Đang tải... (xem toàn văn)
Công nghệ Spintronic.
Mở Đầu Lý chọn đề tài Thế giới chứng kiến thay đổi chóng mặt khoa học công nghệ Sự phát triển khoa học công nghệ đem lại diện mạo cho sống người công nghệ điện tử viễn thông Tuy nhiên, công nghệ điện tử truyền thống tiến đến giới hạn cuối kích thước thang vi mô, mà bắt đầu thay thế hệ với đời khoa học công nghệ nano Hơn mười năm trở lại đây, ngành vật lý vật liệu tiến bước vượt bật với hai khám phá khoa học quan trọng : Tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao từ trở khổng lồ Cả hai đem lại cho công kỹ nghệ ứng dụng phi thường Đặc biệt nghiên cứu từ trở khổng lồ đưa đến tiến khó tưởng khả dự trữ thông tin máy vi tính ngày Hội đồng bình xét giải Nobel Vật lý năm 2007 Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thuỵ Điển vừa định trao giải Nobel Vật lý năm 2007 cho hai nhà vật lý Albert Fert (quốc tịch Pháp, Đại học Paris-Sud, Orsay, Pháp) Peter Grünberg (quốc tịch Đức, Trung tâm Nghiên cứu Juelich, Đức) cho phát kiến họ hiệu ứng từ điện trở khổng lồ Phát kiến góp phần tạo lĩnh vực spintronics (điện tử học spin), ngành nghiên cứu nhằm tạo hệ linh kiện điện tử mới, sử dụng đồng thời hai thuộc tính điện tử điện tích Hình 1: Peter Gründberg Albert Fert spin Spintronic- điện tử học Spin sản phẩm khoa học cơng nghệ nano mà đối tượng điều khiển spin tạo hệ linh kiện điện tử Thuật ngữ bắt đầu xuất từ tập niên 1990 bắt đầu trở thành xu hướng nghiên cứu nóng bỏng giới với nhiều triển vọng phát triển hứa hẹn Trong thời gian 10 năm qua, ba trung tâm khoa học công nghệ lớn giới là: Mỹ, Châu Âu Nhật Bản liên tục tăng cường đầu tư cho lĩnh vực khoa học công nghệ vừa mang tính mạo hiểm đầy triển vọng Đến tháng 11 năm 2001, Trung tâm đánh giá công nghệ Mỹ (WTEC) tổ chức Hội nghị chiến lược quan trọng nhằm: • Gặp mặt trao đổi thơng tin cộng đồng nghiên cứu tình trạng khuynh hướng nghiên cứu phát triển giới lĩnh vực Spintronics • Cung cấp đánh giá so sánh cường quốc Khoa học công nghệ giới nói để xác định trung tâm 'excerlence', làm rõ thời cơ, chiến lược nghiên cứu triển khai khả hợp tác lĩnh vực khoa học công nghệ mẻ Các nước Đông Á khác Hàn Quốc, Đài Loan, Singapore trọng tới hướng khoa học công nghệ Tháng 10 năm 1998 Bộ Khoa học Công nghệ Hàn Quốc cho thành lập Taejeon Trung tâm Nanospinics làm Vật liệu spintronic (CNSM), GS Sung-Chul Shin làm giám đốc Đến năm 2000 Trung tâm nghiên cứu Khoa học spin điện tử (eSSC) lại tiếp tục thành lập Đại học Pohang GS Yoon Hee Jeong làm giám đốc Các Trung tâm ưu tiên lớn kinh phí tổ chức, dự án cỡ triệu USD/ năm kéo dài khoảng năm Ở Đài Loan, Viện Vật Lý thuộc Viện Hàn lâm khoa học Đài Loan trọng ưu tiên hướng Khoa học Công nghệ spintronics Ở Singapore Trường Tổng hợp quốc gia Viện nghiên cứu tích trữ liệu thành lập chương trình nghiên cứu spintronics Đề tài spintronics chiếm vị quan trọng hội nghị Từ, Bán dẫn, Công nghệ nanô Điện tử giới Vấn đề kết hợp nghiên cứu với đào tạo, nghiên cứu với công nghiệp, hợp tác Phịng thí nghiệm lĩnh vực spintronics bàn đến nhiều diễn đàn Sau khoảng 10 năm Spintronics khơng cịn khoa học mơ tưởng nhóm người nữa, mà ngành khoa học cơng nghệ vừa có ý nghĩa cách mạng vừa có ý nghĩa kinh tế thực phát triển khoa học công nghệ giới kỷ 21 Người ta không ngần ngại mà kết luận rằng: Spintronics hệ linh kiện kỷ 21 thay cho linh kiện điện tử truyền thống điều khiển điện tích điện tử lỗi thời Spintronics không hướng công nghệ phát triển mạnh tương lai, có tác động mạnh mẽ đến cơng nghệ điện tử-tin học-viễn thông, kể lĩnh vực quân sự, kỷ 21, mà hướng quan trọng công nghệ nano nhằm