Tunnelmagnetotakistus

Tunnelmagnetotakistus (ingl k tunneling magnetoresistance ehk TMR) on magnetotakistuslik efekt, mis esineb magnetilistes tunnelventiilides. Tunnelmagnetotakistus tekib kahe ferromagnetilise kihi vahel, mis on üksteisest eraldatud õhukese isolaatorist kilega (vaata kõrvalolevat joonist). Piisavalt õhukeste (mõned nanomeetrid) isolaatorkilede korral on võimalik elektronide tunnelleerumine ühest ferromagnetilisest kihist teise. Tunnelleeruvale elektronile mõjuva takistuse suurus sõltub oluliselt ferromagnetiliste kihtide magneetumise suundadest. Taoline protsess on klassikalises mehaanikas keelatud ning seega on tunnelmagnetotakistus kvantmehaaniline nähtus. Tunnemagnetotakistuse efekti avastas 1975. aastal Michel Jullière (Rennesi Ülikool) Fe/GeOx/Co kihilisi struktuure temperatuuril 4,2 K uurides. Takistuste suhteline muutus oli ligikaudu 14%, mis ei äratanud sel ajal suurt tähelepanu. Kiirem areng hakkas toimuma aastal 1994, kui isolaatorina hakati uurima amorfset alumiiniumoksiidi. Terunobu Miyazaki grupp sai seda isolaatorit kasutades TMR väärtuseks 18% ning samaaegselt saavutas Jagadeesh Moodera grupp väärtuse 11,8%, kuid mõlemal juhul olid mõõtmised tehtud juba toatemperatuuril. Need märkimisväärsed tulemused näitasid, et on võimalik valmistada toatemperatuuril töötavaid praktilisi seadmeid, mille tööpõhimõte seisneb tunnelmagnetotakistuslikul efektil. Ligi 10 aastat hiljem, 2004. aastal, saavutati amorfsest alumiiniumoksiidist isolaatoritega TMR väärtus 70%, mis on senini jäänud seda materjali kasutades kõige suuremaks TMR väärtuseks. Suuremate TMR väärtuste saavutamiseks võeti seejärel isolaatoriks kasutusele kristalliline magneesiumoksiid, mille puhul arvutati 2001. aastal kahe sõltumatu grupi poolt, et teoreetilised maksimaalsed TMR väärtused on palju suuremad kui alumiiniumoksiidi puhul ning võivad ületada 1000%. Magneesiumoksiidist isolaatoriga saavutati eelnevalt ennustatud ülikõrged TMR väärtused (ligikaudu 200%) kõigest kolm aastat hiljem. Aastal 2008 valmistati magneesiumoksiidist isolaatoriga magnetiline tunnelsiire, mille puhul täheldati TMR väärtust toatemperatuuril 604% ja temperatuuril 5 K 1144%. Tunnelmagnetotakistuse tekke põhjuseks on spinnist sõltuva tunnelleerumise kvantnähtus. Kui kahte ferromagnetilist materjali eraldab üksteisest õhuke barjäär (näiteks mõni isolaatormaterjal), siis teatud tingimustel võib ühest ferromagnetilisest materjalist elektron tunnelleeruda läbi barjääri teise ferromagnetilisse materjali. 1970. aastal avastati, et taolise protsessi puhul sõltub tunnelleeruvate elektronide arv ja seega tunnelvoolu suurus nende osakeste spinnist. Tunnelmagnetotakistuse põhimõtte kirjeldamiseks esitas siiani kasutusel oleva mudeli nähtuse avastaja Jullière. Esimesena tehakse mudelis eeldus, et elektronide spinn ei muutu tunnelleerumise käigus. Sellest võib järeldada, et erineva spinniga elektronide tunnelleerumised on kaks eraldiseisvat protsessi. Järelikult ühest ferromagnetilisest materjalist pärit ühe spinniga elektronid võetakse vastu teise ferromagnetilise materjali sama spinniga täitmata elektronolekutes. Kui mõlemad ferromagnetilised materjalid on magneetunud samasuunaliselt, siis enamuses olevad spinnid tunnelleeruvad enamuses olevatesse täitmata olekutesse ning vähemuses olevad spinnid vähemuses täitmata olekutesse. Kui aga ferromagnetilised materjalid on magneetunud vastassuunaliselt, siis on ühe materjali elektronide ja täitmata olekute spinnide suunad vastupidiseks muudetud. Sellisel juhul tunnelleeruvad enamuses olevad elektronid vähemuses olevatesse täitmata olekutesse ning vähemuses olevad elektronid enamuses täitmata olekutesse. Teiseks