CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN PHA LOÃNG TỪ GeMn 1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (tiếng Anh: Giant MagnetoResistance, viết tắt là GMR) là sự thay đổi lớn (nhảy vọt) của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Ta có một lớp kim loại không có từ tính (lớp M) bị ép giữa hai lớp kim loại từ (lớp F1 & F2) như hình 1.1a, hai lớp kim loại từ F 1 & F2 có cùng chiều từ hóa, lúc này số electron có spin cùng chiều với chiều từ hóa sẽ đi qua các lớp dễ dàng và như thế điện trở nhỏ. Nếu ta thay đổi chiều từ hóa đối với lớp kim loại từ F2 như trong hình 1.1b thì các electron lại có spin ngược chiều với chiều từ hóa trong lớp cuối cùng do đó bị khuếch tán nhiều hơn, dòng điện giảm đi và điều đó có nghĩa điện trở tăng mạnh lên gây nên hiệu ứng GMR.
Vậy hiệu ứng GMR là hiệu ứng làm cho điện trở trở thành khổng lồ nhờ tác động của từ trường.1 Mô hình màng đa lớp tạo hiệu ứng GMR Khi nói về hiệu ứng từ điện trở, người ta thường sử dụng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên sự thay đổi về điện trở dưới tác dụng của từ trường: 6 Với R(0), r(0) là điện trở, điện trở suất của vật liệu khi không có từ trường, còn R(H),r(H) là điện trở, điện trở suất của vật liệu trong từ trường H. Cơ chế của hiệu ứng: Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của 3 giả thiết sau: - Vì độ dày của của lớp không từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của điện tử, nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác. - Khi di chuyển trong các lớp vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào định hướng spin của chúng. - Định hướng tương đối của các vectơ từ độ trong các lớp có thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử, gồm có 4 loại tán xạ sau: - Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể gọi là tán xạ trên phonon. - Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính gọi là tán xạ trên magnon. - Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể. - Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR.
Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên magnon. Khi có các phần tử mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng khác nhau về mômen từ (do tác động của từ trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của chất rắn. 7 Độ lớn của GMR liên quan đến độ lớn của hiệu ứng tán xạ phụ thuộc spin, mà đại lượng sau này lại liên quan đến tương quan quãng đường tự do trung bình và chiều dày của lớp kim loại phi từ. Cụ thể là hai hiệu ứng này sẽ bị triệt tiêu nếu quãng đường tự do của điện tử nhỏ hơn chiều dày màng ngăn cách.
Công nghệ spintronics (điện tử spin) Công nghệ spintronics chính là sự kết hợp của hai lĩnh vực điện tử học và từ học nhằm tạo ra các chức năng mới cho vi điện tử hiện đại. Công nghệ Spintronics là một kỹ thuật liên ngành với một mục tiêu chính là thao tác và điều khiển các bậc tự do của spin trong các hệ chất rắn. Nói một cách đơn giản, công nghệ Spintronics là một ngành nghiên cứu mới nhằm tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển và thao tác spin của điện tử. Mục tiêu quan trọng của công nghệ Spintronics là hiểu về cơ chế tương tác giữa spin của các hạt và môi trường chất rắn, từ đó có thể điền khiển cả về mật độ cũng như sự chuyển vận của dòng spin trong vật liệu.
Sự phát hiện ra hiệu ứng GMR đã mở ra khả năng chế tạo các linh kiện điện tử kiểu mới, hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin, gọi là spintronics. Năm 1988 được coi là năm khai sinh ra Spintronics. Công nghệ spintronics được đánh giá là một trong những hướng mũi nhọn của thế kỷ 21, là một hướng phát triển mới của điện tử học mà ở đó spin của điện tử là đối tượng được quan tâm khai thác nhằm bổ xung hoặc thay thế cho việc sử dụng điện tích của điện tử, để tạo ra những chức năng mới và ưu việt cho các linh kiện và thiết bị điện tử hiện đại. Trong khi các linh kiện truyền thống trên nguyên lý chỉ là sự điều khiển dòng các điện tích thì một linh kiện spintronic cũng sẽ là điều khiển dòng spin của điện tử (gọi là dòng spin) trong các linh kiện, tạo ra thêm một bậc tự do nữa.
Bởi vì spin của điện tử có thể đảo chiều (đảo giữa 2 chiều up và down) nhanh hơn rất nhiều so với việc điều khiển dòng điện tích chạy trong mạch điện, do đó các linh kiện spintronic sẽ hoạt động nhanh hơn và tiêu tốn ít nhiệt hơn nhiều so với các phần tử vi điện tử truyền thống. 8 Tuy nhiên, spintronics cũng mở ra một cánh cửa tới một loại linh kiện hoàn toàn mới. Và nhìn xa hơn nữa về tương lai, các linh kiện spintronics thậm chí có thể sử dụng để tạo nên các bit lượng tử, đơn vị của thông tin được xử lý bởi máy tính lượng tử. Tuy nhiên, để có thể tạo ra cuộc cách mạng spintronic, các nhà nghiên cứu cần tìm ra cách để tiêm, thao tác và ghi nhận spin của điện tử trong các chất bán dẫn bởi dường như các vật liệu này vẫn chiếm vị trí trung tâm trong vật lý các linh kiện trong một tương lai có thể dự đoán được.