tạo linh kiện, dụng cụ điện tử hoạt động theo nguyên lý hoàn toàn Ở Việt Nam nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano khơng cịn lạ mà vấn đề nghiên cứu nhiều Năm 1996 Hiệu ứng GMR màng mỏng từ dạng hạt cấu trúc van spin lần nghiên cứu nước viện ITIMS Nhiều năm sau số viện, trường đại học khác bắt đầu quan tâm, Viện Khoa Học Vật Liệu (IMS), trường đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Gần nhiều vấn đề khác spintronics tiếp cận triển khai nghiên cứu rộng rãi số sở đào tạo đại học nghiên cứu khoa học Dự kiến năm tới, xu hướng nghiên cứu spintronics nước quan tâm rộng rãi hơn, phát triển vấn đề phong phú sâu sắc Những kết nghiên cứu bật gần viện ITIMS liên quan đến spintronics trình bày báo cáo tổng kết đề tài “Vật liệu từ có hiệu ứng đặc biệt cấu trúc nano”, “Chế tạo ghiên cứu tính chất vật liệu từ cấu trúc nano”, đề tài cấp Bộ “Chế tạo chuyển đổi từ-điện sử dụng cảm biến van spin” (bổ sung) Spintronics vấn đề nghiên cứu nhiều nước ta Đó lí định chọn đề tài này: “Công nghệ Spintronics” Mục đích nghiên cứu Ngày với việc phát triển chóng mặt khoa học giới chạy đua tìm vật liệu với nhiều tính ưu việt Spintronics lĩnh vực nhiều nhà khoa học giới quan tâm Mục đích tơi nghiên cứu đề tài là: - Biết ứng dụng công nghệ Spintronics sống - Hiểu thêm kinh kiện điện tử tạo từ công nghệ Spintronics - Có nhìn tổng quan việc nghiên cứu tạo vật liệu - Biết trào lưu chế tạo vật liệu ngày Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành tốt đề tài nhiệm vụ cụ thể đặt là: - Tổng quan nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài - Tìm hiểu linh kiện điện tử thực tế - Nghiên cứu sở lý luận công nghệ Spintronics - Nghiên cứu ưu điểm, nhược linh kiện Spintronics Đối tượng nghiên cứu Để đạt mục đích nghiên cứu nhiệm vụ nêu xác định đối tượng nghiên cứu sau: - Cơ sở lý luận công nghệ Spintronics - Cấu tạo, hoạt động linh kiện tạo từ công nghệ Spintronics - Nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiện Spintronics Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu tìm hiểu sơ lược công nghệ Spintronics, nghiên cứu số linh kiện Spintronics điển hình, sơ lược kỹ thuật sử dụng công nghệ Spintronics Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Thu thập, xử lý, tổng hợp, khái quát tài liệu Nội Dung Chương I: Cơ sở lý thuyết I.1 Điện tích điện tử Điện tích điện tử gọi điện tích ngun tố có giá trị đặc trưng e = -1,6.10-19 C, người khai thác từ lâu mà đặc trưng đơn giản dòng điện Các linh kiện điện tử truyền thống sử dụng điện trường để điều khiển điện tích điện tử linh kiện I Spin điện tử Năm 1925, hai nhà vật lý người Hà Lan G E Uhlenbeck S A Goudsmit nhận thấy khối lượng lớn số liệu khó hiểu liên quan đến tính chất ánh sáng phát xạ hấp thụ nguyên tử giải thích giả thiết electron có tính chất từ đặc biệt Điện tử ngồi mơmen động lượng mơmen từ chuyển động quay xung quanh hạt nhân mà có cịn có mômen động lượng riêng mômen từ riêng chuyển động tự quanh Mơmen động lượng riêng gọi mômen động lượng spin hay gọi u r tắt spin, kí hiệu S Spin đặc trưng điện tử, đại lượng động lực gắn liền với lưỡng tính sóng- hạt đối tượng vi mô Mỗi electron vũ trụ luôn mãi quay với tốc độ cố định không thay đổi Spin electron trạng thái chuyển động thời vật quen thuộc mà ngun nhân khiến cho chúng tự quay Spin electron tính chất nội tại, cố hữu giống khối lượng điện tích Spin điện tử có độ lớn ±1/2, định hướng theo chiều chiều lên ↑ (spin up) chiều xuống ↓ (spin down) Mômen động lượng riêng đặc trưng số lượng tử s hình chiếu spin lên trục z đặc trưng số lượng tử ms u r S = s ( s + 