Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 chế tạo bằng bốc bay xung laser

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet nghiên cứu màng mỏng la0 7 sr0 3 mno3 kích thước nanô mét chế tạo bằng phương pháp bốc bay, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Người hướng dẫn: PGS. Lê Văn Hằng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano
• Đề tài: Nghiên cứu màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 chế tạo bằng phương pháp bốc bay xung laser
• Loại tài liệu: luận văn thực sự
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU MÀNG MẢNG PEROVSKITE MANGANITE
• 1.1. Tổng quan về perovskite manganite
• 1.2. Cấu trúc tinh thể và hiện tượng méo màng
• 1.2.1. Cấu trúc tinh thể perovskite
• 1.2.2. Hiệu ứng Jahn-Teller và các hiện tượng méo màng
• 1.3. Các tương tác trao đổi
• 1.3.1. Tương tác siêu trao đổi (Super Exchange interaction)
• 1.3.2. Tương tác trao đổi kép (Double Exchange Interaction)
• 1.4. Chuyển pha sắt từ - thuần từ và chuyển pha kim loại điện môi
• 1.5. Ảnh hưởng của từ trường và hiệu ứng từ trễ tại lân cận TC
• 1.6. Các kết quả nghiên cứu màng mỏng perovskite manganite
• 1.6.1. Một số kết quả nghiên cứu trên màng mỏng perovskite manganite
• 1.6.2. Ảnh hưởng điều kiện công nghệ chế tạo lên cấu trúc của màng manganite
• 1.6.3. Ảnh hưởng lên tính chất điện
• 1.6.4. Ảnh hưởng lên tính chất từ
• 1.6.5. Hiệu ứng từ trễ từ trường thấp
• 1.6.6. Các kết quả nghiên cứu về hiệu ứng từ trễ từ trường thấp (Low Field Magneto-Resistance, viết tắt là LFMR)
• 1.6.7. Mô hình lý thuyết giải thích hiệu ứng từ trễ từ trường thấp
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo mẫu
• 2.1.1. Chế tạo mẫu bia
• 2.1.2. Chế tạo màng mỏng La0.3MnO3 bằng phương pháp béc bay xung laser
• 2.2. Các phép đo phân tích tính chất của vật liệu
• 2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Phép đo tính chất từ
• 2.2.3. Các phép đo điện trở và từ trễ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu trên vật liệu bia
• 3.1.1. Phân tích cấu trúc
• 3.1.2. Phép đo các tính chất điện - từ
• 3.2. Kết quả nghiên cứu trên vật liệu màng mỏng
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất của màng mỏng
• 3.2.2. Phân tích cấu trúc
• 3.2.3. Phép đo tính chất từ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của chiều dày lên tính chất của màng mỏng
• 3.2.5. Phân tích cấu trúc
• 3.2.6. Phép đo các tính chất điện - từ
• 3.2.7. Ảnh hưởng của chiều dày lên tính chất từ trễ
• 3.2.8. Hiệu ứng từ trễ từ trường thấp
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu màng mỏng La0

Nghiên cứu màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 chế tạo bằng phương pháp bốc bay xung laser đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực vật liệu. Màng mỏng này có nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ điện tử và từ tính. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của màng mỏng này là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Đặc điểm của màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3

Màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 có cấu trúc perovskite, với tính chất điện từ đặc biệt. Các nghiên cứu cho thấy màng mỏng này có khả năng điều chỉnh tính chất điện từ thông qua việc thay đổi tỷ lệ các thành phần.

1.2. Ứng dụng của màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3

Màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 được ứng dụng trong các thiết bị điện tử, cảm biến và linh kiện từ tính. Tính chất điện từ của nó giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị này.

II. Thách thức trong nghiên cứu màng mỏng La0

Mặc dù màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 có nhiều tiềm năng, nhưng việc chế tạo và tối ưu hóa vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như độ dày, cấu trúc tinh thể và tính đồng nhất của màng mỏng cần được giải quyết.

2.1. Vấn đề về độ dày của màng mỏng

Độ dày của màng mỏng ảnh hưởng lớn đến tính chất điện từ. Việc kiểm soát độ dày trong quá trình chế tạo là một thách thức lớn.

2.2. Cấu trúc tinh thể và tính đồng nhất

Cấu trúc tinh thể không đồng nhất có thể dẫn đến sự suy giảm tính chất điện từ. Cần có các phương pháp phân tích chính xác để đánh giá cấu trúc tinh thể.

III. Phương pháp chế tạo màng mỏng La0

Phương pháp bốc bay xung laser (PLD) là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để chế tạo màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát tốt các thông số chế tạo và đạt được màng mỏng có chất lượng cao.

3.1. Nguyên lý của phương pháp bốc bay xung laser

Phương pháp PLD sử dụng laser để bốc bay vật liệu từ một mục tiêu, tạo ra các hạt màng mỏng. Nguyên lý này cho phép tạo ra màng mỏng với độ tinh khiết cao.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo

Nhiệt độ, áp suất và năng lượng laser là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng màng mỏng. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để đạt được màng mỏng tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 có tính chất điện từ vượt trội, với khả năng điều chỉnh theo yêu cầu ứng dụng. Các ứng dụng thực tiễn của màng mỏng này đang được mở rộng trong lĩnh vực điện tử và từ tính.

