- Tên đề tài: Công nghệ Spintronics. - Sự phát triển của khoa học công nghệ đã đem lại những diện mạo mới cho cuộc sống con người và công nghệ điện tử viễn thông . - Tuy nhiên, công nghệ điện tử truyền thống đang tiến đến những giới hạn cuối cùng của kích thước thang vi mô, mà đang bắt đầu được thay thế bởi một thế hệ mới với sự ra đời của khoa học và công nghệ nano. - Phát kiến này góp phần tạo ra một lĩnh vực mới là spintronics (điện tử học spin), ngành nghiên cứu nhằm tạo ra một thế hệ linh kiện điện tử mới, sử dụng đồng thời hai thuộc tính của điện tử là điện tích và spin. - Spintronic- điện tử học Spin là sản phẩm của khoa học và công nghệ nano mà đối tượng của nó là điều khiển spin tạo ra một thế hệ linh kiện điện tử mới. - Đến năm 2000 một Trung tâm nghiên cứu Khoa học về spin điện tử (eSSC) lại được tiếp tục thành lập ở Đại học Pohang do GS. - Đề tài spintronics đã chiếm một vị thế quan trọng tại các cuộc hội nghị về Từ, về Bán dẫn, về Công nghệ nanô và về Điện tử trên thế giới. - Người ta đã không ngần ngại mà kết luận rằng: Spintronics sẽ là thế hệ linh kiện thế kỷ 21 thay cho các linh kiện điện tử truyền thống điều khiển điện tích của điện tử đã lỗi thời. - Spintronics không chỉ là một trong những hướng công nghệ sẽ phát triển mạnh trong tương lai, sẽ có tác động mạnh mẽ đến các công nghệ điện tử-tin học-viễn thông, kể cả trong lĩnh vực quân sự, của thế kỷ 21, mà còn là một trong những hướng quan trọng của công nghệ nano nhằm tạo ra những linh kiện, dụng cụ điện tử hoạt động theo những nguyên lý mới hoàn toàn.. - Hiểu thêm về các kinh kiện điện tử được tạo ra từ công nghệ Spintronics. - Tìm hiểu các linh kiện điện tử thực tế.. - Cấu tạo, hoạt động của các linh kiện được tạo ra từ công nghệ Spintronics.. - Nghiên cứu các công nghệ chế tạo ra các linh kiện Spintronics.. - Điện tích điện tử. - Điện tích của điện tử được gọi là điện tích nguyên tố và có giá trị đặc trưng là e C, và đã được con người khai thác từ rất lâu mà đặc trưng đơn giản đó là dòng điện. - Các linh kiện điện tử truyền thống sử dụng điện trường để điều khiển điện tích của điện tử trong các linh kiện. - Spin của điện tử. - Điện tử ngoài mômen động lượng và mômen từ do chuyển động quay xung quanh hạt nhân mà có còn có mômen động lượng riêng và mômen từ riêng do chuyển động tự quanh mình nó. - Spin của điện tử có độ lớn là ±1/2, và có thể định hướng theo 2 chiều là chiều lên ↑ (spin up) và chiều xuống ↓ (spin down). - Mott cho rằng ở nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ. - Điện tử khi truyền qua các lớp từ tính sẽ tán xạ phụ thuộc vào sự định hướng tương đối giữa véctơ từ độ và spin của điện tử. - Khi có từ trường từ hóa, véctơ từ độ sẽ đảo chiều hướng theo chiều từ trường, dẫn đến việc thay đổi sự tán xạ của hai dòng điện tử (xem hình vẽ) do vậy thay đổi điện trở của "mạch điện". - Cơ chế này được lý giải bằng một câu ngắn gọn là "Tán xạ phụ thuộc vào spin của điện tử".. - Người ta đưa ra khái niệm độ phân cực spin của dòng điện tử cho bởi công thức:. - Nhóm đã khai thác một đặc tính là tính phản sắt từ trong Cr chủ yếu phát sinh từ các điện tử dẫn hơn là từ các mômen từ nguyên tử. - Các điện tử này tồn tại trong các sóng mật độ spin (Spin density waves - SDWs), mà ở đó mật độ spin của điện tử thay đổi theo hàm sin (cả về chiều, độ lớn) với vị trí - gọi là sóng spin. - Mặc dù tia X không thể dò tìm một cách trực tiếp sóng spin, mỗi sóng spin lại tỉ lệ với sóng mật độ điện tích điện tử (charge density wave - CDW), mà sự có mặt của sóng này có thể được ghi nhận bằng cách sử dụng kỹ thuật phổ tương quan photon tia X (X-ray photon correlation spectroscopy - XPCS). - Hiệu ứng từ điện trở (MR). - MR xảy ra do lực Lorentz tác động lên chuyển động của các điện tử. - Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR). - Các nghiên cứu về sau tiếp tục phát triển và lý giải hiệu ứng này, và tính từ "khổng lồ" không còn được hiểu theo nghĩa độ lớn của hiệu ứng từ điện