Autoreferat. 2. Dyplomy i stopnie: magistra inżyniera, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława 1998 Staszica w Krakowie

Transkrypt

1 Załącznik 2 Autoreferat 1. Imię i Nazwisko: Piotr Wiśniowski 2. Dyplomy i stopnie: magistra inżyniera, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława 1998 Staszica w Krakowie 2003 master of science, Uniwersytet w Lugano (Szwajcaria) 2005 doktora nauk technicznych, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, rozprawa pt. Cienkowarstwowe magnetyczne złącza tunelowe i ich zastosowania 3. Przebieg zatrudnienia: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, asystent Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, studia doktoranckie, Elektronika INESC-Microsystems and Nanotechnologies, Lizbona, Portugalia, staż podoktorski, stypendium Marie Curie uzyskane w procedurze konkursowej Siemens AG, Department of Innovative Electronics, Erlangen Niemcy, staż podoktorski, stypendium Marie Curie uzyskane w procedurze konkursowej Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, Katedra Elektroniki, adiunkt Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w 2012 Krakowie, Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji, Katedra Elektroniki, adiunkt 1

2 4. Osiągnięcie habilitacyjne (a) Cykl publikacji pt. Elementy spintroniczne z barierą MgO i elektrodami CoFeB dla zastosowań w wysokoczułych sensorach pola magnetycznego (b) Na cykl składają się następujące publikacje: P1. P. Wiśniowski, J. M. Almeida, S. Cardoso, N. P. Barradas, P. P. Freitas, Effect of free layer thickness and shape anisotropy on the transfer curves of MgO magnetic tunnel junctions, Journal of Applied Physics, 103, 07A910-3 (2008), (Impact factor: 2,201, Liczba cytowań: 30) P2. P. Wiśniowski, J. M. Almeida, P. P. Freitas, 1/f Magnetic Noise Dependence on Free Layer Thickness in Hysteresis Free MgO Magnetic Tunnel Junctions, IEEE Transaction on Magnetics, vol 44, no 11, , (2008), (Impact factor:1,129, Liczba cytowań: 5) P3. J. M. Almeida, P. Wiśniowski, P. P. Freitas, Low Frequency Noise in MgO Magnetic Tunnel Junctions: Hooge s Parameter Dependence on Bias Voltage, IEEE Transaction on Magnetics, vol 44, no 11, (2008) (Impact factor: 1,129, Liczba cytowań:14) P4. J. M. Almeida, P. Wiśniowski, P. P. Freitas, Field Detection in Single and Double Barrier MgO Magnetic Tunnel Junction Sensors, Journal of Applied Physics, 103, 07E922-3 (2008) (Impact factor: 2,201, Liczba cytowań: 18) P5. P. Wiśniowski, M. Dąbek, T. Stobiecki, S. Cardoso, P. P. Freitas, Magnetic field sensing properties of CoFeB-MgO-CoFeB based tunneling magnetoresistance devices, Procedia Engineering, Volume 47, (2012) P6. P. Wiśniowski, J. Wrona, T. Stobiecki, S. Cardoso, P. P. Freitas, Magnetic tunnel junctions based on out-of-plane anisotropy free and in-plane pinned layer structures for magnetic field sensors, IEEE Transaction on Magnetics, vol 48, no 11, (2012) (Impact factor: 1,36, Liczba cytowań: 6 ) P7. W. Skowroński. P. Wiśniowski, T. Stobiecki, S. Cardoso, P. P. Freitas, Sebastiaan van Dijken, Magnetic field sensor with voltage tunable sensing properties, Applied Physics Letters, 101, , (2012) (Impact factor: 3,515, Liczba cytowań: 8) P8. P. Wiśniowski, M. Dąbek, S. Cardoso, P. P. Freitas, Magnetic field sensing characteristics of MgO based tunneling magnetoresistance devices with Co 40Fe 40B 20 and Co60Fe20B20 electrodes, Sensors and Actuators A, 202, 64-68, (2013), (Impact factor: 1,943, Liczba cytowań: 5) P9. P. Wiśniowski, M. Dąbek, W. Skowroński, T. Stobiecki, S. Cardoso, P. P. Freitas Reduction of low frequency magnetic noise by voltage-induced magnetic anisotropy modulation in tunneling magnetoresistance sensors, Applied Physics Letters 105, , (2014) (Impact factor: 3,515, Liczba cytowań: 2) P10. P. Wiśniowski, M. Dąbek, J. Wrona, Field noise in tunneling magnetoresistance sensors with different sensitivity, Applied Physics Letters, 106, , (2015) (Impact factor: 3,515, Liczba cytowań: 0) 2

