موضوع مقاله: مغنامقاومت تونلی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # مغنامقاومت تونلی | مقدمه: اگر لایه عایق به اندازه کافی نازک باشد (معمولاً چند نانومتر )، الکترون ها می توانند از یک فرومغناطیس به دیگری تونل بزنند . | ## بخش 1: مغنامقاومت تونلی | از آنجایی که این فرآیند در فیزیک کلاسیک ممنوع است، مقاومت مغناطیسی تونل یک پدیده کاملاً مکانیکی کوانتومی است و در مطالعه اسپینترونیک نهفته است. در مقیاس آزمایشگاهی از اپیتاکسی پرتو مولکولی ، رسوب لیزر پالسی و رسوب فیزیکی بخار پرتو الکترونی نیز استفاده می شود. توصیف پدیدارشناختی جهت دو مغناطش لایه های فرومغناطیسی را می توان به صورت جداگانه توسط یک میدان مغناطیسی خارجی تغییر داد. اگر مغناطش‌ها در جهت موازی باشند، به احتمال زیاد الکترون‌ها از لایه عایق تونل می‌کنند تا اگر در جهت مخالف (ضد موازی) باشند. در نتیجه، چنین اتصالی را می توان بین دو حالت مقاومت الکتریکی سوئیچ کرد، یکی با مقاومت کم و دیگری با مقاومت بسیار بالا. تاریخچه این اثر در ابتدا در سال 1975 توسط میشل ژولیر (دانشگاه رن، فرانسه) در اتصالات Fe / Ge - O / Co -4.2 K کشف شد. در سال 1991 ترونوبو میازاکی ( دانشگاه توهوکو ، ژاپن) تغییری 2.7 درصدی در دمای اتاق پیدا کرد. بعداً، در سال 1994، میازاکی 18٪ را در اتصالات آهن که توسط یک عایق اکسید آلومینیوم آمورف جدا شده بود . بیشترین اثرات مشاهده شده در این زمان با آلومینیوم عایق های اکسید در دمای اتاق حدود 70 درصد بود. در سال 2001 باتلر و ماتون به طور مستقل پیش بینی نظری کردند که با استفاده از آهن به عنوان فرومغناطیس و MgO به عنوان عایق، مقاومت مغناطیسی تونل می تواند به چندین هزار درصد برسد. TMR، یا به طور خاص تر، اتصال تونل مغناطیسی، همچنین اساس MRAM ، نوع جدیدی از حافظه غیر فرار است. فن‌آوری‌های نسل اول برای نوشتن داده‌ها روی هر بیت به ایجاد میدان‌های مغناطیسی متقاطع روی آن تکیه می‌کردند، اگرچه این رویکرد محدودیت مقیاس‌پذیری در حدود 90-130 نانومتردارد. در حال حاضر دو تکنیک نسل دوم در حال توسعه وجود دارد: سوئیچینگ با کمک حرارتی (TAS) و گشتاور انتقال چرخشی . | ## بخش 2: مغنامقاومت تونلی | امروزه آنها معمولاً برای سنسورهای موقعیت و سنسورهای جریان در کاربردهای مختلف خودرو، صنعتی و مصرف کننده استفاده می شوند. این سنسورهای با کارایی بالاتر به دلیل عملکرد بهبود یافته، در بسیاری از کاربردها جایگزین سنسورهای هال می شوند. Dدر انرژی فرمی : الکترون‌های اسپین‌آپ الکترون‌هایی هستند که جهت‌گیری اسپین موازی با میدان مغناطیسی خارجی دارند، در حالی که الکترون‌های اسپین‌آپ دارای هم‌ترازی ضد موازی با میدان خارجی هستند. تغییر مقاومت نسبی اکنون توسط قطبش اسپین دو فرومغناطیس P1 و P2 به دست می‌آید: اگر ولتاژی به محل اتصال اعمال نشود، الکترون ها در هر دو جهت با نرخ های مساوی تونل می کنند. با این فرض که اسپین در حین تونل زنی حفظ می شود، جریان را می توان در یک مدل دو جریانی توصیف کرد. جریان کل به دو جریان جزئی تقسیم می شود، یکی برای الکترون های اسپین بالا و دیگری برای الکترون های اسپین پایین. اول، می توان از فرومغناطیس ها با فشارهای مختلف (با استفاده از مواد مختلف یا ضخامت