Spintronika i jej zastosowania pomiarowe w konstrukcji czujników

Sławomir TUMAŃSKI Politechnika Warszawska, Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Systemów Informacyjno-Pomiarowych Spintronika i jej zastosowania pomiarowe w konstrukcji czujników Streszczenie. W artykule omówiono czujniki magnetorezystancyjne i na ich przykładzie przedstawiono nową dziedzinę techniki spintronikę. Odkrycie zjawisko gigantycznego magnetooporu zostało uhonorowane w zeszłym roku nagroda Nobla w artykule przedstawiono osiągnięcia nagrodzonych zespołów oraz samo zjawisko. Porównano czujniki GMR z czujnikami AMR i innymi elementami wykorzystującymi zależność przewodnictwa od pola magnetycznego. Abstract. In the paper have been described magnetoresistive sensors and on this ex ample the spintronics is discussed. The discovery of giant magnetoresistance was awarded by Nobel price the paper presents achievements of honored teams and the GMR phenomenon as well. The performances of magnetoresistive sensors are discussed and new sensors utilizing spin effect are presented. (Spintronics and magnetic field sensors utilizing spin dependent conductivity). Słowa kluczowe: czujniki pola magnetycznego, spintronika, gigantyczna magneto rezystancja, tunelowe zjawisko magnetoreystancyjne. Keywords: magnetic field sensors, spintronics, giant magnetoresistance, tunnel junction magnetoresistance. Wstęp Minęło właśnie dwadzieścia lat od ukazania się pierwszego artykułu na temat gigantycznego magnetooporu [1]. Nikt chyba wtedy nie przewidywał jak wielkie techniczne i naukowe (a także komercyjne) znaczenie miało to odkrycie. Dziś każdy je możne dostrzec w postaci coraz mniejszych gabarytowo, ale coraz większych pod względem pojemności twardych dysków. Zjawisko GMR bowiem zostało szybko wykorzystane do produkcji nowej generacji głowic odczytowych. Znaczenie tego odkrycia docenił Komitet Noblowski honorując w zeszłym roku Alberta Ferta [2] i Petera Grünberga [3] nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie zjawiska GMR. Na zainteresowaniu badaniem gigantycznego magnetooporu skorzystała także technika pomiarowa bo przyśpieszyło to konstrukcję nowej generacji czujników pola magnetycznego, głównie zaworu spinowego SV(spin valve) oraz czujników tunelowych TMJ (tunnel magnetic junction) [4]. Zjawisko magnetooporu jest konsekwencją właściwości spinowych elektronu. Odkrycie zjawiska gigantycznego magnetooporu dało początek nowej dziedzinie wiedzy spintronice [5,6]. Właśnie spintronika może być (choć trudno przewidzieć czy musi) początkiem nowej generacji komputerów, tzw. komputerów spinowych (nazywanych też niekiedy kwantowymi). Dotychczas bowiem elektronika opierała się na zależności napięcia od ładunku elektronu jako nośniku prądu. Tymczasem zmiana napięcia może być też konsekwencją zmiany spinu. Przypomnijmy, że spin wynika z ruchu obrotowego elektronu (wokół własnej osi i po orbicie). Orientacja spinu (równoległa lub antyrównoległa względem pola magnetycznego) może reprezentować bit 0 lub 1. Stąd już krok to tzw. qubitu czyli bitu kwantowego. A więc pojedynczy elektron może być elementem logicznym wyobraźmy sobie jak wielkie pamięci można z takich elementów konstruować. Ale jest też inny równie ważny aspekt techniki spinowej. Zmianę stanu kwantowego można wywołać bez fizycznego ruchu ładunków