3 (c) Omówienie osiągnięcia naukowego Wprowadzenie Elementy spintroniczne o strukturze warstwowej ferromagnetyk/izolator /ferromagnetyk (FM/I/FM) wykazują efekt tunelowej magnetorezystancji (TMR). Efekt ten polega na spinowo zależnym tunelowaniu elektronów przez barierę izolatora. Mierzalność efektu TMR wymaga nanometrowych grubości warstw ferromagnetycznych i izolatora. W elementach tych po przyłożeniu napięcia do ferromagnetycznych elektrod płynie prąd (I), którego wartość zależy od grubości (t) i wysokości bariery ( ) oraz od wzajemnego kierunku namagnesowania elektrod ferromagnetycznych. Wartość prądu tunelowego zależy t wykładniczo ( I ~ e ) od grubości i wysokości bariery, co pozwala zmieniać rezystancje elementu TMR w bardzo szerokim zakresie przez zmianę jej grubości. Właściwość ta, niespotykana w innych dwuzaciskowych elementach spintronicznych (np. GMR, AMR), czyni je bardzo atrakcyjnymi aplikacyjnie, gdyż elementy te niezależnie od rozmiaru mogą być wytwarzane o rezystancjach w bardzo szerokim zakresie ( -M ). Parametry bariery ustalają poziom rezystancji, natomiast zmiana kierunku namagnesowania elektrod pozwala na uzyskanie stanu wysokiej lub niskiej rezystancji (Rys.1). Stan niskiej rezystancji (RN) występuje dla równoległego kierunku namagnesowania elektrod ferromagnetycznych, stan wysokiej rezystancji (RW) dla antyrównoległego namagnesowania elektrod. Procentową zmianę rezystancji elementu definiuje się jako TMR=(RW RN)/RN współczynnika tunelowej magnetorezystancji (TMR). Rezystancja (k ) Ru(7nm) Ta(10nm) Co 40 Fe 40 B 20 (3nm) MgO(1.9 nm) Co 40 Fe 40 B 20 (2.5 nm) Ru(0.85 nm) Co 70 Fe 30 (2.5 nm) PtMn(20 nm) Ta(5 nm) SiO R N i nosi ona nazwę Rys. 1 Dwustanowa charakterystyka przetwarzania elementu o strukturze CoFeB-MgO-CoFeB i wysokim współczynniku TMR. R W TMR (%) 3

4 Współczynnik ten jest jednym z najważniejszych aplikacyjnie parametrów elementów TMR. Z punktu widzenia zastosowań elementów TMR możliwość zmiany rezystancji w nieomal nieograniczonym zakresie jest bardzo atrakcyjną właściwością, jednakże do 2004 roku elementy TMR z barierą amorficzną (Al2O3) wykazywały niski 1 (kilkadziesiąt procent) współczynnik TMR. Powodowało to, że nie były one aplikacyjnie zdecydowanie atrakcyjniejsze od elementów wykorzystujących efekty gigantycznej (GMR) i anizotropowej (AMR) magnetorezystancji. Zastąpienie bariery amorficznej barierą krystaliczną MgO i zastosowanie elektrod ferromagnetycznych ze stopu CoFeB pozwoliło uzyskać współczynnik TMR przekraczający kilkaset procent 2. Uzyskanie wysokiego współczynnika TMR w połączeniu z możliwością ustalenia poziomu rezystancji elementu na dowolnej wartości (przez zmianę grubości bariery izolatora) niezależnie od rozmiaru (od mikrometrów do nanometrów) spowodowało szerokie zainteresowanie elementami TMR o strukturze CoFeB/MgO/CoFeB. Zapoczątkowało to intensywny rozwój badań 3 elementów o tej strukturze do zastosowania jako komórki nowej generacji pamięci magnetycznych o swobodnym dostępie (MRAM) 4, sensorów pola magnetycznego 5 oraz oscylatorów mikrofalowych 6. Zastosowanie elementów o wysokim współczynniku TMR do realizacji wysokoczułych sensorów i detektorów pola magnetycznego wymagało linearyzacji dwustanowych (prostokątnych, Rys.1) charakterystyk przetwarzania oraz minimalizacji szumów. Ponieważ elementy o strukturze CoFeB-MgO-CoFeB i dużym współczynniku TMR wykazują wysokie pola koercji (histerezę) elektrody pomiarowej, znane metody linearyzacji (np. anizotropia kształtu) nie były skuteczne 7. Konieczne było opracowanie nowych metod, które byłyby skuteczne a zarazem technologicznie proste i tanie. Wysoki współczynnik TMR oferował wysoką czułość sensorów, jednakże w detekcyjności (zdefiniowanej jako stosunek szumów do czułości) niskiego i ultra niskiego pola magnetycznego (nanotesle i mniejsze) równie ważnym jest poziom szumów, szczególnie szumów magnetycznych. Szumy te, występujące w zakresie czułym charakterystyki przetwarzania (między stanami nasycenia - stanem niskiej i wysokiej rezystancji, zobacz Rys. 9 str. 13) elementu determinują poziom 1 J. S. Moodera et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 200, , (1999) X. Han et al., Applied Physics Letters, 77, 283, (2000). M. Tsunoda et al., Applied Physics Letters, 80, 3135, (2002). D.Wang et al., IEEE Transaction on Magnetics, vol 40, no 5, 2269 (2004). 2 S. S. Parkin et al., Nature Materials,3, 862 (2004). S. Yuasa et al., Nature Materials, 3, 868 (2004). 3 S. Yuasa et al., Journal of Physics D: Applied Physics, 40, R337, (2007). 4 S. Ikeda, et al., IEEE Transaction on Electron Devices, vol. 54, no. 5, 991, (2007). 5 G. Xiao et al., Handbook of Spin Transport and Magnetism, Boca Raton, CRC Press, 2012, s A. Deac et al., Nature Physics, 4, 803, (2008). H. S. Choi et al., Scientific Reports, 4, 5486 (2014) 7 L. R. Shah et al. J. Q. Xiao, Journal of Applied Physics, 109, 07C731 (2011). 4

