Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ co trong các màng mỏng co ag và co al2o3

Tính cấp thiết của đề tài Ngay từ thế kỉ thứ tư u ng ngu ên người t đã biết đến một hiện tượng rất lý thú là ánh sáng ứng với tần số xá đ nh có thể truyền qua hay b chặn lại bởi chiếc

i

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC 7

1.1 Khái niệm về plasmon 9

1.2 Phân loại plasmon 10

1.3 Điều khiển độ truyền qua của tinh thể plasmon từ bằng từ trường ngoài 12

1.4 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt 16

1.5 Hiện tượng ni in ni 17

1.6 Tương tá gn n-plasmon 21

1.7 Sơ ược về tình hình nghiên cứu về spin-plasmonic ở tr ng nước 27

1.8 Kết luận hương 1 28

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29

2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng hương há hún xạ cao tần 29 2.1.1 Nguyên tắc chung củ hương há hún xạ cao tần 29

2.1.2 Cách bố trí bia khi chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt 32

2.1.3 Xử lý màng mỏng sau khi chế tạo 33

2.2 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng hương há bốc bay nổ trong chân không 33

2.2.1 Nguyên lý của bốc bay nổ 34

2.2.2 Ưu điể , nhượ điể ủ hương há bố b nổ 35

2.3 Cá hương há khảo sát màng mỏng 36

2.3.1 Phương há nghiên ứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X 36

2.3.2 Kính hiển i điện tử quét (SEM) 37

2.3.3 Kính hiển i điện tử truyền qua (TEM) 37

2.3.4 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 37

ii

2.3.5 Khảo sát tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM) 38

2 Thiết ậ hệ đ qu ng-từ để khả át hiện tượng monic 38

2 .1 Sơ đ khối ủ á hệ đ qu ng-từ 38

2 .2 Th ng ố k thuật ủ á thiết b ử ụng tr ng á hệ đ qu ng-từ 40

2 .3 Thiết ậ hệ đ qu ng-từ với ngu n ánh áng er đỏ 45

2.4.4 Thiết lập hệ đ qu ng-từ với á ánh áng đơn ắc khác nhau 46

2.5 Kết luận hương 2 49

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH THÁI CẤU TRÚC DẠNG HẠT CỦA CÁC MÀNG MỎNG Co-Al2O3 VÀ Co-Ag 50

3.1 Một số đặ trưng ấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Al2O3 50

3.1.1 Tỉ lệ thành phần Co trong màng mỏng Co-Al2O3 50

3.1.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM 53

3.1.3 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM 54

3.1.4 Hình thái vi cấu trúc thông qua giản đ XRD 56

3.1.5 Tính chất từ của hệ màng mỏng Co-Al2O3 59

3.2 Một số đặ trưng ấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Ag 62

3.2.1 Tỉ lệ thành phần Co trên màng mỏng Co-Ag 62

3.2.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM 64

3.2.3 Hình thái màng mỏng dạng hạt thông qua ảnh TEM 67

3.2.4 Khảo sát cấu trúc màng mỏng thông qua phổ nhiễu xạ điện tử (ED) 68

3.2.5 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM 68

3.2.6 Tính chất từ của hệ Co-Ag 71

3.3 Kết luận hương 3 72

CHƯƠNG : HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Ag 73

1 iểu hiện ni từ tính thông qua phổ truyền qua của ánh sáng nhìn thấy ở hệ màng mỏng dạng hạt Co - Ag 74

4.1.1 Phổ truyền qua của hệ màng mỏng Co-Ag 74

iii

1.2 Sự hụ thuộ ủ hổ tru ền qu tỉ ệ C từ trường ngoài 75

1.3 Hiện tượng ni từ t nh trên hệ ẫu ng ỏng C -Ag 78

4.2 Biểu hiện plasmonic từ t nh th ng qu hổ hản xạ ủ ánh áng nh n thấ ở hệ màng mỏng dạng hạt Co - Ag 79

2.1 Phổ hản xạ hụ thuộ tỉ ệ hạt ắt từ C tr ng ẫu 80

2.2 nh hưởng ủ từ trường ên hổ hản xạ ủ ng ỏng C -Ag 82

4.2.3 Về biểu hiện ủ hiện tượng ni từ t nh trên hệ ẫu C -Ag 85

4.3 Kết luận hương 89

CHƯƠNG 5: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Al2O3 90

5.1 Nghiên cứu thực nghiệm phổ truyền qua ở màng mỏng dạng hạt Co - Al2O3 91

5.1.1 Sự tru ền qu hụ thuộ từ trường tỉ lệ C ủ ánh áng er đỏ 91

5.1.2 Sự truyền qua phụ thuộ hướng của từ trường ngoài 95

5.2 Cơ hế tương tá gn n-plasmon ở màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 98

5.2.1 M h nh h ơ hế tương tá h t n-magnon 98

5.2.2 Cơ hế ghi gn n tr ng tương tá gn n-plasmon 103

5.3 Kết luận hương 5 106

KẾT LUẬN CHUNG 107 TÀI LIỆU THAM KH O A DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố CỦA LUẬN ÁN N

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AMR Anisotropic Magnetoresistance Từ điện trở d hướng

Spectroscopy

Phổ tán sắ năng ượng

RKKY

Interraction

Yosida Interraction

Ruderman-Kittel-Kasuaya-Tương tá RKKY

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển i điện tử quét

Spectroscopy

Phổ tổn h năng ượng điện tử

Microscope

Kính hiển i điện tử truyền qua

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [90] 9

Hình 1.2 Phân loại plasmon [76] 10

Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [19] 11

Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [34] 12

Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [30] 14

Hình 1.6 Phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic [96] 15

Hình 1.7 Kết quả phổ truyền qua tinh thể plasmon từ với cấu trúc hốc nano (đường kính 150 nm và chu kì là 400 nm ) trên bề mặt mẫu Một sóng phân cực thẳng tới vuông góc trên tinh thể từ phía không khí [96] 16

Hình 1.8 Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt nano [96] 17

Hình 1.9 Khi các vi hạt Co/Au được đặt trong từ trường ngoài, các electron trong các hạt Co bị phân cực spin [11] 18

Hình 1.10 Cơ chế của hiện tượng plasmon-spin [58] 19

Hình 1.11 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au (hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ trường B // [58] 20

Hình 1.12 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au (hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ trường B [58] 21

Hình 1.13 Plasmon tạo bởi từ trường không đồng nhất [114] 23

Hình 1.14 Hiệu ứng phân cực spin của electron trong nguyên tử từ [114] 24

vi

Hình 1.15 Spin trên phổ tiêu hao năng lượng của các phương Gd/Mo (112) ở 0(a),

1/2(b), 3/4 (c) và 5/4 (d)[49] 25

Hình 1.16 Bất đối xứng spin của kích thích plasmon (hình vuông) tại năng lượng tiêu hao khoảng 5 eV và Drude (vòng tròn) với năng lượng tiêu hao cỡ 1,5 eV như một chức năng của vector sóng [43] 26

Hình 1.17 Phổ tổn hao năng lượng trên Gd/Mo (112) ở trung tâm các vùng Brillouin 200K và 300K [49] 27

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy phún xạ 30

Hình 2.2 Bia ghép Al 2 O 3 -Co 32

Hình 2.3 Sơ đồ hệ bốc bay nổ trong chân không 35

Hình 2.4 Nguyên lí hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử AFM [14] 38

Hình 2.5 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài. 39

Hình 2.6 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số phản xạ phụ thuộc từ trường ngoài 39

Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của dòng quang điện của quang trở vào cường độ chiếu sáng đến quang trở 41

Hình 2.8 Sự phụ thuộc của điện trở của quang trở vào cường độ sáng 41

Hình 2.9 Laser He- Ne gồm đầu phát Laser(a) và nguồn cao áp (b) 42

Hình 2.10 Khảo sát sự phụ thuộc của từ trường trong cuộn cảm vào cường độ dòng điện bằng máy đo từ Gauss 43

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của từ trường B vào cường độ dòng điện 44

Hình 2.12 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là đầu đo công suất (1) nguồn laser đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây tạo từ trường, (4) thấu kính hội tụ, (5) đầu đo công suất, (6) nguồn một chiều, (7) ôm kế, (8) nguồn cao áp của laser He-Ne 45

vii

Hình 2.13 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là quang trở CdS (1) nguồn laser đỏ,

(2) kính phân cực, (3) cuộn dây, (4) thấu kính hội tụ, (5) quang trở CdS, (6) nguồn một chiều, (7) ampe kế, (8) ôm kế, (9) nguồn cao áp của laser He-Ne 46

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài 46 Hình 2.15 Thiết bị lock-in DSP 7225 47 Hình 2.16 Hệ tán sắc ánh sáng CARLZEISS JENA 47 Hình 2.17 Chopper tạo xung 48 Hình 2.18 Hệ đo quang-từ với các ánh sáng đơn sắc khác nhau (1) máy quang phổ;

(2) chopper; (3) kính phân cực; (4) và (4’) thấu kính hội tụ; (5) nam châm; (6) cảm biến quang trở CdS; (7) bộ khuếch đại lock-in DSP 7225; (8) nguồn một chiều 49

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa tỉ lệ % nguyên tử Co trên mẫu so với tỉ lệ diện tích bia.

