GMR , SV, TMR , MRAM...

1. GMR , SV, TMR , MRAM... O wykorzystaniu zjawisk nano-magnetycznych Bolesław AUGUSTYNIAK

2. Plan wykładu • Efekt GMR • Konstrukcja GMR • Czujniki z GMR • Przełączniki spinowe SV • Tunelowy magneto-opór TMR

3. Magnetoopór ???? • OMR (ordinary magnetoresistance) – zwyczajny magnetoopór, wywołany siłą Lorentza. • AMR (anisotropic magnetoresistance) – anizotropowy magnetoopór, obserwowany w ferromagnetykach, wywołany zmianą orientacji namagnesowania, względem kierunku prądu. • GMR (giant magnetoresistance) – gigantyczny magnetoopór, związany z zależnym od spinu rozpraszaniem elektronów w układach warstwowych. • TMR (tunnel magnetoresistance) – tunelowy magnetoopór, związany z zależnym od spinu prawdopodobieństwem tunelowania. • CMR (colossal magnetoresistance) – kolosalny magnetoopór, wywołany zmianą charakteru przewodnictwa pod wpływem pola magnetycznego i/lub temperatury

4. Pomiar magnetooporu Współczynnik magnetooporu MR R0oznacza opór bez pola magnetycznego (H=0), Rs to opór w polu Hs nasycającym zmianę UWAGA: należy uwzględnić kąt między przepływem prądu a polem magnetycznym H

5. Porównanie skal i zakresu stosowanych pól dla zjawisk magnetooporu GMR TMR InSb - zjawisko magnetooporowe występujące w strukturach półprzewodnikowych AMR - zjawisko magnetooporowe w cienkowarstwowych strukturach permalojowych MTL - (zjawisko w strukturach wielowarstwowych–multilayer structures), znane jako GMR SV - (zawór spinowy – spin valve), urządzenie wykorzystujące efekt GMR MTJ - (zjawisko tunelowe), znane jako TMR (tunelowy magnetoopór) CMR - kolosalne zjawisko magnetooporowe Tumański S., GMR – gigantyczny magnetoopór, Przegląd elektrotechniczny, 5’02 Rok LXXVIII, Wydawnictwo SIGMA NOT Sp. Z o.o.

6. Klasyczny magnetoopór (OMR) Klasycznym magnetoopór OMR (Ordinary Magnetoresistance) Jeżeli do próbki przyłoży się pole magnetyczne B pod pewnym kątem względem kierunku pola elektrycznego, elektrony przewodzenia zaczynają poruszać się śrubowo między kolejnymi zderzeniami z defektami sieci . Skutkuje to wzrostem rezystywności próbki. Klasyczny magnetoopór można rozdzielić na: wzdłużny magnetoopórρ∥- B jest równoległe do gęstości prądu poprzeczny magnetoopórρ⊥, B jest jest prostopadle do gęstości prądu. Wszystkie metale wykazują wzrost oporności po przyłożeniu pola magnetycznego rzędu kilku % ρ⊥ > ρ∥.

7. Anizotropia magnetooporu (AMR) Schematyczne przedstawienie anizotropowego magnetooporu w permaloju dla stosowanego pola równoległego (ρ∥) i poprzecznego (ρ⊥) do kierunku prądu Czarne owale przedstawiają przekrój czynny rozpraszania związanych orbit elektronowych. Zaznaczono zmianę położenia momentów magnetycznych pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego i wskazano stan dużego (a) i małego oporu elektrycznego (b) Nickel J., Magnetoresistance Overview, http://www.hpl.hp.com/techreports/95/HPL-95-60.pdf

8. The 2007 Nobel Prize in Physics has been awarded jointly to Albert Fert of the Université Paris-Sud in France and Peter Grünberg of the Forschungszentrum Jülich in Germany "for the discovery of giant magnetoresistance". Their discovery, which both physicists made independently in 1988, led to a dramatic rise in the amount of data that can be stored on computer hard-disk drives. GMR - odkrywcy Albert Fert Peter Grünberg http://physicsworld.com/cws/article/news/31421

