Vat Lieu Nano Phan III

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE

VIỆN

HANOI-2010

VVẬẬT LIT LIỆỆU CU CÓÓ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANOC NANONANOSTRUCTURED MATERIALSNANOSTRUCTURED MATERIALS

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHPHẦẦN IIIN IIIVVẬẬT LIT LIỆỆU TU TỪỪ CCÓÓ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANO & SPINTRONICSC NANO & SPINTRONICS

NANOTRUCTURED MAGNETIC MATERIALSNANOTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS

GIỚI THIỆU TỔNG QUANPGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN I: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu

PHẦN II: VẬT LIỆU QUANG TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC NANOTS. Nguyễn Văn Quy

PHẦN III: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICSPGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN IV: CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUANPGS. TS. Nguyễn Anh TuấnPGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu

TS. Nguyễn Văn Quy

PHÂN CÔNG GIPHÂN CÔNG GIẢẢNG DNG DẠẠYY

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

CCẤẤU TRU TRÚÚC PHC PHẦẦNN MÔN HMÔN HỌỌCCPhPhầần IIIn III:: VVậật lit liệệu tu từừ ccấấu tru trúúc nano & Spintronicsc nano & Spintronics

•• TTÍÍNH CHNH CHẤẤT TT TỪỪ CHUNG CHUNG ỞỞ THANG NANOMTHANG NANOMÉÉTT

•• VVẬẬT LIT LIỆỆU TU TỪỪ KHKHỐỐI CI CÓÓ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANOC NANO

•• MMÀÀNG MNG MỎỎNG TNG TỪỪ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANOC NANO

•• DÂY TDÂY TỪỪ VVÀÀ ỐỐNG TNG TỪỪ NANONANO

•• HHẠẠT TT TỪỪ NANO, DOT TNANO, DOT TỪỪ VVÀÀ CHCHÙÙM NANO TM NANO TỪỪ

•• PHÂN TPHÂN TỬỬ VVÀÀ NGUYÊN TNGUYÊN TỬỬ TTỪỪ CÔ LCÔ LẬẬPP

•• CCÁÁC KC KỸỸ THUTHUẬẬT HIT HIỆỆN ĐN ĐẠẠI QUAN SI QUAN SÁÁT VT VÀÀ PHÂN TPHÂN TÍÍCH ĐCH ĐẶẶC TRƯNG CC TRƯNG CẤẤU TRU TRÚÚC TC TỪỪ NANONANO

PhPhầần VIn VI: : CCáác vc vậật lit liệệu nano khu nano kháác vc vàà mmộột st sốố vvấấn đn đềề liên quanliên quan• CÁC VẬT LIỆU NANO CARBON

• CÁC VẬT LIỆU NANO CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT KHÁC

• HOÁ HỌC NANO

• KHÍA CẠNH AN TOÀN VÀ NHỮNG THÁCH THỨC CỦA VẬT LIỆU NANO

•• CCÁÁC CC CẤẤU TRU TRÚÚC NANO TRONG TC NANO TRONG TỰỰ NHIÊN NHIÊN

•• ĐIĐIỆỆN TN TỬỬ HHỌỌC PHÂN TC PHÂN TỬỬ, NGUYÊN T, NGUYÊN TỬỬ, V, VÀÀ THÔNG TIN LƯ THÔNG TIN LƯỢỢNG TNG TỬỬ

•• TTƯƠƯƠNG LAI CNG LAI CỦỦAA CCÔNG NGHÔNG NGHỆỆ NANONANO



CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICSNANOSTRUCTURED MAGNETIC MATERIALS & SPINTRONICS

3.1. Tính chất từ ở thang nano3.2. Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ

3.3. Vật liệu từ khối có cấu trúc nano3.4. Màng mỏng từ cấu trúc nano

3.5. Dây từ và ống từ nano3.6. Phân tử và nguyên tử từ cô lập - Nam châm phân tử3.7. Các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các đặc trưng

cấu trúc từ nano

SpintronicsSpintronics


3.13.1. T. Tíính chnh chấất tt từừ ởở thang nanothang nano- Một số cấu trúc hình học nano tiêu biểu:

Chuỗi hạt nano

Dây nano dạng dảiDây nano dạng trụ

Dot nano

Tiếp xúc nano

Ống nano

Dot ngược (Antidot)

Bậc nano bề mặt kề cậnXuyến (vòng) nano

Màng mỏng được tạo cấu trúc nano theo khuôn mẫu (pattern).

NHỮNG TÍNH CHẤT TỪ NỔI BẬT Ở THANG NANO SO VỚI DẠNG KHỐI:

- Hành vi nội tại của các cấu trúc nano từ bị thay đổi bởi:+ hiệu ứng kích thước bị giới hạn+ hiệu ứng bề mặt

Vấn đề đặt ra: giới hạn bao nhiêu nguyên tử để vẫn duy trì được hành vi nội tại của một nam châm khối ?


- Một số hành vi nội tại tiêu biểu:+ Xác lập mức độ dị hướng từ ngẫu nhiên

+ Tăng cường độ từ dư + Định xứ tính vi từ (micromagnetic)

+ Xuất hiện các kiểu (mode) tạo mầm từ dạng lồi (bulging-type)+ Có nhiều loại liên kết trao đổi khác nhau+ Các hiệu ứng biên hạt

3.13.1. T. Tíính chnh chấất tt từừ ởở thang nanothang nano

Tính chất/hành vi nội tại (intrinsicintrinsic): các tính chất/hành vi thuộc về bản chất, vốn có, tự thân có, được tạo ra từ ththàành phnh phầầnn và ccấấu tru trúúcc bên trong của đối tượng; không phụthuộc số lượng, hình dạng, kích thước và các yếu tố bên ngoài khác; có tính bất biến. Ngược lại: extrinsicextrinsic

- Các tính chất từ nội tại như:Tc, Ms, K

- Các tính chất từ ngoại lai như:Hc, Mr, (BH)max

Các độ dài tới hạn cơ sở:

• Hằng số mạng:a ≤ 1 nm

• Quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, ví dụ Al:λ ≅ 102 nm

• Độ dày vách domain:w ∝ (A/K)1/2 ≥ 1 nm

• Bước sóng của một số hạt vận chuyển: (Particle wavelength)λF ∝ kF

-1 ∝ n1/3

- Với các bán dẫn: n ≅ 1016/cm-3

λ > 10 nm

- Với các kim loại: n ≅ 1022/cm-3

λ ~ 0.1 nmNguyen Anh Tuan - ITIMS-2010




Hiện tượng nhốt (hay giam hãm) lượng tử và hiệu ứng điện tích khi kích thước thay đổi

Vùng các hiệu ứng lượng tử nổi trội

Vùng các hiệu ứng điện tích nổi trội

Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn- Các ng.tử bề mặt và mặt phân cách/tiếp xúc trong các cấu trúc nano

đóng góp mạnh nhưng không giống nhau vào các hành vi nội tại.



Các tính chất nội tại (mômen từ và năng lượng trao đổi) của cấu trúc đa lớp Pt-Fe (Theo Sabiryanov and Jaswal, 1998)

Mômen từ và năng lượng trao đổi giữa các nguyên tử bị biến đổi: sự thăng giáng mômen rất mạnh và bao trùm qua vài lớp ng.tử.

- Trong các cấu trúc nano từ 2 pha không trật tự, chỉ có chung một nhiệt độ TC . Điểm Curie này gần với điểm Curie của pha có tương tác trao đổi mạnh nhất. Khi kích thước hạt > khoảng cách vài lớp ng.tử Thể hiện rõ tính sắt từ không đồng nhất: 2 điểm Curie và MS(T) là chồng chập của 2 pha khác nhau.


Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010Magnetic hysteresis loops for (a) 10 and (b) 15 nm diameter nanoparticles

TC

MS

T

TC1

TC2

MS

T

SP

FM

M

H

Các tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn

Fe dưới dạng 2D, 1D và 0D mọc bằn kỹ thuật MBE trên lớp Cu(111)



-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

2D1D0D

Mag

netiz

atio

n (a

rb.u

nit)

Magnetic field (Oe)

T = 45 K

0 50 100 150 200 250 300

Mr-2DMr-1DMr-0D

Mr(a

rb.u

nit)

Temperature (K)

25 nm25 nm25 nm

2D 1D 0D

(Magnetization) vµ NhiÖt ®é cña trËt tù tõ (Curie Temperature) cña Fe d−íi d¹ng 2D, 1D vµ 0D


Tõ ®é

- Dị hướng từ bề mặt có nguồn gốc nguyên tử, và mạnh hơn khoảng 2 bậc so với dị hướng khối.

Do số ng.tử bề mặt NNss của các hạt nano (hay chùm) có thể so sánh được với sốnguyên tử của cả hạt nano, nên đóng góp của dị hướng bề mặt vượt trội so với dị hướng khối khi hạt có kích thước < 3 nm.

3.13.1. T. Tíính chnh chấất tt từừ ởở thang nanothang nanoCác tính chất nội tại và hiệu ứng kích thước hữu hạn


Dị hướng bề mặt và tính đối xứng: Thay vì có đặc trưng của dị hướng từkiểu BCC, các mặt (011) và (111) xuất hiện đóng góp của các dị hướng

trong mặt phẳng (in-plane) với đối xứng bậc 2 và bậc 6 (tương ứng).

§é nhít tõ (Magnetic Viscosity) cña Fe d−íi d¹ng 2D, 1D vµ 0D ®o ë T = 50 K

-20 0 20 40 60 80 100 120 140

Mag

enti

zati

on

(ar

b. u

nit

)

Time (s)

field on

field off

2D

0 20 40 60 80 100

Mag

net

izat

ion

(ar

b. u

nit

)

Time (s)

field off

field on

1D

0 5 10 15 20

Mag

net

izat

ion

(ar

b. u

nit

)

Time (s)

field off

field on

0D



- (Trong từ học vật lý) - Tính nhớt từ là sự trễ về mặt thời gian giữa sự thay đổi của từ trường tác dụng lên một vật sắt từ và sự thay đổi xảy ra sau đó trong cảm ứng từlà rất lớn.(Trong vật lý plasma) - Là hiệu ứng, gây ra bởi từ trường khi không có tác động của lực co học hoặc điện trường mạnh, làm giảm/hạn chế sự chuyển động của một dòng vật chất dẫn điện theo phương vuông góc với đường sức từ, tương tự như hiện tượng nhớt thông thường.


- Kích thước hạt đơn và lực kháng từ: Từ hạt lớn (đa đômen) xuống đến hạt nano (đơn đômen) và tiến đến chùm phân tử hay nguyên tử: HHCC tăng mạnh.



Xu hướng đa đômen có tác dụng giảm thất thoát năng lượng để hệ ở trạng thái ổn

định hơn (cực tiểu năng lượng).(Nanoscopic)

Mesoscopic physics Mesoscopic physics

(Số mômen từ trong một hệ từ, gần đúng với số nguyên tử)

Hình thành, lan truyền vàtiêu biến vách domain.

Quay, vặn đồng bộ & các kiểu không đồng bộ,...

Xuyên ngầm, giao thoa, kết hợp lượng tử .

Sự đảo từ trong các cấu trúc từ khi bị giảm kích thước



- Ở thang vĩ mô, một hệ từ bị chia ra thành các domain từ cách nhau bởi các vách domain để giảm năng lượng của toàn bộ hệ. Hệ ởtrạng thái đa domain (đường từ trễ ở bên trái của hình ở slide trước).

- Khi kích thước của hệ cỡ độ rộng của vách domain, hoặc của chiều dài trao đổi: việc hình thành các vách domain đòi hỏi quá nhiều năng lượng. Hệ ở trạng thái đơn domain và sự đảo từ độ cần phải được thực hiện bằng cách quay, xoắn đồng bộ, hoặc các kiểu không đồng bộ khác (đường từ trễ ở giữa của hình ở slide trước).

- Đối với các hệ có kích thước < độ rộng của vách domain, hoặc của chiều dài trao đổi: bắt buộc phải tính đến các mômen từ (spins) vàcác liên kết của chúng. Mô tả về phương diện lý thuyết quá trình đảo từ ở các hệ này rất phức tạp do các biên hạt (particle's boundaries)(đường từ trễ ở bên phải của hình ở slide trước).



Vortex

H

H

H

H

Đường từ trễ của các hạt nano từ dạng đĩa có đường kính d, dày t. (a) d = 300 nm, t = 10 nm; (b) d = 100 nm, t = 10 nm.

Kiểu đảo từ trong các hạt từ nanochuyển từ kiểu xoắn đồng bộ sang kiểu quay đồng bộ khi kích thước hạt giảm.

- Tính siêu thuận từ của các hạt nano đơn đômen (single domain: SD) & HC



- Các hạt SPM gần như không có lực kháng từ- Hành vi SPM gần giống như thuận từ của các

nguyên tử.

Các hiện tượng vách hẹp và bị "thắt eo"3.13.1. T. Tíính chnh chấất tt từừ ởở thang nanothang nano


- Các vách dômen thông thường phẳng nhẵn và rộng tới nhiều lớp nguyên tử. Với các vật liệu từ rất cứng, như SmCo5, lại có vách rất hẹp.

Các hiện tượng vách hẹp và bị "thắt eo"

Hiện tượng định xứ nano từ

Các hiệu ứng thao tác đồng thời (cooperative)

Dị hướng ngẫu nhiên & Tăng cường tính từ dư

Động lực học từ độ trong các cấu trúc nano

Các quy luật về hàng rào năng lượng bị thay đổi



3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nanom nano ttừừ


Bao gåm 3 thµnh phÇn:

- Çc h¹t tõ ®¬n ®«men víi m«men tõ ®Þnh h−íng ngÉu nhiªn

- M«i tr−êng dung m«i láng kh«ng cùc (n−íc/dÇu,...)

- Trªn bÒ mÆt h¹t ®−îc bao phñ mét líp ho¹t tÝnh bÒ mÆt.

CÊu tróc cña chất lỏng tõ (magnetic fluid) trªn cơ sở h¹t nano ferrite Fe3O4



- Çc h¹t tõ ®¬n ®«men cã kÝch th−íc cì vμi chôc nano mÐt vμ cã d¹ng gÇn h×nh cÇu ë trong m«i tr−êng chÊt láng, MS ~ 10-19 Am2 ⇒ TÝnh siªu thuËn tõ

- Çc h¹t siªu thuËn tõ thùc hiÖn hai mode quay tù do:

1- Quay Brown víi thêi gian håi phôc:

2- Quay NÐel víi thêi gian håi phôc:

Trong ®ã: v lµ thÓ tÝch cña h¹t, η0 lµ®é nhít cña dung m«i, K lµ h»ng sèdÞ h−íng, f0 lµ tÇn sè Larmor (kho¶ng 109 s-1), k lµ h»ng sè Boltzmann vµ Tlµ nhiÖt ®é.