Hình 3.6 Ảnh AFM được trích xuất từ các ảnh AFM của các mẫu màng mỏng

Co(15%)-Al 2 O 3 và Co(40%)-Al 2 O 3 sau khi đã ủ nhiệt ở 250 o C trong vòng 1h 55

Hình 3.7 Minh họa mặt cắt của bề mặt ghi nhận được bằng AFM của các mẫu

màng mỏng Co-Al 2 O 3 , thể hiện các hạt/chùm nguyên tử Co cô lập được bao bởi lớp nền Al 2 O 3 56

viii

Hình 3.8 Giản đồ XRD của mẫu màng mỏng dạng hạt Co x (Al 2 O 3 ) 1-x với x = 0.27 57

Hình 3.9 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(x%)-Al 2 O 3 với từ

trường vuông góc bề mặt mẫu với x = 6, 16, 27, 49 59

Hình 3.10 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al 2 O 3 61

Hình 3.11 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al 2 O 3 với từ trường theo hai phương song song và vuông góc với bề mặt mẫu 61

Hình 3.12 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(49%)-Al 2 O 3 62

Hình 3.13 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(8%)-Ag 62

Hình 3.14 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(15%)-Ag 63

Hình 3.15 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(25%)-Ag 63

Hình 3.16 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(50%)-Ag 63

Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(23%)-Ag bốc bay nổ. 65

Hình 3.18 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(20%)-Ag phún xạ 65

Hình 3.19 So sánh hình thái bề mặt qua ảnh SEM của các mẫu màng mỏng được bốc bay nổ với tỷ lệ Co khác nhau 65

Hình 3.20 Ảnh SEM của mẫu Co(27%)-Ag sau khi bắn phá ion 66

Hình 3.21 Ảnh SEM của mẫu Co(20%)-Ag sau khi bắn phá ion 66

Hình 3.22 Ảnh TEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag bốc bay nổ. 67

Hình 3.23 Ảnh ED của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag 68

Hình 3.24 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(22%)-Ag 69

ix

Hình 3.25 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(27%)-Ag 69

Hình 3.26 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Co 70

Hình 3.27 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Ag 70

Hình 3.28 Tính chất từ của một số màng mỏng từ dạng hạt Co-Ag 71

H nh 1 Phổ truyền qua của các màng mỏng Co x -Ag với x = 0 và x = 27% nguyên tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác dụng (B = 500 G) 75

H nh 2 Phổ truyền qua của các màng mỏng Co x -Ag với các x khác nhau, trong khoảng 0 – 63 % nguyên tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác dụng (B = 500 G) 75

H nh 3 Sự biến thiên có dạng dao động tắt dần theo tỷ lệ thành phần Co (x trong khoảng 0  63% nguyên tử) của hệ số truyền qua quan sát tại các bước sóng

 = 560 nm (a) và 660 nm (b) 77

H nh Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0 80

H nh 5 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0 81

H nh 6 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co ứng với bước sóng 660 nm khi B = 0 81

H nh 7 (a) Phổ phản xạ của màng mỏng với x = 7% khối lượng Co-Ag dưới tác dụng của từ trường ngoài có cường độ khác nhau, B = 0  500 G (b) Vùng phổ dưới bước sóng dài được tách từ hình (a) để thấy rõ xu hướng biến thiên theo cường độ từ trường ngoài 82

H nh Phổ phản xạ của ánh sáng trên bề mặt mẫu màng mỏng có các tỷ lệ Co khác nhau với tác dụng của từ trường ngoài B = 0 và 500 Gs: (a) x = 0; (b) x ~ 0.04; (c) x ~ 0.06; (d) x ~ 0.07 83

H nh 1.6Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon 85

x

H nh 5.1 Tỷ số truyền qua phụ thuộc từ trường của chùm tia laser đỏ đối với các

màng mỏng Co x -Al 2 O 3 có tỷ lệ Co khác nhau: x = 16%(hình a), 27% (hình b), 49%

(hình c), 63% (hình d) và 100%(hình e) Các đường chấm ngang thể hiện các mức

nền truyền qua khi x nhỏ (≤ 49 %) và các mức trần truyền qua khi x lớn (> 49 %).

92

H nh 5.2 Quan hệ giữa cường độ chùm laser tới J 0 , và truyền qua được J T phụ

thuộc vào lượng hạt, hay chùm nguyên tử, Co ít (a) hay nhiều (b) trong nền Al 2 O 3

93

H nh 5.3 (a) Cơ chế plasmonic, (b) và cơ chế spinlasmonics [7] 103

H nh 5 Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon 99

H nh 5.5 (a) Một tia sáng của ánh sáng nhìn thấy tác động vào màng mỏng từ dạng

hạt đặt trong một từ trường ngoài có thể điều chỉnh được (b) Minh họa sự tương

quan giữa hình học (x, y, z, φ), quang học (trục quang, B 0 , E 0 ) và từ trường (H init ,

M i , H) là các yếu tố ảnh hưởng (c) Biểu hiện của hiện tượng plasmonic với điện

trường phân cực E’ trong màng mỏng từ dạng hạt với kích thước D   (d) và (e)

Các hạt siêu thuận từ trong màng mỏng dạng hạt Co-Al 2 O 3 khi có hoặc không có từ

trường ngoài H 105

H nh 5.6 Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào hướng của từ trường ngoài 96

H nh 5.7 Minh hoạ về cơ chế hiện tượng plasmonic cho các spin trong các màng

mỏng từ dạng hạt bị tác động bởi ánh sáng (b) Các spin bị phân cực thể hiện bằng

vectơ từ độ M i khi chịu tác động của từ trường B 0 và bị phân cực điện bởi E’ do

chịu tác động của điện trường E 0 (c)-(h) Minh họa sự tương tác photon-magnon

dưới tác dụng của từ trường H thay đổi theo góc  102

H nh 5 (a) Hệ số truyền qua khi φ = 0 là một hàm của tỉ lệ Co trong mẫu (x), với

các ánh sáng có bước sóng khác nhau (b) Hệ số truyền qua khi φ = 0 o là một hàm

của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau (c) Hệ số truyền qua khi

φ = 45 o

là một hàm của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau 98

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngay từ thế kỉ thứ tư u ng ngu ên người t đã biết đến một hiện tượng rất lý thú là ánh sáng ứng với tần số xá đ nh có thể truyền qua hay b chặn lại bởi chiếc cốc Lycurgus [30] được làm từ thủy tinh có pha các hạt kim loại Au k h thước vài chục nanomét [65] Tu nhiên, đến tận thế kỉ 20 hiện tượng này mới đượ đề cập đến một cách khoa học Vào những nă uối thế kỉ 20, nhiều nghiên cứu cho thấy

có thể thực hiện việ đ nh xứ (nhốt h gi hã óng điện từ ở tại bề mặt của kim loại bằng hiện tượng phân cực plasmon bề mặt Từ những nă 2000 trở đi, khi các kỹ thuật chế tạo nano phát triển, vấn đề dẫn truyền h đ nh xứ óng điện từ có thể thực hiện được dễ dàng, các linh kiện quang-điện tử hiện đại sử dụng hiện tượng kích thích các trạng thái động plasmon bề mặt đã h nh th nh nên ột nhánh

công nghệ mới ó tên “plasmonics” 2001

Trên thế giới, đã ó nghiên ứu tổng qu n ề ật iệu ni [74] ó nhiều nghiên ứu ề á t nh hất ủ ật iệu ni như ự h n ự iêu nh nh [25], điều kiện xả r hiện tượng ni trên bề ặt ki ại [96], t nh hất qu ng

th đổi khi h u tá ụng ủ ự điện từ [56] Đặ biệt, hiện tượng ni đã đượ nghiên ứu the hướng ứng ụng để hế tạ in ặt trời [72][51][124] nhằ tăng hiệu uất ủ in ới á ật iệu bán ẫn th ng thường

Ở iệt N , tại thời điể tá giả bắt đầu thự hiện đề t i ủ nh, hư thấ ó

ng bố n nghiên ứu ề hiện tượng ni , ật iệu ni á t nh hất ủ ại ật iệu n đó, hiện tượng ni ột hiện tượng n rất mới ở nước ta