przepływu prądu. Odpada więc dość istotne ograniczenie współczesnej nanoelektroniki wydzielanie się ciepła. Przy obecnym stanie techniki udało się skonstruować tzw. hybrydowe elementy spintroniki czyli elementy w których zmiany przepływu prądu wywołane są obecnością spinu (np. oddziaływania spin-orbita). Są to więc elementy typu MRAM (magnetic random access memory), SPINFET (spin field effect transistor) czy SBJTs (spin bipolar junction transistor). Prawdziwym przewrotem w technice będzie jednak opracowanie monolitycznych elementów spintroniki, czyli elementów zmieniających swój stan bez pośrednictwa ruchu ładunków. Za co przyznano Nagrodę Nobla? Nagrodę przyznano za, w pewnym sensie niezależne od siebie, zjawiska. Zespół Grünberga, zajmujący się badaniami cienkich warstw odkrył, że jeśli dwie warstwy zbliżyć na odległość atomową (część nm) to na skutek sprzężenia między tymi warstwami namagnesują się one antyrównolegle (rys.1) [3,7,8]. Zmniejszenie odległości między warstwami do grubości pojedynczego atomu było możliwe dzięki postępowi technologii cienkowarstwowej i było realizowane w ten sposób, że między dwie warstwy ferromagnetyczne nanoszono cienką przekładkę (spacer) z materiału przewodzącego. Rys.1. Zależność zmiany rezystancji od grubości przekładki miedzy dwoma warstwami ferromagnetycznymi Ponadto badania wykazały [9], że sprzężenie między warstwami ma charakter oscylacyjny w funkcji grubości przekładki (rys.1). Ten rodzaj sprzężenia nasunął analogię do podobnych zjawisk kwantowych na gruncie fizyki kwantowej sformułowano teorię zjawiska GMR. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że jednym z głównych twórców kwantowej teorii GMR był polski fizyk Barnaś, współpracujący z grupą Grünberga [10,11]. Grupa francuska pod kierownictwem Alberta Ferta od wielu lat specjalizowała się w badaniu przewodności elektrycznej materiałów magnetycznych. Badając struktury typu sandwich stwierdzili, że przejściu od stanu antyferromagnetycznego do stanu ferromagnetycznego towarzyszy znaczna zmiana rezystancji (rys. 2). W swym pierwszym artykule na ten temat [1] nazwali to zjawisko gigantycznym magnetooporem GMR, co było dobrym chwytem marketingowym i nazwa ta się przyjęła. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009 93

R/R(H=0) (Fe3nm/Cr1.8nm) 30 helu 4 K i przy bardzo dużych polach magnetycznych (ponad 100 ka/m). Ponadto strukturę wytworzono przy wykorzystaniu drogiej technologii MBE (molecular beam epitaxy). 0.7 0.5 (Fe3nm/Cr1.2nm) 35 (Fe3nm/Cr0.9nm) 40-200 -100 100 200 H [ka/m] Rys.2. Charakterystyka przetwarzania czujnika GMR [1] Jako anegdotę warto wspomnieć, że zespół prawdopodobnie nie docenił rewolucyjnego charakteru tej publikacji ponieważ autorzy zostali uszeregowani alfabetycznie. W ten sposób mało znany doktorant Baibich został jednym z najczęściej cytowanych autorów w historii zjawisk w cienkich warstwach. Rys. 3. Model czujnika GMR rozpraszanie elektronów przy namagnesowaniu zgodnym (a) i antyferromagnetycznym (b) Oczywiście istnieje bogata literatura teoretyczna wyjaśniająca zjawisko GMR, ale popularnie do wyjaśnienia istoty GMR wykorzystuje się model heurystyczny zaproponowany przez White [12] (rys.3). W stanie początkowym (gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest równe zeru) warstwy namagnesowane są antyferromagnetycznie