4.1. Tính chất điện từ của màng mỏng

Màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 thể hiện tính chất điện từ mạnh mẽ, với khả năng điều chỉnh theo nhiệt độ và từ trường. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ điện tử

Màng mỏng này có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiên tiến, như cảm biến và linh kiện từ tính, nhờ vào tính chất điện từ đặc biệt của nó.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 chế tạo bằng phương pháp bốc bay xung laser đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn và cải tiến công nghệ.

5.1. Triển vọng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và khám phá thêm các ứng dụng mới cho màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của màng mỏng La0.3Sr0.7MnO3 có thể tạo ra những bước tiến lớn trong ngành công nghiệp điện tử và từ tính, góp phần vào sự phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu oxit manganite có cấu trúc perovskite La0.7Sr0.3MnO3 kích thước dưới 100 nm đang trở thành tâm điểm trong cuộc cách mạng công nghệ vi điện tử và spintronics hiện đại. Hiệu ứng từ trở khổng lồ (Colossal Magnetoresistance - CMR) với sự sụt giảm điện trở suất hàng nghìn lần dưới tác dụng của từ trường ngoài mở ra tiềm năng lớn cho các thiết bị cảm biến từ, bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên từ tính (MRAM) và linh kiện đọc ghi dữ liệu dung lượng cao. Trong hệ vật liệu ABO3, hợp chất pha tạp lỗ trống La0.7Sr0.3MnO3 sở hữu nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ của vật liệu khối lên đến xấp xỉ 365 K, là ứng viên sáng giá nhất để khai thác các đặc tính điện - từ ngay tại điều kiện nhiệt độ phòng khoảng 300 K.

Tuy nhiên, phần lớn các công trình trước đây tại Việt Nam chỉ dừng lại ở việc khảo sát vật liệu dạng khối, trong khi tiến trình thu nhỏ linh kiện bán dẫn bắt buộc phải chuyển dịch sang dạng màng mỏng kích thước nanomet. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện nanô thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ phối hợp với Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giải quyết bài toán cốt lõi này. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo màng mỏng La0.7Sr0.3MnO3 trên đế Si(100) bằng phương pháp bốc bay xung laser (PLD), đồng thời khảo sát hệ thống ảnh hưởng của nhiệt độ ủ nhiệt trong khoảng 550°C đến 750°C và độ dày màng từ 30 nm đến 200 nm lên cấu trúc tinh thể, vi cấu trúc bề mặt và các tính chất điện từ. Kết quả thực nghiệm khẳng định màng mỏng tối ưu đạt tỷ lệ từ trở cực đại lên tới 7% tại nhiệt độ 300 K dưới từ trường 1,2 Tesla, tạo tiền đề vững chắc cho việc làm chủ công nghệ chế tạo linh kiện nano từ tính ứng dụng thực tiễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nền tảng lý thuyết của luận văn dựa trên cơ chế tương tác trao đổi kép (Double Exchange - DE) do Clarence Zener đề xuất năm 1951, kết hợp với lý thuyết méo mạng tinh thể Jahn-Teller do Millis và các cộng sự mở rộng. Trong mạng tinh thể perovskite ABO3 lý tưởng, các cation La/Sr chiếm vị trí A tạo cấu trúc lập phương tâm mặt, còn ion Mn nằm tại tâm của bát diện MnO6 tạo bởi 6 ion O2-. Sự thay thế 30% ion La3+ bằng ion kiềm thổ Sr2+ dẫn đến sự xuất hiện đồng thời của ion Mn3+ (cấu hình 3d4 với mức t2g3 eg1) và Mn4+ (cấu hình 3d3 với mức t2g3 eg0), tạo tỷ lệ pha tạp tối ưu Mn4+/Mn3+ xấp xỉ 3/7.

Theo cơ chế trao đổi kép, điện tử eg nhảy linh động giữa Mn3+ và Mn4+ qua cầu nối trung gian ion oxy O2- khi spin của hai ion lân cận song song nhau, làm tăng mạnh độ dẫn kim loại và trật tự sắt từ. Bên cạnh đó, hiệu ứng méo mạng Jahn-Teller làm suy biến các mức năng lượng eg và méo mạng dạng GdFeO3 làm góc liên kết Mn-O-Mn lệch khỏi 180°, tạo nên sự cạnh tranh gay gắt giữa trạng thái dẫn định xứ polaron và trạng thái định vị kim loại. Luận văn cũng vận dụng mô hình xuyên hầm spin phân cực (Spin-Polarized Tunneling) để giải thích hiệu ứng từ trở từ trường thấp (LFMR) xuất hiện tại biên các hạt nano đa tinh thể, nơi các thăng giáng spin và sự định hướng lại mômen từ chi phối độ tán xạ điện tử.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng 1 mẫu bia gốm đa tinh thể La0.7Sr0.3MnO3 được tổng hợp qua phản ứng pha rắn từ các oxit ban đầu gồm La2O3, SrCO3 và MnO2 có độ tinh khiết cao trên 99,9%, trải qua quy trình nung sơ bộ 1100°C trong 24 giờ, ép thủy lực áp suất 7 tấn/cm² và thiêu kết 1370°C suốt 48 giờ trong không khí. Hệ mẫu màng mỏng gồm 2 nhóm chính: nhóm 1 gồm 6 mẫu màng có cùng độ dày khoảng 50 nm ủ ở 6 mức nhiệt độ (550°C, 580°C, 600°C, 650°C, 700°C, 750°C) trong 5 giờ; nhóm 2 gồm 6 mẫu màng có thời gian bốc bay thay đổi từ 6 đến 20 phút tương ứng với độ dày từ 30 nm đến 200 nm, cùng ủ ở 600°C trong 5 giờ.