1)h S z = ms h Thực tế mô tả spin chuyển động quay cách mô tả đơn giản mang tính chất hình ảnh khơng hồn tồn xác, spin thực tế đặc trưng hạt Các hạt có spin bán nguyên gọi fermion chúng tuân theo phân bố Fermi-Dirac, cịn hạt có spin ngun gọi boson chúng tuân theo phân bố Bose-Einstein I Dòng phân cực Spin Nếu dòng linh kiện truyền thống dịng điện tích, bit tạo nhờ chênh lệch điện tích dòng linh kiện spintronics dòng spin phân cực bit - tạo nhờ trạng thái định hướng spin "up" "down" Khái niệm dịng phân cực spin thực có từ trước phát hiệu ứng GMR, Mott đề xuất năm 1935 nhằm lý giải hiệu ứng AMR Mott cho nhiệt độ đủ thấp cho tán xạ magnon đủ nhỏ dịng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) thiểu số (có spin đối song song với từ độ) không bị pha trộn q trình tán xạ Sự dẫn điện coi tổng hợp hai dòng độc lập khơng cân hai loại spin có chiều khác Đó khái niệm dịng phân cực spin Và mơ hình Mott gọi mơ hình hai dịng điện, sau nhóm Campel mở rộng vào năm 1937, sau tiếp tục bổ sung hoàn thiện khái niệm quan trọng để mô tả hiệu ứng từ điện trở trình linh kiện spintronics Ở điều kiện khơng có từ trường, từ độ hai lớp phải định hướng phản song song với Điện tử truyền qua lớp từ tính tán xạ phụ thuộc vào định hướng tương đối véctơ từ độ spin điện tử Nếu spin chiều với từ độ tán xạ (tương ứng với điện trở nhỏ), ngược chiều gây tán xạ lớn (tương ứng với điện trở lớn) Hai dịng spin có chiều ngược tương đương với mạch điện mắc song song Khi có từ trường từ hóa, véctơ từ độ đảo chiều hướng theo chiều từ trường, dẫn đến việc thay đổi tán xạ hai dịng điện tử (xem hình vẽ) thay đổi điện trở "mạch điện" Cơ chế lý giải câu ngắn gọn "Tán xạ phụ thuộc vào spin điện tử" Như vậy, ta thấy mật độ spin up down khác nhau, dẫn đến thay đổi khả tán xạ mơmen từ dẫn đến việc thay đổi tính chất mạch điện Người ta đưa khái niệm độ phân cực spin dịng điện tử cho cơng thức: P (%) = n↑ − n↓ n↑ + n↓ Với n↑ , n↓ mật độ spin up down Độ phân cực có độ lớn từ đến 100% Có vật liệu dù sắt từ, lại có P nhỏ, có nghĩa khơng cho linh kiện spintronics Ta nhận thấy rằng, tính chất điện linh kiện điều khiển việc điều khiển thay đổi độ phân cực spin, hay điều khiển dòng spin phân cực Dòng phân cực spin tạo vận chuyển điều khiển để tạo tín hiệu cho linh kiện Trong q trình vận chuyển, dịng spin phân cực tương tác với vật liệu bên (ví dụ tương tác với vách đômen linh kiện dựa việc vận chuyển vách đômen ) trình tương tác điều khiển để tạo nên tính chất khác linh kiện Ví dụ người ta điều khiển hình thành, di chuyển tương tác vách đômen dạng xốy để điều khiển dịng phân cực spin linh kiện chuyển vận vách đômen I Vách Đômen Bổ sung Các chất sắt từ (mà điển hình sắt) chứa "vùng" nhỏ mà vùng mơmen từ định hướng song song theo chiều định Trong toàn vật sắt từ trạng thái khử từ, mômen từ vùng (gọi đômen) định hướng theo nhiều phương khác nhau, nhiên ta đặt từ trường vào mơmen từ đơmen có xu hướng định hướng theo chiều tạo nên từ độ khối vật từ - từ độ giữ lại từ trường bị ngắt bỏ (trạng thái từ dư) Từ lâu người ta biết lượng nhiệt gây dịch chuyển ngẫy nhiên biên đômen (gọi vách đơmen) Các nhiễu loạn ghi nhận thông qua việc quan sát bước nhảy bậc q trình từ hóa (gọi bước nhảy Bakhausen) từ hóa vật sắt từ Tuy nhiên, đo đạc thăng giáng vật liệu phản sắt từ lại khơng dễ dàng chút Vấn đề chỗ vật liệu có mơmen từ xếp thành phân mạng đối song song với chúng khơng có từ độ tồn khối Vì mà khơng thể ghi nhận thăng giáng phương pháp dò từ truyền thống Mới đây, nhóm Shpyrko cộng Phịng Thí nghiệm Quốc gia Argone (Chicago, Mỹ) xây dựng phương pháp để "nghe