Magnetorezistence tunelu - Tunnel magnetoresistance

Magnetický tunel (schéma)

Magnetorezistence tunelu ( TMR ) je magnetorezistivní efekt, který se vyskytuje v magnetickém tunelovém spojení ( MTJ ), což je součást skládající se ze dvou feromagnetů oddělených tenkým izolátorem . Pokud je izolační vrstva dostatečně tenká (obvykle několik nanometrů ), mohou elektrony tunelovat z jednoho feromagnetu do druhého. Protože je tento proces v klasické fyzice zakázán, je magnetorezistence tunelu přísně kvantově mechanickým jevem.

Magnetické tunelové spoje jsou vyráběny tenkovrstvou technologií. V průmyslovém měřítku se nanášení filmu provádí magnetronovým naprašováním ; v laboratorním měřítku se také používá epitaxe molekulárního paprsku , pulzní laserová depozice a fyzikální depozice par elektronovým paprskem . Spoje jsou připraveny fotolitografií .

Fenomenologický popis

Směr obou magnetizací feromagnetických filmů lze individuálně přepínat vnějším magnetickým polem . Pokud jsou magnetizace v paralelní orientaci, je pravděpodobnější, že elektrony budou tunelovat izolační fólií, než když jsou v opoziční (antiparalelní) orientaci. V důsledku toho lze takové spojení přepínat mezi dvěma stavy elektrického odporu , jedním s nízkým a druhým s velmi vysokým odporem.

Dějiny

Účinek původně objevil v roce 1975 Michel Jullière (University of Rennes, Francie) ve spojích Fe / Ge - O / Co při 4,2 K. Relativní změna odporu se pohybovala kolem 14%a nepřitahovala velkou pozornost. V roce 1991 Terunobu Miyazaki ( Univerzita Tohoku , Japonsko) zjistila změnu o 2,7% při pokojové teplotě. Později, v roce 1994, Miyazaki našel 18% ve spojích železa oddělených amorfním izolátorem oxidu hlinitého a Jagadeesh Moodera našel 11,8% ve spojích s elektrodami CoFe a Co. Nejvyšší účinky pozorované v této době u izolátorů oxidu hlinitého byly kolem 70% pokojová teplota.

Od roku 2000 jsou tunelové bariéry krystalického oxidu hořečnatého (MgO) ve vývoji. V roce 2001 Butler a Mathon nezávisle provedli teoretickou předpověď, že pomocí železa jako feromagnetu a MgO jako izolátoru může magnetorezistence tunelu dosáhnout několika tisíc procent. Ve stejném roce Bowen a kol. byli první, kdo hlásil experimenty ukazující významnou TMR v magnetickém tunelovém spojení na bázi MgO [Fe/MgO/FeCo (001)]. V roce 2004 dokázali Parkin a Yuasa vytvořit křižovatky Fe/MgO/Fe, které při pokojové teplotě dosahují více než 200% TMR. V roce 2008 byly v křižovatkách CoFeB/MgO/CoFeB od S. Ikeda, skupiny H. Ohno ze skupiny Tohoku University v Japonsku, pozorovány účinky až 604% při pokojové teplotě a více než 1100% při 4,2 K.

Aplikace

Na čtení hlavy moderních pevných disků pracovat na bázi magnetických křižovatkách tunelu. TMR, přesněji řečeno spojení magnetického tunelu, je také základem MRAM , nového typu energeticky nezávislé paměti . Technologie 1. generace spoléhala na vytváření křížových magnetických polí na každém bitu, aby na ně zapisovala data, ačkoli tento přístup má limit měřítka kolem 90–130 nm. V současné době jsou vyvíjeny dvě techniky 2. generace: Thermal Assisted Switching (TAS) a točivý moment přenosu . Magnetické tunelové spoje se také používají pro snímací aplikace. Například snímač TMR může měřit úhly v moderních vysoce přesných větrných lopatkách používaných v odvětví větrné energie.

