Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ chế tạo của tính chất từ vật liệu bán dẫn từ indium iron antimonide

BỘ

GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Bình An

KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ
CHẾ TẠO CỦA TÍNH CHẤT TỪ CỦA
VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ INDIUM IRON
ANTIMONIDE (In,Fe)Sb

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Bình An
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC
NHIỆT ĐỘ CHẾ TẠO CỦA TÍNH
CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU BÁN
DẪN TỪ INDIUM IRON
ANTIMONIDE (In,Fe)Sb
Ngành Sư phạm Vật lý
Mã số sinh viên: 42.01.102.001

Giảng viên hướng dẫn

Giảng viên phản biện

TS. NGUYỄN THANH TÚ

TS. CAO ANH TUẤN


TP. Hồ Chí Minh, năm 2020


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................................1
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH.............................................................................2
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ..................................................8
1.1. Điện tử học spin (spintronics)..........................................................................................8
1.2. Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors - FMSs)...................................12
1.2.1. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ............................................................................12
1.2.2. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó............................................14
1.2.3. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp sắt..............................................................................17
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÀNG MỎNG (In,Fe)Sb..........................23
2.1. Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE)................23
2.2. Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng......................................25
2.3. Quang phổ lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD).............28
2.4. Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot......................................31
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN...............................................................................32
3.1. Các thông số của mẫu nghiên cứu:...............................................................................32

3.2. Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb............34
3.3. Khảo sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb...........36
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN..........................................................................................................46
4.1 Kết luận..............................................................................................................................46
4.2 Hướng phát triển của đề tài............................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................48

Chữ viết tắt
FMS
MBE
MCD
RHEED


GMR
TMR

1


DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH
Số thứ tự
Thơng số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong đề tài. Các mẫu
Bảng 3.1

0

0

(In1-x,Fex)Sb từ A0 đến A4 với nhiệt độ đế từ 210 C đến 33 270 C,

trong đó mẫu A0 là mẫu InSb đối chiếu.

Số thứ tự

Đ
Hình 1.1

tr

In
Hình 1.2

Hình 1.3

M

củ

(a

ch

C
Hình 1.4

tr

W
Hình 1.5

M

Sự
Hình 1.6

(G

di
Hình 1.7

Hình 1.8

Q

độ

Đ

đó


N
Hình 1.9

vậ

(I

Ả
Hình 1.10

qu

(I

ep

Q
Hình 1.11

độ

tạ

N
Hình 1.12

vậ

(I

Đ
Hình 1.13

tr

hó

ch
Hình 2.1

Hình 2.2

Hình 2.3
Hình 2.4

Sơ

M

M

Ả

To

Sơ

Ả
Hình 2.5

bá

tr


m

Ti

ứn

Ả
Hình 2.6

G

(G
Hình 2.7a
Hình 2.7b

Sơ

dẫ

Ả

(a
Hình 2.8

độ

củ

ho
Hình 3.1

Hình 3.2
Hình 3.3

H

G

(a

m

H

Ph
Hình 3.4

Hình 3.5

độ
đo

(a

đo

(a
Hình 3.6

đo

kh


Đ

Hình 3.7

tr

cá

Đ

cá

Hình 3.8

27

Đ

Hình 3.9

độ

5


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Những năm gần đây vật liệu “bán dẫn từ” (ferromagnetic semiconductor FMS) thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó sở hữu cả hai tính chất quan trọng là tính
bán dẫn và từ tính. Sự kết hợp của hai tính chất này giúp cho các nhà khoa học có thể
tạo ra những thiết bị điện tử mới như spin-transistor, máy tính lượng tử…với nhiều
chức năng hơn, nhanh hơn, và tiêu thụ ít điện năng hơn so với các thiết bị điện tử hiện

nay.

1,2

Để có thể đưa vào sử dụng trong thực tế, nhiệt độ Curie TC (nhiệt độ chuyển

pha giữa thuận từ và sắt từ) của vật liệu bán dẫn từ phải lớn hơn nhiệt độ phòng
(khoảng 300 Kelvin (K)). Tuy nhiên, tất cả các vật liệu bán dẫn từ được phát hiện cho
đến nay đều có nhiệt độ Curie rất thấp. Chẳng hạn, chất bán dẫn từ được nghiên cứu
nhiều nhất hiện nay là Galium Manganese Asenide ((Ga,Mn)As) có nhiệt độ Curie cao
0

3

nhất cũng chỉ 200K (-73 C), điều này gây khó khăn cho việc đưa vào ứng dụng trong
các thiết bị điện tử.
Gần đây, nhóm hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) và trường
đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã chế tạo thành cơng chất bán dẫn từ mới Indium Iron
0

Antimonide (In,Fe)Sb có nhiệt độ Curie cao đến 385K (tức 112 C) bằng phương pháp
epitaxy chùm phân tử.

