Chế tạo và nghiên cứu tính chất các màng mỏng bán dẫn từ vùng cấm rộng dùng trong linh kiện Spintronic

Chế lạo các màng mỏng bán dẫn từ vùng cám rộng loại AIN pha lạp Cr và Mn có nhiệt độ Curie trên nhiệt độ phòng với chất lượng cao ban s phún xạ catôì một chiều và xoay chiểu.. một thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

sỊc :|; :Ị:

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN c ứ u TÍNH CHẤT CÁC MÀNG MONG BÁN DẨN TỪ VÙNG CÂM RỘNG DÙNG TRONG

LINH KIỆN SPINTRONIC

TS N s ô Xuân ĐạiNCVC Trần Đình Thọ - — -

•J a : h ọ c QUÔC g i a hả NÓ! RUNG TÂM THÕNG TIN THIJ VIỀN

HẢ NỘI - 2008

A Báo cáo tóm tat

a Tên đề tài (hoặc dụ án), mã sỏ:

C h ế tạo và nghiên cứu tính chát các m àng m ỏng hán dẫn từ vùng câm rộng dùng trong linh kiện spintronics.

TS Ns ô Xuân Đại NCVC Trần Đình Thọ

d Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.

Chế lạo các màng mỏng bán dẫn từ vùng cám rộng loại AIN pha lạp Cr và

Mn có nhiệt độ Curie trên nhiệt độ phòng với chất lượng cao ban s phún xạ catôì một chiều và xoay chiểu Nồng độ nguyên lố pha tạp dược iliay đổi, các đicu kiện c hế tạo dược thay đổi và tối ưu hoá Tìm hiếu các vấn dề lý thuyết liên quan đến hiệu ứng chuyên và từ xây ra trong vật liệu Nghiên cứu một cách hệ thống các lính chất cua vật liệu và sự phụ thuộc của chúng vào các điều kiện ch ế tạo T ă n s cường khá nãnt! nshién cứu trên lĩnh vực màn 11 móng cua đơn vị vé trình độ cán bộ khoa học cũim như trang thiôi bị lăn <2 c ườn li khá năng hợp tác quốc lố Đề lài là cơ sớ đào tạo khoánạ 02 thạc sỹ và mộl

Câu trúc tinh the và chất lươn<2 mẫu dược đánh giá qua phép do X-ray

và phổ kê Augcr cho thấy các mẫu đơn pha có cấu trúc lục giác loại Wurzii Giới hạn đơn pha cho nồnc độ pha lạp ớ các mẫu trung bình khoáng 10 %.

Đã ihành cỏ ns tạo nên trạng thái sắt từ biing việc pha tạp Cr và Mil

lạ o nên CO' c h ế sắt từ lỗ ir o n s Irung SIjan T ính sát lừ dư ợc quan sát ih ã y trong

các mẫu lổn lại cho đến nhiệl độ ít nhát là 470 K Đáy là giá trị lớn hon hãn các kết quá cíia các tác ciả trước đó Tuy nhiên ìiiá trị từ độ còn khá nho tương ứng chi vài phấn trăm imuyén tứ pha lạp 1 ixS ihành sãI lừ Nguyón nhãn được cho là do nồnsi độ hạt lái còn tháp liên quan ctên độ rộntĩ rát lớn cua vùim câm

Độ rộng vùng cấm một thông số quan trọng của vật liệu đã được xác định qua phép đo hấp thụ q u an s học Sự thay đổi cua độ rộng vùng cấm theo nồng độ pha tạp cũng như các điều kiện c hế tạo đã được kháo sút Kết quả cho thấy độ rộng vùng cấm liên quan chạt chẽ đến mật độ trạng thái của các mức tạp, thể hiện qua sự giảm của độ rộng vùng cấm theo sụ tăng của nồng

độ tạp và sự lăng của độ rộng vùng cấm khi chất lượng mẫu được cài thiện

Kết quả phép đo điện trở như một hàm cúa nhiệt độ cho thấy mẫu đơn pha có dặc trưng bán dẫn Khi nồng độ vượt quá giá trị eiới hạn đơn pha, tính dẫn bắt đầu chuyên sang kim loại do sự tham gia của các đám Cr hoặc Mn Giá trị năng lượng hoạt, năng lượng cần ihiết đê’ điện lú nháy lừ vùng hoú trị lên mức lạp đã được rút ra từ phép làm khớp dườns phụ thuộc nhiệt độ của diện trở Giá trị năng lượn lì hoạt cũns được quan sál lliấy chịu ánh hưởng mạnh của các yếu tố tác dộng đến chất lượnc mầu

Các kết quá khoa học đã dược CÔ112, bó tron a 05 bài báo trong đó có

- Kết quả ứng dụng:

Đã dưa ra diều kiện tối ưu cho việc chế tạo một sỏ vật liệu mùng mỏng bán dẫn từ Các mầu chế tạo đã thể hiện tính bán dẫn và tính sắt từ với nhiệt

độ Curia cao có thê thử nghiệm chê tạo linh kiện spintronics

- Két quả về đào tạo:

Sỏ cứ nhân dược đào tạo n o n e khuôn khổ để lài: 03

Số thạc SV dược đào tạo liên quan đến đe tài: 02

- Kết quà vé tăns cườnạ tiềm lực cho đơn vị:

Đã xây dựng hệ đo diện trờ và hệ do Hall với kỹ lliuặt (lu xoay chiêu

có độ nhậy và độ tin cậy cao

f Tình hình kinh phí của để tài.

Kinh phí dược cấp: năm 2006 là 40 triệu đồn 11 và năm 2007 là 20 triệu đổng,lổno c ô n 2 60 triêu done Đã sứ dung hết llieo du trù và đã quyết toán xong

P(ỈS TS Nguyền Th ế Bình PCiS.TS Phạm Hổng Q uan g

T R I Ó N G ĐẠI H O C K H O A H O C T ự NHIÊN'

Prof Dr Nguyen Huy Sinh

Ms Tran Quang Huim

Ms Tran Hoai Thanh

Ms Vu Xuan Pliuc

Dr Ngo Xuan Dai Researcher: Tran Dinh Tho

d Objective and plan of the project:

Synthesis of the wide band gap semiconductor films, namely Cl- and

Mn doped AIN bv DC and RF sputtering technique with high Curie temperature and high quality The doping concentration anil growth condition will be changed and optimized Study of the theories relating to magnetotransporl effect which occurs in materials Systematic study of properties of materials and their dependences on the synthesis conditions Development of the abilities oi' the Physics Faculty in stall!' academic level

as well as in facilities The project will be the supports for 02 Masier theses and some Bachelor theses

c Results of the project

- Results in science and technology:

We have been successful in fabrication of I wo sample systems by DC and RF namely Cl - and Mn- doped AIN films We have chanced the dopina concentration and growth conditions and have used different substrates We have studied properties of samples bv a number of expcrimcnlal techniques

Crystalline structure and quality of samples have been determined by X-ray and Aimer spectrometer The results indicate that ihe samples arc single phase with hexagonal structure if the doping concentration is below about 10 percents

W e have successfully created ihc ferromatinetic state in materials bv introducins Cl and Mn elements into host materials The ferromagnetic stale was observed at the temperature up to 470 K a record value However, the value o f magnetization is slill low corresponding to a lew perccnl of impurity atoms beinc fcnomagnciic I ll is problem can he attri billed lo ihc low concenlration of carrier which relates lo ihc wide hand gap characteristics

The band sap one of the most imporlanl parameters of materials has been determined by optical absorption measurement The dependence ol

band gap on the doping concentration and growth conditions has been studied It was shown that the band sap has a strong relation with ihe density

of state at the impurity bands, indicating the narrowing of the band gap with the increasing o f doping concentration and the broadening with the increasing of sample quality

The temperature dependence of resistance shows lhat the single phase samples exhibit a semiconducting characteristics In ihe samples which have the doping concentration exceeds the limitation, the conductive property becomes metallic type due to the role of Cr 01' Mn clusters The activation energy has been derived from the fittine, method for the temperature dependence o f resistivity The values o f activation enerạy are also sensitive with all factors effecting, on the quality o f sample

The scientific results have been reported in 05 paper, among them 02 ones are in International Conference or journal

- Results in application:

Based on the above results, one can determine an optimal conditions for synthesis of these type of magnetic semiconductor films Our samples show the fcnomaiinclic stale and semiconductor eharaclcristics So they mav

he used for fabrication of spintronic (Icviccs

- Results in training:

03 Bachelor theses and 02 Master theses

- Results in development o f the abilities of the Institution.