Fyzické vysvětlení

Dvouproudový model pro paralelní a antiparalelní vyrovnání magnetizací

Relativní změna odporu - nebo amplituda účinku - je definována jako

{\ Displaystyle \ mathrm {TMR}: = {\ frac {R _ {\ mathrm {ap}} -R _ {\ mathrm {p}}} {R _ {\ mathrm {p}}}}}

kde je elektrický odpor v antiparalelním stavu, zatímco odpor je v paralelním stavu. ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {ap}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {p}}}$

Účinek TMR vysvětlil Jullière spinovou polarizací feromagnetických elektrod. Polarizace rotace P se vypočítá z hustoty stavů závislých na rotaci (DOS) na energii Fermi : ${\ displaystyle {\ mathcal {D}}}$

${\ Displaystyle P = {\ frac {{\ mathcal {D}} _ {\ uparrow} (E _ {\ mathrm {F}})-{\ mathcal {D}} _ {\ downarrow} (E _ {\ mathrm { F}})} {{\ mathcal {D}} _ {\ uparrow} (E _ {\ mathrm {F}})+{\ mathcal {D}} _ {\ downarrow} (E _ {\ mathrm {F}} )}}}$

Spin-up elektrony jsou ty, které mají spinovou orientaci rovnoběžnou s vnějším magnetickým polem, zatímco spin-down elektrony mají antiparalelní zarovnání s vnějším polem. Změna relativního odporu je nyní dána spinovou polarizací dvou feromagnetů, P ₁ a P ₂ :

${\ displaystyle \ mathrm {TMR} = {\ frac {2P_ {1} P_ {2}} {1-P_ {1} P_ {2}}}}$

Pokud na křižovatku není aplikováno žádné napětí , elektrony tunelují v obou směrech se stejnou rychlostí. Při předpěťovém napětí U elektrony tunelují přednostně před kladnou elektrodou. Za předpokladu, že spin je při tunelování zachován , lze proud popsat ve dvouproudovém modelu. Celkový proud je rozdělen na dva parciální proudy, jeden pro elektrony s roztočením a druhý pro elektrony s rozběhem. Ty se liší v závislosti na magnetickém stavu křižovatek.

Existují dvě možnosti, jak získat definovaný antiparalelní stav. Nejprve je možné použít feromagnety s různou koercitivitou (použitím různých materiálů nebo různých tlouštěk filmu). A za druhé, jeden z feromagnetů může být spojen s antiferomagnetikem ( výměnný zkreslení ). V tomto případě zůstává magnetizace odpojené elektrody „volná“.

TMR se stává nekonečným, pokud se P ₁ a P ₂ rovnají 1, tj. Pokud mají obě elektrody 100% spinovou polarizaci. V tomto případě se z magnetického tunelového spojení stane přepínač, který magneticky přepíná mezi nízkým odporem a nekonečným odporem. Materiály, které k tomu přicházejí v úvahu, se nazývají feromagnetické polokovy . Jejich vodivé elektrony jsou plně spinově polarizované. Tato vlastnost je teoreticky předpovězena pro řadu materiálů (např. CrO ₂ , různé Heuslerovy slitiny ), ale její experimentální potvrzení bylo předmětem jemné debaty. Pokud však vezmeme v úvahu pouze ty elektrony, které vstupují do transportu, měření Bowen et al. až 99,6% spinové polarizace na rozhraní mezi La _0,7 Sr _0,3 MnO ₃ a SrTiO ₃ pragmaticky odpovídá experimentálnímu důkazu této vlastnosti.

TMR klesá jak se zvyšující teplotou, tak se zvyšujícím předpěťovým napětím. Obojí lze v zásadě pochopit buzením magnonu a interakcí s magnony, jakož i díky tunelování vzhledem k lokalizovaným stavům vyvolaným uvolněním kyslíku (viz dále část Filtrování symetrie).