Đề tài nghiên cứu “Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các

màng mỏng Co-Ag và Co-Al 2 O 3” được tá giả thực hiện tại Viện Đ tạo Quốc tế

về Khoa học Vật liệu (ITIMS)-ĐH K H Nội nhằ ơ ở để phát triển nghiên

cứu và ứng dụng một nh ực mới về plasmonics ở tr ng nước, là một yêu cầu có

tính cấp thiết nhằm phát triển nghiên cứu và ứng dụng mới đối với các vật liệu

từ-nano hiện đại ở nước ta

2

2 Mục tiêu

 Nghiên cứu tiếp cận được các hiện tượng ó iên qu n đến tương tá spin-plasmon trong dải óng điện từ ó bước sóng lớn hơn k h thước hạt: Sử

dụng ánh sáng nhìn thấy (~300800 nm), trong khi các hạt sắt từ n n được

qu n t thường ó k h thước phổ biến trong khoảng ưới 100 nm

 Tạ r được hệ thống mẫu màng mỏng từ dạng hạt nano với tỷ phần sắt từ khác

nhau và thiết lậ được hệ đ hương há đ th h hợ để khảo sát các tính

chất h đặ trưng đá ứng quang phụ thuộc vào từ trường ngoài

 Tìm hiểu về tương tá gn n- n, ũng hản ánh bản chất củ tương

tác photon-spin, thông qua phổ truyền qua và phổ phản xạ của ánh sáng phụ

thuộc vào từ trường ngoài và tỉ lệ % nguyên tử Co trong màng mỏng

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

 Để giải quyết các vấn đề đặt ra trong các mụ tiêu trên đ , trước hết việc chế

tạo mẫu để thực hiện nghiên cứu phải có cấu trúc dạng hạt nano là yếu tố hàng

đầu Vì vậy các hệ màng mỏng Co-Al2O3 và Co-Ag, là những kiểu cấu trúc

nano từ tiếp xúc d thể sắt từ-phi từ tiêu biểu và thích hợ để nghiên ứu hiện

tượng ni Nhóm nghiên cứu spintronics của Viện ITIMS đã ó kinh

nghiệm nhiều nă ề chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của những hệ

như ậ đó đ ẽ là một thuận lợi lớn đối với luận án

 Việc tìm hiểu những đặ trưng ề cấu trúc và tính chất từ của các hệ màng mỏng

từ dạng hạt ũng đã được thực hiện ở luận án này, mặ ù đ những hệ đã

được nhóm nghiên cứu khảo sát khá nhiều và chi tiết ở những nghiên cứu trước

đ đối với những hệ tương tự như ử dụng á hé đ XR , E , SEM, TEM,

AFM, VSM) Tuy nhiên ở đ húng t i tập trung nhiều hơn ử dụng các

hé đo quang-từ (chủ yếu á hé đ ự truyền qua và phản xạ có và không

có tác dụng của từ trường ng i để khảo sát và tìm hiểu á ơ hế đối với các

hiện tượng iên qu n đến hiện tượng ni ở các hệ mẫu màng mỏng từ

dạng hạt nano Co-Al2O3, Co-Ag Vì vậy, một trong những vấn đề quan trọng ở

luận án này là thiết ậ được hệ đ qu ng tr ng từ trường quang-từ và không có

từ trường, và tìm hiểu á hé đ hối hợp khác nữ , đã được triển khai Trên

ơ ở thiết ậ được hệ đ qu ng-từ tốt, đặc biệt là loại trừ được yếu tố của

3

các hiệu ứng quang-từ thường gặ , như hiệu ứng Kerr-Faraday, những kết quả

khả quan nhất đã được tổng hợp và trình bày trong luận án

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý ngh kh học củ đề tài nghiên cứu ở luận án này, là vấn đề tìm hiểu về tính phụ thuộc spin của hiện tượng ni , trước hết thể hiện ở chỗ, đ ần đầu tiên ở tr ng nước tiếp cận đến nghiên cứu một nh ực còn khá mới mẻ không chỉ ở tr ng nướ , ũng hỉ mới xuất hiện gần đ trên thế giới, nhưng

n hư được quan tâm nhiều Vì vậy nhiều tri thức khoa học và công nghệ mới

sẽ có khả năng đượ t t i, được khám phá Ví dụ như á hiện tượng xuất phát

từ tương tá giữa photon với mạng spin củ á điện tử trong hạt nano từ đã tạo nên hiện tượng hiện tượng ni , h tương tá giữa các photon với magnon, một trạng thái k h th h động tuế sai của mạng in ưới tác dụng của từ trường ngoài hay không có từ trường ng i, tr ng đó th nh hần B của

óng điện từ kích thích lên các spin trong các hạt từ nano

 Các kết quả thu được của luận án đã gợi ý về một cách tiếp cận thực nghiệ để tìm hiểu về ơ hế quá tr nh tương tá giữa photon của ánh sáng với mạng

spin, thông qua các hạt nano từ

 Kết quả nghiên cứu về hiện tượng plasmonic trên của các hạt nano Co trong các màng mỏng Co-Ag và Co-Al2O3 của luận án, thể hiện qua sự biến đổi của những tính chất truyền qua/phản xạ đối với hệ các hạt sắt từ nano, những tính chất

qu ng đó b điều biến khá thường bởi các yếu tố từ tính của hệ, như n ng độ hạt C , ường độ hướng từ trường tác dụng lên các hạt nano Co, và những tính chất đó n hụ thuộ năng ượng photon kích thích plasmon, là những đóng gó đã được ghi nhận cho sự phát triển của khoa học nano và công nghệ vật liệu nano nói chung, công nghệ quang-spin và ứng dụng spintronics nói riêng

(thông qua các công bố quốc tế có uy tín)

 Về mặt thực tiễn, các hiện tượng hiện tượng ni hứa hẹn mở ra những ứng dụng rất độ đá hữu h tr ng đời sống hiện đại, điển hình là các ứng dụng trong công nghệ chuyển mạ h qu ng ượng tử, th ng tin qu ng ượng tử,

tàng hình

5 Những điểm mới của luận án

4

Trong quá trình thực hiện luận án, húng t i đã thiết lập và tiến hành được một số những hoạt động và kỹ thuật thực nghiệm có tính mới trong việc tiến hành nghiên cứu của luận án ở tr ng nước và công bố quốc tế, g h i điểm nổi bật như u:

 Phát triển được kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không (Flash Evaporation, FE)

áp dụng trong việc chế tạo các mẫu màng mỏng có kiểu cấu trúc dạng hạt nano, như ở hệ Co-Ag Mặc dù kỹ thuật bốc bay nổ tr ng h n kh ng đã được thực hiện từ lâu Tuy nhiên, ch đến n hư thấy có công bố nào, cả ở trong và

ng i nướ , đề cậ đến việc áp dụng kỹ thuật này để chế tạo các cấu trúc dạng hạt nano, tương tự như đã á ụng trong luận án này Vì vậ đ ần đầu tiên, ũng thể hiện tính mới của luận án, ở tr ng nướ đã ử dụng kỹ thuật này cho

hệ màng mỏng cấu trúc dạng hạt nano

 Thiết lậ được hệ đ quang-từ nhằm khảo sát sự phụ thuộc của hệ số truyền qua

và hệ số phản xạ củ ánh áng er đỏ ánh áng đơn ắc (sử dụng hệ tán sắc ánh sáng trắng) trên các màng mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3 và Co-Ag vào tỉ lệ % nguyên tử Co trong màng, bướ óng ủ ánh áng từ trường ng i ả hướng

độ ớn Tìm hiểu ơ bộ ở tr ng nước trong thời gian gần đ , húng t i hư phát hiện thấ ó đơn nghiên cứu n đã từng thiết lập một hệ thực nghiệm truyền qua và phản xạ củ ánh ng tr ng điều kiện có từ trường th đổi được

cả về ường độ hướng tác dụng lên mẫu, như hệ thực nghiệ đã được chúng tôi thiết lập

Về mặt khoa học, những điểm mới về học thuật được thể hiện qua những điểm

h nh u đ :

 Lần đầu tiên chế tạo thành công màng mỏng từ có cấu trúc dạng hạt nano Co-Ag

bằng kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không

 Lần đầu tiên qu n át được xu hướng biến đổi khá bất thường ở các tính chất phản xạ/truyền qua củ ánh áng đối với đá á hạt nano sắt từ Co có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng kích thích, có n ng độ khác nhau, và được phân tán ở tr ng á i trường nền khác nhau: dẫn điện tốt (Ag)

á h điện tốt (Al2O3), không có và có từ trường với ường độ hướng tác dụng lên các hạt nano Co th đổi, và cả khi các bước sóng của ánh sáng kích

thích khác nhau

phần véc-tơ từ trường B điện trường E của sóng ánh sáng (photon) với các

in điện tử S và từ độ M của các hạt nano Co ó k h thước D nhỏ hơn nhiều so

với bước sóng λ củ ánh áng k h th h như thế n ưới tác dụng và không có

tác dụng của từ trường ngoài H, khi ường độ hướng của từ trường tác dụng

b th đổi

6 Cấu trúc của luận án

Luận án g m 103 trang, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia làm 05 hương ới các nội ung h nh như u:

Chương 1: Tổng quan về hiện tượng plasmonic

Chương n tr nh b á khái niệ ơ bản về plasmon, plasmonic,

spinplasmons và ơ hế tương tá gn n-plasmon

Chương 2: Thực nghiệm

Ở đ , húng t i nêu r á hương há thực nghiệ đã ử dụng trong luận án

để chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt như: hún xạ Catốt, bốc bay nổ trong chân

kh ng; á hương há khảo sát tính chất màng mỏng dạng hạt như: SEM, EDS, AFM, TEM, VSM, XRD Đặc biệt, tr ng hương n húng t i tr nh b ề việc thiết ậ thành công hệ đ qu ng-từ nhằm khảo sát các hiện tượng plasmonic trên các màng mỏng dạng hạt nano tại PTN Qu ng ượng tử-Khoa Vật lý-Trường ĐHKHTN-ĐHQG H Nội

