯƠNG VĂN SỬ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC CẤU TRÚC XUYÊN NGẦM TỪ DẠNG
LAI GIỮA KIỂU LỚP VÀ KIỂU HẠT

Chuyên ngành : Khoa học và Kỹ thuật vật liệu điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS NGUYỄN ANH TUẤN

Hà Nội – 2011


Luận văn thạc sỹ

MỤC LỤC   

 

 

 

 

 

 

 

 

 Trang 

TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TÓM TẮT LUẬN VĂN
CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀCẤU TRÚC HMTJ............................................................................. 2
1.1.
GIớI THIệU CÁC CấU TRÚC MTJ ........................................................................................... 2
1.1.1. Màng mỏng cấu trúc đơn lớp GMTJ........................................................................... 2
1.1.2.

Màng mỏng cấu trúc LMTJ. ........................................................................................ 5

1.1.3.

Cấu trúc HMTJ............................................................................................................ 7

1.2.
MộT Số VấN Đề LÝ THUYếT................................................................................................. 10

1.2.1. Khảo sát đặc trưng vật liệu bằng phổ tổng trở CIS .................................................. 10
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................... 18
2.1.
CÔNG NGHệ CHế TạO MẫU ................................................................................................. 18
2.1.1. Kỹ thuật phún xạ....................................................................................................... 18
2.1.2.

Một số yếu tố kỹ thuật phún xạ................................................................................. 21

2.1.3.

Chuẩn bị bia, đế........................................................................................................ 23

2.1.4.

Chế tạo mặt nạ ......................................................................................................... 24

2.2.
ĐO TÍNH CHấT CủA MẫU HMTJ .......................................................................................... 26
2.2.1. Đo tính chất từ .......................................................................................................... 26
2.2.2.

Đo đặc trưng phổ tổng trở (CIS) ............................................................................... 27

2.3.
CHế TạO Đế GÁ MẫU ĐO ĐặC TRƯNG ĐIệN ........................................................................... 29
2.3.1. Chế tạo đế gá mẫu: .................................................................................................. 29
2.3.2.

Gắn mẫu vào đế đo: ................................................................................................. 29

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................................... 31
3.1.
TÍNH CHấT Từ CủA CÁC CấU TRÚC HMTJ ........................................................................... 31
3.1.1. Ảnh hưởng của thành phần Co lên tính chất từ của màng Co-Al2O3 ....................... 31
3.1.2.
3.2.

Tính chất từ của cấu trúc 3 lớp (HMTJ): Co/Co-Al2O3/Co ........................................ 34
PHổ TRở KHÁNG PHứC CủA CấU TRÚC HMTJ...................................................................... 40

KẾT LUẬN ....................................................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................... 53


Luận văn thạc sỹ

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
1

MTJ

Magnetic Tunnel Junction

2

GMTJ

Grain-type Magnetic Tunnel Junctions

3

LTMJ

Layer-type Magnetic Tunnel Junctions

4

HMTJ

Hybrid-type Magnetic Tunnel Junctions

5

SDT

Spin-Dependent Tunneling

6

MR

Magneto Resistance

7

TMR

Tunneling Magneto Resistance

8

GMR

Giant MagnetoResistance

9

CIS

Complex Impedance Spectroscopy

10

RF

Radio Frequency

11

VSM

Vibrating Sample Magnetometer

12

SQUID

Superconducting Quantum Interference Device

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: 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 ........3
Hình 1.2. a) Đường cong I-V và b) TMR phụ thuộc vào điện áp tại 4,2K [19]) .......1
Hình 1.3. Dạng bất thường của TMR đo được trong từ trường lên tới 130 kOe tại 4
và 20K. “Nguồn: nhóm tác giả O. Chayka [20]” ........................................................1
Hình 1.4. Vecto Fresnel trong mặt phẳng phức .......................................................11
Hình 1.5. Mạch điện a) , đường trở kháng b) và biểu đồ Bode................................11
Hình 1.6. Phổ trở kháng phức của hệ O2, Pt/YSZ/Pt,O2 .........................................13
Hình 1.7: Mạch tương đương (a) và đường trở kháng (b) rút ra từ lý thuyết phân
cực điện tích không gian ...........................................................................................15
Hình 1.8: Hệ có CIS là bán cung tròn, a) Bán cung phổ tổng trở, b) sơ đồ mạch
tương đương ..............................................................................................................16
Hình 1.9: Hệ có CIS là 2 cung tròn, a) 2 bán cung phổ tổng trở, b) sơ đồ mạch
tương đương ..............................................................................................................16
Hình 2.1: Nguyên lý cơ bản của quá trình hình thành màng bằng phương pháp
phún xạ ......................................................................................................................19
Hình 2.2: Hệ phún xạ RF Alcatel SCM-400 a)Máy phún xạ Alcatel, b)Nguồn RF 20
Hình 2.3: Dạng mẫu sau khi chế tạo và xử lý. (a) Nhìn từ trên xuống, (b) mặt cắt
ngang ...........................................................................................................................1
Hình 2.4: Bia ghép Al2O3-Co.....................................................................................1
Hình 2.5: Mask 1 (Lớp điện cực Co) ......................................................................24
Hình 2.6: Mask 2 (Lớp Co-Al2O3) ...........................................................................24
Hình 2.7: Mask 3 (Lớp điện cực Co) .......................................................................25