5 minimalnej wartości detekowanego pola magnetycznego. Co ważniejsze, wykazano eksperymentalnie 8, że poziom szumów magnetycznych rośnie ze wzrostem czułości sensora. Efekt ten prowadzi do ograniczenia poprawy detekcyjności przez zwiększenie czułości, której wzrost zwiększa szumy i w konsekwencji skutkuje wzrostem minimalnego detekowanego pola magnetycznego. W związku z tym konieczne było opracowanie skutecznych metod minimalizacji szumów, które umożliwiałyby poprawę detekcyjności, szczególnie elementów TMR o wysokiej czułości. Zakres prac badawczych przedstawionych do oceny obejmował określone wyżej problemy i podzielony był na trzy etapy. Prace pierwszego etapu skupiły się na opracowaniu metody skutecznej oraz technologicznie prostej i taniej linearyzacji charakterystyk przetwarzania elementów TMR, gwarantującej niską nieliniowość i histerezę oraz wysoką czułość. Drugi etap prac dotyczył opracowania wysokoczułych sensorów w oparciu o strukturę CoFeB-MgO-CoFeB o szerokim oraz modyfikowalnym zakresie liniowym i czułości. Ostatni, trzeci etap prac skupił się na minimalizacji szumów magnetycznych sensorów i zwiększeniu ich detekcyjności ponad limit wyznaczony wzrostem szumów magnetycznych ze wzrostem czułości. Prace badawcze zrealizowano w ramach dwóch projektów europejskich (European Research and Training Network MRTN-CT , MRTN-CT ) i jednego krajowego, w których wnioskodawca był wykonawcą i kierownikiem. Do najważniejszych osiągnięć uzyskanych w wyniku realizacji prac badawczych w wymienionych etapach wnioskodawca zalicza: 1. Opracowanie efektywnej i technologicznie prostej oraz taniej metody linearyzacji charakterystyk przetwarzania elementów TMR z barierą tunelową MgO i elektrodami CoFeB pozwalającej osiągnąć wysoką czułość, niską histerezę i nieliniowość. 2. Opracowanie elementów TMR o modyfikowanym zakresie liniowym i czułości oraz niskiej nieliniowości i histerezie. 3. Opracowanie metody redukcji szumów magnetycznych umożliwiającej obniżenie poziomu detekowanego pola magnetycznego poniżej limitu wyznaczonego wzrostem szumów magnetycznych ze wzrostem czułości. 4. Opracowanie metody kontroli i redukcji szumów magnetycznych za pomocą polaryzacji i wartości napięcia zasilania. 8 S. Ingvarsson et al., Physical Review Letters, 85, 3289 (2000). L. Jiang et al. Physical Review B 69, (2004). D. Mazumdar et al., Applied Physics Letters 91, (2007). 5

6 I ETAP BADAŃ - Linearyzacja charakterystyk przetwarzania Elementy o strukturze CoFeB-MgO-CoFeB i wysokim współczynniku TMR wykazują dużą koercję (histerezę). Odkrycie 2 pod koniec 2004 roku w elementach z barierą MgO wysokiego współczynnika TMR i późniejsze badania wykazały, że elementy z barierą MgO i elektrodami CoFeB mogą osiągnąć w aplikacyjnych strukturach (zawierających warstwy, exchange bias, realizujące magnetyczne zamocowanie ferromagnetycznej elektrody referencyjnej) TMR dochodzący do 361% 9. Uzyskanie tak wysokiego współczynnika stworzyło możliwości realizacji wysokoczułych i o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (nm 2 ) sensorów na ich bazie, jednakże zastosowanie tych elementów jako sensory wymagało linearyzacji ich charakterystyk przetwarzania. Okazało się, że elementy o wysokim współczynniku TMR wykazują również duże pola koercji (histerezę). Linearyzacja elementów TMR o dużym polu koercji znanymi i prostymi metodami okazała się nieskuteczna 7. W linearyzacji przez anizotropię kształtu wykorzystuje się pole odmagnesowania powstające w elemencie, którego jeden z wymiarów jest większy od drugiego (np. prostokąt o znacznie większym stosunku długości do szerokości -współczynnik kształtu). Metoda ta okazała się nieskuteczna w linearyzacji elementów TMR o dużym polu koercji elektrody pomiarowej. W metodzie zewnętrznego pola magnetycznego stosuję się dodatkowe pole magnetyczne wytworzone przez zintegrowany z elementem cienkowarstwowy magnes 10. Metoda ta komplikuje technologicznie i podraża proces linearyzacji oraz nie jest w pełni skuteczna 11 w linearyzacji charakterystyk przetwarzania. Obiecującą metodą okazała się metoda sprzęgania elektrody pomiarowej z antyferromagnetykiem 12. W metodzie tej wykorzystuje się sprzężenie wymiany exchange bias, które powstaję między warstwą ferromagnetyka i antyferromagnetyka (FM/AFM). W wyniku zastosowania takiej struktury i dwuetapowego wygrzewania w polu magnetycznym, możliwe jest ustawienie kierunku namagnesowania elektrody referencyjnej prostopadle do kierunku namagnesowania elektrody pomiarowej. Metoda sprzęgania elektrod wymaga zastosowania dodatkowej struktury warstwowej oraz dwuetapowego wygrzewania. Wymogi te komplikują technologicznie i podrażają proces linearyzacji, ponadto metoda ta nie zawsze pozwala osiągnąć pożądane rezultaty. 9 J. Hayakawa et al., Applied Physics Letters 89, (2006). 10 R. C. Chaves et al., Journal of Applied Physics, 109, 07E506 (2011) 11 R. J. Janeiro et al., IEEE Transaction on Magnetics, vol 48, no 11, 4111 (2012) 12 J. Y. Chen et al., Applied Physics Letters 10, (2012). 6