trở nữa, mà hiểu theo cơ chế tạo nên hiệu ứng: đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử.. - Vì độ dày của của lớp không từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của điện tử, nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác. - Khi di chuyển trong các lớp vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào định hướng spin của chúng. - Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR.. - Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên magnon. - Khi có các phần tử mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng khác nhau về mômen từ (do tác động của từ trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của chất rắn.. - Cụ thể là hai hiệu ứng này sẽ bị triệt tiêu nếu quãng đường tự do của điện tử nhỏ hơn chiều dày màng ngăn cách.. - Hiệu ứng từ điện trở chui hầm. - Spintronics là từ ghép giữa Spin electronics được dịch ra là Điện tử học spin hay kỹ thuật điện tử spin. - Spintronics là thế hệ linh kiện mới khai thác đồng thời hai thuộc tính của điện tử là spin và điện tích.. - Các linh kiện điện tử cơ bản (linh kiện logic) dựa trên sự vận chuyển các vách đômen là một hướng nóng bỏng trong thế giới Spintronics.. - Định nghĩa công nghệ Spintronics.. - Công nghệ Spintronics chính là sự kết hợp của hai lĩnh vực điện tử học và từ học nhằm tạo ra các chức năng mới cho vi điện tử hiện đại. - Nói một cách đơn giản, công nghệ Spintronics là một ngành nghiên cứu mới nhằm tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển và thao tác spin của điện tử.. - Vào năm 1927, Erwin Schrödinger đã thiết lập phương trình cho chuyển động cơ học lượng tử cho các điện tử, nhưng nó lại cũng vấp phải vấn đề là chính các điện tử cũng là các hạt tương đối tính. - Thứ hai là điện tử phải có một mômen động lượng riêng, hay còn gọi là spin, mà chỉ có hai chiều định hướng (hướng lên trên - up, hướng xuống dưới - down) theo chiều của từ trường đặt vào. - Trong ngành điện tử thì cuộc cách mạng về điện tử bắt đầu vào năm 1947 khi nhóm của William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain ở Phòng thí nghiệm Bell phát minh ra transistor bán dẫn đầu tiên dẫn đến việc hình thành lên nền công nghiệp các linh kiện điện tử bán dẫn. - Về mặt bản chất vật lý, các linh kiện này dựa trên việc điều khiển dòng điện tích của điện tử. - Các linh kiện điện tử, từ các lò vi sóng cho đến các thiết bị trong thiên văn, vũ trụ học vẫn chỉ khai thác duy nhất thuộc tính điện tích của điện tử, hay nói cách khác, công nghiệp bán dẫn đã chút nữa bỏ quên mất thuộc tính spin của điện tử sau hơn 70 năm phát hiện spin của điện tử. - Nếu như định luật Moore còn tiếp tục, ta sẽ phải tìm ra một cách khác với kỹ thuật vi điện tử truyền thống - và đây chính là thời kì mà spin của điện tử cần được khai thác trong các linh kiện điện tử.. - Sự phát hiện ra hiệu ứng GMR đã mở ra khả năng chế tạo các linh kiện điện tử kiểu mới, hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin, gọi là spintronics. - Công nghệ spintronics được đánh giá là một trong những hướng mũi nhọn của thế kỷ 21, là một hướng phát triển mới của điện tử học mà ở đó spin của điện tử là đối tượng được quan tâm khai thác nhằm bổ xung hoặc thay thế cho việc sử dụng điện tích của điện tử, để tạo ra những chức năng mới và ưu việt cho các linh kiện và thiết bị điện tử hiện đại.. - Trong khi mà các linh kiện truyền thống trên nguyên lý chỉ là sự điều khiển dòng các điện tích thì một linh kiện spintronic cũng sẽ là điều khiển dòng spin của điện tử (gọi là dòng spin) trong các linh kiện, tạo ra thêm một bậc tự do nữa. - Bởi vì spin của điện tử có thể đảo chiều (đảo giữa 2 chiều up và down) nhanh hơn rất nhiều so với việc điều khiển dòng điện tích chạy trong mạch điện, do đó các linh kiện spintronic sẽ hoạt động nhanh hơn và tiêu tốn ít nhiệt hơn nhiều so với các phần tử vi điện tử truyền thống. - Tuy nhiên, để có thể tạo ra cuộc cách mạng spintronic, các nhà nghiên cứu cần tìm ra