CÊu tróc cña chất lỏng tõ (magnetic fluid)



Một số loại dung môi thương phẩm thường dùng cho chất lỏng từ

1. Çc dung m«i h÷u c¬: Heptane, Xylene, Toluene, MEK

2. Çc dung m«i v« c¬: N−íc

3. Çc Hydrocarbon (tæng hîp hoÆc dÇu má)

4. Esters tæng hîp

5. Polyglycols

6. Polyphenyl ethers

7. Perfluoropolyethers

8. Silahydrocarbons

9. Halecarbons

10. Styrene



TÝnh chÊt cña chất lỏng tõ

Mét sè tÝnh chÊt vËt lý chung cña n−íc tõ

Tõ mµu hæ ph¸ch cho tíi mµu ®á

Thμnh phÇn

MËt ®é

KÝch th−íc h¹t

§é nhít

Tõ ®é

Nh− n−íc hoÆc dÇu

Trung tÝnh

Mμu s¾c



N−íc tõ cã tÝnh chÊt ®Æc biÖt cña hÖ hai pha: tæ hîp cña tÝnh láng trong çc chÊt láng th«ng th−êng víi tÝnh siªu thuËn tõ cña çc h¹t s¾t tõ hay ferri tõ ë tr¹ng th¸i r¾n ®−îc ph©n t¸n trong m«i tr−êng chÊt láng.

Cã thÓ ®iÒu khiÓn: • tÝnh chÊt cña chất lỏng tõ• dßng chÈy cña chất lỏng tõ

b»ng lùc tõ hay träng lùc,...

Lµ c¬ së ®Ó øng dông chất lỏng tõtrong çc lÜnh vùc kü thuËt


http://www.zarm.uni-bremen.de/2forschung/ferro/basic_info/forces/forces.htm



Tính siêu thuận từ

§−êng tõ ho¸ cña chất lỏng tõ cho thÊy tÝnh chÊt siªu thuËn tõ ®iÓn h×nh.


- Çc t−¬ng t¸c tõ vµ t−¬ng t¸c van der Waals cã xu h−íng lµm kÕt tô çc h¹t tõ nano thµnh çc h¹t to hoÆc çc ®¸m lín. - ChuyÓn ®éng nhiÖt cña çc h¹t tõ cã kÝch th−íc < 10 nm cã khuynh h−íng ng¨n c¶n sù kÕt tô.- Líp ho¹t tÝnh bÒ mÆt ng¨n chÆn çc h¹t tõ nano tiÕp xóc víi nhau.




Lực từ tác dụng lên chất lỏng từ



TÝnh tù tæ chøc cña çc h¹t tõ nano trong tõ tr−êng dao ®éng

(a)

(d)(c)

(b)




Magnetoviscous effectsTÝnh nhít tõ




ChÕ t¹o chất lỏng tõ sö dông h¹t ferrite Fe3O4

Ph¶n øng t¹o «xýt s¾t:

2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4 H2O → Fe3O4 + 8 NH4Cl

ChÊt ho¹t tÝnh bÒ mÆt:

C17H33COOH

hoÆc:

[NR4]+[OH]-



Quy tr×nh chÕ t¹o n−íc tõ víi dung m«i n−íc(Water-based magnetic fluid)

Fe2+ + Fe3+ +H2O KÕt tña Fe3O4

NhiÖt/ChÊt xóc t¸c Phñ ho¹t tÝnh bÒ mÆt lÇn thø nhÊtvíi chÊt xóc t¸c lµ acid decanoic

Lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é phßng KÕt tô

Methanol, Acetone Ch¾t läc b»ng tõ

Röa b»ng axªt«n vµ n−íc

Gia nhiÖt/ChÊt xóc t¸c

Lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é phßng

Röa b»ng n−íc N−íc tõ víi dung m«i lµ n−íc

Gia nhiÖt trong m«i tr−êng n−íc. Phñ ho¹t tÝnh bÒ mÆt lÇn thø hai víi chÊt xóc t¸c lµ acid nonanoic

ChÕ t¹o chất lỏng tõ sö dông h¹t ferrite Fe3O4



Một số đặc trưng của chất lỏng từ

200 300 400 500 600 700 800-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 0.495

0.469

0.413

80¡É 70¡É 60¡É

Wavelength (nm)

Abs

orba

nce

(AU

)

Phæ hÊp thô UV cña çc h¹t ferrite tõ víi líp ho¹t tÝnh bÒ mÆt kh¸c nhau.

¶nh TEM cña ®¸m kÕt tña Fe3O4

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

-20

-10

0

10

20M(emu/g)

H (kOe)

§−êng tõ ho¸ cña ®¸m hạtFe3O4 kết tủa



Ferrite CoCoFe2O4

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite kh¸c

Ảnh TEM của hạt ferrite cobalt đường kính trung bình d = 7.6 nm

-60 -40 -20 0 20 40 60

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

T [K]

Hc

[KO

e]

M (e

mu/

g)

H (kOe)

5 K 300 K0 75 150 225 300

0

2

4

6

8

10

12

Đường cong từ trễ đo tại 5K và 300 K (hình nhỏ: Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ tu©n theo hàm mũ)



Ferrite CuCuFe2O4

(Sö dông Cu67 nh− lµ mét nguyªn tè phãng x¹ dïng cho môc ®Ých y/sinh häc)

-10000 -5000 0 5000 10000

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Mag

netiz

atio

n(em

u/g)

Magnetic field(Oe)

Cu0.1 Cu0.2 Cu0.3 Cu0.4

§−êng cong tõ ho¸ cña çc h¹t nano ferrite (CuxFe1-x)OFe2O3 víi nång ®é Cu kh¸c nhau:

x = 0.1 (- -)x = 0.2 (- -)x = 0.3 (- -)x = 0.4 (- -)

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite kh¸c



Mét sè øng dông cña chất lỏng tõ

• Quan s¸t domain tõ vµ sai háng trªn bÒ mÆt

• BÝt kÝn vµ b«i tr¬n

• C©n b»ng æn ®Þnh 3D

• Chèng rung/gi¶m chÊn

• T¶n nhiÖt

• Sensor

• TuyÓn næi thuû tÜnh tõ

• Mùc in

• Vi b¬m

• §éng c¬ chuyÓn ®æi nhiÖt-®iÖn

• C«ng t¾c quang häc

• T¸ch chiÕt tÕ bµo

• VËn chuyÓn thuèc

• S¸ch kiÓu ch÷ Braille

• Ng−êi m¸y

• Bé phËn c¬ thÓ nh©n t¹o




¶nh hiÓn vi cña domain tõquan s¸t trªn mét ®Üa ghi tõ

Quan s¸t domain tõ




Quan s¸t çc sai háng bÒ mÆt

H×nh ¶nh tõ cã thÓ quan s¸t dùa trªn hiÓn vi hiÖu øng Kerr hay hiÓn vi tõ lùc MFM, ®Ó ph¸t hiÖn vµ ®Þnh vÞ nh÷ng vïng sai háng cã kÝch th−íc nhá cì vµi micron ®−îc ®¸nh dÊu b»ng n−íc tõ.




BÝt kÝn vµ b«i tr¬n

- ChÊt láng tõ ®ãng vai trß nh− mét O-ring

- Trôc quay ®−îc bÝt kÝn kh«ng cã rß rØ

(a) (b)(a) Khi kh«ng sö dông n−íc tõ vµ (b) khi sö dông n−íc tõ.

M« t¶ nguyªn t¾c bÝt kÝn b»ng chÊt láng tõ

chèng rß rØ dÇu hay çc chÊt láng ®éc h¹i


Tõ tr−êng ngoµi t¸c dông lµm ph©n cùc çc h¹t nano trong n−íc tõ thµnh çc dipole.

T−¬ng t¸c gi÷a çc dipole lµm cho çc h¹t tõ nano s¾p xÕp theo cÊu tróc cét vµ h−íng

song song víi tr−êng t¸c dông, h×nh thµnh cÊu tróc kiÓu “chuçi xÝch” vµ h¹n chÕ chuyÓn

®éng cña chÊt lán, do ®ã lµm t¨ng ®é nhít cho hÖ thèng gi¶m xãc hay hÖ thèng treo. Khi

kh«ng cã tõ tr−êng t¸c dông, n−íc tõ thÓ hiÖn tÝnh chÊt gièng nh− chÊt láng Newtonian.

3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nanom nano ttừừMét sè øng dông cña chất lỏng tõ

Nguyªn lý sö dông tÝnh l−u biÕn cña n−íc tõ

Sö dông tÝnh chÊt l−u biÕn (Magnetorheological Fluid) lµm ®Öm gi¶m xãc

HÖ thèng gi¶m sãc sö dông tÝnh l−u biÕn cña n−íc tõ


3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nanom nano ttừừMét sè øng dông cña chất lỏng tõChèng rung/gi¶m chÊn (damping)

M« t¬ b−íc

Khung ®iÖn kÕ

ThiÕt bÞ ®o chÊn rung æ cøng m¸y tÝnh

Trôc m« t¬

ferrofluid




Chèng rung/gi¶m chÊn (damping)

Gi¶m chÊn rung do chuyÓn ®éng cho cÇu

http://spaceresearch.nasa.gov/general_info/images/MRfluids/dongting.jpg

N©ng vµ c©n b»ng æn ®Þnh

Trôc quay kh«ng æn ®Þnh

Nguyªn lý n©ng ®Ó æn ®Þnh b»ng tõ tr−êng sö dông n−íc tõ

Trôc quay ®−îc æn ®Þnh 3D



T¶n nhiÖt b»ng n−íc tõ

C«ng suÊt cña loa t¨ng ®¸ng kÓ khi thùc hiÖn t¶n nhiÖt tèt cho cuén d©y dao ®éng




Gia tèc kÕ øng dông ghi ®Þa chÊn

KiÓu 2 trôc

N−íc tõ

Thanh đàn hồi(bằng Al)

Nam ch©m ®iÖnÇc tÊm biÕn ®æi

Khèi nÆng ghi ®Þa chÊn (Al)

KiÓu 3 trôc

Nam ch©m ®iÖn

Buång ba trôcchøa n−íc tõ

Gia tèc kÕ øng dông trong «-t«, r«-bèt, dÉn h−íng qu¸n tÝnh m¸y bay,...




Sensor tõ

Gia tốc kế tần số thấp kiểu 2 trục (Low frequency two-axis accelerometer)

Khối nặng quán tính hình trụ ở giữa bằng nhôm với một thanh đàn hồi tĩnh cũng làm bằng nhôm nhưng được tính toán sao cho sự biến dạng cơ học của nó bằng 3 lần độ cứng hấp dẫn tương đương của một con lắc dây có cùng độdài. Khối quán tính được nhúng vào chất lỏng từ để đảm bảo đồng thời dễdàng thay đổi vị trí vừa do được nâng lên bằng từ trường, vừa do sự điều chỉnh đệm chất lỏng. Vị trí của khối quán tính được chuyển đổi bằng 4 tấm điện cực có dạng ¼ trụ. Mối tấm này gồm một lõi sắt từ có độ từ thẩm cao vàmột cuộn nam châm điện. Toàn hệ được bịt kín trong một cái thùng hình trụcó khả năng chắn từ tốt.

Gia tốc kế thu nhỏ kiểu ba trục (Three-axis miniature accelerometer)

Có dạng khối với kích thước mỗi cạnh là 15 mm, gồm 3 trục vuông góc với nhau hình thành nên cột chứa chất lỏng từ. Chất lỏng từ được giữ bằng từ trường của các nam châm cứng dạng vòng xuyến, và được điều khiển bằng một số trong 6 cuộn cảm ứng (2 cuộn trên mối trục). Loại gia tốc kế này thường được sử dụng trên ô-tô, người máy, và các ứng dụng dẫn đường quán tính trong không gian vũ trụ.




Sensor tõ

ThiÕt bÞ ®o träng sai (Gravitational gradiometer)

Đo sự biến thiên/thay đổi của trọng trường (trường hấp hẫn)

§é nh¹y: ~ 10-9 ms-2/m

Khèi nÆng

Nam ch©m vÜnh cöu



Khèi nÆng

Çc ®iÖn cùc

§¸y buång chøa n−íc tõ

Bèn miÕng nh«m ®−îc nhóng trongn−íc tõ



Sensor tõ

Nguyên lý của thiết bị đo trọng sai (Gravitational gradiometer)

Bèn khèi nÆng (2) ®−îc ®Æt theo kiÓu ch÷ thËp vµ ®−îc nhóng trong chÊt láng tõ, ®−îc n©ng lªn b»ng çc nam ch©m vÜnh cöu (4) vµ ®−îc ®Þnh vÞ t©m b»ng nam

ch©m (5). Sù sai lÖch kho¶ng çch gi÷a bèn khe hë giữa hai phần tử khối nặng

được đo bằng phương pháp điện lấy từ các tấm điện cực (6) và được kiểm soát

bằng sự thay đổi của từ trường tạo ra trong 4 cuộn cảm ứng nối với các điện cực

lõi 6 (không được vẽ ở đây). Thực chất đây là một bộ chuyển đổi (transducer) rất nhạy với sự thay đổi khoảng cách, phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp của chất lỏng từ có hằng số điện môi cao được dùng làm môi trường cách điện. Các chất lỏng từ có chứa các hạt nhôm hình cầu đường kính từ 2-5 μm sẽ có độ nhạy lên đến ~ 10-9 ms-2/m.



Sensor tõ

(c)

Sensor tõ

(c)

(a) (b)Mét sè sensor n−íc tõ:: (a) ®o møc chÊt láng vµ ®é nghiªng; (b) ®o gia tèc; (c) ®o ¸p suÊt.




TuyÓn thuû tÜnh tõ (Magnetohydrostatic Separation)




Nguyªn lý tuyÓn næi Mét thiÕt bÞ tuyÓn næi PTN




Mùc in tõ & chống giả mạo

Mùc in tõ & chống giả mạo




Vi b¬m b»ng chÊt láng tõ(Ferrofluidic Micropump)



Bộ chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng



Công tắc quang sử dụng chất lỏng từ




3.3.22.. HHạạt tt từừ,, đ đóótt ttừừ vvàà cchhùùm nanom nano ttừừMét sè øng dông cña chất lỏng tõøng dông trong y-sinh


Mét sè øng dông kh¸c

• Sö dông trong çc robot lµm cho çc chi chuyÓn ®éng mÒm m¹i gÇn nh− cña con ng−êi.

• Sö dông ®Ó lµm næi ch÷ Braille trong çc s¸ch dµnh cho cho ng−êi khiÕm thÞ.

• Sö dông lµm mét sè c¬ quan néi t¹ng b»ng n−íc tõ trong çc bÖn nh©n nh©n t¹o víi ®é mÒm dÎo vµ máng nh− thËt ®Ó huÊn luyÖn sinh viªn y khoa thùc tËp phÉu thuËt.

...




3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nanoc nano


Ferrite lục giác (Hệ ferrite bari BaFe12O19)

• Kiểu mạng:

Hexagonal

• Hằng số mạng:

a = 5.901 A0

c = 23.243 A0

• TÝnh chÊt tõ:

MS = 30 emu/gHC = 5200 Oe

Mét sè lo¹i h¹t nano ferrite

Các hợp chất chính:

BaFe12-xAlxO19

BaFe12-xMnxO19

BaFe12-xCrxO19

Ba1-xSrxFe12CrxO19

Sr1-xSmxFe12-xCrxO19



Mµng máng ferrite bari

¶nh AFM cña mµng ferrite bari sau khi sö lý nhiÖt (a) vµ ®−êng tõ trÔ ®−îc ®o trong mÆt ph¼ng (çc ®iÓm vu«ng-®en) vµ vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng (çc ®iÓm trßn-tr¾ng). HC ~ 5 kOe sau khi xö lý nhiÖt.




Mét sè hÖ ferrite kh¸c nhau cã cÊu tróc h¹t nano vµ çc kü thuËt ®· ®−îc södông ®Ó chÕ t¹o.