na skutek sprzężenia miedzy nimi. Przy wzroście pola magnetycznego następuje przezwyciężenia sprzężenia między warstwami i przejście do stanu namagnesowania o tym samym kierunku. Temu przejściu towarzyszy znacząca zmiana rezystancji. Rozpraszanie elektronów na interfejsach między warstwami zależy od relacji ich spinu i namagnesowania warstwy. Jeśli przyjąć, że elektrony o spinie dodatnim nie ulegają rozproszeniu przy przejściu do warstwy namagnesowanej też dodatnio (w tym samym kierunku) to przy jednakowym namagnesowaniu warstw (rys. 3a) elektrony o niekorzystnym spinie ulegają rozproszeniu na każdej granicy, podczas gdy druga połowa elektronów (elektrony o spinie zgodnym) przemieszczają się prawie bez rozpraszania. Jeśli teraz warstwy namagnesowane są antyrównolegle to oba rodzaje elektronów trafiają na niekorzystny kierunek namagnesowania, a więc wszystkie elektrony są jednakowo rozpraszane. Oznacza to, że w stanie dla H x = 0 rezystancja jest znacznie większa niż dla H x > 0, kiedy to warstwy zostaną namagnesowane w tym samym kierunku. Kogo pominięto w nagrodzie Nobla? Zjawisko gigantycznego magnetooporu opisane po raz pierwszy w publikacji [1] było interesujące z poznawczego punktu widzenia, ale miało małe znaczenie techniczne. Występowało ono bowiem tylko w temperaturze ciekłego Rys. 4. Postęp w dziedzinie gęstości zapisu dyskowego Być może więc zjawisko GMR pozostałoby tylko ciekawostką fizyczną gdyby nie zainteresowanie przemysłu komputerowego nowym zjawiskiem. Stosowane wówczas głowice odczytowe wykorzystujące zjawisko AMR (anisotropic magnetoresistance) [4] osiągnęło swój kres technologiczny (w okolicach gęstości zapisu 1 Gbit/in 2 ) i dalsze zmniejszanie głowicy nie było możliwe przy relatywnie małej wartości współczynnika magnetorezystywności (rzędu 2%). Pojawienie się zjawiska o współczynniku magnetorezystywności rzędu kilkadziesiąt procent (rekord to 220% [13]) było tym na co czekał cały przemysł produkcji napędów dyskowych (zagrożony dodatkowo rozwojem zapisu optycznego CD to była gęstość 0,6 Gbit/in 2, ale już DVD 3,3 Gbit/in 2 ). Nic więc dziwnego, że firmy komputerowe rozpoczęły intensywne prace nad adaptacją GMR do produkcji głowic odczytowych (rys. 4). Nie do przecenienia są zasługi na tym polu zespołu Parkina z IBM. W krótkim czasie uzyskano elementy GMR pracujące w temperaturze pokojowej i otrzymywane technologią zwykłego (powszechnie stosowanego i taniego) napylania [14-16]. Wprawdzie efekt magneto rezystancyjny nie był tak spektakularnie duży jak w bardzo niskich temperaturach, ale uzyskane kilkadziesiąt procent zmian rezystancji oznaczało możliwość znaczącego zmniejszania wymiarów głowicy w ciągu kilku lat po zastosowaniu głowic GMR gęstość zapisu wzrosła z 1 Gbit/in 2 do ponad 100 Gbit/in 2 (aktualnie osiągane są gęstości ponad 1 Tbit/in 2 ). Drugim wielkim nieobecnym przy przyznawaniu nagrody Nobla był Bernard Dieny także związany z IBM. Opisane w pracy [1] struktury GMR mają dziś bowiem tylko historyczne znaczenie w praktyce nie są stosowane. Aby przemagnesować silnie sprzężone warstwy ferromagnetyczne wymagane jest bardzo duże pole magnetyczne, rzędu setek ka/m. Można oczywiście sprzężenie osłabić oddalając od siebie warstwy, ale konsekwencją tego będzie też znaczące osłabienie efektu magnetorezystancyjnego (rys.1). Rozwiązaniem tego problemu była nowa struktura zaproponowana przez Dieny i nazwana zawór spinowy (SV spin valve) [17]. Dziś w głowicach odczytowych stosowana jest niemal wyłącznie konstrukcja SV [18]. W zaworze spinowym namagnesowanie antyrównoległe warstw wywoływane jest w sposób sztuczny. Warstwy różnią się koercją jedna z nich jest warstwą swobodną, druga (fixed umocowana) ma podwyższoną koercję. 94 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009