cách để tiêm, thao tác và ghi nhận spin của điện tử trong các chất bán dẫn bởi dường như các vật liệu này vẫn chiếm vị trí trung tâm trong vật lý các linh kiện trong một tương lai có thể dự đoán được. - Nhìn chung các linh kiện spintronics được đánh giá là có thể sẽ giữ vai trò chủ đạo và thay thế các linh kiện điện tử truyền thống vào khoảng từ 2020 trở đi (hình 7). - Ngành tư pháp và quân đội Mỹ đã có những dự án nghiên cứu chế tạo các thiết bị điện tử nhạy với từ trường yếu theo nguyên lý của spintronics, đến mức có thể đo được từ xa từ trường có cường độ chỉ cỡ femto-Tesla.. - Trong MRAM, thông tin không được lưu trữ bởi điện tích của điện tử như bộ nhớ bán dẫn mà được lưu trữ bởi spin của điện tử, mà cụ thể là theo sự định hướng của moment từ theo 2 chiều. - MRAM chính là một sản phẩm của công nghệ spintronics, điều khiển các spin của điện tử trong các linh kiện mới mà những thành tựu của nó được phát triển từ các kết quả nghiên cứu về vật liệu từ nano (hiệu ứng từ điện trở, từ trễ. - Cảm biến sinh học dựa trên kỹ thuật điện tử spin Một lĩnh vực ứng dụng mới rất được quan tâm của các vật liệu sử dụng công nghệ Spintronics có cấu trúc nano là việc kết hợp nó với công nghệ sinh học và y sinh học. - Một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử cơ bản gồm có một dãy các phần tử cảm biến. - Nguyên lý của biochip sử dụng công nghệ spin điện tử đã được sử dụng để dò tìm các biểu hiện của các phân tử sinh học trong các mô hình liên kết như liên kết biotin-streptavidin, immunoglobulinG - Protein A và AND - cADN, trong các phát triển ứng dụng dùng cho việc dò tìm các chất độc trong vũ khí sinh học và gần đây nhất là ứng dụng trong việc dò tìm các tế bào từ vi sinh vật gây bệnh. - Bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử có tiềm năng lớn trong việc tích hợp các cảm biến sinh học tiên tiến. - Do vậy, sự quan tâm của các phòng thí nghiệm và các công ty cũng như số lượng các nghiên cứu trong lĩnh vực sử dụng công nghệ spin điện tử này vẫn đang tiếp tục tăng lên không ngừng.. - Cảm biến sinh học dựa trên kỹ thuật điện tử spin đang được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm công nghệ micro-nano, trường ĐH Công nghệ.. - Gần đây, các nhà khoa học Hàn Quốc đã chế tạo thành công linh kiện điện tử thế hệ mới có tên là “spin transitor. - Cực S sẽ tiêm các điện tử có spin song song với chiều truyền dẫn và điện tử chỉ có thể chuyển động trong một kênh đó. - Khi đến cực D, spin của điện tử sẽ được ghi nhận nhờ cực sắt từ và một cách đơn giản, chỉ điện tử nào có spin cùng chiều với từ độ sẽ được đi vào. - trong các linh kiện quang điện tử. - Trong SVT các điện tử chuyển động vuông góc với các lớp van spin với năng lượng cao hơn độ cao của hang rào Schottky ở cực góp.. - Máy tính lượng tử này dựa trên công nghệ Si, Ge và GaAs đã và đang là nền tảng của công nghiệp điện tử - viễn thông hiện đại: sử dụng tính chất xoay của các điện tử trong cặp chấm lượng tử. - Lớp ở giữa là một giếng lượng tử dày 6 nm giam cầm điện tử theo chiều thẳng đứng được làm từ bán dẫn Si không pha tạp, hai rào thế hai bên dày 10 nm (dưới) và 20 nm (trên) được làm từ bán dẫn không pha tạp cho chiều cao rào thế tương ứng. - Tùy theo các điện áp đặt vào cổng trên mà, hai điện tử sẽ tách ra xa nhau hoặc xích lại gần nhau. - Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ Spintronics. - Cản quang là các chất có tính chất bị biến đổi dưới tác dụng của các bức xạ (ánh sáng, điện tử. - Người ta phủ vật liệu cần tạo lên đế, sau đó phủ chất cản quang rồi đem chiếu điện tử. - Tùy theo bức xạ sử dụng mà ta sẽ có các phương pháp lithography khác nhau như photolithography (quang khắc) hay electron beam lithography (quang khắc chùm điện tử. - Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử.. - Electron beam lithography (quang khắc chùm điện tử, EBL) là phương pháp khắc bằng cách sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao làm biến đổi các chất cản