ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜ ỌC TỰ NHIÊN CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC  Đề tài tiểu luận: Từ điện trở xuyên hầm Tunnelling magnetoresistance (TMR) GVHD: TS.Đinh Sơn Thạch HV: Lê Phúc Quý Tunnelling magnetoresistance MỤC LỤC Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ 1.1 Những khái niệm vật liệu từ 1.2 Lịch sử từ học 1.3 Nguồn gốc từ tính 1.4 Các đại lƣợng đặc trƣng từ 1.5 Phân loại vật liệu từ 1.5.1 Chất nghịch từ 1.5.2 Chất thuận từ 1.5.3 Chất sắt từ 1.5.4 Chất phản sắt từ 1.5.5 Chất feri từ 1.6 Các tính chất nội vật liệu 1.6.1 Độ từ hóa bão hòa (Ms) 1.6.2 Sự dị hƣớng từ 1.6.3 Các đômen từ 1.7 Hiện tƣợng từ trễ 1.8 Các thông số từ 10 1.9 Các vật liệu từ khác 10 1.9.1 Vật liệu từ giảo 10 1.9.2 Từ trở 11 CHƢƠNG II TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR) 2.1 Lịch sử phát triển 12 2.2 Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm 12 2.3 Cơ chế hiệu ứng TMR 13 HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance 2.4 Độ dẫn điện số tiếp xúc 14 2.4.1 Tiếp xúc hai điện cực kim loại kim loại thƣờng 14 2.4.2 Hiệu ứng tiếp xúc điện có từ tính 14 2.5 Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm phụ thuộc spin 15 2.6 Mô hình điênh tử hiệu ứng xuyên hầm 18 2.7 Tiêm spin 19 2.8 Các yếu tố ảnh hƣờng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm 19 2.8.1 Ảnh hƣởng lớp tiếp xúc xuyên hầm 19 2.8.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ hiệu ứng TMR 22 2.8.3 Sự phụ thuộc hiệu điện hiệu ứng TMR 23 2.84 Chiều cao rào tính chất chuyển cục 24 2.8.5 Tiếp xúc xuyên hầm kép 24 CHƢƠNG 3: Ứng Dụng 3.1 Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) 26 3.1.1 Kiến trúc MRAM 26 3.1.2 Cách thức hoạt động MRAM 27 3.2 Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm 28 3.3 Đầu đọc từ ổ DHH 30 3.4 Cảm biến chất lƣợng cao 31 Tài liệu tham khảo HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Mở đầu Ngày nay, phát triển vượt trội khoa học công nghệ đưa người vào giới hiên đại Đóng góp vào phát triển làm thay đổi diện mạo giới người ta phải kể đến vật liệu từ Có thể dễ dàng nhận thấy linh kiện từ tính sử dụng thiết bị, dụng cụ quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô – xe máy, phận nhớ máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ em…Vật liệu từ thiếu ngành công nghiệp điện (tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,…), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế tạo ôtô, tầu thủy,… Và tiểu luận nhỏ này, muốn đề cập hiệu ứng vật liệu từ, hiệu ứng góp phần đưa công nghệ linh kiện người lên tầm cao mới, hiệu ứng “từ điện trở xuyên hầm” (Tunnelling magnetoresistance) Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm Julliere phát công bố năm 1975 Nếu trước đây, spin electron không đuợc giới vật lý lưu ý nghiên cứu tượng chuyển tải dòng điện, sau phát “Từ điện trở xuyên hầm”, vai trò điện tử spin củng cố , quan tâm tới spin mở phạm trù cho vật lý đại, nhánh cho ngành vi điện tử, „„Điện tử spin‟‟ (spintronic) Hiệu ứng „„Từ trở xuyên hầm‟‟ từ khám phá hứa hẹn tiềm lớn, ứng dụng cho ngành vi điện tử Và sau hiệu ứng thành công ứng dụng chế tạo nhớ điện tử MRAM (Magnetic Random Access Memory) Bộ nhớ MRAM có ưu điểm tiêu thụ điện hơn, có khả lưu trữ thông tin ổ đĩa cứng, chí lưu trữ thông tin dòng điện bị ngắt, có tốc độ đọc ghi nhanh nhiều không bị suy giảm theo thời gian Ngoài nhiều ứng dụng khác đáng quan tâm, trình bày phần ứng dụng tiểu luận HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ 1.1 Những khái niệm vật liệu từ Từ học môn khoa học lâu đời vật lý Các nghiên cứu ứng dụng tượng từ lý giải tượng từ bắt đầu Châu Âu từ kỷ 17, mà mở đầu công trình William Gilbert sau nghiên cứu Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell mở đầu cho việc đem ứng dụng từ học vào sống Từ tính thuộc tính vật liệu Tất vật liệu, trạng thái, dù hay nhiều biểu tính chất từ Việc nghiên cứu tính chất từ vật liệu giúp khám phá thêm bí ẩn thiên nhiên, nắm vững kiến thức khoa học kỹ thuật để ứng dụng chúng ngày có hiệu hơn, phục vụ lợi ích người, đặc biệt lĩnh vực từ học Cho đến ngày nay, từ học chủ đề lớn vật lý học với nhiều tượng lý thú nhiều khả ứng dụng khoa học, công nghệ, y - sinh học, sống 1.2 Lịch sử từ học 1600 Dr, William Gilbert - thí nghiệm từ học:” De Magnete” 1819 Oerstead - gắn liền từ học điện học 1825 Sturgeon phát minh nam châm điện 