Chương 3: Nghiên cứu một số đặc trưng hình thái cấu trúc dạng hạt

Hệ thống mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co-Al2O3 được tiến hành chụp SEM, XRD, AFM và khảo sát hình thái dạng hạt thông qua khảo sát tính chất từ trên máy VSM Các màng mỏng dạng hạt nano Co-Ag chế tạo bằng hương há bốc bay nổ

và phún xạ ũng được tiến hành chụp SEM, TEM, ED và khảo sát tính chất từ trên máy VSM nhằ qu n át được hình thái dạng hạt trên màng

Chương 4: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Ag

6

Trình bày các kết quả nghiên cứu về hệ số truyền qua và hệ số phản xạ phụ thuộc

từ trường ng i bước sóng của ánh sáng chiếu tới, tỉ ệ C tr ng ng độ

ớn ủ từ trường ng i Đặ biêt, húng t i đã hát hiện thấy biểu hiện của hiện tượng plasmonics trong các cấu trúc nano kim loại d thể dạng hạt Co-Ag Đ ng thời, húng t i đã hế tạo thành công màng mỏng dạng hạt nano bằng hương há bốc bay nổ, đ hương há hư từng được sử dụng để chế tạo loại màng này ở

tr ng nướ ũng như trên thế giới

Chương 5: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Al 2 O 3

Trình bày các kết quả nghiên cứu về sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào tỉ lệ

% Co trong mẫu, bướ óng ủ ánh áng k h th h và từ trường ng i ả hướng

độ ớn Hơn nữ , húng t i đã ận dụng được ơ hế tương tá gn n-plasmon

để giải thích các kết quả thu được

Phần cuối của luận án trình bày các kết luận và kiến ngh

7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC

Trong nhiều thập kỷ qua p ni đã hát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở tr ng nh vực vật lý và quang học của các chất ngưng tụ Sự kích thích tập thể của các hệ điện

tử đã được cho thấy hết sức rõ rệt qua những tính chất tương tá giữa ánh sáng và vật chất đối với rất nhiều hệ vật liệu khác nhau Với sự phát triển và những thành tựu của khoa học nano và công nghệ chế tạo vật liệu nano từ khoảng đầu thế kỷ 21 đến nay, nhiều hệ vật liệu nano khác nhau, từ các dạng màng mỏng, dạng sợi/dây

n n h đến các dạng hạt/chùm hạt n n đã thu hút được sự quan tâm to lớn vì chúng cho thấy nhiều đặ t nh ni đặc biệt Trong số các vật liệu nano, các kim loại quý đã nhận được sự qu n t đáng kể nhờ cả hiện tượng plasmon bề mặt

và khối diễn ra hết sức mạnh mẽ do mật độ trạng thái (DOS) cao của chúng ở mức Fermi, nên rất dễ ng được kích thích tập thể Các tính chất quang họ , như tru ền qua, phản xạ hay hấp thụ, của vật liệu càng trở nên bất thường hơn khi tương tá ới ánh áng k h th h ó bước sóng lớn hơn nhiều so với k h thước của vật liệu Plasmon bề mặt là những động tập thể củ á điện tử tự do được hình thành trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và điện môi do sự động tập thể củ á điện

tử dẫn [132], chúng lan truyền dọc theo bề mặt lớp tiế xú , được gọi là sóng plasmon bề mặt Plasmon bề mặt đ nh xứ cao tại bề mặt của các hạt nano kim loại được gọi là plasmon bề mặt đ nh xứ [68][136] Cá trường điện từ tạo ra sự cộng hưởng plasmon bề mặt đ nh xứ trên bề mặt của hạt nano kim loại, gây ra sự hấp thụ, tán xạ ánh sáng mạnh, tăng ường á trường điện từ đ nh xứ (thực hiện đ nh

xứ năng ượng điện từ) hoặ th đổi sự phân bố trường điện từ ở mứ độ nhỏ hơn bước sóng ánh sáng [73] Vì plasmonics là sự tổ hợp củ điện tử học (electronics) và quang tử học nano (nano-photonics), vì vậy các hiện tượng plasmon

bề mặt đ nh xứ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều nh ực quan trọng, như tán

xạ R n tăng ường bề mặt (SERS) [80][27], huỳnh qu ng tăng ường nhờ kim loại (MEF) [127], hấp thụ h ng ngoại tăng ường bề mặt và tán xạ R eigh tăng ường Sóng plasmon bề mặt có ứng dụng lý thú do có khả năng tăng ường trường điện từ đáng kể, như k nh hiển i trường gần và cảm biến y sinh

8

Trong số các kim loại, bạ ng được xem là các ứng viên tốt nhất để làm tăng ường các vùng hấp thụ plasmon bề mặt của chúng trong vùng ánh áng nhìn thấy V tr ường độ củ đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại có thể được kiểm soát bằng k h thước, hình dáng, thành phần của hạt nano,

i trường điện môi, tinh thể Bên cạnh các nghiên cứu về các nano kim loại quý,

h đến nay, các cấu trúc nano ủ á ki ại ắt từ như C , e, C e vẫn đ ng

tiếp tục đượ nghiên ứu trong khoa học nano [89][79][101] Điều khiến cho các hạt

nano sắt từ hết sức được quan tâm về hương iện vật lý plasmonic và plasmonic từ tính (magneto-plasmonic) chính là ở chỗ mật độ trạng thái điện tử DOS có tính phân cực spin Tr ng nh ự điện tử học spin, người t thường sử dụng hiệu ứng bơ spin, ngh là thực hiện sự chuyển đổi mô-men góc spin, thông qua động lực học từ

độ ở trong một chất sắt từ, trở thành những in điện tử dẫn ở trong một chất thuận

từ được gắn liền bên cạnh [73] Khi có sự chuyển động của mômen từ trong chất sắt từ được kích thích (ví dụ bằng ánh sáng), một dòng spin sẽ đượ bơ từ chất sắt

từ sang chất thuận từ Các nghiên cứu gần đ ề intr ni đã h thấy có hai loại hiệu ứng bơ in Một bơ spin kết hợ , ngh bơ do tuế sai pha kết hợp của từ

độ, tr ng đó á ộng hưởng sắt từ hoặc song spin có thể được kích thích bằng bức

xạ vi sóng [115][34][137] Loại thứ hai bơ in kh ng kết hợp, ngh là do trạng thái không cân bằng của các spin ở bề mặt giao tiếp giữa sắt từ và thuận từ (FM/PM được kích thích bởi các nhiễu loạn không kết hợp ở bên ngoài Khi đó

gn n k h th h động của mạng spin trong chất sắt từ FM) và (hoặc) các điện tử trong chất thuận từ PM b chệch ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt, một dòng spin thuần được phát ra qua bề mặt tiếp xúc FM/PM [13] Một ví dụ điển hình của việ bơ in kh ng kết hợp là spin Seebeck effect [13], ở đó các hàm phân bố magnon/e e tr n đượ điều biến bởi các gradient nhiệt độ bên ngoài Liên quan tới luận án này, quá trình kích thích bằng ánh sáng làm xuất hiện spin- n u đó đượ điều biến bằng từ trường bên ngoài, cả về ường độ hương, ũng ẽ dẫn đến quá trình kích thích magnon mạnh và diễn r ơ hế bơ in kh ng kết hợp Như vậy, spin-plasmonics còn là sự tổ hợp của điện tử học, quang tử học nano và điện tử học spin (spintronics), làm cho các vấn đề spin-plasmonics hết sức được quan tâm trong thời gian rất gần đ [95][73][116][85][93][117][130][99][110]

9

[118][88], và dẫn đến nhiều khả năng ứng dụng của spin-plasmonics còn phong phú

và sâu sắ hơn nữa

1.1 Khái niệm về plasmon

động động của mật độ hạt giống như động âm học ở trong chất kh ó điện nhưng bản chất của chúng hoàn toàn khác nhau Thực vậ đối với động âm học thì va chạm giữa các hạt kh đóng i tr ập lại cân bằng mỗi khi

ó thăng giáng ật độ, còn ở plasma thì lự tương tá giữa các hạt đóng i tr n Những k h th h ơ bản tập thể tương ứng với động Plasma trong ngôn ngữ lý thuyết gọi là Plasmon

Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [102]

Thực nghiệm chứng tỏ sự t n tại của Plasmon bằng á h đ hổ đặ trưng ủa suy giả năng ượng khi h á hù điện tử ó năng ượng cỡ keV hoặc phản xạ hoặc truyền qua các màng mỏng kim loại Đặc biệt thí nghiệm về phản xạ chùm điện tử trên bề mặt vật rắn còn cho thấy có hai loại Plasmon: loại trong khối và loại

bề mặt, húng h h i ũi nhọn sát nhau ở trên phổ đặ trưng ủa suy giả năng ượng như h nh 1.1 Tóm lại, trong các cấu trúc kim loại thì các tính chất quang học chủ yếu là do các electron dẫn của kim loại quyết đ nh sự k h th h điện từ làm cho