Przyjmijmy że przy braku pola magnetycznego początkowo warstwy namagnesowane są w tym samym kierunku. Jeśli teraz zaczniemy zwiększać pole magnetyczne to pierwsza przemagnesuje się warstwa swobodna, czego konsekwencją będzie przemagnesowanie do stanu antyrównoległego. Początkowo zawory spinowe składały się z dwóch warstw o różnej koercji, technologicznie prostsze okazało się jednak usztywnienie jednej z warstw przez naniesienie na nią warstwy materiału antyferromagnetycznego. Tego typu zawór spinowy jest dziś powszechnie stosowany jako warstwi) antyferromagnetyczna stosuje się warstwę FeMn albo NiO. Magnetorezystory AMR kontra magnetorezystory GMR Zjawisko GMR nieco przyćmiło znaczenie czujników AMR, chociaż wywodzi się ono z prostej ewolucji czujników AMR. Głowice odczytowe AMR ostatniej generacji składały się z wzajemnie sprzężonych dwóch warstw [4]. Postęp w technologii umożliwił zmniejszanie grubości przekładki do poziomu grubości atomowych i tym samym umożliwił wykrycie gigantycznego magnetooporu. Tak na przykład czujniki GMR typu TMJ (tunnel magnetic junction) zostały teoretycznie przewidziane przez Slonczewskiego [19] przed odkryciem GMR, ale w tamtych latach nie umiano wytworzyć cienkiej przekładki izolatora. Zjawisko AMR odkrył w roku 1857 Thomson (lord Kelvin] [20]. I to właśnie chyba to odkrycie dało (nieświadomie) początek spintronice (spin spinning about its own axis odkryto w latach dwudziestych ubiegłego wieku). Spin dependent mechanizm zjawiska AMR przedstawił w latach pięćdziesiątych Smit [21]. Rysunek 6 przedstawia wyjaśnienie tego zjawiska. Struktura pasmowa materiału ferromagnetycznego jest rozszczepiona na dwa różne podpasma reprezentujące różna orientację spinu względem zewnętrznego pola magnetycznego. Obok elektronów pasma 4s, o małej masie efektywnej (bliskiej masie elektronu swobodnego) w przewodnictwie elektrycznym biorą też udział elektrony pasma 4d o znacznej masie efektywnej (w żelazie m d 30 m s ). Ponieważ pasmo 3d jest rozszczepione na dwa podpasma, przesunięte względem siebie, inne jest prawdopodobieństwo rozpraszania elektronów 4s+ do stanu 3d+, a inne elektronów 4s- do stanu 3d-. Można wykazać, ze prawdopodobieństwo rozpraszania s-d jest większe w przypadku elektronów poruszających się wzdłuż kierunku namagnesowania. R/R [%] Rys.5. Różne struktury typu spin-valve i ich charakterystyki Dzięki innemu mechanizmowi wywołania stanu antyferromagnetycznego można zwiększyć odstęp między warstwami co pozwala na radykalne zwiększenie czułości elementu. Do przemagnesowania struktury typu zawór spinowy wystarcza pole magnetyczne poniżej 1 ka/m. Niestety współczynnik magnetorezystywności zaworu spinowego rzadko przekracza 20%, ale to jest i tak blisko dziesięć razy więcej niż wykazują struktury AMR. Rys. 6. Struktura pasmowa materiału ferromagnetycznego dla dwóch kierunków spinu W historii czujników