Hình 2.8: Các mặt nạ dùng để phún xạ tạo mẫu Co/Co-Al2O3/Co ..........................25
Hình 2.9: Sơ đồ khối của từ kế mẫu rung ................................................................26
Hình 2.10: Đế gá mẫu đo CIS ..................................................................................29
Hình 2.11: Mẫu được gá lên đế. a) Mẫu Co/Co-Al2O3/Co trước khi được gá b)Mẫu
sau khi được gá vào đế ..............................................................................................29
Hình 2.12: Mẫu sau khi được gắn keo Ag ...............................................................30
Hình 2.13: Chiều dòng điện đo qua mẫu. a)Đo tại điện cực(1-2), b)Đo tại điện
cực(1-4), c)Đo tại điện cực(2-3), d)Đo tại điện cực(3-4) .........................................30
Hình 3.1. VSM Co8%-Al2O3 (60nm).......................................................................31
Hình 3.2. VSM Co10%-Al2O3 (60nm).....................................................................32
Hình 3.3. VSM Co25%-Al2O3 (90nm).....................................................................32
Hình 3.4. VSM Co35%-Al2O3 (130nm)...................................................................33
Hình 3.5. Tổng hợp đường cong từ trễ Co-Al2O3 khi thay đổi tỷ phần Co từ 8%35% trong nền Al2O3 .................................................................................................33


Danh mục hình vẽ

Hình 3.6. VSM Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm).......................................34
Hình 3.7. VSM Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm).......................................35
Hình 3.8. VSM Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm).......................................35
Hình 3.9. a)VSM Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm). b) Co/Co10%Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm). c) Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) ........37
Hình 3.10. a)VSM Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm). b)Co/Co25%Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm). c)Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) .........38
Hình 3.11. a)VSM Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm). b)Co/Co35%Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm). c)Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/130nm/90nm) .......40
Hình 3.12: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm).......................................41
Hình 3.13: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm).......................................41
Hình 3.14: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm).......................................42
Hình 3.15: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm).....................................43
Hình 3.16: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm).....................................43
Hình 3.17: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm).....................................44
Hình 3.18: CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm).....................................44

Hình 3.19: CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm).....................................45
Hình 3.20: CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm).....................................45
Hình 3.21: CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm).....................................46
Hình 3.22: Hằng số điện môi Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm)...............47
Hình 3.23: Hằng số điện môi Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm)...............48
Hình 3.24: Hằng số điện môi Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm)...............48
Hình 3.25: Hằng số điện môi Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm)...............49
Hình 3.26: Hằng số điện môi Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm)...............50
Hình 3.27: Tổng hợp hằng số điện môi phụ thuộc từ trường của các mẫu HMTJ ..50


Luận văn thạc sỹ

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU
KHÓA 2009
Tên luận văn:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC CẤU TRÚC XUYÊN NGẦM TỪ DẠNG
LAI GIỮA KIỂU LỚP VÀ KIỂU HẠT
Tác giả:
Người hướng dẫn:
Người nhận xét:

LƯƠNG VĂN SỬ
PGS, TS. NGUYỄN ANH TUẤN

Tóm tắtluận văn:
Các cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ (magnetic tunnel junction, MTJ)
với lớp rào thế dạng hạt Co nền điện môi Al2O3 , còn gọi là cấu trúc HMTJ
hay cấu trúc MTJ dạng lai (hybrid-type magnetic tunnel junctions, HMTJ),
kiểu màng mỏng 3 lớp Co/Co-Al2O3/Co đã được nghiên cứu chế tạo bằng

phương pháp phún xạ catốt với chiều dày của các lớp điện môi dạng hạt xen ở
giữa thay đổi trong khoảng từ 20-130 nm. Một số tính chất từ, điện (có và
không có mặt của từ trường ngoài) đã được khảo sát nhằm tạo cơ sở cho việc
nghiên cứu tiếp theo về việc chế tạo các cấu trúc xuyên ngầm từ dạng lai và
hướng tới nghiên cứ các hiện tượng vận chuyển đơn spin trong từ trường và
hiện tượng điện môi siêu cao có thể điều khiển được trong từ trường ngoài.
Các tính chất từ của các cấu trúc HMTJ đã được khảo sát bằng các phép đo từ
độ; các tính chất điện được khảo sát bằng kỹ thuật phổ trở kháng phức
(Complex Impedance Spectroscopy, CIS). Các khảo sát và thảo luận ở đây đều
tập trung vào việc tìm hiểu sự thay đổi của các tính chất đã nêu theo sự thay
đổi của chiều dày các lớp và tỷ phần Co trong nền Al2O3. Từ đó thấy được xu
hướng ảnh hưởng của các yếu tố này lên một cấu trúc HMTJ, và đưa ra được
những cơ chế thích hợp để giải thích. Cũng trên cơ sở đó định hướng cho việc
chỉ ra những cấu trúc và quá trình xử lý phù hợp để có thể chế tạo được các
cấu trúc HMTJ.
Từ khóa: xuyên ngầm phụ thuộc spin (SDT); cấu trúc tiếp xúc xuyên ngầm từ
(MTJ); cấu trúc HMTJ (HMTJ); màng mỏng từ dạng lai; phổ trở kháng phức
(CIS).