Chế tạo nam ch©m vÜnh cửu (nam ch©m kÕt dÝnh)

Mµng hấp thụ sãng điện từ trong dải tần số tõ 1-4 GHz

Mµng máng ghi từ

Vi b¬m (®−îc chÕ t¹o theo c«ng nghÖ MEMS)

Y sinh häc/Y tÕ

v.v...

øng dông cña h¹t tõ nano ferrite bari

Mét sè øng dông chÝnh



Mé sè d¹ng s¶n phÈm cña ferrite bari lµm nam ch©m vÜnh cöu ë d¹ng bét, èng vµ tÊm hoÆc d©y dÎo.

Mét sè vËt liÖu v¶i vµ giÊy cã sö dông h¹t tõ ferrite bari.



øng dông cña h¹t tõ nano ferrite bari



Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Mét sè mµng máng tõ cøng tiªu biÓu vµ çc tÝnh chÊt

K1 : h»ng sè dÞ h−íng MS : tõ ®é b·o hoμHa : tr−êng dÞ h−íng tõ TC : nhiÖt ®é Curieδ: kÝch th−íc h¹tγ : n¨ng l−îng ho¹t bÒ mÆtDc : chiÒu dμy tíi h¹n cña mμng máng (BH)max : n¨ng l−îng tõ cùc ®¹i

H»ng sè dÞ h−íng cña mét sè hîp kim T-Pt(Pd)

HÖ vËt liÖu D¹ng vËt liÖu K1 (J/m3) Tord (oC)

FePt (001) Mµng máng 1.107

FePt Khèi, trËt tù 1,9.106 1300

FePt Mµng máng

(trËt tù mét phÇn) 1,5.106

FePd (001) Mµng máng 9,3.105

FePd (110) Mµng máng 7.105

FePd Khèi, trËt tù 2.6.106 800

CoPt Khèi, mÊt trËt tù 6.104 825

CoPt Khèi, trËt tù 2.106

CoPt (001) Mµng máng 1,9.106

Co3Pt Mµng máng hcp 1,5.106

CoPt3 MÊt trËt tù fcc 1.106




CÊu tróc m¹ng tinh thÓ kiÓu fcc (a) vµ fct (b) cña hîp kim Fe-Pt. Çc gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X (XRD) t−¬ng øng cña hai pha nµy.

(a) (b)

Mµng máng tõ cøng Fe-Pt hÖ L10


Màng mỏng Fe-Pt

3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nanoc nanoMµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...

Gi¶n ®å pha cña hîp kim Fe-Pt


Màng mỏng Fe-Pt



(a) (b)

§iÒu khiÓn vi cÊu tróc mµng máng FePt/C th«ng qua qu¸ tr×nh ñ nhiÖt víi thêi gian ñ kh¸c nhau: a) 60 ph, dtb ~ 4 nm; b) 180 ph, dtb ~ 10 nm.




¶nh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (TEM )

Màng mỏng Fe-Pt

¶nh h−ëng cña líp ®Öm CuAu ®èi víi qu¸ tr×nh trËt tùho¸ trong nµng máng Fe-Pt.

(a) Cã líp ®Öm CuAg dµy 50 nm: ⇒ HC ~ 13 kOe; (b) Kh«ng cã líp ®Öm CuAg: HC ~ 200 Oe.



Mµng máng tõ cøng - Nam ch©m mµng máng & v.v...Màng mỏng Fe-Pt

¶nh TEM (cross-sectional) cña mµng máng FePt/C cã dÞ h−íng tõ vu«ng gãc. KÝch th−íc h¹t trung b×nh kho¶ng 15 nm, çc h¹t cã h×nh d¹ng dµi theo ph−¬ng vu«ng gãc víi mµng máng.




(a) ¶nh TEM cho thÊy çc h¹t Fe-Pt cã kÝch th−íc trung b×nh ~ 15 nm c« lËp nhau ë trong nÒn C. (b) §−êng tõ trÔ cho thÊy HC ~ 37 kOe

(a) (b)




Çc phÐp ®o FC vµ ZFC (a) vµ M-H/T (b) cho thÊy nhiÖt ®é blocking TB ~ 200 K vµ tÝnh siªu thuËn tõ cña çc h¹t s¾t tõ Fe-Pt pha fct thÓ hiÖn ë trªn 200 K.

(a) (b)




Màng mỏng Fe-Pt



Çc mµng máng tõ cøng hÖ kh¸c: Re-T


Mµng máng Sm-Co cho thÊy tÝnh dÞ h−íng tõ vu«ng gãc rÊt m¹nh, HC (//) ~ 37 kOe, S ~ 1 vµ (BH)max = 25 MGOe.

Sm-Co





a) líp Cr dµy 5nm

b) líp Nb dµy 5nm

¶nh h−ëng cña líp ®Öm Nb vµ Cr lªn tÝnh chÊt tõ cña mµng máng hîp kim NdFeB:

a) [(NdFeB)200nm/Cr5nm]2; b) [(NdFeB)200nm/Nb5nm]2.

NdFeB

¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õ ®Õn tÝnh dÞ h−íng tõ vu«ng gãc cña mµng máng NdFeB.




NdFeB


¶nh TEM cña çc mµng máng ®a líp (a) [(NdFeB)40nm/Nb5nm]10; (b) [(NdFeB)40nm/Cr5nm]10

b)a) a) Cr, 180 nm,Ta = 575 0C

d) Ti, 540 nm,Ta = 575 0C

b) Cr, 54 nm,Ta = 550 0C

c) Mo, 180 nm,Ta = 550 0C

TÝnh chÊt tõ cña mμng máng NdFeB víi çc líp lãt vμ chiÒu dμy t−¬ng øng còng nh− chÕ ®é ñ nhiÖt kh¸c nhau: a) Cr 180 nm, Ta = 575 0C, b) Cr 54 nm, Ta = 550 0C, c) Mo 180 nm, Ta = 550 0C, d) Ti 540 nm, Ta = 575 0C.

3.3.33.. VVậật lit liệệu tu từừ khkhốối ci cóó ccấấu tru trúúc nanoc nanoVËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îngVËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion


So s¸nh mét sè th«ng sè quan träng cña pin Li-ion víi çc lo¹i pin kh¸c

KiÓu pin §iÖn ¸p danh ®Þnh N¨ng l−îng riªng N¨ng l−îng riªng theo träng l−îng theo thÓ tÝch

Mét sè −u ®iÓm chÝnh cña pin Li-ion: §iÖn ¸p danh ®Þnh cao gÊp 3 lÇn pin Ni-Cd vμ pin Ni-MHMËt ®é n¨ng l−îng cao, dung l−îng lín vμ nhÑ.Tèc ®é tù phãng thÊp (tõ 2 – 4%/th¸ng).Thêi gian sèng dμi (~5 n¨m).Sè lÇn n¹p l¹i trªn 1000 lÇn.Kho¶ng nhiÖt ®é ho¹t ®éng cña pin rÊt réng (n¹p: – 20 - + 60oC, phãng: – 40 - + 65oC).§é an toμn cao cho ng−êi sö dông vμ thiÕt bÞ.

Solid Polymer Electrolyte -ChÊt ®iÖn ph©n polime r¾n



- Mét sè ®Æc tr−ng quan träng cña pin Li-ion

§Æc tr−ng Kho¶ng gi¸ trÞ

- Nhu cÇu vµ gi¸ thµnh (USD) cña pin Li-ion trªn thÕ gií:

Nhu cÇu n¨m 2005: 1 tû pin Li-ion. Lîi nhuËn ~ 4 tû USDGi¸ thμnh gi¶m ~ 50% so víi 1999



VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng

VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- Nguyªn lý ho¹t ®éng cña pin Li-ion

Çc ph¶n øng ®iÖn cùc c¬ b¶n diÔn ra trong pin Li-ion:

- ë ®iÖn cùc d−¬ng: LiMO2 Li1-xMO2 + xLi+ + xe–

- ë ®iÖn cùc ©m: C + xLi+ + xe– LixC

Toµn bé qu¸ tr×nh LiMO2 + C LixC + Li1-xMO2ph¶n øng ®iÖn cùc



Qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸c¬ b¶n gi÷a çc ®iÖn cùc trong pin Li-ion

- Nguyªn lý ho¹t ®éng cña pin Li-ion

- CÊu tróc tinh thÓ cña vËt liÖu ®iÖn cùc d−¬ng trªn c¬ së LiMn2O4

CÊu tróc spinel cña LiMn2O4

CÊu tróc spinel víi çc « trèng 8 mÆt

cña MnO2

O

Li

Mn



VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îng

VËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

- CÊu tróc tinh thÓ cña vËt liÖu ®iÖn cùc d−¬ng trªn c¬ së LiCoO2

CÊu tróc tuÇn hoµn líp cña çc mÆt nguyªn tö Co – O – Li



VËt liÖu tõ nano cho c«ng nghÖ tÝch tr÷ n¨ng l−îngVËt liÖu nano sö dông cho pin Li-ion

Ph−¬ng ph¸p gèm: çc nguyªn liÖu ban

®Çu lµ çc «xýt hoÆc çc muèi nh− Li2CO3;

CoCO3 vµ Ni(NO3)2.6H2O.

Ph−¬ng ph¸p ®ång kÕt tña (co-

precipitates): çc nguyªn liÖu ban ®Çu lµ

çc hy®r«xýt cña Li, Ni, Co.

Ph−¬ng ph¸p sol-gel: sö dông çc phøc

chÊt cña çc kim lo¹i Li, Co, Ni,... víi phèi

tö lµ çc axÝt h÷u c¬.

- Mét sè ph−¬ng ph¸p tæng hîp vËt liÖu ®iÖn cùc d−¬ng:



- Mét sè vËt liÖu th−êng sö dông lµm ®iÖn cùc d−¬ng pin Li-ion, çc th«ng sè vµ −u/nh−îc ®iÓm t−¬ng øng

−u ®iÓm hoÆc nh−îc ®iÓm

Gi¸ thµnh ®¾t v× chøa CoGi¸ thµnh t−¬ng ®èi rÎGi¸ thµnh t−¬ng ®èi rÎDung l−îng riªng cao nhÊtPh©n ly to¶ nhiÖt m¹nh RÎ tiÒn, Ýt ®éc h¹i, ph©n ly

to¶ nhiÖt Ýt

VËt liÖuDung l−îng (®iÖn) riªng

(mAh/g)

§iÖn¸p trung b×nh ®/v Li(ë 0.05 C)

- §Æc tr−ng phãng ®iÖn cña ®iÖn cùc d−¬ng

§Æc tr−ng phãng ®iÖn cña çc ®iÖn cùc d−¬ng lµm tõ mét sè vËt liÖu kh¸c nhau.



- CÊu t¹o cña pin/¾c quy Li-ion

D¹ng ch÷ nhËt dÑt D¹ng trô



§a chøc n¨ng: thÓ hiÖn ®ång thêi c¶ tÝnh s¾t tõ vµ s¾t ®iÖn

⇒ vËt liÖu s¾t tõ-s¾t ®iÖn (FerroElectroMagnets) hoÆc vËt liÖu ®a

ferro (MultiFerroicMultiFerroic)

⇒ vËt liÖu cã nhiÒu tÝnh chÊt cïng mét lóc

⇒ t¨ng møc ®é tù do trong viÖc thiÕt kÕ vËt liÖu vµ linh kiÖn

⇒ s¶n phÈm cã nh÷ng tÝnh n¨ng ®éc ®¸o

⇒ çc hiÖn t−îng vËt lý míi

Ferri tõ spinel - s¾t ®iÖn perovskite

CoFe2O4 BaTiO3 (PbTiO3)

VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖn



Çc çch s¾p xÕp s¾t tõ-s¾t ®iÖn ⇒ Mét kiÓu nano-composite

KiÓu ®a líp, (hay cÊu tróc ngang)

KiÓu th¼ng ®øng

Líp spinelLíp perovskite

§Õ perovskite

Khèi spinelNÒn perovskite

§Õ perovskite



VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖnFerri từ spinel (CoFe2O4)- sắt điện perovskite (BaTiO3/PbTiO3)

(a) (b)¶nh AFM (a) vµ TEM (b) cña mµng máng composite dÞ thÓ hai pha s¾t tõ-s¾t ®iÖn CoFe2O4-BaTiO3 (kiÓu th¼ng ®øng).



CÊu tróc cña mµng máng hai pha dÞ thÓ tù s¾p xÕp CoFe2O4-BaTiO3.

VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖnFerri từ spinel (CoFe2O4)- sắt điện perovskite (BaTiO3/PbTiO3)

TÝnh chÊt tõ vµ ®iÖn cña mµng máng hai pha dÞ thÓ tù s¾p xÕp CoFe2O4-BaTiO3.

(A) §−êng ®iÖn trÔ cho thÊy tÝnh s¾t ®iÖn. (B) §−êng ®iÖn trÔ cña h»ng sè ®iÖn m«i d33. (C) §−êng tõ trÔ ®o vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng (®−êng mμu ®á), vμ song song víi mÆt ph¼ng (®−êng mμu ®en) cho thÊy cã dÞ h−íng tõ ®¬n trôc lín.

PS ~ 23 μC/cm3

(chuÈn ho¸ theo tû lÖ thÓtÝch cña BaTiO3)

EC ~ 8 mV/m

MS ~ 350 emu/cm3

(chuÈn ho¸ theo tû lÖ thÓtÝch cña CoFe2O4)

HC (⊥) ~ 5 kOe

Ha ~ 35 kOe ⇒

DÞ h−íng tõ ®¬n trôc.

Hd ~ 2.1 kOe ⇒

DÞ h−íng tõ h×nh d¹ng.



Mét sè ph−¬ng ¸n chÕ t¹o vËt liÖu nano-composite s¾t tõ-s¾t ®iÖn



VËt liÖu nano-composite ®a chøc n¨ng s¾t tõ-s¾t ®iÖn

Giới thiệu về nano từ sử dụng trong spintronics

Gồm các nội dung:- Tình hình phát triển của điện tử học truyền thống và sự hạn chế, mẫu thuẫn gặp phải khi giảm kích thước vật liệu từ.- Định nghĩa spintronics là gì? Những khái niệm liên quan.- Các hiệu ứng, hiện tượng cơ bản liên quan đến spin điện tử.- Những linh kiện sử dụng các hiệu ứng của spin.- Spintronics ở thang phân tử.