1880 Warburg vẽ chu trình trễ sắt 1895 Định luật Curie đề xuất 1905 Langevin lần giải thích tính chất nghịch từ thuận từ 1906 Weiss đưa lý thuyết sắt từ Những năm 1920 Vật lý từ học phát Hình 1.1 Hình đường sức trỉển với lý thuyết liên quan đến spin electron lưỡng cực từ tương tác trao đổi; bắt đầu học lượng tử 1.3 Nguồn gốc từ tính Hầu hết người biết vật liệu từ gì, người biết nam châm họat động nào? Trường tạo nam châm liên hệ với chuyển động tương tác electron, hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo hạt nhân nguyên tử Electron dang quay tròn tạo mômen từ quỹ đaợ riêng , đo magneton Bohr ( B), có mômen từ spin tương ứng với electron tự quay , giống trái đất quay trục thân nó.( HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance minh họa hình 2) Trong hầu hết vật liệu có mômen từ tổng cộng, nhờ electron tạo thành nhóm cặp, gây mômen từ bị trượt tiêu lân cận Trong vật liệu từ đó, mômen từ với tỷ lệ lớn electron xếp, tạo từ trường đồng Trường tạo vật liệu ( nam chân điện) có hướng chảy nam châm thể lực để cố gắng xếp theo từ trường ngoài, giống kim la bàn Hình 1.2 Quỹ đạo electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử 1.4 Các đại lƣợng đặc trƣng từ - Độ từ hóa (M) vật liệu: Mômen từ đơn vị thể tích vật liệu - Độ từ hóa riêng ( ): Mômen từ đơn vị khốI lượng - Cảm ứng từ (B) vật liệu: Từ thông tổng cộng từ trường qua đơn vị tiết diện cắt ngang vật liệu B = (H+M) B=H+4 M - độ từ thẩm chân không ( x 10 -7 Hm-1), tỷ số B/H đo chân không M - Độ cảm từ vật liệu: H - Độ từ thẩm: B H - Độ phân cực từ: J = 0M 1.5 Phân loại vật liệu từ 1.5.1 Chất nghịch từ Trong vật liệu nghịch từ , nguyên tử mômen từ riêng từ trường đặt vào Dưới ảnh hưởng từ trường (H) electron quay tiến động chuyển động , loại dòng điện, tạo HV: Lê Phúc Quý Hình 1.3 Đường cong từ hóa chất nghich từ Page Tunnelling magnetoresistance độ từ hóa (M) hướng đối diện với phương từ trường Tất vật liệu có hiệu ứng nghịch từ, song thường trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn Giá trị độ cảm từ độc lập với nhiệt độ Chất nghịch từ có độ cảm từ 1.5.2 Chất thuận từ có giá trị âm nhỏ 1, vào khoảng 10-5 Chất nghịch từ có độ từ hóa > nhỏ, cỡ 10 - tỷ lệ với 1/T Có vài lý thuyết chất thuận từ , phù hợp cho loại riêng vật liệu Mô hình Langevin cho vật liệu với electron định xứ không tương tác với , trạng thái mà nguyên tử có mômen từ định hướng hỗn loạn chuyển động nhiệt Việc Hình 1.4 Đường cong từ hóa chất thuận từ áp đặt từ trường tạo xếp mômen mà độ từ hóa thấp theo phương từ trường Khi tăng nhiệt độ, chuyển động nhiệt tăng lên, trở nên khó để xếp mômen từ nguyên tử vậy, độ cảm từ giảm xuống Bản chất biết định luật Curie cho phương trình 7, C số vật liệu C gọi số Curie T Trong phương trình này, dương, âm không Rõ ràng = 0, định luật Curie-Weiss định luật Curie Khi khác không có tương tác mômen từ lân cận vật liệu thuận từ nhiệt độ chuyển tiếp Nếu dương vật liệu sắt từ nhiệt độ chuyển tiếp giá trị tương ứng với nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC) Nếu âm, vật liệu phản sắt từ nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá trị không liên quan tới TN 1.5.3 Chất sắt từ: độ cảm từ c có giá trị lớn, cỡ 106 Ở T < TC (nhiệt độ Curie) từ độ J giảm dần, không tuyến tính nhiệt độ tăng lên Tại T = TC từ độ biến Ở vùng nhiệt độ T > TC giá trị 1/c phụ thuộc Hình 1.5 a/ Sự xếp momen sắt từ nhiệt độ T < TC; b/sự phụ tuyến tính vào nhiệt độ Sắt từ vật liệu từ thuộc nhiệt độ bão hòa 1/χ mạnh, chúng tồn mômen từ tự phát, xếp cách có trật tự từ trường Sắt từ có nhiều tính chất độc đáo ứng dụng quan 1.5.4 Chất phản sắt từ: chất từ yếu, χ~ 104, phụ thuộc 1/ χ vào HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance nhiệt độ không hoàn toàn tuyến tính chất thuận từ có hõm nhiệt độ TN (gọi nhiệt độ Nell) Khi T < T N phản sắt từ tồn momen từ tự phát sắt từ chúng xếp đối song song dôi Khi T > TN xếp mômen từ spin trở nên hỗn loạn χ lại tăng tuyến tính theo t chất thuận từ 1.5.5 Chất feri từ: độ cảm từ có giá trị lớn, gần cửa sắt từ χ ~104 tồn mô men từ tự phát Tuy nhiên cấu trúc tinh thể chúng gồn hai phần mạng mag momen từ spin có giá trị khác xắp xếp Hình 1.6 a/ Sự xếp momen sắt từ nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc nhiệt độ bão hòa 1/χ phản song song với nhau, từ độ tổng cộng khác không từ trường Hình 1.7 a/ Sự xếp momen feri từ nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc tác dụng, vùng nhiệt độ T < TC Vì nhiệt độ bão hòa JS 1/χ feri từ feri từ gọi phản sắt từ không bù trừ 1.6 Các tính chất nội vật liệu 1.6.1 Độ từ hóa bão hòa (Ms) Độ từ hóa bão hòa (Ms) phép đo số lượng cực đại trường sinh vật liệu Nó phụ thuộc vào cường độ mômen dipol nguyên tử cấu tạo vật liệu chúng xếp chặt với Mômen dipol nguyên tử bị ảnh hưởng chất nguyên tử toàn cấu trúc electron bên hợp chất Mật độ xếp mômen nguyên tử xác định cấu trúc tinh thể ( tức không gian mômen ) có mặt nguyên tố từ tính bên cấu trúc Đối với vật liệu sắt từ, nhiệt độ định, Ms phụ thuộc vào việc mômen từ xép tốt nào, dao động nhiệt nguyên tử gây sai hỏng xếp mômen làm giảm Ms Độ từ hóa bão hòa xem độ từ hóa tự phát, nhiên số hạng thường sử dụng để mô tả độ từ hóa bên đơn đômen từ 1.6.2 Sự dị hƣớng từ HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Hình 1.8 Sự dị hướng từ tinh thể cobalt Trong vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ phụ thuộc vào phương tinh thể hóa, mà dipol từ xếp Hình biểu diễn hiệu ứng đơn tinh thể cobalt Cấu trúc tinh thể hexagonal cobalt từ hóa dễ dàng theo phương [0001] ( tức dọc theo trục c), có trục khó độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm mặt phẳng sở ( 90o so với trục dễ) Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa trường dị hướng, (minh họa hình ), trường đòi hỏi để quay tất mômen 90o, đơn vị đơn tinh thể bão hòa Sự dị hướng gây liên kết quỹ đạo electron mạng theo phương dễ từ hóa liên kết làm cho quỹ đạo trạng thái lượng thấp 1.6.3 Các đômen từ Để giải thích thật vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát tồn trạng thái khử từ, Weiss đưa khái niệm đômen từ Weiss xây dựng sở công trình trước Ampère, Weber Ewing đưa tồn chúng Các kết tìm thấy công trình liên quan đến điều bên đômen số lớn mômen nguyên tử định hướng 10 12 – 10 18, vượt khối lượng lớn nhiều so với dự đoán trước Độ từ hóa bên đômen bão hòa nằm theo phương từ hóa dễ từ trường đặt vào Phương định hướng đômen ngang qua khối lượng lớn vật liệu ngẫu nhiên nhiều hay độ từ hóa mẫu không Hình 1.9 Minh họa chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) ba đômen, (c) Các đômen khép kín HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance Việc đưa vào đômen làm tăng lượng tổng cộng hệ, việc chia thành đômen tiếp tục việc giảm lượng tĩnh từ lớn so với lượng đòi hỏi để tạo vách đômen Năng lượng liên quan đến vách đômen tỷ lệ với diện tích Việc biểu diễn sơ đồ vách đômen hình 1.10, mômen dipol nguyên tử bên vách không nằm 180o lương trao đổi tăng lên bên vách Vì vậy, lượng vách đômen tính chất nội vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể cường độ Hình 1.10 đômen sắt từ tương tác trao đổi nguyên tử lân cận Độ dày vách thay đổi tương quan đến thông số này, dị hướng từ tinh thể mạnh phù hợp vách hẹp, mà tương tác trao đổi mạnh thích hợp với vách rộng 1.7 Hiện tƣợng từ trễ Các vật liệu sắt từ ferit từ có đường cong từ hóa ban đầu không tuyến tính ( tức đường chấm hình 1.11), độ từ hóa thay đổi với từ trường thay đổi cấu trúc đômen từ Các vật liệu tính trễ độ từ hóa không quay giá trị không sau cắt từ trường Trên phần tư thứ chu Hình 1.11 Một chu trình trễ điển hình trình minh họa đường cong từ hóa vật liệu sắt từ hay ferít ban đầu ( đường chấm chấm), tăng độ phân cực (độ cảm ứng ) lên áp đặt trường đến mẫu chưa bị từ hóa Trong phần tư thứ nhất, độ phân cực trường , hai dương, tứ chúng hướng Khi độ phân cực tăng lên nửa lớn lên đômen, phương độ từ hóa đômen quay từ trục dễ sang định hướng với trường Khi tất đômen định hướng hoàn toàn với trường bão hòa đạt độ phân cực tăng Trên hinh 1.12, đường xuất phá từ điểm bão hòa đến trục y nằm ngang, biểu diễn vật liệu định hướng tốt, đômen từ hóa theo hướng dễ tinh thể điểm bão hòa Nếu hướng trường ngược lại ( tức theo hướng âm ) phân cực theo đường đỏ vào phần tư thứ hai Hiện tượng trễ nghĩa phân cực HV: Lê Phúc Quý Page Tunnelling magnetoresistance F n1 m n vx T ( x )dvx F D( x )T ( x )d (3) x Với εx=(mv2x)/2 , vx thành phần theo trục x vận tocosv điện tử, n(vx) số điện tử đơn vị thể tích với vận tốc nằm khoảng vx vx + dvx T(εx) xác suất xuyên hầm Mật độ trạng thái D(εx) điện tử có động εx cho công thức: D 2m3 h3 x m2 h3 dv y dvz f ( ) Với f0 hàm phân bố Fermi Ở ta sử dụng hệ tọa độ với vr2 m2 h3 n1 f0 v y2 vz2 r x d (4) r r vr2 / 2m , nhận được: d r F T d x f0 x r x (5) Trong công thức, xác