We have built up a resistant measurement and an anomalous Hall measurement with AC current technique which have a high sensitivity

3.2 Ket quả và thảo luận

3.2.1 Các mầu chế tạo bang phún xạ một chiều

3 2 1 ỉ Thành phần và cấu trúc tinh thể3.2.1.2 Tính chất từ

3.2.1.3 Tính chât quans, và độ rộ ns vùng cấm3.2.1.4 Điện trỏ' và năng, lượng hoạt

3.2.2 Các mâu chê tạo băne phún xạ xoay chiêu

đã dẫn đến nhữna ý tưởng mới về sự kết hợp các đặc tính điện tích và dặc tính spin (từ lính) của các hại lái trong các linh kiện điện lu ( spintronic)

(Masnetoresistivc Random Access Memory) \ói đặc tính khóna tự xoá khi

không có nguồn nuôi Việc khống chế và diều khiên (lòng các hạt tái có spin phân cực trong các linh kiện bán dần đang là mục tiêu và nội dung cùa một

kỹ thuật diện tử mới, gọi là kỹ thuật điện tứ spin bán dẫn (hay kỹ thuật diện

tử bán dẫn từ) Trong kỹ thuật có tính đột phá này các vậi liệu sọi là các hán dẫn lừ pha loãng (DMSs - Diluted Magnetic Semiconductors), tức là các chài bán dẫn có nồng độ loãng các tạp từ tính (Semiconductor of Diluted Concentration of Magnetic Dopans), dang có nhiều hứa hẹn to 1ỚI1 và ngàv càng dược quan tâm sâu sắc Khả năng ứng dụng to lớn của các vật liệu tù pha loãng dựa trên cơ sở sự tồn lại dồng thòi cá hai lính chất bán dẫn và tính chất từ irong một vật liệu Ngoài ra người la còn khai thác các lính chất quang trong mộl sỏ vật liệu DMSs Nhiều million cứu đã tìms tập trung vào DMSs trên cơ sớ bán dẫn loại II-VI như (CdMn)Tc (ZnCo)S Tuy nhiên những khó khăn trong việc tạo ra trạng thái sắt từ dã han chế khả nàng ứng dụng cua họ hán dẫn này Họ hán dần loại III-V dã thê hiện sự ưu việt cùa

nó irons vai trò bán dẫn nền cho các DMSs Tuy nhiên, các vật liệu DMSs

(Ga.Mn)N có từ lính (thườn ° là lính sắt lừ) ớ nhiệi độ thấp cỡ 100 K khôm: đáp ứns khá năng ứns dụna tron2, các linh kiện hoại động ở nhiệt độ phònc Gần dây những lính toán lý thuyết cũim như két qua ill ực nshiệm dã cho thây

có thê nhận dược các DMSs có tính sắt lừ ó' nhiệt độ phone bằng cách pha tạp các neuycn tó từ (như các kim loại chuyên liếp 3d: Fe Co Ni Mil, Cr ) vào vâl liêu bán (lẫn có độ rộng vùne cấm lớn

A1N là một tron 2, nhừn a họp chât hán dan săt từ III - V mà có độ rộ na vùnu cấm lớn cờ 6,2 eV Các DMSs trên cơ sớ hán dan nên A1N như A ] 1 _

vM n xN A l |.xCi\N được chò' đợi có tính sãt từ ứ nhiệt độ trẽn nhiệt độ phone Nsoài ra hợp clìât A1N cỏ nhiêu tính chãi quí báu nhu độ bên co học lính dẫn nhiệt, độ ồn định hoá học, độ trone suôt trona YÙ111I kha kiên và vùnii hồng rnioại cao, hệ số 2Ĩãn nơ nhiệt tliâp Gàn đây một sỏ nhóm nghiên cứu

đã CÔI12 bố \ iệc quan sát thấv trạna thái sãt từ troim các DMSs trên co so bán dần non A1N đirợc chế tạo bàng các phương pháp khác nhau Ví dụ nhóm S G Y a n s tạo được mầu AI].nG \ N cỏ tính sat từ ỏ' nhiệt độ 340 K bầtm phucrnu pháp phún xạ xoav chiều, nhóm R M l-razier quan sát thây trạ no thái sál từ ò' nhiệt độ phòng trons mâu Al| sM n NN chẻ tạo băng phương pháp epitaxy chùm phân tử Khó khăn chuim hiện nay là việc tạo nên trạng thái sắt lừ với một aiá trị khả dĩ cùa từ độ Các nghiên cửu thực nghiệm trôn loại vật liệu này đ a na được nhiều nhóm thục hiện theo hưóng nâng cao phàm chắt mầu để đáp ứn<z tiêu chuân làm \'ật liệu clio linh kiện spintronic Naoài ra, mỗi phirona pháp chế tạo mầu cùnu cân có những qui trình tôi ưu Trona số các phirơim pháp chế tạo mầu màna mong, phương pháp phún \ ạ catốt là phironu pháp tliích họp nhất cho việc chê tạo các linh kiện

Trên cơ sô' những vân đê đã nêu trên đây, chún e tôi đà đề xuất đề tài nghiên cửu vói tiêu đê: “N ghiên cử u ch ế tạo các m à n g m ỏng bán dẫn từ vùng câm rộng du n g trong linh kiện s p i n t r o n i c Đê tài thực hiện trong hai

năm 2006 và 2007 mang mã sô ỌG 06-03 vói mục tiêu và nội dung sau:

• Chế tạo các màng mòng bán dần từ loại A1N pha tạp Cr và Mn băng phương pháp phún xạ cattôt một chiêu và xoay chiêu vói nhiệt độ Curie trên nhiệt độ phòng

• Nghiên cứu một cách hệ thốne mối liên quan giữa thành phần, điêu kiện chê tạo và các tính chât cua vật liệu, đua ra qui trình

c ôn g nghệ tối ưu

• Tăng cư ờn s khả năn ti nghiên cứu của đơn vị về trình độ cán bộ

c ũn g như trang thiẽt bị, tăng cưònu kha năna họp tác quốc tế

• Đê tài là cơ sờ đào tạo một sô cử nhân và thạc sỳ

Trone quá trình thực hiện đc tài, chúne, tôi có sự hợp tác và tiiíip đõ hiệu quả của Tnrờno, Đại học Tônu hợp Ọuổc uia Chunabuk, Hàn quốc

3 Nội du ng chính

3.1 Thực nghiệm

3.1.1 Chế tạo tù kế Hall dị thuòng dòng xoay chiều

Tro nu vật liệu từ thế hiệu Ilall naoài phân đóníi cóp cua hiệu ứim llall thông tlurờim (OI1E) ti lệ vói tù trưòrm nsoài, còn có dóng uóp cua hiệu ỨIIO Hall dị thuòriLL (AHK) ti ]ệ với tù độ của mầu theo cônu thức sau:

V" = (R„ỉ/t)B± ^(R J/í)M ±

vói Ro là hệ số Hall thirờna, Rs là hệ so Hall dị thườna, / là cườna độ dònu

qua mầu, t là độ dầy mẫu, Bx là thành phẩn vuông góc với mặt phân tu Hall

cua từ tnrờnu imoài M± là thành phàn vuôna, uóc cua tù dộ cùa mâu.

Dóno, aóp cua hiệu ứim Hall dị thườnc, là cơ sớ nguyên lý hoạt động cua tù kế Hall dị thườn2 Loại từ kê này thích họp cho nghiên cứu các màng móng sất tù vì tin hiệu thế lối ra (hiệu thẻ Hall dị thường) ti lệ nghịch vói chiều dày cua mầu Tù kể Hal] có thê hoạt độii2 theo chê độ dòng và từ trườne một chiêu, chẽ độ từ trườn ỉ! xoay chiêu hoặc chẽ độ dòng xoay chiêu Năm 2005 chúnu tôi đã xây d ựn s một hệ từ kê Hall tại Bộ môn Vật lý Nhiệt

độ thấp lioal độnti theo chế độ dòim một chiêu Kliược diêm cua phương pháp này là độ nhậy thấp do chịu nhiêu anh hướng cua các lác động gây nhiễu và sai số hệ thốns,, trons, đó dánu chú ý là hiệu úng thê nhiệt diện ớ các tiếp xúc Tronu khuôn khố đề tài chúng tôi đặt ra nhiệm vụ cai tiên nâng cao độ nhậy phép đo băna kỹ thuật dònu xoav chiên d\r kiên su dụng hệ do

này để khảo sát từ tính của các mẫu chế tạo đươc.

Cấu tạo cùa buồng đo cơ bản k h ô n s thay đổi so với hệ đo Hall dòns một chiều Đầu đo với 4 mũi dò đuợc đặt trong buồns đo được hút chân không và nạp khí Hêli Cả buông đo đuợc nhúng vào nitơ lỏno Các mũi dò được bô trí theo câu hình Van der Paw với kích thước mẫu là 8mm X 8mm (đâu dò đặt ờ các đỉnh hình vuông, một cặp cấp dòng và một cặp lấy tín hiệu thê) Toàn bộ hệ được đặt trong một từ trường của một nam châm điện có

độ lớn cực đại lTesla Cân mẫu đưọc thiết kế có thể quay quanh trục thăng đứng, như vậy góc giữa mặt phăng mẫu và từ trườn* có thể thay đổi Điểm cải tiến cơ bản là dòng chạy qua mẫu là dòn« xoay chiều, được cấp từ một máy phát dòng âm tân Tín hiệu thu được từ các mùi dò đo thể được đua vào khuếch đại lọc lựa Tín hiệu so sánh cho khuếch đại lọc lựa được lấy từ máy phát âm tần Các tín hiệu đo từ trường, nhiệt độ của buông mầu, tín hiệu đầu

ra cùa khuếch đại lọc lựa đưọc shép nối vói máy tính qua máy đo vạn năng Keithley So' đô khôi của hệ đo đưọc trình bày tron2, hình 1 Độ nhậy của phép đo được nâng cao nhò tính nănu cua thiết bị khuếch đại lọc lựa