9. Magnetoopór warstw Fe/Cr Zakres zmian GMR w nadstrukturze Fe/Cr dla różnych grubości warstwy Cr i wielokrotności struktury Cienkie warstwy otrzymuje się metodami naparowania z wiązek molekularnych, lub metodami rozpylania katodowego. Wartość magnetooporu MALEJE wraz ze wzrostem grubości warstwy Cr, gdy jest zbyt duża efekt GMR zanika]. UWAGA: w stanie wyjściowym warstwy są antyrównolegle Korkin A., Rosei F., Nanoelectronics and Photonics. From Atoms to Materials, Devices, and Architectures, Springer 2008, str. 68-73

10. GMR – zmiana oporu elektrycznego http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

11. Miary magneto-oporu dla GMR http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

12. Pole Hs (nasycenia) http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

13. Przyczyny efektu GMR • Założenia • Warstwa NM jest cieńsza od drogi ‘rozpraszania’ • Elektrony przenikające z warstwy do warstwy są rozpraszane z różnym prawdopodobieństwem w zależności od kierunku ich spinu względem namagnesowania warstwy

14. Opór wypadkowy trzech warstw http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

15. Obraz makroskopowy transportu Model dwóch kanałów prądowych z założeniem, że elektrony ‘wchodzące’ do układu trzech warstwa mają dowolny kierunek spinu (up lub down) : opór wypadkowy dla równoległych warstw jest mniejszy od opru dla układu warstw antyrównoległych !!! Jürgen Buschow K.H., Cahn R.W., Flemings M.C., Encyclopedia of materials: science and technology, Elsevier 2001, str. 3521-3531

16. Obraz ‘kwantowy’ transportu elektronu między warstwami 3d 1. Izolator - jednakowa gęstość stanów ‘up’ i ‘down’ - rozpraszanie jest takie same dla obu kierunków spinu nośnika Gęstość stanów na poziomie Fermiego jest różna dla spinów up i w down (elektronów większościowych i mniejszościowych). Elektrony przenikające przez warstwę rozpraszają się zależnie od orientacji ich spinu i kierunku namagnesowania, który wpływa na stan energetyczny elektronów i ich populację w ferromagnetyku. Elektrony większościowe (których kierunek jest równoległy do kierunku namagnesowania warstwy ferromagnetycznej) są słabo rozpraszane. Elektrony mniejszościowe (których kierunek jest antyrównoległy do namagnesowania warstwy ferromagnetycznej) rozpraszane są mocno. Efekt ten jest przyczyną różnicy w oporze dla danej warstwy Na schemacie na rysunek 10 gruba strzałka oznacza kierunek namagnesowania danej warstwy. Denny D. Tang, Yuan-Jen Lee, Magnetic Memory. Fundamentals and Technology, University Press 2010, str. 77-79

17. Warunki wystąpienia GMR http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

18. Sprzężenie wymienne

19. Sprzężenie w warstwach Fe-Cr http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

20. Namagnesowanie oraz opór warstw o sprzężeniu:antyferromagnetycznym i ferromagnetycznym

21. Warianty kierunku przepływu : CIP i CPP Konfiguracje przepływu prądu przez warstwy): CIP(current-in-plane) prąd płynie równolegle do płaszczyzn CPP (current-perpendicular-to-plane) prąd przepływa prostopadle do płaszczyzn. Efekt GMR jest większy w geometrii CPP, dlatego że zależy on od rozpraszania zależnego od spinu oraz od współczynnika odbicia na powierzchni rozdzielającej warstwy. Natomiast w geometrii CIP współczynnik odbicia na powierzchni rozdzielającej warstwy nie wpływa na GMR, ponieważ jak tłumaczy to Grünberg: „Przyczyną tego jest brak zmiany pędu w kierunku prądu spowodowany symetrią translacyjną podczas rozpraszania na płaszczyznach rozdzielających warstwy” Stöhr J., Siegmann H.C., Magnetism. From Fundamentals to Nanoscale Dynamics, Springer 2006, str. 647-648