suất xuyên hầm T(εx) tính toán phương pháp xấp xỉ WKB ( Wentxel – kramers – Brillouin ) sa: T exp x x2 h 2m V x (6) dx x x1 Tương tự vậy, số điện tử xuyên hầm qua lớp cách điện n2 từ màng F2 đến F1 là: m2 h3 n2 F T x d f0 x r eV d x (7) r Tổng số điện tử tổng cộng n xuyên hầm qua màng cách điện là: m2 h3 n n1 n2 F T x d x f0 r x f0 r x eV d r f0 r x f0 r x eV d r Và mật độ dòng xuyên hầm là: J em2 h3 en F T x d x (8) Nếu biểu diễn rào dạng V(x) = εx+U(x) T(εx) cho xấp xỉ công thức T x exp A F x với A w h 2m Chiều cào rào trung bình: x2 U x dx x1 w HV: Lê Phúc Quý Page 19 Tunnelling magnetoresistance Và độ rộng rào thế: f0 r f0 x r eV d x eV 0< r F x eV F eV eV < F (9) x F Do biểu thức dòng xuyên hầm trở thành: em h3 J J J0 eV F F eV exp A F x exp dx F F A eV exp A eV exp A F x dx eV (10) eV Dòng xuyên hầm J biểu diễn qua chiều cao rào trung bình rào W sau : độ rộng J (11) J0 Với J exp A e h w eV exp A eV Số hạng thứ biểu thức đặc trưng cho dòng xuyên hầm điện tử từ điện cực F1 đến điện cực F2 số hạng thứ hai đặc trưng cho điện tử từ điện cực F2 đến điện cực F1 Công thức gọi Simmon Trong trường hợp eVeV, eV U0 =(U0-eV/2) J biểu diễn dạng: eV exp A U0 eV (15) 2.7 Tiêm spin Ý tưởng thiết kế linh kiện điện tử hệ mới, transistor spin,luôn đòi hỏi phải hội đủ bốn yếu tố: (i) tạo nguồn, (ii) vận chuyển, (iii) điều khiển, (iv) nhận biết điện tử có spin phân cực Công đoạn tạo nguồn điện tử có spin phân cực chất bán dẫn thường dđược gọi trình tiêm spin ( spin injection ) Các thí nghiệm đầu tiền ý nghĩ đơn giản tiêm spin cách sử dụng điện cực sắt từ để tạo tiếp xúc Ohmic Lý đơn giản điện tử chất sắt từ phân cực, tiêm spin thành công Tuy nhiên, thí nghiệm không đạt mong muốn Sau đó, người ta phát việc ghép nối độ dẫn tạo tiếp xúc Ohmic chất bán dẫn trở ngại trình tiêm spin Khái niệm ghép nối độ dẫn giải thích sơ đồ minh họa hình 2.7 Trong thí nghiệm tiêm spin, điện trở linh kiện chia thành hai phần: phụ thuộc spin (Rs) không phụ thuộc spin (Ro) Điện trở chất bán dẫn thường độc lập với định hướng spin, lúc điện trở tiếp xúc sắt từ/ bán dẫn phụ thuộc spin Khi tiếp xúc Ohmic thiết lập hiễn nhiên Rs < Ro Vì vậy, vận chuyển điện tự định chủ yếu điện trở không phụ thuộc spin chất bán dẫn Điều có nghĩa dòng điẹn tử chủ yếu dòng điện tử không phân cực nên thực trình them spin Để có dòng điện tử phân cực spin đủ lớn, tức tiêm nhiều spin, độ dẫn phần phụ thuộc spin phải nhỏ độ dẫn phần không phụ thuộc spin hay Rs > Ro Hình 2.7 Sơ đồ đơn giản minh họa đóng góp phần điện trở ghép nối độ dẫn thí nghiệm tiêm spin 2.8 Các yếu tố ảnh hƣờng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm 2.8.1 Ảnh hƣởng lớp tiếp xúc xuyên hầm Độ gồ ghề bề mặt điện cực sắt từ thứ dẫn tới tương tác lưỡng cực kiên kết kiểu “ orange peel ” hai điện cực sắt từ, làm tăng liên kết lớp, không cho phép vecto tờ độ màng sắt đảo chiều tằng cách độc lập với Tiếp đến việc chế tạo màng cách điện mỏng làm hàng rào xuyên hầm bề mặt ghồ ghề rà khó mức độ bao phủ lớp cách điện lên bề mặt không đồng Lớp vật liệu cách điện phải đủ dày để không tồn chỗ nối thông HV: Lê Phúc Quý Page 21 Tunnelling magnetoresistance hai điện cực sắt từ làm đánh thủng lớp cách điện, phải đủ mỏng để điện tử thực trình xuyên hầm Độ dày độ đồng thành phần oxi oxit ảnh hướng nhiều đến hiệu ứng TMR tiếp xúc xuyên hầm Phương pháp phổ biến sử dụng để đánh giá tính chất hàng rào xuyên hầm làm khớp đường cong I-V cới công thức Simmon để thu chiều cao rào trung bình ( ) độ dày hiệu dụng (w) rào Thông thường rào có chất lượng tốt giá trị thu từ việc khớp đường cong có độ lớn cỡ vài eV Nếu tồn oxit từ tính rào giá trị nhỏ eV Phần quan trọng việc tao tiếp xúc xuyên hầm việc hình thành tào xuyên hầm Tiếp xúc xuyên hầm sắt từ chế tạo phòng thí nghiêm sử dụng hệ bốc bay chân không cao (< 10-7 torr) hệ phún xạ catot xoay chiều Trong số trường họp phương pháp eepitaxi chum phân tử (MBE) sử dụng Kết đạt giống mẫu làm hệ thống nói 28.