H I S ơ đ ồ kìiồi hệ c 1 o l l a l l dòìiịỉ x o a y chiên

Chúno tôi đã đo kiêm tra một màu màn» mong sất chi có độ dây 2000

Ả tạo trên đế silic bằnu phươno, pháp phún xạ catôt và so sánh với kêt quả đo

sử dụne dụnG kĩ thuật dòng một chiều, kết qua được trình bày trên hình 2

Chúng ta đễ dàng nhận thấy rang kết quả đo theo kỹ ihuật dòng xoay chiêu

có tỉ lệ tín hiệu/nhiễu cao hơn nhiêu so với kỹ thuật dòng một chiêu Hơn thề nữa, ảnh h ườn e cua sụ bất đối xứng mầu được xừ lý dê dàng trong k\ thuật

đo xoay chiều bàna, chúc năna, offset cùa khuêch đại lọc lựa, kêt qua là đường c o n s từ trễ đo được có tính đôi xứna Giả trị moment từ bão hòa cùa mầu cồ 10*7 emu có thể được ước lượng qua eiá trị tù' độ bão hòa cua săt o

nhiệt độ phòng, kích thước và độ dầv cúa mẫu Giá trị này là rất nho so vói

độ phân giải cùa m ột từ kế mẫu rung (VSM) thương phẩm Như vậy, từ kế Hall do chúng tôi xâ y dựng đã thê hiện khả năng vẽ lên đường c o n s tù trề cùa m àng mỏng từ

Chún g tôi c ù n a thừ nehiệm đo một mầu màníi uhi từ vuôim 2ÓC

(PM RM ) mà o đỏ có sự đóne góp đána kê cua hiệu ứn s Iỉall tliôns thưònu Trong truòim họp này, chúna tôi phai thực hiện bước loại trù đóim íióp cua Hal] thôna thirờne Ket qua đo trước và sau khi khử đỏna aóp cua Hall thỏiiíi

t hườna được trình bàv trong hình 3

Thừ nghiệm khào sát từ tính cua mẫu bán dần từ do chúng tôi chế tạo chưa cho kêt quả do từ tính của mẫu quá nhỏ và điện trở cùa mẫu quá lớn.

3.1.2 Chế tạo mẫu.

Các mâu A1N pha tạp Cr và Mn được chế tạo bans pinions pháp phún

xạ trong môi trường hoạt, o đây là khí nitơ c ấ u tạo cùa hệ phún xạ catổt được mô tả t ron? hình 4

/lìn /i 4\ S(>’ iỉõ ngin cn lý CUII lììõl hệ plỉúi]

t h ư ờ n 1’ được sử dụno trona írư òn s họp mau chê tạo là loại vật liệu có điện trờ cao để tránh hiện tirợna mat plasma mà nuuvên nhàn là sụt uiàni thê íiiiìa

bia và mâu do tích điện trong quá trình phún xạ Dưó'i tác dụ n a cùa điện trường, một môi trường plasma được tạo ra trons khoáng không eian aiừa bia và đê mâu, kẽt quà bia sẽ bị băn phá bỏi các ion Ar làm bật ra các nguyên tử AI, Cr và Mn Các nguyên tử bốc bav phản ứne vói các ion nitơ

có trong môi trường plasma, tạo nên hợp chất A1N và bám vào bề mặt đế Các mẫu đu'Ọ'c chê tạo trên các đê khác nhau như đế silic đon tinh thể (100),

đê thạch anh nhăm thực hiện các phép đo khác nhau Đê được làm sạch liên tục lân lưọt trons, trichloroetylenc, axeton và ethanol băng siêu âm trong thòi eian năm phút cho mồi loại, sau đó được thổi khô bàng khí Nitơ Bia (target)

là một đĩa AI có độ tinh khiết cao (cõ' 99?999 %) vói đườns kính 3 inch và một sô mâu Cr (Mil) vuông có kích thước 5mm X 5mm được đặt đổi xứng trên bê mặt đĩa AI Hàm lượna Cr (Mn) trona mầu được điêu khiên băne việc thay đôi sô mâu Cr (Mn) trên bia Nhiệt độ đế trong quá trinh phún xạ được thay dôi lừ nhiệt độ phòne, cho đến là 500°c Công suât phún xạ khoáne 120W Trước khi bất đầu quá trinh phún xạ một quá trình tiên phún

xạ được thực hiện trong vòne, 15 phút nhàm làm sạch bê mặt bia Tât ca các màng m ỏn e đêu đônẹ nhât và bám dính hoàn toàn trên đê

thụ và đù để bứt khói nguyên tư l a sẽ thu được electron Auger Hình 5 là một ví dụ điên hình cơ chế lạo ra phát xạ Auger

í filth 5: Su phái xụ cíiậỉ III'A UỊĩcr

Khi chùm electron năng ỉượng cao chiếu vào khiển cho điện tư lóp K

bị băn ra ngoài Điện tử lớp L] nhây vê vị trí trổng lóp K, phát ra năng lượng làm bật điện tử khỏi lóp L23 với động năng:

2dhk!- s i n 0 = n.Ằ

trong đó d|lk| là khoảng cách giũa các mặt phẳne, mạng lân cận gần nhất có cùng chỉ sô Miller (hkl) Giàn đồ nhiều xạ tia X cho nhữne thône, tin quan trọng vê câu trúc c ù ns như xác định các hànu sô mạn2 a,b.c So sánh tỉ

lượng tương đôi aiìra các pha, xác định các tạp chất trona mẫu Hầnu số

m ạ n g c u a c á c m ẫ u t inh t h ê lục g i á c đ ư ợ c x á c đ ị n h t h ô n g q u a c ô n2, t hức:

T r on a đó A =h: + hk +k2, B =/" Mồi cặp đinh nhiều xạ cho phép xác

định một cặp aiá trị c và a Nêu có nhiêu cặp uiá trị c và a chúnu tôi lây uiá

trị trung bCác phân tích nhiễu xạ tia X được do trên máy Siemens D5005 tại Trim li tâm khoa học vật liệu, khoa Vật lý, trườn a Dại học Khoa học tự nhiên, ĐHỌCiHN

♦> Phép đo từ tính

T ừ tính của mẫu được đo băng hai phưong pháp là d a o thoa lượn>2 lư siêu dẫn (SỌƯID) và tù kế gradient xoay chiêu (AGM) tại Trường Đại học Tổnu họp Chunabuk Đây là các phươne pháp đo từ có độ nhậy cao nhất, cờ 10'"' emu Phương pháp SỌU1D dựa trên hai hiên írnu quan t rọ ns ià hiệu ứno siêu dẫn và hiệu ứn s Josephson Phư ơna pháp AGM dựa trên tác dụ nu lực từ xoay chiều lên mầu Mỏ ta chi tiêt về hai loại phép đo này được trình bày tron° cuốn giáo trình “ Các phép do tù" cua tác uiá Phạm Hỏn 12 Q u a n ” NXB Đại học quốc gia 2007

Các thư nahiệm đo tù lính sử dụna phép đo từ kê mau runti VSM và Hall di th ườn a đều khônu đem lại kết qua do tù độ cua mầu quá nho Đôi với hệ đo Hall còn có nsuyên nhân từ thực tê điện tra rát lớn cua mail Cùnn

vì n«u\'ên nhân nàv mà chúna tôi không xác định được loại hạt tai từ phép

do Hall thòng thường

C h ú n ° tôi cũna sư dụim phép đo cộim hirớnu sãt tù', một phép do cỏ

t h ê c ó n h i ệ t đ ộ đ o l ẻn đ ế n 4 7 0 K đ ê k h á o sát ni ới hạn tinh săt l ừ c u a m a u

❖ Phép đo phô hâp thụ quang học

Phép đo q u an e phổ hếp thụ quane học được thực hiện trona dải bước sóng từ 200 nm - 900 nm tương ứng với năng lượng photon tù 6,0 eV - 1,38

eV trên các mẫu có đế ban s thạch anh hoặc sa phia Phép đo được thực hiện với che độ truyền qua, có nghĩa là cường độ hấp thụ được xác định bàne hiệu cường độ chùm tia tới và cường độ chùm tia truyền qua Phép đo thực hiện tại khoa Vật lý, trường Đại học khoa học tự nhiên

❖ Đo điện trỏ' bang phương pháp bốn mũi dò

Hình 6 là SO' đồ khối của phép đo điện trở bang plurơns, pháp bổn mũi

dò Đầu các mũi dò được mạ vàng đẻ tạo tiêp xúc tôt và được đặt thang hàng trên bề mặt mẫu cách đêu nhau, hai mũi ngoài câp imuôn dòng không đôi, hai mũi giữa do hiệu diện thế ra, từ đó có the xác định điện trò suất qua công thức: S = {V! I).2ttS.F{LIS)

2

3

ỊỈ Ì IĨ Ỉ I 6 : S ơ i í ồ k h ố i c u a p h é p đ o d iện ir ơ b ằ n g hon m ũi dò.

