Введение
Магнитное воздействие в изоляторах между ферромагнетиками.
Туннельный магниторезистанс (ТМР) – это магниторезистивный эффект, возникающий в магнитном туннельном переходе (МТП), который представляет собой компонент, состоящий из двух ферромагнетиков, разделенных тонким изолятором. Если изолирующий слой достаточно тонкий (обычно несколько нанометров), электроны могут туннелировать из одного ферромагнетика в другой. Поскольку этот процесс запрещен классической физикой, туннельный магниторезистанс является строго квантово-механическим явлением и относится к области изучения спинтроники. Магнитные туннельные переходы изготавливаются с использованием технологии тонких пленок. В промышленном масштабе осаждение пленки производится методом магнетронного распыления, а в лабораторном масштабе также используются молекулярно-лучевая эпитаксия, импульсное лазерное осаждение и физическое осаждение из паровой фазы электронным пучком. Переходы формируются с помощью фотолитографии.
Tunnel magnetoresistance (TMR) is a magnetoresistive effect that occurs in a magnetic tunnel junction (MTJ), which is a component consisting of two ferromagnets separated by a thin insulator. If the insulating layer is thin enough (typically a few nanometres), electrons can tunnel from one ferromagnet into the other. Since this process is forbidden in classical physics, the tunnel magnetoresistance is a strictly quantum mechanical phenomenon, and lies in the study of spintronics. Magnetic tunnel junctions are manufactured in thin film technology. On an industrial scale the film deposition is done by magnetron sputter deposition; on a laboratory scale molecular beam epitaxy, pulsed laser deposition and electron beam physical vapor deposition are also utilized. The junctions are prepared by photolithography.
Феноменологическое описание
Направление двух намагниченностей ферромагнитных плёнок может быть переключено независимо друг от друга внешним магнитным полем. Если намагниченности ориентированы параллельно, то вероятность туннелирования электронов через изолирующую плёнку выше, чем в случае антипараллельной ориентации. Следовательно, такой переход может переключаться между двумя состояниями электрического сопротивления – с низким и с очень высоким сопротивлением.
История
Эффект был первоначально обнаружен в 1975 году Мишелем Жюльером (Университет Ренна, Франция) в Fe/GeO/Co переходах при 4,2 K. Относительное изменение сопротивления составляло около 14% и не привлекло особого внимания. В 1991 году Терунобу Миядзаки (Тохокуский университет, Япония) обнаружил изменение в 2,7% при комнатной температуре. Позже, в 1994 году, Миядзаки обнаружил 18% в переходах из железа, разделенных аморфным изолятором из оксида алюминия, а Джагадеш Мудера обнаружил 11,8% в переходах с электродами из CoFe и Co. Наибольшие эффекты, наблюдавшиеся в то время с изоляторами из оксида алюминия, составляли около 70% при комнатной температуре. С 2000 года велась разработка туннельных барьеров 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. В том же году Боуэн и др. первыми сообщили об экспериментах, демонстрирующих значительный TMR в магнитном туннельном переходе на основе MgO [Fe/MgO/FeCo(001)]. В 2004 году Паркин и Юаса смогли создать переходы Fe/MgO/Fe, достигающие TMR более 200% при комнатной температуре. В 2008 году эффекты до 604% при комнатной температуре и более 1100% при 4,2 K были зафиксированы в переходах CoFeB/MgO/CoFeB группой С. Икеды и Х. Охно из Тохокуского университета в Японии.
Приложения
Главы считывания современных жестких дисков работают на основе магнитных туннельных переходов. TMR, или, точнее, магнитный туннельный переход, также является основой MRAM – нового типа энергонезависимой памяти. Технологии первого поколения основывались на создании перекрестных магнитных полей для записи данных на каждый бит, однако этот подход имеет ограничение масштабируемости около 90–130 нм. В настоящее время разрабатываются два метода второго поколения: переключение с тепловой поддержкой (TAS).
Расхождение между теорией и экспериментом
Теоретически предсказаны соотношения туннельного магнитосопротивления в 10000%. Однако, наибольшее наблюдаемое значение составляет всего 604%. Одна из гипотез заключается в том, что границы зерен могут влиять на изолирующие свойства барьера MgO, однако, определение структуры пленок в многослойных структурах является сложной задачей. Границы зерен могут выступать в качестве путей короткого замыкания, снижая сопротивление устройства. Недавно, с использованием новых методов сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, удалось атомарно разрешить границы зерен в MTJ FeCoB/MgO/FeCoB. Это позволило провести расчеты на основе теории функционала плотности, используя структурные единицы, присутствующие в реальных пленках. Такие расчеты показали, что ширина запрещенной зоны может быть уменьшена на 45%. Помимо границ зерен, точечные дефекты, такие как интерстициалы бора и вакансии кислорода, могут существенно изменять туннельное магнитосопротивление. Недавние теоретические расчеты показали, что интерстициалы бора создают дефектные состояния в запрещенной зоне, что потенциально может еще больше снизить TMR. Эти теоретические расчеты также были подтверждены экспериментальными данными, демонстрирующими природу бора в слое MgO в двух различных системах и влияние этого на величину TMR.
These theoretical calculations have also been backed up by experimental evidence showing the nature of boron within the MgO layer between two different systems and how the TMR is different.