Magnetooporność tunelowa - Tunnel magnetoresistance

Złącze tunelowe magnetyczne (schemat)

Magnetooporność tunelowa ( TMR ) to zjawisko magnetorezystancyjne występujące w magnetycznym złączu tunelowym ( MTJ ), które jest elementem składającym się z dwóch ferromagnesów oddzielonych cienkim izolatorem . Jeśli warstwa izolacyjna jest wystarczająco cienka (zazwyczaj kilka nanometrów ), elektrony mogą przechodzić z jednego ferromagnetyka do drugiego. Ponieważ proces ten jest zabroniony w fizyce klasycznej, magnetooporność tunelowa jest zjawiskiem ściśle kwantowo-mechanicznym .

Złącza tunelowe magnetyczne produkowane są w technologii cienkowarstwowej . Na skalę przemysłową osadzanie folii odbywa się metodą napylania magnetronowego ; W skali laboratoryjnej wykorzystuje się również epitaksję z wiązek molekularnych , pulsacyjne osadzanie laserowe i fizyczne osadzanie wiązką elektronów z fazy gazowej . Połączenia są przygotowywane metodą fotolitografii .

Opis fenomenologiczny

Kierunek dwóch namagnesowań folii ferromagnetycznych może być przełączany indywidualnie przez zewnętrzne pole magnetyczne . Jeśli namagnesowania są w orientacji równoległej, jest bardziej prawdopodobne, że elektrony przejdą przez warstwę izolacyjną, niż w przypadku orientacji przeciwnej (antyrównoległej). W konsekwencji takie złącze może być przełączane pomiędzy dwoma stanami rezystancji elektrycznej , jednym o niskiej rezystancji , a drugim o bardzo wysokiej rezystancji.

Historia

Efekt został odkryty w 1975 roku przez Michela Jullière'a (Uniwersytet w Rennes, Francja) w połączeniach Fe / Ge - O / Co w temperaturze 4,2 K. Względna zmiana oporu wyniosła około 14% i nie wzbudziła większego zainteresowania. W 1991 roku Terunobu Miyazaki ( Uniwersytet Tohoku , Japonia) stwierdził zmianę o 2,7% w temperaturze pokojowej. Później, w 1994 roku, Miyazaki znalazł 18% w złączach żelaza oddzielonych amorficznym izolatorem z tlenku glinu, a Jagadeesh Moodera znalazł 11,8% w złączach z elektrodami CoFe i Co. Najwyższe efekty zaobserwowane w tym czasie w przypadku izolatorów z tlenku glinu wynosiły około 70% w temperaturze pokojowej.

Od 2000 roku trwają prace nad barierami tunelowymi z krystalicznego tlenku magnezu (MgO). W 2001 roku Butler i Mathon niezależnie dokonali teoretycznej prognozy, że używając żelaza jako ferromagnetyka i MgO jako izolatora, magnetooporność tunelu może osiągnąć kilka tysięcy procent. W tym samym roku Bowen i in. byli pierwszymi, którzy donieśli o eksperymentach wykazujących znaczący TMR w magnetycznym złączu tunelowym opartym na MgO [Fe/MgO/FeCo(001)]. W 2004 roku Parkin i Yuasa byli w stanie wykonać złącza Fe/MgO/Fe, które osiągają ponad 200% TMR w temperaturze pokojowej. W 2008 roku w złączach CoFeB/MgO/CoFeB zaobserwowano efekty sięgające 604% w temperaturze pokojowej i ponad 1100% w temperaturze 4,2 K autorstwa S. Ikedy, grupy H. Ohno z Uniwersytetu Tohoku w Japonii.

Aplikacje

Do odczytu głowic nowoczesnych dysków twardych działa na podstawie magnetycznych złączach tunelowych. TMR, a dokładniej magnetyczne złącze tunelowe, jest również podstawą MRAM , nowego typu pamięci nieulotnej . Technologie pierwszej generacji polegały na tworzeniu krzyżowych pól magnetycznych na każdym bicie w celu zapisania na nim danych, chociaż podejście to ma limit skalowania wynoszący około 90–130 nm. Obecnie opracowywane są dwie techniki drugiej generacji: przełączanie wspomagane termicznie (TAS) i moment obrotowy z przenoszeniem wirowania . Złącza tunelowe magnetyczne są również wykorzystywane do zastosowań czujnikowych. Na przykład czujnik TMR-Sensor może mierzyć kąty w nowoczesnych, precyzyjnych wiatrowskazach , stosowanych w energetyce wiatrowej.