4, 5

Đây được xem là vật liệu bán dẫn từ có nhiệt độ Curie cao nhất

được báo cáo cho đến nay, vì vậy chúng có rất nhiều tiềm năng để ứng dụng trong lĩnh
vực điện tử. Tuy nhiên việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb như nhiệt
độ chế tạo, bề dày màng mỏng,… vẫn chưa được nghiên cứu và thực hiện. Vì vậy với

mong muốn được tìm hiểu nghiên cứu sâu hơn về vật liệu (In,Fe)Sb và tìm điều kiện để
cải thiện tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb, tôi mong muốn thực hiện đề tài

“Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ chế tạo của tính chất từ của vật liệu bán dẫn
từ Indium Iron Antimonide (In,Fe)Sb”
2. Mục đích nghiên cứu
Khảo sát sự thay đổi tính chất từ của màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb theo
nhiệt độ chế tạo từ đó tìm ra nhiệt độ tốt nhất để chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb.

6


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb.
- Tìm hiểu về phương pháp chế tạo màng mỏng (phương pháp epitaxy chùm phân tử)

và các phương pháp phân tích tính chất của màng mỏng.
- Tiến hành xử lý các số liệu đo đạc thực nghiệm của nhóm nghiên cứu ở trường đại

học Tokyo và phân tích các kết quả từ số liệu thu được.
- So sánh, đánh giá kết quả và đưa ra kết luận về nhiệt độ tối ưu để chế tạo màng.

4. Những đóng góp của đề tài

Thơng qua q trình xử lý và đánh giá số liệu được đo đạc thực nghiệm, đề tài
đã đưa ra được nhiệt độ tối ưu tốt nhất để chế tạo vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb bằng
phương pháp epitaxy chùm phân tử, ngoài ra kết quả nghiên cứu cũng cho biết quy
luật ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng mỏng (In,Fe)Sb, từ đó chọn
được nhiệt độ chế tạo thích hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau.

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ

1.1. Điện tử học spin (spintronics)
Nhờ những phát minh ra các thiết bị điện tử như transitor, mạch tích hợp (ICs)
và laser các nhà khoa học đã tạo nên cuộc cách mạng của công nghệ thông tin và cải
thiện chất lượng của cuộc sống con người. Để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng của
con người, các thiết bị điện tử đã được phát triển liên tục, cứ sau 18 tháng số lượng
transistor trên một đơn vị diện tích cho mỗi bộ vi xử lý được tăng gấp đơi, đó là nội
dung của định luật Moore như thể hiện trên hình 1.1. Điều này dẫn đến sự cải thiện
về tốc độ và năng lực của máy tính cũng như làm giảm chi phí của máy tính. Tuy
nhiên, quy luật này được dự đoán sẽ kết thúc sớm do những hạn chế vật lí của các
thiết bị điện tử sử dụng Silicon (silicon-based) xảy ra ở quy mơ nano.

Hình 1.1 Định luật Moore cho thấy dự đoán tốc độ tăng số lượng transistor
trên một đơn vị diện tích theo thời gian. (Nguồn Intel.com)
Để khắc phục những hạn chế này, rất nhiều phương pháp tiếp cận đã được đề
xuất như thay thế Silic bằng các vật liệu mới hoặc đề xuất các thiết bị có các nguyên
lý làm việc mới. Trong số nhiều phương pháp tiếp cận có một lĩnh vực mới nổi gọi là
"spintronics", đây được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện tử
trong tương lai.
8


Các thiết bị spintronics khơng chỉ sử dụng "điện tích" của electron, mà cịn khai
thác một đặc tính nội tại của các electron được gọi là "spin", như trong hình 1.2. Trong
các thiết bị spintronics, bit "0" và "1" của dữ liệu kỹ thuật số nhị phân có thể được thể
hiện bằng trạng thái spin up (↑) và spin down (↓), thay vì "có" hoặc "khơng có" các

điện tích. Bởi vì spin khơng thay đổi hay mất đi khi ngưng cung cấp năng lượng cho
nên các thiết bị spintronics dự kiến sẽ có nhiều ưu điểm như tiêu thụ điện năng thấp,
6

không cần cung cấp điện xuyên suốt, tốc độ cao,... Ngồi ra, vì spin có thể dễ dàng
điều chỉnh bởi từ trường bên ngồi nên vật liệu spintronics có thể cung cấp các chức
năng mới chưa từng có trong vật liệu Silicon thơng thường.