22. Czujniki wykorzystujące GMR

23. GMR - czujnik pola w układzie mostka Photograph of a GMR sensor chip with full Wheatstone-bridge configuration active area 0.5 mm=0.5 mm.. Koncentrator pola – płytka permalloyowa K.-M.H. Lenssen et al.Sensors and Actuators 85 (2000) 1–8

24. GMR + odczyt informacji 1 Fig. 4. (a) Schematic illustration of a longitudinal recording system with a read and write head flying above the recording medium.It is the medium thickness, W is the width of the recorded track, B is the bit size, and d the height the head flies above the medium. G. Srajer et al. / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 307 (2006) 1–31

25. Głowica z GMR dla odczytu - powiększenie Schematic illustration of the magnetic components of a perpendicular recording system. (Courtesy of Hitachi GST.) Magnetic Nanostructures in Modern Technology, 2008

26. GMR – czytnik w pamięciach HDD Illustration of longitudinal HDD magnetic recording. (Courtesy of Hitachi GST.) Magnetic Nanostructures in Modern Technology, 2008

27. Budowa czytnika GMR pamięci CIP The GMR sensor comprises a free ferromagnet layer spin-coupled through a spacer layer (spac) to a pinnedferromagnet layer (pf) which is exchange biased by an entire layer of antiferromagnetic material (af). Current is passed parallel to the layers via current leads. The initial angle of the moment in theGMR sense layer ff is the vector sum of the effects of shape anisotropy, magnetostatic coupling to thepinned layer pf and the self field of the sense current. The angle of the moment of the pinned layer pfis set by exchange bias from the antiferromagnetic layer af. Introducing anexternal field perturbs the angle of the moment and changes the resistance of the sense element,which is detectable as a voltage change and, hence, enables one to read the recorded data.

28. GMR – czytnik CIPP 2 Structure of a GMR spin-value read sensor. (Courtesy of Hitachi GST.) Magnetic Nanostructures in Modern Technology, 2008

29. GMR – czytnik CIP w pamięciach 3 Diagram of GMR-CIP spin valve read sensor as part of a complete merged head. (Courtesy of Hitachi GST.) Magnetic Nanostructures in Modern Technology, 2008

30. Układy wielowarstwowe

31. Odmiany wielowarstwowe z efektem GMR a. Warstwy sprzężone antyferomagnetycznie b. Wartwy ‘twarde’ i ‘miękkie’ magnetycznie c. Warstwy ze sprzężeniem AAF, d. Warstwy ze sprzężeniem ‘wymiany’ - zawór spinowy e. Warstwy ze sprzężeniem AAF - - zawór spinowy AAF – artificial antyferromagnetic Robust giant magnetoresistance sensors, Sensors and Actuators 85 2000. 1–8

32. Zaawansowane struktury wielowarstwowe Magnetically Engineered Spintronic Sensors and Memory, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 91, NO. 5, MAY 2003

33. Zaawansowane struktury wielowarstwowe Evolution of magnetically engineered multilayers (a), (b) The easy axis of the “free” ferromagnetic layer in a magnetoresistive device is oriented based on the purpose for which it is engineered. Field sensor devices such as read heads rely on a free layer with an easy axis at right angles to the moment of the “pinned” layer. Impinging magnetic fields will rotate the moment away from this position and the sensor resistance changes. On the other hand, MR devices designed for use in memory applications will have a free layer easy axis parallel or antiparallel to that of the pinned layer. (c) A very basic GMR/TMR (tunneling magnetoresistance) stack consisting ofa pinned ferromagnetic layer magnetically locked by exchange-bias to the interfacial field of anantiferromagnetic layer, and a simple ferromagnetic free layer. The “spin valve” is such a stack usinga conducting spacer layer between the ferromagnetic layers. (d) In this case the pinned layer isan element consisting of a pair of ferromagnetic layers antiferromagnetically coupled through aruthenium (Ru) spacer layer; the lower layer in this artificial antiferromagnet is pinned via exchangebias as in (c). This flux closure increases the pinned layer magnetic stability and reduces coupling tothe free layer. (e) Pinned element consists of an AF-coupled pair of ferromagnetic layers acting as a single “hard” layer. No exchange bias layer to discourage rotation of the pinned element. (f) Both thepinned and free elements consist of AF-coupled pairs. (g) A double tunnel junction. All ferromagneticelements consist of AF-coupled pairs. There are two pinned ferromagnets, both exchange biased byantiferromagnetic layers. Spin filtering occurs both as current tunnels from the first pinned layer tothe free element and again as it tunnels from the free element to the second pinned element. Magnetically Engineered Spintronic Sensors and Memory, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 91, NO. 5, MAY 2003

