Спинтроника

Спинтроника

Слайд 1

Все, что нас окружает в повседневной жизни так или иначе связано с приборами, основанными на принципе распространения электронов в твердых телах. У электрона есть электрический заряд. И различные кристаллы (полупроводниковые, металлические, магнитные) эксплуатируют движение электронов и преобразование их энергии для достижения каких-либо целей. Один из самых главных приборов – транзистор, позволяющий управлять входными токами (изменение величины выходного сигнала, частоты и т. д. ).

Но у электрона есть свойство, которое до «недавнего» времени не использовалось – это его спин (собственный момент импульса). При этом электроны могут иметь две одинаковые проекции, но с разными знаками. В соответствии с этим электроны разделяют на два типа носителей тока: со спином вверх и со спином вниз. Т. е., по сути мы имеем готовый переносчик двоичной информации, кодирующий в направлении спина либо 1, либо 0. Однако выбранная проекция электронного спина сохраняется при комнатных температурах очень короткое время (порядка наносекунд).

Слайд 2

Эту проблему решает появившийся во второй половине прошлого века раздел микроэлектроники – спинтроника, где спин и заряд электрона представляют собой активный элемент для хранения и передачи информации. Спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых структурах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера.

Слайд 3

Основные направления развития спинтроники

1) Изготовление магнитных наноструктур, получение новых материалов, тонких пленок и гетероструктур, а также многофункциональных материалов.

2) Магнетизм и спиновый контроль магнитных наноструктур, теории описания ферромагнитного обмена в разбавленных магнитных полупроводниках, туннельных эффектов и спиновой инжекции, транспорта и детектирования магнетизма

3) Магнитооптоэлектроника и приборы на основе гигантского магнитосопротивления (ГМС), туннельные устройства, полупроводниковые гетероструктуры для инжекции спинов, их транспорт, детектирование, импульсный ферромагнетизм

4) Магнитооптические свойства магнитных полупроводниковых гетероструктур на постоянном токе и с временным разрешением, оптическая спиновая инжекция и детектирование, оптически индуцированный ферромагнетизм, сверхбыстрые магнитооптические переключатели, передача квантовой информации.

5) распознавание образов, получение изображений и метрология, включая магнитное распознавание образов

6) Приборостроение и прикладные исследования

Достоинства спинтроники

- Низкое энергопотребление при работе и энергонезависимость при хранении информации

- Высокое быстродействие – определяется спиновой прецессией, на частоту которой также нет ограничений

Слайд 4

Предметов спинтроники является спин-поляризованный ток

Степень поляризации тока , где - число электронов со спином по полю, - число электронов со спином против поля.

Метод создания спин-поляризованного тока – инжекция тока из ферромагнетика (Fe, Co, Ni) в проводник или полупроводник. Однако из-за рассеяния степень поляризации тока достаточно быстро спадает:

Слайд 5

Эффекты со спин-поляризованным током

Магнетосопротивление – зависимость электрического сопротивления образца от величины внешнего магнитного поля

где – сопротивление образца в отсутствии магнитного поля, – сопротивление образца в магнитном поле напряженностью H.

Было открыто Кельвином еще в 1857 году. Эффект незначительный (доли процентов), при этом прикладывалось огромное поле и низкие температуры.

1. Анизотропное магнитное сопротивление (анизотропный магниторезистивный эффект) – КвМ эффект, заключающийся в изменении электрического сопротивления ферромагнитных проволок в зависимости от их ориентации относительно внешнего магнитного поля. Данная зависимость обусловлена магнитной анизотропией, которая проявляется в неодинаковости магнитных свойств тела по различным направлениям. Причина магнитной анизотропии заключается в спин-орбитальном взаимодействии электронов, приводящем к спин -зависимому рассеянию электронов (коэффициент рассеяния д ля спинов сонаправленных и противонаправленных по отношению к намагниченности образца будет различный). Особенно велика магнитная анизотропия в монокристаллах ферромагнетиков, где она проявляется в наличии осей лёгкого намагничивания, вдоль которых направлены векторы самопроизвольной намагниченности ферромагнитных доменов.

Этот эффект использовался в магнитных сенсорах до открытия эффекта гигантского магнитного сопротивления.

Слайд 6

2. Гигантское магнетосопротивление (ГМР эффект).

