Khoa Khoa học Ứng dụng

Nâng cao hiệu suất dòng spin bằng kỹ thuật độ nhám bề mặt màng mỏng

Dòng spin (spin current) đang được thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học vì khả năng ứng dụng cho các thiết bị linh kiện điện tử như ổ cứng dung lượng cao, bộ nhớ RAM từ điện trở (magnetoresistive random-access memory (MRAM)) với tốc độ reading và writing cao, và năng lượng tiêu thụ thấp [1]. Chúng ta có thể tạo ra, điều khiển, và đo được dòng spin trên hệ 2 lớp vật liệu sắt từ cách điện (ferrmomagnetic insulator (FMI)) và kim loại nặng không có tính chất từ (non-magnetic metal (NM) bằng phương pháp đo trực tiếp từ trở spin Hall (spin Hall magnetoresistance (SMR)). SMR là kết quả của hiệu ứng spin Hall và hiệu ứng spin Hall đảo trong hệ 2 lớp FMI/NM (xem chi tiết ở Hình. 1a và 1b). Dòng spin được hình thành trên lớp NM có thể truyền qua hoặc bị phản xạ lại tại mặt phân cách của FMI/NM [2]. Vì vậy, nghiên cứu tìm ra loại vật liệu và kỹ thuật thích hợp là điều cần thiết, cho việc nâng cao hiệu suất của dòng spin cũng như từ trở spin Hall cho ứng dụng linh kiện điện tử.

Hình 1: Mô tả cơ chế của từ trở spin Hall trong hệ FMI và NM. Dòng điện (j_e) truyền qua lớp NM (có tương tác spin-quỹ đạo mạnh) sẽ bị biến đổi thành dòng spin, có hướng vuông góc với chiều dòng điện, dẫn đến hiện tượng tích tụ spin ở mặt phân cách FMI/NM. Dòng spin sẽ được hấp thụ (a) hoặc bị phản xạ lại (b) phụ thuộc vào góc của hướng từ hóa (magnetization) trong lớp FMI và hướng phân cực của dòng spin (spin polarization).

Fe₃O₄ là oxit sắt từ phổ biến, được khám phá hơn một thế kỷ. Đặc tính nổi bật của Fe₃O₄ là phân cực spin hoàn toàn (spin-up hoặc spin-down) và nhiệt độ Curie cao. Tính chất dẫn điện và cấu trúc tinh thể của Fe₃O₄ phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ chuyển pha của Fe₃O₄ ở T = 125 K (chuyển từ tính chất dẫn của kim loại sang tính chất dẫn của chất cách điện) (Hình 2). Nhiệt độ chuyển pha này được gọi là nhiệt độ Verway [3]. Việc tạo màng mỏng Fe₃O₄ là một thử thách rất lớn vì hiệu ứng kích thước sẽ thay đổi tính chất vật lý của Fe₃O₄. Vì vậy, phương pháp chế tạo màng mỏng và nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất vật lý của Fe₃O₄ đối với từ trở spin Hall đã được đóng góp.

Hình 2: (a) Cấu trúc tinh thể của Fe₃O₄ và sự sắp xếp vị trí của các nguyên tử Fe cation và oxygen trong ô đơn vị. (b) Nhiệt độ chuyển pha của Fe₃O₄ [3].

Màng mỏng Fe₃O₄ được chế tạo bởi hai phương pháp phổ biến: phương pháp phún xạ (RF-magnetron sputtering) và phương pháp oxide-molecular beam epitaxy (oxide-MBE). Độ nhám bề mặt (RMS roughness) của màng mỏng Fe₃O₄ được điều khiển bằng cách thay đổi điều kiện mọc màng mỏng như nhiệt độ nung (annealing process), độ dày màng (thickness), và phương pháp chế tạo màng (Bảng 1). Hình thái bề mặt được khảo sát bằng máy Atomic Force Microscopy (AFM). Độ nhám của màng mỏng Fe₃O₄ tăng từ 0.42 nm đến 1.10 nm (Hình 3). Thanh Platimun (Pt) Hall được mọc trên lớp màng mỏng Fe₃O₄ để khảo sát ảnh hưởng của mặt phân cách Fe₃O₄ và Pt đối với từ trở spin Hall ở nhiệt độ T = 77 K (Hình 4a). Từ trở spin Hall phụ thuộc vào hướng và độ lớn của từ trường ngoài khẳng định chúng ta có thể tạo ra dòng spin từ 2 lớp màng mỏng FMI/NM. Số liệu phân tích từ thí nghiệm của một loạt thiết bị SMR khẳng định mối liên hệ của hiệu suất dòng spin truyền qua mặt phân cách Fe₃O₄/Pt phụ thuộc vào độ nhám bề mặt của lớp màng Fe₃O₄. Hiệu suất dòng spin qua mặt phân cách (G_r) tăng tuyến tính với độ nhám mặt phân cách (Hình 4b). Kết quả này khẳng định rằng hình thái học mặt phân cách đóng vai trò quyết định cho việc nâng hoặc giảm hiệu suất dòng spin. Đây kỹ thuật mới cho phép điều chỉnh hiệu suất của dòng spin bằng độ nhám bề mặt của lớp màng mỏng [4], một kỹ thuật quan trọng cho thiết bị điện tử chế tạo dựa trên từ trở spin Hall.

Bảng 1: Các thông số điều kiện tạo màng và phân tích hình thái bề mặt của màng mỏng Fe₃O₄ được đo bằng Atomic Force Microscopy (AFM). Chữ số trong ngoặc vuông [] là độ dày của màng mỏng đơn vị là nm.

Hình 3: Hình thái bề mặt của các màng mỏng Fe₃O₄ được đo bằng Atomic Force Microscopy (AFM).

Hình 4: (a) Hình ảnh đo bằng kính hiển của thanh Pt-Hall nằm trên lớp Fe₃O₄. Dòng điện áp theo chiều dọc của thanh Pt-Hall và hiệu điện thế được đo theo chiều ngang của thanh. Ba trục x, y, và z được định nghĩa như hình. (b) Hiệu suất truyền qua mặt phân cách của dòng spin phụ thuộc vào độ nhám bề mặt của lớp màng mỏng Fe₃O₄.

Tài liệu tham khảo:

[1] Joshi, V. K. S. A contemporary review of emerging electronics devices. Engineering Science and Technology, an International Journal 19, 1503–1513, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2016.05.002 (2016).

[2] Chen, Y.-T. et al. Teory of spin Hall magnetoresistance. Physical Review B 87, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.144411 (2013).

[3] Verwey, E. J. W. Electronic Conduction of Magnetite (Fe3O4) and its Transition Point at Low Temperatures. Nature 144, 327, https:// doi.org/10.1038/144327b0 (1939).

[4] Pham, T.K.H., et al., Interface morphology effect on the spin mixing conductance of Pt/Fe3O4 bilayers. Scientific Reports, 2018. 8(1): p. 13907.