Туннельное магнитосопротивление ( TMR ) - это магниторезистивный эффект , возникающий в магнитном туннельном переходе ( MTJ ), который представляет собой компонент, состоящий из двух ферромагнетиков, разделенных тонким диэлектриком . Если изолирующий слой достаточно тонкий (обычно несколько нанометров ), электроны могут туннелировать из одного ферромагнетика в другой. Поскольку этот процесс запрещен в классической физике, туннельное магнитосопротивление является строго квантово-механическим явлением.
Магнитные туннельные переходы производятся по тонкопленочной технологии. В промышленных масштабах осаждение пленки осуществляется методом распыления магнетрона ; в лабораторном масштабе также используются молекулярно-лучевая эпитаксия , импульсное лазерное осаждение и электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы . Переходы подготовлены методом фотолитографии .
Феноменологическое описание
Направление двух намагничиваний ферромагнитных пленок можно переключать индивидуально с помощью внешнего магнитного поля . 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 электрического сопротивления : одним с низким сопротивлением и одним с очень высоким сопротивлением.
История
Эффект был первоначально обнаружен в 1975 году Мишелем Жульером (Университет Ренна, Франция) в Fe / Ge - O / Co- переходах 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% в соединениях железа, разделенных изолятором из аморфного оксида алюминия [2], а Джагадиш Мудера обнаружил 11,8% в соединениях с электродами из CoFe и Co. [3] . Наибольшие эффекты, наблюдаемые в это время с алюминием. оксидные изоляторы составляли около 70% при комнатной температуре.
С 2000 года разрабатываются туннельные барьеры из кристаллического оксида магния (MgO). В 2001 году Батлер и Матон независимо друг от друга сделали теоретическое предсказание, что при использовании железа в качестве ферромагнетика и MgO в качестве изолятора туннельное магнитосопротивление 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 прочитанных головках современных жестких дисков работают на основе магнитных туннельных переходов. TMR, или, более конкретно, магнитный туннельный переход, также является основой MRAM , нового типа энергонезависимой памяти . 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: терморегулирующая коммутация (TAS) [10] и спин-передача крутящего момента . Магнитные туннельные переходы также используются для датчиков. Например, TMR-Sensor может измерять углы в современных высокоточных флюгерах , используемых в ветроэнергетике.
Физическое объяснение
Относительное изменение сопротивления - или амплитуда эффекта - определяется как
где - электрическое сопротивление в антипараллельном состоянии, тогда как сопротивление в параллельном состоянии.
Эффект TMR был объяснен Жюльером спиновой поляризацией ферромагнитных электродов. Спиновая поляризация P рассчитывается из спин- зависимой плотности состояний (DOS)при энергии Ферми :
Электроны со спином вверх - это электроны с ориентацией спина, параллельной внешнему магнитному полю, тогда как электроны со спином вниз имеют антипараллельное выравнивание с внешним полем. Относительное изменение сопротивления теперь определяется спиновой поляризацией двух ферромагнетиков P 1 и P 2 :
Если к переходу не приложено напряжение , электроны туннелируют в обоих направлениях с равной скоростью. При напряжении смещения U электроны туннелируют преимущественно к положительному электроду. В предположении сохранения спина при туннелировании ток можно описать в двухтоковой модели. 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 переходов.
Есть две возможности получить определенное антипараллельное состояние. Во-первых, можно использовать ферромагнетики с разной коэрцитивной силой (используя разные материалы или разную толщину пленки). Во-вторых, один из ферромагнетиков может быть связан с антиферромагнетиком ( обменное смещение ). В этом случае намагниченность несвязанного электрода остается «свободной».
TMR становится бесконечным, если P 1 и P 2 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 ферромагнитными полуметаллами . Их электроны проводимости полностью поляризованы по спину. Это свойство теоретически предсказано для ряда материалов (например, CrO 2 , различных сплавов 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] спиновой поляризации на границе раздела между La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 и SrTiO 3 прагматично составляют экспериментальное доказательство этого свойства.
TMR уменьшается как с увеличением температуры, так и с увеличением напряжения смещения. И то, и другое в принципе можно понять из возбуждений магнонов и взаимодействий с магнонами, а также из-за туннелирования по отношению к локализованным состояниям, индуцированным кислородными вакансиями (см. Раздел «Фильтрация симметрии» ниже). [12]
Симметрия-фильтрация в туннельных барьерах
До введения эпитаксиального оксида 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 туннельное прохождение электронов с определенной симметрией, которые полностью поляризованы по спину в пределах тока, протекающего через объемно-центрированные кубические 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. Это было впервые достигнуто путем изучения того, как электроны полуметаллического электрода из лантана-стронция-манганита как с полным спином (P = + 1 [11] ), так и с симметричным поляризационным туннелем проходят через электрически смещенный туннельный барьер SrTiO 3 . [13] Концептуально более простой эксперимент по установке подходящей металлической прокладки на границе перехода во время роста образца также был позже продемонстрирован [14] [15] .