7 Zaproponowana przez wnioskodawcę metoda [P1] wykorzystująca anizotropię kształtu i zmniejszanie grubości elektrody pomiarowej umożliwiła skuteczną linearyzację charakterystyk przetwarzania elementów TMR oraz uzyskanie rekordowo wysokiej czułości (praca cytowana 30). W metodzie tej zastosowano pole odmagnesowania powstające, gdy kierunek preferowanego ułożenia namagnesowania (oś łatwa) jest skierowany wzdłuż krótszego wymiaru elementu (prostokąt, elipsa) oraz spadek koercji ze zmniejszaniem grubości elektrody pomiarowej. Skuteczność tej metody zweryfikowano wytwarzając w technologii magnetronowego rozpylania jonowego (sputtering) aplikacyjne struktury TMR o grubości elektrody pomiarowej (tp) od 1,45 nm do 3,0 nm. Struktury te poddano procesowi litografii i wytworzono elementy w kształcie prostokąta ze zmienną długością krótszego boku od 1 m do 3 m i dłuższego od 2 m do 36 m. Badania charakterystyk przetwarzania pokazały, że elementy o grubości elektrody pomiarowej (tp) do 1,55 nm wykazują liniowe i bezhisterezowe charakterystyki przetwarzania (Rys. 2). Natomiast elementy o długości krótszego boku większej lub równej 3 m wykazują histerezę niezależnie od współczynnika kształtu (stosunek długości boków) (Rys. 3). Wykazano również, że metoda ta jest skuteczna, gdy grubość elektrody pomiarowej jest mniejsza lub równa 1,55 nm i współczynnik kształtu większy od 2 oraz, że dla długości krótszego boku większego od 2 m wymagana jest grubość elektrody pomiarowej mniejsza od 1,45 nm. Zastosowanie tej metody umożliwiło uzyskanie elementów o czułości polowej CP=77 %/mt (Rys. 4), która w czasie publikacji pracy [P1] była rekordową. TMR (%) 180 t p =3,0 nm t p = 1,8 nm 120 t 100 p = 1,7 nm 80 t p = 1,55 nm 60 t 40 p = 1,45 nm Rys. 2 Charakterystyki przetwarzania elementów o zmiennej grubości elektrody pomiarowej. (Zmodyfikowany Rys. 1 z publikacji [P1]). 7

8 TMR (%) x3 m 2 3x9 m 2 18x3 m 2 3x18 m Rys. 3 Charakterystyki przetwarzania elementów o długości krótszego boku równym 3 m i różnych współczynnikach kształtu. (Zmodyfikowany Rys.3e,f z publikacji [P1]). TMR (%) CP=72%/mT CP=77%/mT 1.5 x 3 m 2 3 x 3 m Rys. 4 Charakterystyki przetwarzania elementów wykazujących rekordowe czułości. (Zmodyfikowany Rys.4 z publikacji [P1]). Metoda linearyzacji z wykorzystaniem anizotropii kształtu i zmniejszania grubości elektrody pomiarowej skuteczna w linearyzacji elementów TMR nakłada jednak ograniczenie na kształt i współczynnik kształtu elementów. Ograniczenia te wynikają z konieczności wytworzenia pola odmagnesowania, którego wartość w głównej mierze zależy od współczynnika kształtu i krótszego wymiaru elementu. Zaobserwowany spadek koercji wraz ze zmniejszaniem grubości elektrody pomiarowej w pracy [P1], posłużyły do opracowania metody [P6] skutecznej w linearyzacji charakterystyk przetwarzania niezależnie od rozmiaru i kształtu elementu. W metodzie tej wykorzystano anizotropię magnetyczną prostopadłą do płaszczyzny w elektrodzie pomiarowej natomiast w elektrodzie referencyjnej anizotropię w płaszczyźnie [P6]. 8

9 TMR (%) CoFeB=1,25 nm CoFeB=1,15 nm CoFeB=1,10 nm TMR (%) CoFeB =1,40 nm CoFeB = 1,35 nm CoFeB = 1,30 nm Rys. 5 Charakterystyki przetwarzania elementów wykazujących anizotropię prostopadłą w elektrodzie pomiarowej (Zmodyfikowany Rys.1 z publikacji [P6]). Nieliniowość (% FS) (a) 1,25 nm 1,10 nm -2 1,15 nm Nieliniowość (% FS) ,40 nm (b) 1,35 nm Czułość (%/mt) (c) CoFeB (nm) Rys. 6 Nieliniowość charakterystyk przetwarzania elementów o szerokim (a) i wąskim (b) zakresie pomiarowym. Zmiana czułości z grubością elektrody pomiarowej (c). (Zmodyfikowany Rys.3 z publikacji [P6]). W celu wykazania skuteczności tej metody wytworzono elementy o zmiennej grubości elektrody pomiarowej (CoFeB) w zakresie od 1,05 nm do 1,70 nm w kształcie kwadratu i prostokąta o wymiarach od 5 m do 100 m. Wykazano, że dla grubości elektrody pomiarowej od 1,05 nm do 1,40 nm indukuje się w niej anizotropia prostopadła (Rys. 5). Anizotropia prostopadła w elektrodzie pomiarowej w połączeniu z anizotropią w płaszczyźnie w elektrodzie referencyjnej realizuje konfigurację anizotropii skrzyżowanych, która skutkuje liniowymi charakterystykami przetwarzania. Metoda ta okazała się skuteczna w linearyzacji elementów niezależnie od ich rozmiaru, kształtu i współczynnika kształtu. Ponadto metoda ta umożliwiła wytworzenie sensorów o zakresie pomiarowym od 100 mt do 0.3 mt, nieliniowości od 0,5 %FS (% pełnej skali) do 2,5%FS i czułości od %/mt do 38 %/mt (Rys. 6 ). Opracowane w tym etapie metody i wykazana ich skuteczność umożliwiają technologicznie prostą i tanią linearyzację charakterystyk przetwarzania elementów TMR o 9

