SPINTRONIKA. Przyszłość i prawie teraźniejszość

Transkrypt

1 SPINTRONIKA Przyszłość i prawie teraźniejszość

2 ZWYKŁA ELEKTRONIKA Wykorzystuje ładunek elektronu jako cechę użyteczną pozwalającą tworzyć rozmaite układy elektroniczne. Powszechnie sądzi się, że możliwości dalszego rozwoju elektroniki bazującej na krzemie i innych półprzewodnikach kończą się.

3 SPINTRONIKA Jest to bardzo młoda, interdyscyplinarna dziedzina (i modna). Jako konkurencja elektroniki rozwija się równolegle z elektroniką molekularną, bioelektroniką, elektronika polimerów. Wiadomo, dlaczego spintronika powstała i się rozwija. Ale co to właściwie jest?

4 SPINTRONIKA Wykorzystuje spin elektronu w tych samych celach, co zwykła elektronika ładunek. Najpowszechniej znany przykład: tzw gigantyczny magnetoopór. Innym przykładem może być spinowy tranzystor, którego pomysł został po raz pierwszy zaproponowany i opracowany teoretycznie w 1990 roku przez Supriyo Datta i Biswajit Das z Purdue University (USA).

5 Spintronika nie zamierza wyeliminować zwykłej elektroniki Procesor Elektronika bazuje na ładunku Dysk Działanie pamięci bazuje na orientacji SPINU w Ferromagnetyku Połączenie dwóch światów To cel SPINTRONIKI

6 Podstawy fizyczne spintroniki Co to jest spin i w jaki sposób można zmienić kierunek spinu? Czy własności materiału zależą od kierunku spinu? Co to jest magnetoopór?

7 Spin elektronu Z S detektor N atom srebra Doświadczenie Sterna -Gerlacha

8 Spin elektronu SPIN jest to wielkość w 100% kwantowa. Ma on reputację wielkości, której nie można zrozumieć. Analogia do klasycznego momentu pędu obrotu wokół własnej osi jest wysoce niedoskonała. Np. cząstka nie może stracić lub zyskać spinu, może jedynie zmienić jego kierunek. Jest to jedna z podstawowych cech cząstek (podobnie jak masa i ładunek). FERMIONY mają spin połówkowy (2n+1)½ (elektron, neutron, proton itd.) BOZONY mają spin całkowity (foton, pion itd.)

9 Spin elektronu Spin elektronu jest skwantowany i jego wartość wynosi: S 1 1 = s(s + 1) h = 1 + h 2 2 Gdzie s=½ jest spinową liczbą kwantową. Również rzut spinu na oś z (np. kierunek pola magnetycznego) jest skwantowany: S z = m s h Gdzie m s przyjmuje 2s+1 wartości, co znaczy że może wynosić +½ i -½.

10 Spiny mogą być różnie uporządkowane

11 Prąd elektryczny i prąd spinowy Elektryczny Jest prąd ładunku, ale spiny są nieuporządkowa ne Nie ma przepływu ładunku, ale jest strumień spinowy

12 Spinowy efekt Halla Assumption: we take the existence of the effect in ferromagnetic metals as experimental proof that electrons carrying a spin and associated magnetic moment experience a transverse force when they are moving in a longitudinal electric field, for any of the reasons listed above or others. D yakonov and Perel, 1971, Hirsch, 1999, Hu et al 2003 Murakami et al, 2003, Sinova et al, 2004, Shen, 2004

13 Jak można wpływać na kierunek spinu elektronu: pole magnetyczne; rozpraszanie na domieszkach magnetycznych; optycznie;

14 Pole magnetyczne W polu magnetycznym spin wykonuje precesję wokół kierunku pola z częstością Larmora; ω L B S ω L =gb N ds dt N = S B = γ S B = S ω L

15 Rozpraszanie na domieszkach magnetycznych e - W niektórych metalach z domieszkami magnetycznymi

16 Optycznie Magnetyzm generowany optycznie Koshihara PRL (1997) InMnAs ħω GaSb B (mt)

17 Magnetoopór Z magnetooporem mamy do czynienia, gdy opór zależy od pola magnetycznego. Współczynnik magnetooporu (H) zdefiniowany jest następująco: ρ ( 2 ) ( B ) = ρ(0)1+ HB Gdzie B indukcja pola magnetycznego, ρ(b) opór właściwy w polu magnetycznym, ρ(0) opór właściwy bez pola.