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ hiệu ứng TMR Sự phu thuộc tỉ số TMR theo nhiệt độ phát tiếp xúc xuyên hầm với điện cực kim loại không từ tính Để giải thích điều cần phải phát triển mô hình Julliere cách giả thiết bên cạnh độ dẫn xuyên hầm trực tiếp phụ thuộc spin cong có đóng gớp khác gọi độ dẫn xuyên hầm không phụ thuốc spin GSI (độc lập với định hướng vecto từ độ M ) Trong trường hợp độ dẫn xuyên hầm viết: G(θ) = GT {1+P1P2sos(θ)} + GSI Trong θ góc định hướng vector độ từ hóa hai điện cực sắt từ Có vài nghuyên nhân dẫn đến việc suy giảm TMR theo nhiệt độ Trước hết, xuyên hầm qua hàng rào bị thay đỏi chút tí theo nhiệt độ mở rộng phân bố Fermi bên điện cực Hiệu ứng đóng góp vào độ dẫn xuyên hầm qua thông số đặc trưng GT sau: GT = G0CT/sin(CT) G0 số C = 1.387.104 w/ với w độ rộng hàng rào ( tính theo A ) điih cao hàng rào ( tính theo eV) Giá trị GT 300 K lớn vài phân trăm so với giá trị K Thứ hai thay đỏi phân cực P điện cực theo nhiệt độ T Đối với điện cực hợp kim có thành phần thay đổi, giá trị P xác định tỉ lệ với mômen từ Suy rộng , độ phân cực P phụ thuộc vào nhiệt độ T tương tự phụ thuộc vào nhiệt độ Sự phụ thuộc từ độ vào nhiệt độ nghiên cứu hoàn chỉnh HV: Lê Phúc Quý Page 22 Tunnelling magnetoresistance mổ tả xác kích thích nhiệt sóng spin nhiệt độ Currie (TC) theo định luật T3/2 Bloch Độ phân cực mô tả theo biểu thức sau: P(T) = P0(1-αT3/2) Trong α số phụ thuộc vật liệu Giá trị α phần khối khác nói chung lớn so với giá trị của α bề mặt Từ phương trình 43 thu thay đổi độ dẫn (ΔG) cho vector từ độ hai điện cực sắt từ trạng thái song song (θ = 0) phản song song ( θ = π): ΔG = G(0) – G(π) = 2GTP1P2 Do đó: TMR = 2GTP1P2 / [GT (1- P1P2)+ GSI] Độ dẫn xuyên haamg không phụ thuộc spin hàm mũ nhiệt độ theo biểu thức GSI T T với giá trị γ vào khoẳng 1,35 Vì GSI tăng thwo nhiệt độ nhanh độ dẫn xuyên hầm trực tiếp ( phụ thuộc spin ) Điều giải thích suy giảm mạnh tỉ số TMR theo nhiệt độ nhiệt độ phòng GT vaP(T) thay đổi yếu theo nhiệt độ điện cực có nhiệt độ Curri cao 2.8.3 Sự phụ thuộc hiệu điện hiệu ứng TMR Nhìn chung, tỉ số TMR giảm mạnh tăng hiệu điện giưa hai điện cực Đó ảnh hưởng điện trường lên hình dạng hàng rào Sự tăng hiệu điện làm tăng tổng độ dẫn làm giảm tỉ số TMR Giá trị tính toán lý thuyết tỉ số TMR theo mô hình điện tử tự giảm chậm nhiều so với suy giảm thu từ kết thực nghiệm, đặc biệt vùng hiệu điện thấp Ngoài phụ thuộc vào lượng độ phân cực spin so ảnh hưởng cấu trúc vùng xó thể làm giảm tỉ số TMR vùng hiệu điện cao Trong thực tế suy giảm mạnh tỉ số TMR ảnh hưởng magnon bên lớp sắt từ, chúng cung cấp thêm lượng cho điện tử, gây bất trật tự spin điện tử xuyên hầm làm tăng tổng độ dẫn Tuy nhiên, chế lúc giải thich kết thực nghiệm phụ thuộc tỉ số TMR vào hiệu điện phụ cào độ cao chiều rộng hàng rào 2.8.4 Chiều cao rào tính chất chuyển cục Để có thêt chế tạo tiếp xúc xuyên hầm sử dụng đầu đọc nhơ truy cập ngẫu nhiên( random access memory -RAM) điện trở tiếp xúc xuyên hầm phải kiểm soát cách xác thăng giáng điện trở nhỏ tốt Chính lý mà đặc trưng tính chất chuyển cục cần nghiên cứu mô tả kỹ Thông thường, để làm việc người ta dùng hệ kính hiển vi quét đầu dò vào gồm hiển vi lực nguyên tử (AFM)và hiển vi HV: Lê Phúc Quý Page 23 Tunnelling magnetoresistance quét xuyên hầm (STM) Đó thực công cụ hiệu để thu đặc trưng tính chất điện hệ kích thước bé thang nano mét Để thảo luận cách định lượng chất lượng rào thế, đặc trưng I-V điểm khác khảo sát Các đặc trưng làm khớp công thức Simmon để thu chiều cao rào độ dày hiệu dụng w rào Kết cho thấy độ dày hiệu dụng điểm gần chiều cao rào lại thay đổi theo vùng Mặt khác, sai khác bất đồng gây nên mặt hình thái gây nên Kết độ tương phản cao rào cục Sự phân bố cục thiếu O2 trình hình thành lớp oxit mức độ nguyên tử so với thành phần danh định gây nên Kết thực nghiệm cho thấy rằng, ảnh điện thu sau trình ủ nhiệt cho độ tương phản đồng Điều giải thích giá trị TMR thu lại tăng lên mẫu ủ nhiệt khoảng nhiệt độ thích hợp 2.8.5 Tiếp xúc xuyên hầm kép Tiếp xúc xuyên hầm thuộc spin kép bao gồm ba lớp sắt từ ngăn cách hai lớp hàng rào vật liệu cách điện mô tả hình 2.8 Trong hai lớp sắt từ bị ghim chặt nhờ tương tác trao đổi với hai lớp phản sắt từ Lớp sắt từ chế tạo từ vật liệu sắt từ mềm cho cần từ trường nhỏ từ độ bị quay theo chiều từ trường Lớp phản sắt từ Lớp từ bị ghim Lớp từ mềm Al2O3 Lớp từ bị ghim Lớp phản sắt từ Hình 2.8 : cấu trúc xuyên hầm phụ thuộc spin kép Điện tử thực xuyên hầm ngang qua hai lớp hàng rào Hiệu ứng TMR trường hợp giống trường hợp hàng rào có giá trị cao Giá trị lớn nhiệt độ phòng TMR đạt hệ hàng rào kép 40% hệ màng NiFe/IrMn/CoFe/Al2O3/Co9Fe/Al2O3/CoFe/IrMn/NiFe Giá trị TMR nhận nhiệt độ phòng lớn giá trị tính toán theo mo hinh Julliere sử dụng độ phân cực spin CoFe, Co9Fe có tính đến phụ thuộc nhiệt độ TMR Giá trị lớn giá trị nhận từ hàng rào đơn CoFe/Al2O3/Co9Fe Nguyên