Хотя теория, впервые сформулированная в 2001 году, [4] [5] предсказывает большие значения TMR, связанные с высотой барьера 4 эВ в P-состоянии MTJ и 12 эВ в AP-состоянии 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 показали в 2014 г. [12], что удержание электронов на основном и возбужденных состояниях кислородной вакансии, которое зависит от температуры, определяет высоту туннельного барьера для электронов данной симметрии и таким образом определяется эффективное соотношение TMR и его температурная зависимость. Эта малая высота барьера, в свою очередь, обеспечивает высокие плотности тока, необходимые для передачи крутящего момента, обсуждаемого ниже.
Передача спина в магнитных туннельных переходах (MTJ)
Влияние крутящего момента с передачей спина изучается и широко применяется в MTJ, где существует туннельный барьер, зажатый между набором из двух ферромагнитных электродов, так что существует (свободная) намагниченность правого электрода, при этом предполагается, что левый электрод ( с фиксированной намагниченностью) действует как спин-поляризатор. Затем он может быть прикреплен к некоторому выбирающему транзистору в магниторезистивном запоминающем устройстве с произвольным доступом или подключен к предусилителю в приложении жесткого диска .
Вектор крутящего момента передачи вращения, управляемый линейным напряжением отклика, может быть вычислен из математического ожидания оператора крутящего момента:
где - калибровочно-инвариантная матрица неравновесной плотности для стационарного 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 макровращение) 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 (сделанных из электродов с той же геометрией и обменным расщеплением) вектор крутящего момента передачи 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 промышленном масштабе.
Примечание: в этих расчетах активная область (для которой необходимо вычислить запаздывающую функцию Грина ) должна 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 зеемановским расщеплением ) и правому N-электроду (полубесконечная цепочка с прочной связью без какого-либо зеемановского расщепления), как кодируется соответствующие условия собственной энергии.
Расхождение между теорией и экспериментом
Было предсказано теоретическое туннельное магнитосопротивление 3400% [18] . Однако самые большие из наблюдаемых - только 604%. [19] Одно из предположений состоит в том, что границы зерен могут влиять на изолирующие свойства барьера MgO; однако структуру пленок в структурах с заглубленной стопкой определить сложно. [20] Границы зерен могут действовать как проводящие пути короткого замыкания через материал, снижая сопротивление устройства. Недавно с использованием новых методов сканирующей просвечивающей электронной микроскопии границы зерен в MTJ FeCoB / MgO / FeCoB были атомарно разрешены. Это позволило выполнить расчеты по теории функционала плотности из первых принципов на структурных единицах, которые присутствуют в реальных пленках. Такие расчеты показали, что ширина запрещенной зоны может быть уменьшена на 45%. [21]
Помимо границ зерен, точечные дефекты, такие как межузельные вставки бора и кислородные вакансии, могут значительно изменять туннельное магнитосопротивление. Недавние теоретические расчеты показали, что межузельные атомы бора вводят дефектные состояния в запрещенную зону, потенциально снижая TMR [22]. Эти теоретические расчеты также подтверждаются экспериментальными данными, показывающими природу бора в слое MgO между двумя различными системами и то, как TMR другой. [23]
Смотрите также
- Квантовое туннелирование
- Магнитосопротивление
- Гигантское магнитосопротивление (GMR)
- Крутящий момент передачи вращения
Рекомендации
- ^ М. Julliere (1975). «Туннелирование между ферромагнитными пленками». Phys. Lett . 54А (3): 225–226. Bibcode : 1975PhLA ... 54..225J . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (75) 90174-7 .
- ^ Т. Миядзаки и Н. Тэдзука (1995). «Гигантский магнитный туннельный эффект в переходе Fe / Al 2 O 3 / Fe». J. Magn. Magn. Матер . 139 (3): L231 – L234. Bibcode : 1995JMMM..139L.231M . DOI : 10.1016 / 0304-8853 (95) 90001-2 .
- ^ JS Moodera; и другие. (1995). «Большое магнитосопротивление при комнатной температуре в туннельных переходах в ферромагнитных тонких пленках». Phys. Rev. Lett . 74 (16): 3273–3276. Bibcode : 1995PhRvL..74.3273M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.3273 . PMID 10058155 .