1: Máy tính

2: Nouồn c u na cấp dòim cho mâu

3: A m p e kế đo dòng cấp cho mẫu

4 Cặp nhiệt diện

5: Vôn kế đo thế ra cua mầu

R | : Điện trờ chuân

trong đó ô là điện trỏ suất, V là thế đo được, / là d ò n s điện, s là khoảng cách

giữa hai mũi dò, F(L/S) được gọi là hệ số chuần, tuỳ thuộc vào hình dạnG

mẫu

Câu tạo cùa hệ đo gồm một cần mẫu được đặt trong ống thạch anh và

nổi với bơm chân không Nhiệt độ của mầu được xác định thônu qua cặp

nhiệt điện Cu - Constatant Tín hiệu từ cặp nhiệt điện và hiệu điện thế lối ra

được đira vào máy tính đê xử lý và vẽ đồ thị R(T)

Trong các phép đo, chúng tôi sử dụng điện trờ chuẩn R| cờ 10' íì Vói

các mẫu có điện trở lớn, chúng tôi sử dụng điện trờ chuẩn R| cờ 1 o6 Lì.

3.2 Kết quả và thảo luận

3.2.1 Các mẫu chế tạo bang phún xạ một chiều

♦> Thành phân và cấu trúc tinh the

Thành phẩn của mẫu được xác định bàne, phổ kế tán sắc nănii lượng

(EDS) Nồng độ C r của một hệ mẫu Al|_

xCi \N điên hình xác định bans phố tán sac

nă na lượne (EDS) thay đôi từ 0,00 đến 0,39

tươns ứne với sổ mâu Cr từ 0 đến 6 Trone,

khi đó nồna độ Mn trone hệ mầu Al|.xM n NN

thav đôi từ 0,00 đẽn 0,16 tương ứna sô mâu

M n từ 0 đến 4 Các kết quá về thành phần

mẫu cho thây các ns u yê n tô pha tạp Cr và

Mn thay thế cho vị trí cua Al

Cấu trúc tinh thể của các mẫu được

khao sát ban 12, phép đo nhiễu xạ tia X

(XRD) trên các mầu đế Si đơn tinh thể

(100) hoặc thạch anh theo phương pháp sóc

tới nhỏ vói bước sóng C u - K a Truong hợp pha tạp Cr, giản đô tia X cùa các

mẫu trình bày trone hình 7 cho thấy rằn a các mẫu với nò nu dộ x< 0.25 là

đon pha vói can trúc AIN lục siác, trona khi đó mẫu vói x=0,39 cỏ pha thử

hai là Cr Hằng số mạng đưọc tính từ số liệu XRD là a = 3,136 A, c =4,958

 c h o m ầ u X = 0 , 1 3 v à a = 3 , 1 5 3 Á c = 4 9 4 2 Ấ c h o m ầ u X = 0 2 5

Điều này có nahTa là việc dưa Cr vào m ạ n e A1N đã làm tăng trục a

nh ưn a lại làm uiám trục c cùa m ạna tinh thê A1N (đôi với AIN a = 3.114 A

c = 4.986 Á) Sự thay đôi tirons đối cua cưcrnu độ các dinh nhiêu xạ XRD

còn cho thấy hiện tư ợ n a pha tạp Cr làm thav đôi h ư ớ n a kêt tinh iru tiên Kèt

quả tương tụ cũim được quan sát thây trons 1 rường hợp pha tạp Mn diêm

800

4 0 0

A I C r N 1 1-1 l

Các phô nhiều xạ tia X nói chune có nhiễu nền và độ rộng đỉnh nhiễu

xạ lớn, cho thây kích thước của các hạt tinh thể khá nhò Điều này phù họp

với kêt quả quan sát từ EDS Quá trình xử lý nhiệt tỏ ra không hiệu qua đế

cải thiện kích thước hạt tinh thể của mẫu

•> Tính chất từ

Từ độ của các mẫu Al|.xCi \N được đo

băng từ kẽ gradient xoay chiều (AGM) tại

nhiệt độ phòng Hình 8 trình bày từ độ nhu

một hàm của từ trường nRoài đặt song song

với mặt mẫu Ch ún g ta thấy rõ đó là đưòno

cong từ trề đặc trưng của chất sắt từ Giá trị

từ độ bão hoà M s là 0,067, 0,096, 0,053

e m u / c n r l ần l ư ợ t c h o c á c m ẫ u X = 0 , 1 3 , 0 , 2 5 ,

0,39 Giá trị của M s cho thay chỉ có một tì lệ

rất nhỏ các nguyên tử Cr có trật tự sắt từ

Chún g tôi cho rằng 2Ía trị Ms cùa mẫu X =

0,39 còn nhỏ hơn cua hai mẫu có nồng độ Cr

thấp hơn liên quan đến tình trạng kh ô ns đon

pha cùa mẫu này Nh ư vậy, giá trị từ độ

không chì phụ thuộc nông, độ Cr mà còn phụ

thuộc rất nhiều vào chất lượng cúa mẫu, có

nghĩa là phụ thuộc vào công nghệ chê tạo

mẫu Theo mô hình lồ trông truns, gian do

Zenner đề xuất, các chất bán dan từ là các

hợp chất mà các nsu yê n tủ' 3d như Cr, Mn

thay thế cho các nguyên tô nhóm III irons

mạng tinh thể Các cặp spin của các nguyên

tử 3d có liên kết sắt từ nhờ vai trò trung gian

cua các hạt tải là các lồ trốns Như vậy, tính

chât từ cua vật liệu liên quan chặt chẽ đèn

nồng độ hạt tai tức là liên quan đến số các

nguyên tử Cr (Mn) thực sự được thê vào vị

trí của AI cũna như số các nsuyên tử ỏ' trạng

thái kích thích

Để có bàng chửng về sụ tồn tại trạnạ thải sắt từ ơ nhiệt độ cao hon

3 4 0 K , a i ớ i h ạ n n h i ệ t đ ộ C u r i e đ ư ợ c CÔĨ12, b ô b ở i Y a n g , p h é p đ o c ộ n g h ư ờ n g

sắt t ừ (FM R) đ ã đ ư ợ c t h ự c hiện trên mẫu X = 0,25 v ớ i tân s ô 9,2 GHz t r o n g

dai nhiệt độ từ 100 K đến 470 K Hình 9 trình bày sự phụ thuộc nhiệt độ cua

trường cộ na hưởng H r (là từ trườna ngoài khi xây ra cộng hường) Xu thê

AI 0,75 C r 0.25N

100 150 200 250 300 350

T ( K )

400 450 500

Ifinli 9 Sự phụ thuộc nhiệt độ CHU lừ truân ụ

cộ)ì ụ hướng lìr cùa IIHỈÌI Hình phụ là một vi dụ vẻ phô FAIR í/triri dang đau hàm cùa hệ xó háp thụ theo lừ rnimiẹ

ììưnai.

chưa bão hoà của H, tại 470 K, ta cho thấy nhiệt độ Curie cua mầu này vượt khá xa giá trị 470 K.

T ừ độ của các mẫu Ali_xM n xN đuợc đo bầne từ kế aiao thoa lượng tử SQUID tại nhiệt độ 10 K và 300 K Hình 10 là kết quả đo từ độ cùa mẫu pha tạp Mn có nông độ cao nhât, X = 0,136 Giá trị từ dộ bão hòa cua các mầu pha tạp Mn khá lớn hon của các mầu pha tạp Cr Tuy nhiên, aiá trị này cũng chi tương đưong với khoảng 3% nguyên tứ Mn là sắt từ

N h ư đã nói ơ trên, chúna tôi cũ nu đà thu rmhiệm khảo sát từ tính cua các mẫu bang từ kê mail 111112 (VSM) và tù' kẽ Hall dị ihườim nhung đêu không thành côna Nuuyên nhân là íiiá trị m ỏ m e n từ của mầu quá nho

❖ Tính chất quang và độ rộng vìing câm

Dộ rộna vùng cấm £„ là một thônạ sỏ quan trọna cua chât bán dan Đẻ xác định iiiá trị E o , phép đo phô hấp thụ quana học u v đã được thực hiện trên các mầu chế tạo trên đê saphia Hình 1 ] là đô thị bình phưong hệ sô hâp thụ ơ p h ụ thuộc nănti krone nhòtòn / ? r c ũ a môt sô mau Al |.sCi\N

Từ độ (emu/cm1)

10 K

H ìn li 10 Từ đỏ cua màng mang ì U.S như nil'll hàm I lia lit inrửnV’ ngoài

lại nhiệt iỉỏ 10 K và 300 K

Trước hết, chú ng tôi nhận thấy ờ vùng khả kiến, các mẫu có độ truyềnqua tôt Ngoài rạ, hệ số hấp thụ của mầu không pha tạp rất nhỏ so với mẫupha tạp và hệ sô hâp thụ cũng giảm rõ rệt sau khi các mẫu đà được xử lýnhiệt Độ rộng vùng cấm được xác định bằng cách naoại suy về 0 phẩntuyến tính của đường cc(hv) Sự thay đổi của E ị theo nồng độ Cr được thểhiện trong hình 12a và theo nồng độ Mn được the hiện trong hình 12b Nhậnthấy răng EK giảm khá tuyến tính theo nồng độ Cr tăno Trong khi đó, sự

giảm cùa E ịị theo nồn g độ Mn lại tuân theo hàm mũ Ban chất cua sự khácnhau này vẫn chưa đuợ c sáng tò Đánti chú ý là giá trị Eg= 6,2 eV của mẫu