Hình 1.2 Minh họa lĩnh vực spintronic ứng dụng cả tính chất điện và từ của
electron.
Các thiết bị spintronic thuộc thế hệ đầu tiên hoạt động bằng cách sử dụng hiệu ứng
từ điện trở khổng lồ (Giant magnetoresistance effect - GMR) và hiệu ứng từ điện trở chui
hầm (Tunnel magnetoresistance effect - TMR). Trong các thiết bị hoạt động dựa trên các
hiệu ứng từ điện trở khổng lồ và hiệu ứng từ điện trở chui hầm, điện trở có thể điều chỉnh
bằng cách kiểm sốt từ trường của các lớp kim loại sắt từ. Hình 1.3(a) mô tả hiệu ứng
GMR ở hai bản kim loại sắt từ ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại không có từ tính. Khi
từ trường trong hai bản kim loại từ tính song song nhau điện trở của hệ nhỏ, ngược lại khi
từ trường ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ trở nên rất lớn. Hiện tượng này được phát
hiện vào cuối những năm 1980 bởi nhóm của A. Fert và
I

P. Grunberg (được trao giải Nobel năm 2007) , và được giải thích dựa vào sự tán xạ phụ

9


thuộc spin (spin-dependent scattering) của electron tại mặt tiếp xúc các lớp

7, 8

. Ngoài

ra sự tán xạ phụ thuộc spin của electron cũng xảy ra trong các tiếp xúc từ chui hầm
(magnetic tunnel junction (MTJ)) là các màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ ngăn cách
bởi các lớp điện mơi được mơ tả trong hình 1.3(b), hiện tượng này được khám phá vào
năm 1995 bởi Miyazaki và Mooder và được đặt tên là hiệu ứng từ điện trở chui hầm
10

9,

. Khi từ trường trong hai bản kim loại từ tính song song nhau điện trở của hệ nhỏ,

ngược lại khi từ trường ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ trở nên rất lớn.

Hình 1.3 (a) Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. (b) Hiệu ứng từ điện trở chui hầm.
Những thiết bị spintronic dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ hay hiệu ứng từ
điện trở chui hầm có nhiều ưu điểm như khơng cần duy trì nguồn điện, tiêu thụ điện
năng thấp, tuy nhiên do chúng có thành phần là các kim loại sắt từ nên một số tính chất
như nồng độ hạt mang điện khơng thể thay đổi. Do đó thế hệ các thiệt bị spintronic này
chỉ được sử dụng trong các thiết bị thụ động như MRAM (Magnetoresistive Random
Access Memory - bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên từ điện trở) và cảm biến dựa trên GMR
(hay TMR) cho đầu đọc của đĩa cứng.
MRAM có cấu trúc là một lớp tiếp xúc chui hầm từ tính có hiệu ứng từ điện trở
chui hầm. Trong MRAM, thông tin được lưu trữ bởi độ từ hóa của lớp màng mỏng từ.
10


Các bit thơng tin được đảo khi độ từ hóa của lớp màng mỏng được đảo chiều. Thông tin
được đọc thông qua sự thay đổi điện trở của lớp tiếp xúc từ. Khi độ từ hóa của các lớp
màng mỏng từ ở trạng thái đối song song, điện trở của tiếp xúc từ lớn, tương ứng với bit

(1), còn khi hệ ở trạng thái song song thì điện trở giảm mạnh, và tương ứng với bit (0).
Trong những thế hệ ban đầu của MRAM, người ta sử dụng cấu trúc màng mỏng từ đa lớp
với hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, nhưng cấu trúc kiểu này gây khó khăn cho sự phát triển
do các lớp đều là kim loại, điện trở của linh kiện trở nên rất nhỏ và tạo ra tín hiệu yếu. Sau
sự phát triển của hiệu ứng từ điện trở chui hầm (đặc biệt là hiệu ứng trong các lớp tiếp xúc
sử dụng MgO với tỉ số từ điện trở tới hàng trăm phần trăm ở nhiệt độ phòng), các tiếp xúc
từ chui hầm với điện trở lớn (và sự thay đổi điện trở rất lớn) đã thay thế cấu trúc GMR
truyền thống và tạo sự phát triển nhanh chóng của MRAM.
Ở thế hệ MRAM đầu tiên, trạng thái của các lớp từ tính được đảo bằng cách sử

