Spintronika i jej zastosowania pomiarowe w konstrukcji czujników

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
helu 4 K i przy bardzo dużych polach magnetycznych
(ponad 100 kA/m). Ponadto strukturę wytworzono przy
wykorzystaniu drogiej technologii MBE (molecular beam
epitaxy).
R/R(H=0)
(Fe3nm/Cr1.8nm) 30
(Fe3nm/Cr1.2nm) 35
0.7
(Fe3nm/Cr0.9nm) 40
0.5
-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 Hx = 0
rezystancja jest znacznie większa niż dla Hx > 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
94
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/in2) 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/in2, ale już DVD 3,3 Gbit/in2). 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
2
głowic GMR gęstość zapisu wzrosła z 1 Gbit/in do ponad
2
100 Gbit/in (aktualnie osiągane są gęstości ponad 1
Tbit/in2).
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.
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009
R/R [%]
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.
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.
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 md ≅ 30 ms).
Ponieważ pasmo 3d jest rozszczepione na dwa podpasma,
przesunięte względem siebie, inne jest prawdo-
podobieństwo 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.
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
Uout [mV]
30
20
10
0
60
0
400
600
Hx [A/m]
800
1000
Uout [mV]
40
20
0
-20
-40
-60
200
-3
-2
-1
0
1
Hx [kA/m]
2
Rys. 8. Charakterystyka przetwarzania
magnetorezystancyjnego AMR (KMZ10B)
3
typowego
Z porównania charakterystyk przedstawionych na
rysunkach 8 i 10 wynika, że oba typy czujników maja
zbliżone czułości, przy podobnej aktywnej powierzchni
2
czujnika około 1 mm , 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.
czujnika
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
output voltage [V]
0,3
0,2
0,1
0
-6
-4
-2
0
2
applied field [kA/m]
4
6
Rys. 10. Charakterystyka przetwarzania typowego czujnika GMR
96
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/in2
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
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009
elementów mikroelektroniki
mankamentem.
16
nie
musi
być
dużym
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 [%]
12
8
Rys. 14. Zasada działania pamięci typu „race track” [29, 30]
4
0
-1,5
-1
-0,5
0
H [kA/m]
0,5
1
1,5
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].
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:
R=
du
dq
dψ
, C=
, L=
di
du
di
to widać, że uwzględniając symetrię brakuje czwartego
elementu
M (q) =
dψ
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]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
98
Baibich R.L. i inni.: Giant magnetoresistance of
(001)Fe/(001)Cr magnetic superlatices. Phys.Rev.Lett., 61
(1988), 2472-2475
Fert A.: Layered magnetic structures:interlayer exchange
coupling and giant magnetoresistance,. J.Magn.Magn.Mat.,
140-144 (1995), 1-8
Grünberg P.: Interlayer exchange, magnetotransport and
magnetic
domains
in
Fe/Cr
layered
structures.
J.Magn.Magn.Mat. 104-107 (1992), 1734-1738
Tumanski S., Thin film magnetoresistive sensors, IOP Publ.,
(2001)
Bandyopadhyay S., Cahay M., Introduction to spintronics,
CRC Press, 2008
Wolf S.A. i inni – Spintronics – a retrospective and
perspective, IBM J. Res.Dev., 50 (2006), 101-110
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,
[email protected].
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 2/2009