Wyjaśnienie fizyczne

Model dwuprądowy do równoległego i antyrównoległego wyrównania namagnesowań

Względną zmianę rezystancji – lub amplitudę efektu – definiuje się jako

{\ Displaystyle \ operatorname {TMR} : = {\ Frac {R_ {\ operatorname {ap}}-R_ {\ operatorname {p}}}{R_ {\ operatorname {p}}}}}

gdzie jest rezystancja elektryczna w stanie antyrównoległym, a rezystancja w stanie równoległym. $R_{\mathrm {ap}}$ $R_{\mathrm {p}}$

Efekt TMR został wyjaśniony przez Jullière'a polaryzacjami spinowymi elektrod ferromagnetycznych. Polaryzacja spinu P jest obliczana z zależnej od spinu gęstości stanów (DOS) przy energii Fermiego : ${\mathcal {D}}$

${\ Displaystyle P = {\ Frac {{\ mathcal {D}} _ {\ uparrow} (E_ {\ operatorname {F}}) - {\ mathcal {D}} _ {\ downarrow} (E_ {\ operatorname { F} })}{{\mathcal {D}}_{\uparrow }(E_{\mathrm {F} })+{\mathcal {D}}_{\downarrow }(E_{\mathrm {F} } )}}}$

Elektrony spin-up to te, które mają orientację spinu równoległą do zewnętrznego pola magnetycznego, podczas gdy elektrony spin-down mają antyrównoległe ustawienie względem pola zewnętrznego. Względna zmiana rezystancji jest teraz dana przez polaryzacje spinu dwóch ferromagnetyków, P ₁ i P ₂ :

${\ Displaystyle \ operatorname {TMR} = {\ Frac {2P_{1}P_{2}}{1-P_{1}P_{2}}}}$

Jeśli do złącza nie jest przyłożone napięcie , elektrony tunelują w obu kierunkach z jednakową szybkością. Przy napięciu polaryzacji U elektrony preferencyjnie tunelują do elektrody dodatniej. Przy założeniu, że spin jest zachowany podczas tunelowania, prąd można opisać w modelu dwuprądowym. Całkowity prąd jest podzielony na dwa prądy częściowe, jeden dla elektronów spin-up, a drugi dla elektronów spin-down. Różnią się one w zależności od stanu magnetycznego złączy.

Istnieją dwie możliwości uzyskania określonego stanu antyrównoległego. Po pierwsze, można zastosować ferromagnetyki o różnej koercji (stosując różne materiały lub różne grubości folii). Po drugie, jeden z ferromagnesów może być sprzężony z antyferromagnesem (tzw. polaryzacja wymiany ). W tym przypadku namagnesowanie odłączonej elektrody pozostaje „wolne”.

TMR staje się nieskończony, jeśli P ₁ i P _{2 są} równe 1, tj. jeśli obie elektrody mają 100% polaryzację spinu. W tym przypadku magnetyczne złącze tunelowe staje się przełącznikiem, który przełącza magnetycznie między niską rezystancją a nieskończoną rezystancją. Materiały, które są brane pod uwagę, nazywane są półmetalami ferromagnetycznymi . Ich elektrony przewodnictwa są w pełni spolaryzowane spinowo. Ta właściwość jest teoretycznie przewidywana dla wielu materiałów (np. CrO ₂ , różnych stopów Heuslera ), ale jej doświadczalne potwierdzenie było przedmiotem subtelnej debaty. Niemniej jednak, jeśli weźmie się pod uwagę tylko te elektrony, które wchodzą do transportu, pomiary Bowena i in. do 99,6% polaryzacji spinu na granicy między La _0,7 Sr _0,3 MnO ₃ i SrTiO _{3 stanowi} pragmatyczny dowód tej właściwości.

TMR zmniejsza się zarówno wraz ze wzrostem temperatury, jak i wzrostem napięcia polaryzacji. Oba mogą być rozumiane w zasadzie przez Magnon wzbudzenia i interakcji z magnonów, jak również w wyniku tunelowania względem miejscowych stanów chorobowych wywołanych przez wolnych tlenu (patrz Symetria filtrowania sekcji poniżej).

Filtrowanie symetrii w barierach tunelowych

Przed wprowadzeniem epitaksjalnego tlenku magnezu (MgO) jako barierę tunelową MTJ stosowano amorficzny tlenek glinu, a typowa temperatura pokojowa TMR wynosiła kilkadziesiąt procent. Bariery MgO zwiększyły TMR do setek procent. Ten duży wzrost odzwierciedla synergiczne połączenie struktur elektrody i bariery elektronicznej, co z kolei odzwierciedla osiągnięcie strukturalnie uporządkowanych złączy. Rzeczywiście, MgO filtruje tunelową transmisję elektronów o szczególnej symetrii, które są w pełni spolaryzowane spinowo w prądzie przepływającym przez sześcienne elektrody oparte na żelazie wyśrodkowane na ciele . Tak więc w stanie namagnesowania elektrody MTJ równoległym (P) elektrony o tej symetrii dominują w prądzie złącza. Natomiast w stanie antyrównoległym (AP) MTJ kanał ten jest zablokowany, tak że elektrony o następnej najkorzystniejszej symetrii do przesłania dominują w prądzie złącza. Ponieważ te elektrony tunelują w stosunku do większej wysokości bariery, skutkuje to znacznym TMR.