Luận văn thạc sỹ

INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE OF MATERIALS
SCIENCE
BATCH 2009
Title of MSc thesis:
STUDY ON FABRICATION OF HYBRID – TYPE MAGNETIC TUNNEL
JUNCTIONS (HMTJ)
Author:
Supervisor:

Referees:

LUONG VAN SU
Dr. NGUYEN ANH TUAN

Abstract:
The magnetic tunnel junction (MTJ) structures with the barrier layer of
granular Co in dielectric Al2O3, which are hybrid-type structure, also called
hybrid-type magnetic tunnel junctions (HMTJ), based on three layerCo/CoAl2O3/Co have been studied to prepare by cathode sputtering method with
change of thickness of the dielectric layersCo-Al2O3 from 20 to130 nm. Some
magnetic andelectric properties (without and with presence ofexternal
magnetic field) Which were surveyed to provide a basis for further research
on the fabrication hybrid-type magnetic tunnel junction sand towards research
on the phenomenon single spin transport in magnetic field sand ultra-high
dielectric phenomena can be control by the external magnetic field. Magnetic
properties of the HMTJ structures were investigated by measurements of
magnetization; electrical properties were investigated by complex impedance
spectroscopy (CIS) technique. Investigations and discussion in the thesis
focused infinding out about changes in the properties from the thickness and
the percentage of Co in the Al2O3. Therefor trend shows the influence of these
factors on a structure HMTJ, and the suitable mechanisms to explain could be
brought out. Also on that basis to indicate the orientation of structures and
processes appropriate to make the structure HMTJ.
Key words: spin-dependent tunneling (SDT); magnetic tunnel junction (MTJ);
hybrid-type magnetic tunnel junctions (HMTJ); hybrid-type thin films;
complex impedance spectroscopy (CIS).


Cơ sở khoa học và thực tiễn

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
1. Cơ sở khoa học:
Hiện tượng xuyên ngầm lượng tử phụ thuộc spin trong cấu trúc tiếp xúc xuyên
ngầm từ kiểu lớp (LMTJ) và cấu trúc kiểu hạt (GMTJ).
Hiện tượng xuyên ngầm kiểu nhảy cóc giữa các hạt nano từ trong các lớp rào thế
dạng hạt nano của cấu trúc lai giữa kiểu lớp và hạt (HMTJ).
2. Cơ sở thực tiễn:
Một số linh kiện ứng dụng hiệu ứng trên: (Van spin, cảm biến từ, linh kiện đơn
spin).


Luận văn thạc sỹ

MỞ ĐẦU
Trong hơn 10 năm trở lại đây, các màng mỏng có cấu trúc dạng hạt kim loại
sắt từ kích thước nanô trong nền điện môi (chẳng hạn như Co-Al-O, Co-Fe-Al-O,
Co-Pt-AlO) đã được quan tâm nghiên cứu đáng kể do những điểm lý thú về tính
chất vật lý và khả năng ứng dụng của chúng. Từ kết quả nghiên cứu của nhiều nhóm
tác giả, có thể thấy rằng độ lớn của cái gọi là “từ điện trở kiểu xuyên ngầm (TMR)”.
“hay từ điện trở khổng lồ (GMR) trong màng mỏng từ dạng hạt nền cách điện” phụ
thuộc mạnh vào vi cấu trúc của mẫu. Vi cấu trúc của mẫu lại bị ảnh hưởng của rất
nhiều tham số, chẳng hạn như phụ thuộc vào thành phần, nồng độ hạt sắt từ, nhiệt
độ ủ, kiểu cấu trúc, bề dày các lớp điện môi... Vì vậy, việc nghiên cứu các yếu tố
ảnh hưởng nói trên sẽ có thể cung cấp cho ta nhiều thông tin bổ ích về cơ chế xuyên
ngầm phụ thuộc spin trong các kiểu màng mỏng dạng hạt sắt từ hay kiểu kết hợp
giữa lớp - hạt nền điện môi. Và thực tế là trên thế giới hiện nay SDT vẫn đang thu
hút được nhiều nghiên cứu nhằm lý giải bản chất của hiện tượng này trong các
màng mỏng dạng hạt sắt từ nền điện môi nói chung.Cũng nằm trong xu thế chung
đó, nghiên cứu về sự xuyên ngầm phụ thuộc spin trong phạm vi luận văn tôi hướng
tới mục đích chính sau: Nghiên cứu chế tạo các cấu trúc HMTJ giữa kiểu lớp và

