Spintronika teraz i tu

Transkrypt

1 Spintronika teraz i tu Tomasz Dietl Instytut Fizyki PAN Instytut Fizyki Teoretycznej UW współpraca: Maciej Sawicki et al.; Jacek Majewski et al. Warszawa Alberta Bonanni et al. Linz Hideo Ohno et al. Sendai Dieter Weiss et al. Regensburg Shinji Kuroda et al. Tsukuba Joel Cibert et al. Grenoble Bryan Gallagher et al. Nottingham Laurens Molenkamp et al. Wuerzburg projekty: FunDMS ERC Advanced Grant sieć KE: SemiSpinNet Maria Curie action Fundacja Humboldta

2 Jan Gaj ( )

3

4 Postępy Fizyki 45, 125 (1994)

5 Marian Smoluchowski ( )

6 Przemiana metal-izolator Andersona-Motta Przemiana metal-izolator Andersona-Motta P(r,t) r 0, t 0 modyfikacja równania dyfuzji Smoluchowskiego przez kwantowe interferencje: -- fal rozproszonych -- amplitud oddziaływania między elektronami

7 Spintronika ładunek Elektronika = manipulowanie ładukami i prądami Spintronika = manipulowanie namagnesowaniem i prądami spinowymi manipulowanie pojedynczymi spinami (informatyka kwantowa)

8 Spintronika teraz i tu kto panuje nad materiałami, panuje nad technologią Tadahiro Sekimoto, prezes Nippon Electric Corporation 1. Tlenki: HfO 2 MgO 2. Półprzewodniki półmagnetyczne jednorodne nanokompozyty spintronika

9 Technologie informacyjno-komunikacyjne Technologie informacyjno-komunikacyjne informacja dostępna w każdym miejscu i o każdym czasie informacja w pełni zdigitalizowana szafy twardych dysków

10 Rewolucja informatyczna rewolucje polityczne Rewolucja informatyczna rewolucje polityczne 1987 r r. PC/AT 8 MHz; 16 MB RAM; 20 MB HDD 50 milionów PCtów w USA 50 MHz, <1 m, 10 6 tranzystorów Tu... rosnące opóźnienie technologiczne...

11 Rewolucja informatyczna rewolucje polityczne Rewolucja informatyczna rewolucje polityczne 2011 r. centrum danych Facebooka w Oregonie

12 Rewolucja informatyczna Rewolucja informatyczna synergia nowych aplikacji z wykładniczym wzrostem efektywności przetwarzania przesyłania wytwarzania przechowywania informacji prawo Moora (Intel)

13 Nanostrukturyzacja

14 Liczba tranzystorów w kości ,2 mld

15 Nanostrukturyzacja zmniejsza: -- cenę -- wagę cena jednego tranzystora mniejsza od ceny druku jednej litery w książce

16 Nanostrukturyzacja zmniejsza: -- cenę -- wagę zwiększa: -- pojemność prędkość fizyka: = (CR) 1/2 rozwój dzięki postępowi w litografii foto- electro- głeboki uv

17 Wkład litografii/nowych materiałów do wydajności Litografia r Inowacje materiałowe r Inowacje materiałowe

18 Wkład nowych materiałów do wydajności Litografia r Inowacje materiałowe r. 2000

19 Nowe materiały w technologii krzemowej izolator bramkowy stressor kontakty połączenia Prawo Moore a dzięki nowym materiałom SiO 2 i Si powinny (i są) zastępowane

20 Tranzystor MOSFET ok. 50% mocy ciepło Joula prądu tunelowego przez bramkę

21 Zużycie mocy fizyka: tunelowanie kwantowe

22 HfO 2

23 SiO 2 HfO 2 ok. 50% mocy ciepło Joula prądu tunelowego przez bramkę stała dielektryczna = 3.9 fizyka stała dielektryczna > 10 taka sama pojemność 10 4 mniejszy prąd tunelowania

24 Rzeczywista prędkość potrzebna zmiana architektury i zasad działania

25

26 Spintronika przechowywanie informacji

27 Gigantyczny magnetoopór (GMR) Gigantyczny magnetoopór (GMR) ΔR/R (%) Fe/Cr/Fe 12nm/1nm/12nm 0.5 Fe Cr Fe Magnetic field (G) G. Binasch, P.Grünberg et al. PRB 89 Nobel 2007 r. Odkrycie 1988/89 r. A. Fert P. Gruenberg