- КвМ эффект, наблюдаемый в тонких металлических плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и проводящих немагнитных слоёв. Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления такой структуры при изменении взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоёв. Направлением намагниченности можно управлять, например, приложением внешнего магнитного поля. В основе эффекта лежит рассеяние электронов, зависящее от направления Спин. Эффект ГМС был экспериментально открыт в 1988 году двумя научными коллективами независимо друг от друга: лабораториями Альберта Ферта и Петера Грюнберга. Практическая значимость этого открытия была отмечена присуждением Ферту и Грюнбергу Нобелевской премии в 2007 году

Слайд 7

Спин-зависимое рассеяние

Электрическое сопротивление образца зависит от многих факторов, среди которых в магнитоупорядоченных материалах существенную роль играет рассеяние электронов на магнитной подрешётке кристалла, то есть совокупности кристаллографически эквивалентных атомов с ненулевым атомным магнитным моментом, образующих собственную кристаллическую решетку. Рассеяние зависит от ориентации спина электрона по отношению к магнитным моментам атомов. Обычно предполагается, что электроны проводимости минимально взаимодействуют с атомами, чей магнитный момент имеет параллельное их спину направление, и максимально, если они антипараллельны. Взаимодействие также будет сильным в парамагнитном состоянии, в котором магнитные моменты атомов направлены хаотически, без выделенного направления намагниченности

Для таких хороших проводников, как золото или медь, уровень Ферми находится внутри зоны sp, а зона d полностью заполнена. В ферромагнетиках наблюдается иная ситуация. В них зависимость взаимодействия электронов с атомами от направления их спинов связана с заполненностью зоны, отвечающей за магнитные свойства (3d для таких ферромагнитных металлов, как Fe, Ni, Co). d-зона ферромагнетиков является расщеплённой, так как она содержит различное количество электронов со спинами, направленными «вверх» и «вниз». Это является причиной различия в плотности электронных состояний на уровне Ферми для спинов, направленных в противоположные стороны. Тут говорят о неосновном направлении спинов электронов (minority-spin electrons) для той части зоны d, которая заполнена меньше (например, где спины направлены вниз), и основном для второй её части (majority-spin electrons), которая оказывается заполненной полностью (спины направлены вверх). Уровень Ферми для основного направления спина находится внутри зоны sp, и их движение в ферромагнетике подобно движению электронов в немагнитном металле. Для неосновного направления спинов электронов sp- и d-зоны оказываются гибридизированными, а уровень Ферми лежит внутри зоны d. Гибридизированная зона spd ферромагнетиков характеризуется высокой плотностью состояний, что проявляется как уменьшение длины свободного проьега {\displaystyle \lambda } зонами электронов с неосновным направлением спина по сравнению с основным. В никеле, легированном кобальтом, отношение {\displaystyle \lambda _{\uparrow }/\lambda _{\downarrow }} (для электронов с противоположными направлениями спина) может увеличиваться до 20 или понижаться до 0, 3 при легировании хромом.

Согласно теории Друде, проводимость пропорциональна длине свободного пробегаи знание {\displaystyle \lambda _{\uparrow }/\lambda _{\downarrow }} позволяет оценить соотношение проводимостей для этих двух групп носителей тока. Типичное значение длины свободного пробега электронов в тонких металлических плёнках лежит в интервале от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров. Электрон «помнит» направление спина на так называемой длине спиновой релаксации (ещё называемой длиной спиновой диффузии), которая может значительно превосходить длину свободного пробега. Она определяет эффективность спин-поляризованного транспорта электронов. Когда наблюдается зависимость электрического сопротивления от направления спина носителя тока, говорят о спин-зависимом распространении электронов. Спин-зависимое рассеяние в ферромагнетиках происходит при переходах электронов проводимости между зонами нерасщеплённой 4s и расщеплённой 3d

Слайд 8

CIP CPP подключение

Сверхрешётка — в физике полупроводников — твердотельная структура, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решётки имеется дополнительный периодический потенциал, период которого существенно превышает постоянную решётки^[1].

Магнитную сверхрешётку можно включить в электрическую цепь двумя способами. При так называемой CIP-геометрии (current in plane, ток в плоскости), электрический ток распространяется вдоль слоёв сверхрешётки, а электроды расположены на одной стороне всей структуры. При геометрии CPP (current perpendicular to plane, ток перпендикулярно плоскости) ток распространяется перпендикулярно слоям сверхрешётки, а электроды расположены по разные её стороны. CPP-геометрия характеризуется бо́ льшими величинами ГМС (более чем в два раза по сравнению с CIP), но и представляет бо́ льшие сложности для технической реализации