kiểu hạt. Khảo sát một số tính chất từ, điện của cấu trúc HMTJ này.
Luận văn được chia làm 3 chương, với những nét chính ở mỗi chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về cấu trúc HMTJ
Giới thiệu những nghiên cứu liên quan trên thế giới và các khái niệm cơ bản.
Các phương pháp chế tạo mẫu dạng lớp, hạt. Và một số vấn đề lý thuyết.
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm
Trình bày các phương pháp thực nghiệm chế tạo, xử lý, đo đạc và phân tích
mẫu được sử dụng trong luận văn.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Ảnh hưởng của tỷ phần Co trong lớp hạt lên tính chất từ của mẫu.
- Tính chất điện của mẫu HMTJ qua phép phân tích đặc trưng phổ tổng trở CIS.

1


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀCẤU TRÚC HMTJ
1.1.

Giới thiệu các cấu trúc MTJ

1.1.1. Màng mỏng cấu trúc đơn lớp 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 tantrong nền cách điện cho
nên các hạt kim loại sắt từ có xu hướng kết tụ lạithành các cụm nhỏ cô lập trong
nền.
Vào năm 1997 M.Ohnuma cùng các cộng sự [1] 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. Họ quan sát cấu trúc màng Co-Al-O này
bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) như thấy trong hình 1.1. Từ ảnh TEM
này cho ta biết thông tin về các thông số hình học của các hạt Co một cách cụ thể
hơn. Với mẫu màng Co71Al29 như thấy trong hình 1.1-a, 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 lên 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 thầnh 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 1.1-b. 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.

2


Luận văn thạc sỹ

Hình 1.1: 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
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 1.1-e của
màng Co38Al15O47 .
Như vậy có 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 như thấy trên
hình 1.1.
Năm 1994, nhóm tác giả H. Fujimori, S. Mitani, S. Ohnuma đã chứng tỏ rằng
hiệu ứng từ điện trở kiểu xuyên ngầm có thể quan sát được trong màng mỏng từ

3


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

dạng hạt Co – Al – O có điện trở suất cao [8]với giá trị GMR đạt được cỡ 8% trong
màng có điện trở suất cỡ 104µΩcm.
Ngay từ đầu những năm 70, 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 [9, 10]. 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.
Từ những năm 1994 đến 1998, nhóm tác giả H. Fujimori, S. Mitani, S.
Ohnuma 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 [8], GMR tăng theo tỷ phần
nguyên tử oxy và đạt cực đại với 8% tại nhiệt độ phòng và nồng độ nguyên tử O
trong khoảng 25 – 30% [11]. Thêm vào đó, sự phụ thuộc nhiệt độ của GMR kiểu
xuyên ngầm cũng đã được khảo sát kỹ trong một 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 [12] 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 [13], 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 loại-điện
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 [14] đã sử dụng công nghệ vi chế tạo
(chùm ion tập trung-FIB) để tạo ra các cấu trúc kiểu “cầu nối cỡ nanô” bao gồm các
điện cực tách biệt nhau qua một rãnh cỡ nanô mét (nanometer-sized gap), bên trong
rãnh này được điền đầy bởi một màng mỏng dạng hạt điện môi Co36Al22O42, và

4


Luận văn thạc sỹ

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 nay 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 [19] 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 khiển tỷ lệ thầnh phần oxy trong màng.
Đối với hệ màng dạng hạt Fe-Al-O đã được Chen Chen và các cộng sự
nghiên cứư chế tạo bằng phương pháp phún xạ RF magnetron lắng đọng trên bề mặt
của đế SiO2 sử dụng bia Fe có 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
1.1.2. Màng mỏng cấu trúc LMTJ.
Trong vài thập kỷ vừa qua, nhiều hiện tượng vật lý mới trong các vật liệu và
các hệ từ tính với kích thước tới hạn đã được phát minh. Trong số các phát minh đó,
việc tìm ra hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance GMR) vào
năm 1988 của các nhà vật lý Pháp và Đức trong các hệ màng đa lớp sắt từ với lớp
kim loại không từ xen giữa thật sự đã mở ra khả năng phát triển các linh kiện điện
tử dựa trên cơ chế vật lý hoàn toàn mới – loại linh kiện điện tử dựa vào một tham số

5


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

lượng tử là spin của điện tử. Chính từ phát minh này và các kết quả nghiên cứu đã
đạt được về hiệu ứng GMR trong những năm qua, cuộc cách mạng công nghiệp lần
thứ tư dựa trên các thành tựu về kỹ thuật điện tử spin đã được dự báo cho những
năm đầu của thế kỷ 21. Với tầm quan trọng của phát minh đó, hai nhà khoa học
người Pháp Albert Fert và nhà khoa học người Đức Peter Grunberg đã giành Giải
Nobel Vật lý 2007.
Năm 1975, Julliere phát hiện và công bố hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm

(Tunneling Magneto Resistance - TMR) khi nghiên cứu hệ vật liệu ba lớp bao gồm
lớp vật liệu oxit vô định hình α - Ge2O cách điện nằm xen giữa hai lớp kim loại sắt
từ Fe và Co: Fe/ α - Ge2O /Co. Julliere đã đưa ra mô hình cho các tiếp xúc xuyên
hầm từ FM/I/FM ở đó dòng điện đường ngầm trong mỗi kênh spin tỉ lệ với tích số
của mật độ trạng thái đường ngầm hiệu dụng ở mức Fermi của hai điện cực kim
loại.
Đối với tiếp xúc xuyên ngầm Fe/ α - 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 =

2 P1 P2
∆G G P − G AP
=
=
GP
GP
1 + P1 P2

(1.1)

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.
Sau phát minh của Julliere, một vài nhóm thực nghiệm khác trên thế giới đã
cố gắng nghiên cứu hiệu ứng xuyên ngầm giữa hai điện cực sắt từ. Thí nghiệm đầu
tiên của Maekawa và Gafvert 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. Một vài nhóm

khác cũng quan sát được hiệu ứng TMR trên các cấu trúc với các lớp vật liệu cách
điện như NiO, CoO,GdxO và Al2O3 nhưng tất cả các thí nghiệm đều cho tỉ số TMR

6


Luận văn thạc sỹ

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. Kể từ đó, ưu thế của các cấu trúc TMR so với GMR trở nên
nổi trội rõ rệt, sự tăng vọt về giá trị TMR đã xảy ra. 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, 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.

1.1.3. Cấu trúc HMTJ
Cũng trong năm 2004, có sự đột phá về
mặt công nghệ khi nhóm tác giả K. Yamane
cùng cộng sự[19] 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-

a)

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 1.1.
Năm 2006, nhóm tác giả O. Chayka[20]
nghiên cứu các tính chất vận chuyển điện và
từ của màng mỏng dạng hạt nanô Co-Al-O chế
tạo bằng phương pháp lắng đọng laser xung.

Voltage (V)
b)
Hình 1.2. a)Đường cong

Các đặc trưng I-V phụ thuộc vào nồng độ Co

I-V và b) TMR phụ thuộc vào

khác nhau đã được quan sát trong màng. Đặc

điện áp tại 4,2K[19])

trưng từ điện trở xuyên ngầm cho thấy một
7


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

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 (xem hình 1.3).
Trong cùng năm, nhóm tác giả J.-G.
Kim [21] 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

Hình 1.3. Dạng bất thường của

từ quan sát hiển vi điện tử quét (TEM)

TMR đo được trong từ trường lên tới 130

cho thấy chỉ có sự thay đổi nhỏ. So sánh

kOe tại 4 và 20K. “Nguồn: nhóm tác giả

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 gợi ý rằng 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.
Thực nghiệm đầu tiên chứng thực cho hiện tượng SD-SET đã được quan sát
thấy bởi nhóm tác giả Ono vào năm 1995 [22]. Họ đã chế tạo chuyển tiếp kép
Ni/NiO/Co/NiO/Co với diện tích tiếp xúc nhỏ (~ 200 nm2) và đo đạc các đặc tính
vận chuyển từ bằng cách thay đổi điện áp cực cổng tại giá trị nhiệt độ thấp, bên
dưới 1K. Trong vùng chắn Coulomb, kết quả đã tìm thấy TMR vượt quá 40% trong
trạng thái tắt, nhưng lại không đạt đến 4% trong trạng thái bật. Sự cải thiện này đã
8


Luận văn thạc sỹ

được giải thích bằng lý thuyết bởi mô hình xuyên ngầm mạnh trong cấu trúc mà
điện trở xuyên ngầm gần với điện trở lượng tử. Mặc dù các tác giả của những
nghiên cứu này đã quan sát thấy sự cải thiện TMR, nhưng nhiệt độ làm việc vẫn cần
phải thấp hơn 100 mK vì kích thước của các đảo là lớn hơn 100 nm. Thêm vào đó,
nhóm tác giả Schelp cũng đã tìm thấy hiệu ứng chắn Coulomb đối với TMR trong
mẫu có các đám hạt Co cỡ nanô mét [19]. Họ chế tạo cấu trúc Co/Al-O/đám-hạtCo/Al-O/Co và đã quan sát được TMR tại 4,2K lớn hơn hai lần so với tại nhiệt độ
phòng. Nguồn gốc của sự cải thiện TMR đã được cho 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, bởi vì điều đó cho thấy
khả năng nghiên cứu SD-SET trong các cấu trúc lớp. Để hiểu được cơ chế của SDSET, như đã đề cập bên trên, cần thiết phải phân chia các tính chất của SD-SET