Phương pháp chế tạo màng được lựa chọn là bốc bay xung laser (PLD) trên hệ máy Meca 2000 sử dụng nguồn laser Nd:YAG bước sóng 532 nm, công suất 1,5 W, tần số xung 2 Hz trong môi trường chân không 3.10⁻⁷ Torr. Kỹ thuật PLD được chọn vì tốc độ gia nhiệt bề mặt bia đạt tới 10⁸ K/s, bảo toàn chính xác hợp phần hóa học phức tạp từ bia sang màng. Cấu trúc pha và độ kết tinh được phân tích qua nhiễu xạ kế tia X Siemens D5000 với bức xạ Cu-Kα bước sóng 1,54056 Å. Các tính chất từ tính được khảo sát trên hệ đo PPMS 6000 của hãng Quantum Design trong dải nhiệt độ 1,8 K đến 400 K và từ trường quét tới 7 Tesla với độ nhạy 10⁻⁶ emu. Điện trở và từ trở được đo đạc bằng phương pháp 4 mũi dò một chiều trong dải nhiệt độ 20 K đến 300 K kết hợp hệ nam châm điện Drusch cung cấp từ trường tới 1,5 Tesla.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học cao:

• Cấu trúc tinh thể màng mỏng: Toàn bộ các mẫu màng sau khi xử lý nhiệt đều kết tinh đơn pha perovskite rhombohedral thuộc nhóm không gian R-3c, không xuất hiện pha tạp thứ cấp. Trên giản đồ nhiễu xạ tia X, màng thể hiện sự định hướng tinh thể ưu tiên theo mặt phẳng (104). Mẫu ủ ở 550°C chỉ xuất hiện một đỉnh nhiễu xạ (104), trong khi các mẫu ủ từ 580°C đến 750°C xuất hiện thêm đỉnh (024) và (102) với độ rộng bán vạch phản ánh kích thước hạt ở thang nanomet.
• Tối ưu hóa giá trị từ trở ở nhiệt độ phòng: Mẫu màng ký hiệu LS600 (độ dày 50 nm, ủ ở 600°C trong 5 giờ) đạt giá trị từ trở cực đại lên tới 7% tại nhiệt độ 300 K dưới từ trường 1,2 Tesla. Giá trị này cao hơn gấp 2,12 lần (tăng hơn 112%) so với giá trị từ trở của mẫu bia gốm khối vốn chỉ đạt 3,3% trong từ trường 1,0 Tesla ở cùng nhiệt độ.
• Biến thiên nhiệt độ chuyển pha: Nhiệt độ Curie chuyển pha sắt từ - thuận từ TC của màng mỏng giảm rõ rệt so với mẫu khối (giảm từ 365 K của bia khối xuống 310 K ở mẫu màng LS580). Đồng thời, nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi TP của các mẫu màng đạt khoảng 260 K, thấp hơn nhiệt độ TP ~ 320 K của mẫu khối.
• Đặc trưng từ trễ và lực kháng từ: Tại 300 K, tất cả các mẫu màng đều thể hiện tính chất sắt từ mềm với đường cong từ trễ hẹp. Khi hạ nhiệt độ xuống 50 K, các mẫu chuyển sang trạng thái sắt từ hoàn toàn, trong đó lực kháng từ Hc giảm liên tục từ 390 Oe ở mẫu LS580 xuống 230 Oe ở mẫu LS750, tương đương mức giảm khoảng 41% do sự suy giảm các tâm ghim khuyết tật mạng.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm được luận giải sâu sắc thông qua cơ chế vi mô. Sự sai khác hằng số mạng giữa màng mỏng La0.7Sr0.3MnO3 và đế Si(100) tạo ra ứng suất bề mặt và biến dạng mạng hai trục (Jahn-Teller strain). Ứng suất nén làm thay đổi độ dài liên kết Mn-O và góc liên kết Mn-O-Mn, dẫn đến sự suy yếu của tương tác trao đổi kép và làm dịch chuyển nhiệt độ TC và TP về vùng nhiệt độ thấp hơn so với vật liệu dạng khối.

