🗊Презентация Спиновая электроника (спинтроника)

Лекция 5 Наноэлектроника

Спинтроника В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых структурах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Cпинтроника – устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics). Термин спинтроника (spintronics) появился впервые в 1998 г. в совместном проекте лабораторий Белла и Йельского университета, в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами.

В Агентстве перспективных исследований министерства обороны США спинтронику определяют как спин-транспортную электронику. В Агентстве перспективных исследований министерства обороны США спинтронику определяют как спин-транспортную электронику. Согласно другим определениям спинтроника – это наука, для которой принципиальное значение имеет взаимо-согласованное поведение заряда и спина электрона; «это электроника на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и спин зависимые эффекты»; «это наука об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях»; «это новая ветвь микроэлектроники, где спин и заряд электрона представляют собой активный элемент для хранения и передачи информации, интегральных и функциональных микросхем, многофункциональных магнитооптоэлектронных устройств».

Основные направления развития спинтроники Основные направления развития спинтроники Спинтроника развивается по следующим основным направлениям: 1) изготовление магнитных наноструктур, получение новых материалов, тонких пленок и гетероструктур, а также многофункциональных материалов; 2) магнетизм и спиновый контроль мaгнитных наноструктур, теории описания ферромагнитного обмена в разбавленных магнитных полупроводниках, туннельных эффектов и спиновой инжекции, транспорта и детектирования магнетизма; 3) магнитоэлектроника и приборы на основе эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС), туннельные устройства, полупроводниковые гетероструктуры для инжекции спинов, их транспорт и детектирование, импульсный ферромагнетизм; 4) магнитооптические свойства магнитных полупроводниковых гетероструктур на постоянном токе и с временным разрешением, оптическая спиновая инжекция и детектирование, оптически индуцированный ферромагнетизм, сверхбыстрые магнито-оптические переключатели; передача квантовой информации; 5) распознавание образов; получение изображений и метрология, включая магнитное распознавание образов; 6) приборостроение и прикладные исследования.

Решение Нобелевского комитета вызвало немало вопросов: с точки зрения фундаментальной науки это открытие не являлось высоко значимым. По мнению ряда ученых, оно стоит в ряду многих аналогичных научных достижений. Однако с точки зрения практического использования это открытие оказалось очень перспективным, особенно в компьютерной технике. Решение Нобелевского комитета вызвало немало вопросов: с точки зрения фундаментальной науки это открытие не являлось высоко значимым. По мнению ряда ученых, оно стоит в ряду многих аналогичных научных достижений. Однако с точки зрения практического использования это открытие оказалось очень перспективным, особенно в компьютерной технике. В конце 80-х годов (1988 г.) Грюнберг и Фер обнаружили следующий эффект: ультратонкий "пирог" из разных металлов с чередующимися слоями из магнитного железа и немагнитного хрома с толщиной в несколько нанометров в приложенном магнитном поле демонстрировал многократное падение сопротивление кристалла. Снятие поля приводило к резкому увеличению сопротивления. Объяснение - под действием поля магнитные моменты атомов в слоях железа выстраиваются параллельно, а когда его нет – антипарал-лельно. Это и вызывает столь резкое изменение сопротивления.

Первые свидетельства того, что электрическое сопротивление зависит от магнитного состояния вещества были получены еще в 1856 году лордом Кельвином, но относительные изменения сопротивления незначительны (в железе составляет 0.03%). Первые свидетельства того, что электрическое сопротивление зависит от магнитного состояния вещества были получены еще в 1856 году лордом Кельвином, но относительные изменения сопротивления незначительны (в железе составляет 0.03%). Гигантское магнитосопротивление (10% и более) было получено в многослойных материалах – ферромагнитных пластинах, разделенных слоем немагнитного вещества. Сопротивление изменяется при изменении взаимного направления намагниченностей в магнитных слоях. Мера магнитосопротивления выражается в процентах и определяется как отношение: где GMR – гигантское магнитосопротивление (giant magnetoresistance), R↓↑ – сопротивление при противонаправленном расположении намагниченности в слоях, R↑↑ – сопротивление при сонаправленном расположении намагниченности в слоях.

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) ГМС наблюдается в: многослойных структурах, содержащих нанослои из ферромагнитных материалов и их сплавов Fe, Ni, Co, чередующихся с нанослоями из благородных металлов Cu, Ag, Au; многослойных спин-вентильных (два тонких магнитных слоя, разделенных тонким (25-30 A) слоем Cu) и спин-туннельных структурах (два тонких ферромагнитных металлических слоя, разделенных тонким диэлектрическим слоем); магнитных сендвичах – спин-вентильные структуры без пиннингового слоя; гранулированных пленках, изготовленных из несмешивающихся магнитных и немагнитных полупроводников; Кроме величины магнитосопротивления материалы характеризуются еще двумя параметрами, важными для практического использования: полем насыщения (магнитное поле, при котором магнитосопротивление достигает максимального значения) и чувствительностью (изменение сопротивления в полях, меньших поля насыщения).

Типичные значения основных параметров материалов с большими значениями магнитосопротивления

Рассмотрим более подробно материалы, в которых наблюдаются гигантские магниторезистивные эффекты. Рассмотрим более подробно материалы, в которых наблюдаются гигантские магниторезистивные эффекты. Спин-вентили Очередным шагом на пути совершенствования структур с ГМС стали спиновые вентили (СВ). Они также состоят из двух магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, но магнитный момент одного из слоев закреплен антиферромагнитным слоем (АФМ) с фиксированным направлением магнитного момента. В то же время намагниченность второго слоя может свободно изменяться под действием внешнего магнитного поля.