3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics& Spintronics


Các quy luật Moore:Quy luật Moore – I: Sè phÇn tö tÝch cùc tæ hîp ®−îc trªn métchÝp t¨ng gÊp ®«i sau mỗi kho¶ng 12-18 th¸ng.- Dự đoán: Trong TK 21: Mật độ lưu trữ hay tích hợp tăng gấp 3 lần

sau 12 tháng.Moore’s Law: The trend in the number of transistors per chip over time

Microprocessor Year Transistors (000s) Clock Speed (Mhz)4004 1971 2.3 0.18008 1972 3.5 0.28080 1974 6 28086 1978 29 1080286 1982 134 12.5Intel386TM 1985 275 16Intel486TM 1989 1,200.00 25Pentium® 1993 3,100.00 60Pentium®Pro 1995 5,500.00 200Pentium® II 1997 7,500.00 300Pentium® III 1999 9,500.00 600

Transistor count (K)

The number of transistors per chip doubles every 18 months

(Tài liệu nguồn: Science and Engineering Indicators – 2000,National Science Board (NSB), Washington, DC 20500, 2000 (NSB-00-1)

SSỰỰ PHPHÁÁT TRIT TRIỂỂNN CCỦỦA A CÔNG NGHCÔNG NGHỆỆ BBÁÁN DN DẪẪN N ––CÔNG NGHCÔNG NGHỆỆ VI ĐI VI ĐIỆỆN TN TỬỬ


1990s: Xu thÕ c«ng nghÖ IC ®∙ tËp trung ph¸t triÓn theo çc h−íng:1 - Gi¶m kÝch th−íc ph©n gi¶i cho kü thuËt quang kh¾c:

0,3 → 0,28 → 0,25 → 0,20 → 0,15 → 0,1 μm. VD: sö dông kü thuËt kh¾c tia X (X-ray lythography), kh¾c tia ®iÖn tö (electrolythography)

2 - T¨ng tèc ®é lμm viÖc: ®∙ t¨ng tõ hµng tr¨m MHz tíi hµng chôc GHz: Cuèi 1990s: tèc ®évi m¹ch sè ®¹t ®Õn hµng tr¨m MHz (106Hz), thêi gian truy cËp chØ vµi nano gi©y (10-9s) §èi víi m¹ch t−¬ng tù, tèc ®é ®¹t tíi hµng GHz (109Hz).

3 - Gi¶m ®iÖn ¸p lμm viÖc:* IBM ®∙ ®Ò xuÊt Transitor CMOS cã kÝch th−íc 0,08 μm, lµm viÖc æn ®Þnh víi nguån 1,5 V. * H∙ng Siemens ®∙ ®−a ra s¶n phÈm ROM chÕ t¹o trªn c¬ së nhiÒu líp transitor.* MOS chØ tiªu thô cã 3mW c«ng suÊt víi nguån 2V vµ ®¹t ®−îc tèc ®é truyÒn d÷ liÖu lµ

10Mbit/s. * H∙ng Sony sö dông kÝch th−íc ph©n gi¶i 0,28 μm ®∙ chÕ t¹o ®−îc æ nhí (ROM) chØ cÇn

lµm viÖc víi nguån 0,6V, mËt ®é tÝch hîp lµ 20 triÖu « nhí/cm.(Nguån nu«i cña çc thiÕt bÞ ®iÖn tö phæ biÕn lµ ë 3V trë lªn).

4 - Sö dông çc kü thuËt vμ vËt liÖu míi: * VËt liÖu nÒn vÉn lµ Si 100%. VÉn sö dông SiO2 lµ chÊt ®iÖn m«i chÝnh. * Çc vËt liÖu ®iÖn m«i míi ®−îc ®−a vµo nh− hä s¾t ®iÖn: SrBi2Ta2O4, PZT vv...

Xu thÕ ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ điện tử-tin học-viễn thôngtrong những năm cuối cña TK 20



Quy luật Moore-II: Giá thành nhà máy chế tạo chip sau 3 năm tăng gấp đôi

Mâu thuẫn về Kinh tếQuy luật Moore về kinh tế trong TK 20

(Theo: Materials Today; Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20-25 by S. E. Thompsona, and S. Parthasarathy.)



Giá thành nhà máyMạch tích hợp

Thị trường linh kiện điện tử

Vật liệu bán dẫn

Kinh tế thế giới

Sự tăng trưởng của công nghiệp bán dẫn ởTK20

(Theo số liệu của Semiconductor International, 2000)

TK 21: Công nghệ nanoCác transitor trong mạch logic có

kích thước nanomét:

- 2000: ~ 100 nm ~ 1000 ®iÖn tö

- 2010: ~ x10 nm ~ 10 ®iÖn tö

Th¨ng gi¸ng thèng kª lín.

- 2020: ~x1 nm: chÊm l−îng tö (Qdot):

1 ®iÖn tö (đơn điện tử)

ViÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn tö trong các chấm lượng tử ®−îc thùc hiÖn theo qui luËt của vật lý lượng tử.

CÁI GÌ SẼ DIỄN RA TRONG THẾ KỶ 21 ?

Quy luật vật lý bị vi phạm

Sự giảm của kích thước đặc trưng trong công nghệ bán dẫn micro (đường xanh), và công nghệ bán dẫn nano (đường đỏ) biểu thị qua độdài của cổng transitor, trong vòng 4 thập kỷ. (Theo: Materials Today; Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20-25, by S. E. Thompsona, and S. Parthasarathy.)

Micro-technology



KHUYNHKHUYNH HƯ HƯỚỚNG CNG CỦỦA A CÔNGCÔNG NGHNGHỆỆ HHẬẬU SI U SI ỞỞ NNỬỬA ĐA ĐẦẦU TK 21U TK 21

Theo: Materials Today, Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20-25 by S. E. Thompsona and S. Parthasarathy.Sự tăng trưởng của nền công nghiệp dựa trên công nghệ Si.

Dự báo xu thế sử dụng một số vật liệu mới thay thế Si vàkhoảng thời gian xuất hiện của các linh kiện điện tử mới.

Quantum Electronic Device

(Bip

olar

Junc

tion

Tran

sist

or)

Single Electron Transistor(Complementary metal-oxide-semiconductor)

Ranh giới củakỷ nguyên Si ?

Kỷ nguyên của cácvật liệu mới & linhkiện điện tử mới.

Ranh giới giữa2 kỷ nguyên

XU HƯỚNG CỦA ĐIỆN TỬHỌC TRONG TƯƠNG LAI

??



Tổ hợp của spin (các vật liệu sắt từ) và electronics

Electron

Electronics

Charge

Spintronics (Magnetoelectronics, spinics)- Các hiệu ứng GMR, TMR (MTJ), CMR, BMR- Phun spin, điều khiển spin, phát hiện spin

⇒ Các linh kiện spintronics.

Charge + Spin

Magnetics

Spin

spintronics = spin + electronicsNguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

SPINTRONICS LÀ GÌ ?


Cuéc çch m¹ng “magneto-electronics” sẽ t¹o ra nh÷ng linh kiÖn trong đã tõ tÝnh ®−îc tæ hîp vµo trong çc linh kiÖn ®iÖn tö th«ng th−êng(Gary Prinz, Naval Research Lab. (NRL) - 1995).

Spintronics lµ mét nh¸nh míi cña ®iÖn tö häc, trong ®ã spin cña ®iÖn tö, cïng víi ®iÖn tÝch cña nã, ®−îc lîi dông ®Ó tÝch hîp cả electronic, optoelectronic vµ magnetoelectronic. Sù tÝch hîp ®a n¨ng ®ã trªn cïng mét linh kiÖn ®¬n lµm cho linh kiện điện tử cã thÓ thùc hiÖn nhiÒu chøc n¨ng h¬n so víi nh÷ng linh kiÖn vi ®iÖn tö th«ng thường (Sankar Das Sarma, Univ. of Maryland - 2000).

VÒ c¬ b¶n, ch¼ng cã g× míi c¶. Tõ nh÷ng n¨m 60s vµ 70s (cña TK 20), ng−êi ta ®· cè thö pha chÕ thªm thµnh phÇn tõ tÝnh vµo trong ®iÖn töhäc. Çi mµ ®−îc ph¸t hiÖn ra hiÖn nay lµ ë chç ph¸t triÓn ý t−ëng vµ çc kü thuËt kh¶ thi ®Ó thùc hiÖn điều nµy (R.D. Issac, IBM - 2001).

SSựự hhìình thnh thàành cnh củủa spintronicsa spintronics



ĐN spintronics của James Daughton (Nonvolatile Electronics, Inc.) - 2001 :

Whatever You want it to be.

A combination of spin (ferromagnetic materials) and electronics.

New spin transport phenomena applied in combination with electronics.

The third above, but excluding the new (and ultimate) combination with semiconductors (SPINS).

TÓM LẠI:

Spintronics là một hướng phát triển mới của điện tử học mà ở đó spin của điện tử là đối tượng được sử dụng để bổ xung hoặc thay thế cho điện tíchcủa điện tử, nhằm tạo ra những chức năng mới và ưu việt cho các linh kiện điện tử hiện đại.

Do ®ã môc ®Ých chÝnh cña spintronics lμ: Sö dông spin cña çc h¹t l−îng tö (ch¼ng h¹n çc spin cña ®iÖn tö hay cña h¹t nh©n nguyªn tö) ®Ó chuyÓn ®æi (m· hãa), mang (truyền t¶i) vµ nhËn biÕt (ph¸t hiện) th«ng tin/tÝn hiÖu.



Electronics: Điện tử (học) – Ngành điện tử

Optics: Quang (học)

Mechanics: C¬ (học)

Magnetics: Từ (học)

Opto-Electronics: Quang học-điện tử (học)

Photo-Electronics: Quang-điện tử (học)

Photonics: Lượng tử (học) ánh sáng/Quang tử (học)

Magneto-Electronics: Từ điện tử (học) (xuÊt hiÖn tõ 1995) Spin-Electronics Spintronics (xuất hiện từ năm 2000) – Spinics – Nano-Spinics – Spin Nanoelectronics: Spin điện tử (học) – Spin tử (học)

Liên hệ thuật ngữ SPINTRONICS với các thuật ngữ quen thuộc



NanospinicsNanospinics llàà ggìì ??

Nanospintronics (or Nanospinics)||

Spintronics + Single Electron Physics

[P. Seneor, et. al., J. Phys.: Condens. Matter 19 (2007) 165222 (22pp)]

Spin properties ∩ Coulomb blockade

Magneto - Coulomb effects



Mô hình của Shockley:

"Sự thành công của nghiên cứu khoa học tỷ lệ với giai thừa của số các khái niệm (hay ý tưởng) mà một nhà khoa học có thể sử dụng cùng một lúc (tất nhiên chỉ tính gần đúng các ý tưởng)".

Phương trình Shockley:

Sự thành công khoa học ∝ Số các khái niệm được bao gồm!

Lưu ý: ! là dấu GIAI THỪA (không phải dấu cảm thán).

Số các khái niệm có thể rất dài, thậm chí dài khủng khiếp.

Đây là một ththáách thch thứức lc lớớnn cho tất cả chúng ta.

(E.I. Rashba, "Spintronics: Sources and Challenge", J. Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism, Vol. 15, No. 1, Feb. 2002, pp. 13-17).



Các khái niệm cơ sở: Khởi nguồn của Spintronics(Theo E.I. Rashba, "Spintronics: Sources and Challenge", J. Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism, Vol. 15, No. 1, Feb. 2002, pp. 13-17)

Các khái niệm bao hàm ở 3 loại vật liệu: BÁN DẪN - VẬT LIỆU TỪ - SIÊU DẪN

- BÁN DẪN: vì thích hợp cho việc thao tác tập thể điện tử- VẬT LIỆU TỪ: vì là nguồn tự nhiên của các điện tử phân cực spin- SIÊU DẪN: vì dựa trên sự kết cặp spin

DANH SÁCH CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ:

1. Lý thuyết dải của CR, nhấn mạnh đặc biệt vào luận điểm về đối xứng của Wigner,

Seitz, Herring, et.al. và hình thức luận k.p của Kohn và Luttinger (xem slide sau).

Công thức này cho phép:

- Nhận được các Hamiltonians thiết lập cơ sở cho mọi lý thuyết vững chắc.

- Bao hàm một cách hợp thức tương tác spin-quỹ đạo (mấu chốt cho

nhiều hiện tượng phụ thuộc spin) và ảnh hưởng của các trường ngoài.Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


GHI CHÚ:

Phương pháp k.pk.p trong lý thuyết cấu trúc dải của CR:- Có nhiều phương pháp để tính toán cấu trúc dải năng lượng của điện tử trong chất rắn. Tuy

nhiên, trong nhiều trường hợp, như ở các bán dẫn, không cần phải tính tất cả các vùng năng

lượng phức tạp, mà chỉ cần tính các trạng thái nằm trong vùng giới hạn năng lượng bậc kBT

(ΔΕ = ± kBT ~ ± 1/40 eV ~ ± 0.025 eV). Trong khi độ rộng vùng cấm ~ 1 eV, nên chỉ cần tính các

trạng thái cực trị của từng vùng, rồi tính các bổ chính năng lượng xuất hiện do bị lệch khỏi các

trạng thái này. Cách giải bài toán này là sử dụng phương pháp hình thức luận k.p và khối lượng

hiệu dụng: Giải p/t Schrodinger:

[p2/2m + U(r)] ψk = Ekψk (1)

với hàm sóng có dạng Bloch

ψk = uk ei k.r. (2)

Thay (2) vào (1), ta được:

(1/2m) (p + ћk)2 uk + U(r)uk = Ekuk (3)

Hamiltonian trở thành: Ĥ = Ĥ0 + Ĥ1 + Ĥ2 E = E0 + E1 + E2 (4)

p2 k.p k2

Trạng thái cơ Trạng thái nhiễu loạnbản với k = 0 bậc 1 và bậc 2 với k ≠ 0

Tương ứng với các bổ chính

bậc 1: (ћ/m)k.⟨u0(n)|p|u0

(n)⟩và bậc 2: H2 = (ћ2/2m)k2




2. Vật lý và công nghệ của các vi cấu trúc bán dẫn, là cơ sở cho công nghệ nanô.

3. Điện tử học transistor, bao gồm khái niệm của Shockley về mật độ không cân

bằng và vật lý của FET (field effect transistor).

4. Từ học và cộng hưởng từ:

- Vấn đề này bao gồm tất cả các kiểu trật tự từ, chuyển pha từ, và trong các

tính chất từ đặc biệt của các điện tử tương quan mạnh (quan trọng đ/v CMR).

- Nó bao gồm tất cả các cộng hưởng từ, như NMR, EPR, và cộng hưởng gia

tốc (cyclotron), và các khái niệm liên quan đến phương trình Landau-Lifshitz-

Gilbert, các phương trình Bloch, tần số Rabi, tiếng vọng Hahn, v.v... mà

những khái niệm này cung cấp một ngôn ngữ thích hợp cho động lực học

spin (bao gồm cả tính toán lượng tử).

5. Tính siêu dẫn ở trong các hệ mesoscopic, gồm sự xuyên ngầm đơn điện tử (SET) và

xuyên ngầm Josephson, các xoáy Abrikosov và phản xạ Andreev, mà được dựa trên

hình thức luận chặt chẽ của các phương trình Gorkov và Bogolubov-de Gene.Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010



6. Các cơ chế vận chuyển của tất cả các loại (Boltzmann, ballistic, hopping, tunneling,

etc...) trong các hệ vĩ mô đồng nhất và không đồng nhất (bao gồm cả sự vận chuyển

từ (magnetotransport) trong các hệ có cấu trúc lớp quan trọng đối với GMR).

Vấn đề này gồm một số các hiện tượng thú vị, như hiệu ứng Hall dị thường, hiệu ứng

Kondo, và hiệu ứng Aharonov-Bohm.

7. Các khái niệm liên quan đến các vấn đề đặc biệt thuộc lĩnh vực quang và quang-suất lực điện động (photo-emf) (emf = electromotive force).

Ví dụ: vấn đề phát hiện sự tích tụ spin không cân bằng là một trong những vấn đề

đang "nóng" hiện nay. Trong photo-emf, một nguyên lý chung là emf xuất hiện khi có

bất kỳ sự lệch nào của hàm phân bố mật độ điện tử khỏi sự cân bằng địa phương. Áp

dụng cho sự mất cân bằng spin, Johnson đã ghi nhận được hiện tượng spin-emf.