A1N mà chúng tôi đo được hoàn toàn phù họp với kết quả của các tác iiià khác

H ìn h ì 2 d Đ ộ /ỵi/ỉ” v ù n iỉ câm và hãn ự sô / lìn h I 2 b Đ ộ rộ iĩiỊ YÙI 1 ỈỊ câm nhu ìììộĩ

m ạ n i Ị c u a tr ụ c c n h ư m ộ t h à m C 1 IÚ n õ i ỉ i Ị i ỉ ộ h à m c i i t ì n ô n g c ĩ ộ M n C1ICI c á c m â u

C r CÍUI c á c nnhi VjA' ( x ~ 0 .() - 0 . 25 ) ,Ư/?v V ( x = 0 . 0 - 0 J 36 )

Chúim tôi cho răng độ rộna vùng câm xác định băng pluronu pháp hâp thụ quang học trên đây liên quan đên sự chuyến dòi của điện tu từ đỉnh vùim tạp (tạo bởi sự lai hoá của các quĩ đạo p-d) lên đáy vùng dẫn Độ rộnu vùim tạp đưọc mở rộno khi t ăn s nồng độ Cr hoặc Mil, kết qua là làm hẹp độ rộna

v ù n s cấm Cách aiài thích của chúng tôi t u o n e tụ với Hashimoto và cộnụ sự cho kết quá quan sát được vê độ rộna vùnu câm của các mẫu GaCrN Một

cô na trình lý thuyết c ô n s bổ bởi Sato và cộnu sự vê càu trúc vùns, cua GaN pha tạp Mn cũ na cho thấy sự mơ rộng cùa viins tạp do sụ phu nhau cua hàm sóna Mn-d khi nồna độ Mn tănạ lên Troim các mầu cùa chúna tôi, một sự lai hoá p-d mạnh là điều có thê dụ đoán do nôn« độ nauvên tô pha tạp lớn

•> Điện trò’ và năng hrọng kích hoạt

Ket quá phép đo điện trỏ' cho thâv tirònu họp khôna pha tạp, mầu là chất cách điên tronc, loàn dải nhiệt độ khao sát Nmivên nhân là A1N có dộ

rộ ne v ùn a cấm rất lớn (6.2 eV), như chúng tỏi đã đo được bâim phuơno, pháp quana Đối với các mẫu không đơn pha (quan sát được băna nhiều xạ

tia X), sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trò' thể hiện tính kim loại do sự dẫn điẹn thực hiện chủ yêu qua pha Cr hoặc Mn tụ thành đám Vói các mẫu đon pha, điện trờ khá lớn và các đường cong R( r) mang đặc trưng của chất bán dẫn Ví dụ về kết quả đo điện trở cua các mầu A i o 7 5 C r o 2 5 N ~ Alo.82Cro.1sN được trình bày trong hình 13 N h ư vậy việc pha tạp Cr hoặc Mil đa ĩàm cho

lượn a ion hoá B a n s cách làm khó p đườna, cona R(T), chúim tỏi đã thu được

siá trị năng lượnu kích hoạt Ea cùa nhiêu hệ mầu khác nhau Các kết quả cho

thấv giả trị năns, lượna kích hoạt eiảm theo nônu độ tạp tăim biêu hiện ỉà đườ n g conu R(T) dịch vê bên phai nhu ta thây tron” hĩnh 7 Hiện tượníi này

có thề được siai thích ba n s việc tăng nônu độ pha tạp đã làm tăna độ rộn ạ

vù ne tạp Già thiết này được ủim hộ băne việc quan sát thây sự aiám của khe

n à na lưonu theo nồng độ tạp Chúng tôi quan sát thây anh hườns, rât mạnh của điều kiện chế tạo như nhiệt độ đế, quá trinh xử ]ý nhiệt lên giá trị £„ Ví

du đổi với hệ mầu pha tạp Mn, chúns; tôi kháo sát E„ của các mẫu có cùng

thành phần X = 0,13 nhu'112, được chế tạo tại các nhiệt độ đê khác nhau và xứ

lý nhiệt ở' các nhiệt độ khác nhau Ket quả đo đircnm R(T) của các mầu có

nhiệt độ đế khác nhau được trình bày trono hình 14a và chế độ xử lý nhiệt khác nhau à hình 14b Giá trị năne luợno kích hoạt rút ra từ các đườne R(T)

đươc tônu hop ironu b à n2 1 Kêt qua cho thây aiá trị E„ ỉiiảm tlieo nhiệt độ

đế Điều nàv chínm to nhiệt độ đẽ có vai trò rát quan Irọim troim việc tănn li phần các ns uy ê n tử c r hoặc Mn thực sụ đirợc tha\- the \ ào vị trí cua AI

trono m ane tinh thê Ọ uá trinh xu lý nhiệt lại tạo nên sự tăne cua năns lượnií

n , H O C Q U Ố C G IA HÁ NÒ I

KỤN G T AM T H Q N G TiN THỰ VIÊN

Ì>T L 3 U

kích hoạt Chún g tôi cho răng xu lý nhiệt đã loại bót các mức tạp sây boi các sai hỏng Kẻt quả là làm giảm sô các nguyên tử bị kích thích Tương ứne ta thu được giá trị Ea cao hơn.

Cuôi cùng, chúng tôi có nhận xét là các giá trị Ea đều khá lớn so với

giá trị năng lượng nhiệt ợ nhiệt độ phòng (25 meV) và đó là nmivên nhân các mẫu đều có điện trở rất lớn

Bein'’ ì Giá tri HÕIHỊ hrựMỊ kích hoạt cua các I I U Ì I I Alns~M>io / JfA với các nhiệt iỉộ cĩê khác

n ha u và v ó i lìhiệl íỉõ XII lý nhiệt khác nhau

3.2.2 Các mẫu chế tạo bằng phún xạ xoay chiều

T ươ n g tự như các mẫu chế tạo bàng phún xạ một chiêu, phô nhiều xạ tia

X cho thấy các mầu chỉ đon pha vói câu trúc lục «iác A IN (wurlizite) khi nồim độ pha tạp ỏ dirới một giói hạn nào đó Ví dụ đỉnh nhiều xạ đặc trưnu của Cr bất đầu xnắt hiện khi sổ mâu (gọi là n) Cr trên tarset lớn hon 2, đỉnh

của Mn kim loại bẳt đầu xuất hiện ờ n > 3 và lớn dần theo số mẩu Mn tăna Hình 15a và 15b trình bày phổ XR D của một số mẫu A1N pha tạp Cr và pha tạp Mn Ch ú n g ta có thể nhận thấy là phổ X RD có nhiễu nền và độ rộng đinh nhiêu xạ khá lớn Điêu này phản ánh tình trạng, tinh thể, cụ thể là kích thước hạt tinh thê còn hạn chê (cờ 10-15 nm, ước lượng theo c ô n s thức Sherrer).

m áu 41N p h u tạp Cr với sỏ mâu Cr trẽn lợp Mn vớị n Ị 3 va 6

bia nhỏm ỉ à 2.4 và 6 (được í1ặl lẽn ì à

Ả l C r N n p r ứ i n = 2 4 V Ù 6 )

Ket quá phô Auger cho thây nôna, độ Cr và Mn hâu như tăng tuvến tính theo /7, cụ thể cho pha tạp Cr là khoảng 4,3; 8.4; 17 và 25 % nauyèn tử cho một đcm vị công thức tưong ứng n = 1; 2; 4 và 6 và cho pha tạp Mil là 3; 6; 9

và 12 % nguyên từ trong một đơn vị côna thức cho các mẫu với n - 1; 2; 3

và 4 Kết hợp vói kết quả XRD, ta có thê đánh giá giới hạn đảm bảo đơn pha cho nồng độ Cr và Mn là khoảng 9 %, có phân thâp hơn so với phương pháp phún xa một chiều Đê khảo sát tình trạng ôxv hóa bề mặt mầu AICrN2p và

A l M n N 3 p đã đưọc chọn đê đo phô Aua er nhiêu lân với thời gian ăn mòn mầu khác nhau tù 0 đến 3 phút, kêt quả được trinh bày trone hình ]6a và 16b Phổ A u se r cùa mẫu “k h ô n s ăn mò n” cho thây một lu ợ n s ôxi khá lớn trên bề mặt mẫu Phổ Auger của các mẫu “ được ăn mòn" hâu nhu uiổna nhau và vần chỉ ra một lượng nhò ôxi (vài phân trăm) tôn tại trong mẫu Ket quả phân tích hàm lượna các nauyên tô thành phân cho thây o các mẫu đon pha (k hô n e chứa các đám Cr hay Mn kim loại), lưọna Cr hav Mn pha tạp vào mẫu có xu h ư ó n a thay thế vị trí cua nguyên tư AI trong m ạng tinh thê mẫu, lức là mầu chứa một pha chính A !(}.*}IftCro.oxjN hoặc AI|).9| M n 0.,)ọN Việc

tôn tại một lượng nhỏ ôxy trong mầu cần được khấc phục Na uyên nhân cua vân đê cỏ thê là đ ườ ng dẫn khí khôna, tuyệt đối kín.