dụng một từ trường ngoài. Cấu trúc kiểu này yêu cầu có một bộ phận tạo từ trường và
do đó tạo ra kích thước ơ nhớ rất lớn, tiêu tốn khá nhiều năng lượng cho bộ phận đảo
từ. Thế hệ mới nhất của MRAM là Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) được
đảo từ bằng dòng phân cực spin (spin polarized current). Hoạt động của STT-MRAM
dựa trên hiệu ứng truyền momen spin (spin transfer torque) là hiệu ứng truyền moment
động lượng spin của điện tử cho một momen từ và kết quả là moment từ bị quay đi
theo chiều của moment động lượng spin đó. Khi dịng phân cực spin chạy qua lớp từ
tính thì moment từ của lớp này bị quay theo chiều của dòng phân cực spin. Cơ cấu
kiểu này cho phép loại bỏ hoàn toàn các bộ phận phụ, giảm kích thước ơ nhớ đồng thời
tăng tốc độ và giảm lỗi địa chỉ.

II

11


Hình 1.4 Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM. (a) MRAM đảo bằng từ trường
(b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin. (Nguồn: Wikipedia.com)

Thế hệ tiếp theo của các thiết bị spintronic cần có thêm những chức năng hấp

dẫn hơn, vì vậy spin của electron cần được khai thác vào ứng dụng vào chất bán dẫn.
Do đó chất bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors) đã được nghiên cứu rộng rãi
trong hai thập kỷ qua.

1.2. Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors - FMSs)
1.2.1. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ.
Chất bán dẫn từ là loại vật liệu bán dẫn được pha trộn một tỉ lệ kim loại chuyển tiếp
nhất định (các nguyên tố có mang điện tử trong quỹ đạo lớp d như sắt (Fe), mangan (Mn),
coban (Co), crom (Cr)…) giúp bán dẫn đó thể hiện cả tính chất từ và tính chất của bán
dẫn. Cho đến nay, vật liệu bán dẫn là nguyên liệu cho hầu hết các thiết bị của nền công
nghiệp điện tử như diode, LED, và đặc biệt là transitor, linh kiện cơ bản cấu thành nên bộ
xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU) của máy tính. Trong khi đó, vật liệu sắt
từ với khả năng duy trì trạng thái từ hóa một cách bền vững và không tiêu tốn năng lượng
là nguyên liệu chính trong các thiết bị lưu trữ thơng tin như ổ cứng ngồi. Vì mang các
tính chất hồn tồn khác nhau, các vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ cũng như các thiết bị
điện tử sử dụng chúng tồn tại một cách riêng biệt và giữ vai trị khác nhau trong máy tính:
Bộ phận xử lý thơng tin và bộ phận lưu trữ thông tin. Việc kết hợp các đặc tính của vật
liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ trên cùng một thiết bị là vấn đề mới được đặt ra trong vòng
ba thập kỷ gần đây, khi nhu cầu cắt giảm năng lượng hao phí và
12


tăng tốc độ hoạt động của hệ thống thông tin trở nên cấp thiết. Nếu các thiết bị điện tử
như transistor có khả năng “nhớ” được trạng thái của mình mà không cần cung cấp
năng lượng một cách liên tục, biên giới và độ trễ giữa việc lưu trữ thông tin và xử lý
thông tin sẽ được cải thiện đáng kể, dẫn đến một thế hệ máy tính mới hoạt động đặc
biệt nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Chất bán dẫn từ chính là chìa khóa để mở
ra cánh cửa tương lai đó.
Trong vật liệu bán dẫn từ một số nguyên tử trong tinh thể bán dẫn được thay thế
bằng các nguyên tử kim loại chuyển tiếp có từ tính như Mn, Cr, Fe,.. Ngun tử có từ tính

cung cấp các moment từ do đó làm tăng trật tự sắt từ trong khi vẫn duy trì tính chất của
bán dẫn. Kết quả là bán dẫn từ thể hiện cả tính chất của bán dẫn và của kim loại sắt từ, có
thể sử dụng cho các thiết bị điện tử khơng cần duy trì nguồn điện và tiêu thụ điện năng
thấp. Hình 1.5 minh họa sự tạo thành các vật liệu bán dẫn từ.