10

những electr n n động tập thể, tạo nên một hệ động được gọi là plasmon

trong không gian của cấu trúc kim loại đó Như ậy plasmon là những động của

mật độ điện tử tự do trong kim loại Khoa học về plasmon và ứng dụng được gọi là

plasmonics Chú ý rằng plasmonics không tách rời với ánh sáng tác dụng lên những

tiếp xúc d thể kim loại điện môi ở kích thước nano nên có thể xem plasmonic là

quang học ở k h thước nano

1.2 Phân loại plasmon

Tù the á điều kiện biên (phụ thuộ k h thước, hình dáng và hằng số

điện môi của cả kim loại và chất bao), á động có thể được phân loại thành

3 mode: plasmon khối, plasmon bề mặt và plasmon bề mặt đ nh xứ được mô phỏng

như h nh 1.2

Hình 1.2 Phân loại plasmon [86]

 a on khối vo p a on : á động tậ thể ủ e e tr n ẫn

tr ng khối ki ại năng ượng ủ á ượng tử kh ảng 10 e

 Plasmon bề mặt (surface plasmons): Plasmon bề mặt là những động tập

thể củ điện tử dọc theo mặt tiếp xúc giữa kim loại-điện môi Đơn giản hơn, t

có thể đ nh ngh Plasmon bề mặt là sự kích thích các electron bề mặt của kim

loại bằng ngu n sáng tới

11

 Plasmon bề mặt định xứ (Local Surface Plasmon, LSP): Plasmon bề mặt

đ nh xứ là các động plasmon b giam cầm trong cả 3 chiều không gian,

ví dụ tr ng trường hợp các hạt nano kim loại, e động như h nh 1.3 Kim loại có nhiều điện tử tự , á điện tử tự do này sẽ động ưới tác dụng củ điện từ trường bên ng i như ánh áng Th ng thường các dao động b dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại Nhưng khi k h thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữ điện

tử sẽ động cảm ứng với ánh sáng kích thích Do vậy, tính chất quang của hạt n n ó được do sự động tập thể củ á điện tử dẫn đến quá trình tương tá ới bức xạ óng điện từ

Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [26]

Cá điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano b phân cự điện tạo thành một ưỡng cự điện, từ đó xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng á ếu tố về h nh áng, độ lớn của hạt n n i trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất Khi tần số của ánh sáng kích thích bằng với tần số riêng củ động mật độ điện tử sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt đ nh xứ Sự kích thích của LSP bằng điện trường ánh sáng ở bước sóng tới ứng với cộng hưởng sẽ dẫn đến tán xạ ánh sáng mạnh, xuất hiện dải hấp thụ plasmon bề mặt mạnh tăng ường trường điện từ cục bộ Tần số ường độ trong dải hấp thụ plasmon bề mặt đặ trưng h ại vật liệu, và rất nhạy với kích

12

thước, phân bố k h thước và dạng của cấu trú n n ũng như ới i trường

b qu nh Đ những thuộc tính quý báu dẫn đến những quan tâm ngày càng tăng đối với LSP và việc chế tạo các sensor dựa trên LSP

Gần đ á hạt nano và cấu trúc nano kim loại đã được sử dụng hiệu quả như các thành phần trong một thiết b quang họ k h thước nano (nanoscale optical devices) làm dẫn óng, đóng ngắt quang, siêu thấu kính, thiết b ưu trữ thông tin và các bộ tán xạ ánh sáng cộng hưởng trong kính hiển vi quang họ quét trường gần (SNOM) Thuộc tính quang phi tuyến của vật liệu ũng đượ tăng ường đối với các cấu trúc nano kim loại Ở k h thước nano, tính chất quang học của các hạt nano kim loại trở nên hết sức thú v

Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [43]

Hạt nano ng, đ ng trộn trong các sản phẩm gốm sứ làm cho các sản phẩ đó

có các màu sắ khá nh u đã đượ người La Mã sử dụng từ h ng ng n nă trước trong chiếc cốc Lycurgus hình 1.4, các hiện tượng này bắt ngu n từ sự cộng hưởng Plasmon bề mặt Màu sắc của chiếc cốc bắt ngu n từ các hạt nano kim loại trong thủy tinh Tại những v trí ánh sáng truyền qua thủ tinh, ánh áng ó u đỏ Tại những v trí ánh sáng b tán xạ gần bề mặt, ánh sáng tán xạ có màu xanh

1.3 Điều khiển độ truyền qua của tinh thể plasmon từ bằng từ trường ngoài

Các polariton plasmon bề mặt (SPP), đ ng rất hấp dẫn do tiề năng ủa chúng trong rất nhiều ứng dụng nhằ đạt đượ điều khiển sự truyền sáng trong các cấu

13

trú k h thước nhỏ hơn bước sóng [39] Với những ứng dụng to lớn như á ẫn sóng giam hãm mạnh, hệ truyền qu tăng ường g á ã khe đơn ng mỏng kim loại cấu trúc n n ũng như á thiết b nano plasmonic khác Việ điều khiển các mode SPP trên bề mặt có cấu trú đã ó thể đạt đượ th ng qu điều biến cấu hình cấu trúc nano Mối qu n t đặc biệt là khả năng ảnh hưởng tích cực đến các mode plasmon của cấu trúc này nhờ tín hiệu điều khiển bên ng i như điện trường, từ trường hoặc ánh sáng Trong số các cách tiếp cận này, việ điều khiển SPP nhờ từ trường ng i u n đóng i tr qu n trọng do khả năng ứng dụng

tr ng ưu trữ dữ liệu từ và từ qu ng ũng như h ự phát triển các bộ cản quang

vi mô dựa trên hiệu ứng photonic Lý thuyết về điều biến các thuộc tính SPP trên màng mỏng kim loại nhờ đặt vào từ trường đ ng được phát triển và một số thực nghiệ đã được thực hiện và phát hiện ra rằng hiệu ứng có thể đạt được trong các chất bán dẫn pha tạp hỗ trợ kích thích plasmon trong vùng phổ THz Tá động của từ trường lên các mode SPP có thể tăng ường thông qua liên kết với i trường từ tính bên cạnh Người t đã hứng minh rằng các hiệu ứng từ qu ng tr ng i trường

từ tính có thể tăng ường thông qua liên kết cộng hưởng với các mode plasmon tương tự như iên kết cộng hưởng trong tinh thể từ photonic Hiệu ứng điều khiển độ truyền qua quang học của tinh thể Plasmon-từ bằng từ trường ngoài có thể thực hiện trên các màng mỏng chế tạ như u Một lớp vàng rất mỏng (khoảng 50 nm) phủ lên tấ đơn tinh thể Iron-garnet (IG ) -Lu Bi Fe Ga O2.4 0.6 4.8 0.2 12 dày 3,5 m Tiếp theo

gi i đ ạn hình thành bằng hương há e itaxy pha lỏng đẳng nhiệt trên đ nh hướng GGG (gadolinium gallium garnet) Chất nền và màng IG là trong suốt trong vùng

h ng ngoại gần và nhìn thấy cỡ 2,3 e , tương ứng bước sóng trong chân không là

540 nm Các hố ó đường kính là 125 nm, chu kì là 400 n đượ đục trên màng

vàng bằng cách sử dụng chùm ion hội tụ (hình 1.9 a)

14

Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [39]

Sự biến đổi của thành phần ng i đường chéo củ tenxơ hằng số điện môi của

bản IG vào khoảng ∆ε~10-3 Khả át độ truyền qua b điều khiển bởi từ trường, phổ đượ đ hùm ánh sáng trắng chiếu qua một tinh thể từ- n được bao quanh bởi một từ trường đều do một nam châm gây ra, từ trường có trụ đ ng nhất với trục

củ ng IG ó độ lớn vào khoảng 80 mT (hình 1.9 d)

Những th đổi về độ truyền qua rõ rệt nhất trong dải bước sóng 500700 n nơi

mà hiệu ứng quang-từ trong màng IG là mạnh nhất Từ trường áp dụng tá động đến các tính chất quang học của các tinh thể SPP theo hai cách Thứ nhất, độ lớn của sự truyền cộng hưởng phân cực chéo b th đổi mạnh với từ trường biến thiên, sự thay đổi này là phân tán, với một hiệu ứng mạnh ở tần số quang học cao Thứ hai, phổ truyền qu ũng bộc lộ những th đổi trong cấu trúc khe dải SPP Trong thí nghiệm sự phụ thuộ bước sóng với độ truyền qu được khả át để t được ánh sáng có tần số mà tại đó xảy ra hiện tượng hấp thụ

Kết quả trên chứng tỏ sự áp dụng của trường ngoài gây ra những th đổi trong tất cả các phần tử ng i đường chéo các yếu tố của tenxơ hằng số điện môi, đó

tá động (1,0) và (0,1)

Hình 1.6 Phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic [108]

Trường tới phân cực dọc theo một trong các trục chính của tinh thể (E||x) và sự

phân cực của ánh sáng truyền qua cấu trúc được phân tích trong quang phổ bậc không như là một hàm số của hướng từ hóa của chất nền garnet Hình 1.6 (a) và (b)

biểu diễn quang phổ được tính cho sự từ hóa được đ nh hướng hoặc trong (M||Y) hay ngoài (M||Z) của mặt phẳng của màng IG Các quang phổ u đỏ thu được cho

