Cấu trúc HMTJ lai giữa kiểu lớp và kiểu hạt nên cấu trúc giống như cấu trúc tụ điện đơn [25] nếu lớp hạt chứa rất ít thành phần Co (Dạng một vài nguyên tử giải giác trong nền Al2O3). Và sẽ giống cấu trúc tụ điện kép [25] nếu thành phần lớp hạt Co tăng lên. Phổ trở kháng phức CIS không chỉ cho phép khảo sát chất lượng tiếp xúc của các lớp phủ điện cực ở bề mặt lớp điện môi của tụ điện, mà nó còn là phương pháp gián tiếp đáng tin cậy trong việc nhận định về vi cấu tạo ở trong chính lớp điện môi, nghĩa là có thể biết cấu trúc MTJ là kiểu tụ điện đơn hay kép.
41
Hình 3.12 đến hình 3.14 thể hiện các đường phổ CIS của mẫu với 8%
nguyên tử Co Trong nền điện môi Al2O3. Ở các chiều dày khác nhau của lớp hạt từ 20 nm đến 60 nm trong từ trường ngoài H = 0 Oe đến H = 3000 Oe
0 50 100 150 200 250 300
0 50 100 150 200
(H = 0 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.12: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm)
Mẫu sau khi được tăng chiều dày lớp hạt xen giữa lên 40 nm cho thấy vẫn là dạng cung hở nhưng đã hình thành 2 bán cung.
0 500 1000 1500 2000
0 500 1000
1500 (H = 0 Oe)
(H = 1000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.13: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm)
Tiếp tục tăng chiều dày của lớp giữa trong mẫu này lên 60 nm vẫn hình thành 2 bán cung hở nhưng thẳng đứng hơn mẫu trước cho thấy cấu trúc là một tụ điện thuần túy với môi trường điện môi là Al2O3 kết quả thể hiện trên hình 3.14. Với mẫu này cho thấy sự phụ thuộc vào từ trường của phổ CIS là rất ít khi ta tăng từ trường ngoài đặt lên mẫu thì hầu như không có sự thay đổi nào của phổ tổng trở. Điều này cho thấy thành phần lớp hạt Co xen giữa có tỷ lệ thành phần rất ít và chiều dày lớp Al2O3 rất lớn nên không các điện tử bị ngăn cách bởi lớp rào thế rất lớn không thể tham gia vào quá trình xuyên ngầm.
42
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
0 1000 2000
(H = 0 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.14: CIS Co/Co8%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm)
Dạng đường cong kép chưa khép kín của mẫu với tỷ phần 8% Co là có phần đóng góp của thành phần điện trở biên hạt. Thành phần trong biên hạt có thể là gồm có Al và Al2O3. Cụ thể, đối với thành phần 8% ngtCo thì không có mẫu nào phổ CIS hình thành dạng bán cung tròn mà chỉ có dạng bán cung đơn chưa khép kín.
Điều đó có nghĩa là trong trường hợp này không có sự hình thành cấu trúc dạng hạt Co mà Co chỉ tồn tại ở dạng nguyên tử với số lượng rất ít trong nền Al2O3. Như vậy đây gần như chỉ là cấu trúc dạng lớp Co/Al2O3/Co. Do đó ảnh hưởng đến dạng đường cong phổ CIS có thể nói rằng chỉ do điện trở điện cực và cấu trúc điện có thể mô tả là dạng tụ điện với hai điện cực Ag và môi trường điện môi là Al2O3. Và thực tế là phổ tổng trở tương ứng có trở kháng rất lớn.
Đối với mẫu 10% nguyên tử Co và chiều dày lớp hạt là 20nm, với thành phần Co tăng thêm mẫu trước đã xem xét. Có thể thấy rằng, pha vật liệu xuất hiện trong mẫu này gồm có Co, Al, và Al2O3 nhưng vẫn ít vì chỉ tăng thêm so với mẫu trước có 2% nguyên tử Co. Nhưng do có sự xuất hiện cấu trúc kiểu tiếp xúc của hai lớp Co. Do đó đóng góp vào dạng đường cong phổ tổng trở hình 3.15 sẽ gồm hai thành phần là điện trở tiếp xúc và điện trở biên lớp tiếp xúc và dạng đường cong sẽ là cung kép, hình thành cấu trúc tụ điện kép. Từ kết quả cho thấy khi ta tăng từ trường ngoài lên thì xu hướng của phổ tổng trở thu lại cả phần thực và phần ảo, mà vẫn giữ nguyên hai cung. Như vậy cho biết phổ CIS phụ thuộc vào từ trường ngoài, khi tăng từ trường thì độ dẫn của mẫu tăng lên chứng tỏ đã xảy ra quá trình xuyên ngầm phụ thuộc spin trong mẫu nên đã làm tăng độ dẫn của mẫu.
