Tác giả: Lê Đức Anh – Khoa điện-điện tử, ĐH Tokyo

Nhóm nghiên cứu liên kết giữa đại học Tokyo, gồm tiến sĩ Lê Đức Anh (thành viên VANJ) và giáo sư Masaaki Tanaka, và phó giáo sư Phạm Nam Hải thuộc học viện công nghệ Tokyo vừa công bố việc quan sát thành công sự phân cực tự phát giữa mức năng lượng của hai trạng thái spin hướng lên và hướng xuống trong dải năng lượng dẫn của chất bán dẫn Indium Arsenide (InAs) pha tạp nguyên tử sắt (Fe). InAs là một chất bán dẫn hệ III-V (được tạo thành bởi sự liên kết của một nguyên tố nhóm III và một nguyên tố nhóm V trong bản tuần hoàn hóa học) có vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử tốc độ cao. Đây là lần đầu tiên hiện tượng phân cực tự phát mức năng lượng vùng dẫn của hai trạng thái spin được thực hiện thành công trong một chất bán dẫn sắt từ (Ferromagnetic Semiconductor – FMS).

Mỗi hạt điện tử đều có hai đặc tính cơ bản là điện tích, được ký hiệu bằng e = -1.6×10-19 Coulomb, và mô-men từ spin, được quy định bởi vật lý lượng tử luôn theo một trong hai trạng thái: hướng lên hoặc hướng xuống. Trong một hợp chất bán dẫn thông thường, hạt điện tử mang spin hướng lên và spin hướng xuống ở trạng thái cân bằng, nghĩa là chúng có cùng môt mức năng lượng và số lượng. Tuy nhiên trong các vật liệu sắt từ như sắt (Fe) hoạc cô-ban (Co), đa số các mô-men từ spin của hạt điện tử đều hướng cùng một chiều, tạo thành độ từ hóa (magnetization) của vật liệu và là nguồn gốc của các tính chất sắt từ trong các vật liệu này. Cho đến nay, vật liệu bán dẫn là nguyên liệu nền cho hầu hết các thiết bị cơ bản của nền công nghiệp điện tử như diode, LED, và đặc biệt là transitor, linh kiện cơ bản cấu thành nên bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU) của các máy điện toán. Trong khi đó, vật liệu sắt từ với tính chất duy trì trạng thái từ hóa một cách bền vững và không tốn năng lượng là nguyên liệu chính trong các thiết bị lưu trữ thông tin như ổ cứng ngoài. Cho đến nay, vì mang các tính chất hoàn toàn khác biệt nhau, các vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ cũng như các thiết bị điện tử sử dụng chúng tồn tại một cách riêng biệt và cấu thành nên hai bộ phận quan trọng nhất của máy điện toán: Bộ phận xử lý thông tin và bộ phận lưu trữ thông tin. Việc kết hợp các đặc tính của vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ trên cùng một thiết bị là vấn đề mới được đặt ra trong vòng ba thập kỷ gần đây, khi nhu cầu cắt giảm năng lượng hao phí và tăng tốc độ hoạt động của hệ thống thông tin trở nên cấp thiết. Nếu các thiết bị điện tử như transistor có khả năng “nhớ” được trạng thái của mình mà không cần cung cấp năng lượng một cách liên tục, biên giới và độ trễ giữa việc lưu trữ thông tin và xử lý thông tin sẽ bị biến mất, dẫn đến một thế hệ máy tính mới hoạt động đặc biệt nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Chất bán dẫn sắt từ (FMS), vật liệu lai nhân tạo mang các đặc tính của cả vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ, chính là chìa khóa để mở ra cánh cửa tương lai đó.