34. Typowe struktury warstwowe wykazujące GMR

35. Przełącznik (zawór) spinowy SV Zawór spinowy składa się z dwóch warstw ferromagnetycznych rozdzielonych warstwą niemagnetyczną. Dodatkowo w zaworze spinowym występuje antyferromagnetyczna warstwa przyszpilająca, która pozostawia niezmienioną jedną warstwę ferromagnetyka (warstwa zakotwiczona) . W warstwie ferromagnetyka zakotwiczonym kierunek oraz zwrot namagnesowania jest stały, unieruchomiony przez antyferromagnetyk. Nie reaguje on więc na niewielkie zmiany pola magnetycznego . Przemagnesowanie mogłoby wywołać dopiero przyłożenie pola magnetycznego znacznie przewyższającego jego pole koercji. Druga warstwa ferromagnetyka jest „swobodna”. Jej zwrot namagnesowania może być zmieniony łatwo przez pole zewnętrzne.

36. Struktura zaworu spinowego (Spin valve SV) http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

37. Oddziaływanie wymienne F-AF http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

38. B Działanie zaworu spinowego 1 A C A) Przy ujemnych wartościach pola magnetycznego opór jest niski, ponieważ warstwy są ustawione równolegle względem siebie. B) Przy wejściu w zakres dodatniego pola magnetycznego warstwa magnetycznie miękka (górna strzałka) zmienia zwrot namagnesowania. Wypadkowe namagnesowanie jest wtedy równe zeru i następuje skokowa zmiana oporu, czyli wzrost MR. C) Przy dalszym wzroście natężenia pola magnetycznego zmieni się zwrot namagnesowania warstwy przyszpilonej (strzałka dolna). Spowoduje to spadek współczynnika magnetooporu, ponieważ warstwy ferromagnetyczne znowu będą ustawione równolegle względem siebie, lecz w przeciwnym kierunku niż w początkowym ustawieniu Kelsall R.W., Hamley I.W., Geoghegan M., Nanotechnologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008, str. 226-236

39. Pętla histerezy zaworu spinowego 2 http://layer.uci.agh.edu.pl/T.Stobiecki/dydaktyka/Nanoelektronika /W2_Spin_depend_electron_transport_AMR_GMR.pdf

40. Pętla histerezy zaworu - przykład Robust giant magnetoresistance sensors, Sensors and Actuators 85 2000. 1–8

41. F1 and F2 are the ferromagnetic injector and detector, respectively, represented in their density of state schematics as half-metallic ferromagnets. N is the normal metal that separates them by the edgeto-edge distance L. A schematic density of states of the N-metallic spacer is shown with equal spin-up and spin-down sub-bands filled up to the Fermi level. In the presence of an electrical current, spin-polarized electrons are injected into N from F1. Przełączniki spinowe - koncepcja Conceptual schematic of the lateral spin valve of interest .... S.D. Bader et al. / Superlattices and Microstructures 41 (2007) 72–80

42. Przełączniki spinowe Schematic illustration of a spin valve device employing carbon nanotubes. Non-magnetic layer consists of an oriented carbon nanotube (CNT) array. G. Srajer et al. / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 307 (2006) 1–31