43
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0,0 0,2 0,4 0,6
(H = 0 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.15:CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/20nm/90nm)
Cùng mẫu này khi tăng thêm chiều dày lên 40nm thì đường phổ CIS hình 3.16 là cung đơn khép kín. Điều này cho thấy mẫu màng mỏng từ có cấu trúc kiểu tụ điện đơn lý tưởng bao gồm điện trở là tụ mắc song song với nhau. Do chiều dày tăng nên trong nền điện môi có một vài đám nguyên tử Co hình thành cấu trúc hạt.
Nên có sự tham gia của điện trở hạt Co vào trong phổ CIS.
0,0 0,5
0,0 0,2
0,4 (H = 0 Oe)
(H = 500 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.16: CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm)
Khi mẫu 10% ngt Co tăng thêm chiều dày mà lượng Co không tăng thêm thì lớp xen giữa lại trở thành như lớp điên môi, cũng giống mẫu 8% ngt Co đường phổ CIS hình 3.17 lại là đường cong hở không khép kín. Cho thấy đây là cấu trúc dạng lớp đơn thuần Co/Al2O3/Co.Kết quả CIS đối với mẫu này khi tăng chiều dày cũng cho thấy sự phụ thuộc của phổ CIS vào từ trường ngoài. Khi tăng từ trường thì độ dẫn tăng lên và tại H = 500 Oe khi tăng tiếp tục từ trường lên đến H = 3000 OE thì vẫn không nhận thấy sự thay đổi thêm nào của phổ CIS. Có thể nói rằng khi từ trường ngoài đến 500 Oe thì momen từ của mẫu đã đạt trạng thái bão hòa và các
44
điện tử xuyên ngầm với lượng không đổi nên khi ta tiếp tục tăng mà độ dẫn của mẫu không tăng.
0 50 100 150 200 250 300 350
0 20 40 60 80 100 120 140 160
(H = 0 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.17:CIS Co/Co10%-Al2O3/Co (90nm/60nm/90nm) Tiếp tục xem xét mẫu với tỷ phần nguyên tử Co tăng lên 25%. có thể thấy được rằng khi thành phần Co tăng lên 25% pha vật liệu tồn tại trong màng chỉ có Co, Al và hợp kim giữa Co và Al, trong trường hợp này có thể nói rằng đóng góp chính vào đường cong phổ tổng trở sẽ do các hạt nanô kim loại (Co, Al và Co-Al) trong nền điện môi Al-O, dạng đường cong sẽ là bán cung đơn khép kín. Và kết quả hình 3.18 là dạng phổ tổng trở của cấu trúc kiểu này có trở kháng khá nhỏ, phù hợp với tương quan điện trở trong mô hình ở hình 1.8a.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1,2 (H = 0 Oe)
(H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.18:CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm) Nhận thấy rằng phổ tổng trở của các mẫu chưa xử lý nhiệt phụ thuộc vào từ trường ngoài đặt vào mẫu. Với mẫu 10% Co và chiều dày lớp hạt là 20nm phổ tổng trở có xu hướng co lại cả phần thực và ảo khi tăng từ trường. Cùng với mẫu đó khi
45
tăng chiều dày lên 40nm thì khi tăng từ trường từ H = 0 Oe đến H = 500 Oe thì phổ tổng trở không tăng. Khi tăng tỷ lệ phần trăm nguyên tử Co trong lớp hạt lên đến 25% cũng cho điều tương tự nhưng với mẫu có chiều dày 30 nm thì ngược lại khi ta tàng tăng từ trường thì cả phần thực và ảo của phổ CIS đểu tăng lên, có thể nói rằng đây là do ta đặt chiều từ trường ngoài làm các momen từ của các lớp Co sắp xếp phản song so với các mẫu khác làm cản trở sự xuyên ngầm của điện dẫn tới làm tăng tổng trở của mẫu kết quả tại hình 3.18 cho thấy tổng trở cả phần thực và phần ảo tăng khi tăng từ trường. Điều này làm giảm độ dẫn của mẫu.
0,0 0,1 0,2 0,3
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
0,14 (H = 0 Oe)
(H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe) (H = 3500 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.19: CIS Co/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm).