trộm" thăng giáng vách đômen kim loại phản sắt từ Cr cách sử dụng chùm tia X kết hợp nguồn xạ Argone's Advanced Photon Sourse, với hợp tác nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Chicago (Mỹ) University College London (Anh) Nhóm khai thác đặc tính tính phản sắt từ Cr chủ yếu phát sinh từ điện tử dẫn từ mômen từ nguyên tử Các điện tử tồn sóng mật độ spin (Spin density waves - SDWs), mà mật độ spin điện tử thay đổi theo hàm sin (cả chiều, độ lớn) với vị trí - gọi sóng spin Mặc dù tia X khơng thể dị tìm cách trực tiếp sóng spin, sóng spin lại tỉ lệ với sóng mật độ điện tích điện tử (charge density wave CDW), mà có mặt sóng ghi nhận cách sử dụng kỹ thuật phổ tương quan photon tia X (X-ray photon correlation spectroscopy - XPCS) I Hiệu ứng từ điện trở (MR) Hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance- MR) thay đổi điện trở vật dẫn gây từ trường Hiệu ứng lần phát William Thomson (Kelvin) vào năm 1856 với thay đổi điện trở không 5% Hiệu ứng gọi hiệu ứng từ điện trở thường Gần đây, nhà khoa học phát nhiều loại hiệu ứng từ điện trở nhiều loại vật liệu khác đem lại khả ứng dụng to lớn Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên độ lớn hiệu ứng từ điện trở, cho công thức: MR = ∆ρ ρ (0) − ρ ( H ) R (0) − R ( H ) = = ρ ρ (0) R (0) Đôi khi, số thiết bị, tỉ số định nghĩa bởi: MR = ∆ρ ρ ( H ) − ρ ( H max ) R ( H ) − R( H max ) = = ρ ρ ( H max ) R ( H max ) Với: ρ(H): Điện trở xuất vật dẫn có từ trường đặt vào ρ(0): Điện trở xuất vật dẫn khơng có từ trường ngồi đặt vào R(H): Điện trở vật dẫn có từ trường ngồi đặt vào R(0): điện trở vật dẫn khơng có từ trường đặt vào Hmax : từ trường cực đại khắp giới thực nghiên cứu liên quan đến công nghệ “up-andcoming” Các nhà khoa học nhiều thời gian đến để nghiên cứu chế tạo spin transitor giới Mặc dù, lý thuyết spin transitor tương đối đơn giản khó đưa lý thuyết vào thực tế Vì khác biệt lớn truyền dẫn điện chất bán dẫn kim loại, nên gần khơng thể kiểm sốt hướng chuyển động tự hạt electron Gần đây, nhà khoa học Hàn Quốc chế tạo thành công linh kiện điện tử hệ có tên “spin transitor” Một transitor hiệu ứng trường spin, kiểm soát phương hướng spin hạt, đột phá lĩnh vực Spintronics Không giống thiết bị bán dẫn truyền thống kiểm sốt dịng điện, spin transitor sử dụng spin hạt chuyển động quanh hạt nhân Sử dụng phương hướng spin electron, electron gửi bit liệu Spin transitor khơng giúp ích cho việc phát triển loại máy tính bật lên lập tức, khơng cần q trình khởi động mà cịn thực tích hợp thiết bị nhớ CPU vào chip đơn giản Transitor spin lưỡng cực (bipolar) Transitor spin lưỡng cực thực chất cấu hình gần van spin: bao gồm hai lớp sắt từ kẹp lớp kim loại khơng từ tính Transitor spin trường (Spin FET) Linh kiện SFET có cấu trúc giống transistor hiệu ứng trường (FET) cổ điển, có điều hai cực S (Sourse) cực D (Drain) vật liệu sắt từ có chức tạo dịng spin phân cực Cực S tiêm điện tử có spin song song với chiều truyền dẫn điện tử chuyển động kênh Khi đến cực D, spin điện tử ghi nhận nhờ cực sắt từ cách đơn giản, điện tử có spin chiều với từ độ vào Cực G (Gate) đóng vai trò tạo từ trường (hoặc điện trường) có tác dụng điều khiển dịng spin Có vật liệu khơng có spin phân cực, người ta tạo dòng spin phân cực vận chuyển kênh dẫn nhờ q trình truyền từ bên ngồi, gọi tiêm spin Sự tiêm spin nhờ nguồn vật liệu sắt từ bên (giống thơng qua cực S sắt từ có vai trị tạo dịng phân cực) đơi tạo spin phân cực nhờ tác động ánh sáng bên ngồi (có nghĩa kết hợp tính chất quang - giống photodiode hay phototransistor linh kiện quang điện tử) Transitor van spin (SVT) Transitor