10 dowolnych wymiarach i kształtach oraz uzyskanie wysokich czułości. Opublikowane w pracach [P1, P6] badania stworzyły nowe perspektywy w projektowaniu sensorów pola magnetycznego. Ponadto badania tego etapu wykazały możliwość skutecznej i łatwej zmiany zakresu pomiarowego elementów TMR. II ETAP BADAŃ Wysokoczułe elementy TMR o modyfikowalnym zakresie pomiarowym i czułości Badania I etapu wykazały, że anizotropia prostopadła wpływa na właściwości pomiarowe zlinearyzowanych elementów TMR. W II etapie prac wykazano, że poprzez zmianę anizotropii prostopadłej możliwe jest uzyskanie elementów o różnych zakresach pomiarowych i wysokiej czułości [P5, P8]. Ponadto czułość i zakres pomiarowy mogą być aktywnie modyfikowane wartością i polaryzacją napięcia zasilania elementu [P7, P9]. Wykorzystanie zmiennej anizotropii prostopadłej pozwoliło na uzyskanie elementów o różnych zakresach pomiarowych i czułościach. Zmianę anizotropii a w efekcie czułości i zakresu pomiarowego osiągnięto przez zmianę grubości elektrody pomiarowej. W celu zbadania osiąganych zakresów pomiarowych i czułości indukowanych zmianą anizotropii wytworzono elementy o zmiennej grubości i dwóch kompozycjach stopowych (C40Fe40B20 i Co60Fe20B20) elektrody pomiarowej. Wykazano, że w zakresie grubości elektrody pomiarowej skutkującej anizotropią prostopadłą zmiana jej grubości pozwala na uzyskanie zakresów pomiarowych od 0.1 mt do 100 mt o nieliniowości od 0,5 do 2 % FS (Rys. 7). Nieliniowość (% FS) Co 40 Fe 40 B 20 =1,20-1,35 nm 1,35 nm 1,30 nm 1,20 nm Nieliniowość (% FS) 2 Co 60 Fe 20 B 20 =1,2-1,3nm ,20 nm 1, 30 nm Rys. 7 Nieliniowość charakterystyk przetwarzania elementów z elektrodą pomiarową typu C40Fe40B20 i Co60Fe20B20 o różnych zakresach pomiarowych uzyskanych przez zmianę grubości elektrody pomiarowej. (Zmodyfikowany Rys.3 z publikacji [P8]). 10

11 Wykazano również, że elementy z elektrodami Co60Fe20B20 osiągają znacząco większą czułość (90 %/mt) od elementów z elektrodami C40Fe40B20 (59 %/mt) [P8]. Stwierdzono ponadto, że właściwości pomiarowe (zakres pomiarowy, czułość) zależą od grubości elektrod pomiarowej, co z jednej strony stwarza możliwość realizacji elementów o różnych zakresach pomiarowych i czułościach z drugiej zaś ściśle koreluje je ze sobą. Wykorzystanie efektu zmiany anizotropii napięciem (tzw. Voltage Controlled Magnetic Anisotropy 13 ) w elementach z anizotropią prostopadłą umożliwiło wytworzenie elementów TMR o regulowanym zakresie pomiarowym i czułości [P7, P9]. Wyniki badań nad modyfikacją właściwości pomiarowych przez zmniejszanie grubości elektrody pomiarowej oraz znana zależność anizotropii prostopadłej od napięcia, posłużyły do opracowania sensorów TMR z regulowaną napięciem zasilania czułością i zakresem pomiarowym. W celu zbadania możliwości i skuteczności użycia napięcia zasilania do zmiany zakresu pomiarowego i czułości, wytworzono elementy o grubości elektrody pomiarowej, dla której uzyskana wartość anizotropii była na poziomie, który skutkował największym wpływem napięcia na anizotropię prostopadłą. W wyniku przeprowadzonych badań zależności czułości i zakresu pomiarowego od wartości i polaryzacji napięcia zasilania wykazano, że zakres pomiarowy zmienią się z polaryzacją i wartością napięcia. Dla zmiany napięcia pomiędzy 1 V otrzymujemy ponad dwukrotną zmianę czułości i zakresu pomiarowego a efekt ten nie zależy od rozmiaru elementu (Rys. 8). normalizowana R V, CP 26 (V/T) 2,5x7,5 m +1 V, CP 12,9 (V/T) Zonrmalizowana R V, CP 24,9 (V/T) 2x36 m +1V, CP 10,9 (V/T) Rys. 8 Wpływ polaryzacji napięcia zasilania na charakterystyki przetwarzania i czułość elementów o różnych rozmiarach. (Zmodyfikowany Rys.1 z publikacji [P9]). 13 P. K. Amiri et al., Spin, 02, , (2012). W. G. Wang et al., Nature Materials, 11, 64, (2012). 11