0,0 0,2 0,4 0,6
0,0 0,1 0,2
(H = 0 Oe) (H = 500 Oe) (H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.20:CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm)
46
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14
0,16 (H = 0 Oe)
(H = 1000 Oe) (H = 1500 Oe) (H = 2000 Oe) (H = 2500 Oe) (H = 3000 Oe)
-Z''(MΩ)
Z'(MΩ)
Hình 3.21:CIS Co/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm)
Từ hình 3.20 và hình 3.21là kết quả phổ CIS của mẫu khi thành phần Co tăng lên 35% pha vật liệu tồn tại trong mẫugồm có Co, Al và hợp kim giữa Co và Al, và trong kết quả này đóng góp chính vào phổ CIS là do các hạt nanô kim loại (Co, Al và Co-Al) trong nền điện môi Al2O3, dạng đường cong là bán cung đơn khépkín.
Như vậy từ kết quả đo phổ tổng trở CIS của các mẫu có thể nhận định rằng trong các mẫu đã hình thành các hạt ban đầu từ dạng các nguyên tử Co giải giác trong nền điện môi Al2O3 cho đến khi tăng tỷ phần nguyển tử Co lên đến 35% đã hình thành các hạt lớn hơn có kích thước nano nằm trong nền Al2O3 và chính các hạt này đã tạo ra các tụ điện nhỏ cỡ nano. Các tụ này hay lực Coulomb đã cản trở quá trình vận chuyển điện tích của điện tử.
Từ kết quả phân tích trên có thể thấy rằng, sự kết hợp thông tin từ các phép phân tích cấu trúc VSM và CIS… có thể cung cấp cho ta một cái nhìn khái quát về mối liên quan giữa tính chất điện, tính chất từ, với sự thay đổi của vi cấu trúc bên trong màng dạng hạt này. việc sử dụng phương pháp phân tích phổ CIS không chỉ cho phép khảo sát tiếp xúc điện cực mà cho phép phân tích gián tiếp về cấu trúc mẫu, chỉ ra sự phụ thuộc của phổ CIS và từ trường, giúp ích rất nhiều trong việc giải thích mối quan hệ giữa dạng phổ tổng trở và tỷ phần nguyên tử Co trong màng.
Như vậy cấu trúc HMTJ thông qua các phép phân tích từ và điện đã cho thấy đã chế
47
tạo thành công cấu trúc HMTJ lai giữa kiểu lớp và kiểu hạt với các tỷ phần Co khác nhau và với các bề dày khác nhau của lớp điện môi Al2O3.
Từ các kết quả đo phổ tổng trở CIS ta có thể tính toán được hằng số điện môi của cấu trúc tụ điện của mẫu thông qua phép phân tích mạch điện tương đương được đề cập đến trong phần lý thuyết về phổ CIS.
0 1 2 3 4
1,48 1,50 1,52 1,54 1,56 1,58 1,60 1,62
ε(àF/m)
H(KOe)
10% - 40nm
Hình 3.22: Hằng số điện môiCo/Co10%-Al2O3/Co (90nm/40nm/90nm)
Với mẫu có tỷ lệ thành phần Co 10% kết quả trên hình 3.22 cho thấy khi tăng từ trường ngoài thì hằng số điện môi của mẫu có xu hướng giảm. Tuy lượng giảm chưa lớn nhưng cho thấy phổ tổng trở phụ thuộc vào từ trường ngoài hay hằng số điện môi của cấu trúc HMTJ dạng tụ điện phụ thuộc vào từ trường.
Kết quả tại hình 3.23 lại cho ta thông tin khác với kết quả trước: ban đầu khi tăng từ trường thì hằng số điện môi tăng tương ứng và cho kết quả lớn nhất tại H = 1500 Oe đến H = 2000 Oe. Nhưng khi tiếp tục tăng từ trường thì hằng số điện môi lại giảm. Như vậy có thể nói ban đầu khi từ trường tăng từ 0 Oe đến 1000 Oe thì quá trình quay momen từ của các lớp Co là có xu hướng song song khi tới hạn lớn nhất của hằng số điện môi là hoàn toàn phản song nhưng khi tiếp tục tăng từ trường
48
từ 1500 Oe đến 3500 Oe thì các momen từ tiếp tục quay và có xu hướng tiến tới song song với nhau nên hằng số điện môi giảm.