FMS thường được tạo thành bằng cách pha tạp một lượng lớn nguyên tố kim loại chuyển tiếp (các nguyên tố có mang điện tử trong quĩ đạo lớp d như sắt (Fe), mangan (Mn), coban (Co), crom (Cr)… hoặc lớp f như Lantan (La), Vanadium(V),…) vào các chất bán dẫn thông thường như Silicon (Si), Gallium Arsenide (GaAs),…Tùy vào cách sắp xếp của các hạt điện tử trong quỹ đạo lớp d hoặc lớp f mà các nguyên tử kim loại chuyển tiếp này có thể mang trong mình một moment spin nhất định, nằm phân tán bên trong tinh thể của chất bán dẫn mẹ. Dưới một số điều kiện nhất định, các moment spin này có thể tương tác với nhau thông qua nhân tố trung gian là các hạt điện tử (hoặc lỗ trống mang điện tích) chuyển động tự do, vốn cũng mang spin của chính nó, và kết quả là chúng cùng xoay theo một hướng để đạt trạng thái năng lượng bền vững, hay là trạng thái sắt từ. Những vật liệu bán dẫn pha tạp nguyên tố kim loại chuyển tiếp đạt được trạng thái sắt từ nói trên được gọi chung là chất bán dẫn sắt từ (FMS). Do tính chất quan trọng và triển vọng ứng dụng của nó, nghiên cứu về FMS diễn ra hết sức sôi động trên phạm vi thế giới, và cấu thành nên một bô phận quan trọng trong lĩnh vực điện tử và vật lý chất rắn. Tuy nhiên cho đến nay số lượng FMS được chế tạo thành công không nhiều, và những hiểu biết về nguyên lý tạo nên trạng thái sắt từ của chúng vẫn còn nhiều mâu thuẫn. Có thể liệt kê ở đây ba vấn đề lớn của FMS hiện tại:

(1) Đa số các chất FMS là bán dẫn loại p (hạt dẫn điện chính là lỗ trống điện tử (hole) ), chưa tồn tại chất FMS loại n (hạt dẫn điện chính là điện tử). Việc hội tụ đủ cả hai loại n và p là điều kiện cần thiết để cấu thành nên các thiết bị điện tử bán dẫn hiện tại. Nguyên nhân chính là vì nguyên tố kim loại chuyển tiếp được dùng nhiều và thành công nhất cho đến nay là Mn, khi pha tạp vào các chất bán dẫn hệ III-V, cung cấp đồng thời cả moment spin và lỗ trống điện tử. Do đó vật liệu FMS dựa vào pha tạp Mn luôn chỉ có thể trở thành bán dẫn loại p.

(2) Nhiệt độ Curie (nhiệt độ mà trên đó vật liệu không còn giữ được đặc tính sắt từ) của FMS thấp hơn nhiệt độ phòng (Nhiệt độ Curie của hệ III-V FMS pha Mn cao nhất hiện nay là ở (Ga,Mn)As cũng chỉ khoảng 200K, tức -73 độ C).

(3) Hiểu biết về cấu trúc dải năng lương, tức mối liên hệ giữa năng lượng vs. động năng của hạt dẫn điện (điện tử, lỗ trống) – thông tin đặc biệt quan trọng cho việc hiểu và ứng dụng vật liệu bán dẫn, vẫn còn nhiều mâu thuẫn. Thông thường trong một chất bán dẫn, hạt dẫn điện có thể nằm trong vùng dẫn (conduction band) đối với loại n, hoặc vùng hóa trị (valence band) đối với loại p. Đối với hệ III-V FMS pha Mn, tuy nhiên, các bằng chứng thực nghiệm cho thấy các hạt dẫn (lỗ trống) nằm trong một dải năng lượng dị biệt (impurity band) cấu thành từ các nguyên tố Mn phân bố ngẫu nhiên, tách biệt khỏi vùng dẫn và vùng hóa trị của chất mẹ. Điều này gây ra nhiều khó khăn cho việc dự đoán, thiết kế, và sử dụng các vật liệu này trong thiết bị điện tử.

Vấn đề (3) ở trên nêu ra một câu hỏi: Khi một chất bán dẫn đạt trạng thái sắt từ nhờ pha tạp, mức năng lượng của hai trạng thái spin (hướng lên, hướng xuống) của hạt điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị của chất bán dẫn mẹ có phân cực hay không? Câu hỏi này đặc biệt mang tính quan trọng thực tiễn, vì cho đến nay các thiết kế thiết bị bán dẫn điện tử sử dụng FMS đa phần dựa trên giả thuyết là tồn tại sự phân cực năng lượng trong vùng dẫn của chất bán dẫn mẹ. Đáng tiếc là cho đến nay các nhà nghiên cứu vẫn thất bại trong việc quan sát/tạo ra trạng thái phân cực này, với ngoại lệ duy nhất là hợp chất (Cd,Mn)Te trong đó trạng thái phân cực năng lượng quan sát được ở nhiệt độ cực thấp (~2K, hay -271 độ C).

