Trong cuộc đua phát triển linh kiện điện tử thế hệ mới, spintronics đang mở ra hướng đi triển vọng, giúp nâng cao hiệu suất các thiết bị lưu trữ thông tin và cảm biến từ trường. Chìa khóa của công nghệ này nằm ở việc kiểm soát chính xác tính chất điện - từ của vật liệu, đặc biệt là màng mỏng đa lớp từ tính. Tuy nhiên, một thách thức lớn đặt ra là việc chế tạo được vật liệu từ dạng màng mỏng có cấu trúc nano với chi phí thấp trên một diện tích mẫu lớn, đồng thời có thể điều chỉnh linh hoạt tính chất theo nhu cầu ứng dụng.

Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã phát triển phương pháp mới, sử dụng các màng mỏng từ đa lớp với cấu trúc nano xốp. Giải pháp công nghệ mới này không chỉ có khả năng tối ưu hóa các tương tác từ mà còn cải thiện hiệu suất vận chuyển điện tử, tiết kiệm chi phí và có thể áp dụng ngay tại Việt Nam.

Việc chế tạo các cấu trúc nano trên diện tích lớn với độ đồng nhất cao là một bài toán quan trọng trong nghiên cứu vật liệu và công nghệ chế tạo vi mạch. Các phương pháp truyền thống như khắc chùm tia điện tử (EBL) tuy đạt độ phân giải cao nhưng lại rất tốn kém và khó mở rộng quy mô. Trong khi đó, những phương pháp mới như tự lắp ráp hoặc sử dụng đế xốp nano (AAO, ATO) đang trở thành lựa chọn triển vọng nhờ khả năng tạo ra các mảng antidot trên diện tích lớn với chi phí thấp. Tuy nhiên, ở Việt Nam, cho tới nay các nghiên cứu về vật liệu từ màng mỏng vẫn chủ yếu giới hạn ở các hệ màng đơn lớp dạng phẳng hoặc cấu trúc có kích thước lớn ~ micro đến milimet, trong khi các màng đa lớp có cấu trúc nano với hiệu ứng từ độc đáo như dị hướng từ vuông góc, trao đổi dịch theo phương vuông góc vẫn còn nhiều tiềm năng chưa được khai thác.Nhận thấy tiềm năng lớn trong lĩnh vực này, TS. Nguyễn Thị Ngọc Anh và nhóm nghiên cứu đã đề xuất và được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt thực hiện nhiệm vụ: “Điều biến các tương tác từ và cơ chế vận chuyển điện tử phụ thuộc spin giữa các lớp trong các màng mỏng từ đa lớp [Co/Pd]/X/[Co/Pd] (X = NM, AFM) có cấu trúc nano cho các ứng dụng spintronic” (mã số: QTBY01.02/23-24), trong khuôn khổ hợp tác với Quỹ nghiên cứu cơ bản Cộng hòa Belarus.

TS. Nguyễn Thị Ngọc Anh và TS. Julia Vladimirovna Kasiuk trong chuyến thăm và làm việc tại Khoa Vật lý, Đại học Tổng hợp Quốc gia Belarus, năm 2024

Chế tạo và khảo sát tính chất màng mỏng từ

Trong khuôn khổ nghiên cứu, nhóm đã chế tạo màng mỏng với 2 dạng phẳng và xốp, bằng cách sử dụng đế nano xốp AAO có độ đồng đều cao, trên diện tích rộng, kích thước lỗ xốp linh hoạt từ 20 - 80 nm. Bước tiến này không chỉ giúp tối ưu hóa tính chất từ của vật liệu mà còn mở ra cơ hội ứng dụng trong nhiều thiết bị công nghệ cao như cảm biến từ trường siêu nhạy hay bộ nhớ từ thế hệ mới.

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của đế xốp AAO

Thông qua các thí nghiệm đo từ tính và từ trở, nhóm đã làm rõ vai trò của lớp đệm kim loại (Pd, Cu, IrMn...) ảnh hưởng đến tương tác giữa các lớp từ tính. Đặc biệt, khi sử dụng lớp đệm Pd vốn có tính phân cực từ cao - màng xốp thể hiện sự tăng cường đáng kể tương tác từ giữa các lớp từ tính, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với việc thiết kế các linh kiện spintronics hiệu suất cao.

Kết quả đo từ trở của màng [Co/Pd]/Pd8/[Co/Pd] a) phẳng và b) xốp, dp ~ 20 nm đo theo phương vuông góc

TS. Nguyễn Thị Ngọc Anh cho biết, thành công trong việc chế tạo màng mỏng đa lớp cấu trúc nano xốp không chỉ mang lại lợi ích kinh tế và đơn giản hóa quy trình sản xuất, mà còn mở ra nhiều hướng ứng dụng mới cho các thiết bị điện tử từ tính thế hệ mới. Đặc biệt, việc sử dụng màng xốp với kích thước lỗ nhỏ (dp ≤ 20 nm) đã giúp cải thiện đáng kể tính dị hướng từ của màng (HC tăng cao) mà vẫn giữ được các đặc trưng quan trọng như từ trở, cho thấy tiềm năng lớn trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị spintronic. Thành công này không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình chế tạo vật liệu mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn, tạo tiền đề cho những tiến bộ trong công nghệ lưu trữ và cảm biến từ.Kết quả của đề tài đã được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín, bao gồm một bài báo ISI trên IEEE Transactions on Magnetics (IF = 2.1), một bài báo Scopus trên Advanced Natural Science: Nanoscience and Nanotechnology (IF = 1.7), một bài trên tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên (TNU Journal of Science and Technology)  thuộc hệ thống trích dẫn ASEAN Citation Index (ACI) và 2 bài báo được công bố trên các kỷ yếu hội nghị quốc tế và nhiều báo cáo khoa học trong các hội nghị, hội thảo trong và ngoài nước.Công tác đào tạo đã đạt được kết quả đáng ghi nhận. Trong đó, 3 cử nhân bảo vệ thành công luận văn tốt nghiệp. Một cử nhân đạt số điểm 9,9/10 và giành giải Nhì Sinh viên Nghiên cứu Khoa học năm 2023, 2 cử nhân khác cũng đạt số điểm 9,9/10 và nhận giải Khuyến khích Sinh viên Nghiên cứu Khoa học năm 2024. Ngoài ra, nghiên cứu còn hướng tới mục tiêu đào tạo bậc cao, góp phần nâng cao thứ hạng quốc tế trong các công bố khoa học về giải pháp công nghệ mới. Đây cũng là tiền đề để xây dựng và củng cố các mối quan hệ hợp tác quốc tế. Với tiềm năng ứng dụng lớn, nhóm nghiên cứu kỳ vọng sẽ tiếp tục phát triển công nghệ này, hợp tác chặt chẽ với các đối tác quốc tế để chuyển giao những phát hiện mới nhất vào thực tiễn, mở ra tương lai cho ngành công nghiệp điện tử từ thế hệ mới.