Khi nhiệt độ ủ tăng từ 550°C lên 600°C, các khuyết tật oxy trong mạng tinh thể được bù đắp, độ hoàn hảo cấu trúc tăng lên giúp tỷ lệ Mn4+/Mn3+ tiến gần đến giá trị lý tưởng 3/7, từ đó kích hoạt mạnh mẽ cơ chế trao đổi kép và nâng cao độ nhạy từ trở. Khi nhiệt độ ủ vượt quá 600°C (từ 650°C đến 750°C), kích thước hạt nano tăng dần, mật độ biên hạt giảm làm suy yếu hiệu ứng tán xạ spin tại ranh giới hạt, khiến giá trị từ trở giảm dần về gần mức của vật liệu khối. Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa thông qua các hệ biểu đồ nhiễu xạ XRD góc 2θ, đường cong từ nhiệt M(T) theo chế độ làm lạnh có từ trường FC ở 100 Oe, đường cong từ trễ M(H) tại 50 K và 300 K, cùng đồ thị biến thiên từ trở MR(H) dạng song song mặt màng, phản ánh rõ ràng bức tranh vật lý nhất quán giữa cấu trúc và tính chất dẫn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ và thúc đẩy ứng dụng của màng mỏng oxit từ tính nano, tác giả đưa ra 4 khuyến nghị then chốt:

• Chuẩn hóa thông số nhiệt luyện màng mỏng: Thiết lập quy trình ủ nhiệt cố định ở mức nhiệt độ 600°C trong thời gian 5 giờ với tốc độ tăng/hạ nhiệt chính xác 3°C/phút và lưu nhiệt tại 350°C trong 2 giờ, nhằm duy trì giá trị từ trở phòng trên 7% và nâng chỉ số này lên ngưỡng 8,5% trong vòng 6 tháng tới do nhóm nghiên cứu công nghệ màng mỏng phụ trách.
• Nghiên cứu chuyển đổi vật liệu đế tương thích: Tiến hành thử nghiệm lắng đọng màng LSMO trên các loại đế đơn tinh thể có độ tương hợp mạng cao hơn như LaAlO3 (LAO) hoặc SrTiO3 (STO) nhằm hạ thấp độ sai hỏng mạng xuống dưới 1,5%, hướng tới mục tiêu nâng nhiệt độ Curie TC lên dải 340 K đến 350 K trong kế hoạch 12 tháng do phòng thí nghiệm vật liệu nano triển khai.
• Tích hợp công nghệ gia nhiệt đế tại chỗ: Nâng cấp buồng chân không hệ bốc bay xung laser PLD với hệ thống đốt nhiệt đế trực tiếp trong khoảng 650°C đến 700°C dưới áp suất khí oxy duy trì từ 100 mTorr đến 300 mTorr, giúp tạo màng tinh thể epitaxy trực tiếp và rút ngắn thời gian xử lý nhiệt sau chế tạo xuống dưới 60 phút trong giai đoạn 2026-2027 do viện nghiên cứu khoa học vật liệu điều phối.
• Phát triển cấu trúc màng dị thể đa lớp: Thiết kế các cấu trúc tiếp xúc dị thể nhiều lớp LSMO/chất cách điện dạng hạt để tăng cường hiệu ứng xuyên hầm spin phân cực ở từ trường thấp dưới 500 Oe, đạt mục tiêu độ biến thiên từ trở từ trường thấp (LFMR) trên 15% trong vòng 18 tháng do nhóm phát triển linh kiện spintronics thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tư liệu khoa học chuyên sâu, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Nano: Nắm vững quy trình chế tạo màng mỏng gốm oxit bằng phương pháp PLD, phương pháp phân tích giản đồ XRD chuẩn quốc tế và kỹ thuật đo đạc tính chất điện từ hiện đại trên hệ PPMS.
• Kỹ sư thiết kế linh kiện spintronics và cảm biến từ trường: Khai thác thông số thực nghiệm về hiệu ứng từ trở 7% tại 300 K để tối ưu hóa thiết kế đầu đọc ghi ổ cứng từ tính, cảm biến dòng điện không tiếp xúc và tế bào nhớ từ tính MRAM.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ khung lý thuyết về cơ chế trao đổi kép Zener, méo mạng Jahn-Teller và hệ số dung hạn Goldschmidt làm học liệu giảng dạy chuyên đề vật liệu từ và màng mỏng nano.
• Chuyên viên R&D tại các doanh nghiệp vi điện tử và bán dẫn: Ứng dụng các quy tắc kiểm soát độ dày màng từ 30 nm đến 200 nm và kỹ thuật ủ nhiệt để xây dựng quy trình lắng đọng vật liệu từ nano trong sản xuất linh kiện mẫu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hợp chất La0.7Sr0.3MnO3 được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chính thay vì các tỷ lệ pha tạp khác? Hợp chất La0.7Sr0.3MnO3 sở hữu nồng độ lỗ trống pha tạp x = 0,3 tối ưu, tạo ra tỷ lệ cân bằng Mn4+/Mn3+ xấp xỉ 3/7. Đây là vùng hợp phần cho nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ TC cao nhất trong hệ manganite (khoảng 365 K ở vật liệu khối), cho phép vật liệu duy trì trạng thái trật tự sắt từ và phát huy hiệu ứng từ trở ngay tại nhiệt độ phòng 300 K.