Điện tử có 2 đóng góp chính:• ĐiĐiệện tn tííchch (-e, |e| = 1.60091 x 10-19 C) ttíính chnh chấất đit điệệnn• SpinSpin (S = 1/2) ttíính chnh chấất tt từừĐiện tử có 2 chuyển động:• ChuyChuyểển đn độộngng ququỹỹ đ đạạoo (Orbital) (ví dụ: các quỹ đạo s, d, f )

Mômen từ quỹ đạo: μl = [l(l+1)]1/2μB (l = số lượng tử quỹ đạo)• ChuyChuyểển đn độộng ng SpinSpin Mômen từ riêng: μS = g[S(S+1)]1/2μB (μB = magneton Bohr =

9.2742 × 10-24 J/T (hay A.m2) = 0.92742 × 10-24 erg/Oe); S = ½, số lượng tử spin; g ~ 2, tỷ số từ hồi chuyển

(gyromagnetic ratio) ⇒ Mômen từ riêng của điện tử tự do:

μS = - (e/2m) gS = 1.73 μB

SPIN ĐIỆN TỬ



B¶n chÊt vËt lý cña m«men tõ: do chuyÓn ®éng spin cña ®iÖn tö

Coi ®iÖn tö cã d¹ng h×nh cÇu víi ®iÖn tÝch ®−îc ph©n bè đều kh¾p bÒ mÆt. Khi ®iÖn tö tù quay xung quanh trôc, ®iÖn tÝch ph©n bè trªn bÒ mÆt h×nh cÇu t¹o ra nhiÒu dßng ®iÖn nhá khÐp kÝn. Mçi dßng ®iÖn nhá sinh ra mét m«men tõ h−íng däc theo ph−¬ng trôc quay. Tæng céng çc m«men tõ ®−îc t¹o ra bëi mçi dßng ®iÖn nhá sÏ lµ m«men tõ cña ®iÖn tö, μB.

L−u ý: ®©y chØ lµ m« h×nh ®Þnh tÝnh. Cßn ®Ó ®Þnh l−îng ta kh«ng thÓ ¸p dông m« h×nh nµy v× khi tÝnh tæng céng m«men tõ do çc dßng ®iÖn nhá sÏcho kÕt qu¶ µ = 5/6 μB chø kh«ng ph¶i lµ μB. §iÒu nµy ®−îc gi¶i thÝch lµ do h×nh d¹ng thùc sù cña ®iÖn tö lµ hoµn toµn kh«ng x¸c ®Þnh vµ sù ph©n bè®iÖn tÝch trªn bÒ mÆt cña ®iÖn tö còng hoµn toµn kh«ng biÕt, v.v...

Spin và từ tính của vật chất: có 3 dạng chính* Từ tính của ion tự do (Free Ion Magnetism)* Từ tính định xứ (Located Magnetism)* Từ tính không định xứ (Itinerant Magnetism)



I- Các hiệu ứng/hiện tượng vận chuyển phụthuộc spin (Spin-Dependent Transport - SDT)

1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

1.2. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm (TMR)

1.3. Hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ (CMR)

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích (BMR)

1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon

1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET)



1986: + Peter Grünberg, et. al., Phys. Rev. Lett. 57 (1986) 2442. ⇒ ΔR/R ~ 1.5 %.

1988: + Albert Fert, et. al., Phys. Rev. Lett., 61(1988) 2472. ⇒ ΔR/R ~ 50 % ⇒ GMR

The 2007 Nobel Prize in Physics for GMR

SỰ KHÁM PHÁ RA HIỆU ỨNG GMR



GMR effect

Magnetization

Ferromagnetic layer (Fe ~3-6 nm)

Non-magnetic layer, (Cr ~1-6 nm)

(001)GaAs substrate

Minh họa cấu trúc lớp của siêu mạng Fe/Cr


R

- HS HS

0Magnetic Field

RP RP

RAP

P

PAP

ρρρ

ρρ −=

Δ=maxGMR

P

PAP

RRR

R−

=Δ

=R


Sù biÕn thiªn dao ®éng cña tû sè GMR theo chiÒu dµy cña líp Cu trong cÊu tróc ®a líp Co/Cu.

Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai lớp sắt từHiệu ứng GMR thể hiện sự thay đổi của điện trở theo từ trường ngoài tác dụng lên cấu trúc

màng mỏng từ đa lớp

SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ


1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ

Sự dao động của liên kết trao đổi giữa hai lớp sắt từ cách nhau bởi một lớp phi từ: hằng số liên kết trao đổ J (năng lượng liên kết trên một đơn vị diện tích của bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp) biến thiên kiểu dao động tắt dần theo chiều dày của lớp phi từ

Sù dao ®éng cña h»ng sè liªn kết trao ®æi J12 gi÷a hai líp tõ trong cÊu tróc ®a líp Co20Ni80/Ru/ Co20Ni80.

Ph¶n s¾t tõ (AF)

S¾t tõ (FM)

ChiÒu dµy líp çch Ru (Å)

Ví dụ

Tương tác kiểu RKKY

r

l nS r

d

M«i tr−êng khÝ ®iÖn tötù do

J(r) ∝ cos(2kFr)/r3

λF = 2π/kF

J(r) ∝ sin(2kFr)/r2


1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ

Tương tác giữa hai ion từ cách nhau một khoảng r trong môi trường khí điện tử tự do Năng lượng liên kết có dạng tuần hoàn theo khoảng cách r với biên độ giảm theo hàm r3

Tương tác giữa hai lớp mặt phẳng chứa các ion từ trong môi trường khí điện tử tự do Năng lượng liên kết có dạng tuần hoàn theo khoảng cách với biên độ giảm theo hàm r2

H = 0 H > HS

Spin-↑ Spin-↓

ρ↑

(a)AF

ρ↓

(b)FM

Spin-↑ Spin-↓

ρ↑ ρ↓

↓↑

↓↑

+=

ρρρρ

ρ2

P

2↓↑ +=

ρρρAP

PAP ρρ >

Líp tõ Líp phi tõ

dt

);(;4

)( )()(

2

nn

td

td

ρρρ

ααα

ααρρ ↓↑

↓↑

↓↑

↓↑ =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−=

Δ)(;

11 2

↑

↓=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−

=−

=Δ

ρρ

ααα

ρρρ

ρρ

AP

PAP

α = scattering asymmetric coefficient

Hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin – cơ chế của GMR



Cơ chế của sự vận chuyển phụ thuộc spina)

E E E E

4s 3d 4s 3dEF EF

M M

NM FM NM FMb)

EF EF

M M



Sù t−¬ng ®−¬ng cña mét hÖ mµng máng ®a líp víi mét chuçi rµo thÕ kh¸c nhau ®èi víi çc ®iÖn tö cã spin kh¸c nhau khi çc líp tõ cã cÊu h×nh tõ ®é ph¶n song (a) vµ song song (b).

spin-↑

spin-↓

ThÕ

t¸n

x¹b)

spin-↑

spin-↓

ThÕ

t¸n

x¹

a)

M¤ H×NH trƯỜng THẾ CñA GMR



GMR trong cÊu h×nh dßng ®iÖn vu«ng gãc (CPP) và trong mặt phẳng (CIP)

a)GMR-CIP

b)GMR-CPP

S¬ ®å minh ho¹ sù ph©n bè vect¬ sãng k trong mét mµng máng kim lo¹i. a) Khi dßng ch¹y trong mÆt ph¼ng mµng máng, CIP. b) Khi dßng ch¹y vu«ng gãc víi bÒ mÆt mµng máng, CPP.

§Õ Si

PhiÕn ®iÖn cùc phÝa trªn

PhiÕn ®iÖn cùc bªn d−íi

Mµng máng nhiÒu líp



Các cấu trúc đa lớp tương tự như một cái van spin khi có dòng điện chạy qua dưới tác dụngcủa từ trường ngoài.

NM

FM

FM

H



Hiệu ứng Spin Valves

Spin Valves

exc

C (ghim)

off

C (tù do)

1991:+ B. Dieny, et.al., Phys. Rev. B 43 (1991) 1297.+ B. Dieny et. al., J. Appl. Phys., 69 (1991) 4774.+ B. Dieny et. al., J. Magn. Magn. Mater., 93 (1991) 101.

GMR ~ 8-20% at TroomNguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


Mét sè kiÓu cÊu tróc van spin th«ng dông. KiÓu A vµ B: kh«ng södông líp AF ®Ó ghim mµ sö dông tõ tr−êng ngoµi, dÞ h−íng tõ, hoÆc hai líp tõ cã HC kh¸c nhau. Çc kiÓu tõ C ®Õn I sö dông lípAF ®Ó ghim. Trong sè nµy chia lµm 3 lo¹i: Lo¹i ghim ®Ønh (C, D, E), lo¹i ghim ®¸y (F, G, H) vµ lo¹i ghim ®èi xøng (I).

Tõ ®é

Tõ ®é líp bÞ ghim

Tõ ®é líp tù do

Tõ ®é líp ®iÒukhiÓn bÒ mÆt

A B C F

D G

E H

I

FNMF

F1NMF2

Çc van spin kh«ng ghim

Van spin ®èi xøng

Van spin kh«ng®èi xøng

Van spin ghim ®èi xøng

Çc van spin ®¸yÇc van spin ®Ønh

Çc van spin ghimkh«ng ®èi xøng

AFFNMF

AFF1NMF2

AFF1F2NMF2F1

AFF1NMF2 (F1)NMF1AF

Spin Valves



M

H

Sơ đồ cấu hình sắp xếp spin của một cấu trúc gồm 2 lớp từ tiếp xúc dị thể - sắt từ với phản sắt từ (FM/AFM) - ứng với các trạng thái từ hóa khác nhau để giải thích hiện tượng dịch của đường từ trễ do tương tác trao đổi spin ở bề mặt tiếp xúc – hiệu ứng trao đổi dịch:

(i) Lớp AFM là thuận từ, còn lớp FM vẫn là sắt từ, khi nhiệt độ của hệ thấp hơn TC (của FM) nhưng cao hơn TN (của AFM).

(ii) Lớp AFM trở thành phản sắt từ khi T < TN.

(iii) Từ trường đảo chiều làm đảo từ độ của lớp FM, nhưng chưa đủ mạnh để thắng tương tác trao đổi, nên vẫn bị “ghim” lại.

(iv) Từ trường đảo chiều đủ mạnh, thắng tương tác trao đổi, nên làm đảo hoàn tòan mômen từ của lớp FM (trạn thái bão hòa mômen từ của lớp FM).

(v) Do năng lượng tương tác trao đổi có tính dị hướng mạnh theo phương từ trường làm lạnh ban đầu [bước (ii)], nên chỉ cần từ trường ngòai giảm ít cũng dễ bị cạnh tranh bới trường liên kết trao đổi dị hướng - mômen từ của lớp FM dễdàng bị đảo lại.


Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)

Trường trao đổi dịch (hay trường “ghim”):Hex = Jint /(MFM.tFM)(Jint: năng lượng của bềmặt tiếp xúc FM/AFM; MFM: từ độ của lớp FM; tFM: chiều dày của lớp FM)

Hex

Meiklejohn’s model

• Mô hình đơn giản của Meiklejohn giả thiết tương tác trao đổi chỉxảy ra ở bề mặt phân cách AFM/FM.

• Năng lượng tính cho 1 đ.v diện tích bề mặt của hệ EB có dạng:

• Khi bỏ qua dị hướng của lớp FM và lấy cực tiểu năng lượng chỉtheo các góc α và β, có thể tìm được trường trao đổi dịch (hay

trường ghim HE) như sau:

và điều kiện về chiều dày tới hạn của lớp AF:FMFM

INTE tM

JH

×=

)cos()sin()(sin)cos( 2 αβααβθ −−++−−= INTAFMAFMAFMAFMFMFM JtKtKtHME

INTAFMAFM JtK ≥

α

β θ

KAFM,KFMMAFMMFM

H

Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR)


Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ

z

x

y

AF

FM

Soft

Hex z

x

y

AF

FM

Soft

Hex

H

Líp ph¶n s¾t tõ AF

Líp s¾t tõ FM

MÆt tiÕp xóc AF/FM

Líp s¾t tõ “tùdo”

Tầm tác dụng của EBC, λinf

- EBC th«ng th−êng, tFM ~ 10 nm vµJK ~ 0.01 – 0.5 erg/cm2 ⇒ λinf ~ 1 nm

- Víi hÖ MnPd(Cr)/Co cã GEB, tFM ~ 40 -100 nm nh−ng JK > 2 erg/cm2 ⇒λinf ~ 10 nm



Granular structure (Heterogeneous two phase structure)Hiệu ứng GMR trong các cấu trúc dạng hạt

ΔR/R

- HS 0 HSMagnetic Field

Đế

Co, Ni, Fe,…

Cu, Ag, Au, ...

iSi MH

M θcos=⋅

=HMM = ∑ Mi = 0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−= 2

S

2

MM

A(0)

(0)(H)ρ

ρρρρΔ

ρ = ρ0 + ρph(T) + ρm(T)1 - f[(M/MS)2]

)()()(

0 TTTA

mph

m

ρρρρ

++=



¶nh TEM cña mµng máng hîp kim Co23Ag77 cho thÊy çc h¹t Co nhá cã d¹ng gÇn nh− h×nh cÇu ®−îc ph©n t¸n trong nÒn Ag.

30 nm

Màng mỏng từ có cÊu tróc d¹ng h¹t



S¬ ®å minh ho¹ hình th¸i cÊu tróc h¹t víi tû lÖ thµnh phÇn Co x tăng dÇn, dÉn ®Õnsù kÕt tô cña çc h¹t Co khi tû lÖ thµnh phÇn Co lín h¬n ng−ìng lan to¶ xp. Tû sèGMR tăng theo x vµ ®¹t cùc ®¹i ë xp, sau ®ã gi¶m.

Có một giá trị p ~ xp là tỷ lệ thành phần tối ưu cho tỷ số GMR lớn nhất, GMRmax

Chiều tăng x →

x < xp x ~ xp x > xp

GMR tăng GMR = GMRmax GMR gi¶m

ChiÒu biÕn thiªn cña GMR

Hiệu ứng GMR trong các cấu trúc dạng hạt



Mét sè kiểu cÊu tróc cã hiÖu øng GMRa) MR

NM FM

Tõ tr−êngb)

Co MRCuCo

FeMn

Tõ tr−êng

c) MR

Ag Co Tõ tr−êng

d) MRNiFeAg

Tõ tr−êng

e)Ag MRNiFe

Co

NiFeTõ tr−êng

H (kOe)-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

GM

R (

%)

-5-4-3-2

-101


http://physicstoday.org/pt/vol-54/iss-5/captions/p31cap5.html

1995:+ J.S. Moodera, et. al.,Phys. Rev. Lett., 74 (1995) 3273.+ H. Fujimori, et. al., Materials Science and Engineering B31 (1995) 219.+ F. Guevara, et. al., J. Magn. Magn. Mater. 140-144 (1995) 381.

Al2O3, SiO2, Ta2O5, MgO, ...

Fe, Co, CoFe, NiFe,...