0 1 2 3 4
0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 1,06 1,08
ε(àF/m)
H(KOe)
25% - 30nm
Hình 3.23: Hằng số điện môiCo/Co25%-Al2O3/Co (90nm/30nm/90nm) Đối với mẫu 25% Co và tăng chiều dày hơn trước (mẫu 25% - 30 nm) là 90 nm. Kết quả hình 3.24 cho thấy khi tăng từ trường thì hằng số điện môi tăng nhưng khi tiếp tục tăng từ trường ngoài thì hằng số điện môi lại không tăng. Cho thấy đây là trạng thái xuyên ngầm phụ thuộc spin với dòng xuyên ngầm ổn định, và momen từ đã bão hòa.
0 1 2 3 4
3,183,20 3,223,24 3,263,28 3,303,32 3,343,36 3,383,40 3,42
ε(àF/m)
H(KOe)
25% - 90nm
Hình 3.24: Hằng số điện môiCo/Co25%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm)
49
Kết quả trên hình 3.25 cũng cho kết quả gần tương tự như hình 3.23. Nhưng khi tăng từ trường lớn hơn thì hằng số điện môi giảm hơn trạng thái ban đầu khi không có từ trường. Có thể ban đầu momen từ của cấu trúc tự có đã xác lập một hằng số điện môi. Khi đặt trong từ trường ngoài hằng số điện môi có xu hướng tăng lên. Khi tiếp tục tăng lớn hơn 2000 Oe thì các momen từ đã hoàn toàn song song tạo nên giá trị hằng số điện môi thấp hơn giá trị ban đầu.
0 1 2 3 4
1,50 1,52 1,54 1,56 1,58 1,60 1,62 1,64 1,66 1,68
ε(àF/m)
H(KOe)
35% - 45nm
Hình 3.25: Hằng số điện môiCo/Co35%-Al2O3/Co (90nm/45nm/90nm)
Với chiều dày của mẫu này khi tăng lên 90 nm thì ta nhận được kết quả ngược lại với kết quả trên hình 3.25 vì ban đầu hằng số điện môi lớn. Nhưng khi tăng từ trường thì hằng số điện môi có xu hướng giảm và tới hạn tại 1000 Oe nhưng khi tiếp tục tăng từ trường lớn hơn thì hằng số điện môi lại tăng lên. Có thể nói ban đầu momen từ của các lớp Co phản song nhau, khi tăng từ trường thì có xu hướng momen từ quay về gần song song, khi tiếp tục tăng từ trường thì momen từ lại có xu hướng phản song nhưng không quay về giá trị ban đầu.
50
0 1 2 3 4
3,26 3,28 3,30 3,32 3,34 3,36 3,38
ε(àF/m)
H(KOe)
35% - 90nm
Hình 3.26: Hằng số điện môiCo/Co35%-Al2O3/Co (90nm/90nm/90nm) Như vậy qua các kết quả về phổ CIS và phép phân tích mạch tương đương, cho thấy sự phụ thuộc và từ trường của hằng số điện môi. Nói lên tính chất và cấu trúc lớp điện môi mà có tham gia của Co với các tỷ lệ thành phần và chiều dày khác nhau.
Sự đóng góp của các hạt Co vào quá trình xuyên ngầm phụ thuộc spin đã nói nên sự thay đổi độ dẫn hay tổng trở của mẫu.
0 1 2 3 4
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
ε(àF/m)
H(KOe)
10% 40nm(1) 25% 30nm(2) 25% 90nm(3) 35% 45nm(4) 35% 90nm(5)
Hình 3.27: Tổng hợp hằng số điện môiphụ thuộc từ trường của các mẫu HMTJ
51
Từ kết quả tổng hợp hằng số điện môi của các mẫu phụ thuộc vào từ trường cho thấy với cùng tỷ lệ thành phần 35% nhưng khi tăng chiều dày lên gấp 2 thì hằng số điện môi tăng lên là 1,99 ≈ 2 lần.Và khi cùng chiều dày 90 nm nhưng khi tăng từ 25% lên 35% nguyên tử Co thì hằng số điện môi gần như không tăng hệ số là 1. Với chiều dày của mẫu 10% - 40nm với mẫu 35% -45nm có chiều dày gần tương đương thì hằng số điện môi cũng gần như không thay đổi. Như vậy khoảng cách 2 bản cực mà như nhau mặc dù khác nhau về tỷ lệ thành phần Co nhưng hằng số điện môi là gần như giữ nguyên. Khi thay đổi chiều dày lớp hạt thì hằng số điện môi thay đổi theo.