Tünel manyeto direnci - Tunnel magnetoresistance

Manyetik tünel bağlantısı (şematik)

Tünel manyetodirenci ( TMR ), ince bir yalıtkanla ayrılmış iki ferromıknatıstan oluşan bir bileşen olan bir manyetik tünel bağlantısında ( MTJ ) meydana gelen manyetodirençli bir etkidir . Yalıtım tabakası yeterince inceyse (tipik olarak birkaç nanometre ), elektronlar bir ferromanyetten diğerine tünel açabilir . Bu süreç klasik fizikte yasak olduğu için tünel manyetorezistansı kesinlikle kuantum mekaniksel bir fenomendir.

Manyetik tünel bağlantıları ince film teknolojisinde üretilmektedir . Endüstriyel ölçekte film biriktirme magnetron püskürtmeli biriktirme ile yapılır ; laboratuvar ölçeğinde moleküler ışın epitaksi , darbeli lazer biriktirme ve elektron ışını fiziksel buhar biriktirme de kullanılır. Bağlantılar fotolitografi ile hazırlanır .

fenomenolojik açıklama

Ferromanyetik filmlerin iki manyetizasyonunun yönü, harici bir manyetik alan tarafından ayrı ayrı değiştirilebilir . Mıknatıslanmalar paralel bir yönelimdeyse, elektronların yalıtkan film boyunca tünel oluşturması, karşıt (antiparalel) yönelimde olmalarına göre daha olasıdır . Sonuç olarak, böyle bir bağlantı , biri düşük ve diğeri çok yüksek dirençli olmak üzere iki elektrik direnci durumu arasında değiştirilebilir .

Tarih

Etki ilk olarak 1975 yılında Michel Jullière (Rennes Üniversitesi, Fransa) tarafından Fe / Ge - O / Co - kavşaklarında 4,2 K'da keşfedildi. Direncin göreceli değişimi %14 civarındaydı ve fazla dikkat çekmedi. 1991 yılında Terunobu Miyazaki ( Tohoku Üniversitesi , Japonya) oda sıcaklığında %2.7'lik bir değişiklik buldu. Daha sonra, 1994 yılında, Miyazaki, amorf bir alüminyum oksit yalıtkanı ile ayrılmış demir bağlantılarında %18 buldu ve Jagadeesh Moodera , CoFe ve Co elektrotları ile bağlantılarda %11,8 buldu. Şu anda alüminyum oksit izolatörleri ile gözlenen en yüksek etkiler yaklaşık %70 idi. oda sıcaklığında.

2000 yılından bu yana, kristal magnezyum oksit (MgO) tünel bariyerleri geliştirilmektedir. 2001'de Butler ve Mathon bağımsız olarak, ferromanyet olarak demiri ve yalıtkan olarak MgO kullanarak , tünel manyeto direncinin yüzde birkaç bine ulaşabileceğine dair teorik tahminde bulundular. Aynı yıl Bowen ve ark. MgO bazlı bir manyetik tünel bağlantısında [Fe/MgO/FeCo(001)] önemli bir TMR gösteren deneyleri rapor eden ilk kişilerdi. 2004 yılında, Parkin ve Yuasa, oda sıcaklığında %200'ün üzerinde TMR'ye ulaşan Fe/MgO/Fe bağlantılarını yapabildiler. 2008 yılında, Japonya'daki Tohoku Üniversitesi'nden S. Ikeda, H. Ohno grubu tarafından CoFeB/MgO/CoFeB bağlantılarında oda sıcaklığında %604'e kadar ve 4.2 K'da %1100'den fazla etkiler gözlemlendi.