12 Opracowane w II etapie badań elementy TMR dowodzą, że wykorzystanie metody zmiany anizotropii prostopadłej w projektowaniu sensorów pola magnetycznego umożliwia realizację sensorów o różnych zakresach pomiarowych i czułości oraz niskiej nieliniowości i histerezie przy aktywnej ich modyfikacji napięciem zasilania. Właściwości te stwarzają nowe możliwości w projektowaniu i zastosowaniu sensorów TMR. III ETAP BADAŃ Minimalizacja szumów magnetycznych Wysoka czułość elementów TMR jest istotnym, ale niedecydującym czynnikiem determinującym ich przydatność do zastosowania w wysokoczułych sensorach i detektorach słabych pól magnetycznych (nanotesle i mniejsze). O użyteczności decyduje poziom szumów, który wyznacza limit wykrywanego przez element pola magnetycznego. W pomiarach lub detekcji bardzo słabych pól magnetycznych do porównania możliwości pomiarowych sensorów stosuje się parametr detekcyjność pola (DP). Detekcyjność pola sensorów mierzona w (T/Hz 1/2 ), określana również przez szum polowy (Sszp) w (T 2 /Hz), definiuje się jako stosunek gęstości widmowej szumów (PSD) w (V/Hz 1/2 ) do czułości polowej (CP) w (V/T). Wynika z tego, że w pomiarach słabych pól magnetycznych nawet sensory o wysokiej czułości polowej mogą być nieprzydatne, jeśli wykazują znaczny poziom szumów. Stąd kluczowym zagadnieniem w projektowaniu sensorów słabego pola magnetycznego są szumy elementów TMR i metody ich redukcji oraz kontroli. Elementy TMR wykazują szumy elektroniczne i magnetyczne, przy czym w zastosowaniach sensorowych kluczowe są szumy magnetyczne ze względu na ich dominację nad szumami elektronicznymi (Rys.9). Szumy elektroniczne wykazują elementy dla obszarów charakterystyki przetwarzania w stanie nasycenia magnetycznego elektrod (Rys. 9), natomiast szumy magnetyczne w zakresie czułym tej charakterystyki. Eksperymentalnie wykazano [P2], że szumy magnetyczne dominują (do kilku rzędów wielkości) nad szumami elektronicznymi oraz, że maksimum szumów magnetycznych występuje dla obszaru na charakterystyce przetwarzania o największej czułości (Rys. 9). 12

13 PSD (V 2 /Hz) Szumy magnetyczne Charakterystyka przetwarzania Szumy elektroniczne Rys. 9 Gęstość widmowa szumów i charakterystyka przetwarzania zlinearyzowanego elementu TMR dla wybranych punktów na charakterystyce przetwarzania. (Zmodyfikowany Rys.2 z publikacji [P2]). Rezystancja (k ) Przedmiotem badań III etapu były szumy elektroniczne i magnetyczne zlinearyzowanych elementów TMR i metody ich minimalizacji i kontroli. W pracy [P3] zbadano wpływ napięcia zasilania (UZ) na szumy elektroniczne a w pracy [P4] na detekcyjność pola dla elementów o różnych grubościach bariery tunelowej i elektrody ferromagnetycznej. Metody kontroli i redukcji szumów magnetycznych przez zmianę grubości elektrody pomiarowej omówiono w [P2, P10] natomiast przez polaryzację i wartość napięcia zasilania w pracy [P9]. Szumy elektroniczne wyznaczają najniższy możliwy poziom szumów elementów TMR. Ponieważ na szumy elektroniczne ma wpływ napięcie zasilania i rezystancja elementu (determinowana powierzchnią i wartością parametru rezystancja na powierzchnię (RA), który modyfikuje się grubością bariery tunelowej), przeprowadzono badania szumów elektronicznych dla elementów o RA w zakresie od 1 k m 2 do 100 k m 2, grubości elektrody pomiarowej od 1,55 nm do 3 nm oraz z jedną i dwiema barierami izolatora w funkcji napięcia zasilania [P3]. W wyniku tych badań stwierdzono, że szumy elektroniczne określone parametrem Hooge a ( ) maleją ze wzrostem napięcia zasilania dla elementów z jedną i dwiema barierami tunelowymi (Rys. 10). Ponadto elementy wykazały wzrost szumów ze wzrostem RA (Rys.11). Detekcyjność pola determinują szumy magnetyczne i czułość polowa, które zmieniają się z napięciem zasilania. Szumy magnetyczne rosną z czułością, którą determinuje stromość charakterystyki przetwarzania i współczynnik TMR. Ponadto współczynnik TMR maleje ze wzrostem napięcia. Mając na uwadze wpływ określonych czynników na detekcyjność pola 13

14 10-8 (a) 10-8 (b) ( m 2 ) 10-9 ( m 2 ) U z (V) U z (V) Rys. 10 Wpływ napięcia zasilania na parametr Hooge a zlinearyzowanych elementów z jedną (a) i dwiema barierami (b) MgO. (Zmodyfikowany Rys.6 z publikacji [P3]) ( m 2 ) ~10mV ~1V RA ( m 2 ) Rys. 11 Wpływ rezystancji na powierzchnię na parametr Hooge a. (Zmodyfikowany Rys.11 z publikacji [P3]). przeprowadzono badania jej zależności od napięcia zasilania w elementach z jedną i dwiema barierami tunelowymi oraz różnych grubościach elektrody pomiarowej [P4]. Badania te pokazały, że zlinearyzowane elementy z dwiema barierami izolatora wykazują wolniejszy spadek współczynnika TMR z napięciem zgodnie z przewidywaniem jednakże znacząco większe szumy polowe (Rys.12). Stwierdzono również, że szumy polowe w zakresie niskich częstotliwość (zakres szumu 1/f) rosną ze wzrostem napięcia zasilania (Rys. 13a), natomiast szumy polowe dla wyższych częstotliwości (zakres szumów białych) maleją i elementy z jedną barierą MgO wykazują znacząco niższą wartość szumów polowych (Rys. 13b). 14