vói thời gian ủn mon khác nhau với càc 'h()i ”ian ân mon khác nhau

Hình 1 7a là đ ô thị sự phụ thuộc năng lượng phôtôn hy (h là hànu số

Plank và V là tân sô ánh sánu kích thích) cùa bỉnh phưonc hệ số hấp thụ quana học a dối với các mầu A1N pha tạp Cr với /7 = 2, 4 và 6 Hình 17b là

kẻt qua tươna, lự cho A IN pha tạp Mn Đặc điểm chung là các mẫu đơn pha thê hiện đặc tính cùa một chất bán dẫn thẳng, ơ các mầu norm độ pha tạp

t h ấ p , s ô c á c đ i ệ n t ử c h u v c n d ờ i từ v ù n u h ó a trị c h i ế m ưu thè, \ à d o v ậ y uiá trị đ ộ r ộ n a \'ùn<i c â m c ó t h ê đ ư ợ c x á c đ ị n h b ă n u c á c h n s o ạ i SU) \ è k h ô n u

phần tuyến tính cua đưòim ơ (hv) Bătm phư ơns pháp này, chúnti tôi đà xác

định 2,iá trị Eỵ là 5,7 eV và 5,2 eV lân lượt cho các mẫu A l C r N l p và

AlCrN2p Với pha tạp Mn Ep là 6.0 eV 5,8 eV và 5.6 eV lần lượt cho các

mầu A l M n N l p Al M nN 2 p \ à AIMnN3p Cùna cân nói thêm là phò hấp thụ quana học cũnu được chúiiLL tỏi khảo sát trên mâu khôim pha tạp \ à cho kêi quá En = 6,2 eV, hoàn toàn trùng với kẻt quá của các tác aià khác Khi lăn li

nồniỉ độ Mn, độ rộnu vùnu tạp sẽ nơ 1‘ộnụ, có thêm các mức tạp cua Mn kim loại, sổ điện tư chuven dời từ \ ùnu tạp lên vùna hỏa trị cũna tănsi Tất cả các hiệu ứna này c ù ne dần đèn một hiện tirợna là xuât hiện “cái đuôi khác

hợp mẫu AICrN 4p và AlCrNóp tronc hình I 7a và AIMnNóp trên hình 1 7b

Sự phụ thuộc nhiệt độ cùa điện trở một sỏ mâu chọn lọc dược trinh bàv trên hình 18 a-b Do siá trị tuvệt đôi cua điện tro' các mâu cỏ sụ khác nhau

l ớ n h ì n h 18 c h i c ó t h ẻ đ ư ợ c t h ê h i ệ n b ă n u c á c e i á trị t i r ơn a đ ô i T r o n c s ô c á c

mầu được chọn, ta lhâ> chi có mau AlCrN2p và Al Mn N 2p là thô hiện tính

bán dân, tức là điện trờ giảm theo nhiệt độ tăns, tuân theo hàm Boltzman R exp (E(/kfíT) Giá trị năng lưọno hoạt được xác định bàng phương pháp

pho ton e ne rg y

m ẫu iỉìê n h ìn h A l C r N 2 p, A Ì C r N 4 p a n d A lM n N ỉ p và A lM n S ồ p

A lc 'r \6 p

làm khóp đườne, R(T) là 0.06 eV và 0,08 eV cho các mẫu AlCrN2p vả

A I C r N lp ; 0,07 eV cho mẫu A]MnN2p và 0,09 eV cho mẫu A l M n N l p Các giá trị này khá lớn so với năna lượne, nhiệt (kHT= 0,026 eV tại 300 K) Điều

đó °iài thích vì sao các mau đêu có điện trờ rât lớn Hình 18 cũng c hI rõ h i ệ n

tư ọn c khi n ôna độ Cr ha\' Mn tiẻp tục tăn2 qua một uiá trị nhât định thi tính dần cua mầu chuyên dan sans đặc tính kim loại Kèt qua này phù họp với việc quan sát thấy việc hình t h à n h các đám Cr và Mil kim loại tro nu, hai hệmau

Câu trúc tinh thế và chất lượng mẫu dược đánh giá qua phép đo X-ray

và phổ kế Auger cho thấy các mầu đơn pha có cấu trúc lục giác loại Wurtizite Giới hạn đon pha cho nồng độ pha lạp ờ các mẫu trung bình khoáng 10 %.

Đã thành c ô n s tạo nên trạng thái sảt từ bằng việc pha lạp Cr và Mn tạo nên cơ chế sắl từ lỗ trống trung gian Tính sất từ dược quan sát thấy trong các mẫu tổn tại cho đến nhiệt độ ít nhất là 470 K Đáy là giá trị lớn hơn hắn các kết quá của các tác giả trước đó Tuy nhiên, giá trị từ độ còn khá nhỏ, lương ứng chỉ vài phần trâm nguyên lử pha tạp trỏ' thành sắt từ Nguycn nhân được cho là do nống độ hại tải còn ihấp liên quan đốn độ rộng rất lớn của vùng cấm

Độ rộng vùng cấm một thông số quan trọng cúa vật liệu dã được xác định qua phép đo hấp ihụ quane học Sự thay dổi của độ rộng vung cấm iheo nồng độ pha tạp CŨIÌS nhu các điều kiện chê lạo dã dược kháo sát Kếl quả cho thấy độ rộim vùne câm liên quan chặt chẽ đến mật độ irạns thái cua các mức tạp thể hiện qua sự giám của độ rộng vùng cấm theo sự lăne cua nồng

độ tạp và sự tăng cua độ rộna vùng cấm khi chất lượng mẫu được cái thiện

Kết quá phép do điện trỏ' như một hàm cua n h i ệ t độ cho thấy mẫu đon

p h a c ó d ặ c l i m m hán d ẫn Khi n ổ n s đ ộ vượt q u á iiiá trị iiiói hạn đ ơ n pha t ính

dẫn bắt đầu chuyến sane kim loại do sự tham ilia của các dám Cr hoặc Mil Giá trị năng lượn2 hoạt, năng lượns cần thiết đố diện tử nháv lù vùng hoá trị lên mức tạp (lã được rút ra từ phép làm khớp dườna phụ Ihuộc nhiệt độ của điện trở Giá trị nănỉi lượna hoạt c ũ n2 được quan sái thấy chịu ánh hưởng mạnh của các yếu lố tác đ ộn a đến chất lượng mầu

Các kết quả khảo sát ảnh lurờns cua chc độ chê tạo mail đà định

h ư ớ n ° c h o v i ệ c x á c đ ị n h đ i ề u k i ệ n lói ưu c h o v i ệ c c h ê t ạo vật l iệ u m à n s

m ỏ n s bán dẫn từ loại A1N bàna p h ưon a pháp phún xạ ca tôt Các mẫu chế tao đã đat được hai yêu cầu chính là thê hiện lính bán dẫn và lính sắt tù với nhiệt độ Curia cao có thể thu nshiệm chế tạo linh kiện spinlronics

Các kêt quả khoa học đã được công bố trong 05 bài báo, trong đó có

02 bài báo quốc tế

Số cử nhân được đào tạo trong khuôn khổ để tài: 03

Số thạc sỹ được đào tạo liên quan đến đề lài: 02

5 Tài liệu tham khảo

11 M Hashimoto, Y.K Zhou, M Kanamura, H Katayama-Yoshida, and

H Ahashi Journal o f Crystal Growth 251 327 (2003)

12 K Sato and H Katavama-Yoshida, Jpn J App] Phys 40, 485 (2001)

13 S J Pearton, C.R Abernathy, G.T Thaler, R M Frazier D.p Norton, F Ren, Y D Park, J M Buyanova, w M Chen and A F Hebard J.Phys Condens Matter 16 (2004) R209-R245

14 Crepieux, p Bruno Physical Review B Vol 64 (2001) 014416

] 5 J E Hirsh, Physical Review Letters, Vol 83, No 9 (1999) 1834

17 R A Lomas, M J Hampshire and R D Tomlinson, J Phys E: Sci.Instriim Vol 5 (1972), p 822.

Tuyến tập báo cáo tại hội n°hị Vật ìý toàn quôc lân thử VI, Hà nội

2 0 0 5 , t r a n g 6 9 4

T Ó M T Ả T C Á C BÀI BÁO Đ Ó N G T R O N G BẢ O CÁO

5 Tóm tat b a n s tiếng Việt:

Các màne mỏng bán dẫn từ Aln.87Mrio iịN được ché tạo hằng phún xạ một

c h i ều B á o c áo trình b à y ảnh h ư ờ n g cua nhiệt dộ dế và x ư lý nhiệt lẻn tính chất

chuvên cùa mầu Các mau nghiên cứu đều thể hiện tính dần diện bán dần tức là R~exp(Ea/ku 1) Gía trị cùa năng hrợn& hoạt Ea thu dược từ hàm số trên íìiãm theo

sự tăne cua nhiệt dộ đê và tăne khi có xừ lý nhiệt Hiện tưạne này dược giai thích bans sự thav dôi cùa YÙnỉi tạp

6 Tiếng Anh:

Pham Ho na Q u a n s and Seonc Cho Yu, 2006, Effect o f substrate

transport property o f All),s~Mnn 13N thin ////77, Proceeding o f the r '

1WOFM-3 u1IWO NN Conference Halona, Vietnam, p 740-741

T h e niaunclic s e m i c o n d u c t o r A I ort M po ivN thin films w e r e synihesi/.ocl by

DC reactive sputtering We present in this report the effect of the substrate temperature, anncalinu process on the conducti\e property of samples In all investigated samples, the temperature dependence of resistivity exhibits a semiconductor characteristic, e.s R ~ exp (Ejk/J) I he values ol acti\alion

enei'SN E ;i de riv e d from this function de c re as e wi t h incrcasinti o f substrate

temperature and increase with increasing of annealins temperature I hose bcha\ iors can be attributed to the chanec of the impuritN' hand

độ Cr tăng lừ \ = 0 đẻn \=0.25 dược ciái thích bans sự no' rộna vùng tạp Sụ phụ thuộc nhiệt độ của điện trớ mang, đặc tính bán dẫn Giá trị năn” lượn í! kích hoạt được xác định từ việc làm khớp đườna R(T) là 60 meV.