Слайд 9

Пропускание тока

Характеристики магнитной упорядоченности различны в сверхрешетках с ферромагнитным (ФСР) и антиферромагнитным взаимодействием (АСР) взаимодействием между слоями. В первой направления намагниченности в различных ферромагнитных слоях в отсутствие приложенного поля одинаковы, во второй противоположные направления чередуются. Распространяясь через ФСР, электроны с антипараллельным направлением спина по отношению к намагниченности решётки практически не будут рассеиваться, а электроны со спином, сонаправленным с намагниченностью слоёв, будут испытывать рассеяние. При прохождении АСР рассеиваться будут электроны с любым направлением спинов: акты рассеяния для каждого отдельно выбранного электрона будут иметь место при прохождении слоя с намагниченностью, сонаправленной его спину. Так как величина сопротивления образца возрастает с ростом количества актов рассеяния, сопротивление АСР будет выше, чем ФСР.

Для построения устройств, использующих эффект ГМС, необходимо иметь возможность динамически переключать состояние решётки между состояниями с параллельной или антипараллельной намагниченностью слоёв.

Такая возможность реализована в спиновых вентилях (клапанах). Вентиль состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных слоем немагнитного металла. В одном из слоев ферромагнетика намагниченность закреплена плотно прилегающим слоем антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между ферромагнетиками препятствует изменению намагниченности. Другой слой ферромагнетика является свободным – его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности.

Цифры: для органических прослоек при 11 К фиксировалось гигантское негативное магнетосопротивление до 40 %. Спиновые клапаны на графене различной конструкции демонстрировали ГМС на уровне 12 % при температуре 7 К и 10 % при температуре 300 К. Однако теоретические оценки позволяют предполагать верхнюю границу эффекта до 10⁹ %

Слайд 10

Туннельное магнетосопротивление (TMR)

Эффект туннельного магнитного сопротивления похож на эффект ГМР, но в нём вместо слоя немагнитного металла используется слой изолирующего туннельного барьера (диэлектрика).

Эффект был открыт в 1975 году Мишелем Жюльером, использовавшим железо в качестве ферромагнетика и оксид германия в качестве диэлектрика (структура Fe/GeO/Co). Данный эффект проявлялся при температуре 4, 2 K, при этом относительное изменение сопротивления составляло около 14 %, поэтому ввиду отсутствия практического применения он не привлек к себе внимания.

При комнатной температуре действие эффекта впервые было открыто в 1991 году Терунобу Миязаки (Университет Тохоку, Япония), изменение сопротивления составило всего 2, 7 %. Позже, в 1994 году, Миядзаки впервые обнаружил в переходе Fe/Al₂O₃/Fe отношение магнитосопротивления 30 % при 4, 2 К и 18 % при 300 K. Независимо от него группой ученых во главе с Джагадишем Мудера в соединениях CoFe и Co был обнаружен эффект 11, 8 %, в связи с возобновлением интереса к исследованиям в этой области после открытия эффекта гигантского магнитного сопротивления. Наибольший эффект, наблюдаемый в то время с изоляторами из оксида алюминия, составлял около 70 % при комнатной температуре.

История

В 2001 году группа Батлера и группа Матона независимо сделали теоретическое предсказание, что при использовании железа в качестве ферромагнетика и оксида магния в качестве диэлектрика эффект туннельного магнитного сопротивления может возрасти на несколько тысяч процентов. В том же году Боуэн и др. первыми сообщили об экспериментах, показывающих значительное туннельное магнитосопротивление в туннельном переходе на основе MgO (Fe/MgO/FeCo).

В 2004 году группа Перкина и группа Юаса смогли изготовить устройства на основе Fe/MgO/Fe и достичь величины туннельного магнитосопротивления в 200 % при комнатной температуре.

В 2007 году устройства на основе ТМР эффекта с оксидом магния полностью заменили устройства на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления на рынке устройств магнитного хранения информации.

В 2008 году С. Икеда, Х. Оно и др. из Университета Тохоку в Японии наблюдали эффект относительного изменения сопротивления до 604 % при комнатной температуре и более 1100 % при 4, 2 К в соединениях CoFeB/MgO/CoFeB

Слайд 11

Теория

Рассмотрим зонную структуру магнитных (Co, Fe, Ni) металлов. Переходные металлы имеют 4s, 4p и 3d валентные электроны, различающиеся орбитальным моментом. Состояния 4s и 4p образуют sp — зону проводимости, в которой электроны имеют высокую скорость, малую плотность состояний и, следовательно, большую длину свободного пробега, то есть можно предполагать, что они ответственны за проводимость 3d металлов. В то же время d-зона характеризуется высокой плотностью состояний и низкой скоростью электронов.