11

Ban đầu khi chưa pha tạp

các kim loại thì bán dẫn khơng có từ tính. Sau khi một số nguyên tử trong tinh thể bán dẫn
được thay thế bởi các ngun tử có từ tính thì các moment từ của các nguyên tử này có thể
sắp xếp ngẫu nhiên nên vật liệu có tính thuận từ, nhưng khi có sự hỗ trợ của các hạt tải
điện như electron hay lỗ trống thông qua tương tác trao đổi (exchange interaction) thì các
moment từ này sắp xếp có trật từ và hình thành nên trạng thái sắt từ.

Hình 1.5 Minh họa sự tạo thành vật liệu bán dẫn từ.

11

Trong số các loại bán dẫn từ thì bán dẫn từ nhóm II-VI pha tạp Mn như
(Cd,Mn)Te và (Zn,Mn)Te đã được nghiên cứu từ đầu những năm 1980.

12

Trong các

vật liệu loại II-VI đó, nguyên tử Mn có hóa trị II, do đó có thể pha tạp Mn với nồng độ
cao vào bán dẫn gốc. Tuy nhiên rất khó để kiểm sốt các tính chất truyền dẫn của các
bán dẫn từ loại II-VI do đó việc ứng dụng bán dẫn từ loại II-VI vào các thiết bị
spintronic vẫn là một thách thức.

13


Năm 1989, loại bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn đầu tiên được phát triển thành
công trên bán dẫn GaAs bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE – Molecular1

beam epitaxy) bởi Munekata và các cộng sự. Do độ hòa tan thấp của Mn trong bán dẫn

loại III-V nên cần hạ thấp nhiệt độ đế ( ≤ 3000 C ) để ngăn sự hình thành cụm nano kim
loại (nanocluster) hoặc các pha hợp chất khác (second phases) trong bán dẫn. Kỹ thuật
này được gọi là epitaxy chùm phân tử nhiệt độ thấp. Sau đó, nhóm nghiên cứu của
2

Ohno và Hayashi

13

đã hoạt động độc lập cùng phát triển một bán dẫn từ loại III-V pha

tạp Mn khác là (Ga,Mn)As. Trong suốt hai thập kỉ qua, vật liệu (Ga,Mn)As là vật liệu
bán dẫn từ được quan tâm nhất vì nó có tính chất đặc biệt là từ tính gây ra bởi hạt
mang điện lỗ trống (hole-induced ferromagnetism), nghĩa là độ từ hóa có của vật liệu
này có thể được điều khiển được bằng cách thay đổi nồng độ lỗ trống thông qua việc
dùng điện trường (electrical control ferromagnetism) hay chiếu xạ ánh sáng (light
irradiation). Ngoài ra, bán dẫn III-V như GaAs, InAs, GaSb… đã được sử dụng rộng
rãi trong nền công nghiệp điện tử, vì vậy việc tạo sử dụng vật liệu bán dẫn từ nhóm IIIV có nhiều lợi thế về mặt kĩ thuật khi các dây chuyền, công nghệ sản xuất đã có sẵn.

1.2.2. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó
Trong hai thập kỷ qua, hầu hết các nghiên cứu về bán dẫn từ được tập trung vào
bán dẫn loại III-V pha tạp Mn, chẳng hạn (In,Mn)As và (Ga,Mn)As, đây là những bán dẫn

loại P. Nổi bật nhất là vật liệu bán dẫn từ (Ga,Mn)As được chế tạo đầu tiên bởi Hideo
Ohno và cộng sự vào năm 1996. Hình 1.6 cho thấy đường biểu diễn độ từ hóa phụ thuộc
cường độ từ trường H (đường cong từ hóa) và nhiệt độ Curie của màng mỏng (Ga,Mn)As
2

đầu tiên được chế tạo với nồng độ pha tạp 3.5%Mn. Đường cong từ hóa này cho thấy
(Ga,Mn)As có từ tính rất mạnh và độ từ dư lớn thuận tiện trong việc chế tạo các linh kiện
thực tế do đó vật liệu này nhanh chóng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa
học trên thế giới. Hình nhỏ bên trong cho thể hiện độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này.
Khi nhiệt độ tăng dần đến 60K thì độ từ dư hồn tồn biến mất cho thấy nhiệt độ Curie
của mẫu (Ga,Mn)As đầu tiên này khoảng 60K. Hình 1.7 là quang phổ lưỡng sắc tròn
(magnetic circular dishroism – MCD) của một số màng mỏng (Ga,Mn)As với các nồng độ
pha tạp 0.5% và 7.4%Mn được nghiên cứu ở cơng trình sau đó.
này vẫn thể hiện các đỉnh phổ tương ứng giống với phổ
14

14

Phổ MCD của các mẫu


MCD của mẫu đối chiếu GaAs không pha tạp. Điều này cho thấy (Ga,Mn)As vẫn giữ
được cấu trúc tinh thể và cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn gốc GaAs.