eeldatakse, et teatud spinni orientatsiooni juhtivus on proportsionaalne ferromagnetiliste materjalide efektiivsete elektronolekute tiheduste korrutisega. Nende kahe eelduse põhjal on võimalik süsteemi elektrijuhtivust väljendada ferromagnetite sama- ja vastassuunaliste seadistuste korral järgnevalt: G P ∝ ρ 1 ↑ ρ 2 ↑ + ρ 1 ↓ ρ 2 ↓ {\displaystyle G_{P}\propto \rho _{1}^{\uparrow }\rho _{2}^{\uparrow }+\rho _{1}^{\downarrow }\rho _{2}^{\downarrow }} , G A P ∝ ρ 1 ↑ ρ 2 ↓ + ρ 1 ↓ ρ 2 ↑ {\displaystyle G_{AP}\propto \rho _{1}^{\uparrow }\rho _{2}^{\downarrow }+\rho _{1}^{\downarrow }\rho _{2}^{\uparrow }} , kus G P {\displaystyle G_{P}} on süsteemi juhtivus ferromagnetite samasuunalise magneetumuse korral, G A P {\displaystyle G_{AP}} on süsteemi juhtivus vastassuunalise magneetumuse korral, ρ ↑ {\displaystyle \rho ^{\uparrow }} ja ρ ↓ {\displaystyle \rho ^{\downarrow }} on ferromagnetite olekutihedused erineva spinniga elektronide jaoks ning alaindeksid 1 ja 2 väljendavad vastavalt esimest ja teist ferromagnetilist materjali. Nendest kahest seosest järeldub, et sama- ja vastassuunaliselt magneetunud süsteemidel on erinevad juhtivused ning seega ka takistused. Tunnelmagnetotakistuse suurust on analoogiliselt hariliku magnetotakistusega üldiselt kirjeldatud suhtega TMR: T M R = G P − G A P G A P = R A P − R P R P {\displaystyle TMR={\frac {G_{P}-G_{AP}}{G_{AP}}}={\frac {R_{AP}-R_{P}}{R_{P}}}} , kus R A P {\displaystyle R_{AP}} on takistus vastassuunaliselt magneetunud ferromagnetiliste kihtidega olukorras, R P {\displaystyle R_{P}} on takistus samasuunaliselt magneetunud ferromagnetiliste kihtidega olukorras. Tunnelmagnetotakistuse suurust on võimalik väljendada ka ferromagnetite spinnpolarisatsioonide P 1 {\displaystyle P_{1}} ja P 2 {\displaystyle P_{2}} kaudu: T M R = 2 P 1 P 2 1 − P 1 P 2 {\displaystyle TMR={\frac {2P_{1}P_{2}}{1-P_{1}P_{2}}}} . Antud võrrandit tuntakse Jullière võrrandina. Aastal 1989 väitis Slonczewski, et tunnelmagnetotakistuse nähtuse korral ei ole spinnpolarisatsioon ferromagnetite sisemine omadus ning sõltub oluliselt eksperimentide tingimustest. Tunnelmagnetotakistuse nähtust kasutatakse ära magnetilises tunnelventiilis, mis koosneb kahest magnetilisest metallist ja nendevahelisest õhukesest isolaatorist. Magnetilisteks metallideks on tänapäeval ferromagnetilised elektroodid ning isolaatorkihid valmistatakse alumiiniumoksiidist või magneesiumoksiidist. Üldjuhul on alumine ferromagnet (vaata magnetilise tunnelventiili joonist) magneetunud fikseeritud polarisatsiooniga. Ülemise ferromagneti polarisatsiooni on aga võimalik välise magnetvälja abil muuta. Kui taolises süsteemis on ferromagnetilised elektroodid magneetunud samasuunaliselt, siis on elektronide tunnelleerumise tõenäosus ühest elektroodist teise suur ning ka tunnelvool on suur. Vastassuunaliselt magneetunud ferromagnetiliste elektroodide korral aga on elektronide tunnelleerumine takistatud ning tunnelvool väheneb. Seega on magnetilist tunnelventiili võimalik lülitada madala ja kõrge elektritakistusega režiimide vahel. Kommertsiaalselt kasutatakse magnetilisi tunnelventiile kõvaketaste lugemispeades. Magnetilisi tunnelventiile kasutatakse ka magnettakistuslikes muutmäludes, kus nende abil salvestatakse informatsiooni magnetlaengutega. Seetõttu taolistes seadmetes säilib info ka pärast seadme väljalülitamist erinevalt rohkem levinud harilikest muutmäludest. Korduvalt on ennustatud, et TMR maksimaalsed teoreetilised väärtused võivad küündida mitme tuhande protsendini. Küll aga on kõige suurem eksperimentaalselt saavutatud tulemus kõigest 604%. Taolise märkimisväärse erinevuse põhjendamiseks on välja pakutud erinevaid selgitusi, mis