ánh sáng truyền qua có trạng thái phân cự kh ng th đổi khi đi qu các tinh thể từ-plasmon, trong khi các quang phổ u x nh tương ứng với ánh sáng truyền qua với sự phân cực của spin Điều n ũng hứng minh rằng hiện tượng phân cực spin do hiệu ứng từ-quang trong chất nền là tối thiểu trong hình dạng được tính toán, nơi độ nhạy của tán sắc Blochmodes SPP với tenxơ hằng số điện môi chi phối sự truyền của cấu trúc

16

Không chỉ khả át độ truyền qua tinh thể plasmon từ, mô hình thí nghiệm trên còn cho kết quả về mối liên hệ góc quay Kerr với tá động từ trường ngoài hoặc kết quả gó qu Kerr th đổi khi bước sóng ánh sáng truyền qu th đổi (hình 1.7) Kết quả nghiên cứu trên đã chỉ ra rằng việc truyền tải quang học của các cấu trúc như ậy có thể đượ điều khiển hiệu quả thông qua việc áp dụng một từ trường ngoài yếu ≤ 80 mT) với sự điều biến có thể thực hiện được với độ tương hản lên đến 98% ở á bước sóng cộng hưởng đã biết Hiệu ứng được giải thích bởi ảnh hưởng của các hiệu ứng từ -quang trên các trạng thái SPP trên mặt phân cách kim loại/IG và đặc biệt, trên sự hình thành khe dải

Hình 1.7 Kết quả phổ truyền qua tinh thể plasmon từ với cấu trúc hốc nano (đường

kính 150 nm và chu kì là 400 nm ) trên bề mặt mẫu Một sóng phân cực thẳng tới vuông góc trên tinh thể từ phía không khí [108]

1.4 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

Ta có thể hiểu khái niệm plasmon bề mặt là sự động củ điện tử tự do ở bề mặt của hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự

h nh th nh á động đ ng h Khi k h thước của một tinh thể nano nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xuất hiện như hình 1.8

17

Khi tần số photon tới cộng hưởng với tần số động của electron tự do ở bề mặt, sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Kim loại có nhiều điện tử

tự , á điện tử tự do này sẽ động ưới tác dụng củ điện từ trường ngoài

Th ng thường, cá động b dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn k h thước của hạt n n Nhưng khi k h thước của hạt nano nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình củ điện tử thì hiện tượng dập tắt không còn nữa điện tử sẽ động cộng hưởng với ánh sáng kích thích

Hình 1.8 Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt nano [108]

Khi động như ậ , á điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano

b phân cự điện tạo thành một ưỡng cự điện động ưỡng cực củ á điện tử

được hình thành với một tần số f nhất đ nh Hạt nano kim loại quý có tần số cộng

hưởng trong dải ánh sáng nhìn thấ được

1.5 Hiện tượng plasmonic và spinplasmonics

Hiện tượng ni ự tương tá giữ h t n ới e e tr n tự ủ ki ại tại bề ặt tiế xú giữ ki ại điện i h ặ giữ ặt tiế xú giữ ki ại

ắt từ ki ại hi từ Spinplasmonics là một nh ực mới trong công nghệ nano,

là sự kết hợp của spintronics và plasmonics Đối tượng nghiên cứu của spinplasmonic là trạng thái in điện tử trong cấu trúc kim loại Electron với trạng thái in đặc biệt có thể ượt qua các rào cản nhưng trạng thái của electron b thay đổi thể hiện ra bên ngoài ở dạng tín hiệu sáng

Chau, Mark Johnson và A.Y Elezzabi tại đại học Alberta, Canada trên bề mặt tiếp

xúc d thể sắt từ/phi từ (FM/NM) Hình 1.9 biểu diễn ơ hế của hiệu ứng

spinplasmonic khi chiếu ánh sáng trong dải tần số terahertz lên các vi hạt FM/NM

C /Au , điện từ trường của ánh sáng sẽ lái một số electron b phân cực spin từ F (Co) sang phần N (vàng) phủ ngoài, gây ra sự suy giả biên độ và d h h đối với sóng ở đầu ra Hiện tượng này còn dẫn đến làm xuất hiện điện trở giữa vàng và Co,

đó là từ điện trở d hướng (AMR)

Trong hình 1.10, một màng mỏng vật liệu không từ tính (N) phủ lên các hạt sắt

từ (FM) dẫn đến một sự điều biến độ trong suốt của các hạt phụ thuộc từ trường cực mạnh Tập hợp các hạt FM không phủ đã thể hiện một sự dập tắt phụ thuộc từ trường do từ trở bất đẳng hướng (AMR) Hiệu ứng từ đối với hạt FM có phủ là khác bởi vì sự phụ thuộ gó trường độ đá biên độ suy giảm lớn hơn ột bậc Chúng đã hỉ ra sự tăng ường đáng kể của sự điều biến từ trong các hạt có phủ, xuất hiện do hiệu ứng phụ thuộc spin trong lớp không từ tính

Điện tích phân cự in được chi phối bởi trường điện từ tới qua giao diện

FM-NM trong khoảng thời gian vào cỡ thời gian h i phục spin trong lớ FM-NM được thể hiện dòng phân cực spin sinh ra tích tụ spin không cân bằng ở miền NM và tạo ra một điện trở giao diện phụ thuộ điện trường

nh u Cá i trường như ậy thể hiện các thuộc tính quang học nhạy với đặ trưng điện và từ của hạt Bởi vì sự truyền điện từ qua tập hợp hạt n được thông qua trường ưỡng cự iên qu n đến điện tích bề mặt cảm ứng (plasmon hạt không cộng hưởng)

Nghiên cứu hiện tượng photonic phụ thuộc spin này với 3 mẫu hạt FM/NM chứa các hạt Co phủ một phần bởi các lớp vàng Mỗi một lớp dày 452 n được phủ lên các hạt C ó k h thước từ 40140 m k h thước trung bình là 74 m ( lớp

ng được phủ lên hạt Co từ nhiều gó độ khác nhau) Tỉ lệ vàng trên bề mặt của 3 mẫu này là 352%, 422% và 772% (mô hình của hạt như hình 1.9 ) Một xung

đơn 1 i gi hiếu tới tập hợp các hạt Co-Au được chuyển qu độ dài cỡ 1mm nhờ ghép nối ưỡng cực - ưỡng cự trường gần Khi đếm trên mỗi hạt cá thể xung ánh sáng tạo nên tích tụ spin tức thời trong lớp Au dẫn đến điện trở ư ở giao diện

Co-Au Xung điện trường tới là E i (t) g r tương tá tại bề mặt tiếp xúc FM/NM

(không có hiện tượng cộng hưởng Plasm n xung điện trường truyền qua E t (t)

20

Các plasmon t n tại ở độ sâu  vào khoảng 100 n ng ượt qua bề mặt phân cách FM/NM với thể tích cỡ  A th ng qu đ nh luật Ohm là:

j(t)  E i (t)/[R tot (B)A],

với R tot (B) = R Au + R Co (B) + R spin (B), tr ng đó R Au l điện trở của vàng; R Co (B) là

điện trở Co phụ thuộ điện trường h h nh điện trở từ d hướng AMR; R spin (B)

là điện trở phụ thuộc spin giao diện đó, ự th đổi điện trở suất ũng ẫn đến

sự điều biến củ trường điện qua mẫu

Đầu tiên người ta xem xét vai trò của lớ ưỡng kim FM/NM qu độ truyền qua

các mẫu FM/NM ( 0%, 35%, 42%, 77% ) tại B = 0 và thấy rằng lớp vàng là nguyên

nhân gây sự giảm bớt ường độ truyền qu khi độ bao phủ ng tăng từ 0% - 77%

độ suy giả đã ên tới 913% , nhưng ự suy giảm không phải bắt ngu n từ điện trở suất của lớp vàng vì nó nhỏ hơn rất nhiều của Co (như h nh 1.11 và 1.12)

Hình 1.11 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au

(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ

trường B // [67]

Tiếp tục xem xét vai trò ảnh hưởng của từ trường như ự điều khiển lớ điện tích

t n tại trong lớ i trường Điện trở suất ảnh hưởng từ tính thông qua AMR, hoặc

thông qua R spin (B) hoặc cả h i Để kiểm tra vai trò này các nhà khoa họ th đổi

hướng tá động của từ trường the hướng // hoặc  Khi tá động từ trường theo

đ nh hướng song song thì có cả hai trở từ đ nh hướng AMR thông qua R Co (B) và

21

hiệu ứng tích tụ spin Hình 1.11 và 1.12 biểu diễn mối liên hệ giữa từ trường điện

trường khi tá động từ trường the đ nh hướng // và 

Hình 1.12 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au

(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ

trường B [67]

Khi điều biến từ trường the hướng tăng hướng ũi tên đi xuống th độ truyền qua

giả khi điều biến từ trường the hướng giả th độ truyền qu tăng

1.6 Tương tác agnon-plasmon

Sự tương tá giữ điện tử, quang tử, và từ độ tự do là thành phần quan trọng của

vật lý chất rắn, đặc biệt là sự tương tá giữa các bề mặt chất rắn với các chùm sóng

điện từ Ngược lại với sự tương tá tổng quát giữa từ trường điện trường tự do,

tương tá agnon-plasmon, không cần bất kỳ sự tạo cặp thông qua các phonon, hầu

như kh ng b giờ xem xét Tương tá ngn n th ng qu ự tạo cặp

electron- h n n đã đượ đề xuất [30][49][76][59], nhưng tương tá magnon- n thường b bỏ qua Đ ột sự bất ngờ thú v vì tính chất sắt từ