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của độ từ hóa M theo từ trường của màng mỏng (Ga,Mn)As có
nồng độ 3.5%Mn ở 5K. Hình bên trong biễu diễn độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này.

Hình 1.7 Quang phổ MCD của các màng mỏng (Ga,Mn)As với nồng độ pha
tạp 0.5% và 7.4%Mn.
15

Bên cạnh việc thể hiện có từ tính mạnh thì điều đặc biệt nhất thu hút rất nhiều các
nhà nghiên cứu ở các chất bán dẫn từ pha tạp Mn như (In,Mn)As và (Ga,Mn)As là nhiệt
độ Curie TC của chúng khơng chỉ phụ thuộc vào việc chế tạo mà cịn phụ thuộc vào nồng
độ pha tạp Mn x và nồng độ lỗ trống p. Vì vậy nhiều tính chất của vật liệu sắt từ như nhiệt
độ chuyển pha TC hay độ từ hóa có thể được kiểm sốt bằng cách thay đổi nồng độ pha tạp
của Mn hay nồng độ lỗ trống bằng cách dùng cổng điện tử hay chiếu xạ ánh sáng. Hình
1.8(a) mơ tả kết quả thí nghiệm được thực hiện bởi Hideo Ohno và cộng sự,

15

trong thí

nghiệm đó từ tính của (In,Mn)As có thể thay đổi bằng dịng điện. Trong hình 1.8(b) độ từ
hóa M của (In,Mn)As tỉ lệ thuận với điện trở Hall RHall, có thể điều chỉnh bằng cách sử
dụng một cổng điện áp. Với cổng điện áp âm, độ từ hóa được tăng lên nhờ sự gia tăng mật
độ lỗ trống. Ngược lại, độ từ hóa giảm đi với cổng điện áp dương. Đó là một khả năng độc
đáo của bán dẫn từ mà các loại vật liệu sắt từ kim loại thông thường được sử dụng phổ
biến hiện nay như FeSi, NiFe, FePt… khơng có được.

Hình 1.8 Điều khiển tính chất từ bằng dòng điện trên (In,Mn)As.
điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M.

18

Trong đó RHall là

Mặc dù có rất nhiều ưu điểm, tuy nhiên bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn vẫn
còn một số hạn chế chưa khắc phục được có thể tóm tắt như sau:

(1) Để chế tạo các thiết bị điện tử bán dẫn như diode, transistor… thì việc hội tụ đủ

cả hai loại bán dẫn N và P là điều kiện hết sức cần thiết. Tuy nhiên thì tất cả các chất bán
dẫn từ pha tạp Mn hiện nay đều là bán dẫn từ loại P với hạt dẫn điện chính là lỗ trống.
Nguyên nhân chính là do khi pha tạp vào các chất bán dẫn hệ III-V thì nguyên tử Mn cung
cấp đồng thời cả moment spin và lỗ trống, vì vậy vật liệu bán dẫn từ được chế
16


tạo dựa vào việc pha tạp Mn ln chỉ có thể trở thành bán dẫn loại P. Điều này là một
thách thức khó khăn trong việc đưa các vật liệu bán dẫn từ này vào ứng dụng thực tế.
(2) Ngoài ra, nhiệt độ Curie TC (nhiệt độ mà tại đó vật liệu khơng cịn giữ được

đặc tính sắt từ) của các bán dẫn từ pha tạp Mn phổ biến hiện nay đều thấp hơn nhiệt độ
phịng như trên hình 1.9. Cụ thể là nhiệt độ Curie cao nhất của các vật liệu từ nhóm
III-V pha Mn như (Ga,Mn)As, (In,Mn)As,

16

(Ga,Mn)Sb

17

và (In,Mn)Sb

18

lần lượt là

3

200K (tức -73 độ C). , 110K, 30K, và 10K, tất cả nhiệt độ Curie của các vật liệu này
đều thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ phòng 300K. Điều đó đồng nghĩa với việc các
linh kiện làm từ các vật liệu này không thể hoạt động trong điều kiện bình thường ở
nhiệt độ phịng.

III

Chính vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra cả hai loại bán dẫn từ loại P

và loại N có nhiệt độ Curie ở nhiệt độ phòng để ứng dụng vào thực tế là hết sức cần
thiết và cấp bách.