MTJ:[FM/I/FM]

Granular MTJ

TMR ~ 10 - 50% at Troom

1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR(MTJ: Magnetic tunnel junction; TMR: tunneling magnetoresistance)


Cấu trúc MTJ và sự xuyên ngầm lượng tử

23 nm

21 nm

2.5 nm

1nm3 nm

6 nm4.5 nm

, Stuart Parkin, June 25, 2002

Al2O3

CÊu tróc MTJ: FM/I/FM

FM1 FM2

Lí

p r

µo t

hÕ

(çc

h ®

iÖn

)

Cấu trúc MTJ dạng hạt: Hạt nano Co trong nền Si3N4

[S.Guéron, et. al., Laboratory of ASSP, Cornell University, Ithaca, NY 14853 (2005)]

Hạt Co~ 2.5 nm

V

J ~ exp[– 2 d√(2mφ/ħ 2)]

[ ]∫∞

∞−

−−− dEEfVEfEDVEDVJ )()()()(~)( 21

S¬ ®å rµo thÕ

EF2

EF1

φ

deV

D2

D1

J

1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR


Cơ chế vận chuyển xuyªn ngÇm phô thuéc spin - Hiệu ứng TMR

TMR = RAP - RP

RP

GP - GAP

GAP

=

P =[D↑(EF) - D↓(EF)]

[D↑(EF) + D↓(EF)] TMR =

2P1P2

(1- P1P2)

J1 > J2

eV eV

J1 J2

1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR


• 1950: Hợp chất LaMnO3 là chất AF và không dẫn điện. Khi thay thế mộtphần ion La3+ bằng các ion hoá trị 2 như Sr2+, Ca2+, Ba2+,... (từ 10 - 50%) hợp chất(La-X)MnO3 trở thành FM và dẫn điện.

• Thực nghiệm đo được ở màng mỏng của hợpchất La-Ga-Mn-O ở 77 K với CMR = Δρ/ρ~ 127.000 %.

• Cơ chế: Ở những vị trí có ion 2+ thay thế vị tríLa3+, ion Mn3+ gần đó sẽ nhường choion này 1e và trở thành ion Mn4+

Giữa ion Mn3+ và Mn4+ có tương táctrao đổi thông qua ion O2- ở giữa(góc tương tác Mn-O-Mn là 1800)

Xuất hiện sự trao đổi kép.

Các ion Mn3+

và Mn4+ đổi chỗcho nhau.

Mn3+ O2 - Mn4+

O

MnLa

Sr


1.3. Cấu trúc perovskite & hiệu ứng CMR

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích(Ballistic Magneto Resistance: BMR)

1999, G. Tatara, Y.-W. Zhao, M. Muñoz, and N. Garcıá“Domain Wall Scattering Explains 300% Ballistic Magnetoconductance of Nanocontacts”, PHYSICAL REVIEW LETTERS 83 (1999) 2030.

2001, N. Garcıá, M. Munõz, G. G. Qian, H. Rohrer, I. G. Saveliev, and Y.-W. Zhao“Ballistic magnetoresistance in a magnetic nanometer sized contact: An effective gate for spintronics”, APPLIED PHYSICS LETTERS 79 (2001) 4550.

2002, H.D. Chopra and S.Z. Hua“Ballistic magnetoresistance over 3000% in Ni nanocontacts at room temperature”, PHYSICAL REVIEW B 66, 020403(R) 2002


Sự vận chuyển phụ thuộc spin kiểu xung kích trong các cấu trúc tiếp xúc nano dạng chữ T

A

Bán kính cong của các đầu tip thay đổi từ40 – 400 nm (C) → BMR ~ 500 - 3000 %.

(H.D. Chopra et. al., PHYSICALREVIEWB 66 (2002) 020403(R))

Tiếp xúc nano (đặc trưng bởi điện trở tiếp xúc RC )

Dây Ni

Dây Ni

(D↑ - D↓)p = -----------

(D↑ + D↓)F ≤ 1 (tính không bảo toàn phương spin)

RC ~ 8 OhmBMR ~ 3150 %

Ni

Ni

Cu

CuCu

Tiếp xúc Ni–Ni hình chữ T: (a) tiếp xúc bằng các dây Ni;(b) tiếp xúc giữa hai lớp Ni mỏng được tạo ra bằng phương pháp điện phân một phần trên dây Cu.

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích


• Dây Ni có đường kính 125 μm được tạo ra mũi nhọn bằng phương pháp điện hóa.

• Bán kính cong của các đầu tip thay đổi từ 40 – 400 nm → BMR ~ > 500 - > 3000 %.

• Điện trở tiếp xúc Rc xác định đường kính mũi nhọn d:

1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích


Spintronics in carbon nanotube


(a) Micrograph of a nanotube device of a single MWNT electrically contacted by ferromagnetic Co.

(b) Schematic cross section of the device. The Co contacts lie on top of the MWNT, the conducting channel is approximately 250nm in length.

(c) Two terminal differential resistance as a function of magnetic .eld. The magnetic .eld is directed parallel to the substrate, and the temperature is 4.2 K.

(d) Two magnetization configurations, a resistance of the anti-parallel state is larger than a resistance of the parallel state.

(K.Tsukagoshi, et. al.; PhysicaB 323 (2002) 107–114)


Sù phun Spin qua èng nano carbon

Yªu cÇu:

T¸n x¹ Spin ë trong èng nanocarbon còng nh− ë bÒ mÆt gi÷a èng nano vµ ®iÖn cùc s¾t tõ ph¶i ®ñ nhá. Theo m« h×nh Julliere ®èi víi cÊu tróc MTJ, chiÒu dµi t¸n x¹ spin λS ~ 260 nm.

Lưu ý :

+ §é ph©n cùc Spin ë gÇn bÒ mÆt tiÕp xóc èng nano/s¾t tõ phô thuéc vµo chÊt l−îng cña bÒ mÆt tiÕp xóc mµng.

+ §iÖn trë tiÕp xóc cao g©y ra t¸n x¹ m¹nh Spin, dÉn ®Õn c¶n trë kh¶ n¨ng phun çc điện tử ph©n cùc Spin vµo trong èng nano carbon.

+ §iÖn trë tiÕp xóc cao cã thÓ do Co bÞ oxy hãa ë bÒ mÆt, t¹o ra mét hµng rµo xuyªn hÇm gi÷a èng nano carbon vµ ®iÖn cùc s¾t tõ.

Ảnh AFM của ống nano-carbon có đường kính ~ 1-2 nm được nối với hai điện cực Co dày 20 nm.

(A.T. Johnson, Jr.; Physics & Systems Engineering, University of Pennsylvania, 2002).

CoCo

Dây nano carbon


Cơ chế vận chuyển xung kích phụ thuộc spin trong ống CNT

L > λmfp tán xạ điện trở lớn Sự chuyển động kiểu zigzag

Vật dẫn thông thường Vật dẫn xung kích

L ~ λmfp không tán xạ khôngđiện trở Sự chuyển động kiểu

xung kích(Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)



Chiều dày vách Néel ở màng mỏng λ ~ 100-200 nm

BMR không đáng kể

Mặc dù λ ~ (<) λmfp sự tán xạ vẫn mạnh khi mômen từ của hai điện cực ngược nhau BMR không đáng kể

Trường hợp vận chuyển giữa haiđômen từ

Trường hợp vận chuyển giữa hai điện cực từ được

nối bởi ống nano

(Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)



http://prb.aps.org/

(A): Trạng thái điện trở cao(B): Trạng thái điện trở thấp

P P

P

Hiệu ứng BMR cho trường hợp hai điện cực từ nối với nhau bởi ống nano carbon

Hiệu ứng BMR (∆G/G) phụthuộc vào: P (độ phân cực spin) và λ (quãng đường tự do trung bình của điện tử)

P

PP

(Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon


http://prb.aps.org/

Có thể ứng dụng BMR trong công nghệ lưu trữ thông tin: đầu đọc BMR cho đĩa từcó mật độ siêu cao

CoCo

(Theo H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.)

Một khả năng ứng dụng của hiệu ứng BMR làm đầu đọc các bit từ có kích thước nano (ổ đĩa có mật độ

siêu cao – dung lượng cực lớn)

Một bit từ xác định



HIỆU ỨNG CHẮN COULOMB (CB)

Hiện tượng vận chuyển đơn điện tử

e

Q = 0 Q = -e

eeЄ

-

H¹t tÝch ®iÖn ©m

Líp ®iÖn tÝch d−¬ng ®−îc h×nh thµnhdo ph©n bè l¹i ®iÖn tÝch t¹o nªntr−êng thÕ nh− mét “Rµo ch¾n”®èi víi h¹t ®iÖn tÝch ©m.

extφ=)(Qφ )(Qextφ)(

1Qε

Hiện tượng ch¾n Coulomb

"Đảo nano" giữa một khe nano



Hiệu ứng chắn Coulomb từ (Magnetic Coulomb Blockade, MCB) & Sự vận chuyển đơn spin - SSET

FMFM

e-e-

Al2O3 FMFM

e-

Al2O3

Sơ đồ nguyên lý của linh kiện xuyên ngầm đơn spin (Single Spin Electron Tunneling: SSET).

“Đảo nano” Co

Lớp rào Al2O3 hay TiO2

Điện cực FM

Điện cực FM

Sơ đồ một cấu trúc MTJ kiểu “đảo”

SỰ CHẮN SPIN (SPIN-BLOCKADE)

J. Varalda et al. (2005)



Sự khác nhau cơ bản giữa các linh kiện truyền thống và SET Các linh kiện truyền thống (MOSFET, BJT )

• Các hạt tải điện tích "chảy" liên tục• Được mô hình hóa bằng các phương trình

thủy động lực học (hydrodynamic equations)

Các linh kiện đơn điện tử (SET)• Hoạt động dựa trên sự lượng tử hóa của điện tích của điện tử

• "Chảy" từng điện tử một• Hàm sóng điện tử là định xứ• Sử dụng phương pháp mô phỏng hạt

(phương pháp Monte Carlo trực tiếp)





II. CÁC VẬT LIỆU SPINTRONICS

2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ2.2. Bán dẫn từ, bán dẫn từ pha loãng2.3. Phản sắt từ (AFM)2.4. Hợp chất/hợp kim sắt từ nửa kim loại (Half-metallic Ferromagnets -HMF)2.5. Các vật liệu từ có cấu trúc nano khác2.6. Phân tử hữu cơ và Spintronics



2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ



2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ

Các sắt từ nửa kim loại (half-metallic ferromagnets):- Các hợp kim bán Heusler: NiMnSb, PtMnSb, UNiSn- Cấu trúc rutile: CrO2

- Cấu trúc perovskite: (La1-xSrx)MnO3, Sr2FeMoO6

Các ferri từ nửa kim loại (half-metallic ferrimagnets):

- FeMnSb, Fe3O4

Các phản sắt từ nửa kim loại (half-metallic antiferromagnets):- CrMnSb, La2VMnO6, La2VCuO6


3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics& Spintronics2.2. Bán dẫn từ (MS), bán dẫn từ pha loãng (DMS)

CÁC BÁN DẪN TỪ

Bán dẫn từ(MS)

Bán dẫn từ pha loãng(DMS)

Bán dẫn phi từ(NMS)

(III-V)-MnGaAs-MnInSb-MnInAs-Mn

AO:MZnO:Co/Cr

TiO2:CoSiO2:Mn

A-BGaAsInSbZnO


Sự phát triển của các vật liệu trên cơ sở bán dẫn với các tính chất từ hay liên quan đến spin trong thời đại “điện tử bán dẫn”: 60s-90s, và bắt đầu thời đại “điện tử spin”: ~ 2000s.

3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics& Spintronics2.2. Bán dẫn từ (MS), bán dẫn từ pha loãng (DMS)

Mét sè yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi hÖ AF/FM

Tr−êng ghim (pinning field, hoÆc exchange bias field) lín:

HE > ~ 300 Oe.

NhiÖt ®é blocking TB > ~ 200 0C.

VËt liÖu sö dông lµm çc líp FM vµ AF cã TC, TN > 300 K, cã ®é bÒn ho¸ häc vµ c¬ häc cao.

®ßi hái vÒ gia c«ng nhiÖt thÊp nhÊt: viÖc ñ ë nhiÖt ®é cao lµm mÊt hiÖu øng EB v× qu¸ tr×nh khuÕch t¸n giữa hai líp FM/AF.


2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ


Mét sè ««xýt phxýt ph¶¶n sn s¾¾t tõt tõdïng lµm líp AF trong çc hÖ trao ®æi dÞch vµçc nhiÖt ®é TB vµ TNt−¬ng øng.

Material TB (K) TN (K)

NiO (1 1 1) 450 – 500 520

NiO (1 0 0) 480

CoO (poly) (10 K) 290 290

CoO (poly) (150 K) 290

CoxNi1-xO (poly) 370 290 –520

CoxNi1-xO (1 1 1) 390 – 430

CoO/NiO (poly-multi)

380 – 410/290 –520

Fe2O3 (poly) 450 – 620

Çc vËt liÖu sö dông trong hÖ AF/FM

VËt liÖu sö dông lµm líp AF



2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ

Mét sè hhîîp kim php kim ph¶¶n sn s¾¾t tõt tõdïng lµm líp AF trong çc hÖ trao ®æi dÞch vµ çc nhiÖt ®é TB vµ TN t−¬ng øng.

Material TB (K) TN (K)

Fe50Mn50 (poly-ann) 420 – 570

Fe50Mn50 (1 1 1) 380 – 480 490

Ni50Mn50 (poly-ann) 770 1070

Ni50Mn50 (1 1 1-ann) 520 – 650

Ni25Mn75 (1 1 1-ann) 420 –

FexNiyMn1-x-y (poly) 470 – 620 –

FeMnRh (poly) 420 –

Cr1-xMnx (poly) 450 –

CrxMnyPt1-x-y (poly) 600 –

CrxMnyRh1-x-y (poly) 620 –

CrxMnyCu1-x-y (poly) 570 –

CrxMnyPd1-x-y (poly) 650 –

CrxMnyIr1-x-y (poly) 550 –

PtxMn1-x (poly-ann) 400 – 650 480–980

PdxPtyMn1-x-y (poly) 570 –

IrxMn1-x (1 1 1) 400 – 520 690

Çc vËt liÖu sö dông trong hÖ AF/FM (tiÕp)

VËt liÖu sö dông lµm líp AF

3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics& Spintronics2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ


Vật liệu sử dụng làm lớp rào thế trong các cấu trúc MTJ với hiệu ứng TMR: việc sửdụng rào thế là MgO từ 2002 đã làm tăng vọt tỷ số TMR.

3.3.44.. MMààngng mmỏỏng tng từừ nanonano & Spintronics& Spintronics2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ


III. MỘT SỐ LINH KIỆN, DỤNG CỤ SPINTRONICS & ỨNG DỤNG

3.1. Nguyên tắc & Phân loại các linh kiện spintronics3.2. Cảm biến, đầu đọc từ van spin3.3. Bộ nhớ từ không tự xoá (MRAM)3.4. Các loại tranzito spin

3.4.1. Tranzito Johnson (BST)3.4.2. Tranzito van spin (SVT)3.4.3. Tranzito spin hiệu ứng trường (FEST)

3.5. Điốt quang-spin điện tử3.6. Các linh kiện nanospinics

3.6.1. Linh kiện đơn spin điện tử (SSED)3.6.2. Linh kiện dẫn spin trên sợi nanocarbon

3.7. Spin và máy tính lượng tử3.8. Một số ứng dụng


Thế hệ I: GMR, TMR (kim loại sắt từ-kim loại hoặc kim loại sắt từ-điện môi): Cảm biến, đầu đọc từ, các loại MRAM, các transito kim loại (hay transito lưỡng cực), tranzito van spin, công tắc/khoá spin,...

