Metody pomiarowe spinowego efektu Halla w nanourządzeniach elektroniki spinowej

Transkrypt

1 Metody pomiarowe spinowego efektu Halla w nanourządzeniach elektroniki spinowej Monika Cecot, Witold Skowroński, Sławomir Ziętek, Tomasz Stobiecki Wisła,

2 Plan prezentacji Spinowy efekt Halla Pomiar spinowego efektu Halla Nowoczesne nieulotne pamięci magnetyczne 2

3 z Spinowy efekt Halla y x O nowym działaniu magnesu na prąd elektryczny Tangens kąta Halla stosunek wyindukowanego pola elektrycznego i gęstości prądu elektrycznego. y z x E t θ H Edwin Hall, 1879 E(j) E H Przewodnik ferromagnetyczny anomalny efekt Halla (AHE) - obok zwykłego zjawiska Halla istnieje wkład zależny od namagnesowania 0,4 0,4 0,2 0,2 U H (mv) 0,0 U H (mv) 0,0-0,2 M x H -0,2 M z H -0, H (mt) -0, H (mt) 3

4 Spinowy efekt Halla Przewodniki ze sprzężeniem spin-orbita (spinowo zależne rozpraszanie na defektach, oddziaływanie wewnętrzne) E(J) indukowana prądem elektrycznym poprzeczna akumulacja spinów w metalu niemagnetycznym generacja prądu spinowego prostopadłego do kierunku przepływu prądu ładunkowego Spinowy kąt Halla θ SH - stosunek prądu spinowego do prądu ładunkowego: θ SH = ħ(2e) 1 J s J e Wysoki spinowy kąt Halla w Ta, W, Pt, CuIr, BiSe Domieszkowanie Izolatory topologiczne 4

5 Spinowy efekt Halla Oddziaływanie na warstwę magnetyczną: wzbudzenie rotacji namagnesowania spin-orbit torque (SOT) zmiana kierunku namagnesowania K. Ando, et al., J. Appl. Phys. 109, (2011) L. Liu et al., Science 336, , (2012) 5

6 Wybór materiałów ferromagnetyki metale z wysokim oddziaływaniem spin-orbita 6

7 Struktura układu wielowarstwowego d Ta / 0.91 nm Co 40 Fe 40 B 40 / 5 nm MgO / 1 nm Ta d Ta = 5 nm, 10 nm, 15 nm Wygrzewane w 330 C przez 20min. Warstwa ochronna MgO sprzyja uzyskaniu PMA w CoFeB Warstwa ferromagnetyczna Metal z oddziaływaniem spin-orbita Termicznie utlenione podłoże Si(001) Napylanie jonowe: Singulus Timaris PVD Cluster Tool System PMA prostopadła anizotropia magnetyczna 7

8 Monika Cecot Akademickie Centrum Materiałów i Nanotechnologii Strukturyzacja 70 μm x 1 μm 8 20 μm x 2 μm

9 Stanowiska pomiarowe 9

10 Anizotropia w płaszczyźnie Metody pomiarowe o Efekt spinowo-diodowy o Poszerzenie linii rezonansowej V DC ( V) Field Anizotropia prostopadła 10

11 Anizotropia prostopadła Metoda harmonicznych napięcia Halla Detekcja sygnału przy pomocy wzmacniacza typu lock-in - modulacja sygnału wejściowego. Dwie składowe pola efektywnego: z H Z Damping Field-like ΔH L, T = -2 V 2ω H L,T 2 V ω H2 L,T f = 386 Hz H T y H L x Dwa momenty siły tzw. field-like i damping-like J. Kim et al. PRB 89, (2014) J. Sinova et al. Rev. Mod. Phys. 87, 4 (2015) 11

12 Metoda harmonicznych napięcia Halla Pole w płaszczyźnie, wzdłuż (H L ) i w poprzek paska (H T ) H L i H T ΔH L,T = -2 V 2f H L,T 2 V f H2 L,T 10μm ΔH L koresponduje do składowej damping-like ΔH T koresponduje do składowej field-like 12

13 1. Wyznaczanie składowych DL i FL: Spinowy kąt Halla w Ta ξ DL/FL = ΔH L,T 2eµ 0 M S t CoFeB J e Ta ħ 2. Spinowy kąt Halla w oparciu o model dryfu-dyfuzji: Spinowy kąt Halla w Ta na poziomie 20% W/CoFeB W. Skowroński, M. Cecot, J. Kanak, S. Ziętek, T. Stobiecki, L. Yao, S. van Dijken, T. Nozaki, K. Yakushiji, and S. Yuasa Appl. Phys. Lett (2016) 13

14 Linia odczytu Zastosowanie: SOT - MRAM Linia zapisu Magnetyczne pamięci RAM wykorzystujące SOT (spin-orbit torque) Potrzeba 2 tranzystorów (albo jednego tranzystora i diody) Jeden duży tranzystor zasilający oraz mały tranzystor do odczytu Zajmowana powierzchnia jednej komórki: 18F 2, dla porównania SRAM: 6 tranzystorów F 2 Zajmowana powierzchnia większa niż w przypadku DRAM, jednak wciąż to duża konkurencja dla SRAM i dobry kandydat do aplikacji w systemach wbudowanych Wzmożone badania materiałów wykazujących SOT, optymalizacja wydajności pojedynczej komórki Możliwe osiągnięcie korzystnej stopy błędów (BER rzędu ) Zastosowanie również w spintronicznych komponentach mikrofalowych takich jak detektory wysokiej częstotliwości lub nanooscylatory. 14

15 Podsumowanie Spinowy efekt Halla - zachodzi w metalach niemagnetycznych z oddziaływaniem spinowo-orbitalnym (Ta, W, Pt) - wygenerowany poprzeczny prąd spinowy oddziałuje momentem siły na namagnesowanie warstwy ferromagnetycznej Pomiar spinowego efektu Halla - metoda pomiaru harmonicznych napięcia Halla - wyznaczenie obu składowych momentu siły (damping-like i field-like) - Spinowy kąt Halla na poziomie 20% θ SH = ħ(2e) 1 J s J e Nowoczesne nieulotne pamięci magnetyczne - szybsze przełączanie, większa odporność - zastosowanie w systemach wbudowanych 15

16 Dziękuję za uwagę This work is supported by the NANOSPIN under Grant PSPB-045/2010 from Switzerland through the Swiss Contribution and in part by National Science Center, Poland, Grant No. 2015/17/D/ST3/00500