nhân xuyên hầm liên tiếp hai lớp CoFe xuyên hầm trực tiếp ba lớp CoFe/Al2O3/Co9Fe HV: Lê Phúc Quý Page 24 Tunnelling magnetoresistance Hình 2.9 : TMR điện trở hệ rào kép chế tạo kĩ thuật quang khắc khắc ion HV: Lê Phúc Quý Page 25 Tunnelling magnetoresistance Chƣơng III: Ứng Dụng Hiệu ứng từ trở xuyên hầm sử dụng linh kiện hệ spintronic thứ nhất, điển hình nhớ RAM từ điện trở (MRAM) không tự xóa, transistor sử dụng tiếp xúc spin chui hầm cảm biến chất lượng cao 3.1 Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) : MRAM nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính Nó ghi nhớ liệu thuộc tính từ, có khả lưu trữ thông tin ổ đĩa cứng, chí lưu trữ thông tin dòng điện bị ngắt Các nhớ MRAM có tốc độ đọc ghi nhanh nhiều không bị suy giảm theo thời gian Hình 3.1.: Tín hiệu TMR cấp từ trường ngoài, Xuất hai trạng thái bit rõ rệt o MRAM Trong MRAM, bit nhớ chiếm ô gọi bit stack bao gồm vài lớp mỏng Ở hiệu ứng từ trở xuyên hầm TMR (Tunneling Magnetoresistive) sử dụng hoạt động ô nhớ Thực bit đọc cách xác dựa vào thay đổi đột ngột điện trở (và kéo theo điện thế) dễ dàng nhận biết được: tín hiệu TMR mức cao tách biệt lớn so với mức thấp mặt điện trở nên hình thành trạng thái hai bit 3.1.1 Kiến trúc MRAM Để thiết kế linh kiện MRAM, bit stack đ ược xắp xếp ma trận hình chữ nhật bit line word line Thể hình Khi bit cell transistor đóng (turn on), dòng điện cung cấp cho bit line, xác định bit, bit đọc Để viết quan trọng hai trường điện từ: chọn bit transistor tắt (off) nguồn cung cấp cho bit line, word line tất bit dọc hai line „chọn phân nửa‟ („half-selected‟), tổng từ trường đủ giao chúng Khi chọn bit cell bit bị thay đổi Hình mô tả trình viết MRAM ma trận HV: Lê Phúc Quý Page 26 Tunnelling magnetoresistance Hình 3.2 bit cell xếp theo ma trận Bit điện trở xác định số thời gian RC thời gian đọc liệu, ví dụ ô có giá trị điện trở 10 kΩ cho phép thời gian truy xuất cỡ nano giây (ns) Tich điện trở ×diện tích (R × A) xác định độ cao rào chắn xuyên hầm φ độ dày t Giá tri điện trở dao động xung quanh tâm phụ thuộc vào lớp tiếp giáp, điều chỉnh đường kính độ dày hàng rào ngăn cách không đồng gây ghồ ghề điện cực Có thể giữ tín hiệu TMR cực đại với giá trị R×A khoảng 100-106 Ω.μm2, độ dày lớp AlOx khoảng Å 20 Å Rất nhiều nghiên cứu thực nhằm giảm giá trị R×A xuống tới Ω.μm2 giữ đầy đủ tính chất TMR phép sử dụng chuyển đổi spin để đảo ngược độ từ hóa ghi bit ô Bit ô quét giá trị R×A thấp giữ giá trị bit điện trở xác định, ô bit thấp 90 nm 3.1.2 Cách thức hoạt động MRAM 3.1.2 .1 Quá trình đọc Thiết bị đọc cách đo điện trở tác động cấu trúc, có liên quan tới chức trạng thái lớp không từ Để làm điều lớp không từ kết nối với dây dẫn điện, gọi bit line, lớp đáy kết nối với transistor đóng (turned on) Sau cấp dòng điện cho bit line, dòng điện chảy qua bit stack đồng thời qua transistor Để truy xuất trạng thái bit, điện trở bit so sánh với giá trị điện trở nằm giá trị bit cao (Rhigh) bit thấp (Rlow) Giá trị điện trở mằn khoảng Rhigh Rlow phải giảm Vì tồn giá trị điện thuận lợi để đọc l xấp xỉ 30 mV Đây giá trị cao so với mạch tích hợp ngày HV: Lê Phúc Quý Page 27 Tunnelling magnetoresistance Hình 3.3 trình đọc bit Hình 3.4 trình ghi bit 3.1.2 Quá trình ghi Một bit ghi cách cấp từ trường cho lớp tự (free layer) để đảo ngược từ hóa để làm việc transistor tắt (turned off) dây dẫn điện khác thêm vào phía bit cell, gọi digit line hay word line Khi cấp nguồn cho hai dây bit line digit line, chúng tạo hai từ trường, chúng kết hợp lại đảo ngược từ hóa lớp tự (free layer) Dòng điện digit line giữ cố định, tạo từ trường dọc theo trục khó bị từ hóa (hard axis) lớp tự Hướng dòng điện bit line chọn, từ trường tạo âm dương Từ trường phân bố dọc theo trục dễ bị từ hóa (easy axis) lớp tự Hình 3.5 Ảnh chụp MRAM phát triển SPINTEC 3.2 Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm Transitor từ xuyên hầm cấu trúc ba cực cực đáy lớp sắt từ đơn, kèm theo lớp vật liệu xuyên ngầm Các điện tử vượt rào lượng tiếp xúc phát xuyên ngầm để tiêm vào lớp đáy sắt từ nhờ hiệu (V EB) đặt vào hai cực phát cực đáy Tán xạ điện tử lớp đáy làm lượng làm biến đổi xung lượng Chỉ có diện tử giữ đủ lượng để vượt hàng rào Schottky cực góp truyền tới mức nằng lượng phù hợp vùng dẫn chất bán dẫn HV: Lê Phúc Quý Page 28 Tunnelling magnetoresistance Hình 3.6 sơ đồ vùng lượng MTT Khảo sát MTT với lớp rào AlOx theo báo: Magnetoelectronic Characteristics