Przyszłość i prawie teraźniejszość ZWYKŁA ELEKTRONIKA

Transkrypt

1 SPINTRONIKA Przyszłość i prawie teraźniejszość ZWYKŁA ELEKTRONIKA Wykorzystuje ładunek elektronu jako cechę użyteczną pozwalającą tworzyć rozmaite układy elektroniczne. Przykładów istnieje mnóstwo. Powszechnie sądzi się, że możliwości dalszego rozwoju elektroniki bazującej na krzemie i innych półprzewodnikach kończą się. 1

2 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? 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). 2

3 Spintronika nie zamierza wyeliminować zwykłej elektroniki Procesor Dysk Elektronika bazuje na ładunku Działanie pamięci bazuje na orientacji SPINU w Ferromagnetyku Połączenie dwóch światów To cel SPINTRONIKI 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? 3

4 Spin elektronu Z S detektor N atom srebra Doświadczenie Sterna -Gerlacha 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.) 4

5 Spin elektronu Spin elektronu jest skwantowany i jego wartość wynosi: 1 1 S = 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. Jak można wpływać na kierunek spinu elektronu: pole magnetyczne; rozpraszanie na domieszkach magnetycznych; optycznie; 5

6 Pole magnetyczne W polu magnetycznym spin wykonuje precesję wokół kierunku pola z częstością Larmora; ω L = gb ω L B S N ds dt N = S B = γ S B = S ω L Rozpraszanie na domieszkach magnetycznych e - W niektórych metalach z domieszkami magnetycznymi 6

7 Optycznie Magnetyzm generowany optycznie Koshihara PRL (1997) InMnAs GaSb ħω B (mt) Magnetoopór Z magnetooporem mamy do czynienia, gdy opór zależy od pola magnetycznego. Współczynnik magnetooporu (H) zdefiniowany jest następująco: ( 2 ) ρ( B ) = ρ(0)1+ HB Gdzie B indukcja pola magnetycznego, ρ(b) opór właściwy w polu magnetycznym, ρ(0) opór właściwy bez pola. 7

8 Magnetoopór Zależność oporu od pola magnetycznego pojawia się w zwykłych metalach i półprzewodnikach w silnych polach magnetycznych. Te materiały nie nadaja się do stosowania w spintronice (chyba, że w innych, pomocniczych celach). Magnetoopór W metalach ferromagnetycznych (szczególnie metalach przejściowych) opór zalezy od kierunku prądu względem kierunku namagnesowania anizotropowy magnetoopór. Największy efekt w Ni 1-x Co x zx około 0.2 i permalloy Ni 80 Fe 20 8

9 Magnetoopór Już niewielka ilość domieszek magnetycznych w stopach ze zwykłymi metalami powoduje pojawienie się magnetooporu. e - Efekt Kondo Metal z domieszkami magnetycznymi 9

10 Magnetoopór Znane są również półprzewodniki ferromagnetyczne (z domieszkami magnetycznymi). Sądzi się, że są to najważniejsze dla spintroniki materiały, gdyż łączą one zalety półprzewodników i ferromagnetyków. Zagadnienia technologiczne spintroniki Nowe materiały magnetyczne; Sposoby wstrzykiwania spinu tak, aby polaryzacja nie zanikała zbyt szybko; Istniejące i przyszłe urządzenia spintroniczne. 10

11 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. Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity) Europhysics News (2003) Vol. 34 No. 6 11

12 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 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 12

13 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity) W T c zachodzi przemiana izolatormetal 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 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (perowskity) 13

14 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. Materiały: półprzewodniki magnetyczne (EuX) Temperatura Curie około 80K, trudna synteza. Struktura krystaliczna inna niż Si i GaAs, Małe nadzieje na poprawę własności. 14

15 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 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Uporządkowanie spinów pomiędzy jonami Mn następuje za pośrednictwem swobodnych dziur 15

16 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. Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Mn jest akceptorem CB Mn 3d VB GaSb GaAs GaP GaN 16

17 Materiały: półprzewodniki magnetyczne (DMS) Inny problem utrudniający stosowanie półprzewodników magnetycznych DMS to bardzo niskie temperatury Curie. Temperatura Curie Różne półprzewodniki magnetyczne zawierające 5% Mn GaN GaSb GaAs Temp pokojowa InAs ZnO Dietl et al., Science, (2000) 17

18 Temperatura Curie Curie temperature (K) Nottingham [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Mn content [1] Ohno et al, PRB 57, 2037 (1998) [2] Van Esch et al, PRB 56, (1997) [3] Potashnik et al, PRB 66, (2002) [4] Shimizu et al, APL 74, 398 (1999) [5] Sadowski et al, APL 78, 3271 (2001) [6] Hayashi et al, APL 78, 1691 (2001) [7] Baxter et al, PRB 65, (2002) Temperatura Curie maksymalna temperatura Curie: 173 K 18