ơ bản là sự khác biệt về trạng thái spin của các electron Sự tạo cặp

h n n ũng đượ đề xuất [24][66][57][15][14] về mặt lý thuyết [15][14][129]

Gần đ , khi xe xét á trạng thái của một spin phụ thuộc nhiệt độ eb e, người

ta cho rằng hiệu ứng magnon-phonon có thể được trung gian bởi plasmon, mặc dù

n như đóng gó h sự tạo cặp magnon phonon là rất nhỏ, được xá đ nh

22

bằng quang phổ electron [49] Tương tá gn n- n ũng được dự đ án

[30][105][16]; những thách thức thực nghiệm chính là tín hiệu rất nhỏ của hiệu ứng

Sự phân cực spin của electron trên phổ tiêu h năng ượng (EELS hương

pháp trực tiếp nhất cho việc nghiên cứu tương tá gn n-plasmon Trong kỹ thuật

này, spin phân cực của á e e tr n được phân tán ra bởi một spin phân cực bề mặt

của chất sắt từ trong trạng thái từ ư Kỹ thuật n đã được sử dụng để nghiên cứu

sự kích thích Stoner [45][54][135][61][32][29][30][121], sóng spin [87][106][84]

và chuyển thang sóng [47] Chỉ với một i trường hợp ngoại lệ [47][135] phổ tiêu

h năng ượng củ e e tr n đã được chứng minh là một hương há tu ệt vời để

thă bề mặt và plasmon khối [123][10]

Đối với một thí nghiệm EELS khảo sát sự chuyển thang sóng, sự đổi hướng spin

h kh ng đổi hướng spin trong tán xạ electron tương ứng với spin song song hoặc

phản song song với đ nh hướng đ in ủa các chất nền có thể xảy ra Sự đổi

hướng của spin trong tán xạ ó ngh ột kích thích Stoner xảy ra hoặc một

electron cố chiếm một trạng thái trống rỗng ng trên năng ượng Fermi và chuyển

năng ượng của mình cho một electron có spin phản song trong một cấu hình giống

hệt nhau với các kích thích Stoner Spin phản song phụ thuộc plasmon và kích thích

dải nhỏ trên mứ er i kh ng iên qu n đến sự tán xạ lật in Để ghi nhận spin sau

hiện tượng tán xạ (ví dụ: sử dụng một máy dò Mott) là không cần thiết, nếu một

ngu n phân cự in được sử dụng Trong các mô hình lí thuyết [105], các magnon-plasmon phát sinh từ á bước sóng dài không lật spin củ tương tá

Hamilton giữa các elelectron và magnon

Hình 1.13 minh họa hiện tượng plasmon từ t nh tr ng á trường hợ đơn giản

của một từ trường kh ng đ ng nhất H = H(x)eZ đặ trưng bởi một gradient từ hóa

ương H/x >0 Kể từ khi tương tá Zee n ủa một moment từ đ hương m với

các từ trường ngoài -o m.H, e e tr n đ hương i hu ển về phía khu vực có

ường độ từ trường hơn khi ent từ đ hương m song song nhau như thể

hiện trong hình 1.17 Tr ng trường hợp phản song song, các electron di chuyển theo

hướng ngược lại Điều n tương ứng với sự phụ thuộc của spin vào trạng thái

plasmon Phân tích hiện tượng n the qu n điểm khác [103][104] cho thấy sự

hiệu quả so với á tương tá t nh điện, thể hiện thông qua hằng số α2 với α = 1/137

23

là hằng số cấu trúc tinh tế S erfe Điều này dẫn đến d ch chuyển rất nhỏ của electron và giải thích lý do tại sao rất ít hoặc không có thực nghiệm nào tiếp cận the hướng này

Kết quả sẽ th đổi khi các dụng cụ thí nghiệ như hát xạ quang, hấp thụ quang hoặc phổ năng ượng tiêu hao củ e e tr n được sử dụng, tr ng đó từ trường t nh đ a hương được thay thế bởi các từ trường đ hương động Hiệu ứng với cấu trúc

in tương tự [12], nhưng á gr ient ủa từ trường lớn hơn nhiều Đầu tiên, các từ trường động ượt quá 1000 T, trái ngược với từ trường t nh qu h ng th nghiệ điển hình cỡ 1 T Thứ hai, bản chất đ hương hó tương tá ủa electron được chiếu tới trong thí nghiệm EELS [47][123] cho thấy sự tăng ường đáng kể của gradient từ hóa, so với gr ient thể hiện trên hình 1.13

Hình 1.14 minh họa một số t nh năng qu n trọng của sự tương tá ủa một spin phân cực của electron bằng các kí hiệu  và  trong vật liệu sắt từ

Hình 1.13 Plasmon tạo bởi từ trường không đồng nhất [133]

Các tính chất h nh đ nh hướng tương đối của các spin phân cực ngang của các electron được chiếu tới và củ đ ố hay thiểu số electron trong chất rắn Ngoài sự phân bố lại các trạng thái  và  á đá e e tr n n ó h i tá ụng Đầu tiên, đó ự chuyển điện i in độc lập của những đá e e tr n thể hiện bằng phần màu xám trong hình 1.14 Thứ hai, các v tr tương đối của các trạng thái

 và  củ á đá e e tr n độc lập với á e e tr n được chiếu tới Ở đ ,

24

người ta chủ yếu qu n t đến sự phụ thuộc củ tương tá ngn n-plasmon vào trạng thái plasmon

Một số trường hợp phức tạp phải được giải thích bởi sự phân cực spin trên phổ

tổn h năng ượng electron của các nguyên tố đất hiếm; lỗ chuyển tiếp f-f và Drude Trong quá trình chuyển đổi f-f được dự kiến ở mứ năng ượng của electron

chiếu tới hơn ới đất hiếm [35][109][38], plasmon có thể được quan sát thấy ở những năng ượng electron chiếu tới ó năng ượng thấp (nhỏ hơn 100 e [49], làm cho nó có thể tận dụng những ưu điểm từ độ tự nhiên của vật liệu đất hiếm Sự suy giảm của Drude tại đỉnh đ n h i, phản ánh sự kích thích nhỏ qua mức Fermi có xu hướng mở rộng đỉnh đ n h i trong phổ tiêu h năng ượng của electron Sự kích

th h á e e tr n ó năng ượng nhỏ có thể ượt qua các mức Fermi (phụ thuộc spin) là do các lỗ Drudge rất nhạy với các cấu trú điện tử ở gần mức Fermi [14][62][113] Thực nghiệm cho thấy, những tá động này có hiệu quả hơn the hương ễ Gd (0001) [120][52][21], phù hợp với phân cực spin theo tính toán cấu trúc dải [120], cho các cấu trúc vùng trống (spin phân cực tán xạ ngược) và chiếm toàn bộ cấu trúc (spin phân cực tán xạ như h ủ e tơ sóng

Hình 1.14 Hiệu ứng phân cực spin của electron trong nguyên tử từ [133]

Hình 1.15 cho thấy sự tiêu h năng ượng spin phân cực của electron trong khoảng 25 đơn ớp Gd trên Mo (112) tại nhiệt độ 200 K với một năng ượng riêng của electron cỡ 42 eV Khi moment q// tăng, in h n cực của Drude ở gần đỉnh của phổ tổn h năng ượng ( cỡ 1,5 e đổi hướng từ ương ng Nói cách

khác, sự phân cực của Drude b chi phối phần lớn ở q // = 0 (Hình 1.19a), tương ứng

25

với trật tự từ tầm xa Khi e tơ óng q// tăng ề phía vùng Brillouin, in đặc biệt ở gần mức Fermi phân tán trên mức Fermi [120][52][21] tăng tổn h năng ượng của electron khi các Drude đ ng tăng

Sự lật củ in kh ng đối xứng được mô tả trong hình 1.16, giá tr lớn nhất của

in đặc biệt gần 0,3 Å-1

xá đ nh bởi cả lí thuyết và thực nghiệm [62][113][120] Hình 1.16 cho ta thấy, spin phân cực cấu trúc gần mức Fermi củ in đặc biệt gần 0,35 Å-1 h đ ố spin cỡ 0,7 Å-1 đượ xá đ nh bằng lí thuyết tán xạ phụ thuộc spin [120][52][21] Bằng á h th đổi đ nh hướng tinh thể và tán xạ hình học, chúng ta thấy rằng sự bất đối xứng spin của Drude đối xứng về vùng Brillouin bề

mặt trung tâm (q // = 0) phù hợp với thực nghiệm và lý thuyết phân cực spin cấu trúc dải điện tử Sự tiêu h năng ượng lớn hơn tr ng h n ực spin của electron có thể được so sánh với lí thuyết th ng qu đường liền u đen u đỏ trên hình 1.15a đại diện h đ ố năng ượng tiêu hao bề mặt, tính từ hằng số điện môi