Hình 1.9 Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số vật liệu
3

bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm (Ga,Mn)As, (In,Mn)As,

16

(Ga,Mn)Sb,

17

18

(In,Mn)Sb .

1.2.3. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp sắt
Để vượt qua những trở ngại của vật liệu bán dẫn từ, gần đây nhóm nghiên cứu của

trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) kết hợp cùng nhóm nghiên cứu của trường Đại học
17


Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã và đang nghiên cứu một lớp các chất bán dẫn từ
mới đó là bán dẫn từ pha tạp sắt (Fe). Nhằm tránh những hạn chế của các bán dẫn từ
pha tạp Mn, nhóm đã đưa ra một ý tưởng hồn tồn mới. Đó là thay vì dùng các chất
bán dẫn có bề rộng vùng cấm lớn như GaN hay GaAs thì nhóm đã sử dụng các bán dẫn
có bề rộng vùng cấm hẹp như InAs, GaSb và InSb làm bán dẫn gốc. Đồng thời nhóm
thay kim loại pha tạp Mn bằng một kim loại mới đó là sắt (Fe).
2+

Khác với Mn khi pha tạp vào bán dẫn nhóm III-V thường có hóa trị II (Mn ) do
đó khi thay thế vào vị trí ngun tố nhóm III sẽ tạo nên lỗ trống dẫn đến luôn tạo nên
bán dẫn loại P. Ưu điểm của bán dẫn từ pha tạp sắt là khi pha tạp Fe vào các chất bán
dẫn nhóm III-V như InAs, GaSb hay InSb thì các ngun tử Fe có xu hướng biểu hiện
3+

hóa trị III (Fe ) nên các nguyên tử Fe chỉ đóng vai trị tạo ra moment từ chứ không
cung cấp các hạt tải điện. Nồng độ hạt tải điện trong các chất này được tạo ra bằng
cách đồng pha tạp (co-doping) các nguyên tố khác như Beryllium (Be) trong trường
hợp của (In,Fe)As hoặc do các sai hỏng mạng nội tại (native defects) xảy ra do sự pha
tạp Fe như trong trường hợp của (Ga,Fe)Sb hoặc (In,Fe)Sb. Chính vì vậy có thể tạo ra
bán dẫn từ loại N hoặc loại P một cách linh hoạt tùy vào cách pha tạp. Thực tế là cả hai
loại bán dẫn từ loại P và N đều đã được nhóm phát triển thành công bằng phương pháp
epitaxy chùm phân tử. Bán dẫn từ (Ga,Fe)Sb thể hiện loại P,
từ (In,Fe)As

21

19, 20

còn các chất bán dẫn

4

và (In,Fe)Sb thì thể hiện loại N. Hình 1.10 cho thấy ảnh chụp cấu trúc

tinh thể của các mẫu bán dẫn từ pha tạp sắt như (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb
bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (Scanning Tranmission Electron Microscopy STEM). Các ảnh STEM cho thấy các mẫu bán dẫn từ được chế tạo thành công bằng
phương pháp epitaxy chùm phân tử, trong đó cấu trúc tinh thể rất rõ và đồng đều cho
thấy các nguyên tử Fe thay thế rất tốt vào trong tinh thể bán dẫn mà khơng tạo ra bất kì
các cụm kim loại sắt nào.

18


Hình 1.10 Ảnh chụp cấu trúc tinh thể bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM)
của các mẫu bán dẫn từ pha tạp sắt như (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb chế tạo
bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử.

4,20,21

Ngoài ra, một ưu điểm khác khi sử dụng nguyên tố Fe đó là khi pha tạp Fe vào
3+

bán dẫn nhóm III-V thì do các nguyên tử Fe có hóa trị III (Fe ) nên dễ thay thế vào vị
trí các nguyên tử nhóm III (Ga hoặc In) trong mạng tinh thể, vì vậy một lượng lớn Fe
(nồng độ lớn hơn 10%) có thể pha tạp vào trong chất bán dẫn nền. Hình 1.11 (a) và (b)
cho thấy phổ MCD của các mẫu bán dẫn từ (Ga,Fe)Sb loại P với nồng độ pha tạp 3.9 25%Fe

20

4

và (In,Fe)Sb loại N với nồng độ pha tạp 5 - 16%Fe trong đó phổ MCD của

các mẫu (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb vẫn có dạng phổ tương tự như phổ MCD của các chất
bán dẫn nền GaSb và InSb. Điều này cho thấy (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb vẫn giữ được
cấu trúc vùng năng lượng của các chất bán dẫn nền và một lượng lớn Fe có thể pha tạp
thành cơng vào các chất bán dẫn GaSb và InSb.