Thế hệ II: phun dòng spin trong bán dẫn từ pha loãng, bán dẫn sắt từ, half-metal. (bán dẫn-sắt từ, bán dẫn từ-bán dẫn, tiếp xúc ôxyt từ xuyênngầm spin (MOTJ) hay các tiếp xúc khác, v.v...): Mạch khoá spin siêunhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,...

Thế hệ III: hiệu ứng spin lượng tử (dạng dot, dây, sợi nano →nanospintics) như các linh kiện vận chuyển kiểu điện đạo (ballistic electron transport) (các hiệu ứng BMR, MCB),…Các cấu trúc/linh kiệnnano sử dụng các trạng thái spin của các điện tử đơn lẻ: cổng logic lượng tử spin, là cơ sở cho máy tính lượng tử, các transistor đơn spin(SSET),...

Các thế hệ linh kiện/dụng cụ Spintronics


NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THUỘC DÒNG SPINTRONICS

ElectronicOptical

ThermalV.v...(???)

Injection

Manipulation

Detection

Phun spin

Phát hiện/đo/phân tích spin

Thao tác spin

Các hiệu ứng do sự vận chuyển phụ thuộc spin:GMR, TMR, BMR, CMR, ... (???)

- Cấu trúc đa lớp- Cấu trúc dạng hạt- Cấu trúc van spin- Cấu trúc MTJ- Các cấu trúc lai- v.v… (???)

Spin source

Ferromagnetic materials (FM)

Half-metallic ferromagnets (HMF)Magnetic semiconductors (MSC)

Dilute magnetic semiconductors (DMS)V.v… (???)

Nguồn spin


ƯU ĐIƯU ĐIỂỂM CM CỦỦA VIA VIỆỆC SC SỬỬ DDỤỤNG SPINNG SPIN1. Tiêu thụ ít năng lượng hơn

- Việc chuyển trạng thái 0 và 1 trong các Transistor MOS-FET được thựchiện bằng cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi kênh transistor. - Việc vận chuyển điện tích đòi hỏi phải tạo ra được sự chênh lệch củatrường thế (gradient điện trường) ⇒ Bị tổn hao thành nhiệt và không thểbù đắp. ⇒ Đòi hỏi tiêu tốn năng lượng và thời gian hơn.

2. Không gây ồn/nhiễu như điện tích- Spin không liên kết dễ dàng với điện trường tạp tán (nhưng lại liên kếtspin-quỹ đạo rất mạnh ở trong chất rắn) ⇒ tránh được nhiễu và ồn nhưđiện tích.

3. Thao tác nhanh hơn- Vì không phải mất thời gian cho việc vận chuyển điện tích trong một khoảng thời gian dài (transit time), chỉ mất thời gian lật phương spin tại chỗ (flip time).

Đối với spin: chỉ cần “bật” chiều spin “lên” và “xuống” ⇒ Đòi hỏi tiêu tốn ítnăng lượng và thời gian hơn nhiều.


- Transistor lưỡng cực(Bipolar Transistor, BPT)

- Transistor cộng hưởng spin (Spin-Resonance Transistor, SRT)

- Transistor xuyên ngầm từ(Magnetic Tunnel Transistor, MTT)

- Transistor trường spin (Spin-FET)

-Điốt quang spin (Spin Light-Emitting Diode, Spin-LED)

Bộ nhớ từ kh«ng tự xãa(Non-volatile Magnetoresistance-RAM)

Çc linh kiÖn/thiết bị tõ-®iÖn tö:

CCÁÁCC LINH KILINH KIỆỆN ĐIN ĐIỆỆN TN TỬỬ THTHẾẾ HHỆỆ MMỚỚI SI SỬỬ DDỤỤNG SPIN ĐING SPIN ĐIỆỆN TN TỬỬ

Máy tính lượng tử(Quantum Computer, QC)

Côn

gsuất

(mW

)

Giá thành của hệ cảm biến (USD)

GMR

Một số loại cảm biến dùng để đo từtrường thấp (10-9 Oe/V/Hz)

* Robot xóc gi¸c/Robot th«ng minh* PhÝm bÊm kh«ng tiÕp xóc* §éng c¬ kh«ng chæi than* Gi¶i m· v¹ch* §Õm tèc ®é* §iÒu chØnh ®¸nh löa bugi ®éng c¬* M¸y trî thÝnh* HiÓn vi tõ ®iÖn trë* Đầu đọc ổ đÜa cøng m¸y tÝnhv.v...

Cảm biến từĐầu từ GMR

ChuyÓn ®æitừ-®iÖn


Các cảm biến từ trường – phạm vi làm việc & so sánh với cảm biến van spin

Ph¹m vi tõ tr−êng cã thÓ ®o ®−îc (kOe)Çc lo¹i c¶m biÕn tõ tr−êng 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103

1. SQUID.......................................

2. Cæng tõ th«ng (Flux-gate).........

3. B¬m quang (Optical pumping)..

4. TuÕ sai h¹t nh©n (Nuclear

precession).....................................

5. Sîi quang (Fiber-optic)..............

6. HiÖu øng Hall............................

7. Magneto-diode..........................

8. Magneto-transistors...................

9. Quang tõ (Magneto-optic).........

10. Cuén d©y (Pick-up coil)...........

11. GMR.......................................

12. Tranzito van spin...................

13. AMR........................................


NMFM

FM

Applications of GMR and spin valves

θ

2)cos(

hw

RRR

IU 21S

max

⟩−⟨⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= ↑↑

θθΔΔ

M2θ2M1

θ1

I

I I


• Ổ đĩa cứng nhỏ nhất trên thếgiới (Guinness World Records): 0.85-inch (~ 2 cm) của Toshiba Corporation côngbố vào ngày 16 March 2004 tại Nhật bản.

Spintronics trong các ổ đĩa cứng máy tính


http://www.hgst.com/portal/site/hgst/index.jsp?epi-content=GENERIC&folderPath=%252Fhgst%252Faboutus%252Fpress%252Finternal_news%252F&docName=20030825.html&beanID=736703123&viewID=content

3- Nhu cÇu t¨ng mËt ®é vμ dung l−îng l−u tr÷ th«ng tin

S¶n phÈm æ ®Üa cøng (HDD) cña IBMPTN c«ng nghiÖp demo

T×nh h×nh t¨ng tr−ëng cña mËt ®é l−u tr÷ cña ®Üa cøng m¸y tÝnh (HDD) trong thêi gian qua


T×nh h×nh t¨ng tr−ëng dung l−îng nhí cña æ ®Üa cøng m¸y tÝnh (HDD) trong thêi gian qua


Sù ph¸t triÓn cña mËt ®é diÖn tÝch cña æ ®Üa cøng (HDD) vμ bé nhí ®éng (DRAM)


L−u tr÷ ëmøc ng.tö

L−u tr÷ kiÓu hiÓn vi lùc

ng.tö (AFM) vµkü thuËt toµn ¶nh

Çc æ ®Üa tõ ®−îc t¨ng c−êng

Giíi h¹n mËt ®ébÒ mÆt ng.tö

Giíi h¹n diÖn tÝch tiÕp xóc AFM

Giíi h¹n siªu thuËn tõ

Xu thÕ ph¸t triÓn cña mËt ®é l−u tr÷ vμ çc h×nh thøc l−u tr÷ th«ng tin


CÊu t¹o cña mét ®Çu từ GMR cña æ ®Üa cøngm¸y tÝnh sö dông van spin cã ghim

AFM2

θ2

M1

θ1

Líp tõ "tù do"Líp ph¶n

Líp çch s¾t tõkh«ng tõ

Líp tõ bÞghim

I

Cùc dÉndßng ®iÖn

Cùc dÉndßng ®iÖn

I I

2)cos(

hw

RRR

IU 21S

max

⟩−⟨⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= ↑↑

θθΔΔ

Cấu trúc của đầu từ GMR


mét sè c¶m biÕn GMR th−¬ng phÈm

M∙ hiÖu/kiÓu cảm biÕn GMR

Khoảng tõ tr−êng lµm viÖc ®é nh¹y Ghi chó

AA002 ~ 15 Oe 1.2 kA/m 4.2 mV/V Oe 52 mV/V kAm-1 Usôt ¸p = 5 kΩ * 1 mA

AA003 ~ 20 - 1.6 - 3.2 - 40 - 5 kΩ * 1 mA

AA004 ~ 50 - 4.0 - 1.3 - 16 - 5 kΩ * 1 mA

AA005 ~ 100 - 8.0 - 0.6 - 8 - 5 kΩ * 1 mA

AA006 ~ 20 - 1.6 - 3.2 - 40 - 30 kΩ * 0.3 mA

AC004 ~ 20 - 1.6 - 3.2 - 40 -

AB001 ~ 252 - 20 -

Ghi chó: mV/VOe t−¬ng øng víi [Ura/Usôt ¸pH], trong ®ã Usôt ¸p = I.R, lµ ®iÖn ¸p sôt trªn c¶m biÕn khi được nu«i b»ng mét dßng ®iÖn kh«ng ®æi (mçi c¶m biÕn cã mét ®iÖn trë x¸c ®Þnh).

B

I



Ứng dụng cảm biến GMR trong công nghiệp ô-tô

MLX90316 wins Best of Sensors 2006 Gold Award Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010

Ứng dụng cảm biến GMR trong công nghiệp ô-tô

Ứng dụng van spin làm Bộ nhớ MRAM

a) b)

¤ nhí

Lớp çch sắt từ

Lớp từ 2

Lớp từ 1

Ô nhớ trong bộ nhớ kiểu VRAM

Cu

CoFe

CoFe

R(H)

R

R + ΔRMøc “cao”

Møc “thÊp”

M« h×nh cÊu tróc cña mét« nhí c¬ së sö dông phÇntö GMR víi çch bè trÝçc ®−êng ®äc vµ ®−êngghi bit th«ng tin.

IS

IW

Líp çch ®iÖn§−êng ghi

bit

PhÇn tö van spin cã ghim (L−u tr÷th«ng tin)

§−êng ®äc bit

§Õ thuû tinh


MỘT SỐ BỘ NHỚ GMR-MRAM

Một số bộ nhớ GMR-MRAM mẫu (prototyp) với các thông số về dung lượng, kích thước, và thời gian truy nhập:

a) IBM: 1-Kb, chip (1-mm x 1.5-mm). Thời gian truy nhập: 3–10-ns. b) Motorola: 256-Kb, chip (3.9-mm x 3.2-mm). Thời gian truy nhập: 35-ns. c) Motorola: 1-Mb, chip (4.25-mm 5.89-mm). Thời gian truy nhập: 50-ns. d) Motorola: 4-Mb, chip (4.5-mm x 6.3-mm). Thời gian truy nhập: 25-ns. e) IBM: 16-Mb, chip (7.9-mm 10-mm). Thời gian truy nhập: 30-ns.

(Theo 2000 IEEE, 2001 IEEE, 2002 IEEE, 2003 IEEE và 2004 IEEE.)


MỘT SỐ TRANSITO SPIN

Conventional Electronics

Nguồn Cổng Máng

n+ n+

P-type Si

Oxit

Lớp đảo điện tích

MOSFET

CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tranzito hiÖu øng tr−êng ph©n cùc spin (SPFET). Hai ®iÖn cùc nguån vµ m¸ng lµ çc líp s¾t tõ, vÝ dô nh− Fe, cã t¸c dôngphun vµ gãp çc ®iÖn tö cã spin ®∙ ®−îc ph©n cùc. Çc ®iÖn tö phân cực ®i qua kªnh dÉn vµ ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng hiÖu øng tr−êng (điện trường) và từ trường.

Spintronics

Fe Fe

Vg

FeInGaAs

InAlAs FeNguån M¸ngCæng

Kªnh dÉn (KhÝ ®iÖn tö 2-D)

SPFET (Spin-FET)


Transito hiệu ứng trường phân cực spin (SPFET)

Transito Johnson

M

F1 F2NM

EF0EF

0

F1 F2NM

EF0EF

0 M

Parallel Anti-parallel

- + - +

IM IM

F1 F2

NM

F1, F2: CoNM: Cu, Ag

M. Johnson, Phys. Rev. Lett. 70, 2142 (1993).


http://link.aip.org/link/?&l_creator=getabs-normal&l_dir=FWD&l_rel=CITES&from_key=APPLAB000085000014002959000001&from_keyType=CVIPS&from_loc=AIP&to_j=PRLTAO&to_v=70&to_p=2142&to_loc=APS&to_url=http%3A%2F%2Flink.aps.org%2Fabstract%2FPRL%2Fv70%2Fp2142

Transito van spin (SVT)

a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tranzito van spin. Cùc bad¬ lµ mét phÇn tö van spin ë gi÷a hai líp b¸n dÉnb»ng Si, ®ãng vai trß cña emit¬ vµ colect¬. b) S¬ ®å çc møc n¨ng l−îng ë chç tiÕp xóc trong cÊu tróc kiÓu SMS (b¸n dÉn/kim lo¹i/b¸n dÉn), c¬ së cña øng dông tranzitovan spin. Trong h×nh (a), phÇn tö van spin ®−îc thay cholíp kim lo¹i M ë trong cÊu tróc nµy.

SVT

S SM

e-

e-

Van spin

D. J. Monsma, et. al, Phys. Rev. Lett. 74, 5260 (1995)


Spin Light-Emitting Diode

Magnetic fieldSpin-polarized Hole curentNon-magnetic

GaAs

p-type ferromagnetic semiconductor

GaMnAs

InGaAs

n-GaAsElectro-luminescence

GaAs


(a)

Sensor GMR S

NNam ch©m vÜnh cöu

Ph−¬ng tiÕp cËn víi vËt

C¶m biÕn GMR

NS

Pit«ngPh−¬ng chuyÓn ®éng cña pit«ng

(b)

Çc c¶m biÕn GMR x¸c ®Þnh theo vÞ trÝ

Một số ứng dụng khác của cảm biến GMR và TMR


Dïng c¶m biÕn ®Ó lµm phÇn tö nh©n (a): ΔU ~ ISI0, vµ phÇn tö céng (b): ΔU ~ (I1 + I2)

Cuén d©y t¹o tõ tr−êng

èng thÐp

C¶m biÕn GMRVÕt nøt

H

KiÓm tra vËt liÖu kh«ng ph¸ huûmÉu (èng thÐp) b»ng c¶m biÕn GMR.

Một số ứng dụng khác của cảm biến GMR và TMR


(a)

(b)

IsIo

GMR −ΔU

+

+

-

−

ΔU+

I1I2 GMR

+

_

U

a) Nguyên lý để đo dòng lớn không trực tiếp.

b) Đặc tuyến V-I của cảm biến RMS đo dòng xoay chiều tần số công nghiệp (50 Hz). Độ nhạy xác định được là 35 mVrmsrA.

Đo cường độ dòng điện lớn từ xa


(a) Sơ đồ bố trí cảm biến để đo tốc độ quay. Hệ thống gồm bánh răng bằng vật liệu từmềm, một nam châm vĩnh cửu mà ở phần đầu có lắp một cảm biến GMR hay TMR saocho lớp bị ghim có phương từ độ hướng xuống phía dưới, còn từ độ của lớp tự do cóthể quay trong một mặt phẳng vuông góc với màn hình (hướng từ phía sau ra phíatrước màn hình). Như vậy cảm biến này chỉ nhạy với thành phần của từ trường nằmdọc theo hướng của lớp bị ghim. (b) Khi bánh răng quay, các răng lần lượt di chuyểnqua cảm biến và làm nhiễu đường sức từ. (c) Đường đặc trưng của điện áp ra phụthuộc góc của cảm biến.