Uygulamalar

Salt kafaları modern sabit disk sürücüleri , manyetik tünel kavşaklarından esasına göre çalışır. TMR veya daha özel olarak manyetik tünel bağlantısı, aynı zamanda yeni bir kalıcı bellek türü olan MRAM'ın da temelidir . 1. nesil teknolojiler, üzerine veri yazmak için her bit üzerinde çapraz nokta manyetik alanlar oluşturmaya dayanıyordu, ancak bu yaklaşımın yaklaşık 90-130 nm'de bir ölçekleme sınırı var. Şu anda geliştirilmekte olan iki 2. nesil teknik vardır: Termal Destekli Anahtarlama (TAS) ve Spin-transfer torku . Algılama uygulamaları için manyetik tünel bağlantıları da kullanılır. Örneğin, bir TMR-Sensörü , rüzgar enerjisi endüstrisinde kullanılan modern yüksek hassasiyetli rüzgar kanatlarındaki açıları ölçebilir .

Fiziksel açıklama

Manyetizasyonların paralel ve paralel olmayan hizalaması için iki akımlı model

Göreceli direnç değişikliği veya etki genliği şu şekilde tanımlanır:

\mathrm {TMR} :={\frac {R_{\mathrm {ap} }-R_{\mathrm {p} }}{R_{\mathrm {p} }}}

anti-paralel durumda elektrik direnci nerede , paralel durumda direnç nerede . $R_{\mathrm {ap}}$ $R_{\mathrm {p} }$

TMR etkisi Jullière tarafından ferromanyetik elektrotların spin polarizasyonları ile açıklanmıştır . Spin polarizasyon P hesaplanır eğirme bağlı durum yoğunluğu (DOS) de Fermi enerji : ${\görüntüleme stili {\matematiksel {D}}}$

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

Spin-up elektronları, harici manyetik alana paralel spin oryantasyonuna sahip olanlardır, oysa spin-down elektronları, harici alan ile anti-paralel hizalamaya sahiptir. Göreceli direnç değişimi şimdi iki ferromıknatısın, P ₁ ve P _2'nin spin polarizasyonları ile verilmektedir :

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

Hayır ise, voltaj birleşme uygulanır, eşit oranlarda, her iki yönde de tünel electron. Bir ön gerilim U ile elektronlar tercihen pozitif elektrota tünel açar. Tünel açma sırasında spinin korunduğu varsayımıyla , akım iki akımlı bir modelde tanımlanabilir. Toplam akım, biri spin-up elektronları ve diğeri spin-down elektronları için olmak üzere iki kısmi akıma bölünür. Bunlar, bağlantıların manyetik durumuna bağlı olarak değişir.

Tanımlanmış bir anti-paralel durum elde etmek için iki olasılık vardır. İlk olarak, farklı zorlamalara sahip ferromıknatıslar kullanılabilir (farklı malzemeler veya farklı film kalınlıkları kullanılarak). İkincisi, ferromıknatıslardan biri bir antiferromıknatıs ile birleştirilebilir ( değişim önyargısı ). Bu durumda, bağlanmamış elektrotun manyetizasyonu "serbest" kalır.

P ₁ ve P ₂ 1'e eşitse, yani her iki elektrot da %100 spin polarizasyonuna sahipse TMR sonsuz olur . Bu durumda manyetik tünel bağlantısı, düşük direnç ve sonsuz direnç arasında manyetik olarak geçiş yapan bir anahtar haline gelir. Bunun için dikkate alınan malzemelere ferromanyetik yarı metaller denir . İletim elektronları tamamen spin polarizedir. Bu özellik teorik olarak bir dizi malzeme (örneğin CrO ₂ , çeşitli Heusler alaşımları ) için öngörülmüştür ancak deneysel doğrulaması ince bir tartışma konusu olmuştur. Bununla birlikte, yalnızca taşımaya giren elektronlar dikkate alınırsa, Bowen ve ark. La _0.7 Sr _0.3 MnO ₃ ve SrTiO ₃ arasındaki arayüzde % 99.6'ya kadar spin polarizasyonu pragmatik olarak bu özelliğin deneysel kanıtıdır.

TMR, hem artan sıcaklık hem de artan öngerilim voltajı ile azalır. Her ikisi de prensipte magnon uyarımları ve magnonlarla etkileşimler ile oksijen boşluklarının neden olduğu lokalize durumlara göre tünelleme nedeniyle anlaşılabilir (bundan sonraki Simetri Filtreleme bölümüne bakınız).