van spin cấu trúc ba cực cực đáy cấu trúc van spin kim loại bị kẹp hai lớp bán dẫn làm cực phát cực góp Trong SVT điện tử chuyển động vng góc với lớp van spin với lượng cao độ cao hang rào Schottky cực góp Transitor từ xuyên hầm (MTT) Transitor từ xuyên hầm có nguyên lý giống SVT, khác biệt đơn giản liên quan đến chất cấu trúc Spintronics Trong MTT lớp đáy không sử dụng cấu trúc van spin mà lớp sắt từ đơn III.3.2.4 Máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử Máy tính lượng tử dựa công nghệ Si, Ge GaAs tảng công nghiệp điện tử - viễn thơng đại: sử dụng tính chất xoay điện tử cặp chấm lượng tử Đây ứng dụng cơng nghệ spin tử (spintronics) Mẫu thiết kế (Friesen et al, 2003) diễn tả hình chế tạo cơng nghệ có a) Cấu trúc máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử: giếng lượng tử, tiếp hai bên lớp rào Hình Mẫu máy tính lượng tử từ cặp chấm lượng tử thông hầm lượng tử, mặt khắc theo thiết kế b) Các cổng mặt máy tính lượng tử với dãy chấm lượng tử, chấm lượng tử đặt khe đánh dấu chữ thập X Lớp giếng lượng tử dày nm giam cầm điện tử theo chiều thẳng đứng làm từ bán dẫn Si không pha tạp, hai rào hai bên dày 10 nm (dưới) 20 nm (trên) làm từ bán dẫn không pha tạp cho chiều cao rào tương ứng Cổng làm từ bán dẫn pha tạp, cổng làm từ kim loại khắc chia thành ô Các chấm lượng tử đặt khe hình vẽ Tùy theo điện áp đặt vào cổng mà, hai điện tử tách xa xích lại gần Bộ nhớ máy tính lượng tử "sống cịn" giữ lại thơng tin hồn tồn điện Hơn nữa, có lượng lớn qubits chồng chất trạng thái xoay chiều, máy tính lượng tử vận hành xử lý song song cho phép thuật toán lượng tử giải nhiều số lúc Các máy tính lượng tử khơng dùng logic nhị phân mà dùng vô số trạng thái spin với phối hợp trạng thái II.4 Các kỹ thuật sử dụng công nghệ Spintronics II.4.1 Các phương pháp Lithography Lithography phương pháp vật lý, dùng để khắc hình chi tiết nhỏ lên bề mặt vật liệu, để tạo chi tiết, linh kiện có hình dạng kích thước theo thiết kế Nguyên lý lithography mô tả hình Người ta phủ lớp chất hữu cơ, gọi chất cản quang lên bề mặt đế Dùng xạ chiếu lên Hình 2: Nguyên lý phương pháp Lythotrong EBL: a) kỹ thuật liff-off, b) kỹ thuật ăn mịn để làm biến đổi tính chất cản quang Cản quang chất có tính chất bị biến đổi tác dụng xạ (ánh sáng, điện tử ) Tùy theo loại cản quang mà có cách sau: a) Kỹ thuật lift-off Kỹ thuật tạo vật liệu sau có khn Tức ban đầu người ta phủ cản quang trực tiếp lên đế Loại cản quang có tính chất sau bị chiếu xạ bị biến đổi tính chất bị hịa tan dung dịch tráng rửa (phần khơng bị chiếu xạ khơng bị hịa tan) Bức xạ tạo hình chi tiết cần tạo chiếu lên cản quang Sau rửa qua dung dịch tráng rửa, ta có khe, giống việc ta đóng dấu lên bề mặt mềm Sau đó, cách kỹ thuật tạo màng, người ta bay bốc vật liệu cần tạo lên khe để có chi tiết thiết kế Sau tạo vật liệu cần thiết, khối rửa qua dung môi hữu để rửa trơi phần cản quang cịn dư loại bỏ vật liệu thừa bám bề mặt cản quang, cịn lại phần vật liệu có hình dạng tạo b) Kỹ thuật ăn mòn Trong kỹ thuật ăn mịn, cản quang có tác dụng bảo vệ phần vật liệu muốn tạo hình Người ta phủ vật liệu cần tạo lên đế, sau phủ chất cản quang đem chiếu điện tử Cản quang sử dụng cản quang âm, tức thay đổi tính chất cho khơng bị rửa trơi sau qua dung dịch tráng rửa, có tác dụng bảo vệ phần vật liêu bên Sau mẫu đưa vào buồng ăn mịn, phần vật liệu khơng có cản quang bị ăn mịn giữ lại phần bảo vệ, có hình dạng cản quang Cuối rửa cản quang dung môi hữu Các kỹ thuật ăn mòn thường dùng ăn mịn khơ, sử dụng plasma hỗn hợp khí có tính phá hủy mạnh (CH4/O2/H2, F2 ); hay ăn mịn hóa ướt cách dung