19


b)

(mdeg
)

a)

Hình 1.11 Quang phổ MCD của (a) các màng mỏng (Ga,Fe)Sb với nồng độ
pha tạp Fe từ 3.9 - 25% và (b) (In,Fe)Sb với nồng độ pha tạp Fe từ 5 - 16%.
Việc có thể pha tạp nồng độ Fe với nồng độ lớn mang lại lợi thế rất lớn cho vật
liệu bán dẫn từ pha tạp Fe, đó là có thể tạo nên các chất bán dẫn từ có nhiệt độ TC cao
do nhiệt độ TC tỉ lệ thuận với nồng độ pha tạp Fe. Thực tế cho thấy nhiệt độ Curie của
(Ga1-x,Fex)Sb với nồng độ pha tạp Fe 25% (
(In1-x,Fex)Sb với với nồng độ pha tạp Fe 16% có TC lên đến 335K, đây là những giá trị
TC lớn nhất của bán dẫn từ nhóm III-V được báo cáo cho đến nay.

Hình 1.12 cho thấy nhiệt độ Curie cao nhất được cho tới nay của một số vật liệu
bán dẫn từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As,

22

(In,Fe)As,

21

(Ga,Fe)Sb,

20

và

4

(In,Fe)Sb . Trong đó hai loại vật liệu bán dẫn từ (Ga,Fe)Sb loại P và (In,Fe)Sb loại N cho
thấy nhiều tiềm năng có thể ứng dụng trong các linh kiện spintronics thực tế do có nhiệt
độ Curie cao trên nhiệt độ phòng. Đặc biệt là vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb có nhiệt độ
Curie cao (335K) chỉ với nồng độ pha tạp 16%Fe, do đó nhiệt độ Curie này có thể tiếp tục
tăng cao hơn nữa khi tiếp tục tăng thêm nồng độ pha tạp Fe lên 20 hay 25%. Ngoài ra độ
từ hóa của của vật liệu này cịn có thể điều khiển bằng từ trường giống như các loại bán
dẫn từ tiêu biểu (Ga,Mn)As hay (In,Mn)As. Trên hình 1.13 cho thấy độ từ hóa M của
(In,Fe)Sb tỉ lệ thuận với điện trở Hall RHall cũng có thể điều chỉnh bằng cách sử dụng một
cổng điện áp.

23

Với điện áp dương, độ từ hóa được tăng lên nhờ sự gia tăng mật độ

electron. Ngược lại, độ từ hóa giảm đi với cổng điện áp âm. Điều này cho thấy
20


(In,Fe)Sb cũng có khả năng độc đáo của các chất bán dẫn từ tiêu biểu như (Ga,Mn)As
hay (In,Mn)As. Vì vậy vật liệu (In,Fe)Sb cho thấy rất nhiều triển vọng và hứa hẹn có
thể ứng dụng vào thực tế nếu được tiếp tục được nghiên cứu và phát triển.
Chính vì vậy việc tiếp tục nghiên cứu và nâng cao nhiệt độ Curie của (In,Fe)Sb là
hết sức cần thiết và cấp bách. Tuy nhiên vấn đề được đặt ra hiện nay là để có thể tăng
nhiệt độ Curie của (In,Fe)Sb bằng cách tăng thêm nồng độ pha tạp Fe đòi hỏi các điều
kiện chế tạo màng mỏng như nhiệt độ chế tạo, độ dày màng phải được tối ưu hóa đến mức
tốt nhất có thể, nhằm đảm bảo các mẫu (In,Fe)Sb tạo ra có thể giữ được cấu trúc tinh thể,
cấu trúc vùng năng lượng cũng như tính chất bán dẫn của bán dẫn nền ban đầu. Tuy nhiên
thì việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb này cho đến nay vẫn chưa được
nghiên cứu và thực hiện. Chính vì vậy với mong muốn được tìm hiểu nghiên cứu sâu hơn
về vật liệu (In,Fe)Sb và tìm điều kiện để cải thiện tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb,
tác giả mong muốn thực hiện đề tài “Khảo sát sự phụ thuộc vào

nhiệt độ chế tạo của tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ Indium Iron Antimonide
(In,Fe)Sb”.

Hình 1.12 Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số vật liệu bán dẫn
từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga,Fe)As,

22

(In,Fe)As,
21

21

(Ga,Fe)Sb,

20

4

và (In,Fe)Sb .