Кіріспе

Ферромагниттер арасындағы изоляторлардағы магниттік әсер

Туннельдік магнит кедергісі (TMR) – бұл магниттік туннельдік қосылыста (MTJ) пайда болатын магниттік кедергі әсері. Магниттік туннельдік қосылыс – жұқа изолятормен бөлінген екі ферромагниттен тұратын компонент. Егер оқшаулағыш қабаты жеткілікті жұқа болса (әдетте бірнеше нанометр), электрондар бір ферромагниттен екіншісіне туннельдеу арқылы өте алады. Бұл процесс классикалық физикада мүмкін емес болғандықтан, туннельдік магнит кедергісі – қатаң кванттық механикалық құбылыс және спинтрониканы зерттеу саласына жатады. Магниттік туннельдік қосылыстар жұқа пленка технологиясымен өндіріледі. Өнеркәсіптік деңгейде пленканы жабу магнитронды шашырату арқылы жүзеге асырылады, ал зертханалық деңгейде молекулалық сәулелі эпитаксия, импульсті лазерлік жабу және электрондық сәулелі физикалық буландыру да қолданылады. Қосылыстар фотолитография әдісімен дайындалады.

Феноменологиялық сипаттама

Ферромагниттік пленкалардың екі магниттелу бағытын сыртқы магнит өрісі арқылы жеке-жеке өзгертуге болады. Магниттелулер параллель бағытта болғанда, электрондардың оқшаулағыш қабықтан өту ықтималдығы, антипараллель бағыттағыға қарағанда жоғары болады. Осының салдарынан, мұндай қосылысты екі түрлі электр кедергісі күйіне ауыстыруға болады: төмен кедергісі бар және өте жоғары кедергісі бар күй.

Тарих

Эффект алғаш рет 1975 жылы Мишель Жулльер (Ренн университеті, Франция) 4,2 К температурасында Fe/GeO/Co түйіспелерінде анықталды. Қарсылықтың салыстырмалы өзгеруі шамамен 14% болды және көп назар аударған жоқ. 1991 жылы Терунобу Миядзаки (Тохоку университеті, Жапония) бөлме температурасында 2,7% өзгеріске ұшырағанын тапты. Кейін, 1994 жылы Миядзаки аморфты алюминий оксиді изоляторымен бөлінген темірден жасалған түйіспелерде 18% көрсетті, ал Джагадиш Мудера CoFe және Co электродтары бар түйіспелерде 11,8% тапты. Алюминий оксиді изоляторларын қолданғанда осы кезде байқалған ең жоғары әсер бөлме температурасында шамамен 70% болды. 2000 жылдан бері кристалды магний оксидінен (MgO) жасалған туннельдік кедергілер әзірленуде. 2001 жылы Батлер мен Матон тәуелсіз түрде темірді ферромагнит ретінде және MgO-ны изолятор ретінде қолданғанда туннельдік магнит кедергісі бірнеше мың пайызға жете алатынын теориялық тұрғыдан болжады. Сол жылы Боуэн және авторлар тобы MgO негізіндегі магниттік туннельдік түйіспеде [Fe/MgO/FeCo(001)] маңызды TMR көрсететін тәжірибелерді алғаш рет баяндады. 2004 жылы Паркин мен Юаса бөлме температурасында 200% TMR-ден асатын Fe/MgO/Fe түйіспелерін жасауға қол жеткізді. 2008 жылы Жапониядағы Тохоку университетінің С. Икеда, Х. Оно тобы CoFeB/MgO/CoFeB түйіспелерінде бөлме температурасында 604% дейін және 4,2 К температурасында 1100% астам әсерлерді байқады.

Қолданбалар

Қазіргі заманғы қатты дискілердің оқу бастары магниттік туннельдік қосылыстар негізінде жұмыс істейді. TMR, немесе дәлірек айтқанда магниттік туннельдік қосылыс, сондай-ақ MRAM – ұшпайтын жадтың жаңа түрінің негізі болып табылады. Бірінші буын технологиялары әр битте дерек жазу үшін қиылысқан магниттік өрістерді жасауға негізделген, бірақ бұл тәсілдің масштабталуы шамамен 90–130 нм-де шектеледі. Қазіргі уақытта екінші буынның екі техникасы дамытылуда: Термиялық көмекпен ауыстыру (TAS).

Теория мен эксперимент арасындағы айырмашылық

Теориялық туннельдеу магниттік кедергі коэффициенттері 10000% болатыны болжанған. Дегенмен, қазірге дейін байқалған ең жоғары көрсеткіш – 604% ғана. Бір ұсыныс бойынша, түйіршік шекаралары MgO бөгетінің оқшаулағыш қасиеттеріне әсер етуі мүмкін; алайда, жасырылған қабатты құрылымдардағы пленкалардың құрылымын анықтау қиын. Дән шекаралары материал арқылы қысқа тұйықтама өткізгіш жолдар ретінде әрекет ете отырып, құрылғының кедергісін төмендетуі мүмкін. Жақында жаңа сканерлік трансмиссиялық электрондық микроскопия техникаларын қолдану арқылы FeCoB/MgO/FeCoB MTJ-лердегі түйіршік шекаралары атомдық деңгейде анықталды. Бұл нақты пленкаларда кездесетін құрылымдық бірліктерде бірінші принциптердің тығыздық функционалдық теориясы есептеулерін жүргізуге мүмкіндік берді. Мұндай есептеулер көрсеткендей, энергиялық жолақтың айырмасы 45%-ға дейін қысқаруы мүмкін. Дән шекараларынан басқа, боронның интерстициалдық және оттегінің бос орындары сияқты нүктелік ақаулар туннельдеу магниттік кедергісін айтарлықтай өзгерте алады. Соңғы теориялық есептеулер борон интерстициалдары энергиялық жолақтың арасында ақаулық күйлерін тудыратынын және ТМР-ді одан әрі төмендететінін көрсетті. Бұл теориялық есептеулер екі түрлі жүйе арасындағы MgO қабатындағы боронның сипатын және ТМР-дің өзгешеліктерін көрсететін тәжірибелік деректермен де расталды.