K Tile band sap decreases from 6.2 eV to 4.74 cV wiili increasinu Cr conicnt

from \ = 0 to 0 2 5 This be h a\ i o r c a n he attributed to the broadcninti o f llic impuri i\

band, which is formed b> the hxbridization of p-d orbitals The temperature

d c p c n d c n c e o f r esi stance R (T) exhi bits clearlv a s e m i c o n d u c t o r characlcrisiic

The \ allies ofactix'ation eneraics dcrĨN cd from R (T) plots by using ihe function l\

=R0e\p (H.,/k|-ịD is about 60 mcV for the investigated samples with \= 0 ] 8 and

\=0.25

TÓ M TẮ T CÁC BÀI BÁO ĐÓNG TRONG BÁO CẢO

A IN p h a íạp Cr chế lạo bằng phún xạ xoay chiều.

4 Tên tạp chí, tuyển tập, số trans: Tạp chí từ học cùa Hội từ học Hàn Quốc, tập 12, so 4, trané 149-151

5 Tóm tắt bằng tiếns Việt:

Các mẫn ìnàna mỏne bán dẫn lừ AlCrN được chế tạo bằna pluiơnạ pháp phún

xạ catôt xoay chiêu trone khí hoạt nitơ với các điều kiện được chọn lựa Nôna độ

Cr được thay đôi bane sự thay dôi số các mấu Cr dặl trên bè mặt bia AI Chất lượne mầu đirợc kháo sát bănu các phưưna pháp nhiễu xạ lia X, phô ke Auger hấp thụ quang học và diện trở Các kết quà nhiễu xạ tia X và pho kế A user cho thấy mầu chứa một pha chính AI|.xCi\N có cấu trúc lục siác cìms một lượns nho ôxy, có thê ở d ạns AI2O3 Tôn tại các đám C r kim loại trong, các mẫu có nòng độ

Cr cao Phồ hấp thụ quans học thay đổi mạnh theo none độ Cr và ciina, cap tliôim tin về chat lirợna mầu Sụ phụ thuộc nhiệt dộ cua diện trở chi có dặc lính hán dan

ở các mầu đơn phí) I rons các mầu này ạiá trị năníi lượna hoạt có thê dược xác

dịnh qua hàm s ố R-exp(E;,/k|}T).

6 Tiếng Anh:

Pham H o n s Quana, Tran Q u a n s Huns, Neo Xuan Dai, Tran Hoai Thanh and Kim CheolCii, 2007, Synthesis and quality o f Cr-doped AÌN thill films oroìvn by R F sputtering Journal o f Magnetics, Vol 12, No 4, p 149-15].

T h e A l C r N films w e r e m o w n b \ RF reactive sputterinu met hod under the

selected conditions The Cr concentration was varied b\ the number of C'r pieces placed on the A1 lareet The sample quality has been studied bv XRD Aimer spectroscopy, optical absorption and electrical resistant measurements The XRD

and A u a c r results s h o w that the s a m p l e s consist o f a major phase with the A 1,

Cr N formula, which has a hexagonal structure, and a few percents at of oxvoen which may form Al;0> There exist the Cr clusters in the samples with high

c o n ce n t n ỉ t i on o f Cl I lie optical absorption measurement p n n iiics the information

about the band sap that relates stronsly to the quality of samples Tlie qualilv of samples is also clearly reflected in electrical measurement, i.e the temperature dependence of resistance exhibits a semiconductor characteristic only for the samples that have no Cr cluster In these cases, the values of ionization e ne rg i es F ,

can b e dcri\ cd from R(T) pl ots by us ing the function R(T) = R„ c \ p (I;.,'kHT).

T Ó M T Ắ T CÁ C BÀI BẢO Đ Ó N G TR O N G BẢO C Ả O

màng mong AỈỊ.xM nxN chế tạo bằng phím xạ co tỏt xoay chiều.

4 Tên tạp chí, tuyển tập, số trans: Tuyển tập báo cáo tại Hội nshị Vật

lý chât răn toàn quôc, Vung Tàu, Việt Nam, đarm in

5 Tóm tắt bàng tiểne Việt:

Các mẫu màng mong bán dần lừ Al,.vMnvN được chế lạo bane plnrơne pháp phún xạ catôt xoay chiều trong khí hoạt nitơ với các điêu kiện dược chọn lựa Nông độ Mn được thay dôi bana sự thav đồi số các mâu Mn YUÔIIỈÌ 5 ó mni dặt trên bê mặt bia AI Báo cáo trinh bàv két quà khao sát ánh hươns cua nône độ pha tạp Mn lên chât lượng mâu dược kháo sát băn ° các phươna pháp nhiều xạ tia X- pliô kê Auger, hấp thụ quang học và điện trờ Các kêt qua nhiều xạ tia X và phô kế Auaer cho thây với none độ pha tạp thấp (số mâu Mn nho hơn 3 tươnu ílirưna X <0.09) các mâu dược coi là đon pha vói một pha chính AI|.xMnvN có cấu trúc lục aiác cùng một lirợns nho ôxy Khi lã ne so mâu Mil lên trên 3 các nauvên Ur Mil

sẽ không còn thay thê cho AI trona mạne tinh thô mà tụ thành dám (cluster) Phô hâp thụ quana học thav dôi mạnh theo nôna độ Mn và cunsi cấp ihônii tin về chắt lượna mầu S ự p hụ t l n i ộ c n hi ệt d ộ c u a d i ệ n trư chi c ó đ ặ c tinh bán d ẫ n O' c á c mầu đon pha Theo sụ tăn" cua 11011« dộ Mil tinh dân cua mâu dãn chiivèn san ti dặc

tinh kim loại.

6 Tiếng Anh:

Pham Hong Ọuanạ, Tran Hoai Thanh and Nco Dinlì Saim, 2007,

Effect o f Mn concentration on the quality o f AI/.^\inxN thin film samples grown by R F sputtering Proceedin'! o f the Solid State Physics Conference,

in the press

The magnetic semiconductor AI|.vMnx N films were grown h\ Rl rcacti\e

sputtering met ho d under the s el ec te d c ondi ti ons ] he Mn c oncentrat ion w as \ aricd

h\' the number of square 5\5 mm Mil pieces placed on the A1 target We report the effect of Mn concentration on the quality of samples studied by XRI) Auger

s p c c tr o s c o p y optica] absorption and electrical resistant m e as u r e me n t s ] he X R D

and Auaer results show that the samples with low Mn concentration can be considered as beine sinale phase w ith a major phase of the hexagonal structure A1|.nCi\N and a few percents at of oxyuen There exist the Mil dusters in the samples with hi nil concentration of Mn (number of Mn pieces is more than 2) I he

optical absorption spectra change strongly with Mn concentration and provide the information about the quality of samples The temperature dependences of resistance exhibit a semiconductor characteristic onlv for the samples that have no

Cr cluster The conducting property of sample changes to the metal characteristic when Mn concentration increases

T Ó M T Ấ T C Á C BÀI BÁ O Đ Ó N G T R O N G BẢO CÁO

3 Tên bài báo: N âng cao độ nhậy từ kể Hoìl dị í hường bằng kv íhĩtậí

đo xoav chiểu

4 Tên tạp chí, tuyển tập, số, trang: Tuyển tập báo cáo tại Hội nghị Vật

lý chât răn toàn quôc, Vũng Tàu, Việt Nam, đang in

5 Tóm tất băn£ tiếng Việt:

Từ kê Hall dị thường là một thiết bị hiệu quá tro na nghiên cứu màng mono

từ Thiêt bị này đã được xây dựng tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp từ năm 2005

với c h ế dộ do d ò n g m ộ t chiều B á o c áo trinh bày các kết quá cải tiến hệ do bằnu

kỹ thuật dònR x o a y c h i ề u sử dụ n g khuếch đại lọc lựa ( lo ck- in amplifier) Một sổ

phép do thừ đã được tiến hành cho thấy độ nhậy cùa phép đo đã được nârni cao

6 Tiếng Anh

Pham Hong Quang Vu Xuan Phue and N«o Dinh Sang, 2007,

Enhancement o f sensibility' o f the anomalous Hail magnetometer using the alternative current technique Proceeding o f the National Conference on

Solid State Physics, Vunatau, Vietnam, in the press

The anomalous Hall magnetometer is an useful tool for investigation of magnetic thill films Since 2005 such equipment has been built at the Cnouenic Laboratory usine DC technique We report the improvement of this system with the altinative current (RF) technique using lock-in amplifier Some test measurements have been carried out showing the enhancement of sensibility

EFFECT O F S U B S T R A T E T E M P E R A T U R E AND A N N E A L I N G P R O C E S S ON T i n :

T R A N S P O R T P R O P E R T Y O F A L0.8 7M N0.1 3N T H I N F I L M

P h a m H o n g Q u a n g ' a n d S o o n g C h o Y u 2 'C r y o g e n ic L a b o ra to ry , F a c u lty o f P h y sic s, Hanoi U n iv e rs ity o f S c ie n c e H a n o i V ietn am

•’D e p a r tm e n t o f P h y sic s, C h u n g b u k N atio n al U n iv e rs ity , 3 6 1 -7 6 3 C h c o n g ju S outh Korea.