dịch hóa chất Cản quang bị hịa tan dung mơi hữu cơ, dung dịch tráng rửa, lại không bị phá hủy q trình ăn mịn nên có tác dụng bảo vệ phần vật liệu bên Hình 3: Nguyên lý Photolithography Đây nguyên lý chung phương pháp lithography Tùy theo xạ sử dụng mà ta có phương pháp lithography khác photolithography (quang khắc) hay electron beam lithography (quang khắc chùm điện tử) Photolithography (quang khắc): phương pháp khắc cách sử dụng ánh sáng (tử ngoại tia X) để tạo chi tiết bề mặt Bức xạ dùng để biến đổi cản quang ánh sáng tử ngoại (hoặc dùng tia X) Phương pháp sử dụng phổ biến công nghiệp bán dẫn vi điện tử Electron beam lithography (quang khắc chùm điện tử, EBL) phương pháp khắc cách sử dụng chùm điện tử có lượng cao làm biến Sơ đồ nguyên lý thiết bị EBL đổi chất cản quang phủ bề mặt phiến Đây công cụ phổ biến để tạo chi tiết, linh kiện có kích thước nhỏ với độ xác cực cao II.4.2 Kỹ thuật chế tạo phương pháp chùm ion hội tụ Chùm iôn hội tụ (FIB) kỹ thuật sử dụng ngành vật Nguyên lý kỹ thuật chùm iôn hội tụ chùm tia: chùm iôn để thao tác, chùm điện tử hẹp để ghi lại ảnh trình thao tác lý chất rắn, khoa học công nghệ vật liệu, cách điều khiển chùm iôn gia tốc lượng cao điều khiển để hội tụ điểm nhỏ nhờ hệ thấu kính điện, từ Các thiết bị chùm iôn hội tụ bao gồm chùm tia: chùm iôn để thực thao tác chế tạo, chùm điện tử hẹp dùng để tạo ảnh, quan sát trực tiếp trình làm việc Thiết bị FIB hoạt động dựa nguyên tắc hệ phún xạ Khi chùm iơn hẹp có lượng cao quét bề mặt, động iôn làm cho nguyên tử chất rắn bề mặt bị bốc bay tức thời Độ sâu, rộng phần chất rắn bị bốc bay phụ thuộc vào gia tốc cường độ chùm iơn Cường độ dịng điện chùm iơn thay đổi từ vài chục pA, vài chục nA Để tạo hình cho chi tiết, chùm iôn Tương tác chùm iôn với bề mặt chất rắn: gây nguyên tử bị bốc bay, phún xạ, phát xạ điện tử thứ cấp điều khiển quét Để bảo vệ chi tiết chế tạo khỏi bị phá hủy chùm iôn, người ta phủ lớp platin (Pt) tungsten (thường pha trộn thêm cácbon để dễ bay bốc) Các lớp tạo thành hình chi tiết, cấu kiện cần tạo nhờ điều khiển hệ thấu kính Nói cách đơn giản, chùm iơn có lượng cao hoạt động "lưỡi dao", có tác dụng phá hủy phần mẫu không cần dùng để tạo cấu kiện ý muốn II.4.3 Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu phát triển từ cuối kỷ 19, có nhiều phương pháp dùng tùy theo mục đích điều kiện kinh tế, kỹ thuật: Kỹ thuật mạ điện Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano tên gọi trình điện hóa phủ lớp kim loại lên vật Trong trình mạ điện, vật cần mạ gắn với cực âm catôt, kim loại mạ gắn với cực dương anôt nguồn điện dung dịch điện môi Cực dương nguồn điện hút Mạ đồng electron e- q trình ơxi hóa giải phóng ion kim loại dương, tác dụng lực tĩnh điện ion dương di chuyển cực âm, chúng nhận lại e- trình ơxi hóa khử hình thành lớp kim loại bám bề mặt vật mạ Độ dày lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện nguồn thời gian mạ Bay bốc nhiệt chân không Bay bốc nhiệt bay bốc nhiệt chân không kỹ thuật tạo màng mỏng cách bay vật liệu cần tạo môi trường chân không cao ngưng tụ đế Bộ phận thiết bị Sơ đồ nguyên lý hệ bay bốc nhiệt bay bốc nhiệt buồng chân không hút chân không cao nhờ bơm chân không Người ta dùng thuyền điện trở (thường làm vật liệu chịu nhiệt tương tác với vật liệu, ví dụ vơnphram, tantan, bạch kim ) đốt nóng chảy vật liệu nguồn, sau tiếp tục đốt cho vật liệu bay Vật liệu bay ngưng đọng lên đế gắn vào giá phía Đơi đế cịn đốt nóng (tùy theo mục đích tạo màng tinh thể hay vơ định hình ) để điều khiển trình lắng đọng vật liệu màng Chiều dày màng thường xác định trực tiếp trình chế