Как известно, у ферромагнитных 3d металлов d-зона расщеплена вследствие обменного взаимодействия. В соответствии с принципом Паули из-за кулоновского отталкивания d электронов им энергетически более выгодно иметь параллельно ориентированные спины, что приводит к появлению спонтанного магнитного момента. Иными словами, вследствие обменного расщепления d зоны число занятых состояний различно для электронов с направлением спина вверх и вниз, что дает не равный нулю магнитный момент.

В отсутствие магнитного поля ферромагнитные электроны имеют противоположное направление намагниченностей (антипараллельная конфигурация, АР). Зона d — электронов расщеплена обменным взаимодействием как показано на рисунке. При этом происходит туннелирование электронов со спином вверх из большего числа состояний в меньшее и наоборот для электронов с противоположным спином. Наложение магнитного поля приводит к параллельной ориентации (Р) намагниченности ферромагнитных электродов. В этом случае электроны со спином вверх туннелируют из большего числа состояний в большее, а электроны со спином вниз — из малого числа состояний в малое. Это приводит к различию туннельных сопротивлений для параллельной и антипараллельной конфигурации. Данное изменение сопротивления при переориентации намагниченности во внешнем магнитном поле и является проявлением туннельного магнитосопротивления (ТМС).

В настоящее время на основании эффекта туннельного магнитного сопротивления создана магниторезистивная оперативная память (MRAM), и он также применяется в считывающих головках жестких дисков.

Слайд 12

Спиновый эффект Холла

Спи́ новый эффе́ кт Хо́ лла — эффект отклонения электронов с антипараллельными спинами к противоположным сторонам немагнитного проводника при отсутствии внешнего магнитного поля. Теоретически он был предсказан М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем в 1971 году.

Различают внешний и внутренний спиновые эффекты Холла. Внешний спиновый эффект Холла наблюдается в парамагнетиках и легированных полупроводниках. В них электроны с одним направлением спина рассеиваются в одну сторону перпендикулярно электрическому полю, а с противоположным направлением спина — в другую подобно как происходит при аномальном эффекте Холла. То есть основную роль играет спин-зависимое рассеяние на полях примесей. Внутренний спиновый эффект был предсказан С. Мураками и др. в 2003 году и, независимо, Синовой в 2004 году, рассматривавших движение дырок и двумерного электронного газа в полупроводниках.

Спиновый эффект Зеебека, спиновый эффект Пельтье.

Слайд 13

Устройства спинтроники

1. Датчики на спиновых клапанах

Одной из основных сфер применения ГМС является измерительная техника: на базе эффекта были созданы датчики магнитного поля различного назначения (в считывающих головках накопителей на жёстких магнитных дисках, где происходит определение направления магнитного поля в ячейке, хранящей бит информации^[26], биосенсорах^[34], средствах детекции и измерения колебаний в МЭМС^[34] и др. ). Типичный датчик, использующий эффект ГМС, состоит из семи слоёв:

1. Кремниевая подложка.

2. Связующий слой.

3. Сенсорный (нефиксированный, движимый) слой.

4. Немагнитный слой.

5. Фиксирующий (пиннинговый) слой.

6. Антиферромагнитный (фиксированный) слой.

7. Защитный слой.

В качестве связующего и защитного слоёв часто используют тантал, а немагнитной прослойкой служит медь. В сенсорном слое намагниченность может свободно ориентироваться внешним магнитным полем. Он изготавливается из соединения NiFe или кобальтовых сплавов. Антиферромагнитный слой изготавливается из плёнок FeMn или NiMn. Направление намагниченности в нём определяется фиксирующим слоем из магнитотвёрдого материала, например, кобальта. Такой датчик характеризуется асимметричной петлёй Гистерезиса, что связано с наличием магнитотвёрдого слоя, фиксирующего направление намагниченности в рабочем диапазоне полей^[47]^[48].

В спиновых клапанах также наблюдается анизотропное магнетосопротивление, которое приводит к асимметрии кривой чувствительности. Его учёт даёт значение магнетосопротивления, очень хорошо совпадающее с наблюдаемым на практике^[49].

Слайд 14

2. В жестких магнитных дисках

В жёстких магнитных дисках (HDD) информация кодируется с помощью магнитных доменов, когда одному направлению намагниченности в них ставится в соответствие логическая единица, а противоположному — логический нуль. Различают продольный и перпендикулярный методы записи.