18 Magnetoopór Zależność oporu od pola magnetycznego pojawia się w zwykłych metalach i półprzewodnikach w silnych polach magnetycznych. Te materiały nie nadają się do stosowania w spintronice (chyba, że w innych, pomocniczych celach).

19 Anizotropowy magnetoopór W metalach ferromagnetycznych (szczególnie metalach przejściowych) opór zależy od kierunku prądu względem kierunku namagnesowania anizotropowy magnetoopór. Największy efekt w Ni 1-x Co x zx około 0.2 (6%) i permalloyuni 80 Fe 20 (4%).

20 Anizotropowy magnetoopór Anizotropowy magnetoopór wynika z obecności elektronów 3d. Namagnesowanie wpływa na orbitale 3d (sprzężenie spin - orbita). Orbitale zmieniają orientację w polu magnetycznym. http: / / ~phys533/notes / week14_lectures.pdf

21 Anizotropowy magnetoopór Elektrony są silniej rozpraszane gdy poruszają się równolegle do pola magnetycznego.

22 Efekt Kondo e - Już niewielka ilość domieszek magnetycznych w stopach ze zwykłymi metalami powoduje pojawienie się magnetooporu. Metal z domieszkami magnetycznymi

23 Magnetoopór: domieszki magnetyczne Znane są również półprzewodniki ferromagnetyczne (z domieszkami magnetycznymi). Sądzi się, że są to najważniejsze dla spintroniki materiały, gdyż łączą one zalety półprzewodników i ferromagnetyków.

24 Zagadnienia technologiczne spintroniki Nowe materiały magnetyczne; Sposoby wstrzykiwania spinu tak, aby polaryzacja nie zanikała zbyt szybko; Istniejące i przyszłe urządzenia spintroniczne.

25 Materiały: metale ferromagnetczne. Raczej nie są to nowe materiały magnetyczne, ale w spintronice są stosowane, gdyż: 1 Oddziaływanie wymiany powoduje, że koncentracja elektronów o spinie i spinie może być różna. 2. Mają anizotropowy magnetoopór.

26 Materiały: półprzewodniki magnetyczne

27 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity)

28 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity) Perowskity manganowe: A 1-x B x MnO 3, gdzie A to La, Nd lub Pr, natomiast B = Ca, Ba lub Sr. Materiały te, w pobliżu temperatury Curie wykazują tzw kolosalny magnetoopór (CMR) Top:Magnetization against temperature for La 0.75 Ca 0.25 MnO 3 for various field values Middle: resisitivity against temperature Bottom: magnetoresistance against temperature

29 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity) Przewodzenie odbywa się w nich poprzez hopping między jonami Mn 3+ imn 4+, Momenty magnetyczne muszą być równoległe aby to było możliwe tzn. potrzebny jest stan ferromagnetyczny Top:Magnetization against temperature for La 0.75 Ca 0.25 MnO 3 for various field values Middle: resisitivity against temperature Bottom: magnetoresistance against temperature

30 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity) W T c zachodzi przemiana izolator-metal Pole magnetyczne zwiększa uporządkowanie ferromagnetyczne opór maleje Top:Magnetization against temperature for La 0.75 Ca 0.25 MnO 3 for various field values Middle: resisitivity against temperature Bottom: magnetoresistance against temperature

31 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity)

32 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (EuX) We wczesnych latach 1960 badano związki typu: EuX, gdzie X = O, S, Se, Te, w których jon magnetyczny Eu 2+ zajmował położenia w każdym węźle sieci. inne materiały: GdS,EuSei spinele CdCr 2 Se 4.

33 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (EuX) Półprzewodniki magnetyczne typu EuX, chociaż ciekawe, mają małe szanse na zastosowanie ich w spintronice, ponieważ: Temperatura Curie około wynosi 80K, trudna synteza; Struktura krystaliczna jest inna niż Si i GaAs; Małe nadzieje na poprawę własności.

34 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Lata 1980: Diluted Magnetic Semiconductors Są to półprzewodniki, w których atomy III grupy w związkach typu III-V są częściowo zastąpione przez jony magnetyczne, np.- Mn, Co. Mogą to być również półprzewodniki typu II-VI

35 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) ferromagnetyzm za pośrednictwem dziur

36 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Uporządkowanie spinów pomiędzy jonami Mn następuje za pośrednictwem swobodnych dziur

37 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Problem polega na tym, że bardzo trudna jest synteza takich półprzewodników i jeszcze trudniej jest je domieszkować, tak aby otrzymać półprzewodniki magnetyczne typu n i p i aby można je było zastosować w elektronice.