A B S T R A C T The m a c n c t ic s e m ic o n d u c to r A ln a iM rin ijN thin

ms w ere s y n th e s iz e d by D C re a c t iv c sputtc rinc

e present in th is report the c ffect o f the subs trate

mpcrature, iinncaling pro c e s s on the co n d u c tiv e

opcrly o f s a m p le s In all in v e s tig a te d sa m p le s, the

m pcratur c d c p c n d e n c e o f res istiv ity ex h ib its a

■niiconductor c h a ra c te ris tic , e.g R ~ e \ p ( E a/k BT)

he values o f a c ti v a ti o n e n e rg y Ej d e r i v e d fro m this

inction d e c re a s e w ith in c r e a s i n c o f subs trate

■mperaturc a n d increase w ith in c r e a s in g o f

m e a l in g te m p e ra tu re T h e s e b e h a v io r s can be

Itributed 10 ihc c h a n g c o f the im pu rity band,

keyword: M a g n e tic se m ic o n d u c to r , tilin film

rowlh, activation en e rg y

IN T R O D U C T IO N

In recent y e a r, m u c h attention h a s been paid to

lilutcd m a e n e tic s c m ic o n d u c i o r ( D M S ) m aterials

)M S arc base d on n o n - m a g n c ti c s e m ic o n d u c to rs

Hid are s v n lh csizcd by all o y in c th e m w ith a sizable

imount (a few pe rc e n ts or m o r e ) o f m a g n e t ic

•lenicnts A m o n g differen t ty p e s o f D M S th e one

lascd on III-V s e m ic o n d u c t o r s u iv cs m u c h more

dvantagcs for p rep aratio n a n d applications,

tecenilv, the th eoreti cal p r e d ic tio n s and the

xpcrimental res u lts h a v e s h o w n that u is p o ss ib le to

ibtain the D M S s w ith h ic h C u r ie te m p e ra t u re

xcecding ro o m te m p e r a t u r e bv d o p i n e the transitio n

netal elem en ts into w id e b a n d - c a p s e m ic o n d u c to rs

The A loijM iio iiN thin film s w e re sy n t h e s iz e d on

ipphire s u b s tra te by D C rea c tiv c sp u tte rin g sy stem,

he co m p o s ite ta r c c t in c l u d e d ;i high pu rity

*9.999%) a lu m i n u m d is k w ith a d i a m e te r o f 3 inches

id th ree s q u a r e M n p ie c e s 5 x 5 m m w h ich w ere

aced s y m m e t r ic a l ly o n the s u r f a c c o f A I disk T he

.’position c o n d i t i o n s w e r e o p ti m i s e d mid f i \ c d .15

'Mowing: the p n m il p re s s u re ol A r a nd N; gas

m ix tu r e (67 % Ar, 33 % N -) w a s 6 niTorr the DC

v o ltag e w a s 2 4 0 V, the D C current w a s 330 mA The

s a m p le s w e re g ro w n at 2 7 ° c 200cc 300cc and

4 0 0 ° c T h e t h i c k n e s s o f the films determ ined by

a b so r p tio n s p e c t r a 's fringes w a s about 80 0 nm

co r r e s p o n d in g to d e p o sitio n tim e o f 60 min N a m e s

o f s a m p l e s are listed in ta b ic 1.

A fter depo sitio n , the films g ro w n at 2 7 ec nnd

3 0 0 " C w e r e a n n e a le d at 600°c a nd 8 0 0 ° c in A r lias

T h e a n n c 3 lin e pro c c s s w a s p e rf o rm e d in sputierinj:

sy s tem , usin g a h a lo g e n lam p as the heat source The

an n e a lin g te m p e r a tu r e w a s c ontr olled by electronic stabilizer with the a c c u ra c y o f I ° c

T h e tr ansport pro p e r tie s o f the films w ere determ ined

RES ULTS A M ) DI SCUSSION

T h e res u lts o f re s istivity m e a s u re m e n ts that ihc resistiv ity in all fi lm s dec re a s e with the increasing

o f te m p e ra tu re , f o llo w in g the sem ico n d u ctiv e

c h a ra c te riz a tio n R - c x p ( n a/k||T), where C-, is I he

a ctivation e n e r g y o f the sa m p le (it is the required

e n e rg y to ex cite the c a rr iers from the lop o f the

v a lc n c c ban d 10 the bo ttom o f the im puritv band) !t

is w o rth to no te that p u re AIN is isolatinc Tilts

m e a n s that the s u b s titu tin g o f Mil for Al in the host lattice p r o d u c e s th e chnrged carr iers an d make? lilt'

s a m p le s b e c o m e the im p u ritv s em iconductors Sonic

au th o r s h a v e re p o r te d that A I | , N VN is the p-type

b e h a v io r can b e e x p la in e d bv the increasing ol Mil content, w h ic h su b s titu te s really for A I ato m s in A lv '

Proceedings of the 1“ JIVOFM - 3”' IH'OMN C onference H a lo n s Vicirttmi D iT cm b cr 6-9 2006

T I K I

Fig I The tem perature d ep e n d en c e o f resistivity

fo r the AtaijM np ijA' sam ples g ro w n at different

temperatures

matrix, with increasing s u b s tra te te m p e ra tu re , leadin'!

10 the b roadening o f im purity b a n d In an o th e r work,

we have found the d e c r e a s e o f the activation enerey

caused by d o p in g Mn O u r e x p l a n a tio n has been

supported by X -ra y Sludy in th a t, the in creasin g o f

Mn content subs titu ted for A1 a t o m s in AIN matrix

was indicated by th e shift o f X - r a y dif fractio n peaks.

11 may also relate to w h a t w e h a v e o b s e r v e d in study

o f Mn c o ncentration on opti cal b a n d gap, that is the

decreas e o f hand gap w ith in c r e a sin g ihe Mn

concentra tion d ue to the b r o a d e n i n g o f im purity

T he effect o f a n n e a lin g p r o c e s s ai 600°c and

8 0 0 ° c on the tr a n sp o rt p r o p e r ty w a s studied on the

sam ples g ro w n at 27°c and 300°c T a b le 2 lists the

values o f activ atio n e n e r g y E a o b ta in e d b y fitting

R 'T ) plots T h e results s h o w th a t, for both sam p les

Table 2: The values o f a ctiva tio n energy- E a

sys tem s , is in creased by anneal ine T his can be

a ttribute d lo the d e c r e a s in g o f d e fects and alien

im purities b v a n n e a lin g p rocess, re sulting in the

d e c re a s in g o f the w id e o f the Iinpurin k i n d

M o r e o v e r, f r o m T a b le 2, o n e can see the stro nger influ ence o f a n n e a lin g pro c e s s on s a m p le s c ro w n at 27‘C t han o n the One? c r o w n at 3 0 0 ° c

C O N C L U S I O N The sy n th e s is o f the s a m p le s is an active* process Ii

m a k e s the clTects o f Browing c o n d itio n s on the properties o f s a m p le s c o m p lic a te d T h is study has civ en the first v ie w about in tere stin g pro blem

D e e p e r stu d ie s are n e c e s s a ry 10 understand the nature

o f p h e n o m e n a

A c k m r n lo d g e m e n t s The w o r k ai H anoi Univ ersity o f S cience w as

s upporte d b y project Q G 06.03 and the work at

C h u n g b u k N a tio n a l U niv ersity w as supporte d by project 01 - 2 0 0 4 - 1 9SS2-0.

[ 1 ] s J P c a n o n , c R A b e rn a th y , G T T hale r, R M Frazier, D p N o rto n , F Ren, Y D Park, J M Zitvatla, I

A B u y a n o v a , \ v M C h en , A F H ebard ( 2 0 0 4 ) , /

1‘liys Com iens SUmcr, (16) R 209 - k 245.

[2] s J P c j r t o n , c R A b e rn a th y , 13 p Norinn A I' llcb ard Y D Park L A B oatn er, J I) Hud:ii (2003),

M aterials S c ic n c c and Enein eeriniỉ, (K -10), 137 - 16S.

A b e rn a th y , s J P earton (2 0 0 1 ) , A p p lied Physics

l etter, Vol 83 No 9.

[6] Y o u n g Y eal Sons’, P h a m I lonu Q u a n e , Van Thni Pham, K v u W o n Lee an d S e o n c C h o Yu (2005),

J M M M V o l 2 9 0 - 2 9 1 , p 1325-1326.

17] M.Đ K n n o u n , s G o u m r i- S a id , A I: Mcrad, J Cibert ( 2 0 0 5 ) , J Phys D: A p p l.P h y s Vol 'R p 1853-1 859.

[8], T G r a f t M G ju k ic M ll e r m a n , M s Brandt.

M S tu t z m a n n (2003) P h \ s ic a l Review H Vol 67,

p 165215

741

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAiM

V I E T N A M E S E A C A D E M Y OF S C IE N C E A N D T E C H N O L O G Y

ẠP CHÍ

KHOA HỌC

/Ã CÔNG NGHÈ