thành hai loại theo cơ chế vận chuyển; đồng xuyên ngầm và xuyên ngầm liên tiếp.
Mặc dù đã có vài nghiên cứu thông báo về sự cải thiện TMR được gán cho, mục
đích, để giới hạn sự vận chuyển phụ thuộc spin trong khuôn khổ của cơ chế xuyên
ngầm đồng thời, nhưng lại không có thực nghiệm chứng thực nào trong chế độ
xuyên ngầm liên tiếp được thông báo.
Tóm lại, qua phần tóm lược về hoạt động nghiên cứu của các nhóm nghiên
cứu khác nhau trên thế giới và kết quả chính thu được của họ về hệ màng dạng hạt
nền điện môi Co-Al-O. Có thể nhận thấy rằng, trên thế giới vẫn còn rất có nhu cầu
hiểu sâu về bản chất của sự xuyên ngầm phụ thuộc spin (hay GMR kiểu xuyên
ngầm) trong hệ màng mỏng dạng hạt Co-Al-O nói riêng và hệ màng mỏng dạng hạt
sắt từ-điện môi nói chung. Không những vậy, đã có nhiều nghiên cứu chuyên sâu
nhằm ứng dụng các màng dạng hạt Co-Al-O vào trong các cấu trúc lớp có cấu hình
dòng vuông góc với bề mặt (CPP) [19] hoặc cấu hình hạt-trong-khe (GIG) [23].
Nếu xét về sự phát triển của tỷ số MR trong màng dạng hạt thì có thể tóm tắt bằng
kết quả của nhóm tác giả Fujimori [16,22], thu được TMR cỡ khoảng 10% ở nhiệt
độ phòng. Tỷ số này tăng theo sự giảm của nhiệt độ, và vượt quá 20% tại nhiệt độ
thấp [17,22]. Nếu xét về đặc tính vận chuyển điện tích trong màng mỏng dạng hạt
9


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

Co-Al-O phụ thuộc vào của nhiệt độ thì phải sử dụng mối liên hệ lnρ∞T-1/2 đã được
Sheng cùng cộng sự [18,22]dẫn ra đầu tiên. Mối liên hệ này đã được nhiều nhóm
chứng thực và dường như đã trở thành một phần bản chất của hệ màng mỏng hạt
nanô sắt từ trong nền điện môi.
Trong nước hiện nay, có rất ít các công bố nào về nghiên cứu hệ màng mỏng
dạng hạt Co-Al-O, hiện tại chỉ có nhóm spintronics của viện ITIMS - đại học Bách
Khoa Hà Nội đã nghiên cứu về các cấu trúc xuyên ngầm.
Chính vì thế luận văn này sẽ là sự kế thừa tiếp tục nghiên cứu dựa trên hệ

màng mỏng dạng hạt Co-Al-O với thành phần nguyên tử Co trong màng là lớn hơn
từ khoảng 10% đến trên 40% kết hợp với màng mỏng dạng lớp cho ra cấu trúc lai
giữa hai dạng cấu trúc từ này. Ở đây các đặc trưng điện, từ, từ điện trở được khảo
sát theo một số yếu tố công nghệ như công suất phún xạ, thời gian phún xạ
v.v…Cấu trúc mẫu sẽ được nghiên cứu thông qua việc phân tích các đặc trưng điện,
từ, nhằm chế tạo thành công cấu trúc HMTJ và hướng tới nghiên cứu hiện tượng
sâu hơn như vận chuyển đơn spin, và hằng số điện môi siêu cao phụ thuộc từ trường
trong các cấu trúc màng mỏng dạng HMTJ đã được chế tạo.

1.2.

Một số vấn đề lý thuyết

1.2.1. Khảo sát đặc trưng vật liệu bằng phổ tổng trở CIS
Phương pháp phổ trở kháng phức dựa trên kỹ thuật điện xoay chiều (AC) đã
từ lâu được ứng dụng trong nghiên cứu tính chất điện – vật lý của các hệ vật liệu. 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 (ω ) được xác định như là tỷ số của điện áp hình sin
U (ω ) = U 0 .e iωt đặt lên hệ điện và dòng xoay chiều thu được I (ω ) = I 0 .e i (ωt +φ ) .

Z (ω ) = U (ω ) / I (ω ) = U 0 / I 0 .e − iφ

(2.11)

10


Luận văn thạc sỹ

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

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

(2.12)

φ = arctan(Im Z / Re Z )
Re Z = / Z / cos φ ,
Im Z = / Z / sin φ

Nếu tần số góc ω 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 1.4)

| Z | sinθ

-Im(Z)

M

|Z

|

θ
| Z | cos θ

Re(Z)

Hình 1.4. Vecto Fresnel trong mặt phẳng phức

Hình 1.5. Mạch điện a) , đường trở kháng b) và biểu đồ Bode
Các quy tắc đơn giản cho xác định trở kháng tổng của hệ ghép nối:
11


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

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 (ω ) = 1 / Z (ω )

(2.13)

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 ]

(2.14)

Mạch điện ví dụ đơn giản được đưa ra trên hình 2.6a. Bằng cách áp dụng các
quy tắc trên, tổng trở kháng có thể được viết:
Z (ω ) = [ r + R /(1 + (ωt ) 2 )] − i[ Rωt /(1 + (ωt ) 2 )] = Z '−iZ "