tạo biến tử thạch anh Khi màng bay bám lên biến tử đặt cạnh đế, biến thiên tần số dao động biến tử tỉ lệ với chiều dày màng bám vào biến tử Phún xạ catốt Phún xạ hay Phún xạ catốt kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa nguyên lý truyền động cách dùng iơn khí tăng tốc điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động cho nguyên tử bay phía đế lắng đọng đế Nguyên lý trình phún Nguyên lý trình phún xạ xạ khác với phương pháp bay bốc nhiệt, phún xạ không làm cho vật liệu bị bay đốt nóng mà thực chất trình phún xạ trình truyền động Vật liệu nguồn tạo thành dạng bia đặt điện cực, buồng hút chân khơng cao nạp khí với áp suất thấp Dưới tác dụng điện trường, ngun tử khí bị iơn hóa, tăng tốc chuyển động phía bia với tốc độ lớn bắn phá bề mặt bia, truyền động cho nguyên tử vật liệu bề mặt bia Các nguyên tử truyền động bay phía đế lắng đọng đế Các nguyên tử gọi nguyên tử bị phún xạ Như vậy, chế trình phún xạ va chạm trao đổi xung lượng, hoàn toàn khác với chế phương pháp bay bốc nhiệt chân không Epitaxy chùm phân tử Epitaxy chùm phân tử (MBE) thuật ngữ kỹ thuật chế tạo màng mỏng cách sử dụng chùm phân tử lắng đọng đế đơn tinh thể chân không siêu cao, để thu màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc lớp đế Kỹ thuật MBE thực môi trường chân không siêu cao, cho phép tạo màng mỏng vật liệu có độ tinh khiết cao Điểm khác biệt MBE so với kỹ thuật màng mỏng khác màng mỏng đơn tinh thể mọc lên từ lớp đế đơn tinh thể với tốc độ cực thấp có độ hồn hảo cao Vì thế, kỹ thuật MBE cho phép tạo siêu mỏng, chí vài lớp nguyên tử với chất lượng cao Tuy nhiên, chất lượng màng tốc độ tạo màng phụ thuộc nhiều vào độ hồn hảo mơi trường chân khơng Lớp đế bên đơn tinh thể, có tác dụng mầm để lớp màng phát triển lên trình ngưng đọng Phương pháp sol-gel Theo phương pháp dung dịch chứa ion khác trộn với theo tỷ phần thích hợp, tác động nhiệt độ, áp suất mà vật liệu kết tủa từ dung dịch Sau trình lọc, sấy khô, ta thu vật liệu Sol- gel q trình phản ứng hố học bắt đầu từ dung dịch đến sản phẩm cuối trạng thái rắn Từ “Sol” từ đầu danh từ “Solution” nghĩa hệ phân tán vi dị thể rắn lỏng, từ “Gel” từ đầu danh từ “Gelation” nghĩa phân tán vi dị thể lỏng phân tán rắn rắn phân tán lỏng Lắng đọng hóa học (CVD) Lắng đọng chùm laser Kỹ thuật phun tĩnh điện II.4.4 Kính hiển vi điện tử II.4.4.1 Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt SEM), loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật cách sử dụng chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét II.4.4.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron microscopy, viết tắt: TEM) thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh tạo huỳnh quang, hay film quang học, hay ghi nhận máy chụp kỹ thuật số II.4.5 Các phương pháp phân tích vận chuyển, phân tích tính chất từ II.5 Ưu điểm linh kiện Spintronics Có thể nói rằng, spintronics tương lai công nghệ điện tử nay, dựa tảng từ học, kết hợp với nhiều thành tựu ngành khác: quang, điện tử học , với ưu điểm trội hẳn công nghệ điện tử nay: • Tiêu thụ lượng hơn: Việc chuyển trạng thái linh kiện điện tử truyền thống thực cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi kênh transistor Điều địi hỏi phải tiêu tốn lượng việc vận chuyển điện tích địi hỏi phải tạo độ dốc trường (hay điện trường), bị tổn hao thành nhiệt bù đắp được, linh kiện spintronics đảo trạng thái dựa việc đổi định hướng spin • Khơng gây ồn/nhiễu điện tích: spin khơng liên kết dễ dàng với điện trường phát tán (trừ tương tác spin- quỹ đạo mạnh vật liệu) nên tránh nhiễu ồn điện tích • Thao tác nhanh