quang phủ trên bề mặt phiến. - Các thiết bị chùm iôn hội tụ hiện nay bao gồm 2 chùm tia: một chùm iôn để thực hiện các thao tác chế tạo, và một chùm điện tử hẹp dùng để tạo ảnh, quan sát trực tiếp quá trình làm việc.. - Kính hiển vi điện tử. - Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. - Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.. - Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron microscopy, viết tắt: TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.. - Ưu điểm của linh kiện Spintronics Có thể nói rằng, spintronics sẽ là tương lai của công nghệ điện tử hiện nay, dựa trên nền tảng của từ học, kết hợp với nhiều thành tựu của các ngành khác: quang, điện tử học. - với những ưu điểm nổi trội hơn hẳn công nghệ điện tử hiện nay. - Tiêu thụ ít năng lượng hơn: Việc chuyển trạng thái 0 và 1 trong các linh kiện điện tử truyền thống được thực hiện bằng cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi các kênh của transistor. - Người ta dự đoán rằng công nghệ spintronics sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển của công nghệ điện tử - tin học - viễn thông trong thế kỷ 21. - Các đặc trưng của các thiết bị điện tử thế hệ mới này có tính tổ hợp cao (cả điện tử hoc, từ học và quang tử), đa chức năng, thông minh, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng nhưng hiệu suất cao, xử lý và khả làm tươi thông tin với tốc độ rất cao và đặc biệt là có khả năng kết nối internet, liên lạc không dây và điều khiển từ xa. - Làm cho các linh kiện điện tử trở nên nhỏ hơn, chất lượng hơn, nhanh hơn, rẻ hơn, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và tạo ra các yếu tố cạnh tranh cho nền kinh tế tri thức của quốc gia. - Nhược điểm của linh kiện Spintronics Tuy nhiên, để có thể tạo ra cuộc cách mạng spintronic, các nhà nghiên cứu cần tìm ra cách để tiêm (inject), thao tác (manipulate) và ghi nhận spin của điện tử trong các chất bán dẫn bởi dường như các vật liệu này vẫn chiếm vị trý trung tâm trong vật lý các linh kiện trong một tương lai có thể dự đoán được. - Các đặc trưng của các thiết bị điện tử thế hệ mới này có tính tổ hợp cao (cả điện tử hoc, từ học và quang tử), đa chức năng, thông minh, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng nhưng hiệu suất cao, xử lý và khả làm tươi (refresh) thông tin với tốc độ rất cao. - Spintronics, sự kết hợp giữa từ học với điện tử học, sẽ tạo ra một thể loại mới về mặt chức năng trong công nghệ vi điện tử và tạo nên những linh kiện điện tử có những tính năng hoàn toàn mới. - Còn có nhiều thách thức ở phía trước, nhưng Spintronics sẽ góp phần đưa công nghệ điện tử-tin học-viễn thông lên một tầm phát triển ở trình độ mới, cao hơn ở trong thế kỷ 21. - Cuối cùng, chúng tôi xin nêu lên (nguyên văn) một nhận xét có tính tiên đoán từ năm 1959 của nhà vật lý Mỹ Richard Feynman về khả năng sử dụng đến spin của điện tử trong tương lai để kết luân rằng spin chính là cái đích tiếp theo của điện tử truyền thống (bài nói chuyện với câu nói nổi tiếng của Feynman:“There’s Plenty of Room at the Bottom”, 1959 APS Meeting): “...computers with wires no wider than 100 atoms, a microscope that could view individual atoms, machines that could manipulate atoms 1 by 1, and circuits involving quantized energy levels or the interactions of quantized spins”. - Ở hình bên cạnh, nhận dạng phân tử sinh học đạt được bằng cách nhận biết từ trường tán xạ tạo bởi label từ nhờ bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử.. - Nguyên lý của kỹ thuật chùm iôn hội tụ 2 chùm tia: một chùm iôn để thao tác, một chùm � HYPERLINK "http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_t%E1%BB%AD" \o "Điện tử" �điện tử� hẹp để ghi lại ảnh quá trình thao tác. - Tương tác của chùm iôn với bề mặt chất rắn: gây các nguyên tử bị bốc bay, phún xạ, phát xạ điện tử thứ cấp.... - Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét. - Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa học Vật liệu