38 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Mn jest akceptorem CB Mn 3d VB GaSb GaAs GaP GaN

39 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Inny problem utrudniający stosowanie półprzewodników magnetycznych DMS to bardzo niskie temperatury Curie.

40 Temperatura Curie Różne półprzewodniki magnetyczne zawierające 5% Mn GaN GaSb GaAs Temp pokojowa InAs ZnO Dietl et al., Science, (2000)

41 Przykład: (Ga,Mn)As Ga: [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 Mn: [Ar] 3d 5 4s 2 Mn 2+ ma lokalny moment magnetyczny odpowiadający spinowi S = 5/2 [Ohno i Matsukura, SSC 117, 179 (2001); Ohno, JMMM 200, 110 (1999)]

42 Ograniczenie: Tylko półprzewodnik typu p Przykład: (Ga,Mn)As

43 Przykład: (Ga,Mn)As x = Własności magnetyczne: T c ~ 60 K x = T c ~ 110 K [Ohno, JMMM 200, 110(1999)]

44 Materiały: półprzewodniki magnetyczne Z przewidywanych temperatur Curie wynika, że nadzieje budzą GaN oraz ZnO. I rzeczywiście, potwierdzono ostatnio, że GaMnN jest ferromagnetykiem w temperaturze około 300K (obliczona temperatura Curie = 940K).

45 Materiały: półprzewodniki magnetyczne Intensywne prace toczą się nad zastosowaniem krzemu w urządzeniach spintronicznych. Krzemu o właściwościach magnetycznych. Badania prowadzone przez Vincenta LaBella i Martina Bolduc, pokazały, że Si implantowany Mn (koncentracja do 1%) ma właściwości magnetyczne aż do 127 o C

46 Materiały: półprzewodniki magnetyczne Ciekawostka: niezwykle ciekawą grupę materiałów magnetycznych stanowią niedawno odkryte materiały, które nie zawierają pierwiastków magnetycznych, ale wykazują spontaniczne namagnesowanie poniżej 300K. Należą do nich (Ca,La)B 6 oraz polimeryzowany C 60.

47 Wstrzykiwanie i manipulowanie spinem Aby urządzenia spintroniczne były użyteczne, musi istnieć możliwość wstrzykiwania i kontrolowania spinu. Najlepiej znanym źródłem elektronów o spolaryzowanym spinie są metale ferromagnetyczne.

48 Wstrzykiwanie i manipulowanie spinem Wstrzykiwanie spinu z metalu do metalu

49 Wstrzykiwanie i manipulowanie spinem Najprostszą i wydającą się oczywistą metodą jest wstrzykiwanie elektronów z ferromagnetyka (w którym pewien kierunek spinu dominuje) do niemagnetycznego półprzewodnika poprzez kontakt elektryczny. Nic podobnego: efektywność jest rzędu kilku %. Zbyt duże jest niedopasowanie pasm energetycznych, a co za tym idzie energii nośników oraz ich koncentracji.

50 Inny problem: Relaksacja Uporządkowanie spinów (jak i każde inne) zanika w czasie.

51 Wstrzykiwanie i manipulowanie spinem Lepszym rozwiązaniem jest stworzenie złącz ferromagnetycznego metalu i półprzewodnika, takich przez które elektrony tunelują. E F ferromagnetyk

52 Prąd spinowy w złączu Ferromagnetyk-Tlenek- Półprzewodnik W przypadku cienkich warstw tlenku, elektrony w warstwie inwersyjnej są sprzężone z ferromagnetykiem w sposób zależny od spinu.

53 Ferromagnetyzm wywołany światłem W przypadku heterostruktur możemy mieć do czynienia z takim zjawiskiem: AlGaMnSb AlGaMnSb InAs InAs hν Bez światła E g (InAs) < hν < E g (AlGaMnSb) Munekata et al, PRL 78, 4617 (1997) (InMnAs)

54 Urządzenia i potencjalne urządzenia spintroniczne

55 Nagroda Nobla 2007 Peter Grünberg of Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Festkkörperforschung in Germany Albert Fert of Unité Mixte de Physique CNRS/ THALES Université Paris-Sud in France.