(2.15)

Trong đó t = RC là hằng số thời gian của mạch RC song song. Ước lượng ωt
Trong phần thực và phần ảo của Z (ω ) ta có:

[( Z '− r ) − R / 2] 2 + ( Z " ) 2 = ( R / 2) 2

(2.16)

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 ω → ∞ và tại (r + R) khi

ω → 0 (hình 2.6b)
Biên độ cực đại của Z” = Im Z bằng R/2 tại ω 0 t = ω 0 RC = 1
Biết tần số đặc trưng ω 0 tại đỉnh của bán cung cho phép tính toán được điện
dung C:

C = 1 / ω 0 R = 1 / 2πf 0 R

(2.17)

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: Y (ω ) = 1 / Z (ω )

(2.18)

- Hằng số điện môi: ε (ω ) = Y (ω ) / iω = 1 /(i.Z (ω ).ω )

(2.19)

- Modun: M (ω ) = 1 / ε (ω ) = i.Z (ω ).ω

(2.20)

Các đường cong này sẽ được dãn 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 1.5)
12


Luận văn thạc sỹ

- Điện dung C của một tụ điện phẳng có hai điện cực được ngăn cách bởi môi
trường điện môi là ε, và ε0 = 8,85. 10-12 (F/m) là hằng số điện môi chân không.
C=

ε .ε 0 .A
d

(2.21)

A: diện tích bản tụ, d: chiều dày lớp điện môi.
2.1.1.1. Tiếp cận mạch điện
Sự tương tự giữa kết quả đo phổ đáp ứng của các mẫu điện hóa (hình 1.6) và
quá trình điện trong các mạch điện tương đương cho phép mô phỏng các hệ điện
hóa bằng các mạch kết nối RC. Mạch điện cho kết quả trở kháng phức tương đương
như hình 1.6 bao gồm ba điện trở mắc song song nối tiếp với một tụ điện. Tuy
nhiên, cách biểu diễn đơn giản này vướng phải một số khó khăn vì trong thực tế
thường xảy ra độ lệch giữa đường cong thực nghiệm với đường cong lý thuyết.
Điều này không đơn giản là do mạch tương đương gây ra, mà do yếu tố con người
hoặc các yếu tố vật lý bên ngoài. Các yếu tố nhân tạo có thể gây ra là trở kháng
ghép nối giữa mạch đo và của thiết bị, chúng có thể loại bỏ bằng cách ước lượng tất

cả các sai lệch và loại trừ chúng khỏi trở kháng tổng trước khi vẽ đường cong thực.

Hình 1.6. Phổ trở kháng phức của hệ O2, Pt/YSZ/Pt,O2
Với mô hình mạch điện nối tiếp, đường cong trở kháng bị ảnh hưởng lớn hơn
nếu hằng số thời gian của mỗi phần tử mạch RC xấp xỉ nhau. Trong trường hợp này
các vùng tần số ở đó mỗi mạch hồi tiếp sẽ chồng lên nhau, dẫn đến các cung bị
chồng lên nhau và vì thế khó tách chúng và phân tích như là các bán cung riêng
biệt.

13


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

Đặc tính chung khác của biểu đồ trở kháng cần đề cập đến là việc các bán
cung có thể có tâm nằm dưới trục thực, dẫn đến các cung bị nén lại. Điều này cũng
khó biểu diễn trong mạch tương đương trừ khi xem xét đến sự phụ thuộc vào tần số
của các thành phần R và C.
2.1.1.2.

Mô hình tiếp cận

2.1.1.2.1. Mô hình động học
Phương pháp phân tích trở kháng dựa trên mô hình động học được phát triển
bởi Diard và các đồng sự cho động học điện cực trong môi trường lỏng và gần đây
ứng dụng trong phản ứng điện hóa trong các hệ rắn.
Về cơ bản, trước hết xem xét các sơ đồ có thể cho các phản ứng điện cực và
tính toán cho sơ đồ đó trở kháng cảm ứng của quá trình tương ứng. Phương trình có
thể được sử dụng để rút ra các điều kiện mà đặc trưng trở kháng của một vùng cụ
thể xác định bước có thể nhận được. Đồ thị như vậy được gọi là “đồ thị vùng”, đưa

ra một số các vòng trở kháng được xác định tương ứng với các giá trị của các tham
số động học của các mô hình. Đồ thị trở kháng mô phỏng có thể được vẽ trong biểu
diễn ba chiều cho các giá trị đã biết của các tham số (tức là hằng số tốc độ k, hệ số
khuếch tán D, nồng độ…)tương ứng với các thế phân cực V đặt trên điện cực.
Bước cuối cùng bao gồm xác định các đường cong thực nghiệm tương ứng
với giá trị mô phỏng để xác định các tham số động học thực. Ví dụ về biểu đồ vùng
tương ứng với phản ứng oxy hóa của pha hấp thụ với bước khuếch tán sơ bộ:
A0− − − − D / τ − −− > A − ; D – hệ số khuếch tán, τ chiều sâu khuếch tán. Trở kháng