- ^ а б WH Батлер; X.-G. Чжан; TC Schulthess и JM MacLaren (2001). «Спин-зависимая туннельная проводимость сэндвичей Fe / MgO / Fe» . Phys. Rev. B . 63 (5): 054416. Bibcode : 2001PhRvB..63e4416B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.63.054416 .
- ^ а б Дж. Матон и А. Умерски (2001). «Теория туннельного магнитосопротивления эпитаксиального перехода Fe / MgO / Fe (001)». Phys. Rev. B . 63 (22): 220403. Bibcode : 2001PhRvB..63v0403M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.63.220403 .
- ^ М. Боуэн; и другие. (2001). «Большое магнитосопротивление в эпитаксиальных туннельных переходах Fe / MgO / FeCo (001) на GaAs (001)» (PDF) . Прил. Phys. Lett . 79 (11) : 1655. Bibcode : 2001ApPhL..79.1655B . DOI : 10.1063 / 1.1404125 . hdl : 2445/33761 .
- ^ 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 : 2004NatMa ... 3..868Y . DOI : 10.1038 / nmat1257 . PMID 15516927 .
- ^ ССП Паркин; и другие. (2004). «Гигантское туннельное магнитосопротивление при комнатной температуре с туннельными барьерами MgO (100)». Nat. Матер . 3 (12): 862–867. Bibcode : 2004NatMa ... 3..862P . DOI : 10.1038 / nmat1256 . PMID 15516928 .
- ^ 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». Прил. Phys. Lett . 93 (8): 082508. Bibcode : 2008ApPhL..93h2508I . DOI : 10.1063 / 1.2976435 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ a b Барри Хоберман «Появление практичной MRAM». Архивировано 27 апреля 2011 г. в Wayback Machine . Крокус Технологии
- ^ а б Боуэн, М; Бартелеми, А; Bibes, M; Жаке, Е; Контур, JP; 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 . DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 17/41 / L02 . ISSN 0953-8984 .
- ^ 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 преимуществом спин-поляризованного и симметрично-поляризованного туннелирования через MgO» . Nature Communications . 5 : 4547. Bibcode : 2014NatCo ... 5.4547S . DOI : 10.1038 / ncomms5547 . ISSN 2041-1723 . PMID 25088937 .
- ^ Bowen, M .; Barthélémy, A .; Беллини, В .; Bibes, M .; Seneor, P .; Jacquet, E .; Contour, J.-P .; Дедерихс, П. (апрель 2006 г.). «Наблюдение туннелирования дыр Фаулера-Нордхейма через туннельный переход электронов из-за фильтрации полной симметрии» . Physical Review B . 73 (14): 140408. Bibcode : 2006PhRvB..73n0408B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.73.140408 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Greullet, F .; Tiusan, C .; Montaigne, F .; Hehn, M .; Halley, D .; Bengone, O .; Bowen, M .; Вебер, В. (ноябрь 2007 г.). «Доказательства симметрично-зависимого металлического барьера в полностью эпитаксиальных магнитных туннельных переходах на основе MgO» . Письма с физическим обзором . 99 (18): 187202. Bibcode : 2007PhRvL..99r7202G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.99.187202 . ISSN 0031-9007 . PMID 17995434 .
- ^ Мацумото, Рие; 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)». Physical Review B . 79 (17): 174436. Bibcode : 2009PhRvB..79q4436M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.79.174436 .
- ^ [F. Махфузи, Н. Нагаоса и Б.К. Николич, спин-орбитальное взаимодействие, индуцированное спин-передачей крутящего момента и поляризация тока в вертикальных гетероструктурах топологический изолятор / ферромагнетик , Phys. Rev. Lett. 109 , 166602 (2012). Уравнение (13)]
- ^ [S.-C. Ой, эт. al. , Зависимость перпендикулярной спиновой передачи крутящего момента от напряжения смещения в симметричных магнитных туннельных переходах на основе MgO , Nature Phys. 5 , 898 (2009). [PDF]
- ^ Цымбал, EY, Mryasov, ON, и Леклер, PR (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
- ^ Икеда С., Хаякава, J., Ashizawa, Ю. Ли, YM, Miura, К., Hasegawa, H., ... Оно, H. (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
- ^ Бенедетти, С. Торелли, П. Валери, С., Benia, HM, Nilius, Н., & Renaud, G. (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
- Перейти ↑ Bean, JJ, Saito, M., Fukami, S., Sato, H., & Ikeda, S. (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
- Перейти ↑ Bean, JJ, & McKenna, KP (2018). Устойчивость точечных дефектов вблизи границ зерен MgO в магнитных туннельных переходах FeCoB / MgO / FeCoB. Physical Review Materials, 2 (12), 125002. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.125002
- ^ Сей, XD, Mukaiyama, К., Касаи, С., Ohkubo, Т., & Hono, 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