Poza tymi dużymi wartościami TMR w MTJ opartych na MgO, wpływ struktury elektronowej bariery na spintronikę tunelowania został pośrednio potwierdzony przez inżynierię potencjalnego krajobrazu złącza dla elektronów o danej symetrii. Zostało to osiągnięte przez sprawdzenie najpierw, jak elektrony o lantanu strontu manganian pół metalowe elektrody zarówno pełny obrót (P = + 1) i polaryzacją symetrii tunel w elektrycznie odchylone SrTiO ₃ barierę tunelu. Koncepcyjnie prostszy eksperyment polegający na wstawieniu odpowiedniej metalowej przekładki na styku złącza podczas wzrostu próbki został również później zademonstrowany.

Podczas gdy teoria, po raz pierwszy sformułowana w 2001 roku, przewiduje duże wartości TMR związane z wysokością bariery 4 eV w stanie P MTJ i 12 eV w stanie AP MTJ, eksperymenty ujawniają wysokość bariery tak niską, jak 0,4 eV. Ta sprzeczność zostaje zniesiona, jeśli weźmie się pod uwagę zlokalizowane stany wakancji tlenowych w barierze tunelowej MgO. Szeroko zakrojone eksperymenty spektroskopii tunelowej w stanie stałym w MgO MTJ ujawniły w 2014 r., że zatrzymanie elektronów w stanie podstawowym i wzbudzonym wakancji tlenowej, która jest zależna od temperatury, determinuje wysokość bariery tunelowania dla elektronów o danej symetrii, a tym samym tworzy efektywny współczynnik TMR i jego zależność od temperatury. Ta niska wysokość bariery z kolei umożliwia wysokie gęstości prądu wymagane dla momentu obrotowego przeniesienia spinu, omówione poniżej.

Moment obrotowy przenoszący spin w magnetycznych złączach tunelowych (MTJ)

Wpływ momentu obrotowego przeniesienia spinu został zbadany i szeroko stosowany w MTJ, gdzie istnieje bariera tunelująca umieszczona pomiędzy zestawem dwóch elektrod ferromagnetycznych, tak że występuje (swobodne) namagnesowanie prawej elektrody, przy założeniu, że lewa elektroda ( ze stałym namagnesowaniem) działa jak polaryzator spinowy. Może on być następnie przypięty do wybranego tranzystora w magnetorezystywnym urządzeniu pamięci o dostępie swobodnym lub podłączony do przedwzmacniacza w aplikacji dysku twardego .

Wektor momentu obrotowego przeniesienia spinu, napędzany przez liniowe napięcie odpowiedzi, można obliczyć na podstawie wartości oczekiwanej operatora momentu:

${\ Displaystyle \ mathbf {T} = \ operatorname {Tr} [{\ kapelusz {\ mathbf {T}}} {\ kapelusz {\ rho}} _ {\ operatorname {neq} }]}$

gdzie jest miernik niezmienny równowagowym matrycy gęstości do transportu w stanie równowagi, w granicach od zera temperatury w obrębie zakresu liniowego-odpowiedź, a operator momentu otrzymuje się z pochodnej czasowej operatora wirowania: ${\kapelusz {\rho}}_{\mathrm {neq}}$ ${\kapelusz {\mathbf {T}}}$

${\kapelusz {\mathbf {T}}}={\frac {d{\kapelusz {\mathbf {S}}}}{dt}}=-{\frac {i}{\hbar}}\ left[{\frac {\hbar }{2}}{\boldsymbol {\sigma }},{\hat {H}}\right]$

Korzystając z ogólnej postaci jednowymiarowego hamiltonianu ciasno wiążącego:

${\ Displaystyle {\ kapelusz {H}} = {\ kapelusz {H}} _ {0}-\ Delta ({\ pogrubienie {\ sigma}} \ cdot \ mathbf {m} )/2}$

gdzie całkowite namagnesowanie (jako makrospin) jest wzdłuż wektora jednostkowego i właściwości macierzy Pauliego obejmujących dowolne klasyczne wektory , podane przez ${\ Displaystyle \ mathbf {m} }$ $\mathbf {p},\mathbf {q}$

