Vật lí - Vật liệu có cấu trúc nano

n của điện tử là đối tượng được sử dụng để bổ xung hoặc thay thế cho điện tích của điện tử, nhằm tạo ra những chức năng mới và ưu việt cho các linh kiện điện tử hiện đại. Do ®ã môc ®Ých chÝnh cña spintronics lμ: Sö dông spin cña c¸c h¹t l−îng tö (ch¼ng h¹n c¸c spin cña ®iÖn tö hay cña h¹t nh©n nguyªn tö) ®Ó chuyÓn ®æi (m· hãa), mang (truyền t¶i) vµ nhËn biÕt (ph¸t hiện) th«ng tin/tÝn hiÖu. Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics ¾ Electronics: Điện tử (học) – Ngành điện tử ¾ Optics: Quang (học) ¾ Mechanics: C¬ (học) ¾ Magnetics: Từ (học) ¾ Opto-Electronics: Quang học-điện tử (học) ¾ Photo-Electronics: Quang-điện tử (học) ¾ Photonics: Lượng tử (học) ánh sáng/Quang tử (học) ¾ Magneto-Electronics: Từ điện tử (học) (xuÊt hiÖn tõ 1995) ► Spin- Electronics D Spintronics (xuất hiện từ năm 2000) – Spinics – Nano- Spinics – Spin Nanoelectronics: Spin điện tử (học) – Spin tử (học) Liên hệ thuật ngữ SPINTRONICS với các thuật ngữ quen thuộc Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics Nanospinics là gì ? Nanospintronics (or Nanospinics) || Spintronics + Single Electron Physics [P. Seneor, et. al., J. Phys.: Condens. Matter 19 (2007) 165222 (22pp)] Spin properties ∩ Coulomb blockade Æ Magneto - Coulomb effects Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics Mô hình của Shockley: "Sự thành công của nghiên cứu khoa học tỷ lệ với giai thừa của số các khái niệm (hay ý tưởng) mà một nhà khoa học có thể sử dụng cùng một lúc (tất nhiên chỉ tính gần đúng các ý tưởng)". Ä Phương trình Shockley: Sự thành công khoa học ∝ {Số các khái niệm được bao gồm}! Lưu ý: & ! là dấu GIAI THỪA (không phải dấu cảm thán). & Số các khái niệm có thể rất dài, thậm chí dài khủng khiếp. Ä Đây là một thách thức lớn cho tất cả chúng ta. (E.I. Rashba, "Spintronics: Sources and Challenge", J. Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism, Vol. 15, No. 1, Feb. 2002, pp. 13-17). Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics Các khái niệm cơ sở: Khởi nguồn của Spintronics (Theo E.I. Rashba, "Spintronics: Sources and Challenge", J. Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism, Vol. 15, No. 1, Feb. 2002, pp. 13-17) Các khái niệm bao hàm ở 3 loại vật liệu: BÁN DẪN - VẬT LIỆU TỪ - SIÊU DẪN - BÁN DẪN: vì thích hợp cho việc thao tác tập thể điện tử - VẬT LIỆU TỪ: vì là nguồn tự nhiên của các điện tử phân cực spin - SIÊU DẪN: vì dựa trên sự kết cặp spin DANH SÁCH CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ: 1. Lý thuyết dải của CR, nhấn mạnh đặc biệt vào luận điểm về đối xứng của Wigner, Seitz, Herring, et.al. và hình thức luận k.p của Kohn và Luttinger (xem slide sau). Công thức này cho phép: - Nhận được các Hamiltonians thiết lập cơ sở cho mọi lý thuyết vững chắc. - Bao hàm một cách hợp thức tương tác spin-quỹ đạo (mấu chốt cho nhiều hiện tượng phụ thuộc spin) và ảnh hưởng của các trường ngoài. Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics GHI CHÚ: Phương pháp k.p trong lý thuyết cấu trúc dải của CR: - Có nhiều phương pháp để tính toán cấu trúc dải năng lượng của điện tử trong chất rắn. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, như ở các bán dẫn, không cần phải tính tất cả các vùng năng lượng phức tạp, mà chỉ cần tính các trạng thái nằm trong vùng giới hạn năng lượng bậc kBT (ΔΕ = ± kBT ~ ± 1/40 eV ~ ± 0.025 eV). Trong khi độ rộng vùng cấm ~ 1 eV, nên chỉ cần tính các trạng thái cực trị của từng vùng, rồi tính các bổ chính năng lượng xuất hiện do bị lệch khỏi các trạng thái này. Cách giải bài toán này là sử dụng phương pháp hình thức luận k.p và khối lượng hiệu dụng: Giải p/t Schrodinger: [p2/2m + U(r)] ψk = Ekψk (1) với hàm sóng có dạng Bloch ψk = uk ei k.r. (2) Thay (2) vào (1), ta được: (1/2m) (p + ћk)2 uk + U(r)uk = Ekuk (3) Hamiltonian trở thành: Ĥ = Ĥ0 + Ĥ1 + Ĥ2 ¨ E = E0 + E1 + E2 (4) p2 k.p k2 Trạng thái cơ Trạng thái nhiễu loạn bản với k = 0 bậc 1 và bậc 2 với k ≠ 0 Tương ứng với các bổ chính bậc 1: (ћ/m)k.〈u0(n)|p|u0(n)〉 và bậc 2: H2 = (ћ2/2m)k2 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics DANH SÁCH CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ: 2. Vật lý và công nghệ của các vi cấu trúc bán dẫn, là cơ sở cho công nghệ nanô. 3. Điện tử học transistor, bao gồm khái niệm của Shockley về mật độ không cân bằng và vật lý của FET (field effect transistor). 4. Từ học và cộng hưởng từ: - Vấn đề này bao gồm tất cả các kiểu trật tự từ, chuyển pha từ, và trong các tính chất từ đặc biệt của các điện tử tương quan mạnh (quan trọng đ/v CMR). - Nó bao gồm tất cả các cộng hưởng từ, như NMR, EPR, và cộng hưởng gia tốc (cyclotron), và các khái niệm liên quan đến phương trình Landau-Lifshitz- Gilbert, các phương trình Bloch, tần số Rabi, tiếng vọng Hahn, v.v... mà những khái niệm này cung cấp một ngôn ngữ thích hợp cho động lực học spin (bao gồm cả tính toán lượng tử). 5. Tính siêu dẫn ở trong các hệ mesoscopic, gồm sự xuyên ngầm đơn điện tử (SET) và xuyên ngầm Josephson, các xoáy Abrikosov và phản xạ Andreev, mà được dựa trên hình thức luận chặt chẽ của các phương trình Gorkov và Bogolubov-de Gene. Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics DANH SÁCH CÁC KHÁI NIỆM CƠ SỞ: 6. Các cơ chế vận chuyển của tất cả các loại (Boltzmann, ballistic, hopping, tunneling, etc...) trong các hệ vĩ mô đồng nhất và không đồng nhất (bao gồm cả sự vận chuyển từ (magnetotransport) trong các hệ có cấu trúc lớp quan trọng đối với GMR). Vấn đề này gồm một số các hiện tượng thú vị, như hiệu ứng Hall dị thường, hiệu ứng Kondo, và hiệu ứng Aharonov-Bohm. 7. Các khái niệm liên quan đến các vấn đề đặc biệt thuộc lĩnh vực quang và quang- suất lực điện động (photo-emf) (emf = electromotive force). Ví dụ: vấn đề phát hiện sự tích tụ spin không cân bằng là một trong những vấn đề đang "nóng" hiện nay. Trong photo-emf, một nguyên lý chung là emf xuất hiện khi có bất kỳ sự lệch nào của hàm phân bố mật độ điện tử khỏi sự cân bằng địa phương. Áp dụng cho sự mất cân bằng spin, Johnson đã ghi nhận được hiện tượng spin-emf. Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics Điện tử có 2 đóng góp chính: • Điện tích (-e, |e| = 1.60091 x 10-19 C) ➽ tính chất điện • Spin (S = 1/2) ➽ tính chất từ Điện tử có 2 chuyển động: • Chuyển động quỹ đạo (Orbital) (ví dụ: các quỹ đạo s, d, f ) ➽ Mômen từ quỹ đạo: μl = [l(l+1)]1/2μB (l = số lượng tử quỹ đạo) • Chuyển động Spin ➽Mômen từ riêng: μS = g[S(S+1)]1/2μB (μB = magneton Bohr = 9.2742 × 10-24 J/T (hay A.m2) = 0.92742 × 10-24 erg/Oe); S = ½, số lượng tử spin; g ~ 2, tỷ số từ hồi chuyển (gyromagnetic ratio) ⇒Mômen từ riêng của điện tử tự do: μS = - (e/2m) gS = 1.73 μB SPIN ĐIỆN TỬ Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics B¶n chÊt vËt lý cña m«men tõ: do chuyÓn ®éng spin cña ®iÖn tö ¾ Coi ®iÖn tö cã d¹ng h×nh cÇu víi ®iÖn tÝch ®−îc ph©n bè đều kh¾p bÒ mÆt. Khi ®iÖn tö tù quay xung quanh trôc, ®iÖn tÝch ph©n bè trªn bÒ mÆt h×nh cÇu t¹o ra nhiÒu dßng ®iÖn nhá khÐp kÝn. Mçi dßng ®iÖn nhá sinh ra mét m«men tõ h−íng däc theo ph−¬ng trôc quay. Tæng céng c¸c m«men tõ ®−îc t¹o ra bëi mçi dßng ®iÖn nhá sÏ lµ m«men tõ cña ®iÖn tö, μB. ¾ L−u ý: ®©y chØ lµ m« h×nh ®Þnh tÝnh. Cßn ®Ó ®Þnh l−îng ta kh«ng thÓ ¸p dông m« h×nh nµy v× khi tÝnh tæng céng m«men tõ do c¸c dßng ®iÖn nhá sÏ cho kÕt qu¶ µ = 5/6 μB chø kh«ng ph¶i lµ μB. §iÒu nµy ®−îc gi¶i thÝch lµ do h×nh d¹ng thùc sù cña ®iÖn tö lµ hoµn toµn kh«ng x¸c ®Þnh vµ sù ph©n bè ®iÖn tÝch trªn bÒ mÆt cña ®iÖn tö còng hoµn toµn kh«ng biÕt, v.v... — Spin và từ tính của vật chất: có 3 dạng chính * Từ tính của ion tự do (Free Ion Magnetism) * Từ tính định xứ (Located Magnetism) * Từ tính không định xứ (Itinerant Magnetism) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics I- Các hiệu ứng/hiện tượng vận chuyển phụ thuộc spin (Spin-Dependent Transport - SDT) 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) 1.2. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm (TMR) 1.3. Hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ (CMR) 1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích (BMR) 1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon 1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 1986: + Peter Grünberg, et. al., Phys. Rev. Lett. 57 (1986) 2442.⇒ ΔR/R ~ 1.5 %. 1988: + Albert Fert, et. al., Phys. Rev. Lett., 61(1988) 2472.⇒ ΔR/R ~ 50 % ⇒ GMR The 2007 Nobel Prize in Physics for GMR SỰ KHÁM PHÁ RA HIỆU ỨNG GMR 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 GMR effect Magnetization Ferromagnetic layer (Fe ~3-6 nm) Non-magnetic layer, (Cr ~1-6 nm) (001)GaAs substrate Minh họa cấu trúc lớp của siêu mạng Fe/Cr Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 R - HS HS 0 Magnetic Field RP RP RAP P PAP ρ ρρ ρ ρ −=Δ=maxGMR P PAP R RR R −=Δ= R 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Sù biÕn thiªn dao ®éng cña tû sè GMR theo chiÒu dµy cña líp Cu trong cÊu tróc ®a líp Co/Cu. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai lớp sắt từHiệu ứng GMR thể hiện sự thay đổi của điện trở theo từ trường ngoài tác dụng lên cấu trúc màng mỏng từ đa lớp SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ Sự dao động của liên kết trao đổi giữa hai lớp sắt từ cách nhau bởi một lớp phi từ: hằng số liên kết trao đổ J (năng lượng liên kết trên một đơn vị diện tích của bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp) biến thiên kiểu dao động tắt dần theo chiều dày của lớp phi từ Sù dao ®éng cña h»ng sè liªn kết trao ®æi J12 gi÷a hai líp tõ trong cÊu tróc ®a líp Co20Ni80/Ru/ Co20Ni80. Ph¶n s¾t tõ (AF) S¾t tõ (FM) ChiÒu dµy líp c¸ch Ru (Å) Ví dụ Tương tác kiểu RKKY r l nS r d M«i tr−êng khÝ ®iÖn tö tù do J(r) ∝ cos(2kFr)/r3 λF = 2π/kF J(r) ∝ sin(2kFr)/r2 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU HÌNH SẮP XẾP TỪ ĐỘ TRONG CÁC LỚP FM VÀ TỪ ĐIỆN TRỞ Tương tác giữa hai ion từ cách nhau một khoảng r trong môi trường khí điện tử tự do ➼ Năng lượng liên kết có dạng tuần hoàn theo khoảng cách r với biên độ giảm theo hàm r3 Tương tác giữa hai lớp mặt phẳng chứa các ion từ trong môi trường khí điện tử tự do ➼ Năng lượng liên kết có dạng tuần hoàn theo khoảng cách với biên độ giảm theo hàm r2 H = 0 H > HS Spin-↑ Spin-↓ ρ↑ (a) AF ρ↓ (b) FM Spin-↑ Spin-↓ ρ↑ ρ↓ ↓↑ ↓↑ += ρρ ρρρ 2P 2 ↓↑ += ρρρAP PAP ρρ > Líp tõ Líp phi tõ dt );(; 4 )( )( )( 2 n n t d t d ρρ ρα αα αα ρ ρ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + −=Δ)(; 1 1 2 ↑ ↓=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + −=−=Δ ρ ραα α ρ ρρ ρ ρ AP PAP α = scattering asymmetric coefficient Hiện tượng tán xạ phụ thuộc spin – cơ chế của GMR Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Cơ chế của sự vận chuyển phụ thuộc spin a) E E E E 4s 3d 4s 3d EF EF M M NM FM NM FM b) EF EF M M Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Sù t−¬ng ®−¬ng cña mét hÖ mµng máng ®a líp víi mét chuçi rµo thÕ kh¸c nhau ®èi víi c¸c ®iÖn tö cã spin kh¸c nhau khi c¸c líp tõ cã cÊu h×nh tõ ®é ph¶n song (a) vµ song song (b). spin-↑ spin-↓ T h Õ t ¸ n x ¹ b) spin-↑ spin-↓ T h Õ t ¸ n x ¹ a) M¤ H×NH trƯỜng THẾ CñA GMR 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 GMR trong cÊu h×nh dßng ®iÖn vu«ng gãc (CPP) và trong mặt phẳng (CIP) a) GMR-CIP b) GMR-CPP S¬ ®å minh ho¹ sù ph©n bè vect¬ sãng k trong mét mµng máng kim lo¹i. a) Khi dßng ch¹y trong mÆt ph¼ng mµng máng, CIP. b) Khi dßng ch¹y vu«ng gãc víi bÒ mÆt mµng máng, CPP. §Õ Si PhiÕn ®iÖn cùc phÝa trªn PhiÕn ®iÖn cùc bªn d−íi Mµng máng nhiÒu líp Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Các cấu trúc đa lớp tương tự như một cái van spin khi có dòng điện chạy qua dưới tác dụng của từ trường ngoài. NM FM FM H Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Hiệu ứng Spin Valves Spin Valves exc C (ghim) off C (tù do) 1991: + B. Dieny, et.al., Phys. Rev. B 43 (1991) 1297. + B. Dieny et. al., J. Appl. Phys., 69 (1991) 4774. + B. Dieny et. al., J. Magn. Magn. Mater., 93 (1991) 101. GMR ~ 8-20% at Troom Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Mét sè kiÓu cÊu tróc van spin th«ng dông. KiÓu A vµ B: kh«ng sö dông líp AF ®Ó ghim mµ sö dông tõ tr−êng ngoµi, dÞ h−íng tõ, hoÆc hai líp tõ cã HC kh¸c nhau. C¸c kiÓu tõ C ®Õn I sö dông líp AF ®Ó ghim. Trong sè nµy chia lµm 3 lo¹i: Lo¹i ghim ®Ønh (C, D, E), lo¹i ghim ®¸y (F, G, H) vµ lo¹i ghim ®èi xøng (I). Tõ ®é Tõ ®é líp bÞ ghim Tõ ®é líp tù do Tõ ®é líp ®iÒu khiÓn bÒ mÆt A B C F D G E H I F NM F F1 NM F2 C¸c van spin kh«ng ghim Van spin ®èi xøng Van spin kh«ng ®èi xøng Van spin ghim ®èi xøng C¸c van spin ®¸yC¸c van spin ®Ønh C¸c van spin ghim kh«ng ®èi xøng AF F NM F AF F1 NM F2 AF F1 F2 NM F2 F1 AF F1 NM F2 (F1) NM F1 AF Spin Valves Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) MH Sơ đồ cấu hình sắp xếp spin của một cấu trúc gồm 2 lớp từ tiếp xúc dị thể - sắt từ với phản sắt từ (FM/AFM) - ứng với các trạng thái từ hóa khác nhau để giải thích hiện tượng dịch của đường từ trễ do tương tác trao đổi spin ở bề mặt tiếp xúc – hiệu ứng trao đổi dịch: (i) Lớp AFM là thuận từ, còn lớp FM vẫn là sắt từ, khi nhiệt độ của hệ thấp hơn TC (của FM) nhưng cao hơn TN (của AFM). (ii) Lớp AFM trở thành phản sắt từ khi T < TN. (iii) Từ trường đảo chiều làm đảo từ độ của lớp FM, nhưng chưa đủ mạnh để thắng tương tác trao đổi, nên vẫn bị “ghim” lại. (iv) Từ trường đảo chiều đủ mạnh, thắng tương tác trao đổi, nên làm đảo hoàn tòan mômen từ của lớp FM (trạn thái bão hòa mômen từ của lớp FM). (v) Do năng lượng tương tác trao đổi có tính dị hướng mạnh theo phương từ trường làm lạnh ban đầu [bước (ii)], nên chỉ cần từ trường ngòai giảm ít cũng dễ bị cạnh tranh bới trường liên kết trao đổi dị hướng - mômen từ của lớp FM dễ dàng bị đảo lại. Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Trường trao đổi dịch (hay trường “ghim”): Hex = Jint /(MFM.tFM) (Jint: năng lượng của bề mặt tiếp xúc FM/AFM; MFM: từ độ của lớp FM; tFM: chiều dày của lớp FM) Hex Meiklejohn’s model • Mô hình đơn giản của Meiklejohn giả thiết tương tác trao đổi chỉ xảy ra ở bề mặt phân cách AFM/FM. • Năng lượng tính cho 1 đ.v diện tích bề mặt của hệ EB có dạng: • Khi bỏ qua dị hướng của lớp FM và lấy cực tiểu năng lượng chỉ theo các góc α và β, có thể tìm được trường trao đổi dịch (hay trường ghim HE) như sau: và điều kiện về chiều dày tới hạn của lớp AF: FMFM INT E tM JH ×= )cos()sin()(sin)cos( 2 αβααβθ −−++−−= INTAFMAFMAFMAFMFMFM JtKtKtHME INTAFMAFM JtK ≥ α β θ KAFM,KFMMAFM MFM H Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Liên kết trao đổi dịch (EBC) – Cơ chế để ghim từ độ z x y AF FM Soft Hex z x y AF FM Soft Hex H Líp ph¶n s¾t tõ AF Líp s¾t tõ FM MÆt tiÕp xóc AF/FM Líp s¾t tõ “tù do” Tầm tác dụng của EBC, λinf - EBC th«ng th−êng, tFM ~ 10 nm vµ JK ~ 0.01 – 0.5 erg/cm2⇒ λinf ~ 1 nm - Víi hÖ MnPd(Cr)/Co cã GEB, tFM ~ 40 -100 nm nh−ng JK > 2 erg/cm2 ⇒λinf ~ 10 nm 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Granular structure (Heterogeneous two phase structure) Hiệu ứng GMR trong các cấu trúc dạng hạt ΔR/R - HS 0 HS Magnetic Field Đế Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Au, ... iS i M H M θcos=⋅= HMM = ∑ Mi = 0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−=−= 2 S 2 M M A (0) (0)(H) ρ ρρ ρ ρΔ ρ = ρ0 + ρph(T) + ρm(T){1 - f[(M/MS)2]} )()( )( 0 TT TA mph m ρρρ ρ ++= Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) ¶nh TEM cña mµng máng hîp kim Co23Ag77 cho thÊy c¸c h¹t Co nhá cã d¹ng gÇn nh− h×nh cÇu ®−îc ph©n t¸n trong nÒn Ag. 30 nm Màng mỏng từ có cÊu tróc d¹ng h¹t Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) S¬ ®å minh ho¹ hình th¸i cÊu tróc h¹t víi tû lÖ thµnh phÇn Co x tăng dÇn, dÉn ®Õn sù kÕt tô cña c¸c h¹t Co khi tû lÖ thµnh phÇn Co lín h¬n ng−ìng lan to¶ xp. Tû sè GMR tăng theo x vµ ®¹t cùc ®¹i ë xp, sau ®ã gi¶m. ➲ Có một giá trị p ~ xp là tỷ lệ thành phần tối ưu cho tỷ số GMR lớn nhất, GMRmax Chiều tăng x → x xp GMR tăng GMR = GMRmax GMR gi¶m ChiÒu biÕn thiªn cña GMR Hiệu ứng GMR trong các cấu trúc dạng hạt Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) Mét sè kiểu cÊu tróc cã hiÖu øng GMR a) MR NM FM Tõ tr−êng b) Co MR Cu Co FeMn Tõ tr−êng c) MR Ag Co Tõ tr−êng d) MR NiFe Ag Tõ tr−êng e) Ag MR NiFe Co NiFe Tõ tr−êng H (kOe) -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 G M R ( % ) -5 -4 -3 -2 -1 0 1 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1995: + J.S. Moodera, et. al.,Phys. Rev. Lett., 74 (1995) 3273. + H. Fujimori, et. al., Materials Science and Engineering B31 (1995) 219. + F. Guevara, et. al., J. Magn. Magn. Mater. 140-144 (1995) 381. Al2O3, SiO2, Ta2O5, MgO, ... Fe, Co, CoFe, NiFe,... MTJ:[FM/I/FM] Granular MTJ TMR ~ 10 - 50% at Troom 1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR (MTJ: Magnetic tunnel junction; TMR: tunneling magnetoresistance) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Cấu trúc MTJ và sự xuyên ngầm lượng tử 23 nm 21 nm 2.5 nm 1nm 3 nm 6 nm 4.5 nm , Stuart Parkin, June 25, 2002 Al2O3 CÊu tróc MTJ: FM/I/FM FM1 FM2 L í p r µ o t h Õ ( c ¸ c h ® i Ö n ) Cấu trúc MTJ dạng hạt: Hạt nano Co trong nền Si3N4 [S.Gu´eron, et. al., Laboratory of ASSP, Cornell University, Ithaca, NY 14853 (2005)] Hạt Co ~ 2.5 nm V J ~ exp[– 2 d√(2mφ/ħ 2)] [ ]∫∞ ∞− −−− dEEfVEfEDVEDVJ )()()()(~)( 21 S¬ ®å rµo thÕ EF2 EF1 φ d eV D2 D1 J 1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Cơ chế vận chuyển xuyªn ngÇm phô thuéc spin - Hiệu ứng TMR TMR = RAP - RP RP GP - GAP GAP = P = [D↑(EF) - D↓(EF)] [D↑(EF) + D↓(EF)] TMR = 2P1P2 (1- P1P2) J1 > J2 eV eV J1 J2 1.2. Cấu trúc MTJs & hiệu ứng TMR Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 • 1950: Hợp chất LaMnO3 là chất AF và không dẫn điện. „ Khi thay thế một phần ion La3+ bằng các ion hoá trị 2 như Sr2+, Ca2+, Ba2+,... (từ 10 - 50%) hợp chất (La-X)MnO3 trở thành FM và dẫn điện. • Thực nghiệm đo được ở màng mỏng của hợp chất La-Ga-Mn-O ở 77 K với CMR = Δρ/ρ ~ 127.000 %. • Cơ chế: Ở những vị trí có ion 2+ thay thế vị trí La3+, ion Mn3+ gần đó sẽ nhường cho ion này 1e và trở thành ion Mn4+ „ Giữa ion Mn3+ và Mn4+ có tương tác trao đổi thông qua ion O2- ở giữa (góc tương tác Mn-O-Mn là 1800) „ Xuất hiện sự trao đổi kép. „ Các ion Mn3+ và Mn4+ đổi chỗ cho nhau. Mn3+ O2 - Mn4+ O Mn La Sr Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1.3. Cấu trúc perovskite & hiệu ứng CMR 1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích (Ballistic Magneto Resistance: BMR) 1999, G. Tatara, Y.