28 Struktury GMR do odczytu dysków twardych Struktury GMR do odczytu dysków twardych GMR read sensor przełączanie namagnesowania polem magnetycznym (R - R )/ R = 20%

29 MgO

30 Teoria ab initio (LSDA) prądu tunelowego A A Fe MgO Fe W. H. Butler et al. (Oak Ridge) PRB 2001 Spin-dependent tunneling conductance of Fe MgO Fe sandwiches J. Mathon and A. Umerski (London) PRB 2001 Theory of tunneling magnetoresistance of an epitaxial Fe/MgO/Fe(001) junction (R R )/ R 1200% >> 2P Fe2 /(1 P Fe2 ) fizyka: masa nośników ze spinem mniejszościowym b. duża w MgO

31 Wyniki doświadczalne

32 Magnetoopór tunelowy FeCoB MgO FeCoB TMR czujnik pola magnetycznego (jak GMR) - komórka pamięci -przełącznik (R 7R )

33 Przełączanie namagnesowania prądem fizyka: ds/dt wytwarza moment siły, który obraca namagnesowanie J. Slonczewski, JMMM 96, L. Berger, PRB 96

34 Universalna pamięć STT MRAM skalowalna trwała (> 10 lat) niezawodna szybka (ns) odporna na promieniowanie

35 Oczekiwania związane ze spintroniką

36 Logika z rozproszoną pamięcią ferromagnetyk MTJ CoFeB Ru CoFeB MgO CoFeB półprzewodnik CMOS 4 MTJs + 32 MOSs sumator: zużycie mocy 4x mniejsze S. Matsunaga et al. (Tohoku) APEX 08

37 Półprzewodniki ferromagnetyczne materiały wielofunkcyjne

38 Półprzewodniki półmagnetyczne standardowe półprzewodniki, np. GaAs, z domieszkami magnetycznymi np. Mn

39 Domieszkowanie na typ p ferromagnetyzm T. Story et al. [Warsawa] PRL 86, H. Ohno et al. [IBM, Tohoku] PRL 02, APL 06, TD, Y. Merle d Aubine [Grenoble, Warsaw] PRB 97, PRL 97 dziury w paśmie walencyjnym przenoszą sprzężenie ferro w półprzewodnikach półmagnetycznych żródło dziur w różnych półprzewodnikach z Mn: (II,Mn)VI: akceptory, np., N (III,Mn)V : Mn (Ga,Mn)As modelowy ferromagnetyk T C do ~ 190 K manipulowanie namagnesowaniem: domieszkowanie, naprężenia, światło, pole elektryczne,...

40 Kontrolowanie uporządkowania magnetycznego polem elektrycznym (ferro-fet) (In,Mn)As H. Ohno et al. [Tohoku, Warsaw] Nature 00 I

41 Kontrolowanie kierunku namagnesowania przełączanie namagnesowania napięciem małą mocą D. Chiba et al. [Tohoku, Warsaw] Nature 09

42 Oś łatwa [-110] 6 m [ 10-6 emu/cm 2 ] 4 2 m [-110] 0 < H << 1 Oe 0 V [-110] m [110] Temperature [ K ] M. Sawicki et al. (Tohoku, Warsaw) Nature Phys. 10

43 Spinowa przemiana reorientacyjna 6 m [ 10-6 emu/cm 2 ] 4 2 m [110] m [-110] m [110] m [-110] 0 < H << 1 Oe 12 V 6 V 0 V T C 40 Temperature [ K ] M. Sawicki et al. [Tohoku, Warsaw] Nature Phys. 10

44 Anizotropia płaszczyznowa teoria H u /M (SI units) T = 0.5 T C [110] easy [110] easy Ga 0.95 Mn 0.05 As T << T C xy = 0.05% Hole concentration (10 20 cm -3 ) fizyka: depopulacja podpasm pasma walencyjnego o róznym kierunku L L wpływa na s (spin orbita) J. Zemen et al. [Prague], PRB'09 W. Stefanowicz,... [Warsaw, Regensburg] PRB 10 M. Sawicki,... [Warsaw, Nottingham], PRB'05