${\ Displaystyle ({\ pogrubienie {\ sigma}} \ cdot \ mathbf {p} ) ({\ pogrubienie {\ sigma}} \ cdot \ mathbf {q} ) = \ mathbf {p} \ cdot \ mathbf {q} +i(\mathbf {p} \times \mathbf {q} )\cdot {\boldsymbol {\sigma }}}$

${\ Displaystyle ({\ pogrubienie {\ sigma}} \ cdot \ mathbf {p}} {\ pogrubienie {\ sigma}} = \ mathbf {p} + ja {\ pogrubienie {\ sigma}} \ razy \ mathbf {p } }$

${\boldsymbol {\sigma}}({\boldsymbol {\sigma}}\cdot \mathbf {q} )=\mathbf {q} +i\mathbf {q} \times {\boldsymbol {\sigma} }$

następnie można najpierw uzyskać analityczne wyrażenie dla (które można wyrazić w zwartej formie za pomocą , oraz wektora macierzy spinów Pauliego ). ${\kapelusz {\mathbf {T}}}$ ${\ Displaystyle \ Delta, \ mathbf {m}}$ ${\ Displaystyle {\ pogrubiony symbol {\ sigma}} = (\ sigma _ {x}, \ sigma _ {y}, \ sigma _ {z})}$

Ogólnie rzecz biorąc, wektor momentu obrotowego przeniesienia spinu ma dwie składowe: składową równoległą i prostopadłą:

Składnik równoległy: ${\ Displaystyle T_ {\ równoległy} = {\ sqrt {T_ {x} ^ {2} + T_ {z} ^ {2}}}}$

Oraz składnik prostopadły: ${\ Displaystyle T_ {\ sprawca} = T_ {y}}$

W symetrycznych MTJ (wykonanych z elektrod o tej samej geometrii i rozszczepieniu wymiennym) wektor momentu obrotowego przeniesienia spinu ma tylko jedną aktywną składową, ponieważ składowa prostopadła zanika:

${\ Displaystyle T_ {\ sprawca} \ równoważnik 0}$ .

Dlatego w miejscu właściwej elektrody należy wykreślić tylko vs., aby scharakteryzować tunelowanie w symetrycznych MTJ, co czyni je atrakcyjnymi do produkcji i charakteryzowania na skalę przemysłową. $T_{\równoległy}$ $\theta$

Uwaga: W tych obliczeniach obszar aktywny (dla którego konieczne jest obliczenie opóźnionej funkcji Greena ) powinien składać się z bariery tunelowej + prawej warstwy ferromagnetycznej o skończonej grubości (jak w urządzeniach realistycznych). Obszar aktywny jest przyłączony do lewej elektrody ferromagnetycznej (modelowanej jako półnieskończony ciasno wiążący łańcuch z niezerowym rozszczepieniem Zeemana ) i prawej elektrody N (półnieskończony ciasno wiążący łańcuch bez rozszczepienia Zeemana), zgodnie z kodem odpowiednie warunki energii własnej.

Rozbieżność między teorią a eksperymentem

Przewidziano teoretyczne współczynniki magnetorezystancji tunelowania na poziomie 10000%. Jednak największe, jakie zaobserwowano, to tylko 604%. Jedną z sugestii jest to, że granice ziaren mogą wpływać na właściwości izolacyjne bariery MgO; jednak struktura folii w strukturach zakopanych stosów jest trudna do określenia. Granice ziaren mogą działać jako ścieżki przewodzenia zwarcia przez materiał, zmniejszając rezystancję urządzenia. Ostatnio, przy użyciu nowych technik skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej , granice ziaren w FeCoB/MgO/FeCoB MTJ zostały rozwiązane atomowo. Umożliwiło to wykonanie obliczeń opartych na podstawach teorii funkcjonału gęstości na jednostkach strukturalnych, które występują w rzeczywistych filmach. Takie obliczenia wykazały, że pasmo wzbronione można zmniejszyć nawet o 45%.

Oprócz granic ziaren, defekty punktowe, takie jak międzywęzłowe warstwy boru i wakancje tlenu, mogą znacząco zmieniać magnetooporność tunelowania. Ostatnie obliczenia teoretyczne wykazałyże warstwy międzywęzłowe boru wprowadzają stany defektów w przerwie wzbronionej potencjalnie jeszcze bardziej zmniejszając TMR Te obliczenia teoretyczne zostały również poparte dowodami doświadczalnymi pokazującymi naturę boru w warstwie MgO pomiędzy dwoma różnymi systemami oraz różnice w TMR .

Languages

In other projects