43. Przełączniki spinowe ... 2 Magnetoresistance —defined as DR/R (H = 1 T) versus magnetic field for FeCo/Carbon Nanotube array/(Fe nanoparticle) spin valve device at 4.5 K. The negative magnetoresistance is obtained for a sample for which the FeCo layer was allowed to oxidize under ambient conditions for several weeks to form an oxide. The formation of an oxide at the interface between FeCo layer (as a result of aging and thermal treatment) and the CNTarray is the likely origin of the reversal of sign of the spin valve effect. Note the length of the CNTs between the Fe nanoparticle and the FeCo layer is 7 mm.. G. Srajer et al. / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 307 (2006) 1–31

44. Poziom MR dla SV MTJ = TMR, MTL =GMR Njwiększe wartości MR dla SV w temperaturze pokojowe to około 24% Magnetically Engineered Spintronic Sensors and Memory, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 91, NO. 5, MAY 2003

45. TMR - Następca GMR ? TMR – tuneling magnetic resistance Recently, sensors based on TMR have started to become available in products. TMR or magnetic tunnel junction (MTJ) were first described by Julliere (1975) with work prior to 2000 reviewed by Moodera and Mathon (1999). TMR sensors are significantly different from the conventional GMR-CIP devices described previously, and rely on the fact that spin polarised tunnelling can occur when one ferromagnetic metal is separated from another by a thin insulating barrier. Figure 16 shows the important differences between a GMR-CIP and TMR-CPP sensor with spin valve-like properties. Firstly, in TMR devices the current flow is perpendicular to the plane (CPP) rather than parallel to the sensor (track) width. This requires a very different layout in terms of the placement of electrical contacts and correct positioning of insulating layers, shown as white in Fig. 16. Magnetic Nanostructures in Modern Technology, 2008

46. TMR CPP a GMR CIP jako czytniki Fig. 16. Illustration of differences between GMR-CIP and TMR-CPP read sensors. The white regions show the placement of electrical insulating material, green is the hard bias magnets and yellow the electrical connections. Magnetic Nanostructures in Modern Technology, 2008

47. Budowa czujnika TMR-CPP Schematic representation of magnetic structure for a TMR-CPP read sensor.

48. Efekt tunelowy TMR Filtrowanie spinu przez układ dwóch warstw Izolację stanowi warstwa tlenkowa o dużym oporze elektrycznym w porównaniu z otaczającymi ją warstwami ferromagnetycznymi. Przez nią elektrony są tunelowane, pomiędzy dwoma ferromagnetykami. Tunelowanie odbywa się bez zmiany kierunku spinu, dlatego też prąd płynący przez złącze wykorzystujące TMR nazywa się spolaryzowanym. Pomiar TMR jest prowadzony jedynie w geometrii CPP, ponieważ prąd nie popłynie przez warstwę izolującą, jeżeli nie zostanie przyłożone napięcie. Grubość warstwy izolującej powinna być mniejsza od drogi między kolejnymi rozproszeniami, po których nastąpiłaby zmiana spinów. Magnetically Engineered Spintronic Sensors and Memory, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 91, NO. 5, MAY 2003

49. Mechanizm tunelowania ‘spinu’ Oporność będzie mała, jeżeli obie warstwy ferromagnetyczne będą charakteryzowały się dużą gęstością dostępnych stanów dla elektronów tunelujących . W równoległym namagnesowaniu płaszczyzn elektrony o spinie przeciwnym do namagnesowania warstw tunelują znacznie łatwiej, niż elektrony o spinie zgodnym z ich namagnesowaniem. Przy ułożeniu płaszczyzn antyrównoległym, oba przypadki ukierunkowania spinu tunelują słabiej, niż ma to miejsce przy równoległych płaszczyznach Korkin A., Rosei F., Nanoelectronics and Photonics. From Atoms to Materials, Devices, and Architectures, Springer 2008, str. 68-73

50. TMR – efekt tunelowy Physics of tunnelling TMR sensors where the differences in density of states (DOS) shown in (a) for bulk fcc Co projected on to the d leads to differences in tunnelling conductance for majority and minority spins; (b) shows an electron tunnelling from the first to the second ferromagnetic electrode with an energy gap between the electronic bands. Magnetic Nanostructures in Modern Technology, 2008