В продольном методе домены располагаются в плоскости пластины, то есть направление в них параллельно поверхности. Между доменами всегда формируется переходная область (доменная стенка), в области которой на поверхность выходит магнитное поле. Если доменная стенка образовалась на границе двух северных полюсов доменов, то поле направлено наружу, а если её образовали южные полюса — то внутрь. Чтобы считать направление магнитного поля над доменной стенкой, в антиферромагнитном слое датчика фиксируется направление намагниченности перпендикулярно плоскости пластины диска, а в сенсорном слое - параллельно ей. Изменение направления внешнего магнитного поля отклоняет намагниченность в сенсорном слое от равновесного положения вверх или вниз. Когда направление отклонения совпадает с направлением в фиксированном слое, электрическое сопротивление датчика уменьшается, и наоборот, при различных направлениях детектируется увеличение сопротивления. Таким образом определяется взаимная ориентация доменов, над которыми прошла считывающая головка^[50].

В настоящее время широко используется вертикальное расположение доменов, что позволяет существенно увеличить плотность размещения битов на поверхности пластины^[51]. При этом на поверхность выходит поле, образуемое самим доменом.

Слайд 15

3. Магнитная оперативная память

Ячейка магниторезистивной оперативной памяти (англ. magnetic random-access memory, MRAM) состоит из структуры, подобной датчику на спиновом клапане. Значение хранимого бита может кодироваться направлением намагниченности в сенсорном слое, в данном случае выступающем в качестве носителя информации. Считывание происходит путём измерения сопротивления структуры. Преимущества подобной технологии состоят вне зависимости от источников питания^{[К 2]}, низком энергопотреблении и высоком быстродействии^[26].

В типичным блоке памяти на основе магниторезистивного эффекта, хранящем один бит информации, ГМС-структура формата CIP размещается между двумя проводниками, ориентированными перпендикулярно по отношению друг к другу. Эти проводники называются линиями строк и столбцов. Импульсы электрического тока, проходящие через линии, генерируют вихревое магнитное поле, которое воздействует на ГМС-структуру. Контуры силовых линий поля по форме близки к эллипсам, а направление поля (по или против часовой стрелки) определяется направлением тока по линии. При этом используется ГМС-структура, намагниченность внутри которой ориентирована вдоль линии строки.

Таким образом, направление поля, создаваемого линией столбца, направлено практически параллельно магнитным моментам, и оно не может их развернуть. Линия строки создаёт поле, перпендикулярное им, и, вне зависимости от величины поля, может повернуть намагниченность только на 90°. При одновременном прохождении импульсов по линиям строк и столбцов суммарное магнитное поле в месте расположения структуры ГМС будет направлено под острым углом по отношению к одним моментам и под тупым по отношению к другим. Если величина поля превысит некоторую критическую величину, последние изменят своё направление.

Применяются различные схемы хранения и считывания информации из описанной ячейки. В одной из них информация хранится в движимом слое структуры. Тогда операция чтения определяет, изменилось ли сопротивление структуры при приложении магнитного поля. При этом считанный бит стирается, и его нужно записать в ячейку вновь. В другой схеме информацию хранит фиксированный слой, что требует бо́ льших токов для записи по сравнению с токами считывания^[52].

На сегодняшний день в случае MRAM гигантский магниторезистивный эффект уступил место туннельному^[53]. В подобных структурах также необходимы вентильные элементы, предотвращающие блуждающие токи между ячейками памяти. Таким вентильным элементом может быть МОП-транзистор, к стоку которого подключается ГМС-структура, к истоку — заземление, а к затвору — одна из линий, служащих для считывания

Слайд 16

4. Спиновый транзистор Джонсона

Состоит из двух ферромагнитных слоев, разделенных парамагнитной прослойкой и проявляет эффект ГМР. На языке биполярных транзисторов транзистор Джонсона состоит из базы (парамагнетика), эмиттера и коллектора (ферромагнетики). Если на коллектор подается потенциал, в цепи эмиттер-база происходит накопление электронов с ориентацией вверх/вниз. Ток коллектора в таком транзисторе зависит от того, будет ли параллелен ли его магнитный момент или антипараллелен намагниченности эмиттера. Ферромагнитный эмиттер играет в данном случае роль поляризатора для накапливающихся спинов. Для изменения потенциала в цепи эмиттер-база необходимо приложить внешнее магнитное поле, которое переключит вектор магнитного момента либо коллектора, либо эмиттера на противоположное направление.

Слайд 17