Phương pháp bốc bay xung laser (PLD) mang lại ưu thế gì vượt trội trong chế tạo màng oxit đa nguyên tố? Phương pháp PLD sử dụng chùm xung laser năng lượng cao hội tụ trên bề mặt bia, tạo tốc độ gia nhiệt cực nhanh khoảng 10⁸ K/s. Quá trình này làm hóa hơi tức thời tất cả các nguyên tố thành phần mà không phụ thuộc vào áp suất hơi riêng phần, đảm bảo giữ nguyên hợp thức phức tạp từ bia gốm đa thành phần La-Sr-Mn-O sang màng lắng đọng.

Nguyên nhân nào khiến mẫu màng ủ ở 600°C đạt giá trị từ trở cao gấp đôi mẫu khối? Nhiệt độ ủ 600°C cung cấp đủ nhiệt năng để sắp xếp lại mạng tinh thể theo hướng ưu tiên (104) và bổ sung đầy đủ lượng oxy thiếu hụt mà không làm tăng kích thước hạt quá mức. Cấu trúc hạt kích thước nanomet tạo ra mật độ biên hạt tối ưu, kết hợp giữa cơ chế trao đổi kép nội hạt và hiện tượng tán xạ spin tại biên hạt, mang lại giá trị từ trở 7% so với 3,3% của mẫu khối.

Hiệu ứng từ trở từ trường thấp (LFMR) trong màng nano đa tinh thể diễn ra theo cơ chế vật lý nào? Hiệu ứng LFMR trong màng đa tinh thể được chi phối bởi hiện tượng xuyên hầm spin phân cực của điện tử qua các rào thế tại biên hạt không từ tính. Dưới tác dụng của từ trường ngoài thấp cỡ vài trăm Oe, mômen từ của các hạt lân cận nhanh chóng quay song song với nhau, giải tỏa tán xạ spin và làm điện trở suất giảm đột ngột.

Biến dạng mạng tinh thể do đế Si(100) gây ra ảnh hưởng cụ thể như thế nào đến nhiệt độ Curie TC? Sự sai khác hằng số mạng giữa màng LSMO và đế Si(100) tạo ra ứng suất biến dạng hai trục, làm biến dạng bát diện MnO6 và thay đổi góc liên kết Mn-O-Mn. Sự sai lệch này làm giảm độ xen phủ giữa các orbitan 3d của mangan và 2p của oxy, làm suy yếu tương tác trao đổi kép Zener và khiến nhiệt độ TC của màng mỏng giảm từ 365 K xuống 310 K.

Kết luận

• Chế tạo thành công màng mỏng nano La0.7Sr0.3MnO3 đơn pha trên đế Si(100) bằng kỹ thuật bốc bay xung laser (PLD) với quy trình công nghệ chuẩn hóa.
• Xác định nhiệt độ ủ nhiệt tối ưu 600°C trong 5 giờ mang lại giá trị từ trở cực đại 7% tại 300 K dưới từ trường 1,2 Tesla, cao hơn gấp đôi vật liệu khối.
• Làm rõ quy luật định hướng tinh thể ưu tiên theo mặt phẳng (104) và sự biến đổi các đỉnh nhiễu xạ phụ thuộc vào độ dày màng từ 30 nm đến 200 nm.
• Minh chứng cơ chế tương tác trao đổi kép và méo mạng Jahn-Teller chi phối trực tiếp chuyển pha kim loại - điện môi (TP ~ 260 K) và sắt từ - thuận từ (TC ~ 310 K).
• Thiết lập hệ thống cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về vi cấu trúc và từ tính màng mỏng, đóng góp trực tiếp vào định hướng phát triển linh kiện spintronics tại Việt Nam.

Công trình đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho lĩnh vực vật liệu từ nano trong nước. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc lắng đọng màng mỏng trên đế đơn tinh thể LaAlO3 và khảo sát cấu trúc màng dị thể trong giai đoạn 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu và đơn vị công nghệ vi điện tử quan tâm có thể liên hệ hợp tác chuyển giao quy trình chế tạo để cùng phát triển các dòng cảm biến từ thông minh ứng dụng trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

§¹i häc Quèc gia hµ néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ NguyÔn v¨n §¹i nghiªn cøu mµng máng La0.3MnO3 kÝch th−íc nan« mÐt ChÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p bèc bay xung laser Chuyªn ngµnh: VËt liÖu vµ Linh kiÖn nan« LuËn v¨n th¹c sÜ Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS. Lª V¨n Hång Hµ Néi - 2006 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 Môc lôc Trang phô b×a Lêi c¶m ¬n Môc lôc Më ®Çu 1 Ch−¬ng 1. VËt liÖu mµng máng perovskite 5 manganite 1. Tæng quan vÒ perovskite manganite 5 1.

CÊu tróc tinh thÓ vµ hiÖn t−îng mÐo m¹ng 6 1. CÊu tróc tinh thÓ perovskite 6 1. HiÖu øng Jahn- Teller vµ c¸c hiÖn t−îng mÐo m¹ng 7 1. C¸c t−¬ng t¸c trao ®æi 9 1.

