Tunelová magnetorezistence - Tunnel magnetoresistance

Magnetické spojení tunelu (schematické)

Tunelová magnetorezistence (TMR) je magnetorezistivní účinek který se vyskytuje v a spojení magnetickým tunelem (MTJ), což je složka skládající se ze dvou feromagnety oddělené tenkou izolátor. Pokud je izolační vrstva dostatečně tenká (obvykle několik nanometry ), elektrony umět tunel z jednoho feromagnetu do druhého. Jelikož je tento proces v klasické fyzice zakázán, je magnetorezistence tunelu přísně kvantově mechanické jev.

Magnetická tunelová spojení jsou vyráběna v tenký film technologie. V průmyslovém měřítku se depozice filmu provádí pomocí magnetronu naprašování; v laboratorním měřítku epitaxe molekulárního paprsku, pulzní laserová depozice a fyzikální depozice par elektronového paprsku jsou také využívány. Křižovatky připravuje fotolitografie.

Fenomenologický popis

Směr dvou magnetizace feromagnetických filmů lze přepínat jednotlivě externím zařízením magnetické pole. Pokud jsou magnetizace v paralelní orientaci, je pravděpodobnější, že elektrony budou tunelovat izolační fólií, než kdyby byly v opoziční (antiparalelní) orientaci. V důsledku toho lze takový spoj přepnout mezi dvěma stavy elektrický odpor, jeden s nízkým a jeden s velmi vysokým odporem.

Dějiny

Efekt původně objevil v roce 1975 Michel Jullière (University of Rennes, Francie) v roce Fe /Ge -Ó /Spol - spojení při 4,2 K. Relativní změna odporu byla kolem 14% a nepřitahovala velkou pozornost.^[1] V roce 1991 Terunobu Miyazaki (Tohoku University, Japonsko) zjistila změnu o 2,7% při pokojové teplotě. Později, v roce 1994, našel Miyazaki 18% v křižovatkách železa oddělených znakem amorfní oxid hlinitý izolátor ^[2] a Jagadeesh Moodera nalezeno 11,8% ve spojení s elektrodami společnosti CoFe and Co.^[3] Nejvyšší účinky pozorované v této době u izolátorů oxidu hlinitého byly při pokojové teplotě kolem 70%.

Od roku 2000 se staví tunelové zábrany krystalický oxid hořečnatý (MgO) jsou ve vývoji. V roce 2001 Butler a Mathon nezávisle provedli teoretickou predikci této použití žehlička jako feromagnet a MgO jako izolátor může magnetorezistence tunelu dosáhnout několika tisíc procent.^[4][5] Ve stejném roce Bowen et al. jako první hlásili experimenty ukazující významnou TMR v magnetickém tunelovém spojení založeném na MgO [Fe / MgO / FeCo (001)].^[6] V roce 2004 byli Parkin a Yuasa schopni vytvořit spojení Fe / MgO / Fe, která při pokojové teplotě dosáhla více než 200% TMR.^[7][8] V roce 2008 byly na spojích CoFeB / MgO / CoFeB pozorovány účinky až 604% při pokojové teplotě a více než 1100% při 4,2 K. S. Ikeda, skupina H. Ohno z Tohoku University v Japonsku.^[9]

Aplikace

The čtecí hlavy moderní pevné disky práce na základě spojení magnetického tunelu. TMR, přesněji řečeno spojení magnetického tunelu, je také základem MRAM, nový typ energeticky nezávislá paměť. Technologie první generace spoléhaly na vytváření křížových magnetických polí na každém bitu pro zápis dat na něj, i když tento přístup má limit škálování kolem 90–130 nm.^[10] V současné době se vyvíjejí dvě techniky 2. generace: Tepelně podporované přepínání (TAS)^[10] a Krouticí moment při přenosu točení. Magnetické tunelové spoje se také používají pro snímací aplikace. Například TMR-senzor dokáže měřit úhly s moderní vysokou přesností větrné lopatky, používané v odvětví větrné energie.

Fyzické vysvětlení

Dvouproudový model pro paralelní a antiparalelní vyrovnání magnetizací

Relativní změna odporu - nebo amplituda efektu - je definována jako

${ displaystyle mathrm {TMR}: = { frac {R _ { mathrm {ap}} -R _ { mathrm {p}}} {R _ { mathrm {p}}}}}$

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

Efekt TMR vysvětlil Jullière s polarizace rotace feromagnetických elektrod. Spinální polarizace P se počítá z roztočit závislý hustota stavů (DOS) ${ displaystyle { mathcal {D}}}$ na Fermiho energie:

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

Spin-up elektrony jsou ty, které mají spinovou orientaci rovnoběžnou s vnějším magnetickým polem, zatímco spin-down elektrony mají antiparalelní zarovnání s vnějším polem. Relativní změna odporu je nyní dána spinovými polarizacemi dvou feromagnetů, P₁ a P₂:

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

Jestli ne Napětí se aplikuje na spojení, tunel elektronů v obou směrech se stejnými rychlostmi. Se zkresleným napětím U, elektrony tunely přednostně ke kladné elektrodě. S předpokladem, že spin je konzervovaný během tunelování lze proud popsat v modelu se dvěma proudy. Celkový proud je rozdělen na dva dílčí proudy, jeden pro spin-up elektrony a druhý pro spin-down elektrony. Liší se v závislosti na magnetickém stavu křižovatek.