Điều khiển vị trí góc (Angular Position monitoring)


a) Cảm biến đặt cách mặt biên của bánh xe bằng nam châm vĩnh cửu đang quay một khoảng d.

b) Đồ thị biểu diễn tín hiệu điện áp ra của cảm biến theo thời gian ứng với tốc độquay của bánh xe là 360 vòng /phút đối với trường hợp khi d = 1 mm. Bảng nhỏcho ở trong đồ thị này cho thấy biên độ tín hiệu đo dược phụ thuộc vào khoảng cách d, và thấy rõ tín hiệu có biên độ ổn định ởkhoảng cách từ d = 0.5 mm tới d = 2 mm.

Điều khiển tốc độ quay


TiÕpTiÕp ccËËnn spintronicsspintronics tt¹¹i ITIMSi ITIMSBắt đầu từ 1995 (là đơn vị đầu tiên trong nước)

Nghiªn cøu GMR trong mµng máng ®a líp vµ d¹ng h¹t (1995-2006)

Nghiªn cøu GMR cña hîp kim dÞ thÓ hai pha nguéi nhanh (1999-2006)

ChÕ t¹o van spin, sensor GMR vµ nghiªn cøu øng dông van spin lµm c¶m biÕn tõ

truêng (2000 – nay)

Nghiªn cøu hiÖu øng TMR trong çc cÊu tróc MTJ (2002-nay)

Nghiªn cøu hiÖu øng trao ®æi dÞch (EBC) (2002-nay)

Nghiªn cøu mét sè hîp chÊt half-metal (2004-nay)

Nghiªn cøu cÊu tróc MTJ d¹ng ®¶o vµ hiÖn t−îng ch¾n Coulomb từ (2004-nay)

Nghiªn cøu cÊu tróc MTJ d¹ng h¹t vµ hiÖu øng TMR (2005-nay)

Nghiªn cøu vËt liÖu b¸n dÉn tõ (???)

Nghiên cứu các hiện tượng vật lý spin mới: spin torque; spin Hall; magnetic Casimir effect, magnetic plasmon,…(2008 – nay)


6. ITIMS VÀ CÁC ĐƠN VỊ KHÁC TRONG NƯỚC ĐÃ NGHIÊN CỨU NHỮNG VẤN ĐỀ GÌ LIÊN QUAN ?

1. HIỆU ỨNG GMR & CẤU TRÚC VAN SPIN (ITIMS, IMS)

2. CẤU TRÚC MTJ VÀ HIỆU ÚNG TMR (ITIMS)

3. TRAO ĐỔI DỊ HƯỚNG ĐƠN HƯỚNG (TRAO ĐỔI DỊCH) (ITIMS)

4. SỰ CHẮN COULOMB TỪ VÀ SỰ XUYÊN NGẦM ĐƠN SPIN (ITIMS)

5. SẮT TỪ NỬA KIM LOẠI (HALF-METALLIC FERROMAGNETS) (ITIMS, IMS)

6. BÁN DẪN TỪ (MAGNETIC SEMICONDUCTORS & DILUTE MAGNETIC SEMICONDUCTORS ) (IMS, CRYOLAB, HUE, ITIMS)

7. Spin torque transfer (ITIMS)

8. Spin-plasmonics (ITIMS)

9. Spin Hall effect (ITIMS)

10. Magnetic Casimir effect (tương tác từ tầm xa) (ITIMS)

MMỘỘTT SSỐỐ ĐƠN VĐƠN VỊỊ ỞỞ TRONG NƯ TRONG NƯỚỚC NGHIÊNC NGHIÊN CCỨỨU VU VỀỀ SPINTRONICSSPINTRONICS

MỚI BẮT ĐẦU TRIỂN KHAI VÀ DỰKIẾN TRIỂN KHAI


1. GMR: Co-Ag; Co-Cu; NiFe-Ag; Co/Ag/Co; Co/Cu/Co; Co/Ag/NiFe;

CoFe/Ag(Cu)/CoFe; CoNiFe/Ag(Cu)/CoNiFe; ...

2. ChÕ t¹o van spin: Co/Ag/Co; Co/Cu/Co; NiFe/Ag/NiFe;

FeMn/Co(NiFe)/Ag/NiFe(Co); NiMn/Co/Ag(Cu)/NiFe(Co); PdMn/Co/Ag/NiFe; ...

3. MTJ/TMR & Chắn Coulomb từ: Co/Al2O3/NiFe; Co/Al2O3/Co;

Co/Co-Al-O/Co; Co-Al-O; Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co

4. Half-metals: HÖ Heusler: Ni(Co, Cu)-Mn-Sb(Si, Al, Sn, Bi)

(d¹ng mµng máng vµ khèi); FM-CrAl (dạng màng mỏng) - FM = Fe, Ni, Co, CoFe, NiFe,...

Hệ oxyt: CrO2 ; NiMnSb; FM-CrAl (d¹ng mµng máng)

5. EBC: MnPd/Co; MnNi/Co; MnCr/Co; MnPd/NiFe; MnPt/Co;

MnPt/NiFe; MnNi/NiFe; IrMn/Co(CoFe); MnPd/Co10.

CCÁÁC nGHIC nGHIÊN CÊN CỨỨUU CCỤỤ THTHỂỂ tt¹¹ii ITIMS ITIMS CCỦỦA NHA NHÓÓM M spintronics spintronics


6. DMS: ZnO:Co

7. Spin-plasmonics: Co/Ag; Co/Cu; NiFe/Ag; CoFe)/Ag; Co-Ag; Co-

Cu; Co/Al2O3; Co-Al2O3.

8. Hiệu ứng Casimir từ - tương tác từ tầm xa trong các MTJ:

Co/Al-O/Co; Co/Ag/Co; NiFe/Ag/Co; Co/Cu/Co; NiFe/Cu/Co;

9. Bộ chuyển đổi từ điện:

- Sử dụng cảm biến van spin kim loại mắc theo kiểu mạch cầuWheatston chế tạo các bộ chuyển đổi từ-điện.

- Bộ đo từ trường, khoảng cách, góc, vận tốc, gia tốc, khối lượng, áp lực/áp suất.

- Các bộ chuyển mạch cơ-điện sử dụng van spin

CCÁÁC nGHIC nGHIÊN CÊN CỨỨUU CCỤỤ THTHỂỂ tt¹¹ii ITIMS ITIMS CCỦỦA NHA NHÓÓM M spintronics spintronics



3.3.66.. PhPhâân n ttửử vvàà nguyên tnguyên tửử ttừừ cô lcô lậậppCác chùm phân tử từ (magnetic molecular clusters) - còn gọi là các nam châm nano phân tử (molecular nanomagnets) hoặc các nam châm đơn phân tử (single-molecule magnets: SMM) - là những giới hạn nhỏ cuối cùng của hệ từ khi đi từ khối đến các nguyên tử.


- Ở các hệ SMM đang kỳ vọng quan sát thấy các hiện tượng lượng tử vì chúng có cấu trúc rất xác định với trạng thái spin nền và dị hướng từ rất đặc trưng.

- Các phân tử từ này có thể được điều khiển để lắp ráp thành các tinh thể từ lớn mà ở đó tất cả các phân tử thường có cùng hướng. Vìvậy từ các phép đo vĩ mô có thểsuy trực tiếp đến các tính chất của phân tử đơn.

3.3.66.. PhPhâân n ttửử vvàà nguyên tnguyên tửử ttừừ cô lcô lậậpp

- Một phân tử từ, tương tự một nam châm nano nhỏ, phải có một dị hướng từ rõ rệt và phải có một spin trạng thái cơ bản lớn.

Sơ đồ của một lõi từ của chùm Fe8

O N

C


3.3.77.. CCáác kc kỹỹ thuthuậật hit hiệện đn đạại quan si quan sáát vt vàà phân tphân tíích cch cáác đc đặặc trưngc trưngccấấuu trtrúúc tc từừ nanonano

1- Hiển vi điện tử (SEM, CTEM, STEM) cho độ phân giải ~ 0.25 – 0.1 nm đ/v UA ~ 200 – 1250 V

2- Hiển vi Lorentz

3- Hiển vi lực từ (MFM)

SSỰỰ PHÂN BPHÂN BỐỐ CCÁÁC CHC CHỦỦ Đ ĐỀỀ NGHIÊNNGHIÊNCCỨỨU NANO TU NANO TỪỪ TRÊN THTRÊN THẾẾ GIGIỚỚII


PHỤ LỤC

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010









• Những thách thức chung

• Những thách thức riêng

1- Các cấu trúc MTJ trong MRAM tổ hợp với CMOS

2- Các thách thức về kết cấu/kiến trúc nanoelectronic


NHỮNG THÁCH THỨC CỦA SPSP↑NTRONNTRON↓↓CSCS

TRONG TƯƠNG LAI

Những thách thức chung• Số các khái niệm sử dụng trong spintronicsspintronics rất lớn: Phương trình Shockley: SSựự ththàànhnh côngcông khoakhoa hhọọcc ∝∝ SSốố ccáácc khkhááii niniệệmm

đưđượợcc baobao ggồồm!m! bao trùm toàn bộ các vấn đề của vvậậtt lýlý chchấấtt rrắắnn :kim loại - bán dẫn - điện môi - siêu dẫn

• Là một lĩnh vực liên ngành cần phải phát huy một cách tích cực tất cả vốnhiểu biết cơ sở tạo ra một thách thức lớn.

• Các vấn đề liên quan đến lượng tử spin, rối lượng tử và thông tin lượng tử.

Liên ngLiên ngàành lnh làà ggìì ??Một lĩnh vực được gọi là liên ngành khi các hoạt động nghiên cứu của nó được sự hỗ trợ, tổ hợp của nhiều tri thức khoa học và công nghệ thuộc nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm giúp cho việc hiểu biết đúng đắn hơn, chính xác hơn đối với các sự vật hay hiện tượng phúc tạp, hoặc tạo ra những sản phẩm, những hoạt động động cụ thể có những tính năng, tính chất thuộcvề nhiều lĩnh vực, nhiều ngành thành phần, nhằm giải quyết các vấn đề (kểcả tri thức hiểu biết) mà riêng mỗi ngành, mỗi lĩnh vực thành phần không cókhả năng hoặc không thể giải quyết được một cách tốt nhất.


Những thách thức riêng

1- Các cấu trúc MTJ trong MRAM tổ hợp với CMOS

• Vấn đề xung khắc/cạnh tranh về nhiệt độ xử lý khi tổ hợp cấu trúc MTJ với CMOS

trong các bộ MRAM: Một số quá trình CMOS chuẩn xảy ra ở nhiệt độ Ta ~ 4000C,

trong khi ở nhiệt độ này hiệu ứng TMR lại giảm nghiêm trọng, có thể giảm từ 40 % (ở

~ 250-270oC) xuống còn 1-2 %.

• Vấn đề độ đồng đều của điện trở bề mặt RA (resistance-area) trên bề mặt phiến bán

dẫn (wafer) rộng. Có nhiều kỹ thuật để tạo ra lớp rào thế ôxýt Al-O, và kỹ thuật được

ưa chuộng sử dụng nhất là plasma (do đơn giản và tính cạnh tranh công nghiệp).

Các kỹ thuật khác nhau gây ra sự khác nhau về độ đồng đều của điện trở MTJ. Chìa

khoá cho một cấu trúc MTJ có RA đồng đều là chiều dày của lớp Al phải có độ đồng

đều cao.NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

Những thách thức riêng

• Vấn đề tạo ra vật liệu MTJ có RA rất thấp. Trong MRAMs, các bits càng nhỏ đòi hỏi

vật liệu MTJ có RA càng thấp. Trong đầu đọc ổ cứng sử dụng hiệu ứng TMR cũng

đòi hỏi vật liệu MTJ có RA thấp. Với cấu trúc MTJ thông thường, chiều dày lớp AlO

dưới 1 nm (ứng với TMR ~ 20%), RA ~ 400 Ω-μm2 (đây là giá trị cần tiệm cận đến

đối với MRAM trong tương lai và gần với giá trị mà các đầu đọc ổ cứng sẽ phải đạt).

2- Các thách thức về kết cấu/kiến trúc nanoelectronic

• Vấn đề giảm thiểu công sucông suấấtt--nhinhiệệtt (P/H): phân tán/phân bố đều công suất, tản nhiệt và loại trừ các điểm phát nhiệt tập trung;

• Vấn đề đđộộ bbềền/chn/chắắc chc chắắnn (reliablity) (REL): phải được tăng lên qua độ dư thừa vềkhông gian và thời gian, hoặc cả hai, nhưng các yếu tố dư thừa cần phải (rất) nhỏ;

• Vấn đề kikiểểm đm địịnhnh (TST): liên quan đến giá thành, phải được giảm thiểu;NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

• Vấn đề kkếếtt nnốốii (connectivity) (CONN): giảm đồng thời cả chiều dài và sốcác kết nối trong cấu trúc (liên quan đến dây dẫn, ảnh hưởng đến REL);

• Vấn đề thôngthông tin tin liênliên llạạcc (COMM) giữa các cấu trúc phải sử dụng cácphương pháp tối ưu;

• Vấn đề ttổổ hhợợpp lailai (hybrid integration) (HYB): phải được tạo ra, bao gồm cảthiết kế hỗn hợp và tiếp xúc bề mặt;

• Vấn đề logic logic vvàà mãmã hohoáá/gi/giảảii mãmã (L/C): phải được tối ưu để giảm cácmạch chuyển đổi (switching), tính toán và thông tin liên lạc;

- Vấn đề ccảải tii tiếến thun thuậật tot toáánn (ALG): ví dụ vấn đề xác suất;

- Vấn đề ttíính phnh phứức tc tạạp trong thip trong thiếết kt kếế (design complexity) (DCOM): cần phải được suy giảm (ví dụ bằng cách sử dụng lại).


-5% 15% -5% 5%

10%

5%

5% 5%

5% 5%

10% 5%

5%

-10% -10% -5% 10% -10% -10% 5%

ALG DCOM

AlgorithmsDesignComplexity

ALG

DCOM

Phân loại thứ hạng (theo tầm quan trọng) các thách thức về kết cấu nanoelectronic

(100%)

"Tầm quan trọng" của mỗi thách thức được thể hiện qua tỷ lệ %. Tổng cộng tất cả các tháchthức là 100 %.

Cấu trúc của các kết cấu nanoelectronics có thể sẽ phải khác điNguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

Các giải pháp cho các thách thức về kết cấu nanoelectronic

- Giải pháp ngắn hạn/trước mắt: điều chỉnh thích ứng, đồng thời, kết nối, biến đổi

- Giải pháp trung hạn: đồng bộ cục bộ chưa đồng bộ toàn bộ (GALS), VD: GOLE

- Giải pháp dài hạn: tính đến điện tử học phân tử và tính toán/máy tính lượng tử,

người máy bằng tế bào dot lượng tử và cạnh tranh sinh học.


Trong tương lai gần, sẽ có những linh kiện ở đó tổ hợp cácloại linh kiện có những chức năng khác nhau:

hybrid systemhybrid system--onon--chipchip


KKẾẾT LUT LUẬẬN CHUNG VN CHUNG VỀỀ VVẬẬT LIT LIỆỆU TU TỪỪ NANONANO& SPINTRONICS& SPINTRONICS


Documents

Vat Lieu Nano Phan III