56 R/R H = (R 0 -R H )/R H Grünberg et al. (1989) trilayer system Fe/Cr/Fe Fert et al. (1988) Im więcej warstw, tym większa zmiana oporu

57 Gigantyczny magnetoopór w metalach: początki spintroniki. Opór układów wielowarstwowych złożonych z magnetyka przedzielonego warstwą niemagnetyka silnie zależy od pola magnetycznego.

58 Gigantyczny magnetoopór w metalach Źródłem fizycznym GMR jest zależność rozpraszania elektronów od spinu. Elektrony Elektrony Warstwa niemagnetyczna (np. Cu) Elektrony o danej orientacji spinu są silnie rozpraszane w warstwie o pewnym kierunku namagnesowania, a słabo w warstwie o przeciwnym namagnesowaniu.

59 Gigantyczny magnetoopór w metalach Sprzężenie ferromagnetyczne warstw Elektrony o spinie mogą przepływać przez układ Sprzężenie antyferromagnetyczne warstw Elektrony o spinie nie mogą przepływać przez układ [Prinz, Science 282, 1660 (1998)]

60 Gigantyczny magnetoopór w metalach Różnica oporów, dla układów wielowarstwowych może sięgać kilkudziesięciu procent.

61 Gigantyczny magnetoopór w metalach Gdy prąd płynie równolegle do warstw, jest podobnie: układ ma mały opór, gdy warstwy są namagnesowane zgodnie.

62 Gigantyczny magnetoopór w metalach Układ ma duży opór, gdy warstwy są namagnesowane przeciwnie.

63 Gigantyczny magnetoopór w metalach GMR występuje również, w różnych innych geometriach. Warunek, który musi być spełniony: Warstwy niemagnetyczne muszą być wąskie (węższe niż droga swobodna elektronu). Schematic representation of the array of nanowires in an insulating polymer matrix

64 Tunelowy magnetoopór (TMR) Dwie warstwy ferromagnetyczne są oddzielone od siebie cienką warstwą izolatora. Tunelowanie zachodzi zazwyczaj bez zmiany orientacji spinu. Większość elektronów na poziomie Fermiego (te głównie tunelują) ferromagnetyka ma jeden kierunek spinu, zatem prąd tunelowy jest spolaryzowany pod tym względem. E F ferromagnetyk

65 Tunelowy magnetoopór (TMR) Opór złącza tunelowego też zależy od tego, czy ferromagnetyczne warstwy są namagnesowane zgodnie, czy przeciwnie (mechanizm fizyczny jest podobny do mechanizmu odpowiedzialnego za GMR). Metale przejściowe: TMR 65% w T=4.2K, 40% w temperaturze pokojowej

66 Tunelowy magnetoopór (TMR) W złączu z MgO jako barierą magnetoopór wynosił 230%

67 TMR: przykłady Gigantic effect with halfmetallic ferromagnets La 2/3 Sr 1/3 MnO 3 /SrTiO % Recent successes at room temperature Parkin et al, Nature Materials 3, 862 (Dec 2004) 120% to 220% at room temperature CoFe/MgO/CoFe (001) Yuasa et al., Nature Materials 3, 868 (Dec 2004) 180% at room temperature Fe/MgO/Fe M.Bowen et al., Appl. Phys. Lett. 82, 233 (2003) Djayaprawira et al, Appl. Phys. Lett., Feb.(2005) 230% at room temperature CoFeB/MgO/CoFeB (001)

68 Mamy zatem dużą zmianę oporu w zależności od orientacji namagnesowania warstw. Jeśli będziemy umieli sterować namagnesowaniem, to będziemy mieć urządzenie spintroniczne: tzw zawór spinowy (spin valve)

69 Można to robić tak: Schematic cross-section of a simple exchange-biased spinvalve layered structure Zewnętrzne pole magnetyczne zmienia kierunek F magnetically very soft namagnesowania tylko jednej warstwy, druga, ma namagnesowanie stałe (albo jakoś zakotwiczone poprzez podłoże, albo duża koercja) pole zewnętrzne zmienia względną orientację namagnesowania warstw. Schematic curves of the magnetic moment (a) and resistance (b of a simple exchange-biased spinvalve layered structure

70 Zastosowania GMR Pomiar pola magnetycznego w sterownikach dysków, magnetometrach, kompasach Detekcja położenia Sensor mierzy zmianę pola magnetycznego związaną z przemieszczeniem czegoś, co wytwarza znane pole. Np. magnes na wale silnika spalinowego (obecnie stosuje się sondy hallowskie). Comparison of performance of magnetic-field sensors based on GMR and AMR effects