AMR dwa wydarzenia miały bardzo istotne znaczenie. Jedno z nich to patent Hunta [22] który zaproponował wykorzystanie czujnika magnetorezystancyjnego w charakterze głowicy odczytowej. Drugie to opatentowanie przez naukowców firmy Philips struktury typu Barber-pole pozwalającej na konstrukcje czujników liniowych i odpornych na rozmagnesowanie [23]. Obecnie właśnie struktura Barber-pole jest powszechnie stosowana w konstrukcji czujników (np. produkcji firm Philips i Honeywell). Rys. 7. Struktura czujnika AMR na przykładzie czujnika KMZ firmy Philips Na rysunku 7 przedstawiono typowa strukturę czujnika AMR typu Barber-pole. Czujnik w układzie mostkowym tworzą cztery magnetorezystory o ścieżce w kształcie meandra. Z punktu widzenia właściwości magnetycznych korzystnie jest jeśli ścieżki ferromagnetyczne skierowane są wzdłuż osi anizotropii materiału. I tak jest w czujniku z rys. 7. Z kolei aby czujnik był liniowy prąd ścieżce powinien przepływać pod katem ± 45 względem osi anizotropii. Taki kompromis możliwy jest właśnie w strukturze Barber-pole, gdzie dodatkowo naniesione elektrody (ze złota lub aluminium) wymuszają przepływ prądu w ścieżce pod katem 45. Na rysunku 8 przedstawiono typową charakterystykę przetwarzania czujnika KMZ10B firmy Philips. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009 95

40 30 20 10 U out [mv] 0 0 200 400 600 800 1000 Hx [A/m] 60 40 20 0-20 -40-60 -3 U out [mv] -2-1 0 1 2 3 H x [ka/m] Z porównania charakterystyk przedstawionych na rysunkach 8 i 10 wynika, że oba typy czujników maja zbliżone czułości, przy podobnej aktywnej powierzchni czujnika około 1 mm 2, ale czujnik GMR wyposażono w koncentrator strumienia. W czujnikach AMR można łatwo realizować prace różnicową czujnik +45 jest różnicowy względem czujnika -45. Łącząc taką parę czujników w układzie mostkowym uzyskuje się prostą kompensację wpływu zmian temperatury otoczenia. W czujniku GMR nie ma możliwości realizacji prostej pracy różnicowej i dlatego dla korekcji błędu temperaturowego trzeba tworzyć parę czujników pasywnych/aktywnych przez ekranowanie jednego z nich. Tak więc wprowadzenie czujników GMR jako czujników pola magnetycznego nie przyniosło istotnej rewolucji biorąc pod uwagę takie parametry jak czułość czy zakres pomiarowy. Czujnik AMR wydaje się być prostszy i tańszy. Ma jednak dość istotna wadę jest wrażliwy na składową ortogonalną. Składowa prostopadła powinna być pomijalnie mała w porównaniu ze składowa wzdłuż osi czujnika. Jeśli ta składowa będzie porównywalna lub większa to błąd pomiaru może być dyskwalifikujący czujnik, a w szczególnym przypadku czujnik może ulec rozmagnesowaniu. Wydaje się, że takiej wady nie mają czujniki GMR. Rys. 8. Charakterystyka przetwarzania typowego czujnika magnetorezystancyjnego AMR (KMZ10B) W przypadku czujników GMR magnetorezystor tworzy zazwyczaj ścieżka w kształcie meandra (dla zwiększenia rezystancji). Ścieżka wykonana jest ze struktury typu sandwich, na przykład dwie warstw permaloju przedzielone przekładka miedzianą. Na jednej z warstw permalojowych dodatkowo nanosi się antyferromagnetyk (rys.5.). Na rysunku 9 przedstawiono strukturę typowego czujnika GMR, a na rysunku 10 jego charakterystykę przetwarzania. Rys. 11. Fragment matrycy czujników GMR w wykonaniu firmy Nonvolatile Electronics Duży współczynnik magnetorezystywnosci