Спиновые вентили (клапаны) Структура спинового вентиля

Спиновые вентили (клапаны) Структура спинового вентиля

Спиновые вентили (усложненные системы)

Спиновые вентили с межслоевой обменной связью Межслоевая обменная связь с осциллирующим характером и периодом 8 A была выявлена в мультислоях Co/Cu c ГМС на пиках

Наиболее важные с практической точки зрения результаты были достигнуты при исследовании спинового транспорта в металлических мультислойных структурах. Аналогичный спин-зависимый эффект, что и гигантское магнитосопротивление, наблюдается в структурах с магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) типа ферромагнетик - диэлектрик - ферромагнетик. Такие структуры могут приводить к большому туннельному магнитосопротивлению, ТМС (Tunnel Magnetoresistance, TMR). Наиболее важные с практической точки зрения результаты были достигнуты при исследовании спинового транспорта в металлических мультислойных структурах. Аналогичный спин-зависимый эффект, что и гигантское магнитосопротивление, наблюдается в структурах с магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) типа ферромагнетик - диэлектрик - ферромагнетик. Такие структуры могут приводить к большому туннельному магнитосопротивлению, ТМС (Tunnel Magnetoresistance, TMR). Наноразмерные магнитные структуры с эффектами ГМС и ТМС нашли широчайшее применение в сенсорах магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и энергонезависимой магниторезистивной памяти (Magnetic Random Access Memory, MRAM).

Магнитный туннельный переход К следующему поколению спинтроники относят структуры, принцип действия которых основан на явлении магнитного туннельного перехода. Магнитный туннельный переход происходит в структуре, состоящей из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором (обычно это оксид алюминия Al2O3). Причем толщина изолятора так мала (менее 2 нм), что электрон может просачиваться через него - этот процесс называется туннелированием.

Классический потенциальный барьер Классический потенциальный барьер Преодоление шариком горки Потенциальная энергии частицы на «вершине горки» U = mgh Если Eкин > U – частица перекатится (преодолеет барьер). Если Eкин < U – частица вкатится только на часть «склона горки» и покатится назад( отразится от барьера). Квантовый потенциальный барьер Электроны имеют энергию, недостаточную для его преодоления барьера. Несмотря на это, в случае если размер барьера составляет несколько атомных слоев, часть потока электронов способна проникнуть за барьер. Данный эффект получил название туннелирования – прохождение электрона как бы сквозь туннель в барьере.

Магнитный туннельный переход В ферромагнитном материале энергия электронов со "спин-вверх" и "спин-вниз" различная, поэтому и вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала, то есть электросопротивление большое. Возникает эффект ГМС. Максимальная величина магниторезистивного эффекта, наблюдаемого в таких структурах при комнатной температуре, составляет около 220%.

Спин-туннельные структуры

MRAM и архитектура cross-point

MRAM-память Сегодня разработку MRAM-памяти ведут несколько фирм: Motorola, IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, а также совместно NEC и Toshiba. Большинство из них остановились на MRAM-памяти с магнитным туннельным переходом. MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, например, время выборки данных у MRAM-памяти может составлять 10 нс, что в пять раз меньше, чем у flash-памяти, а время записи - 2 нс (на три порядка меньше, чем у flash-памяти). При этом энергопотребление магниторезистивной памяти вдвое меньше, чем у flash- и DRAM –памяти (Dynamic random-access memory).

Эффекты спиновой поляризации В настоящее время различают три различных типа спиновой поляризации: Поляризация тока Поляризация спиновой плотности Поляризация проводимости Явление спиновой аккумуляции возникает когда величина токовой поляризации отличается от поляризации проводимости

Псевдоспиновые вентили Создание данных спин-поляризующих систем основано на использовании ферромагнитных пленок из материалов с различными значениями коэрцитивной силы – поля Hc (мягкие и жесткие ФМ)

Устройства на основе ГМС материалов

Магнитные полупроводники Одна из основных задач спинтроники — это интеграция магнитных систем в полупроводниковую микро- электронику. Легкое управление спинами электронов в полупроводниках уже сегодня позволяет создавать два новых класса гибридных материалов: магнитные полупроводники (гибридная структура ферромагнетик/полупроводник) и спин электронные нанотранзисторы Магнитные свойства магнитных атомов обусловлены d -орбиталями, в то же время полупроводники образуются из атомов с внешними s - или p - орбиталями. Вследствие этого помещение магнитных атомов в кристаллическую решетку полупроводника резко ухудшает их магнитные характеристики. В результате намагниченность магнитного полупроводника можно ощущать только с помощью сверхчувствительных магнетометров. Примеры (In,Mn)As; (Ga,Mn)As, - но, к сожалению, все при низких температурах. А магнитные свойства GaN с примесью Mn, проявляющего едва заметную намагниченность при комнатной температуре, возможно, являются экспериментальным артефактом- следа на поверхности от стального пинцета.

Спиновой полевой транзистор На рисунке приведена схема полевого транзистора на спинтронном эффекте. Ферромагнетики 1 и 3 являются истоком и стоком транзистора и они всегда намагничены одинаково и постоянно. Ферромагнетик 2 является проводящим каналом. Путем подачи на него поля B2 с разным направлением можно варьировать проводимость канала и добиваться разного значения тока.

Недостатки Основной недостаток приборов спинтроники — использование разных источников переменного магнитного поля и создание активных областей, соответствующих различным ферромагнетиком, с быстрым реагированием на переключение магнитного поля. В результате очень непросто создать области с малыми размерами, а в случае получения таких ферромагнитных областей — очень не просто изолировать их от влияния не своих полей. Например, подавая B1 на ферромагнетик 1 мы частично влияем и на ферромагнетик 2, зачастую не позволяя переключиться ему в нужное состояние. Чтобы избежать таких паразитных переключений нужно создавать очень сложные изолирующие конструкции, что заметно увеличивает размеры элементов и самих приборных структур.