khơng phải thời gian cho việc vận chuyển điện tích, thời gian đảo phương spin Tóm lại, spin cần đảo chiều theo chiều “lên” “xuống” nên đòi hỏi tiêu tốn lượng thời gian nhiều • Người ta dự đốn cơng nghệ spintronics góp phần quan trọng vào phát triển công nghệ điện tử - tin học - viễn thông kỷ 21 Các đặc trưng thiết bị điện tử hệ có tính tổ hợp cao (cả điện tử hoc, từ học quang tử), đa chức năng, thông minh, nhỏ gọn, tiêu thụ lượng hiệu suất cao, xử lý khả làm tươi thông tin với tốc độ cao đặc biệt có khả kết nối internet, liên lạc không dây điều khiển từ xa Những thành tựu lĩnh vực tránh khỏi việc tham gia vào lĩnh vực khoa họccông nghệ kỹ thuật quân • Làm cho linh kiện điện tử trở nên nhỏ hơn, chất lượng hơn, nhanh hơn, rẻ hơn, góp phần nâng cao chất lượng sống tạo yếu tố cạnh tranh cho kinh tế tri thức quốc gia II Nhược điểm linh kiện Spintronics Tuy nhiên, để tạo cách mạng spintronic, nhà nghiên cứu cần tìm cách để tiêm (inject), thao tác (manipulate) ghi nhận spin điện tử chất bán dẫn dường vật liệu chiếm vị trý trung tâm vật lý linh kiện tương lai dự đốn Thao tác spin dường đà thẳng tiến, tiêm ghi nhận spin vấp phải hàng loạt vấn đề trở ngại thực tế, tạo nên thử thách lớn Kết Luận Người ta dự đốn cơng nghệ spintronics góp phần quan trọng vào phát triển công nghệ điện tử - tin học - viễn thông kỷ 21 Các đặc trưng thiết bị điện tử hệ có tính tổ hợp cao (cả điện tử hoc, từ học quang tử), đa chức năng, thơng minh, nhỏ gọn, tiêu thụ lượng hiệu suất cao, xử lý khả làm tươi (refresh) thông tin với tốc độ cao Spintronics, kết hợp từ học với điện tử học, tạo thể loại mặt chức công nghệ vi điện tử tạo nên linh kiện điện tử có tính hồn toàn Cơ sở vật lý cho linh kiện spintronics chế phân cực spin chất rắn, trình động học vận chuyển spin Spin thay điện tích để mã hóa truyển tải thông tin, đặc biệt việc để mã hóa thành bit thơng tin lượng tử (Q-bits) sử dụng máy tính lượng tử (Q-computer) tương lai Cịn có nhiều thách thức phía trước, Spintronics góp phần đưa cơng nghệ điện tử-tin học-viễn thơng lên tầm phát triển trình độ mới, cao kỷ 21 Ở nước, spintronics bắt đầu nghiên cứu khoảng chục năm nay, ngày quan tâm rộng rãi, có tham gia nhà khoa học quân đội Cuối cùng, xin nêu lên (ngun văn) nhận xét có tính tiên đoán từ năm 1959 nhà vật lý Mỹ Richard Feynman khả sử dụng đến spin điện tử tương lai để kết luân spin đích điện tử truyền thống (bài nói chuyện với câu nói tiếng Feynman:“There’s Plenty of Room at the Bottom”, 1959 APS Meeting): “ computers with wires no wider than 100 atoms, a microscope that could view individual atoms, machines that could manipulate atoms by 1, and circuits involving quantized energy levels or the interactions of quantized spins” Có thể nhận thấy dường tất điều dự đoán thực Tài Liệu Tham Khảo Lê Đình, Bài giảng học lượng tử (2009), Đại học huếĐại học sư phạm Phạm Quý Tư, Đỗ Đình Thanh, Cơ học lượng tử (1999), NXB Đại học quốc gia Hà Nội ... II: Công nghệ Spintronics II.1 Định nghĩa Spintronics, công nghệ Spintronic II.1.1 Định nghĩa Spintronics Spintronics từ ghép Spin electronics dịch Điện tử học spin hay kỹ thuật điện tử spin Spintronics... nghệ Spintronics - Cấu tạo, hoạt động linh kiện tạo từ công nghệ Spintronics - Nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiện Spintronics Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu tìm hiểu sơ lược cơng nghệ Spintronics,... hướng nóng bỏng giới Spintronics II.1.2 Định nghĩa cơng nghệ Spintronics Cơng nghệ Spintronics kết hợp hai lĩnh vực điện tử học từ học nhằm tạo chức cho vi điện tử đại Công nghệ Spintronics kỹ thuật