Thao tác trên các spin dường như đang trên đà thẳng tiến, nhưng tiêm spin vẫn còn vấp phải hàng loạt vấn đề dưới các trở ngại thực tế, tạo nên một thử thách lớn. Có 2 cách để có thể tiêm các dòng spin phân cực vào bán dẫn. Cách thứ nhất, sử dụng tính sắt từ của kim loại như Co, Fe, Ni hoặc hợp kim của chúng. Dòng spin phân cực xuyên ngầm từ kim loại sang bán dẫn thông qua một lớp điện môi hoặc qua hàng rào Shottky.
Đã có nhiều kết quả thú vị được thể hiện trong hệ Fe/GaAs, nhưng hiệu suất tiêm spin trực tiếp vào bán dẫn nhóm IV như Si hay Ge vẫn còn rất thấp. Rất khó có thể đạt được sự phát triển 1 cách epitaxy của 1 oxit ở giữa Ge (hoặc Si) và kim loại sắt từ; Việc tiêm spin vì thế mà bị hạn chế bởi sự thô ráp ở bề mặt giao diện. Để vượt qua được trở ngại này, vật liệu DMS được tạo nên bằng cách pha tạp các nguyên tố từ tính như Mn hay Co vào bán dẫn truyền thống là một ứng cử viên tiềm năng cho việc tiêm spin. Vật liệu này mang đặc tính sắt từ trong khi vẫn giữ những tính chất của bán dẫn.
Do đó, chúng thể hiện trở kháng tự nhiên phù hợp với bán dẫn nền và được mong chờ sẽ cho hiệu suất cao trong việc tiêm dòng spin phân cực vào các bán dẫn. Bán dẫn pha loãng từ Cũng giống như cách pha tạp chất vào các bán dẫn để thay đổi tính chất của chúng (loại n hoặc loại p), các nguyên tố từ tính được đưa vào mạng bán dẫn không từ tính để làm cho nó trở thành có từ tính. Thông thường, thành phần các nguyên tử từ tính chiếm khoảng dưới 10% trong tinh thể. Loại vật liệu này được gọi là bán dẫn pha loãng từ.
Trong đó, các nguyên tử từ tính thay thế vị trí của các nguyên tử bán dẫn trong mạng tuần hoàn và không làm thay đổi đáng kể cấu 9 trúc tinh thể. Những đặc tính này của vật liệu DMS làm cho chúng tương thích với công nghệ bán dẫn hiện tại và trở thành một đề tài hấp dẫn cho các nhà nghiên cứu hiện nay. Vào những năm 1990, các bán dẫn pha loãng từ đã được chế tạo thành công trên nền các bán dẫn III-V bằng cách pha tạp Mn, nhưng khả năng hòa tan của các nguyên tử Mn trong trường hợp này kém hơn trong các bán dẫn II-VI, làm cho nó khó pha loãng trong bán dẫn III-V, chẳng hạn như (GaMn)As. Bằng cách sử dụng công nghệ epitaxy chùm phân tử (MBE) ở nhiệt độ thấp trong quá trình không cân bằng, cho phép chế tạo được các màng mỏng với nồng độ Mn cao hơn và tránh được sự hình thành các kết tủa của ion Mn.
Nhiệt độ chuyển pha (TC) đạt được ở thời điểm đó là 110K đối với 5,5% Mn [10]. Cho đến nay, bán dẫn pha loãng từ GaMnAs được xem là quan trọng và được hiểu rõ nhất. Tuy nhiên, chúng thể hiện tính sắt từ ở nhiệt độ quá thấp so với nhiệt độ phòng, giá trị lớn nhất đã được đưa ra bởi nhóm của Gallagher là 173K [11]. Trong vài thập kỷ gần đây, rất nhiều các công trình đã tập trung nghiên cứu để tổng hợp các bán dẫn pha loãng từ GeMn hoặc SiMn hay SiGeMn.
Ưu điểm của vật liệu này là: - Tương thích với công nghệ silicon hiện tại; - Chất pha tạp từ tính Mn hoạt động như một acceptor nằm ở vị trí thay thế trong mạng tinh thể; - Thời gian hồi phục spin rất dài, do tương tác spin-quỹ đạo trong Si và Ge yếu. Mặc dù Si là vật liệu chính của công nghệ điện tử micro, mãi đến năm 2007 việc tiêm spin vào Si lần đầu tiên đạt được. Cho đến nay, việc liệu nguyên tử Mn có thay thế vị trí của nguyên tử Si trong mạng tinh thể không vẫn chưa rõ ràng, vì ion Mn trong mạng Si khuyêch tán rất nhanh, thậm chí ở nhiệt độ phòng. Một số nghiên cứu đã được công bố cho thấy, nhiệt độ chuyển pha của chúng vào cỡ từ 200 đến 400 K [12].
Tuy nhiên, nguồn gốc của tính sắt từ quan 10 sát được còn rất đa dạng, điều này làm cho các bán dẫn pha loãng từ pha tạp Mn rất khó thực hiện. Bán dẫn pha loãng từ Ge1-xMnx 1.