czujnika GMR (w porównaniu w czujnikiem AMR) stwarza możliwość jego miniaturyzacji. Mikroczujniki (o rozmiarach rzędu pojedynczych μm) mogą stwarzać nowe możliwości analizy rozkładu pola magnetycznego do tego celu szczególnie przydatne mogłyby być matryce czujników. Przykład takiej matrycy przedstawiono na rys. 11 [24]. Linijka składa się ze 128 czujników każdy o wymiarach 1,5 μm 6 μm. Rys. 9. Przykład struktury czujnika GMR czujnik firmy Nonvolatile Electronics 0,3 0,2 0,1 0-6 output voltage [V] -4-2 0 2 4 6 applied field [ka/m] Rys. 10. Charakterystyka przetwarzania typowego czujnika GMR Nowe czujniki i elementy Rozwój elementów spintroniki stymulowany jest przede wszystkim rozwojem elementów informatyki, przede wszystkim pamięci i głowic odczytowych. Jasne jest, że rezerwy w upakowaniu danych na dysku powyżej 1 Tb/in 2 są już niewielkie. Generalnie przyszłość widzi się w pamięciach stałych bez elementów ruchomych, jak to jest w przypadku dysków magnetycznych czy optycznych. Elementy spintroniki dzięki ograniczeniu poboru prądu mogą też być pomocne przy rozwiązaniu problemu w ograniczeniu możliwości zmniejszania szerokości ścieżek. Jednym z takich elementów wciąż przyszłościowych jest złącze tunelowe TMJ (tunel magnetic junction). W złączu tym przekładka jest zamiast materiału przewodzącego izolatorem (rys. 12). Początkowo dominowały problemy technologiczne jak wykonać warstwę izolatora o grubości atomowej bez wad (tzw. pin holi). Najpopularniejszą obecnie technologią jest nanoszenie warstwy aluminium a następnie utlenianie jej. Wciąż nie udaje się uzyskać tego typu przekładek o znacznej powierzchni bez wad ale to akurat w przypadku 96 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009

elementów mikroelektroniki nie musi być dużym mankamentem. W ostatnim czasie pojawiły się dwa nowe elementy mogące mieć duże znaczenie w rozwoju układów pamięciowych memrystor i głowica typu race track (tor wyścigowy). ΔR/R [%] 16 12 8 4 0-1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 H [ka/m] Rys. 12. Przykład struktury czujnika TMJ i jego charakterystyki przetwarzania O ile do zastosowań pamięciowych (MRAM magnetic random access memory) czujnik TMJ wydaje się najlepszy z czujników GMR to przy zastosowaniach pomiarowych pojawiło się wiele problemów. Efekt występuje przy relatywnie małych napięciach, chcąc więc osiągnąć duży sygnał wyjściowy trzeba łączyć czujniki szeregowo. Ponadto sygnał wyjściowy nie jest wolny od szumów. Trudniejsza w realizacji technologia wytwarzania czujników tunelowych (nazywanych dość często TMR tunneling magnetoresistance) nie była rekompensowana dostatecznie atrakcyjnymi parametrami. Przełomem było zastąpienie bariery AlO przez barierę MgO. Okazało się, że przez zmianę rodzaju izolatora, ale też i zmianę technologii można uzyskać znaczącą poprawę parametrów czujnika, przede wszystkim współczynnika magnetooporu (rys. 13) [25,26]. Rys. 14. Zasada działania pamięci typu race track [29, 30] Na rysunku 14 przedstawiono zasadę działania pamięci typu race track. Ponieważ obecnie nie udaje się już zwiększyć gęstości zapisu powierzchniowego race track jest pamięcią trójwymiarową. Nad głowicą odczytująco zapisującą umieszczona jest pętla nanodrutu. W takim drucie można zapisać około 100 domen, przy czym kierunek domeny oznacza bit 0 lub 1. Ruch