15 S szp (T 2 /Hz) Element z jedną barierą MgO CoFeB 1,55 nm Element z dwiema barierami MgO Częstotliwość (Hz) Rys. 12 Szumy polowe zlinearyzowanych elementów z jedną i dwiema barierami MgO. (Zmodyfikowany Rys. 4 z publikacji [P4]). Rys. 13 Wpływ napięcia zasilania na szumy polowe w zakresie niskich (a) i wysokich częstotliwości (b) zlinearyzowanych elementów z jedną i dwiema barierami MgO. (Zmodyfikowany Rys. 5 z publikacji [P4]). W metodzie redukcji szumów poprzez zmianę grubości elektrody pomiarowej [P2] i anizotropii prostopadłej [P10] wykazano, że szumy magnetyczne można efektywnie zredukować przez dobór grubości elektrody pomiarowej oraz zmniejszyć poniżej limitu określonego wzrostem szumów magnetycznych ze wzrostem czułości przez zmianę czułości polowej. W celu wykazania skuteczności tej metody wytworzono zlinearyzowane elementy o zmiennej czułości polowej otrzymanej poprzez zmianę grubości elektrody pomiarowej ze stopu Co60Fe20B20. Dla tych elementów zbadano szumy magnetyczne (Rys. 14) dla punktu charakterystyki przetwarzania i napięcia zasilania skutkującymi najwyższą czułością polową. 15

16 PSD (V2/Hz) 10-9 I, CP= 127 (V/T) II, CP= 58 (V/T) III, CP= 12 (V/T IV, CP= 6.5 (V/T) V, CP= 2,7 (V/T) I,H nas = ,8 (m T) V, H nas =7 6 (mt ) szumy układu pomiarowego Częstotliwość (Hz) Rys. 14 Wpływ czułości polowej na gęstość widmową szumów magnetycznych. (Zmodyfikowany Rys. 2a z publikacji [P10] ). I, CP= 127 (V/T) II, CP= 57 (V/T) V, CP= 2,7 (V/T) Sszp (T2/Hz) I V V II Częstotliwość (Hz) Rys. 15 Szumy polowe elementów o różnej czułości polowej. (Zmodyfikowany Rys.4 z publikacji [P10]). Zwiększanie anizotropii (wzrost pola nasycenia Hnas) elektrody pomiarowej skutkujące zmniejszeniem czułości spowodowało silny spadek szumów magnetycznych, spadek ten przekroczył 3 rzędy wielkości (Rys. 14). Ponadto w pracy [P10], wykazano występowanie czułości polowej, dla której szumy polowe (detekcyjność pola) są mniejsze niż to wynika z limitu określonego przez wzrost szumów magnetycznych ze wzrostem czułości (Rys. 15). Zmniejszenie poziomu minimalnego detekowanego pola poniżej limitu wyznaczonego proporcjonalnością szum magnetyczny-czułość, wynika z silniejszego spadku szumów magnetycznych niż czułości polowej elementów przy zmniejszaniu grubości elektrody 16

17 pomiarowej (wzroście anizotropii prostopadłej). Efekt ten umożliwia redukcję szumów polowych elementów mimo spadku czułości (element II na Rys.15). W metodzie redukcji szumów magnetycznych za pomocą napięcia zasilania [P9] wykazano możliwość aktywnej kontroli szumów magnetycznych wartością i polaryzacją napięcia zasilania elementu. Wyniki badań nad kontrolą szumów magnetycznych przez zmianę grubości elektrody pomiarowej (zmianę anizotropii) wykazały spadek szumów ze wzrostem anizotropii. Efekt ten w połączeniu ze znaną możliwością sterowania anizotropią napięciem (poprzez efekt VCMA), wykorzystano do opracowania sensorów z kontrolowanymi polaryzacją i wartością napięcia zasilania szumami magnetycznymi. W celu wykazania skuteczności tej metody wytworzono elementy o grubości elektrody pomiarowej, dla której wpływ napięcia na anizotropię jest najsilniejszy. Przeprowadzono badania szumów magnetycznych w funkcji polaryzacji i wartości napięcia zasilania. Dla polaryzacji (dodatniej) napięcia skutkującej wzrostem anizotropii w elektrodzie pomiarowej uzyskano spadek szumów magnetycznych ze wzrostem wartości napięcia (Rys. 16). Natomiast dla polaryzacji (ujemnej) skutkującej spadkiem anizotropii w elektrodzie pomiarowej szumy magnetyczne rosły ze wzrostem napięcia. Stwierdzono ponadto, podobnie jak w metodzie zmniejszania grubości elektrody pomiarowej, że spadek poziomu szumów przewyższa spadek czułości, co w konsekwencji zmniejsza szumy polowe (poprawia detekcyjność) elementów pomimo spadku czułości (Rys. 17) PSD (V 2 /Hz) ,5 V - 0,5 V PSD (V 2 /Hz) V - 1V Częstotliwość (Hz) Częstotliwość (Hz) Rys. 16 Wpływ polaryzacji i wartości napięcia na szumy magnetyczne elementów. (Zmodyfikowany Rys.2d,e z publikacji [P9]). 17