-W. Zhao, M. Muñoz, and N. Garcı´a “Domain Wall Scattering Explains 300% Ballistic Magnetoconductance of Nanocontacts”, PHYSICAL REVIEW LETTERS 83 (1999) 2030. 2001, N. Garcı´a, M. Mun˜oz, G. G. Qian, H. Rohrer, I. G. Saveliev, and Y.-W. Zhao “Ballistic magnetoresistance in a magnetic nanometer sized contact: An effective gate for spintronics”, APPLIED PHYSICS LETTERS 79 (2001) 4550. 2002, H.D. Chopra and S.Z. Hua “Ballistic magnetoresistance over 3000% in Ni nanocontacts at room temperature”, PHYSICAL REVIEW B 66, 020403(R) 2002 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Sự vận chuyển phụ thuộc spin kiểu xung kích trong các cấu trúc tiếp xúc nano dạng chữ T A Bán kính cong của các đầu tip thay đổi từ 40 – 400 nm (C) → BMR ~ 500 - 3000 %. (H.D. Chopra et. al., PHYSICALREVIEWB 66 (2002) 020403(R)) Tiếp xúc nano (đặc trưng bởi điện trở tiếp xúc RC ) Dây Ni Dây Ni (D↑ - D↓) p = ----------- (D↑+ D↓) F ≤ 1 (tính không bảo toàn phương spin) RC ~ 8 Ohm BMR ~ 3150 % Ni Ni C u CuCu Tiếp xúc Ni–Ni hình chữ T: (a) tiếp xúc bằng các dây Ni;(b) tiếp xúc giữa hai lớp Ni mỏng được tạo ra bằng phương pháp điện phân một phần trên dây Cu. 1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 • Dây Ni có đường kính 125 μm được tạo ra mũi nhọn bằng phương pháp điện hóa. • Bán kính cong của các đầu tip thay đổi từ 40 – 400 nm → BMR ~ > 500 - > 3000 %. • Điện trở tiếp xúc Rc xác định đường kính mũi nhọn d: 1.4. Hiệu ứng từ điện trở xung kích Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Spintronics in carbon nanotube 1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon (a) Micrograph of a nanotube device of a single MWNT electrically contacted by ferromagnetic Co. (b) Schematic cross section of the device. The Co contacts lie on top of the MWNT, the conducting channel is approximately 250nm in length. (c) Two terminal differential resistance as a function of magnetic .eld. The magnetic .eld is directed parallel to the substrate, and the temperature is 4.2 K. (d) Two magnetization configurations, a resistance of the anti-parallel state is larger than a resistance of the parallel state. (K.Tsukagoshi, et. al.; PhysicaB 323 (2002) 107–114) 1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon Sù phun Spin qua èng nano carbon Yªu cÇu: T¸n x¹ Spin ë trong èng nanocarbon còng nh− ë bÒ mÆt gi÷a èng nano vµ ®iÖn cùc s¾t tõ ph¶i ®ñ nhá. Theo m« h×nh Julliere ®èi víi cÊu tróc MTJ, chiÒu dµi t¸n x¹ spin λS ~ 260 nm. Lưu ý : + §é ph©n cùc Spin ë gÇn bÒ mÆt tiÕp xóc èng nano/s¾t tõ phô thuéc vµo chÊt l−îng cña bÒ mÆt tiÕp xóc mµng. + §iÖn trë tiÕp xóc cao g©y ra t¸n x¹ m¹nh Spin, dÉn ®Õn c¶n trë kh¶ n¨ng phun c¸c điện tử ph©n cùc Spin vµo trong èng nano carbon. + §iÖn trë tiÕp xóc cao cã thÓ do Co bÞ oxy hãa ë bÒ mÆt, t¹o ra mét hµng rµo xuyªn hÇm gi÷a èng nano carbon vµ ®iÖn cùc s¾t tõ. Ảnh AFM của ống nano-carbon có đường kính ~ 1-2 nm được nối với hai điện cực Co dày 20 nm. (A.T. Johnson, Jr.; Physics & Systems Engineering, University of Pennsylvania, 2002). CoCo Dây nano carbon Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Cơ chế vận chuyển xung kích phụ thuộc spin trong ống CNT L > λmfp D tán xạD điện trở lớn D Sự chuyển động kiểu zigzag Vật dẫn thông thường Vật dẫn xung kích L ~ λmfp D không tán xạD không điện trởD Sự chuyển động kiểu xung kích (Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.) 1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Chiều dày vách Néel ở màng mỏng λ ~ 100-200 nm D BMR không đáng kể Mặc dù λ ~ (<) λmfpD sự tán xạ vẫn mạnh khi mômen từ của hai điện cực ngược nhau D BMR không đáng kể Trường hợp vận chuyển giữa hai đômen từ Trường hợp vận chuyển giữa hai điện cực từ được nối bởi ống nano (Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.) 1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 (A): Trạng thái điện trở cao (B): Trạng thái điện trở thấp P P P Hiệu ứng BMR cho trường hợp hai điện cực từ nối với nhau bởi ống nano carbon Hiệu ứng BMR (∆G/G) phụ thuộc vào: P (độ phân cực spin) và λ (quãng đường tự do trung bình của điện tử) P P P (Courtesy H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.) 1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Có thể ứng dụng BMR trong công nghệ lưu trữ thông tin: đầu đọc BMR cho đĩa từ có mật độ siêu cao Co Co (Theo H.D. Chopra, SUNY-Buffalo, Physical Review B, 1 July 2002.) Một khả năng ứng dụng của hiệu ứng BMR làm đầu đọc các bit từ có kích thước nano (ổ đĩa có mật độ siêu cao – dung lượng cực lớn) Một bit từ xác định 1.5. Sự vận chuyển spin trong sợi nano cacbon Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 HIỆU ỨNG CHẮN COULOMB (CB) Hiện tượng vận chuyển đơn điện tử e Q = 0 Q = -e e eЄ - H¹t tÝch ®iÖn ©m Líp ®iÖn tÝch d−¬ng ®−îc h×nh thµnh do ph©n bè l¹i ®iÖn tÝch ¨ t¹o nªn tr−êng thÕ nh− mét “Rµo ch¾n” ®èi víi h¹t ®iÖn tÝch ©m. extφ=)(Qφ )(Q extφ )( 1 Qε Hiện tượng ch¾n Coulomb "Đảo nano" giữa một khe nano 1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Hiệu ứng chắn Coulomb từ (Magnetic Coulomb Blockade, MCB) & Sự vận chuyển đơn spin - SSET FM FM e-e- Al2O3 FM FM e- Al2O3 Sơ đồ nguyên lý của linh kiện xuyên ngầm đơn spin (Single Spin Electron Tunneling: SSET). “Đảo nano” Co Lớp rào Al2O3 hay TiO2 Điện cực FM Điện cực FM Sơ đồ một cấu trúc MTJ kiểu “đảo” SỰ CHẮN SPIN (SPIN-BLOCKADE) J. Varalda et al. (2005) 1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Sự khác nhau cơ bản giữa các linh kiện truyền thống và SET ¾ Các linh kiện truyền thống (MOSFET, BJT ) • Các hạt tải điện tích "chảy" liên tục • Được mô hình hóa bằng các phương trình thủy động lực học (hydrodynamic equations) ¾ Các linh kiện đơn điện tử (SET) • Hoạt động dựa trên sự lượng tử hóa của điện tích của điện tử • "Chảy" từng điện tử một • Hàm sóng điện tử là định xứ • Sử dụng phương pháp mô phỏng hạt (phương pháp Monte Carlo trực tiếp) 1.6. Hiện tượng xuyên hầm đơn spin (SSET) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics II. CÁC VẬT LIỆU SPINTRONICS 2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ 2.2. Bán dẫn từ, bán dẫn từ pha loãng 