domen wzdłuż drutu można wywoływać podłączając do niego prad. W ten sposób przewiduje się możliwość zwiększenia gęstości zapisu blisko stukrotnie. Ideę memrystora przedstawił Chua już w roku 1971 [31]. Jeśli trzy podstawowe elementy rezystor, pojemność i indukcyjność opisują zależności: du dq dψ R=, C =, L= di du di to widać, że uwzględniając symetrię brakuje czwartego elementu dψ M( q) = dq czyli zależności strumienia magnetycznego od ładunku elektrycznego (rys. 15). Rys.13. Postęp w technologii czujników tunelowych (wg. [26]) Uzyskanie bardzo dużej zmiany rezystancji w złączach tunelowych z barierą MgO stwarza możliwość konstrukcji czujników pola magnetycznego o bardzo małych wymiarach. Tego typu czujniki umożliwiające detekcję pól o poziomie pt mogą być wykorzystane jako biosensory do analizy DNA [27,28]. Rys. 15. Cztery podstawowe elementy elektryczne Dotychczas było możliwe numeryczne modelowanie memrystora. Ostatnio firma Hewlett Packard poinformowała, że udało jej się opracować element zachowujący się jak teoretyczny memrystor [32]. Memrystor składa się z dwóch warstw tlenku tytanu podłączonych do PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009 97

ścieżek przewodzących. Gdy do jednej z warstw dołączy się napięcie zostanie to zarejestrowane w drugiej warstwie jako zmiana rezystancji. Po odłączeniu zasilania memrystor pamięta zapisane zmiany. Przewiduje się, że taka struktura może być w przyszłości wykorzystana jako wydajny element pamięciowy. Rys. 16. Struktura memrystora (zaczerpnięte z [32]). Na rysunku 16 przedstawiono przykład struktury memrystora składającej się z 17 drutów o grubości 50 nm każdy. Każdy taki drut może być nieulotnym elementem pamięciowym. Podsumowanie Odkrycie zjawiska magnetooporu zapoczątkowało rozwój nowej dziedziny wiedzy spin troniki, czyli sterowania sygnałem za pośrednictwem spinu. Nic więc dziwnego, że jedane z laureatów nagrody Nobla, Fert swój wykład noblowski zatytułował: Origin, development and future of spiontronics [34]. Głowice odczytowe wykorzystujące zjawisko AMR, później GMR, później SV odegrały swoja rolę w rewolucyjnym wzroście możliwości zapisu dyskowego. Jednak z konkurencji między magnetycznym i optycznym zapisem informacji zwycięzcą będzie ten trzeci, czyli zapis w pamięciach stałych (bez elementów ruchomych). Tu dużą rolę mogą odegrać pamięci typu MRAM wykorzystujące złącze tunelowe. Czujniki TMR wykorzystujące złącze tunelowe mają unikalne właściwości możliwość miniaturyzacji do poziomu nm przy czułościach rzędu Pt. LITERATURA [1] Baibich R.L. i inni.: Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlatices. Phys.Rev.Lett., 61 (1988), 2472-2475 [2] Fert A.: Layered magnetic structures:interlayer exchange coupling and giant magnetoresistance,. J.Magn.Magn.Mat., 140-144 (1995), 1-8 [3] Grünberg P.: Interlayer exchange, magnetotransport and magnetic domains in Fe/Cr layered structures. J.Magn.Magn.Mat. 104-107 (1992), 1734-1738 [4] Tumanski S., Thin film magnetoresistive sensors, IOP Publ., (2001) [5] Bandyopadhyay S., Cahay M., Introduction to spintronics, CRC Press, 2008 [6] Wolf S.A. i inni Spintronics a retrospective and perspective, IBM J. Res.Dev., 50 (2006), 101-110 [7] Grünberg P., Layered magnetic structures: evidence for antiferromagnetic coupling in Fe layers across Cr interlayer, Phys.Rev.Lett. 