Khảo Sát Sự Phụ Thuộc Nhiệt Độ Trong Vật Liệu Bán Dẫn Từ (In,Fe)Sb

Khóa luận khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ chế tạo của tính chất từ vật liệu bán dẫn indium iron antimonide, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng.

• Tác giả: Nguyễn Bình An
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tú
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý
• Đề tài: Khảo Sát Sự Phụ Thuộc Nhiệt Độ Trong Vật Liệu Bán Dẫn Từ (In,Fe)Sb
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN TỪ
• 1.1. Điện tử học spin (spintronics)
• 1.2. Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors - FMSs)
• 1.3. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ
• 1.4. Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÀNG MỎNG (In,Fe)Sb
• 2.1. Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE)
• 2.2. Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng
• 2.3. Quang phổ lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD)
• 2.4. Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot
• 2.5. Kết quả và bàn luận
• 2.5.1. Các thông số của mẫu nghiên cứu
• 2.5.2. Khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb
• 2.5.3. Khảo sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb
• 2.6. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Khảo Sát Sự Phụ Thuộc Nhiệt Độ Trong In Fe Sb

Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ trong vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Vật liệu này không chỉ có tính chất bán dẫn mà còn có tính chất từ tính, mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ điện tử hiện đại. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu cách mà nhiệt độ chế tạo ảnh hưởng đến các tính chất điện từ của vật liệu, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1. Giới Thiệu Về Vật Liệu Bán Dẫn Từ In Fe Sb

Vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb được phát triển với nhiệt độ Curie cao, lên đến 385K. Điều này giúp mở rộng khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực spintronics.

1.2. Tính Chất Điện Từ Của In Fe Sb

Tính chất điện từ của (In,Fe)Sb được xác định bởi sự tương tác giữa các electron và các nguyên tử từ tính. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất này theo nhiệt độ chế tạo.

II. Vấn Đề Nghiên Cứu Về Nhiệt Độ Chế Tạo Vật Liệu Bán Dẫn Từ

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn từ là xác định nhiệt độ chế tạo tối ưu. Nhiệt độ này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể và tính chất điện từ của vật liệu. Việc tìm ra nhiệt độ tối ưu sẽ giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử.

2.1. Thách Thức Trong Việc Tối Ưu Hóa Nhiệt Độ

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ chế tạo quá cao có thể dẫn đến sự hình thành các pha không mong muốn trong vật liệu, làm giảm tính chất từ tính của (In,Fe)Sb.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Đến Tính Chất Vật Liệu

Nhiệt độ chế tạo không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc mà còn đến độ từ hóa và tính dẫn điện của vật liệu. Việc khảo sát này sẽ giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa nhiệt độ và các tính chất này.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Của In Fe Sb

Để khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ, nhiều phương pháp phân tích hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp này giúp xác định các thông số quan trọng như nhiệt độ Curie và độ từ hóa của vật liệu.

3.1. Phương Pháp Epitaxy Chùm Phân Tử

Phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE) được sử dụng để chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb với độ chính xác cao. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện chế tạo.

3.2. Phân Tích Tính Chất Điện Từ

Các phương pháp như quang phô lưỡng sắc tròn (MCD) và Arrott plot được sử dụng để phân tích tính chất điện từ của màng mỏng (In,Fe)Sb, từ đó xác định nhiệt độ Curie.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Tính Chất Của In Fe Sb

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ chế tạo có ảnh hưởng lớn đến tính chất từ của vật liệu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có một nhiệt độ tối ưu cho việc chế tạo màng mỏng (In,Fe)Sb, từ đó cải thiện tính chất điện từ của vật liệu.

4.1. Nhiệt Độ Tối Ưu Để Chế Tạo In Fe Sb

Nghiên cứu đã xác định rằng nhiệt độ chế tạo khoảng 250°C là tối ưu cho việc đạt được tính chất từ tốt nhất của (In,Fe)Sb.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của In Fe Sb

Với tính chất từ cao, (In,Fe)Sb có thể được ứng dụng trong các thiết bị spintronics, mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ điện tử.

V. Kết Luận Về Khảo Sát Sự Phụ Thuộc Nhiệt Độ Trong In Fe Sb

Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ trong vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa nhiệt độ chế tạo là rất quan trọng. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện tính chất của vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ điện tử.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Vật Liệu Bán Dẫn Từ

Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn từ sẽ tiếp tục phát triển, với hy vọng tìm ra các vật liệu mới có nhiệt độ Curie cao hơn và tính chất điện từ tốt hơn.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của (In,Fe)Sb, từ đó phát triển các phương pháp chế tạo hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE VAT LIỆU BAN DAN TỪ.1, Điện tir hoe spin (spimtrOnies). Vật liệu bán dẫn tir (ferromagnetic semiconductors - FMSs). Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ.

Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó. Vậtliện bản dẫn tù phá LẬP GHG siscsssssssssssssssssssssssienssasscasscssaiscnsonssanssrnssansarnsaananens 17 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHAP PHAN TÍCH MÀNG MONG (In,Fe)§b. Phương pháp Epitaxy chùm phan tử (molecular beam epitaxy - MBE).

Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng. Quang phô lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD). Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot. KET QUA VA BAN LUẬN.

Các thông số của mẫn nghiêa céu:. Khao sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb. Khao sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb. 36 0i:1177/(£7 0i 4 40 0/9 ` ốc acc 46 ee 46 4.2 Hướng phát triển cũa để tài.

46 TÀI LIỆU THAM KHẢO. anggg Hong 48 DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT (Theo thứ tự bảng chữ cái) Chữ viết tắt | Nội dung FMS | Ferromagnetic semiconductor — Bán dan từ MBE Molecular-beam epitaxy: Epitaxy cham phan tu MCD Magnetic circular dichroism - Lưỡng sắc tròn tử tinh Reflection high-energy electron diffraction - Nhiều xa electron phản xa nang luong cao Giant magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở không 16 DANH MỤC BANG BIEU VÀ HINH ANH “Thông số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong dé tài.,Fe,)Sb từ AO đến A4 với nhiệt độ dé từ 210°C đến 33 270C, trong đó mau AO là mẫu InSb đối chiếu. Tên hình Dinh luật Moore cho thấy dự đoán tốc độ tăng số lượng transistor trên một đơn vị điện tích theo thời gian.com) Minh họa lĩnh vực spintronic ứng dụng ca tính chất điện và từ cua electron. (a) Hiệu ứng từ điện trở không lồ.

(b) Hiệu ứng từ điện trở chui ham. Cách ghi dit liệu của các loại MRAM. (a) MRAM dao bằng từ trường (b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin.com) Minh hoa sự tạo thành vật liệu bán dẫn từ. Sự phụ thuộc của độ từ hóa M theo từ trường của màng mong (Ga,Mn)As có nông độ 3.

Hình bên trong biểu điển độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này.7 Điều khién tính chat từ bằng dòng điện trên (In. Trong đó Rusu là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa Ai. Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số vật liệu bán dan từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm (Ga,Mn)As, (In,.Mn)As, (Ga. Ảnh chụp cau trúc tinh thẻ bằng kính hiện vi điện tử truyền qua (STEM) của các mẫu bán dẫn từ pha tap sắt như (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb chế tạo bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử.

Quang phô 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 nông độ pha tạp Fe từ Š - 16%. Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số Hình 1.12 vật liệu bán dẫn từ nhóm HI-V pha tạp Fe gồm (Ga.Fe)As, (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb, và (In,Fe)Sb. Điều khiến tính chat từ của màng mỏng (In,Fe)Sb bằng điện trường. Trong đó Rian là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ Hình 1.

Khi đặt vào công điện áp dương (+5V) Rian tăng lên Hình 2.1 Sơ đỏ minh họa hệ thông epitaxy chùm phân từ. Mô tả sự tăng trưởng của chùm phân tử trong phương pháp MBE. Ảnh chụp buông tăng trưởng EpiQuest HI-V MBE tại đại học Tokyo. Sơ đồ bó trí thiết bị dé thu phô RHEED.

Ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng mỏng Hình 2.5 bán dẫn TiO: trên dé LaAlO› bang phương pháp MBE. Bên 26 trái là ảnh RHEED, còn bên phải là anh minh họa hình thái bè Ảnh RHEED chụp theo phương [110] của các màng móng (a) GaAs chế tạo ở nhiệt độ 250°C, (b) (Ga,Mn)As ở 250°C, (c) (Ga,Mn)As 170°C, và (d) (Ga,Mn)As 320°C, Sơ đồ minh họa cách bố trí thu phô MCD của màng mong bán dẫn từ. Ảnh chụp máy do phô MCD ở trường đại học Tokyo. (a) Quang phô MCD của (In,Fe)As cho thấy có sự tăng cường độ mạnh mẽ tại các peak quan trọng của InAs.

Hình vẽ cấu trúc của các mẫu bán dẫn từ (In.Fe)Sb trên dé GaAs. (a) —(d) Hình ảnh RHEED của các lớp đệm AISb của các mau theo thứ tự tương ứng AI — A4.3 Hình ảnh RHEED của lớp (In,Fe)Sb của các mẫu theo thứ tự. Phố MCD cúa các mẫu (In,Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau (210°C, 230°C, 250°C, 270°C). Phô MCD được đo ở nhiệt độ SK khi đặt trong từ trường TT.5 đo ở 5K dưới các từ trường khác nhau 0.