45 Transfer do metalicznych ferromagnetyków

46 Anizotropia magnetyczna w Au/Co/Ag obszar do manipulacji d (nm) A. Kisielewski et al. [Białystok, Warsaw] PRL. 02

47 Efekt polowy w Fe w 300 K T. Maruyama et al. [Osaka, Tohoku] Nature Nanotechn. 09

48 Zastąpienie litografii przez samoorganizaję top-down bottom up nanokompozyty o kontrolowanej budowie z dokładnością atomową

49 Samorosnące kropki kwantowe w stopach półprzewodnikowych InAswGaAs PbSe w (Pb,Eu)Te (Ga,Cr)N Springholz et al. (Linz) Science 98 chemiczna separacja faz kontrolowana przez naprężenia

50 Energia agregacji kationów magnetycznych w GaN fizyka: dodatkowy wkład do energii wiązań chemicznych od orbitali d N. Gozalez Szwacki et al. [Warsaw] PRB 11 GGA+U K. Sato et al., RMP 10

51 Do synchrotronu ESRF Elettra MaxLab

52 (Ga,Fe)N - XPEEN 100 nm agregacja Fe I. Kowalik et al. [Warsaw, Linz, Trieste]

53 Dyfrakcja rentgenowska (Ga,Fe)N krystalograficzna separacja faz SXRD A. Bonanni et al., [Linz, Warsaw], PRL 08 nanokompozyt ε-fe 3 N T C = 575 K

54 Spontaniczne namagnesowanie (Ga,Fe)N, x < 1% 0.8 (Ga,Fe)N M S ( emu/cm 3 ) M ( emu/cm 3 ) T = 005K T = 100K T = 200K T = 320K T = 380K H ( koe ) Temperature ( K ) T C T C 545 K A. Bonanni,...,[Linz, Warsaw] PRB 07, PRL 08 A. Navaro-Quezada,...,,...,[Linz, Warsaw] PRB 2010

55 Kontrolowanie agregacji przez ko-domieszkowanie orbitale d w przerwie energetycznej (Ga,Fe)N Fe 3+ E F (Ga,Fe)N:Mg Fe 4+ E F zmiana wartościowości wpływ na agregację T. D. Nature Mat. 06 S. Kuroda et al. [Tsukuba, Warsaw] Nature Mat. 07 (Zn,Cr)Te:N,I

56 Kontrolowanie agregacji przez ko-domieszkowanie orbitale d w przerwie energetycznej (Ga,Fe)N Fe 3+ E F (Ga,Fe)N:Mg Fe 4+ E F zmiana wartościowości wpływ na agregację T. D. Nature Mat. 06 (Ga,Fe)N:Mg Mg A. Navaro-Quezada et al. [Linz, Warsaw] arxiv 11

57 Wpływ ko-domieszkowania Mg typu Mg A. Navaro-Quezada et al. [Linz, Warsaw] arxiv 11

58 Kontrolowanie agreacji przez ko-domieszkowanie GGA+U A. Navaro-Quezada et al., [Linz, Warsaw] arxiv 11

59 Separacja faz w półprzewodnikach półmagnetycznych (Ga,Mn)N Martínez-Criado,et al. (Grenoble) APL 05 (Ga,Fe)N (Ge,Mn) Bonanni (Linz/Warsaw) PRB 07 (Al,Cr)N (Ge,Fe) AHE enhanced Jamet et al. (Grenoble) Nature Mat. 06 (Ga,Cr)N Nanomagnesy Shuto et al. (Tokyo) APL 07 Guo et al. (Arizona) JMMM 06 w postaci kropek lub kolumn

60 Sepracja faz z symulacji Monte Carlo agregacja kationów magnetycznych wzrost kolumnowy K. Sato et al. (Osaka) JJAP 05,pps 07

61 Metallic nanocolumns in semiconductors possible electronic devices: array of SETs T. Fukushima et al. [Osaka] phys.stat.sol.(c) 06 to be demonstrated...

62 Self-organised nanomagnets in semiconductors media for: race track memory? logic gates? Dery et al. (UCSD) Nature 07 Parkin et al. (IBM) SPINTECH 05 magnetooptical devices? metallization?.?

63 Podsumowanie

64 Uwagi podsumowujące Uwagi podsumowujące elektronika czy spintronika? w spintronikę inwestują: NEC, Toshiba,... Samsung,... Crocus (Grenoble) + Rusnano (300 mln. $ maj 2011 r.)....

65 Podsumowanie r. postęp dzięki litografii ?? postęp dzięki nowym materiałom i litografii?? litografia uporządkowane nanokompozyty??

66 Koniec