57 (1986), 2442-2445 [8] Binasch G., Grünberg P., Saurenbach F., Zinn W., Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange, Phys. Rev. B., 39 (1989), 4828-4830 [9] Parkin S.S.O., Oscillations in exchange coupling and magnetoresistance in metallic superlattice structures, Phy.Rev.Lett., 64 (1990), 2304-2307 [10] Barnaś J., Novel magnetoresistance effect in layered magnetic structures: theory and experiment, Phys. Rev. B. 42 (1990), 8110-8120 [11] Camley R.E., Barnas J,. Theory of giant magnetoresistance effect in magnetic layered structures with antiferromagnetic coupling, Phy.Rev.Lett., 63 (1989)m 664-667 [12] White R.L., Giant magnetoresistance: a primer, IEEE Tr. Magn., 28 (1992), 2482-2486 [13] Schad R., Giant magnetoresistance in Fe/Cr superlattices with very thin Fe layer, Appl.Phys.Lett., 64 (1994), 3500-3502 [14] Parkin S.S.P., Giant magnetoresistance in antiferromagnetic Co/Cu multilayers, Appl.Phys.Lett., 58 (1991), 2710-2712 [15] Parkin S.S.P., Dramatic enhancement of interlayer exchange coupling and giant magnetoresistance in Ni81F19/Cu multilayers, Appl.Phys.Lett., 61 (1992), 1358-1360 [16] Parkin S.S.P., The magic of magnetic multilayers, IBM J.Res.Dev., 42 (1998), 3-6 [17] Dieny B., Spin-valve effect in soft ferromagnetic sandwiches, J.Magn.Magn.Mat., 93 (1991), 101-104 [18] Mallinson J.C., Magnetoresistive and spin valve heads, 2002, Academic Press [19] Slonczewski J.C., Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier, Phys.Rev. B. 39 (1989), 6995-7002 [20] Thomson W., On the electrodynamic qualities of metals effect of magnetization on the electric conductivity of nickel and iron, Proc.Roy.Sco. 8 (1857), 546-550 [21] Smit J., Magnetoresistance of ferromagnetic metals and alloys at low temperature, Physica, 17 (1951), 612-627 [22] Hunt R.P., Magnetoresistive head, US Patent, 3 493 694 ((1970) [23] Kuijk K.E., i inni The Barber pole, a linear magnetoresistive heads, IEEE Trans. Magn., 11 (1975), 1215-1217 [24] Smith C.H., Schneider R.W., Pohm A.V., High-resolution GMR on-chip arrays for magnetic imaging, J.Appl.Phys., 93 (2003),6864 [25] Stobiecki T. Magnetic tunnel junctions and their applications, Proc. SPIE, 2006, 63480S [26] Zhu Jiang-Gang, Park Ch. Magnetic tunnel junctions, Materials Today, 9 (2006), 36-45 [27] Shen W. ii inni Quantitative detection of DNA labeled with magnetic nanoparticles using arrays of MgO based magnetic tunnel junction sensors, Appl.Phys.Lett., 93 (2008), 033903 [29] Parkin S.S., Shiftable magnetic shift register and method od using the same, US Patent, 6 834 005 (2004) [30] Parkin S.S. i inni, Magnetic domain-wall racetrack memory, Science, 320 (2008), 190-194 [31] Chua L. O., Memristor the missing circuit element, IEEE Tr. Circuits Theory, 18 (1971), 507-519 [32] Strukov D.P. Williams R.S., i inni The missing memristor found, Nature, 453 (2008), 80-83 [33] Yang J.J. i inni Memeristive switching mechanism for metal/oxide/metal nanodevices, Nature Nanotechnology, 3 (2008), 429-430 [34] Fert A., Origin, development and future of spintronics, Nobel Foundation, Stockholm, przedruk w Angew.Chem.Int. 47 (2008), 5956-5967 Autor: prof. dr hab. Sławomir Tumański, Politechnika Warszawska IETiSIP, Koszykowa 75, 00-661 Warszawa, tusla@iem.pw.edu.pl. 98 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009