[123][10][49] Đối với á in đ ố đỉnh plasmon ứng với q // = 0 trong phổ tiêu

h năng ượng gần giá tr 5 eV, phù hợp rất tốt với lí thuyết được tính toán từ hàm tổn h năng ượng Để giải thích hiện tượng in đặc biệt ở đỉnh plasmon này, người ta có thể gọi một đại ượng tiêu h đ ực (hai cực hoặc nhiều hơn b chi phối bởi á in đặc biệt, ó hướng di chuyển về vùng ó gr ient hơn được chỉ ra trong hình 1.13

Hình 1.15 Spin trên phổ tiêu hao năng lượng của các phương Gd/Mo (112) ở 0(a),

1/2(b), 3/4 (c) và 5/4 (d)[58]

26

Từ sự phụ thuộc của sự bất đối xứng spin trên é tơ sóng, người ta có thể coi tương tá magnon- n như ột đóng gó cho phổ tổn hao năng ượng điện tử phân cực spin

Hình 1.16 Bất đối xứng spin của kích thích plasmon (hình vuông) tại năng lượng

tiêu hao khoảng 5 eV và Drude (vòng tròn) với năng lượng tiêu hao cỡ 1,5 eV như

một chức năng của vector sóng [52]

Sự bất đối xứng của spin trong kích thích plasmon với sự tăng ường của vector óng đã được dự kiến từ trước bằng lí thuyết để giải th h tương tá n-magnon [105] Nó ũng ó thể là sự kích thích Stoner biểu hiện sự phụ thuộc của vector sóng với in kh ng đối xứng phụ thuộ năng ượng tổn hao trình bày ở trong hình 1.15 (và tóm tắt trong hình 1.16) nói chung là quá lớn so với năng ượng kích thích Stoner và chắc chắn là quá lớn so với năng ượng của spin trên sóng kích thích

Sự bất đối xứng spin trong kích thích n ó iên qu n đến á đặc tính của các màng mỏng từ, không phải là do các moment từ đ hương đơn ẻ Với sự gia tăng nhiệt độ từ 200 K đến 300 K, gây ra những bất đối xứng của spin phân cực của electron trên phổ h năng ượng giả , như thấy trong hình 1.17

Mặc dù nhiệt độ Curie cho hệ thống Gd (0001) là trên 340 K và 293K cho hệ thống Gd khác, trong tín hiệu nhỏ, người t qu n át in kh ng đối xứng trong kích thích plasmon ở 300 K Nhiệt độ này phụ thuộc bản chất sắt từ, bất đối xứng spin trong hiện tượng suy giảm plasmon khi từ hóa tầm xa giảm

về cấu trú điện tử của các hệ thống ent đ hương Đ bằng chứng gián tiếp sự phụ thuộc của spin vào hiện tượng n thu được bằng những quan sát chuyển động tự do của electron trong chất rắn [28][31][48]

1.7 Sơ ược về tình hình nghiên cứu về spin-plasmonic ở trong nước

Tìm hiểu những nghiên cứu gần đ ở tr ng nước theo các chủ đề liên quan tới spin-plasmonic, chúng tôi nhận thấy rằng ường như hư ó nghiên ứu nào liên quan một cách trực tiếp đến nh ực này (theo th ng tin hư đầ đủ Tr ng khi đó những nghiên cứu iên qu n đến plasmonic thông thường trên nhiều đối tượng vật

28

liệu khác nhau lại khá phong phú, tr ng đó ó á cấu trúc n n , như á hạt, sợi, dây, màng mỏng nano, với cả loại vật liệu kim loại, bán dẫn và những loại khác nữa Một số nghiên cứu điển hình ở tr ng nước về n như thế có thể tìm thấy trong những tài liệu tham khảo tiêu biểu u đ : [1][33][6][7][8][2] Tuy nhiên, phần lớn những nghiên cứu được biết đó đều không liên quan gì tới từ tính của plasmon hay những đặc tính plasmonic phụ thuộc từ trường hoặc phụ thuộc spin

1.8 Kết luận chương 1

Ở hương n đã tr nh b tổng qu n ề hiện tượng ni , b g á nội ung h nh u đ :

 Khái niệ và phân loại plasmon

 Điều khiển độ tru ền qu ủ tinh thể n bằng từ trường ng i

 Hiện tượng ộng hưởng n bề ặt

 Hiện tượng ni in ni

 Tương tá gn n-plasmon

Qua nghiên cứu tổng quan về hiện tượng palsmonic nói chung, spin-plasmonic nói riêng, có thể nhận thấy rằng hiện tượng plasmonic hiện n được nghiên cứu khá nhiều trên thế giới Tuy nhiên, số ượng các công trình nghiên cứu về hiện tượng plasmonic phụ thuộc spin (spin-plasmonic) còn tương đối hạn chế Tại Việt Nam, hiện hư thấy công bố n iên qu n đến hiện tượng spin- ni Điều đó cho thấy, vấn đề nghiên cứu của luận án là khá mới mẻ, và những vấn đề liên quan đến các hiện tượng spin-plasmonic, là những hiện tượng vật lý rất ơ bản phản ánh

á tương tá h t n-spin, photon-magnon ưới những điều kiện khác nhau, có thể được tiếp cận và khai thác tốt thông qua nghiên cứu các tính chất quang phụ thuộc

từ trường của các hệ hạt nano từ t nh, như uận án được thực hiện đối với các hệ hạt sắt từ nano Co trong luận án Các hiện tượng spin-plasmonic cho thấy những tiềm năng ứng dụng hết sức to lớn trong khoa học, công nghệ và đời sống Tất cả những nhân tố đó đã gó hần tạ nên động lự để thú đẩy các nghiên cứu thực nghiệm ở trong luận án này

29

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Các thực nghiệm sử dụng trong luận án g m có bốn nhó h nh như u:

 Chế tạo mẫu màng mỏng từ dạng hạt nano các hệ Co-Ag và Co-Al2O3

đ á đường từ trễ M-H bằng từ kế mẫu rung (VSM) Nhóm thực nghiệm quan trọng nhất, được tập trung từ khâu thiết lập hệ đ h đến tiến hành các khảo sát và phân tích chính là thực nghiệm về đ t nh hất quang trong từ trường đối với mẫu màng mỏng Các tính chất quang ở đ hủ yếu dựa vào các tính truyền qua và phản

xạ của màng mỏng

2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng phương pháp phún xạ cao tần

2.1.1 Nguyên tắc chung của phương pháp phún xạ cao tần

Cơ ở củ hương há hún xạ dựa trên hiện tượng bắn phá của các hạt ó năng ượng cao với các nguyên tử của bia chất rắn, làm bật ra các nguyên tử ở bia và lắng đọng lại trên bề mặt đế rắn Các nguyên tử, hoặc một nhóm các nguyên tử, sau khi rời khỏi bia di chuyển đến đế mẫu sẽ tiêu hao một phần năng ượng, khi đến đế mẫu năng ượng của nó chỉ còn khoảng 12 eV Trong k thuật phún xạ cao tần người ta

sử dụng ngu n điện xoay chiều với tần số sóng vô tuyến RF = 13,56 MHz Sơ đ nguyên lý của hệ được trình bày ở hình 2.1

30

Ngu n phát RF tạo ra một thế hiệu có dạng xung u ng, u đó ng điện được

đư qu bộ phối hợp trở kháng Trong bộ phận này một tụ điện có tác dụng tạo ra

một thế hiệu âm ở bề mặt sau của bia một vài chu kỳ, vì vậy bia sẽ b bắn phá bởi

á i n ó năng ượng cao trong các nửa chu kỳ âm, và bởi á điện tử ó năng

ượng thấp trong các nửa chu kỳ ương ặ ù điện thế ương ẫn còn thấp) Bộ

phối hợp trở kháng có tác dụng tự động (hoặ đượ điều khiển bằng t để điều

chỉnh phù hợp về trở kháng giữa máy phát và tải (là Anốt-Catốt khi đặt điện áp

xoay chiều lên hệ A-K (A chứ đế mẫu còn K chứa bia cần phún xạ) trở kháng của

hệ A-K th đổi liên tục trong một khoảng thời gian ngắn quá tr nh quá độ khi

các thông số trong hệ th đổi Ưu điểm của máy phún xạ xoay chiều RF là có thể

làm việc với nhiều loại bia g m chất điện môi, kim loại và hợp kim

Hệ số phún xạ s đượ đ nh ngh : s =

i n

n

, tr ng đó n α là số nguyên tử b phún xạ,

n i là số i n đập vào Catốt Hệ số phún xạ tăng khi năng ượng và khối ượng của ion

bắn há tăng nó ũng đượ xá đ nh bởi góc nghiêng giữa chùm ion bắn tới với

bề mặt bia Giá tr hệ số phún xạ của các nguyên tố thường đượ xá đ nh bằng thực

nghiệm và cho trong một bảng chuẩn Ví dụ: Khi năng ượng của ion Ar+ là

E = 0,5 keV, hiệu suất phún xạ củ e, C , Ni, Cu, Tb tương ứng là 1,10; 1,22;

1,45; 2,35; 0,82 Suất phún xạ của một số kim loại thông dụng khá , tr ng đó ó Ag

là vật liệu được sử dụng trong luận án này, ứng với các chế độ năng ượng khác

nhau của hai loại ion Ar+ và Xe+ được cho trong bảng 2.1 [122]

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy phún xạ