T−¬ng t¸c siªu trao ®æi (Super Exchange interaction) 9 1. T−¬ng t¸c trao ®æi kÐp (Double Exchange Interaction) 10 1. ChuyÓn pha s¾t tõ - thuËn tõ vµ chuyÓn pha kim lo¹i ®iÖn m«i 12 1. ¶nh h−ëng cña tõ tr−êng vµ hiÖu øng tõ trë t¹i l©n cËn TC 13 1.

C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu mµng máng perovskite manganite 15 1. Mét sè kÕt qu¶ nghiªn cøu trªn mµng máng perovskite 15 manganite 1. ¶nh h−ëng ®iÒu kiÖn c«ng nghÖ chÕ t¹o lªn cÊu tróc cña mµng 17 máng manganite 1. ¶nh h−ëng lªn tÝnh chÊt ®iÖn 19 1.

¶nh h−ëng lªn tÝnh chÊt tõ 21 1. HiÖu øng tõ trë tõ tr−êng thÊp 23 1. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ hiÖu øng tõ trë tõ tr−êng thÊp (Low 24 – Field Magnetor-Resistance, viÕt t¾t lµ LFMR) 1. M« h×nh lý thuyÕt gi¶i thÝch hiÖu øng tõ trë tõ tr−êng thÊp 26 Ch−¬ng 2.

kü thuËt thùc nghiÖm 30 2. Ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o mÉu 30 2. ChÕ t¹o mÉu bia 30 2. ChÕ t¹o mµng máng La0.3MnO3 b»ng ph−¬ng ph¸p bèc bay 30 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 3 xung laser 2.

C¸c phÐp ®o ph©n tÝch tÝnh chÊt cña vËt liÖu 35 2. Ph©n tÝch cÊu tróc b»ng nhiÔu x¹ kÕ tia X 35 2. PhÐp ®o tÝnh chÊt tõ 35 2. C¸c phÐp ®o ®iÖn trë vµ tõ trë 36 Ch−¬ng 3.

KÕt qu¶ vµ th¶o luËn 38 3. KÕt qu¶ nghiªn cøu trªn vËt liÖu bia 38 3. Ph©n tÝch cÊu tróc 38 3. PhÐp ®o c¸c tÝnh chÊt ®iÖn - tõ.

KÕt qu¶ nghiªn cøu trªn vËt liÖu liÖu mµng máng 40 3. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ñ lªn tÝnh chÊt cña mµng máng 40 3.Ph©n tÝch cÊu tróc 40 3. PhÐp ®o tÝnh chÊt tõ 41 3.¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ñ lªn tÝnh chÊt tõ trë 42 3. ¶nh h−ëng cña chiÒu dµy lªn tÝnh chÊt cña mµng máng 44 3.

Ph©n tÝch cÊu tróc 44 3. PhÐp ®o c¸c tÝnh chÊt ®iÖn - tõ 45 3. ¶nh h−ëng cña chiÒu dµy lªn tÝnh chÊt tõ trë 47 3. HiÖu øng tõ trë tõ tr−êng thÊp 49 KÕt luËn 55 Danh môc c¸c c«ng tr×nh c«ng bè 56 Tµi liÖu tham kh¶o 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Splitter.

A watermark is added at the end of each output PDF file. To remove the watermark, you need to purchase the software from http://www.com/buy/buy-pdf-splitter.html LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 Më ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, vËt liÖu cã kÝch th−íc nan« mÐt ®· ®−îc quan t©m nghiªn cøu m¹nh mÏ bëi kh¶ n¨ng øng dông cña chóng. HiÖu øng giam gi÷ l−îng tö xuÊt hiÖn trong lo¹i vËt liÖu nµy lµ nguyªn nh©n g©y ra nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc biÖt ch−a tõng ®−îc quan s¸t trªn c¸c vËt liÖu cæ ®iÓn tr−íc ®ã. Nghiªn cøu vÒ vËt liÖu nan« rÊt phong phó vµ ®a d¹ng trong c¶ lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm.

C¸c kÕt qu¶ ®· më ra nh÷ng triÓn väng øng dông to lín dùa trªn c¸c tÝnh chÊt quang - ®iÖn – tõ. Tõ ®ã cã thÓ t¹o ra c¸c thiÕt bÞ, c¸c linh kiÖn nh»m phôc vô, n©ng cao ®êi sèng con ng−êi. Trong c¸c vËt liÖu cã cÊu tróc nan«, vËt liÖu tõ nan« cã mét vÞ trÝ ®Æc biÖt ®· thu hót ®−îc sù quan t©m nghiªn cøu. C¸c h¹t tõ nan« ®−îc xem nh− cã triÓn väng lín trong c¸c øng dông xö lý m«i tr−êng vµ ®Æc biÖt lµ trong y sinh.