Filtrování symetrie v tunelových bariérách

Před zavedením epitaxiálního oxidu hořečnatého (MgO) byl jako tunelová bariéra MTJ používán amorfní oxid hlinitý a typická TMR při pokojové teplotě byla v rozmezí desítek procent. MgO bariéry zvýšily TMR na stovky procent. Tento velký nárůst odráží synergickou kombinaci elektrodových a bariérových elektronických struktur, což zase odráží dosažení strukturálně uspořádaných spojů. Ve skutečnosti MgO filtruje tunelový přenos elektronů s konkrétní symetrií, které jsou plně polarizovány v proudu procházejícím kubickými elektrodami na bázi Fe na bázi těla . V paralelním (P) stavu magnetizace elektrod MTJ tedy elektrony této symetrie dominují spojovacímu proudu. Naproti tomu v antiparalelním (AP) stavu MTJ je tento kanál blokován, takže elektrony s další nejpříznivější symetrií k přenosu dominují spojovacímu proudu. Protože tyto elektrony tunelují s ohledem na větší výšku bariéry, výsledkem je značná TMR.

Kromě těchto velkých hodnot TMR v MTJ na bázi MgO byl tento dopad elektronické struktury bariéry na tunelovou spintroniku nepřímo potvrzen inženýrstvím potenciální krajiny křižovatky pro elektrony dané symetrie. Toho bylo nejprve dosaženo zkoumáním toho, jak elektrony polokovové elektrody manganit lanthan-stroncium s metalickým plným (P =+1) a polarizačním tunelem symetrie přes elektricky předpjatou tunelovou bariéru SrTiO ₃ . Později byl také demonstrován koncepčně jednodušší experiment vložení vhodné kovové rozpěrky na rozhraní křižovatky během růstu vzorku.

Zatímco teorie, poprvé formulovaná v roce 2001, předpovídá velké hodnoty TMR spojené s výškou bariéry 4 eV ve stavu P MTJ a 12 eV ve stavu AP MTJ, experimenty odhalují výšky bariéry již od 0,4 eV. Tento rozpor bude odstraněn, pokud vezmeme v úvahu lokalizované stavy kyslíkových prázdných míst v tunelové bariéře MgO. Rozsáhlé experimenty tunelové spektroskopie v pevném stavu napříč MgO MTJ odhalily v roce 2014, že elektronická retence na zemi a excitované stavy volného kyslíku, který je závislý na teplotě, určuje výšku bariéry tunelování pro elektrony dané symetrie, a tak vytváří efektivní poměr TMR a jeho teplotní závislost. Tato malá výška bariéry zase umožňuje vysokou proudovou hustotu potřebnou pro točivý moment přenosu, diskutovaný dále.

Krouticí moment pro přenos otáček v magnetických tunelových uzlech (MTJ)

Účinek točivého momentu byl studován a široce používán v MTJ, kde je mezi sadou dvou feromagnetických elektrod vložena tunelová bariéra tak, že dochází k (volné) magnetizaci pravé elektrody, přičemž se předpokládá, že levá elektroda ( s pevnou magnetizací) funguje jako spin-polarizátor. To pak může být připojeno k nějakému výběrovému tranzistoru v magnetorezistivním paměťovém zařízení s náhodným přístupem nebo připojeno k předzesilovači v aplikaci jednotky pevného disku .

Vektor točivého momentu přenášeného točením, poháněný napětím lineární odezvy, lze vypočítat z hodnoty očekávání operátoru točivého momentu:

${\ Displaystyle \ mathbf {T} = \ mathrm {Tr} [{\ hat {\ mathbf {T}}} {\ hat {\ rho}} _ {\ mathrm {neq}}]}}$

kde je nerovnovážná matice nerovnovážné hustoty měřicí neměnná pro transport v ustáleném stavu, v limitu nulové teploty, v režimu lineární odezvy, a operátor točivého momentu je získán z časové derivace rotačního operátoru: ${\ displaystyle {\ hat {\ rho}} _ {\ mathrm {neq}}}$ ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {T}}}}$

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

Použití obecného tvaru 1D pevně vázaného hamiltoniánu:

${\ displaystyle {\ hat {H}} = {\ hat {H}} _ {0}-\ Delta ({\ boldsymbol {\ sigma}} \ cdot \ mathbf {m})/2}$

kde celková magnetizace (jako makrospin) je podél jednotkového vektoru a Pauli maticové vlastnosti zahrnující libovolné klasické vektory dané ${\ displaystyle \ mathbf {m}}$ ${\ Displaystyle \ mathbf {p}, \ mathbf {q}}$

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

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

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

pak je možné nejprve získat analytický výraz pro (který může být vyjádřen v kompaktní formě pomocí a vektoru Pauliho spinových matic ). ${\ displaystyle {\ hat {\ mathbf {T}}}}$ ${\ displaystyle \ Delta, \ mathbf {m}}$ ${\ Displaystyle {\ boldsymbol {\ sigma}} = (\ sigma _ {x}, \ sigma _ {y}, \ sigma _ {z})}$

Vektor točivého momentu přenášejícího spin obecně v MTJ má dvě složky: rovnoběžnou a kolmou složku:

Paralelní komponenta: ${\ Displaystyle T _ {\ parallel} = {\ sqrt {T_ {x}^{2}+T_ {z}^{2}}}}$

A kolmá složka: ${\ displaystyle T _ {\ perp} = T_ {y}}$

V symetrických MTJ (vyrobených z elektrod se stejnou geometrií a výměnou rozdělení) má vektor točivého momentu přenos pouze jednu aktivní složku, protože kolmá složka zmizí:

${\ displaystyle T _ {\ perp} \ equiv 0}$ .

Proto je třeba v místě pravé elektrody vykreslit pouze vs. ${\ displaystyle T _ {\ paralelní}}$ ${\ displaystyle \ theta}$

Poznámka: V těchto výpočtech by aktivní oblast (pro kterou je nutné vypočítat retardovanou Greenovu funkci ) měla sestávat z bariéry tunelu + pravé feromagnetické vrstvy konečné tloušťky (jako u realistických zařízení). Aktivní oblast je připojena k levé feromagnetické elektrodě (modelované jako napůl nekonečný řetězec s pevnou vazbou s nenulovým Zeemanovým štěpením ) a pravé N elektrodě (napůl nekonečný řetězec s pevnou vazbou bez jakéhokoli rozdělení Zeeman), jak je zakódováno odpovídající termíny vlastní energie.

Rozpor mezi teorií a experimentem

Byly předpovězeny teoretické poměry magnetického odporu tunelování na 10 000%. Největší, které byly pozorovány, jsou však pouze 604%. Jedním z návrhů je, že hranice zrn mohou ovlivňovat izolační vlastnosti bariéry MgO; Struktura filmů v podzemních strukturách je však obtížné určit. Hranice zrn mohou fungovat jako zkratové vodivé cesty skrz materiál, čímž se sníží odpor zařízení. Nedávno byly pomocí nových technik skenovací transmisní elektronové mikroskopie atomárně vyřešeny hranice zrn v MTC FeCoB/MgO/FeCoB. To umožnilo provést výpočty funkční teorie hustoty prvních principů na strukturních jednotkách, které jsou přítomny ve skutečných filmech. Takové výpočty ukázaly, že mezeru v pásmu lze zmenšit až o 45%.

Kromě hranic zrn by bodové defekty, jako jsou intersticiální bóry a kyslíková místa, mohly výrazně změnit tunelovou magnetickou rezistenci. Nedávné teoretické výpočty ukázaly, že intersticiály boru zavádějí defektní stavy v pásmu, což potenciálně dále snižuje TMR. Tyto teoretické výpočty byly také podpořeny experimentálními důkazy, které ukazují povahu boru ve vrstvě MgO mezi dvěma různými systémy a jak se TMR liší. .

Languages

In other projects