tổng biểu diễn ba quá trình cơ bản bao gồm ba trở kháng đặc trưng nối tiếp là điện
trở chuyển Rt trở kháng nhả Zdes và trở kháng khuếch tán Zdiff.
2.1.1.2.2. Mô hình phân cực điện tích không gian
Sự tiếp cận lý thuyết phân tích các tín hiệu AC nhỏ ứng dụng cho điện hóa
rắn và lỏng được phát triển bởi Macdonald. Lý thuyết này dựa trên hiệu ứng phân
cực điện tích không gian khi có sự dịch chuyển đơn được giả thiết cho mỗi mẫu đo.

14


Luận văn thạc sỹ

Mô hình được khảo sát trên vật liệu khối, các quá trình điện cực, quá trình hấp thụ
và khuếch tán được mô phỏng bởi ba cặp RC song song mắc nối tiếp nhau (hình
1.7a). Đường trở kháng tương ứng được đưa ra trên hình 1.7b. Ba cung tương ứng
trải từ tần số thấp đến tần số cao với hiệu ứng khuếch tán (cung 1), tốc độ phản ứng
điện cực hạn chế (cung 2), và hiệu ứng khối (cung 3). Hiệu ứng khuếch tán chỉ ra
rằng các tham số R1 và C1 không phụ thuộc vào tần số. Trong một số trường hợp
cung giữa có thể bị nén tương ứng với phản ứng điện cực mặc dù không thấy sự
phân bố của thời gian hồi phục

(a)

(b)

Hình 1.7: Mạch tương đương (a) và đường trở kháng (b) rút ra từ lý thuyết
phân cực điện tích không gian
2.1.1.3. Mạch điện tương đương:
Tổng trở phức được biểu diễn trên mặt phẳng phức, trục tung biểu diễn phần
ảo và trục hoảnh biểu diễn phần thực của tổng trở tương ứng với một giá trị tần số
nhất định. Phổ trở kháng phức là tập hợp tất cả các giá trị của tổng trở trên toàn bộ
giải tần số của điện áp xoay chiều đặt lên hệ vật liệu. Phổ trở kháng được bắt đầu tại
giá trị tổng trở tương ứng với tần số cực đại, khi thay đổi tần số đặt vào sẽ nên dạng
các bán cung. Tại điểm có phần ảo lớn nhất là giá trị tổng trở cộng hưởng. Khi đó
tổng trở của hệ vật liệu sẽ bằng hằng số. Khi tới vùng tần số thấp tổng trở của hệ
giảm dần đến khi hết đường cung thì tần số đặt vào là nhỏ nhất.
Đối với hệ vật liệu mà hệ vật liệu có cung như sau thì ta có các sơ đồ mạch
tương đương có thể gán cho hệ vật liệu như sau:

15


Chương I: Tổng quan về cấu trúc HMTJ

a)

b)

Hình 1.8: Hệ có CIS là bán cung tròn, a) Bán cung phổ tổng trở, b) sơ đồ
mạch tương đương
Trong hình 1.8 từ công thức (2.16), và (2.17) ta có các thông số sau:

Rs = 20(Ω ) , R p = 250(Ω ) , Cdl = 40( µ F / cm 2 )

Từ đây ta có thể tính toán được chiều dày lớp điện môi qua công thức (2.21). hoặc
nếu biết chiều dày d lớp điện môi ta tính được hằng số điện môi ε của hệ vật liệu.
Đối với hệ vật liệu có hai cung như sau thì ta có mạch tương có thể gán cho hệ vật
liệu như sau:

a)

b)

Hình 1.9:Hệ có CIS là 2 cung tròn, a) 2 bán cung phổ tổng trở, b) sơ đồ
mạch tương đương
2
Thông số của mạch sau khi tính toán với hệ có A = 10cm và d = 12 µ m được

như sau:
Cc = 4( nF ) , R po = 3400(Ω) , Rs = 20(Ω ) , C dl = 4( µ F ) , Rct = 2500(Ω ) .

16


Luận văn thạc sỹ

Sự phụ thuộc của tổng trở vào tần số như trên các đồ thị thực nghiệm (một
cung đơn, hoặc 2 cung ...) chứng tỏ hệ có cấu trúc đặc trưng của tụ điện theo tần số.
Ngoài ra, giá trị dung kháng trong các sơ đồ mạch tương đương là một đại lượng
phụ thuộc vào hằng số điện môi hay bản chất của vật liệu điện môi. Đại lượng này
sẽ quy định độ lớn của tổng trở tại các giá trị tần số. Như vậy thông qua việc khảo
sát các đại lượng điện C, R trong mạch tương đương ta có thể suy dạng cấu trúc của

hệ vạt liệu và dựa trên sự thay đổi các giá trị đó cho ta biết các yếu tố ảnh hưởng
của công nghệ tới cấu trúc hệ vật liệu.

17