of Magnetic Tunnel Transistors with AlOx Tunnel Barrier Transitor từ xuyên hầm (MTTs) bờ phân cách đường hầm AlOx để đạt có hiệu ứng cao chuyển dời ”hot electrons” phụ thuộc spin Các rào cản cách nhiệt AlOx tạo phương pháp oxy hóa điều khiển plasma rf để tăng cường tính chất điện cấu trúc MTTs Hơn nữa, vấn đề quan trọng phương pháp cải thiện tính chất rào cản Schottky cực collector phương pháp plasma hóa học đế nên Si Tỷ lệ cao dòng từ dòng MTTs quan sát thực nghiệm khoảng 6% 42 μA VEB 0,5 V, tương ứng Đặc biệt, tỷ lệ chuyển đổi khoảng 10-2 thu cách thay đổi độ cao rào cản điện cực phát thu thí nghiệm Hình 3.7 : Dòng chuyển qua phụ thuộc mặt phân cách FM/Si (100) kích thích quang Tính chất mặt ghép Schottky CoFe (solid circle) NiFe (open circle) lớp base (b) đường cong đặt trưng M-H màng CoFe Si(100) bề mặt sau từ trường phụ thuộc dòng điện trường MTT với Si(100)/(60 Å)Co80Fe20/(20 Å)Al2O3/(70 Å)Co80Fe20/(100Å)Ir20Mn80/Ta HV: Lê Phúc Quý Page 29 Tunnelling magnetoresistance Trong công trình này, trình bày kết thực nghiệm cho MTTs với màng mỏng sắt từ làm cực emitter RT Nhấn mạnh thí nghiệm đặt độ cao khác Schottky cực base cực collector hai phương pháp tiền xử lý khác MTTs bao gồm lớp base NiFe, lớp emitter CoFe, lớp xuyên hầm AlOx lớp collector Si (100) Tính chất điện MTTs thảo luận rào chiều cao Schottky điện áp cực emitter / base Ngoài ra, thay đổi góc nghiêng trục lớp CoFe phân tích từ kế mẫu rung (VSM) 3.3 Đầu đọc từ ổ HDD Hiệu ứng „„từ-trở xuyên hầm‟‟ dùng để chế tạo đầu đọc/ghi đĩa cứng máy vi tính Để nhanh chóng đạt tới thông tin chứa đĩa cứng, máy vi tính phải có nhiều đầu đọc Mỗi lần thông tin (bit) qua, đầu đọc „„nhìn thấy‟‟ cực bắc hay cực nam, cực tạo thành từ trường Tùy theo chất nam hay bắc cực, bit thông tin nhị phân hay Mỗi bit xem nam châm đĩa cứng; đĩa 40 GigaOctet đựng 8*40*109, tức khoảng vài trăm tỉ, nam châm Khi mở máy vi tính, máy đọc số liệu đĩa đem chúng vào nhớ RAM (Random Access Memory), thời gian đạt tới nhớ RAM làm chất bán dẫn nhanh (cỡ phần trăm triệu giây đồng hồ) Cấu tạo Hình 3.8: cấu tạo ổ cứng HDD đầu đọc ghi ổ cứng Hoạt động Có vật liệu dẫn hình chữ U có cuộn dây dẫn xung quanh ( man châm hình móng ngựa ) để làm đầu đọc ghi ổ cứng Trong trình ghi số liệu lên ổ cứng , dòng điện cung cấp vào cuộn dây dẫn tạo từ trường xung quanh đầu đọc ghi Trường từ hoá bề mặt bên đầu đọc ghi , hạt từ tính thành HV: Lê Phúc Quý Page 30 Tunnelling magnetoresistance hàng , chúng theo chiều trái phải phụ thuộc vào chiều dòng điện cung cấp qua cuộn dây dẫn Bit lưu trữ liên tiếp hạt từ tính Hình 3.9: Quá trình đọc ghi số liệu ổ cứng HDD Trong năm 2005, ổ đĩa với đầu đọc sử dụng hiệu ứng điện trở xuyên hầm (TMR) giới thiệu Seagate cho phép ổ đĩa chưa dung lượng tới 400 GB với ghi đĩa 3.4 Cảm biến chất lƣợng cao Sensor TMR loại sensor ứng dụng đo nồng độ khí, đo cường độ điện trường, điện áp hay đo nồng độ hạt nano dung dịch Ở số hình ảnh sensor đo nồng độ hạt nano Hình 3.9: sensor cấu tạo sensor Hình 3.10 Sơ đồ thể sensor từ điện trở xuyên hầm (TMR) thiết lập cho việc phát hạt nano có đường kính 14 nm: (a) Stray trường hạt đồng từ hoá, (b) TMR-cảm biến với hạt bề mặt, (c) trạng thái cân từ tính điện cực sắt từ HV: Lê Phúc Quý Page 31 Tunnelling magnetoresistance Hình 3.11: hạt nano sensor với số lượng hạt khác Hình 3.12: giản đồ thể thay đổi điện trở hạt nano sensor (a) có hạt nano sensor HV: Lê Phúc Quý Page 32 Tunnelling magnetoresistance Tài liệu kham khảo [1] http://en.wikipedia.org/wiki/Tunnel_magnetoresistance [2] Tunneling-Magnetoresistance [3] Development of the study of tunnel magnetoresistance effect [4] Tunnel magnetoresistance (TMR) in ferromagnetic metalinsulator granular films [5] Theory of tunneling magnetoresistance in granular magnetic films [6] Magnetoelectronic Characteristics of Magnetic Tunnel Transistors [7] Development of a magnetic tunnel transistor based on a double tunnel junction [8] Tunnel spin polarization of Ni80Fe20/SiO2 probed with a magnetic tunnel transistor [9] Wide range and tunable linear magnetic tunnel junction sensor using two exchange pinned electrodes [10] A Study of Magneto-Resistive Read-Write Head Reliability Using Low-Frequency [11] Noise Measurement Technique [12] A Method to Design High SNR Nanoscale Magnetic Sensors Using an Array of [14] Tunneling Magneto-Resistive (TMR) Devices [15] Tunnel Magnetoresistance Effect and Its Applications [16] “ Vật liệu từ cấu trúc Nano điệnn tử học Spin “ (Nguyễn Hữu Ðức) [17] Vật liệu từ có cấu trúc nano (PGS.TS Trần Hoàng Hải) HV: Lê Phúc Quý Page 33 [...]