18 _ 1 V CP=26,0 (V/T) + 1 V CP=12,9 (V/T) S szp (T 2 /Hz) Częstotliwość (Hz) Rys. 17 Wpływ polaryzacji napięcia zasilania na szumy polowe. (Zmodyfikowany Rys.3c z publikacji [P9]). Opracowane III etapie badań metody i wykazana ich skuteczność umożliwiają efektywną i technologicznie prostą minimalizację szumów magnetycznych, które obniżają poziom detekowanego pola magnetycznego poniżej limitu określonego wzrostem szumów magnetycznych ze wzrostem czułości oraz aktywne modyfikowanie szumów polaryzacją i wartością napięcia zasilania. Aktywna modyfikacja szumów i czułości oferuje, niespotykaną dotychczas w zastosowaniu elementów TMR jako sensory pola magnetycznego, możliwość kontroli szumów magnetycznych i detekcyjności napięciem zasilania. Właściwości te stwarzają nowe perspektywy w projektowaniu i oferują nową funkcjonalność w zastosowaniu zlinearyzowanych elementów TMR jako sensory pola magnetycznego. 18

19 Podsumowanie W wyniku realizacji badań opisanych w pracach [P1-P10], opracowano metody skutecznej linearyzacji, technologicznie prostej zmiany zakresu pomiarowego, efektywnej redukcji szumów magnetycznych i obniżeniu poziomu detekowanego pola magnetycznego poniżej limitu wyznaczonego wzrostem szumów ze wzrostem czułości polowej elementów z tunelową barierą MgO i ferromagnetycznymi elektrodami CoFeB o strukturach aplikacyjnych. Prace zrealizowano w ramach dwóch projektów europejskich i jednego krajowego, w których wnioskodawca był wykonawcą i kierownikiem. Opracowane metody oferują nowe możliwości w projektowaniu na bazie elementów TMR, nowych generacji wysokoczułych sensorów i detektorów słabego pola magnetycznego i optymalizacji ich właściwości dla zastosowań w pomiarach i detekcji pola magnetycznego. Uzyskane parametry i wykazane właściwości elementów TMR predestynują je do zastosowania w biopomiarach (biosensory 14 do detekcji naznaczonych magnetycznie molekuł np. wykrywanie wirusów), badaniach nieniszczących 15,16 (np. wysokorozdzielcze (nanometry) skanery rozkładu pola magnetycznego, stosowane między innymi do lokalizacji wad procesu fabrykacji układów elektronicznych przez odwzorowanie rozkładu pola generowanego przez prądy w wadliwych liniach) oraz wysokoczułych sensorach pola magnetycznego 15 (np. stosowane do monitorowania prądu w układach scalonych, budowy kompasów elektronicznych), od których wymaga się małego poboru mocy, wysokiej czułości i rozdzielczości powierzchniowej. Wyniki badań nie tylko zostały opublikowane w czasopismach o znacznym współczynniku wpływu impact factor, ale również zaprezentowane w referatach ustnych na prestiżowych międzynarodowych konferencjach tematycznych (Magnetism and Magnetic Materials Conference-MMM: 2007, 2013, 2014; International Magnetics Conference - INTERMAG: 2008, 2012, 2014) (wykaz prezentacji załącznik 4 pkt. II, L)), których wybór przez komitety naukowe jako prezentacje ustne uważa się za wyróżnienie. Ponadto prace te zapoczątkowały badania nad wykorzystaniem opracowanych metod i elementów do zastosowania w pomiarach szybkozmiennych pól magnetycznych i prądów. Badania te są rozwijane między innymi poprzez realizację grantu Harmonia Electric-field controlled spintronic devices E-Control (Narodowego Centrum Nauki) i Nanoscale spin 14 D. L. Graham et. al.,trends in Biotechnoloy, 22, 455,(2004). P. P. Freitas et. al Lab on a Chip, 12, 546. (2012) 15 Candid Reig et. al Giant Magnetoresistance Sensors From Basis to State-of-the-Art Applications, Springer, s , L. A. Knauss et. all, Microelectronics Failure Analysis: Desk Reference, ASM International,, s ,

20 torque devices for spin electronics - Nanospin (program Współpracy Szwajcarsko-Polskiej), w których wnioskodawca jest wykonawcą. 5. Informacja o pracy doktorskiej Tematyka pracy doktorskiej dotyczyła badania wpływu warstw buforowych (warstw, na których wyrastają aktywne warstwy FM/I/FM) magnetycznego złącza tunelowego typu zawór spinowy na istotne z punktu widzenia zastosowań spintronicznych parametry złącza takie jak: tunelowa magnetorezystancja, rezystancja na powierzchnię oraz pola przełączeń warstwy swobodnej i zamocowanej. W ramach tych prac zaprojektowano i wykonano magnetyczne złącza tunelowe z ferromagnetycznymi elektrodami CoFe i amorficzną barierą Al2O3 o różnej strukturze i rodzaju warstw buforowych. Odpowiednie struktury warstw buforowych wygenerowały złącza o różnych własnościach mikrostrukturalnych (różne tekstury i szorstkości). Tekstura i szorstkość decydująco wpłynęły na własności elektryczne i magnetyczne złącz. Wpływ ten został zbadany poprzez pomiary zależności konduktancji złącz od temperatury i napięcia, charakterystyk prąd-napięcie, pętli histerezy magnetorezystancyjnej i magnetycznej. W związku z powyższym oświadczam, że badania przedstawione w pracy doktorskiej i opublikowane w tym czasie nie zostały zaliczone do osiągnięcia habilitacyjnego. 20