üldiselt käsitlevad erinevaid defekte magnetiliste tunnelventiilide struktuuris. Näiteks näidati, kuidas Fe/MgO/Fe(001) tunnelventiili puhul põhjustab Fe ja Mg osakeste omavaheline segunemine piirpindadel kiiret TMR väärtuse langemist. Lisaks eelnevalt mainitud punktdefektidele on ka uuritud levinud isolaatori MgO kristallstruktuuri. Kasutades tipptasemel STEM-meetodit, saadi visualiseerida MgO kristalliitide piirpindu ning saadud infot rakendades leiti, kuidas isolaatorisisesed piirpinnad vähendavad magnetiliste tunnelventiilide jõudlust. Magnetism Magnetotakistus Spintroonika Kvantmehaanika Tunnelefekt MRAM SV-MRAM https://doi.org/10.1016/0375-9601(75)90174-7 M. Julliere. Tunneling between ferromagnetic films. Phys. Lett. A 54, 225 (1975). https://doi.org/10.1016/0304-8853(95)90001-2 T. Miyazaki, N. Tezuka. Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction. J. Magn. Mang. Mater. 139, L231 (1995). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.3273 J. S. Moodera, L. R. Kinder, T. M. Wong, and R. Meservey. Large magnetoresistance at room temperature in ferromagnetic thin film tunnel junctions. Phys. Rev. Lett. 74, 3273 (1995). https://doi.org/10.1109/TMAG.2004.830219 D. Wang, C. Nordman, J. M. Daughton, Z. Qian, and J. Fink. 70% TMR at room temperature for SDT sandwich junctions with CoFeB as free and reference layers. IEEE Transactions on Magnetics 40, 2269 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.220403 J. Mathon and A. Umerski. Theory of tunneling magnetoresistance of an epitaxial Fe/MgO/Fe(001) junction. Phys. Rev. B 63, 220403(R) (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.054416 W. H. Butler, X.-G. Zhang, T. C. Schulthess, and J. M. MacLaren. Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches. Phys. Rev. B 63, 054416 (2001). https://doi.org/doi:10.1038/nmat1256 S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, and S.-H. Yang. Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers. Nat. Mater. 3, 862 (2004). https://doi.org/10.1038/nmat1257 S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki, and K. Ando. Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions. Nat. Mater. 3, 868 (2004). https://doi.org/10.1063/1.2976435 S. Ikeda, J. Hayakawa, Y. Ashizawa, Y. M. Lee, K. Miura, H. Hasegawa, M. Tsunoda, F. Matsukura, and H. Ohno. Tunnel magnetoresistance of 604% at 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB/MgO/CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature. Appl. Phys. Lett. 93, 082508 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.25.1270 R. Meservey, P. M. Tedrow, and P. Fulde. Magnetic field splitting of the quasiparticle states in superconducting aluminum films. Phys. Rev. Lett. 25, 1270 (1970). https://doi.org/10.1088/0953-8984/15/4/201 E. Y. Tsymbal, O. N. Mryasov, and P. R. LeClair. Spin-dependent tunnelling in magnetic tunnel junctions. J. Phys.: Condens. Matter. 15, R109 (2003). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.6995 J. C. Slonczewski. Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier. Phys. Rev. B 39, 6995 (1989). https://doi.org/10.1016/S1369-7021(06)71693-5 J.-G. Zhu, C. Park. Magnetic tunnel junctions. Materials Today 9, 36 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.140404 J. Mathon, A. Umerski. Theory of tunneling magnetoresistance in a disordered Fe/MgO/Fe(001) junction. Phys. Rev. B 74, 140404(R) (2006). https://doi.org/10.1038/srep45594 J. J. Bean, M. Saito, S. Fukami, H. Sato, S. Ikeda, H. Ohno, Y. Ikuhara, and K. P. McKenna. Atomic structure and electronic properties of MgO grain boundaries in tunnelling magnetoresistive devices. Scientific Reports 7, 45594 (2017).