های مختلف فیلم) استفاده کرد. و دوم، یکی از فرومغناطیس ها را می توان با یک ضد فرومغناطیس جفت کرد ( بایاس تبادلی ). TMR بی نهایت می شود اگر P 1 و P 2 برابر 1 باشند، یعنی اگر هر دو الکترود 100٪ قطبش اسپین داشته باشند. در این حالت اتصال تونل مغناطیسی به یک کلید تبدیل می شود که به صورت مغناطیسی بین مقاومت کم و مقاومت بی نهایت سوئیچ می کند. موادی که برای این مورد در نظر گرفته می شوند، نیمه فلزات فرومغناطیسی نامیده می شوند. این ویژگی از نظر تئوری برای تعدادی از مواد (مانند CrO 2 ، آلیاژهای مختلف Heusler ) پیش‌بینی شده است، اما تأیید تجربی آن موضوع بحث‌های ظریفی بوده است. با این وجود، اگر تنها الکترون هایی را در نظر بگیریم که وارد انتقال می شوند، اندازه گیری های بوون و همکارانش. | ## بخش 3: مغنامقاومت تونلی | هر دو را می توان در اصل با تحریکات و برهمکنش های ماگنون با ماگنون ها و همچنین به دلیل تونل زدن با توجه به حالت های موضعی ناشی از جای خالی اکسیژن درک کرد (بخش فیلتر متقارن را در ادامه ببینید). تقارن فیلتر در موانع تونل قبل از معرفی اکسید منیزیم اپیتاکسیال (MgO)، اکسید آلومینیوم آمورف به عنوان مانع تونل MTJ استفاده می شد و دمای معمولی اتاق TMR در محدوده ده ها درصد بود. این افزایش بزرگ منعکس کننده ترکیبی هم افزایی از الکترود و ساختارهای الکترونیکی مانع است که به نوبه خود نشان دهنده دستیابی به اتصالات منظم ساختاری است. در واقع، MgO انتقال تونلی الکترون‌ها را با تقارن خاصی فیلتر می‌کند که در جریان جریانی که در الکترودهای مکعبی مبتنی بر آهن BCC جریان دارد، کاملاً قطبی شده‌اند. بنابراین، در حالت موازی (P) مغناطیسی الکترود MTJ، الکترون‌های این تقارن بر جریان اتصال غالب هستند. در مقابل، در حالت پاد موازی (AP) MTJ، این کانال مسدود شده است، به طوری که الکترون هایی با تقارن مطلوب بعدی برای انتقال بر جریان اتصال غالب می شوند. از آنجایی که آن الکترون ها با توجه به ارتفاع مانع بزرگتر تونل می کنند، این منجر به TMR قابل توجهی می شود. فراتر از این مقادیر بزرگ TMR در MTJهای مبتنی بر MgO، این تأثیر ساختار الکترونیکی مانع بر اسپینترونیک تونل‌زنی به طور غیرمستقیم با مهندسی چشم‌انداز بالقوه اتصال برای الکترون‌های دارای تقارن معین تأیید شده است. این اولین بار با بررسی چگونگی الکترون های یک الکترود نیمه فلزی لانتانیم استرانسیم منگنیت با اسپین کامل (P=+1 ) و تونل پلاریزاسیون متقارن در یک سد تونل SrTiO 3 با بایاس الکتریکی به دست آمد. آزمایش مفهومی ساده‌تر قرار دادن فاصله‌دهنده فلزی مناسب در فصل مشترک در طول رشد نمونه نیز بعداً نشان داده شد. این تناقض با در نظر گرفتن حالت های موضعی جای خالی اکسیژن در سد تونل MgO برطرف می شود. | ## جمع‌بندی | آزمایش‌های گسترده طیف‌سنجی تونل زنی حالت جامد در سراسر MgO MTJs در سال 2014 نشان داد که احتباس الکترونیکی روی زمین و حالت‌های برانگیخته یک فضای خالی اکسیژن، که وابسته به دما است، ارتفاع مانع تونل را برای الکترون‌های دارای تقارن معین تعیین می‌کند و بنابراین نسبت TMR موثر و وابستگی دمایی آن این ارتفاع سد کم به نوبه خود چگالی جریان بالایی را که برای گشتاور انتقال اسپین مورد نیاز است را ممکن می‌سازد.