... từ hóa của các lớp sẽ thay đổi và điện trở sẽ giảm xuống đến giá trị cực tiểu khi các phương của độ từ hóa của các lớp song song Hiệu ứng này cho sự xuất hiện của sự thay đổi điện trở 50-60%, và hiệu ứng được mang tên là từ trở khổng lồ (GMR) HV: Lê Phúc Quý Page 11 Tunnelling magnetoresistance Chƣơng II TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR) 2.1 Lịch sử phát triển Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm (Tunnelling magnetoresistance) ... từ xuyên qua đường hầm vào chất sắt từ kia Bởi vì quá trình này không thể xảy ra trong vật lý cổ điển, nên các Từ điện trở xuyên hầm là một hiện tượng trong cơ học lượng tử Hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng Hình 2.1 Mô hình tiếp xúc cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách xuyên hầm từ tính điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ. .. sàng trở thành hiện thực và sẽ nhanh tróng xuất hiện trong các máy tính trong một tương lai không xa 2.2 Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm Từ điện trở chui hầm (TMR) là một hiệu ứng từ điện trở xảy ra tại các tiếp xúc chui hầm từ tính (MTJs) Đây là một cấu hình gồm hai chất sắt từ được ngăn cách bởi một chất cách điện mỏng Nếu lớp cách điện mỏng là đủ mỏng (thường là một vài nanomet), các điện tử có thể từ. .. ứng từ trở lớn HV: Lê Phúc Quý Page 12 Tunnelling magnetoresistance Từ điện trở chui hầm hiểu đơn giản là sự thay đổi lớn của điện trở suất xảy ra ở các tiếp xúc từ chui hầm, là các màng mỏng với các lớp màng mỏng sắt từ được ngăn cách bởi lớp điện môi, đóng vai trò lớp rào ngăn cách chuyển động của điện tử Khi chiều dày lớp điện môi đủ mỏng, hiệu ứng chui hầm lượng tử sẽ xảy ra, cho phép điện tử xuyên. .. hiệu cho điện cực bên trái và bên phải và N1N2 là số điện tử tổng cộng của từng điện cực: N1= N1↑ + N1↓ , N2= N2↑ + N2↓ Khi bị từ hóa (dưới tác dụng của từ trường), ta có: GH ~ (N1↑ N2↓+ N1↑ N2↓) Hiệu ứng từ điện trở tương ứng với cấu trúc hình từ độ sông song của hai điện cực tiếp xúc xuyên hầm sẽ là: GH G0 G0 MR N1 N1 N2 N1 N 2 N2 PP 1 2 Hiệu ứng này cho thấy hiệu ứng từ- điện trở xuyên hầm tỉ lệ... lớp màng cách điện I được kẹp giữa hai lớp màng điện cực kim loại F1 và F2 Khi đặt vào một hiệu điện thế V vào hai điện cực ( dọc theo trục x) từ điện cực F2 đến F1 thì năng lượng của một điện tử trong điện cực F2 sẽ nhỏ hơn năng lượng của điện tử trong điện cực F1 một lượng eV Dòng điện ( có mặt độ dòng J ) xuất phát từ điện cực F2 tới điện cực F1 tạo thành bởi hiệu ứng xuyên hầm của các điện tử qua... từ giảo biểu hiện một sức căng thì độ từ hóa của vật liệu sẽ thay đổi Hình 1.13 Sơ đồ của một bộ truyền động (actuator) bằng tetfenol 1.9.2 Từ trở Từ trở (MR) là hiệu ứng mà điện trở của một vật liệu từ thay đổi phụ thuộc vào hướng tương đối của dòng điện và độ từ hóa Trong hầu hết các trường hợp, điện trở là cao nhất khi dòng điện và độ từ hóa là song song và thấp nhất khi chúng vuông góc Mức độ từ. .. sensor từ điện trở xuyên hầm (TMR) thiết lập cho việc phát hiện các hạt nano có đường kính là 14 nm: (a) Stray trường của một hạt đồng nhất từ hoá, (b) TMR- cảm biến với các hạt trên bề mặt, (c) trạng thái cân bằng từ tính của các điện cực sắt từ HV: Lê Phúc Quý Page 31 Tunnelling magnetoresistance Hình 3.11: hạt nano trên sensor với số lượng hạt khác nhau Hình 3.12: giản đồ thể hiện sự thay đổi điện trở. .. phân cực của các điện cực: P1 và P2 N1 N1 N1 N1 N2 N2 N2 N2 2.5 Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm phụ thuộc spin HV: Lê Phúc Quý Page 15 Tunnelling magnetoresistance Về hình thức, cơ chế của hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm như vậy giống với cơ chế của hiệu ứng GMR, trong đó quá trình tán xạ phụ thuộc spin đóng vai trò rất quan trọng: luôn luôn bắt buộc phải tạo được cấu trúc phản sắt từ được thiết lập... hai điện cực kim lại Đới với trạng thái song song(P), độ dẫn điện được viết: Gp ~ N1↑ N2↓+ N1↑ N2↓ HV: Lê Phúc Quý Page 16 Tunnelling magnetoresistance Đối với trạng thái phản song song(AP) độ dẫn được viết: GA ~ N1↑ N2↓+ N1↑ N2↓ Khi đó tỉ số từ điện trở của tiếp xúc xuyên hầm( TMR) sẽ là: TMR G GP GP GA GP 2 P1 P2 1 P1 P2 (1) Với P1 và P2 là độ phân cực spin của hai điện cực sắt từ Đối với tiếp xúc xuyên