Existují dvě možnosti, jak získat definovaný antiparalelní stav. Nejprve lze použít feromagnety s různými donucení (použitím různých materiálů nebo různé tloušťky filmu). A za druhé, jeden z feromagnetů může být spojen s antiferromagnet (zkreslení směny ). V tomto případě zůstává magnetizace odpojené elektrody „volná“.

TMR se stane nekonečným, pokud P₁ a P₂ rovná 1, tj. pokud mají obě elektrody 100% polarizaci rotace. V tomto případě se spojení magnetického tunelu stane přepínačem, 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. CrO₂, rozličný Slitiny Heusler ), ale jeho 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%^[11] spinová polarizace na rozhraní mezi La_0.7Sr_0.3MnO₃ a SrTiO₃ pragmaticky se rovná experimentálnímu důkazu o této vlastnosti.

TMR klesá jak s rostoucí teplotou, tak s rostoucím předpětím. Oba lze v zásadě chápat jako Magnon buzení a interakce s magnony, jakož i kvůli tunelování s ohledem na lokalizované stavy vyvolané volnými kyslíkovými místy (viz níže část Filtrování symetrie).^[12]

Filtrování symetrie v tunelových bariérách

Před zavedením epitaxe oxid hořečnatý (MgO), amorfní oxid hlinitý byl použit jako tunelová bariéra MTJ a typická teplota místnosti TMR byla v rozmezí desítek procent. Bariéry MgO zvýšily TMR na stovky procent. Toto velké zvýšení odráží synergickou kombinaci elektrodových a bariérových elektronických struktur, což zase odráží dosažení strukturně uspořádaných spojů. Ve skutečnosti MgO filtruje tunelovací přenos elektronů se zvláštní symetrií, které jsou plně spinově polarizovány v proudu protékajícím napříč centrovaný na tělo Elektrody na bázi Fe. V paralelním (P) stavu magnetizace elektrod MTJ tedy elektrony této symetrie dominují spojovacímu proudu. Naproti tomu v antiparalelním (MT) stavu MTJ je tento kanál blokován, takže elektrony s další nejpříznivější symetrií pro přenos dominují spojovacímu proudu. Vzhledem k tomu, že tyto elektrony tunelují vzhledem k větší výšce bariéry, vede k značnému TMR.

Kromě těchto velkých hodnot TMR napříč MTJ založenými na MgO,^[9] tento dopad elektronické struktury bariéry na tunelovací spintroniku byl nepřímo potvrzen inženýrstvím potenciálu krajiny spojení pro elektrony dané symetrie. Toho bylo poprvé dosaženo zkoumáním, jak elektrony a lanthan strontnatý manganit napůl kovový elektroda s oběma plnými rotacemi (P = + 1 ^[11]) a polarizační tunel symetrie přes elektricky předpjatý SrTiO₃ tunelová bariéra.^[13] Koncepčně jednodušší experiment s vložením vhodné kovové distanční vložky na spojovací rozhraní během růstu vzorku byl také později prokázán^[14][15].

Zatímco teorie, poprvé formulovaná v roce 2001,^[4][5] předpovídá velké hodnoty TMR spojené s výškou bariéry 4eV ve stavu P MTJ a 12eV ve stavu AP MTJ, experimenty ukazují výšky bariéry až 0,4eV.^[7] Tento rozpor se zruší, pokud vezmeme v úvahu lokalizované stavy volných kyslíkových míst v bariéře tunelu MgO. V roce 2014 byly odhaleny rozsáhlé experimenty s tunelovou spektroskopií v tunelu v pevné fázi na MgO MTJ^[12] že elektronická retence na zemi a excitované stavy kyslíkové prázdnosti, která je závislá na teplotě, určuje výšku tunelové bariéry pro elektrony dané symetrie, a tak vytváří efektivní poměr TMR a jeho teplotní závislost. Tato nízká výška bariéry zase umožňuje vysoké proudové hustoty potřebné pro točivý moment při přenosu točením, o nichž se pojednává dále.