Tünel bariyerlerinde simetri filtreleme

Epitaksiyel magnezyum oksitin (MgO) tanıtılmasından önce, MTJ'nin tünel bariyeri olarak amorf alüminyum oksit kullanıldı ve tipik oda sıcaklığı TMR, yüzde onlarca aralığındaydı. MgO bariyerleri TMR'yi yüzde yüzlerce artırdı. Bu büyük artış, sırayla yapısal olarak düzenlenmiş bağlantıların başarısını yansıtan elektrot ve bariyer elektronik yapılarının sinerjik bir kombinasyonunu yansıtır. Gerçekten de, MgO, vücut merkezli kübik Fe bazlı elektrotlar boyunca akan akım içinde tamamen spin polarize olan belirli bir simetri ile elektronların tünelleme iletimini filtreler . Böylece, MTJ'nin elektrot manyetizasyonunun paralel (P) durumunda, bu simetrinin elektronları bağlantı akımına hakim olur. Buna karşılık, MTJ'nin antiparalel (AP) durumunda, bu kanal bloke edilir, öyle ki iletmek için bir sonraki en uygun simetriye sahip elektronlar bağlantı akımına hakim olur. Bu elektronlar daha büyük bir bariyer yüksekliğine göre tünel oluşturduğundan, bu büyük TMR ile sonuçlanır.

MgO-tabanlı MTJ'lerde bu büyük TMR değerlerinin ötesinde, bariyerin elektronik yapısının tünelleme spintronikleri üzerindeki bu etkisi, bağlantının belirli bir simetrideki elektronlar için potansiyel manzarasının mühendisliği ile dolaylı olarak doğrulanmıştır. Bu, ilk olarak, bir lantanyum stronsiyum manganit yarı metalik elektrotun elektronlarının, elektriksel olarak önyargılı bir SrTiO ₃ tünel bariyeri boyunca hem tam dönüşlü (P=+1) hem de simetri polarizasyon tüneli ile nasıl olduğunu inceleyerek başarıldı . Örnek büyümesi sırasında bağlantı arayüzüne uygun bir metal ara parçası yerleştirmenin kavramsal olarak daha basit deneyi de daha sonra gösterildi.

İlk olarak 2001'de formüle edilen teori, MTJ'nin P durumunda 4eV ve MTJ'nin AP durumunda 12eV bariyer yüksekliği ile ilişkili büyük TMR değerlerini tahmin ederken, deneyler 0.4eV kadar düşük bariyer yüksekliklerini ortaya koymaktadır. MgO tünel bariyerindeki lokalize oksijen boşluğu durumları hesaba katılırsa, bu çelişki ortadan kalkar. MgO MTJ'lerde kapsamlı katı hal tünelleme spektroskopisi deneyleri, 2014'te, zeminde elektronik tutmanın ve sıcaklığa bağlı olan bir oksijen boşluğunun uyarılmış durumlarının, belirli bir simetrideki elektronlar için tünel bariyer yüksekliğini belirlediğini ve böylece, etkin TMR oranı ve sıcaklığa bağımlılığı. Bu düşük bariyer yüksekliği, daha sonra tartışılacak olan spin-transfer torku için gereken yüksek akım yoğunluklarını sağlar.

Manyetik tünel bağlantılarında (MTJ'ler) spin-transfer torku

Döndürme transfer torkunun etkisi, iki ferromanyetik elektrot seti arasına sıkıştırılmış bir tünel bariyerinin olduğu, sağ elektrotun (serbest) manyetizasyonunun olduğu, sol elektrotun ( sabit mıknatıslanma ile) spin-polarize edici olarak işlev görür. Bu daha sonra manyetorezistif rasgele erişimli bir bellek cihazındaki bazı seçici transistörlere sabitlenebilir veya bir sabit disk sürücüsü uygulamasında bir ön yükselticiye bağlanabilir .

Lineer tepki gerilimi tarafından sürülen spin-transfer tork vektörü, tork operatörünün beklenen değerinden hesaplanabilir:

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

burada bir göstergesi-değişmez dengesizlik yoğunluk matrisi lineer tepki rejiminde sıfır sıcaklık limiti sabit durum nakliye için, ve tork operatör spin operatörünün zaman türevinin elde edilir: ${\hat {\rho }}_{\mathrm {neq} }$ ${\hat {\mathbf {T} }}$

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

1D sıkı bağlayıcı Hamiltoniyenin genel formunu kullanarak:

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

burada toplam manyetizasyon (makrospin olarak) birim vektör boyuncadır ve Pauli matrisleri özellikleri , tarafından verilen keyfi klasik vektörleri içeren $\mathbf {m}$ $\mathbf {p} ,\mathbf {q}$

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

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

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

daha sonra ilk olarak ( ve Pauli spin matrislerinin vektörü kullanılarak kompakt biçimde ifade edilebilir) için analitik bir ifade elde etmek mümkündür . ${\hat {\mathbf {T} }}$ $\Delta ,\mathbf {m}$ ${\boldsymbol {\sigma }}=(\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})$

Genel olarak MTJ'lerde spin-transfer tork vektörünün iki bileşeni vardır: paralel ve dikey bir bileşen:

Paralel bileşen: $T_{\paralel }={\sqrt {T_{x}^{2}+T_{z}^{2}}}$

Ve dikey bir bileşen: $T_{\perp }=T_{y}$

Simetrik MTJ'lerde (aynı geometriye ve değişim ayırmaya sahip elektrotlardan yapılmış), dik bileşen kaybolduğundan spin-transfer tork vektörü yalnızca bir aktif bileşene sahiptir:

$T_{\perp }\eşdeğer 0$ .

Bu nedenle, sadece vs ihtiyaçları, simetrik MTJs içinde tünel karakterize bir sanayi ölçeğinde üretim ve karakterizasyonu için çekici bunları yaparken doğru elektrodun bölgesine çizilebilmesini. ${\görüntüleme stili T_{\paralel }}$ ${\görüntüleme stili\teta }$

Not: Bu hesaplamalarda aktif bölge (bunun için geciktirilmiş Green fonksiyonunun hesaplanması gerekir), tünel bariyeri + sonlu kalınlıkta sağ ferromanyetik katmandan (gerçekçi cihazlarda olduğu gibi) oluşmalıdır. Aktif bölge, sol ferromanyetik elektroda (sıfır olmayan Zeeman bölmeli yarı sonsuz sıkı bağlama zinciri olarak modellenmiştir ) ve sağ N elektroda (herhangi bir Zeeman bölünmesi olmayan yarı sonsuz sıkı bağlama zinciri) tarafından kodlandığı gibi bağlanır. karşılık gelen öz-enerji terimleri.

Teori ve deney arasındaki tutarsızlık

Teorik tünelleme manyeto-direnç oranları %10000 olarak tahmin edilmiştir. Ancak, gözlemlenenlerin en büyüğü sadece %604'tür. Bir öneri, tane sınırlarının MgO bariyerinin yalıtım özelliklerini etkileyebileceğidir; ancak gömülü yığın yapılarındaki filmlerin yapısını belirlemek zordur. Tane sınırları, malzeme boyunca kısa devre iletim yolları olarak hareket ederek, cihazın direncini azaltabilir. Son zamanlarda, yeni taramalı transmisyon elektron mikroskobu teknikleri kullanılarak FeCoB/MgO/FeCoB MTJ'ler içindeki tane sınırları atomik olarak çözümlenmiştir. Bu, gerçek filmlerde mevcut olan yapısal birimler üzerinde ilk prensip yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamalarının yapılmasına izin verdi . Bu tür hesaplamalar, bant aralığının %45'e kadar azaltılabileceğini göstermiştir.

Tane sınırlarına ek olarak, bor interstisyel ve oksijen boşlukları gibi nokta kusurları tünelleme manyeto-direncini önemli ölçüde değiştiriyor olabilir. Son teorik hesaplamalar, bor geçiş reklamlarının bant aralığında potansiyel olarak TMR'yi daha da azaltan kusur durumları ortaya çıkardığını ortaya çıkarmıştır. .

Languages

In other projects