2.3. Phản sắt từ (AFM) 2.4. Hợp chất/hợp kim sắt từ nửa kim loại (Half-metallic Ferromagnets - HMF) 2.5. Các vật liệu từ có cấu trúc nano khác 2.6. Phân tử hữu cơ và Spintronics Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.1. Các kim loại và hợp kim sắt từ Các sắt từ nửa kim loại (half-metallic ferromagnets): - Các hợp kim bán Heusler: NiMnSb, PtMnSb, UNiSn - Cấu trúc rutile: CrO2 - Cấu trúc perovskite: (La1-xSrx)MnO3, Sr2FeMoO6 Các ferri từ nửa kim loại (half-metallic ferrimagnets): - FeMnSb, Fe3O4 Các phản sắt từ nửa kim loại (half-metallic antiferromagnets): - CrMnSb, La2VMnO6, La2VCuO6 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.2. Bán dẫn từ (MS), bán dẫn từ pha loãng (DMS) CÁC BÁN DẪN TỪ Bán dẫn từ (MS) Bán dẫn từ pha loãng (DMS) Bán dẫn phi từ (NMS) (III-V)-Mn GaAs-Mn InSb-Mn InAs-Mn AO:M ZnO:Co/Cr TiO2:Co SiO2:Mn A-B GaAs InSb ZnO Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Sự phát triển của các vật liệu trên cơ sở bán dẫn với các tính chất từ hay liên quan đến spin trong thời đại “điện tử bán dẫn”: 60s-90s, và bắt đầu thời đại “điện tử spin”: ~ 2000s. 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.2. Bán dẫn từ (MS), bán dẫn từ pha loãng (DMS) Mét sè yªu cÇu c¬ b¶n ®èi víi hÖ AF/FM ¾ Tr−êng ghim (pinning field, hoÆc exchange bias field) lín: HE > ~ 300 Oe. ¾ NhiÖt ®é blocking TB > ~ 200 0C. ¾ VËt liÖu sö dông lµm c¸c líp FM vµ AF cã TC, TN> 300 K, cã ®é bÒn ho¸ häc vµ c¬ häc cao. ¾ ®ßi hái vÒ gia c«ng nhiÖt thÊp nhÊt: viÖc ñ ë nhiÖt ®é cao lµm mÊt hiÖu øng EB v× qu¸ tr×nh khuÕch t¸n giữa hai líp FM/AF. 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Mét sè «xýt ph¶n s¾t tõ dïng lµm líp AF trong c¸c hÖ trao ®æi dÞch vµ c¸c nhiÖt ®é TB vµ TN t−¬ng øng. Material TB (K) TN (K) NiO (1 1 1) 450 – 500 520 NiO (1 0 0) 480 CoO (poly) (10 K) 290 290 CoO (poly) (150 K) 290 CoxNi1-xO (poly) 370 290 – 520 CoxNi1-xO (1 1 1) 390 – 430 CoO/NiO (poly- multi) 380 – 410/290 – 520 Fe2O3 (poly) 450 – 620 C¸c vËt liÖu sö dông trong hÖ AF/FM VËt liÖu sö dông lµm líp AF Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ Mét sè hîp kim ph¶n s¾t tõ dïng lµm líp AF trong c¸c hÖ trao ®æi dÞch vµ c¸c nhiÖt ®é TB vµ TN t−¬ng øng. Material TB (K) TN (K) Fe50Mn50 (poly-ann) 420 – 570 Fe50Mn50 (1 1 1) 380 – 480 490 Ni50Mn50 (poly-ann) 770 1070 Ni50Mn50 (1 1 1-ann) 520 – 650 Ni25Mn75 (1 1 1-ann) 420 – FexNiyMn1-x-y (poly) 470 – 620 – FeMnRh (poly) 420 – Cr1-xMnx (poly) 450 – CrxMnyPt1-x-y (poly) 600 – CrxMnyRh1-x-y (poly) 620 – CrxMnyCu1-x-y (poly) 570 – CrxMnyPd1-x-y (poly) 650 – CrxMnyIr1-x-y (poly) 550 – PtxMn1-x (poly-ann) 400 – 650 480–980 PdxPtyMn1-x-y (poly) 570 – IrxMn1-x (1 1 1) 400 – 520 690 C¸c vËt liÖu sö dông trong hÖ AF/FM (tiÕp) VËt liÖu sö dông lµm líp AF 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Vật liệu sử dụng làm lớp rào thế trong các cấu trúc MTJ với hiệu ứng TMR: việc sử dụng rào thế là MgO từ 2002 đã làm tăng vọt tỷ số TMR. 3.4. Màng mỏng từ nano & Spintronics 2.3. Phản sắt từ (AFM) – Vật liệu sử dụng để ghim từ độ Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 III. MỘT SỐ LINH KIỆN, DỤNG CỤ SPINTRONICS & ỨNG DỤNG 3.1. Nguyên tắc & Phân loại các linh kiện spintronics 3.2. Cảm biến, đầu đọc từ van spin 3.3. Bộ nhớ từ không tự xoá (MRAM) 3.4. Các loại tranzito spin 3.4.1. Tranzito Johnson (BST) 3.4.2. Tranzito van spin (SVT) 3.4.3. Tranzito spin hiệu ứng trường (FEST) 3.5. Điốt quang-spin điện tử 3.6. Các linh kiện nanospinics 3.6.1. Linh kiện đơn spin điện tử (SSED) 3.6.2. Linh kiện dẫn spin trên sợi nanocarbon 3.7. Spin và máy tính lượng tử 3.8. Một số ứng dụng Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 ¾ Thế hệ I: GMR, TMR (kim loại sắt từ-kim loại hoặc kim loại sắt từ-điện môi): Cảm biến, đầu đọc từ, các loại MRAM, các transito kim loại (hay transito lưỡng cực), tranzito van spin, công tắc/khoá spin,... ¾ Thế hệ II: phun dòng spin trong bán dẫn từ pha loãng, bán dẫn sắt từ, half-metal. (bán dẫn-sắt từ, bán dẫn từ-bán dẫn, tiếp xúc ôxyt từ xuyên ngầm spin (MOTJ) hay các tiếp xúc khác, v.v...): Mạch khoá spin siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,... ¾ Thế hệ III: hiệu ứng spin lượng tử (dạng dot, dây, sợi nano → nanospintics) như các linh kiện vận chuyển kiểu điện đạo (ballistic electron transport) (các hiệu ứng BMR, MCB),Các cấu trúc/linh kiện nano sử dụng các trạng thái spin của các điện tử đơn lẻ: cổng logic lượng tử spin, là cơ sở cho máy tính lượng tử, các transistor đơn spin (SSET),... Các thế hệ linh kiện/dụng cụ Spintronics Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THUỘC DÒNG SPINTRONICS ¾ Electronic ¾ Optical ¾ Thermal ¾ V.v...(???) Injection Manipulation Detection Phun spin Phát hiện/đo/phân tích spin Thao tác spin Các hiệu ứng do sự vận chuyển phụ thuộc spin: GMR, TMR, BMR, CMR, ... (???) - Cấu trúc đa lớp - Cấu trúc dạng hạt - Cấu trúc van spin - Cấu trúc MTJ - Các cấu trúc lai - v.v (???) Spin source ¾ Ferromagnetic materials (FM) ¾ Half-metallic ferromagnets (HMF) ¾ Magnetic semiconductors (MSC) ¾ Dilute magnetic semiconductors (DMS) ¾ V.v (???) Nguồn spin Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 ƯU ĐIỂM CỦA VIỆC SỬ DỤNG SPIN 1. Tiêu thụ ít năng lượng hơn - Việc chuyển trạng thái 0 và 1 trong các Transistor MOS-FET được thực hiện bằng cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi kênh transistor. - Việc vận chuyển điện tích đòi hỏi phải tạo ra được sự chênh lệch của trường thế (gradient điện trường) ⇒ Bị tổn hao thành nhiệt và không thể bù đắp.⇒ Đòi hỏi tiêu tốn năng lượng và thời gian hơn. 2. Không gây ồn/nhiễu như điện tích - Spin không liên kết dễ dàng với điện trường tạp tán (nhưng lại liên kết spin-quỹ đạo rất mạnh ở trong chất rắn) ⇒ tránh được nhiễu và ồn như điện tích. 3. Thao tác nhanh hơn - Vì không phải mất thời gian cho việc vận chuyển điện tích trong một khoảng thời gian dài (transit time), chỉ mất thời gian lật phương spin tại chỗ (flip time). Ö Đối với spin: chỉ cần “bật” chiều spin “lên” và “xuống”⇒ Đòi hỏi tiêu tốn ít năng lượng và thời gian hơn nhiều. Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Transistor, BPT) - Transistor cộng hưởng spin (Spin-Resonance Transistor, SRT) - Transistor xuyên ngầm từ (Magnetic Tunnel Transistor, MTT) - Transistor trường spin (Spin-FET) -Điốt quang spin (Spin Light-Emitting Diode, Spin-LED) ¾ Bộ nhớ từ kh«ng tự xãa (Non-volatile Magnetoresistance-RAM) ¾ C¸c linh kiÖn/thiết bị tõ-®iÖn tö: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THẾ HỆ MỚI SỬ DỤNG SPIN ĐIỆN TỬ ¾ Máy tính lượng tử (Quantum Computer, QC) C ô n g s u ấ t ( m W ) Giá thành của hệ cảm biến (USD) GMR Một số loại cảm biến dùng để đo từ trường thấp (10-9 Oe/V/Hz) * Robot xóc gi¸c/Robot th«ng minh * PhÝm bÊm kh«ng tiÕp xóc * §éng c¬ kh«ng chæi than * Gi¶i m· v¹ch * §Õm tèc ®é * §iÒu chØnh ®¸nh löa bugi ®éng c¬ * M¸y trî thÝnh * HiÓn vi tõ ®iÖn trë * Đầu đọc ổ đÜa cøng m¸y tÝnh v.v... ¾ Cảm biến từ ¾ Đầu từ GMR ChuyÓn ®æi từ-®iÖn Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Các cảm biến từ trường – phạm vi làm việc & so sánh với cảm biến van spin Ph¹m vi tõ tr−êng cã thÓ ®o ®−îc (kOe)C¸c lo¹i c¶m biÕn tõ tr−êng 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 1. SQUID....................................... 2. Cæng tõ th«ng (Flux-gate)......... 3. B¬m quang (Optical pumping).. 4. TuÕ sai h¹t nh©n (Nuclear precession)..................................... 5. Sîi quang (Fiber-optic).............. 6. HiÖu øng Hall............................ 7. Magneto-diode.......................... 8. Magneto-transistors................... 9. Quang tõ (Magneto-optic)......... 10. Cuén d©y (Pick-up coil)........... 11. GMR....................................... 12. Tranzito van spin................... 13. AMR........................................ Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 NM FM FM Applications of GMR and spin valves θ 2 )cos( h w R R R IU 21S max 〉−〈⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ↑↑ θθΔΔ M2θ2M1 θ1 I I I Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 • Ổ đĩa cứng nhỏ nhất trên thế giới (Guinness World Records): 0.85-inch (~ 2 cm) của Toshiba Corporation công bố vào ngày 16 March 2004 tại Nhật bản. Spintronics trong các ổ đĩa cứng máy tính Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3- Nhu cÇu t¨ng mËt ®é vμ dung l−îng l−u tr÷ th«ng tin y S¶n phÈm æ ®Üa cøng (HDD) cña IBM y PTN c«ng nghiÖp demo T×nh h×nh t¨ng tr−ëng cña mËt ®é l−u tr÷ cña ®Üa cøng m¸y tÝnh (HDD) trong thêi gian qua Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 T×nh h×nh t¨ng tr−ëng dung l−îng nhí cña æ ®Üa cøng m¸y tÝnh (HDD) trong thêi gian qua Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Sù ph¸t triÓn cña mËt ®é diÖn tÝch cña æ ®Üa cøng (HDD) vμ bé nhí ®éng (DRAM) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 L−u tr÷ ë møc ng.tö L−u tr÷ kiÓu hiÓn vi lùc ng.tö (AFM) vµ kü thuËt toµn ¶nh C¸c æ ®Üa tõ ®−îc t¨ng c−êng Giíi h¹n mËt ®é bÒ mÆt ng.tö Giíi h¹n diÖn tÝch tiÕp xóc AFM Giíi h¹n siªu thuËn tõ Xu thÕ ph¸t triÓn cña mËt ®é l−u tr÷ vμ c¸c h×nh thøc l−u tr÷ th«ng tin Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 CÊu t¹o cña mét ®Çu từ GMR cña æ ®Üa cøng m¸y tÝnh sö dông van spin cã ghim AFM2 θ2 M1 θ1 Líp tõ "tù do" Líp ph¶n Líp c¸ch s¾t tõ kh«ng tõ Líp tõ bÞ ghim I Cùc dÉn dßng ®iÖn Cùc dÉn dßng ®iÖn I I 2 )cos( h w R R R IU 21S max 〉−〈⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ↑↑ θθΔΔ Cấu trúc của đầu từ GMR Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 mét sè c¶m biÕn GMR th−¬ng phÈm M∙ hiÖu/kiÓu cảm biÕn GMR Khoảng tõ tr−êng lµm viÖc ®é nh¹y Ghi chó AA002 ~ 15 Oe 1.2 kA/m 4.2 mV/V Oe 52 mV/V kAm-1 Usôt ¸p = 5 kΩ * 1 mA AA003 ~ 20 - 1.6 - 3.2 - 40 - 5 kΩ * 1 mA AA004 ~ 50 - 4.0 - 1.3 - 16 - 5 kΩ * 1 mA AA005 ~ 100 - 8.0 - 0.6 - 8 - 5 kΩ * 1 mA AA006 ~ 20 - 1.6 - 3.2 - 40 - 30 kΩ * 0.3 mA AC004 ~ 20 - 1.6 - 3.2 - 40 - AB001 ~ 252 - 20 - Ghi chó: mV/VOe t−¬ng øng víi [Ura/Usôt ¸pH], trong ®ã Usôt ¸p = I.R, lµ ®iÖn ¸p sôt trªn c¶m biÕn khi được nu«i b»ng mét dßng ®iÖn kh«ng ®æi (mçi c¶m biÕn cã mét ®iÖn trë x¸c ®Þnh). B I Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Ứng dụng cảm biến GMR trong công nghiệp ô-tô MLX90316 wins Best of Sensors 2006 Gold Award Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Ứng dụng cảm biến GMR trong công nghiệp ô-tô Ứng dụng van spin làm Bộ nhớ MRAM a) b) ¤ nhí Lớp c¸ch sắt từ Lớp từ 2 Lớp từ 1 Ô nhớ trong bộ nhớ kiểu VRAM Cu CoFe CoFe R(H) R R + ΔRMøc “cao” Møc “thÊp” M« h×nh cÊu tróc cña mét « nhí c¬ së sö dông phÇn tö GMR víi c¸ch bè trÝ c¸c ®−êng ®äc vµ ®−êng ghi bit th«ng tin. IS IW Líp c¸ch ®iÖn §−êng ghi bit PhÇn tö van spin cã ghim (L−u tr÷ th«ng tin) §−êng ®äc bit §Õ thuû tinh Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 MỘT SỐ BỘ NHỚ GMR-MRAM Một số bộ nhớ GMR-MRAM mẫu (prototyp) với các thông số về dung lượng, kích thước, và thời gian truy nhập: a) IBM: 1-Kb, chip (1-mm x 1.5-mm). Thời gian truy nhập: 3–10-ns. b) Motorola: 256-Kb, chip (3.9-mm x 3.2-mm). Thời gian truy nhập: 35-ns. c) Motorola: 1-Mb, chip (4.25-mm 5.89-mm). Thời gian truy nhập: 50-ns. d) Motorola: 4-Mb, chip (4.5-mm x 6.3-mm). Thời gian truy nhập: 25-ns. e) IBM: 16-Mb, chip (7.9-mm 10-mm). Thời gian truy nhập: 30-ns. (Theo 2000 IEEE, 2001 IEEE, 2002 IEEE, 2003 IEEE và 2004 IEEE.) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 MỘT SỐ TRANSITO SPIN Conventional Electronics Nguồn Cổng Máng n+ n+ P-type Si Oxit Lớp đảo điện tích MOSFET CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tranzito hiÖu øng tr−êng ph©n cùc spin (SPFET). Hai ®iÖn cùc nguån vµ m¸ng lµ c¸c líp s¾t tõ, vÝ dô nh− Fe, cã t¸c dông phun vµ gãp c¸c ®iÖn tö cã spin ®∙ ®−îc ph©n cùc. C¸c ®iÖn tö phân cực ®i qua kªnh dÉn vµ ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng hiÖu øng tr−êng (điện trường) và từ trường. Spintronics Fe Fe Vg Fe InGaAs InAlAs Fe Nguån M¸ngCæng Kªnh dÉn (KhÝ ®iÖn tö 2-D) SPFET (Spin-FET) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Transito hiệu ứng trường phân cực spin (SPFET) Transito Johnson M F1 F2NM EF0EF0 F1 F2NM EF0EF0 M Parallel Anti-parallel - + - + IM IM F1 F2 NM F1, F2: Co NM: Cu, Ag M. Johnson, Phys. Rev. Lett. 70, 2142 (1993). Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Transito van spin (SVT) a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña tranzito van spin. Cùc bad¬ lµ mét phÇn tö van spin ë gi÷a hai líp b¸n dÉn b»ng Si, ®ãng vai trß cña emit¬ vµ colect¬. b) S¬ ®å c¸c møc n¨ng l−îng ë chç tiÕp xóc trong cÊu tróc kiÓu SMS (b¸n dÉn/kim lo¹i/b¸n dÉn), c¬ së cña øng dông tranzito van spin. Trong h×nh (a), phÇn tö van spin ®−îc thay cho líp kim lo¹i M ë trong cÊu tróc nµy. S V T S SM e- e- Van spin D. J. Monsma, et. al, Phys. Rev. Lett. 74, 5260 (1995) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Spin Light-Emitting Diode Magnetic field Spin-polarized Hole curentNon-magnetic GaAs p-type ferromagnetic semiconductor GaMnAs InGaAs n-GaAs Electro- luminescence GaAs Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 (a) Sensor GMR S N Nam ch©m vÜnh cöu Ph−¬ng tiÕp cËn víi vËt C¶m biÕn GMR N S Pit«ng Ph−¬ng chuyÓn ®éng cña pit«ng (b) C¸c c¶m biÕn GMR x¸c ®Þnh theo vÞ trÝ Một số ứng dụng khác của cảm biến GMR và TMR Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Dïng c¶m biÕn ®Ó lµm phÇn tö nh©n (a): ΔU ~ ISI0, vµ phÇn tö céng (b): ΔU ~ (I1 + I2) Cuén d©y t¹o tõ tr−êng èng thÐp C¶m biÕn GMRVÕt nøt H KiÓm tra vËt liÖu kh«ng ph¸ huû mÉu (èng thÐp) b»ng c¶m biÕn GMR. Một số ứng dụng khác của cảm biến GMR và TMR Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 (a) (b) Is Io GMR − ΔU + + - − ΔU + I1 I2 GMR + _ U a) Nguyên lý để đo dòng lớn không trực tiếp. b) Đặc tuyến V-I của cảm biến RMS đo dòng xoay chiều tần số công nghiệp (50 Hz). Độ nhạy xác định được là 35 mVrmsrA. Đo cường độ dòng điện lớn từ xa Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 (a) Sơ đồ bố trí cảm biến để đo tốc độ quay. Hệ thống gồm bánh răng bằng vật liệu từ mềm, một nam châm vĩnh cửu mà ở phần đầu có lắp một cảm biến GMR hay TMR sao cho lớp bị ghim có phương từ độ hướng xuống phía dưới, còn từ độ của lớp tự do có thể quay trong một mặt phẳng vuông góc với màn hình (hướng từ phía sau ra phía trước màn hình). Như vậy cảm biến này chỉ nhạy với thành phần của từ trường nằm dọc theo hướng của lớp bị ghim. (b) Khi bánh răng quay, các răng lần lượt di chuyển qua cảm biến và làm nhiễu đường sức từ. (c) Đường đặc trưng của điện áp ra phụ thuộc góc của cảm biến. Điều khiển vị trí góc (Angular Position monitoring) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 a) Cảm biến đặt cách mặt biên của bánh xe bằng nam châm vĩnh cửu đang quay một khoảng d. b) Đồ thị biểu diễn tín hiệu điện áp ra của cảm biến theo thời gian ứng với tốc độ quay của bánh xe là 360 vòng /phút đối với trường hợp khi d = 1 mm. Bảng nhỏ cho ở trong đồ thị này cho thấy biên độ tín hiệu đo dược phụ thuộc vào khoảng cách d, và thấy rõ tín hiệu có biên độ ổn định ở khoảng cách từ d = 0.5 mm tới d = 2 mm. Điều khiển tốc độ quay Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 TiÕp cËn spintronics t¹i ITIMS Bắt đầu từ 1995 (là đơn vị đầu tiên trong nước) ¾ Nghiªn cøu GMR trong mµng máng ®a líp vµ d¹ng h¹t (1995-2006) ¾ Nghiªn cøu GMR cña hîp kim dÞ thÓ hai pha nguéi nhanh (1999-2006) ¾ ChÕ t¹o van spin, sensor GMR vµ nghiªn cøu øng dông van spin lµm c¶m biÕn tõ truêng (2000 – nay) ¾ Nghiªn cøu hiÖu øng TMR trong c¸c cÊu tróc MTJ (2002-nay) ¾ Nghiªn cøu hiÖu øng trao ®æi dÞch (EBC) (2002-nay) ¾ Nghiªn cøu mét sè hîp chÊt half-metal (2004-nay) ¾ Nghiªn cøu cÊu tróc MTJ d¹ng ®¶o vµ hiÖn t−îng ch¾n Coulomb từ (2004-nay) ¾ Nghiªn cøu cÊu tróc MTJ d¹ng h¹t vµ hiÖu øng TMR (2005-nay) ¾ Nghiªn cøu vËt liÖu b¸n dÉn tõ (???) ¾ Nghiên cứu các hiện tượng vật lý spin mới: spin torque; spin Hall; magnetic Casimir effect, magnetic plasmon,(2008 – nay) Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 6. ITIMS VÀ CÁC ĐƠN VỊ KHÁC TRONG NƯỚC Đà NGHIÊN CỨU NHỮNG VẤN ĐỀ GÌ LIÊN QUAN ? 1. HIỆU ỨNG GMR & CẤU TRÚC VAN SPIN (ITIMS, IMS) 2. CẤU TRÚC MTJ VÀ HIỆU ÚNG TMR (ITIMS) 3. TRAO ĐỔI DỊ HƯỚNG ĐƠN HƯỚNG (TRAO ĐỔI DỊCH) (ITIMS) 4. SỰ CHẮN COULOMB TỪ VÀ SỰ XUYÊN NGẦM ĐƠN SPIN (ITIMS) 5. SẮT TỪ NỬA KIM LOẠI (HALF-METALLIC FERROMAGNETS) (ITIMS, IMS) 6. BÁN DẪN TỪ (MAGNETIC SEMICONDUCTORS & DILUTE MAGNETIC SEMICONDUCTORS ) (IMS, CRYOLAB, HUE, ITIMS) 7. Spin torque transfer (ITIMS) 8. Spin-plasmonics (ITIMS) 9. Spin Hall effect (ITIMS) 10. Magnetic Casimir effect (tương tác từ tầm xa) (ITIMS) MỘT SỐ ĐƠN VỊ Ở TRONG NƯỚC NGHIÊN CỨU VỀ SPINTRONICS MỚI BẮT ĐẦU TRIỂN KHAI VÀ DỰ KIẾN TRIỂN KHAI Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 1. GMR: Co-Ag; Co-Cu; NiFe-Ag; Co/Ag/Co; Co/Cu/Co; Co/Ag/NiFe; CoFe/Ag(Cu)/CoFe; CoNiFe/Ag(Cu)/CoNiFe; ... 2. ChÕ t¹o van spin: Co/Ag/Co; Co/Cu/Co; NiFe/Ag/NiFe; FeMn/Co(NiFe)/Ag/NiFe(Co); NiMn/Co/Ag(Cu)/NiFe(Co); PdMn/Co/Ag/NiFe; ... 3. MTJ/TMR & Chắn Coulomb từ: Co/Al2O3/NiFe; Co/Al2O3/Co; Co/Co-Al-O/Co; Co-Al-O; Co/Al2O3/Co/Al2O3/Co 4. Half-metals: HÖ Heusler: Ni(Co, Cu)-Mn-Sb(Si, Al, Sn, Bi) (d¹ng mµng máng vµ khèi); FM-CrAl (dạng màng mỏng) - FM = Fe, Ni, Co, CoFe, NiFe,... Hệ oxyt: CrO2 ; NiMnSb; FM-CrAl (d¹ng mµng máng) 5. EBC: MnPd/Co; MnNi/Co; MnCr/Co; MnPd/NiFe; MnPt/Co; MnPt/NiFe; MnNi/NiFe; IrMn/Co(CoFe); {MnPd/Co}10. CÁC nGHIÊN CỨU CỤ THỂ t¹i ITIMS CỦA NHÓM spintronics Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 6. DMS: ZnO:Co 7. Spin-plasmonics: Co/Ag; Co/Cu; NiFe/Ag; CoFe)/Ag; Co-Ag; Co- Cu; Co/Al2O3; Co-Al2O3. 8. Hiệu ứng Casimir từ - tương tác từ tầm xa trong các MTJ: Co/Al-O/Co; Co/Ag/Co; NiFe/Ag/Co; Co/Cu/Co; NiFe/Cu/Co; 9. Bộ chuyển đổi từ điện: - Sử dụng cảm biến van spin kim loại mắc theo kiểu mạch cầu Wheatston chế tạo các bộ chuyển đổi từ-điện. - Bộ đo từ trường, khoảng cách, góc, vận tốc, gia tốc, khối lượng, áp lực/áp suất. - Các bộ chuyển mạch cơ-điện sử dụng van spin CÁC nGHIÊN CỨU CỤ THỂ t¹i ITIMS CỦA NHÓM spintronics Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.6. Phân tử và nguyên tử từ cô lập Các chùm phân tử từ (magnetic molecular clusters) - còn gọi là các nam châm nano phân tử (molecular nanomagnets) hoặc các nam châm đơn phân tử (single- molecule magnets: SMM) - là những giới hạn nhỏ cuối cùng của hệ từ khi đi từ khối đến các nguyên tử. Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 - Ở các hệ SMM đang kỳ vọng quan sát thấy các hiện tượng lượng tử vì chúng có cấu trúc rất xác định với trạng thái spin nền và dị hướng từ rất đặc trưng. - Các phân tử từ này có thể được điều khiển để lắp ráp thành các tinh thể từ lớn mà ở đó tất cả các phân tử thường có cùng hướng. Vì vậy từ các phép đo vĩ mô có thể suy trực tiếp đến các tính chất của phân tử đơn. 3.6. Phân tử và nguyên tử từ cô lập - Một phân tử từ, tương tự một nam châm nano nhỏ, phải có một dị hướng từ rõ rệt và phải có một spin trạng thái cơ bản lớn. Sơ đồ của một lõi từ của chùm Fe8 O N C Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 3.7. Các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các đặc trưng cấu trúc từ nano 1- Hiển vi điện tử (SEM, CTEM, STEM) cho độ phân giải ~ 0.25 – 0.1 nm đ/v UA ~ 200 – 1250 V 2- Hiển vi Lorentz 3- Hiển vi lực từ (MFM) SỰ PHÂN BỐ CÁC CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU NANO TỪ TRÊN THẾ GIỚI Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010 PHỤ LỤC NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 • Những thách thức chung • Những thách thức riêng 1- Các cấu trúc MTJ trong MRAM tổ hợp với CMOS 2- Các thách thức về kết cấu/kiến trúc nanoelectronic NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 NHỮNG THÁCH THỨC CỦA SP↑NTRON↓CS TRONG TƯƠNG LAI Những thách thức chung • Số các khái niệm sử dụng trong spintronics rất lớn: Phương trình Shockley: Sự thành công khoa học ∝ {Số các khái niệm được bao gồm}! ( bao trùm toàn bộ các vấn đề của vật lý chất rắn : kim loại - bán dẫn - điện môi - siêu dẫn • Là một lĩnh vực liên ngành Ä cần phải phát huy một cách tích cực tất cả vốn hiểu biết cơ sở Ä tạo ra một thách thức lớn. • Các vấn đề liên quan đến lượng tử spin, rối lượng tử và thông tin lượng tử. Liên ngành là gì ? Một lĩnh vực được gọi là liên ngành khi các hoạt động nghiên cứu của nó được sự hỗ trợ, tổ hợp của nhiều tri thức khoa học và công nghệ thuộc nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm giúp cho việc hiểu biết đúng đắn hơn, chính xác hơn đối với các sự vật hay hiện tượng phúc tạp, hoặc tạo ra những sản phẩm, những hoạt động động cụ thể có những tính năng, tính chất thuộc về nhiều lĩnh vực, nhiều ngành thành phần, nhằm giải quyết các vấn đề (kể cả tri thức hiểu biết) mà riêng mỗi ngành, mỗi lĩnh vực thành phần không có khả năng hoặc không thể giải quyết được một cách tốt nhất. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Những thách thức riêng 1- Các cấu trúc MTJ trong MRAM tổ hợp với CMOS • Vấn đề xung khắc/cạnh tranh về nhiệt độ xử lý khi tổ hợp cấu trúc MTJ với CMOS trong các bộ MRAM: Một số quá trình CMOS chuẩn xảy ra ở nhiệt độ Ta ~ 4000C, trong khi ở nhiệt độ này hiệu ứng TMR lại giảm nghiêm trọng, có thể giảm từ 40 % (ở ~ 250-270oC) xuống còn 1-2 %. • Vấn đề độ đồng đều của điện trở bề mặt RA (resistance-area) trên bề mặt phiến bán dẫn (wafer) rộng. Có nhiều kỹ thuật để tạo ra lớp rào thế ôxýt Al-O, và kỹ thuật được ưa chuộng sử dụng nhất là plasma (do đơn giản và tính cạnh tranh công nghiệp). Các kỹ thuật khác nhau gây ra sự khác nhau về độ đồng đều của điện trở MTJ. Chìa khoá cho một cấu trúc MTJ có RA đồng đều là chiều dày của lớp Al phải có độ đồng đều cao. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Những thách thức riêng • Vấn đề tạo ra vật liệu MTJ có RA rất thấp. Trong MRAMs, các bits càng nhỏ đòi hỏi vật liệu MTJ có RA càng thấp. Trong đầu đọc ổ cứng sử dụng hiệu ứng TMR cũng đòi hỏi vật liệu MTJ có RA thấp. Với cấu trúc MTJ thông thường, chiều dày lớp AlO dưới 1 nm (ứng với TMR ~ 20%), RA ~ 400 Ω-μm2 (đây là giá trị cần tiệm cận đến đối với MRAM trong tương lai và gần với giá trị mà các đầu đọc ổ cứng sẽ phải đạt). 2- Các thách thức về kết cấu/kiến trúc nanoelectronic • Vấn đề giảm thiểu công suất-nhiệt (P/H): phân tán/phân bố đều công suất, tản nhiệt và loại trừ các điểm phát nhiệt tập trung; • Vấn đề độ bền/chắc chắn (reliablity) (REL): phải được tăng lên qua độ dư thừa về không gian và thời gian, hoặc cả hai, nhưng các yếu tố dư thừa cần phải (rất) nhỏ; • Vấn đề kiểm định (TST): liên quan đến giá thành, phải được giảm thiểu; NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 • Vấn đề kết nối (connectivity) (CONN): giảm đồng thời cả chiều dài và số các kết nối trong cấu trúc (liên quan đến dây dẫn, ảnh hưởng đến REL); • Vấn đề thông tin liên lạc (COMM) giữa các cấu trúc phải sử dụng các phương pháp tối ưu; • Vấn đề tổ hợp lai (hybrid integration) (HYB): phải được tạo ra, bao gồm cả thiết kế hỗn hợp và tiếp xúc bề mặt; • Vấn đề logic và mã hoá/giải mã (L/C): phải được tối ưu để giảm các mạch chuyển đổi (switching), tính toán và thông tin liên lạc; - Vấn đề cải tiến thuật toán (ALG): ví dụ vấn đề xác suất; - Vấn đề tính phức tạp trong thiết kế (design complexity) (DCOM): cần phải được suy giảm (ví dụ bằng cách sử dụng lại). NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 -5% 15% -5% 5% 10% 5% 5% 5% 5% 5% 10% 5% 5% -10% -10% -5% 10% -10% -10% 5% ALG DCOM Algorithms DesignComplexity ALG DCOM Phân loại thứ hạng (theo tầm quan trọng) các thách thức về kết cấu nanoelectronic (100%) "Tầm quan trọng" của mỗi thách thức được thể hiện qua tỷ lệ %. Tổng cộng tất cả các thách thức là 100 %. D Cấu trúc của các kết cấu nanoelectronics có thể sẽ phải khác đi NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Các giải pháp cho các thách thức về kết cấu nanoelectronic - Giải pháp ngắn hạn/trước mắt: điều chỉnh thích ứng, đồng thời, kết nối, biến đổi - Giải pháp trung hạn: đồng bộ cục bộ chưa đồng bộ toàn bộ (GALS), VD: GOLE - Giải pháp dài hạn: tính đến điện tử học phân tử và tính toán/máy tính lượng tử, người máy bằng tế bào dot lượng tử và cạnh tranh sinh học. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 Trong tương lai gần, sẽ có những linh kiện ở đó tổ hợp các loại linh kiện có những chức năng khác nhau: hybrid system-on-chip NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010 KẾT LUẬN CHUNG VỀ VẬT LIỆU TỪ NANO & SPINTRONICS NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010