Mét khÝa c¹nh kh¸c cña vËt liÖu tõ nan« ®· ®−îc quan t©m nghiªn cøu lµ hiÖu øng tõ trë trong c¸c mµng máng kÝch th−íc nan« mÐt. Tõ c¸c kÕt qu¶ thu ®−îc, ng−êi ta hy väng c¸c øng dông cña nã sÏ n©ng cao kh¶ n¨ng xö lý th«ng tin, thu nhá kÝch th−íc cña c¸c linh kiÖn ®iÖn tö. Nghiªn cøu vÒ vËt liÖu tõ ®−îc tËp trung m¹nh vµo hä vËt liÖu cã cÊu tróc perovskite ABO3 (A lµ nguyªn tè ®Êt hiÕm, B lµ c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp). Ngoµi sù xuÊt hiÖn cña hiÖu øng tõ trë khæng lå (Colossal MagnetoResistance - CMR), hä vËt liÖu ABO3 cßn thÓ hiÖn nhiÒu tÝnh chÊt lý thó kh¸c vµ thu hót ®−îc sù quan t©m nghiªn cøu.

HÇu hÕt c¸c vËt liÖu perovskite ABO3 ®Òu thÓ hiÖn tÝnh chÊt ph¶n s¾t tõ- ®iÖn m«i. Khi ®−îc pha t¹p lç trèng b»ng c¸ch thay thÕ mét phÇn nguyªn tè ®Êt hiÕm (R) bëi c¸c kim lo¹i kiÒm thæ (A') nh− Ba, Ca, Sr, Pb. th× c¸c hîp chÊt R1- A'xBO3 thÓ hiÖn mèi t−¬ng quan m¹nh mÏ gi÷a c¸c tÝnh chÊt ®iÖn-tõ vµ cÊu tróc x tinh thÓ. C¸c tÝnh chÊt nµy kh«ng chØ thay ®æi theo nång ®é pha t¹p mµ cßn phô thuéc m¹nh vµo nh÷ng t¸c nh©n bªn ngoµi nh− nhiÖt ®é, tõ tr−êng, ®iÖn tr−êng, ¸p suÊt.

HiÖu øng CMR th−êng x¶y ra m¹nh nhÊt t¹i l©n cËn nhiÖt ®é chuyÓn pha s¾t tõ - thuËn tõ TC trong c¸c hîp chÊt s¾t tõ manganite A0.3MnO3, kÌm theo LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 ®ã lµ chuyÓn pha kim lo¹i - ®iÖn m«i cña tÝnh dÉn t¹i nhiÖt ®é TP. Ngoµi hiÖu øng CMR x¶y ra t¹i nhiÖt ®é chuyÓn pha s¾t tõ - thuËn tõ, ®èi víi c¸c mÉu ®a tinh thÓ, ng−êi ta cßn thÊy hiÖu øng tõ trë xuÊt hiÖn t¹i vïng nhiÖt ®é thÊp trong tõ tr−êng thÊp. C¸c tÝnh chÊt ®iÖn - tõ cña c¸c manganite ®Òu ®−îc gi¶i thÝch trªn c¬ së hiÖn t−îng mÐo m¹ng (mÐo Jahn - Teller vµ mÐo GdFeO3) vµ c¬ chÕ trao ®æi kÐp. GÇn ®©y, hiÖn t−îng bÊt ®ång nhÊt vµ t¸ch pha trong c¸c vËt liÖu ®−îc coi lµ yÕu tè ®ãng vai trß quan träng trong tÝnh dÉn mµ ®Æc biÖt lµ hiÖu øng tõ trë tõ tr−êng thÊp.

Thªm vµo ®ã, sù ®ång tån t¹i vµ c¹nh tranh cña c¸c t−¬ng t¸c tr¸i dÊu trong c¸c manganite còng lµ nh÷ng vÊn ®Ò rÊt ®¸ng quan t©m bëi lÏ ®©y lµ nguyªn nh©n g©y nªn hiÖn t−îng bÊt tho¶ tõ, vµ cïng víi c¸c yÕu tè bÊt trËt tù kh¸c sÏ lµm cho c¸c vËt liÖu thÓ hiÖn c¸c tÝnh chÊt thuû tinh tõ. Song song víi viÖc nghiªn cøu c¸c vËt liÖu d¹ng khèi, c¸c vËt liÖu manganite d¹ng mµng máng víi c¸c tÝnh chÊt næi tréi cña chóng còng ®· thu hót ®−îc sù quan t©m nghiªn cøu ®Æc biÖt. Bªn c¹nh viÖc kh¸m ph¸ ra hiÖu øng tõ trë lín t¹i nhiÖt ®é phßng, vËt liÖu mµng máng perovskite manganite ®· ®−îc quan t©m nghiªn cøu bëi lý do kh¸c ®ã lµ kh¶ n¨ng chÕ t¹o ®−îc nh÷ng mµng máng cã chÊt l−îng cao còng nh− t¹o ®−îc nh÷ng ®¬n tinh thÓ perovskite ®a thµnh phÇn. C¸c mµng máng perovskite manganite ®· ®−îc nghiªn cøu chÕ t¹o b»ng nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau nh− ph−¬ng ph¸p phón x¹ catèt (Cathod Sputtering), ph−¬ng ph¸p epitaxy chïm ph©n tö (Molecular Beam Epitaxy - MBE) vµ ph−¬ng ph¸p l¾ng ®äng ho¸ häc tõ pha h¬i kim lo¹i - h÷u c¬ (Metal- Organic Chemical Vapour Deposition - MOCVD).

Tuy nhiªn, ph−¬ng ph¸p phæ biÕn nhÊt lµ ph−¬ng ph¸p bèc bay b»ng xung laser (Pulse Laser Deposition - PLD). PLD lµ ph−¬ng ph¸p cã nhiÒu −u ®iÓm trong viÖc chÕ t¹o mµng máng cña c¸c «xit ®a thµnh phÇn bëi nguyªn lý lµm viÖc ®¬n gi¶n, hîp phÇn cña vËt liÖu bia ®−îc ®¶m b¶o trong qu¸ tr×nh bèc bay. C¸c nghiªn cøu gÇn ®©y ®Òu chØ ra tÝnh chÊt cña c¸c mµng máng manganite bÞ ¶nh h−ëng m¹nh bëi hiÖu øng g©y biÕn d¹ng m¹ng, nã ®−îc xem nh− yÕu tè chÝnh ®Ó ph©n biÖt c¸c tÝnh chÊt cña vËt liÖu mµng víi vËt liÖu khèi. Sù biÕn d¹ng m¹ng g©y nªn bëi ¶nh h−ëng cña ®Õ do sai kh¸c h»ng sè m¹ng gi÷a ®Õ - mµng, qu¸ tr×nh xö lý nhiÖt vµ hiÖu øng kÝch th−íc.

§ã cã thÓ lµ nguyªn nh©n LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 lµm thay ®æi c¸c tÝnh chÊt nh− cÊu tróc, vi cÊu tróc, nhiÖt ®é chuyÓn pha kim lo¹i ®iÖn m«i (TMI), nhiÖt ®é chuyÓn pha s¾t tõ - thuËn tõ TC vµ ®Æc biÖt lµ ¶nh h−ëng lªn hiÖu øng tõ trë cña vËt liÖu nµy. Nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt ®iÖn - tõ cña c¸c manganite lµ mét chñ ®Ò ®· thu hót sù quan t©m m¹nh trªn thÕ giíi còng nh− ë ViÖt nam, c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu kh¸ kü l−ìng vµ cã hÖ thèng. Tuy nhiªn, ë trong n−íc c¸c nghiªn cøu míi chØ dõng l¹i trªn c¸c vËt liÖu d¹ng khèi. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ vËt liÖu manganite d¹ng mµng máng cßn lµ mét vÊn ®Ò ch−a ®−îc gi¶i quyÕt.

H¬n thÕ n÷a, viÖc chÕ t¹o mµng máng lµ b−íc tÊt yÕu ®Ó tiÕn tíi chÕ t¹o c¸c linh kiÖn vµ tiÕp cËn víi nghµnh Khoa häc vµ C«ng nghÖ nan«. ViÖc nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña hiÖu øng kÝch th−íc lªn tÝnh chÊt ®iÖn - tõ vµ hiÖu øng tõ trë cña c¸c mµng máng manganite kh«ng nh÷ng høa hÑn cho nh÷ng triÓn väng øng dông to lín, mµ cßn lµ mét ®Ò tµi thó vÞ cho c¸c nghiªn cøu c¬ b¶n. KÕt qu¶ nghiªn cøu trªn c¸c vËt liÖu manganite ®Òu chØ ra hîp chÊt La0.3MnO3 cho gi¸ trÞ tõ trë cao vµ nhiÖt ®é chuyÓn pha s¾t tõ-thuËn tõ TC lµ cao nhÊt (~365K). Hîp chÊt nµy ®−îc xem lµ phï hîp nhÊt cho viÖc nghiªn cøu øng dông ë nhiÖt ®é phßng.

Tõ c¸c lý do trªn vµ dùa vµo c¸c ®iÒu kiÖn thiÕt bÞ s½n cã, h−íng nghiªn cøu cña phßng thÝ nghiÖm nªn chóng t«i ®· lùa chän ®Ò tµi cho luËn v¨n lµ: “Nghiªn cøu mµng máng La0,7Sr0,3MnO3 kÝch th−íc nan« mÐt chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p bèc bay xung laser” Môc tiªu cña luËn v¨n: + ChÕ t¹o thµnh c«ng mµng máng La0.3MnO3 b»ng ph−¬ng ph¸p bèc bay xung laser. + Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña c¸c ®iÒu kiÖn chÕ t¹o lªn tÝnh chÊt tõ trë cña mµng máng La0. + Nghiªn cøu hiÖu øng tõ trë tõ tr−êng thÊp cña mµng máng ®a tinh thÓ La0. Néi dung luËn v¨n: LuËn v¨n ®−îc tiÕn hµnh nghiªn cøu b»ng ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm, kÕt hîp víi viÖc ph©n tÝch sè liÖu thùc nghiÖm nh»m ®−a ra c¸c nhËn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 ®Þnh vÒ ¶nh h−ëng cña c¸c ®iÒu kiÖn chÕ t¹o lªn hiÖu øng tõ trë vµ hiÖu øng tõ trë tõ tr−êng thÊp.