19 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)] Ograniczenie: Tylko półprzewodnik typu p Przykład: (Ga,Mn)As 19

20 Przykład: (Ga,Mn)As Własności elektryczne silnie zależą od warunków syntezy (metodą epitaksji z wiązki molekularnej) [Ohno, JMMM 200, 110(1999)] Przykład: (Ga,Mn)As x = Własności magnetyczne: T c ~ 60 K x = T c ~ 110 K [Ohno, JMMM 200, 110(1999)] 20

21 Materiały: półprzewodniki magnetyczne Z przewidywanych temperatur Curie wynika, że nadzieje budzą GaN oraz ZnO. I rzeczywiście, potwierdzono ostatnio, że GaMnN jest ferromagnetykiem około 300K (obliczona temperatura Curie = 940K). 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 Physics : January 10, 2005 Newsletter 21

22 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. Inna ciekawostka: magnes molekularny 22

23 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. Wstrzykiwanie i manipulowanie spinem Wstrzykiwanie spinu z metalu do metalu 23

24 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. Inny problem: Relaksacja Uporządkowanie spinów (jak i każde inne) zanika w czasie. 24

25 Wstrzykiwanie i manipulowanie spinem Lepszym rozwiązaniem jest stworzenie złącz ferromagnetycznego metalu i półprzewodnika, takich przez które elektrony tunelują. E F ferromagnetyk 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. 25

26 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) Urządzenia i potencjalne urządzenia spintroniczne 26

27 Gigantyczny magnetoopór w metalach: początki spintroniki. Zjawisko odkryte w 1988 w multiwarstwach Fe/Cr sprzężonych antyferromagnetycznie (MR=79% w T=4.2K i 20% w temperaturze pokojowej) M.Baibich, J.Brote, A.Fert, F.Nguyen Van Dau, F.Petroff, P.Etienne, G.Greuzet, A.Friederich and J.Chazelas, Phys.Rev.Lett 61, 2472 (1988) Gigantyczny magnetoopór w metalach: początki spintroniki. Opór układów wielowarstwowych złożonych z magnetyka przedzielonego warstwą niemagnetyka silnie zależy od pola magnetycznego. 27

28 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. Gigantyczny magnetoopór w metalach Sprzężenie ferromagnetyczne warstw Spiny mogą przepływać przez układ Sprzężenie antyferromagnetyczne warstw Spiny nie mogą przepływać przez układ [Prinz, Science 282, 1660 (1998)] 28

29 Gigantyczny magnetoopór w metalach Gigantyczny magnetoopór w metalach Gdy prąd płynie równolegle do warstw, jest podobnie: układ ma mały opór, gdy warstwy są namagnesowane zgodnie. 29

30 Gigantyczny magnetoopór w metalach Układ ma duży opór, gdy warstwy są namagnesowane przeciwnie. 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 30

31 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 E F względem. ferromagnetyk 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 31

32 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) Można to robić tak: Schematic cross-section of a simple exchange-biased spinvalve layered structure F magnetically very soft Schematic curves of the magnetic moment (a) and resistance (b of a simple exchange-biased spinvalve layered structure Zewnętrzne pole magnetyczne zmienia kierunek namagnesowania tylko jednej warstwy, druga, ma namagnesowanie stałe (albo jakoś zakotwiczone poprzez podłoże, albo duża koercja) pole zewnętrzne zmienia względną orientację namagnesowania warstw. 32

33 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 Głowice odczytujące informację z twardych dysków. Od głowic indukcyjnych, do zaawansowanych głowic GMR. 33

34 1. Głowice indukcyjne (1986 ~ 94) Lubricant ~ 20 Å Carbon overcoat ~ 275 Å Magnetic layer~500 Å CoX, CoCrY NiP~500 Å Al substrate 2. Głowice magnetorezystywne (MR : 1991 ~ 2000) Typowy materiał: stopy Ni- Fe 34

35 3. Głowice o gigantycznym magnetooporze (GMR : od 1997) 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 35

36 Miniaturyzacja MR GMR Inne urządzenia spintroniczne. Tranzystor, dioda świecąca, dioda tunelowa,.. 36

37 Spinowy tranzystor polowy Ferromagnetyzm sterowany napięciem bramki Vg > 0 metal gate insulator Vg = 0 Vg < 0 metal gate metal gate insulator insulator (In,Mn)As (In,Mn)As (In,Mn)As InAs InAs InAs T C T C T C H.Ohno et al Nature 408, 944 (2000) 37

38 Ferromagnetyzm sterowany napięciem bramki Spinowa dioda świecąca Nie tyle interesujące, nowe urządzenie, co dowód na to, że orientacja spinowa wstrzykiwanych dziur nie zanika w zakresie odległości równych rozmiarowi warstwy. [Ohno et al., Nature 402, 790 (1999)] Światło emitowane przy rekombinacji spolaryzowanych dziur jest kołowo spolaryzowane. 38