(a) - (đ) Phô MCD tương ứng của các mẫu (In.Fe)Sb (AI-A4) đo ở SK dưới các từ trường khác nhau 0.Š5T và FT sau khi đã được chuẩn hóa. trường của các mẫu Al, A2, A3, A4, theo thứ tự được đo ở các nhiệt độ khác nhau từ 5K đến 300K. Đồ thị Arrott plot của 4 mẫu (In,Fe)Sb từ Al — A4 chế tạo ở Hình 3.8 ' các nhiệt độ khác nhau lần lượt 210°C, 230°C, 250°C, va 270C. Đồ thị biểu dién mỗi liên hệ giữa nhiệt độ Curie 7c theo nhiệt Hình 3.

45 độ chê tao mau Tyi. L¥ do chon dé tai Những năm gan đây vật liệu “bán dẫn tir” (ferromagnetic semiconductor - FMS) thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó sở hữu cả hai tính chat quan trọng là tinh bán dẫn và từ tính. Sự kết hợp của hai tính chất này giúp cho các nhà khoa học có thê 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.!? Đề có thể đưa vào sử dụng trong thực tế, nhiệt độ Curie 7c (nhiệt độ chuyên 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, tat ca các vật liệu bán dẫn từ được phát hiện cho đến nay đều có nhiệt độ Curie rất thấp. Chang hạn, chất bán dẫn từ được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay là Galium Manganese Asenide ((Ga,Mn)As) có nhiệt độ Curie cao nhất cũng chi 200K (-73°C),* điều nay gây khó khăn cho việc đưa vào ứng dung trong các thiết bị điện từ. Gan đây, nhóm hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Tokyo (Nhật Ban) và trường đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã ché tạo thành công chat bán dẫn từ mới Indium Iron Antimonide (In,Fe)Sb có nhiệt độ Curie cao đến 385K (tức 112°C) bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử.!: Š Đây được xem là vật liệu bán dẫn từ có nhiệt độ Curie cao nhất được bao cáo cho đến nay, vì vậy chúng có rất nhiêu tiêm nang dé 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 tao, bề day 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 dé cải thiện tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb, tôi mong muôn thực hiện dé 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 dich nghiên cứu Khảo sát sự thay đôi 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 móng (In,Fe)Sb. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Tìm hiều về vật liệu bán dan từ (In,Fe)Sb.

- Tìm hiểu về phương pháp chế tạo màng mỏng (phương pháp epitaxy chùm phân tử) va các phương pháp phân tích tính chat 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 quá từ số liệu thu được. - So sánh, đánh giá kết qua và đưa ra kết luận về nhiệt độ tối ưu dé chế tao màng. Những đóng góp của đề tài Thông qua quá 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 đề 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 móng (In,Fe)Sb, từ đó chọn được nhiệt độ chế tạo thích hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau. TONG QUAN VE VAT LIEU BAN DAN TỪ 1. Điện tử hoc spin (spintronics) Nhờ những phat 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. Đề phục vụ nhu cầu ngày cảng tăng của con người, các thiết bị điện tử đã được phát triên liên tục, cứ sau 18 tháng số lượng transistor trên một đơn vị điện tích cho mỗi bộ vi xử lý được tăng gấp đôi, đó là nội dung của định luật Moore như thê hiện trên hình 1.

Dieu nay dan 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 dung Silicon (silicon-based) Xảy ra ở quy mô nano.000 MOORE'S Pentium 4 Prescott (2004 - 125 000.1 Định luật Moore cho thay dự đoán tốc độ tang số lượng transistor trên một đơn vị điện tích theo thời gian.com) Dé khắc phục những hạn chế này, rất nhiều phương pháp tiếp cận đã được dé xuất như thay thé 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 nỗi gọi là "spintronics", đây được xem là một giải pháp day hứa hẹn cho các thiết bị điện tử trong tương lai. Các thiết bị spintronics không chỉ sử dụng "điện tích" của electron, mà còn khai thác một đặc tinh nội tại của các electron được gọi là "spin", như trong hình 1.

Trong các thiết bị spintronics, bit “0” và ”I” của dữ liệu kỹ thuật số nhị phân có thê được thẻ hiện bằng trạng thái spin up (T) va spin down (1). thay vì "có” hoặc "không có” các điện tích. Bởi vì spin không thay đôi hay mat đi khi ngưng cung cap năng lượng cho nên các thiết bị spintronics dự kiến sẽ có nhiều ưu điểm như tiêu thụ điện nang thấp. không cần cung cấp điện xuyên suốt, tốc độ cao,.Š Ngoài ra, vì spin có thé dé dang điều chỉnh bởi từ trường bên ngoài nên vật liệu spintronics có thê cung cấp các chức nang mới chưa từng có trong vật liệu Silicon thông thường.