Dây nano Si mang từ tính: Vật liệu mới cho Spintronics

Các nhà khoa học Đài Loan lần đầu tiên đã khám phá ra tính sắt từ ở nhiệt độ phòng trong các dây nano Si có cấy ion. Nhóm của Lih Chen và các đồng nghiệp ở Đại học Quốc gia Thanh Hoa (Đài Loan) đã chế tạo thành công vật liệu này và có thể đạt đến các ứng dụng cho công nghệ spintronics kích thước nano - công nghệ khai thác spin của điện tử.

Si cấy các ion Mn còn được gọi là vật liệu bán dẫn pha loãng từ (magnetic dilute semiconductor) tổ hợp cả thuộc tính vận chuyển điện tử của bán dẫn và đặc tính nhớ của các vật liệu từ. Chúng đóng vai trò cực kỳ quan trọng cho việc phát triển các linh kiện điện tử điều khiển spin và các linh kiện từ tính. Thật vậy, đã có nhóm nghiên cứu thực hiện trên các bán dẫn nhóm III-V (hợp chất A3B5) và II-VI (A2B6) chỉ ra rằng chúng có thể sử dụng như là các vật liệu sắp xếp spin trong các điốt phát quang bằng spin. Các kết quả này dẫn đến việc tìm kiếm các vật liệu bán dẫn pha loãng từ dựa trên các chất nhóm IV mà có nhiệt độ Curie cao (nhiệt độ Curie mà nhiệt độ mà tính sắt từ bị biến mất) vì chúng rất tương thích về mặt kỹ thuật với các mạch tích hợp hiện tại.

Si là chất thuộc về nhóm IV trong bảng tuần hoàn, là một trong những chất bán dẫnquan trọng nhất và các linh kiện dựa trên nền Si đã chi phối hầu hết các mạch tích hợp trong vài thập kỷ qua. Các nhà nghiên cứu cũng biết rằng Si có cấy thêm ion Mn hay Co có thể tạo ra tính sắt từ ở nhiệt độ phòng nhưng đây là lần đầu tiên tính chất này được quan sát trên các dây nano cấy thêm các ion.

Hình 1. Các dây nano quan sát bằng kính hiển vi điện tử.

Chen và các đồng nghiệp chế tạo các dây nano Si đơn tinh thể. Ban đầu, họ phủ một màng vàng (Au) dày 2 nm lên đế Si sạch bằng kỹ thuật bay bốc chùm điện tử (tức là dùng chùm điện tử bắn phá bia làm bay hơi các vật liệu). Sau đó, ion Mn+ được cấy lên đế từ nguồn plasma hồ quang năng lượng cao. Tiếp đến, mẫu được ủ ở nhiệt độ 600oC và 800oC trong nửa tiếng đồng hồ. Bằng kính hiển vi điện tử (SEM và TEM), người ta quan sát thấy quá trình cấy ghép không làm thay đổi kích thước hoặc sự xuất hiện của các dây nano (hình 1), có đường kính từ 30 đến 80 nm. Phép đo từ hóa cho thấy rằng từ độ bão hòa tăng theo nồng độ Mn. Tuy nhiên, tính sắt từ biến mất ở nhiệt độ ủ 800oC do các nguyên tử Mn bị tách khỏi bề mặt các dây nano (hình 2).

Hình 2. Các đường cong từ trễ đo ở 10 K ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau.

Cả tính chất điện và từ của dây nano Si đều rất quan trọng vì chúng đều được sử dụng cho ứng dụng spintronics. Một điểm mới ở đây là các nguyên tử Mn đóng vai trò như một chất pha tạp từ tính, nhưng vẫn giữ thuộc tính như các chất cho điện tử (pha tạp loại n). Các nhà nghiên cứu cho biết có 1 điều chắc chắn là các dây nano Si rất dễ pha tạp cả loại p và loại n, không giống như các dây nano vẫn được làm trước đây, ví dụ như ZnO. Điều này cực kỳ quan trọng bởi khả năng tạo ra tiếp xúc p-n, một phần tử cơ bản của tất cả các transitor, linh kiện có mặt trong mọi mạch tích hợp.

Nhóm nghiên cứu ở Đài Loan (Đây là nhóm ở Trường Đại học Thanh Hoa, Đài Loan, đừng nhầm với Đại học Thanh Hoa ở Bắc Kinh, Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa) hiện đang nghiên cứu vi cấu trúc, tính chất điện cũng như các tính chất về liên kết giữa các nguyên tử Mn và Si trong các dây nano Si cấy ghép Mn. Điều này sẽ giúp các nhà nghiên cứu chứng minh được các tính chất cần thiết cho các linh kiện được ứng dụng. Các kết quả này vừa được công bố trên tạp chí Applied Physics Letter (Appl. Phys. Lett. 90, 043121 2007).

Vạn lý Độc hành