71 Twarde dyski Od głowic indukcyjnych, do zaawansowanych głowic GMR.

72 Twarde dyski: historia pierwszy twardy dysk o nowoczesnej konstrukcji: model IBM 3340 "Winchester o pojemności 60 MB; 1983: pierwsza 3.5" dyskietka; 1990: pierwsze magnetorezystywne głowice;

73 1. Głowice indukcyjne (1986 ~ 94) Lubricant ~ 20 Å Carbon overcoat ~ 275 Å Magnetic layer~500 Å CoX, CoCrY NiP~500 Å Al substrate

74 2. Głowice magnetorezystywne (MR : 1991 ~ 2000) Bazują na anizotropowym magnetooporze Wprowadzone przez IBM w R/R=2~5%,c daje 1~5Gb/sq.inch R=R 0 + Rcos 2 θ

75 2. Głowice magnetorezystywne (MR : 1991 ~ 2000) Typowy materiał: stopy Ni- Fe

76 3. Głowice z gigantycznym magnetooporem (od 1997) R/R=10~50%, co daje 10Gb/sq.inch

77 Głowica: zapis podłużny S. Khizroev and D. Litvinov, J.A.P Vol 95,Num 9, May 2004

78 Głowica: zapis poprzeczny S. Khizroev and D. Litvinov, J.A.P Vol 95,Num 9, May 2004 The first one use perpendicular is Toshiba s mini hard drive MK8007GAH, which will be used in IPod, 80GB 1.8in

79 Wymagania materiałowe Lubricant ~ 20 Å Carbon overcoat ~ 70 Å Top magnetic layer ~ 100 Å Spacer layer ~ 0-20 Å Bottom magnetic layer ~ 100 Å Intermediate layer ~ 50 Å Under layer ~ 100 Å Seed layer ~ 100 Å Substrate Jako magnetyk stosuje się np. CoCrPtTa, CoCrPtB Magnetyk o małym ziarnie krystalicznym Przekrój przez materiał głowicy

80 Porównanie

81 Druga strona medalu: materiał dysku

82 Wielkość bitu

83 Materiały twardego dysku Przerwa między powierzchnią dysku a głowicą wynosi około 15 nm. Gładkość powierzchni: kilka nanometrów. Tradycyjnie podłożem jest Al-Mg z warstwą Ni-P. Obecnie używa się również szkła. Na podłoże nanosi się Cr lub stop Cr-V aby zapewnić odpowiednią orientację krystalograficzną warstwy magnetycznej. Warstwa magnetyczna: stop Co o grubości10~30nm.

84 Materiały twardego dysku Topography AFM picture RMS is about 8-12Å MFM image, dark and white Represents the bit information

85 Gdzie jest granica możliwości? Każdy bit zawiera setki ziaren krystalicznych. Zapis magnetyczny polega na uśrednieniu namagnesowania wszystkich ziaren. Gdy bity maleją, ziarna też muszą. W końcu stają się super paramagnetyczne.

86 Superparamagnetyzm Superparamagnetyzm polega na tym, że magnetyczna informacja zawarta w ziarnie ulega, z pomocą energii termicznej, spontanicznemu przełączaniu. Niech: M s ----namagnesowanie nasycenia; V --- objetość ziarna; K u V---magnetyczna anizotropia ziarna; Aby zachować informację dłużej niż10 lat, K u V>40~50kT. Oznacza to, że gdy V maleje, K u musi rosnąć.

87 Superparamagnetyzm Sposoby walki z superparamagnetyzmem: Magnetyczna anizotropia może być zwiększona poprzez wytwarzanie materiałów o małym rozrzucie wielkości ziarna. Zapis prostopadły pozwala na użycie większego pola zapisu. Zapis wspomagany termicznie (lokalne ogrzewanie materiału dysku za pomocą lasera) obniża pole koercji.

88 Co dalej? Np. zapis informacji w jedno-domenowej cząstce magnetycznej. Sieć punktów odległych o 50 nm-daje 250 Gb /sq.inch http: / /eltweb.mit.edu /3.063/lecturenotes /Lec pdf

89 Co dalej? Balistyczny magnetoopór może mieć R/R ponad 300%. Edward Price, CMRR& UCSD Physics.

90 MRAM MRAM wykorzystuje złącza tunelowe TMR do zapisu informacji, przy czym 0 odpowiada najczęściej równoległemu namagnesowaniu, a 1 antyrównoległemu.