Nhóm nghiên cứu ở đại học Tokyo đã tạo ra bước đột phá bằng cách dùng nguyên tố Fe thay vì Mn để pha tạp vào hợp chất InAs. Điểm khác biệt lớn nhất của Fe so với Mn là chúng chỉ cung cấp spin mà không làm tăng giảm số lượng hạt dẫn điện (điện tử, lỗ trống) của chất bán dẫn mẹ. Do đó về nguyên tắc người nghiên cứu có thể chế tạo cả hai loại bán dẫn loại n và loại p một cách tùy ý thông qua điều khiển nồng độ hạt dẫn điện một cách đôc lập. Việc pha tạp Fe vào chất bán dẫn thực ra đã được nghiên cứu bằng cả lý thuyết và thực nghiệm vào đầu những năm 2000, nhưng đều thất bại và do đó không được phát triển thêm. Nhóm nghiên cứu lần này đã thực hiện một biên pháp táo bạo: Pha tạp Fe vào InAs, một chất bán dẫn có hằng số tinh thể lớn và do đó theo lý thuyết hết sức bất lợi cho việc thiết lập nên trạng thái sắt từ. Họ đã phát hiện ra một kết quả đáng kinh ngạc là nếu có thể gia tăng nồng độ hạt điện tử dẫn điện lên trên một giá trị ngưỡng khoảng 1018 cm-3, trạng thái sắt từ xuất hiện ngay cả trong một chất bán dẫn có hằng số tinh thể lớn như InAs, và đây lại là chất FMS loại n đầu tiên! Trong kết quả mới công bố gần đây trên tạp chí Nature Communications, nhóm nghiên cứu tiếp tục đưa ra một kết quả quan trọng khác: Đó là việc quan sát thành công sự phân cực năng lượng tự phát lớn khoảng 30 ~ 50 meV của hai trạng thái spin của hạt điện tử trong vùng dẫn của (In,Fe)As. Việc hiện thực hóa được chất FMS loại n và trạng thái phân cực năng lương spin trong hợp chất (In,Fe)As thách thức các hiểu biết lý thuyết hiện tại về vật lý từ trong chất bán dẫn, và do đó sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới cả lý thuyết và thực nghiệm cho vật liệu bán dẫn từ. Kết quả này cũng chứng minh vật liệu bán dẫn sắt từ pha tạp sắt có đầy đủ tiềm năng để giải quyết những vấn đề lớn của các vật liệu FMS hiện tại được nêu ra ở trên, và do đó được kỳ vọng sẽ mở đường cho việc ứng dụng và hiện thực hóa thế hệ thiết bị bán dẫn điện tử mới sử dụng spin, cũng như một cuộc cách mạng trong công nghệ máy tính điện toán trong tương lai.

Trong hợp chất bán dẫn sắt từ (In,Fe)As (ảnh dưới), sự tương tác giữa các spin của nguyên tử Fe với các hạt dẫn điện tử tạo ra trạng thái sắt từ và sự phân cực tự phát lớn giữa mức năng lượng của hai trạng thái spin của hạt điện tử tại vùng dẫn (ảnh trên).
Trạng thái phân cực tự phát mức năng lượng của hai trạng thái spin trong chất bán dẫn sắt từ loại N (In,Fe)As. Trong hợp chất bán dẫn sắt từ (In,Fe)As (ảnh dưới), sự tương tác giữa các spin của nguyên tử Fe với các hạt dẫn điện tử tạo ra trạng thái sắt từ và sự phân cực tự phát lớn giữa mức năng lượng của hai trạng thái spin của hạt điện tử tại vùng dẫn (ảnh trên).
© 2016 Tanaka-Ohya Laboratory

Tham khảo:

Paper:  Le Duc Anh, Pham Nam Hai and Masaaki Tanaka, “Observation of spontaneous spin-splitting in the band structure of an n-type zinc-blende ferromagnetic semiconductor”, Nature Communications Online Edition: 2016 /12/19 (Japan time), doi: 10.1038/ncomms13810.

UTokyo research: http://www.u-tokyo.ac.jp/en/utokyo-research/research-news/study-picks-up-large-spontaneous-spin-splitting-in-the-energy-band-structure.html

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *