Туннельное магнитосопротивление - Tunnel magnetoresistance

Магнитный туннельный переход (схема)

Туннельное магнитосопротивление (TMR) это магниторезистивный эффект что происходит в магнитный туннельный переход (MTJ), который представляет собой компонент, состоящий из двух ферромагнетики разделенные тонким изолятор. Если изолирующий слой достаточно тонкий (обычно несколько нанометры ), электроны может туннель из одного ферромагнетика в другой. Поскольку этот процесс запрещен в классической физике, туннельное магнитосопротивление строго ограничено. квантово-механический явление.

Магнитные туннельные переходы изготавливаются в тонкая пленка технологии. В промышленных масштабах осаждение пленки производится магнетроном. напыление; в лабораторном масштабе молекулярно-лучевая эпитаксия, импульсное лазерное напыление и электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы также используются. Соединения подготовлены фотолитография.

Феноменологическое описание

Направление двух намагничивания ферромагнитных пленок можно переключать индивидуально с помощью внешнего магнитное поле. Если намагниченности имеют параллельную ориентацию, более вероятно, что электроны будут туннелировать через изолирующую пленку, чем если бы они были в противоположной (антипараллельной) ориентации. Следовательно, такой переход может переключаться между двумя состояниями электрическое сопротивление, один с низким сопротивлением и один с очень высоким сопротивлением.

История

Эффект был впервые обнаружен в 1975 году Мишелем Жульером (Университет Ренна, Франция) в Fe /Ge -О /Co -переходы при 4,2 К. Относительное изменение сопротивления составило около 14% и не привлекло особого внимания.[1] В 1991 году Терунобу Миядзаки (Университет Тохоку, Япония) обнаружил изменение на 2,7% при комнатной температуре. Позже, в 1994 году, Миядзаки обнаружил 18% соединений железа, разделенных аморфный оксид алюминия изолятор [2] и Джагадиш Мудера обнаружено 11,8% в спаях с электродами из CoFe и Co.[3] Наибольший эффект, наблюдаемый в то время с изоляторами из оксида алюминия, составлял около 70% при комнатной температуре.

С 2000 года тоннельные заграждения кристаллический оксид магния (MgO) находятся в стадии разработки. В 2001 году Батлер и Матон независимо друг от друга сделали теоретическое предсказание, что, используя утюг как ферромагнетик и MgO туннельное магнитосопротивление в качестве изолятора может достигать нескольких тысяч процентов.[4][5] В том же году Bowen et al. были первыми, кто сообщил об экспериментах, показывающих значительный TMR в магнитном туннельном переходе на основе MgO [Fe / MgO / FeCo (001)].[6] В 2004 году Паркин и Юаса смогли создать соединения Fe / MgO / Fe, которые достигают более 200% TMR при комнатной температуре.[7][8] В 2008 г. С. Икеда, группа Х. Оно из Университета Тохоку в Японии наблюдали эффекты до 604% при комнатной температуре и более 1100% при 4,2 К в соединениях CoFeB / MgO / CoFeB.[9]

Приложения

В читающие головы современных жесткие диски работают на основе магнитных туннельных переходов. TMR, а точнее магнитный туннельный переход, также является основой MRAM, новый тип энергонезависимая память. Технологии 1-го поколения основывались на создании перекрестных магнитных полей на каждом бите для записи данных на него, хотя этот подход имеет предел масштабирования около 90–130 нм.[10] В настоящее время разрабатываются два метода второго поколения: Переключение с тепловой поддержкой (ТАС)[10] и Крутящий момент передачи вращения. Магнитные туннельные переходы также используются для датчиков. Например, TMR-Sensor может измерять углы с современной высокой точностью. флюгеры, используемые в ветроэнергетике.

Физическое объяснение

Двухтоковая модель для параллельного и антипараллельного выравнивания намагниченностей

Относительное изменение сопротивления - или амплитуда эффекта - определяется как

куда - электрическое сопротивление в антипараллельном состоянии, тогда как сопротивление в параллельном состоянии.

Эффект TMR объяснил Жюльер с помощью спиновые поляризации ферромагнитных электродов. Спиновая поляризация п рассчитывается из вращение зависимый плотность состояний (DOS) на Энергия Ферми:

Электроны со спином вверх - это те, у которых ориентация спина параллельна внешнему магнитному полю, тогда как электроны со спином вниз имеют антипараллельное выравнивание с внешним полем. Относительное изменение сопротивления теперь определяется спиновой поляризацией двух ферромагнетиков, п1 и п2:

Если нет Напряжение приложенный к переходу, электроны туннелируют в обоих направлениях с равной скоростью. С напряжением смещения U, электроны туннелируют преимущественно к положительному электроду. В предположении, что спин консервированный во время туннелирования ток можно описать двухтоковой моделью. Полный ток делится на два частичных тока: один для электронов со спином вверх, а другой - для электронов со спином вниз. Они различаются в зависимости от магнитного состояния контактов.

Есть две возможности получить определенное антипараллельное состояние. Во-первых, можно использовать ферромагнетики с разными принуждение (с использованием разных материалов или разной толщины пленки). Во-вторых, один из ферромагнетиков может быть связан с антиферромагнетик (предвзятость обмена ). В этом случае намагниченность несвязанного электрода остается «свободной».

TMR становится бесконечным, если п1 и п2 равны 1, т.е.если оба электрода имеют 100% спиновую поляризацию. В этом случае магнитный туннельный переход становится переключателем, который магнитно переключается между низким сопротивлением и бесконечным сопротивлением. Материалы, которые при этом учитываются, называются ферромагнитные полуметаллы. Их электроны проводимости полностью поляризованы по спину. Это свойство теоретически предсказано для ряда материалов (например, CrO2, разные Сплавы Гейслера ), но его экспериментальное подтверждение было предметом тонких споров. Тем не менее, если рассматривать только те электроны, которые участвуют в переносе, измерения Bowen et al. до 99,6%[11] спиновая поляризация на границе La0.7Sr0.3MnO3 и SrTiO3 прагматично составляют экспериментальное доказательство этого свойства.

TMR уменьшается как с увеличением температуры, так и с увеличением напряжения смещения. И то, и другое можно понять в принципе магнон возбуждения и взаимодействия с магнонами, а также из-за туннелирования по отношению к локализованным состояниям, индуцированным кислородными вакансиями (см. ниже раздел «Фильтрация симметрии»).[12]

Симметрия-фильтрация в туннельных барьерах

До введения эпитаксиального оксид магния (MgO), аморфный оксид алюминия использовался в качестве туннельного барьера MTJ, и типичный TMR при комнатной температуре находился в диапазоне десятков процентов. Барьеры MgO увеличили TMR до сотен процентов. Это большое увеличение отражает синергетическую комбинацию электронных структур электрода и барьера, что, в свою очередь, отражает достижение структурно упорядоченных переходов. Действительно, MgO фильтрует туннельную передачу электронов с определенной симметрией, которые полностью поляризованы по спину в пределах тока, протекающего через объемно-центрированная кубическая Электроды на основе Fe. Таким образом, в параллельном (P) состоянии намагничивания электродов MTJ электроны этой симметрии доминируют в токе перехода. Напротив, в антипараллельном (AP) состоянии MTJ этот канал заблокирован, так что электроны со следующей наиболее благоприятной симметрией для передачи доминируют в токе перехода. Поскольку эти электроны туннелируют относительно большей высоты барьера, это приводит к значительному TMR.

Помимо этих больших значений TMR для MTJ на основе MgO,[9] Это влияние электронной структуры барьера на туннельную спинтронику было косвенно подтверждено разработкой потенциального ландшафта перехода для электронов заданной симметрии. Впервые это было достигнуто путем изучения того, как электроны лантан стронций манганит полуметаллический электрод с полным вращением (P = + 1 [11]) и симметричный поляризационный туннель через электрически смещенный SrTiO3 туннельный барьер.[13] Позже был продемонстрирован концептуально более простой эксперимент по установке подходящей металлической прокладки на границе перехода во время роста образца.[14][15].

Хотя теория, впервые сформулированная в 2001 г.,[4][5] предсказывает большие значения TMR, связанные с высотой барьера 4 эВ в состоянии P MTJ и 12 эВ в состоянии AP MTJ, эксперименты показывают, что высота барьера составляет всего 0,4 эВ.[7] Это противоречие снимается, если учесть локализованные состояния кислородных вакансий в туннельном барьере MgO. Обширные эксперименты по твердотельной туннельной спектроскопии на MgO MTJ, обнаруженные в 2014 г.[12] что электронное удержание на основном и возбужденном состояниях кислородной вакансии, которое зависит от температуры, определяет высоту туннельного барьера для электронов данной симметрии и, таким образом, определяет эффективное отношение TMR и его температурную зависимость. Эта малая высота барьера, в свою очередь, обеспечивает высокие плотности тока, необходимые для передачи крутящего момента, обсуждаемого ниже.

Передача спинового момента в магнитных туннельных переходах (MTJ)

Эффект крутящий момент передачи вращения был изучен и широко применяется в MTJ, где существует туннельный барьер, зажатый между двумя ферромагнитными электродами, так что существует (свободная) намагниченность правого электрода, при этом предполагается, что левый электрод (с фиксированной намагниченностью) действует как спин -поляризатор. Затем его можно прикрепить к некоторому выбирающему транзистору в магниторезистивная память с произвольным доступом устройства или подключенного к предусилителю в привод жесткого диска заявление.

Вектор крутящего момента передачи вращения, управляемый линейным напряжением отклика, может быть вычислен из математического ожидания оператора крутящего момента:

куда это калибровочно-инвариантный неравновесный матрица плотности для установившегося переноса в пределе нулевой температуры в режиме линейного отклика,[16] и оператор крутящего момента получается из производной по времени оператора спина:

Используя общую форму одномерного гамильтониана сильной связи:

где полная намагниченность (как макроспин) находится вдоль единичного вектора и свойства матриц Паули с произвольными классическими векторами , данный

тогда можно сначала получить аналитическое выражение для (который может быть выражен в компактной форме с помощью , а вектор спиновых матриц Паули ).

Вектор крутящего момента передачи вращения в обычных MTJ имеет две составляющие: параллельную и перпендикулярную:

Параллельный компонент:

И перпендикулярный компонент:

В симметричных MTJ (изготовленных из электродов с одинаковой геометрией и обменным расщеплением) вектор крутящего момента с передачей спина имеет только одну активную составляющую, поскольку перпендикулярная составляющая исчезает:

.[17]

Поэтому только против. необходимо построить на месте правильного электрода, чтобы охарактеризовать туннелирование в симметричных MTJ, что делает их привлекательными для производства и определения характеристик в промышленных масштабах.

Примечание: в этих расчетах активная область (для которой необходимо вычислить запаздывающую Функция Грина ) должен состоять из туннельного барьера + правого ферромагнитного слоя конечной толщины (как в реальных устройствах). Активная область прикреплена к левому ферромагнитному электроду (моделируется как полубесконечная цепочка с сильной связью с ненулевым Зеемановское расщепление ) и правый электрод N (полубесконечная цепочка с сильной связью без какого-либо зеемановского расщепления), как закодировано соответствующими членами собственной энергии.

Расхождение между теорией и экспериментом

Теоретические отношения туннельного магнито-сопротивления 3400%[18] были предсказаны. Однако самые большие из наблюдаемых - только 604%.[19] Одно из предположений состоит в том, что границы зерен может влиять на изоляционные свойства барьера MgO; однако структуру пленок в структурах с заглубленной стопкой определить сложно.[20] Границы зерен могут действовать как пути проводимости короткого замыкания через материал, снижая сопротивление устройства. Недавно с помощью новых растровая просвечивающая электронная микроскопия При использовании этих методов границы зерен в MTJ FeCoB / MgO / FeCoB были разрешены атомарно. Это позволило первым принципам теория функционала плотности расчеты должны выполняться на структурных единицах, присутствующих в реальных пленках. Такие расчеты показали, что ширина запрещенной зоны может быть уменьшена на 45%.[21]

В дополнение к границам зерен, точечные дефекты, такие как междоузлия бора и кислородные вакансии, могут значительно изменять туннельное магнитосопротивление. Недавние теоретические расчеты показали, что межузельные частицы бора вводят дефектные состояния в запрещенную зону, что потенциально снижает TMR.[22]Эти теоретические расчеты также подтверждаются экспериментальными данными, показывающими природу бора в слое MgO между двумя разными системами и различие TMR.[23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ М. Жюльер (1975). «Туннелирование между ферромагнитными пленками». Phys. Латыш. 54A (3): 225–226. Bibcode:1975PhLA ... 54..225J. Дои:10.1016/0375-9601(75)90174-7.
  2. ^ Т. Миядзаки и Н. Тэдзука (1995). «Гигантский магнитный туннельный эффект в Fe / Al2О3/ Fe стык ». J. Magn. Magn. Матер. 139 (3): L231 – L234. Bibcode:1995JMMM..139L.231M. Дои:10.1016/0304-8853(95)90001-2.
  3. ^ Дж. С. Мудера; и другие. (1995). «Большое магнитосопротивление при комнатной температуре в ферромагнитных туннельных переходах в тонких пленках». Phys. Rev. Lett. 74 (16): 3273–3276. Bibcode:1995ПхРвЛ..74.3273М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.74.3273. PMID  10058155.
  4. ^ а б В. Х. Батлер; X.-G. Чжан; Т. С. Шультесс и Дж. М. Макларен (2001). «Спин-зависимая туннельная проводимость сэндвичей Fe / MgO / Fe». Phys. Ред. B. 63 (5): 054416. Bibcode:2001PhRvB..63e4416B. Дои:10.1103 / PhysRevB.63.054416.
  5. ^ а б Дж. Матон и А. Умерский (2001). «Теория туннельного магнитосопротивления эпитаксиального перехода Fe / MgO / Fe (001)». Phys. Ред. B. 63 (22): 220403. Bibcode:2001ПхРвБ..63в0403М. Дои:10.1103 / PhysRevB.63.220403.
  6. ^ М. Боуэн; и другие. (2001). «Большое магнитосопротивление в эпитаксиальных туннельных переходах Fe / MgO / FeCo (001) на GaAs (001)» (PDF). Appl. Phys. Латыш. 79 (11): 1655. Bibcode:2001АпФЛ..79.1655Б. Дои:10.1063/1.1404125. HDL:2445/33761.
  7. ^ а б S Yuasa; Т Нагахама; Фукусима; У Сузуки и К. Андо (2004). «Гигантское магнитосопротивление при комнатной температуре в монокристаллических магнитных туннельных переходах Fe / MgO / Fe». Nat. Матер. 3 (12): 868–871. Bibcode:2004 НатМа ... 3..868л. Дои:10.1038 / nmat1257. PMID  15516927.
  8. ^ Паркин С.С. и другие. (2004). «Гигантское туннельное магнитосопротивление при комнатной температуре с туннельными барьерами MgO (100)». Nat. Матер. 3 (12): 862–867. Bibcode:2004НатМа ... 3..862П. Дои:10.1038 / nmat1256. PMID  15516928.
  9. ^ а б С. Икеда, Дж. Хаякава, Ю. Ашизава, Ю.М. Ли, К. Миура, Х. Хасегава, М. Цунода, Ф. Мацукура и Х. Оно (2008). «Туннельное магнитосопротивление 604% при 300 K за счет подавления диффузии Ta в псевдоспиновых клапанах CoFeB / MgO / CoFeB, отожженных при высокой температуре». Appl. Phys. Латыш. 93 (8): 082508. Bibcode:2008АпФЛ..93х2508И. Дои:10.1063/1.2976435.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  10. ^ а б Барри Хоберман Появление практичной MRAM В архиве 2011-04-27 на Wayback Machine. Крокус Технологии
  11. ^ а б Боуэн, М; Бартелеми, А; Bibes, M; Жаке, Е; Контур, Дж П; Fert, A; Wortmann, D; Блюгель, С (19 октября 2005 г.). «Полуметалличность доказана с использованием полностью спин-поляризованного туннелирования». Журнал физики: конденсированное вещество. 17 (41): –407 – L409. Bibcode:2005JPCM ... 17L.407B. Дои:10.1088 / 0953-8984 / 17/41 / L02. ISSN  0953-8984.
  12. ^ а б Schleicher, F .; Halisdemir, U .; Lacour, D .; Gallart, M .; Boukari, S .; Schmerber, G .; Davesne, V .; Panissod, P .; Halley, D .; Majjad, H .; Генри, Y .; Leconte, B .; Boulard, A .; Spor, D .; Beyer, N .; Кибер, С .; Стерницкий, Э .; Cregut, O .; Ziegler, M .; Montaigne, F .; Beaurepaire, E .; Gilliot, P .; Hehn, M .; Боуэн, М. (4 августа 2014 г.). «Локализованные состояния в продвинутых диэлектриках с точки зрения спин-поляризованного туннелирования через MgO».. Nature Communications. 5: 4547. Bibcode:2014 НатКо ... 5.4547S. Дои:10.1038 / ncomms5547. ISSN  2041-1723. PMID  25088937.
  13. ^ Bowen, M .; Barthélémy, A .; Беллини, В .; Bibes, M .; Seneor, P .; Jacquet, E .; Contour, J.-P .; Дедерихс, П. (апрель 2006 г.). «Наблюдение туннелирования дырок Фаулера – Нордхейма через туннельный переход электронов за счет фильтрации полной симметрии». Физический обзор B. 73 (14): 140408. Bibcode:2006ПхРвБ..73н0408Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.73.140408. ISSN  1098-0121.
  14. ^ Greullet, F .; Tiusan, C .; Montaigne, F .; Hehn, M .; Halley, D .; Bengone, O .; Bowen, M .; Вебер, В. (ноябрь 2007 г.). «Доказательства наличия симметрично-зависимого металлического барьера в полностью эпитаксиальных магнитных туннельных переходах на основе MgO». Письма с физическими проверками. 99 (18): 187202. Bibcode:2007PhRvL..99r7202G. Дои:10.1103 / PhysRevLett.99.187202. ISSN  0031-9007. PMID  17995434.
  15. ^ Мацумото, Риэ; Фукусима, Акио; Якушиджи, Кей; Нисиока, Синго; Нагахама, Таро; Катаяма, Тошиказу; Сузуки, Ёсишиге; Андо, Коджи; Юаса, Синдзи (2009). «Спин-зависимое туннелирование в эпитаксиальных магнитных туннельных переходах Fe / Cr / MgO / Fe со сверхтонким разделительным слоем Cr (001)». Физический обзор B. 79 (17): 174436. Bibcode:2009PhRvB..79q4436M. Дои:10.1103 / PhysRevB.79.174436.
  16. ^ [Ф. Махфузи, Н. Нагаоса и Б. К. Николич, Спин-орбитальная связь, индуцированная спин-передачей крутящего момента и поляризация тока в вертикальных гетероструктурах топологический изолятор / ферромагнетик, Phys. Rev. Lett. 109, 166602 (2012). Уравнение (13)]
  17. ^ [S.-C. ой et. al., Зависимость от напряжения смещения перпендикулярного момента передачи спина в симметричных магнитных туннельных переходах на основе MgO, Nature Phys. 5, 898 (2009). [PDF]
  18. ^ Цымбал Э. Ю., Мрясов О. Н., Леклер П. Р. (2003). Спин-зависимое туннелирование в магнитных туннельных переходах. Журнал физики: конденсированное вещество, 15 (4), R109 – R142. https://doi.org/10.1088/0953-8984/15/4/201
  19. ^ Икеда, С., Хаякава, Дж., Ашизава, Ю., Ли, Ю. М., Миура, К., Хасегава, Х.,… Оно, Х. (2008). Туннельное магнитосопротивление 604% при 300 K за счет подавления диффузии Ta в псевдоспиновых клапанах CoFeBMgOCoFeB, отожженных при высокой температуре. Письма по прикладной физике, 93 (8), 39–42. https://doi.org/10.1063/1.2976435
  20. ^ Бенедетти, С., Торелли, П., Валери, С., Бениа, Х.М., Нилиус, Н., и Рено, Г. (2008). Структура и морфология тонких пленок MgO на Мо (001). Physical Review B - Физика конденсированных сред и материалов, 78 (19), 1–8. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.195411
  21. ^ Бин, Дж. Дж., Сайто, М., Фуками, С., Сато, Х., Икеда, С. (2017). Атомная структура и электронные свойства границ зерен MgO в туннельных магниторезистивных устройствах. Издательская группа Nature, (январь), 1–9. https://doi.org/10.1038/srep45594
  22. ^ Бин, Дж. Дж., И Маккенна, К. П. (2018). Устойчивость точечных дефектов вблизи границ зерен MgO в магнитных туннельных переходах FeCoB / MgO / FeCoB. Материалы Physical Review, 2 (12), 125002. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.125002
  23. ^ Сюй, X. Д., Мукаяма, К., Касаи, С., Окубо, Т., и Хоно, К. (2018). Влияние диффузии бора на границах зерен MgO на магнитотранспортные свойства магнитных туннельных переходов MgO / CoFeB / W. Acta Materialia, 161, 360–366. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.028