Krouticí moment pro rotaci v magnetických tunelových spojích

Účinek točivý moment byl studován a široce používán v MTJ, kde je tunelová bariéra vložená mezi sadu dvou feromagnetických elektrod tak, že existuje (volná) magnetizace pravé elektrody, za předpokladu, že levá elektroda (s pevnou magnetizací) funguje jako spin - polarizátor. To pak může být připnuto na nějaký výběr tranzistoru v magnetorezistivní paměť s náhodným přístupem zařízení nebo připojený k předzesilovači v pevný disk aplikace.

Vektor rotačního přenosu točivého momentu, poháněný lineárním odezvovým napětím, lze vypočítat z očekávané hodnoty operátoru točivého momentu:

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

kde ${ displaystyle { hat { rho}} _ { mathrm {neq}}}$ je měřidlo-invariantní nerovnováha matice hustoty pro dopravu v ustáleném stavu v limitu nulové teploty v režimu lineární odezvy,^[16] a operátor točivého momentu ${ displaystyle { hat { mathbf {T}}}}$ se získá z časové derivace operátoru odstřeďování:

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

Pomocí obecné formy 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 ${ displaystyle mathbf {m}}$ a Pauliho maticové vlastnosti zahrnující libovolné klasické vektory ${ displaystyle mathbf {p}, mathbf {q}}$, dána

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

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

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

pak je možné nejprve získat analytický výraz pro ${ displaystyle { hat { mathbf {T}}}}$ (které lze vyjádřit v kompaktní formě pomocí ${ displaystyle Delta, mathbf {m}}$a vektor Pauliho rotačních matic ${ displaystyle { boldsymbol { sigma}} = ( sigma _ {x}, sigma _ {y}, sigma _ {z})}$).

Vektor točivého momentu a přenosu obecně má MTJ dvě složky: paralelní a kolmou složku:

Paralelní komponenta:${ displaystyle T _ { paralelní} = { sqrt {T_ {x} ^ {2} + T_ {z} ^ {2}}}}$

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

V symetrických MTJ (vyrobených z elektrod se stejnou geometrií a rozdělováním výměn) má vektor točivého momentu spin-transfer pouze jednu aktivní složku, protože kolmá složka zmizí:

${ displaystyle T _ { perp} equiv 0}$.^[17]

Proto pouze ${ displaystyle T _ { paralelní}}$ vs. ${ displaystyle theta}$ je třeba vykreslit na místě pravé elektrody, aby bylo možné charakterizovat tunelování v symetrických MTJ, což je činí atraktivními pro výrobu a charakterizaci v průmyslovém měřítku.

Poznámka: V těchto výpočtech je aktivní oblast (pro kterou je nutné vypočítat retardovaný Greenova funkce ) by měla sestávat z bariéry tunelu + pravá feromagnetická vrstva konečné tloušťky (jako v realistických zařízeních). Aktivní oblast je připojena k levé feromagnetické elektrodě (modelována jako napůl nekonečný těsně vázaný řetězec s nenulovou hodnotou Zeeman se rozchází ) a pravá N elektroda (napůl nekonečný řetěz s pevným vázáním bez jakéhokoli rozdělení podle Zeemana), jak je zakódováno odpovídajícími vlastními energetickými podmínkami.

Rozpor mezi teorií a experimentem

Teoretické poměry magnetorezistence tunelování 3400%^[18] byly předpovězeny. Největší, které byly pozorovány, jsou však pouze 604%.^[19] Jedním z návrhů je to hranice zrn může ovlivňovat izolační vlastnosti bariéry MgO; strukturu filmů ve strukturách zakopaných komínů je však obtížné určit.^[20] Hranice zrn mohou působit jako zkratové vodivé cesty skrz materiál, což snižuje odpor zařízení. V poslední době se používá nový rastrovací transmisní elektronová mikroskopie technikami, hranice zrn v MTJ FeCoB / MgO / FeCoB byly atomově vyřešeny. To umožnilo první zásady hustota funkční teorie výpočty prováděné na konstrukčních jednotkách, které jsou přítomny ve skutečných filmech. Takové výpočty ukázaly, že mezeru v pásmu lze zmenšit až o 45%.^[21]

Kromě hranic zrn mohou vadné magnety, jako je intersticiální bór a volná kyslíková místa, významně změnit tunelující magneticko-rezistenci. Nedávné teoretické výpočty odhalily, že borové intersticiály zavádějí poruchové stavy v pásmové mezeře, což potenciálně dále snižuje TMR^[22]Tyto teoretické výpočty byly také podpořeny experimentálními důkazy ukazujícími povahu boru ve vrstvě MgO mezi dvěma různými systémy a tím, jak je TMR odlišná.^[23]

Viz také

• Kvantové tunelování
• Magnetorezistence
• Obří magnetorezistence (GMR)
• Krouticí moment při přenosu točení

Reference