Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы

Обзор

Вестник ДВО РАН. 2006. № 4

А.В.ОГНЕВ, А.С.САМАРДАК

Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы

В обзоре освещено современное состояние новой области науки - «спинтроники», или «магнитоэлектрони-ки». Основное внимание уделено результатам внедрения на практике достижений нанотехнологий, а также объяснению физических принципов работы устройств спинтроники. Показано, что магнитоэлектроника уже нашла широчайшее применение в реальной жизни: от считывающих головок в жестких дисках и сверхчувствительных датчиков магнитного поля до магниторезистивной памяти и спиновых транзисторов. Рассмотрены перспективы развития спинтроники как области нанофизики и нанотехнологий.

Spintronics: physical principles, devices, future. A.V.OGNEV (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok), A.S.SAMARDAK (Far Eastern National University, Vladivostok).

A review of the modern state of a new scientific area named spintronics or magnetoelectronics is given. Special emphasis is laid on practical application of nanotechnological achievements. Physical principles of operation of spintronics devices are discussed. It is shown in the review that magnetoelectronics has been widely applied in our life: for example, in a sensing head of hard drives, in supersensitive magnetic field sensors, in MRAM and spin-transistors. Three-terminal spin-electronic devices of various types including hot carrier and hybrid spin/semiconductor devices are introduced. Spin-tunnel devices are examined, and single spin electronics is also considered. Prospects of development of spintronics as a field of nanophysics and nanotechnology are considered in the paper.

Большую часть двадцатого столетия было известно, что электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают собственным магнитным моментом, однако в практических целях это никак не использовалось. С приходом нового тысячелетия появилась новая отрасль науки - магнитоэлектроника, или, как теперь принято ее называть, спинтроника. В ее основу заложено понятие спина электрона. В соответствии с этой концепцией, согласно принципу квантования проекции спина на выбранную ось электроны разделяют на два типа носителей тока: электроны со спином-вверх и электроны со спином-вниз (% или -%).

В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых наногетероструктурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые - магнитные полупроводники, вещества, в которых можно контролировать магнитные, полупроводниковые и оптические свойства. Экспериментальная техника спинтроники включает в себя магнитооптическую спектроскопию с высоким (фемтосекундным) временным разрешением, микромеханическую магнитометрию, атомно- и магнитосиловую сканирующую микроскопию субатомного разрешения, спектроскопию ядерного магнитного резонанса и многое другое. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами.

ОГНЕВ Алексей Вячеславович - кандидат физико-математических наук (Институт физики и информационных технологий ДВГУ, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток), САМАРДАК Александр Сергеевич - кандидат физико-математических наук (Институт физики и информационных технологий ДВГУ, Владивосток).

Цель обзора - познакомить читателей со спиновой электроникой, опираясь на описание существующих физических систем, в которых спиновые эффекты играют главенствующую роль. В статье описаны уже созданные устройства и физические принципы их работы, а также охарактеризованы перспективные разработки в спинтронике и их практическое применение.

Металлические спин-электронные структуры

Значительные успехи в получении и исследовании тонких металлических пленок, достигнутые в конце XX в., привели к открытию целого ряда новых явлений, исследование которых остается актуальным и в настоящее время. Развитие технологий позволило синтезировать совершенно новые многокомпонентные материалы с контролируемыми свойствами. Наноструктуры могут состоять из чередующихся квантовых слоев или квантовых точек. При этом возникает ряд уникальных физических явлений, таких как спин-зависимое рассеивание электронов проводимости, косвенная обменная связь, поверхностная магнитная анизотропия.

Трансформации магнитных и магниторезистивных свойств в слоистых структурах во многом обусловлены косвенной обменной связью, которая возникает между тонкими ферромагнитными слоями и осциллирует при изменении толщины немагнитной прослойки. Поэтому при определенных условиях обычная ферромагнитная структура может быть преобразована в антиферромагнетик, с антипараллельным направлением магнитных моментов. Например, для мультислоев Со/Си такие магнитные фазовые переходы происходят с периодом, равным ~ 1,0 нм. При этом, управляя структурой интерфейсов и прослойки, можно менять угол между магнитными моментами в смежных слоях от 0 до 180°.

Магнитная анизотропия возникает вследствие нарушения симметрии на границах раздела между ферромагнитным и немагнитным материалами и появления напряжений из-за несоответствия параметров кристаллических решеток. Следовательно, изменяя толщины слоев и подбирая соответствующие материалы, можно получить слоистые наноструктуры, в которых магнитные моменты будут направлены параллельно или перпендикулярно поверхности пленки. Более того, наличие ступенек или террас на поверхностях раздела, а также неоднородностей в структуре прослойки может создать условия для формирования многоосной магнитной анизотропии [5].

Наиболее известным эффектом, обнаруженным в металлических многослойных структурах, является эффект гигантского магнитосопротивления (Giant Magnetoresistance -GMR), обусловленный спиновой зависимостью рассеивания электронов проводимости от типа магнитного упорядочения смежных слоев в пленке [2]. Исследование причин указанного явления и его механизмов породило семейство новых материалов с широкими потенциальными возможностями практического применения: структуры с магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction - MTJ), спиновые вентили, спиновые нанотранзисторы и др.

Мультислойные структуры. Несмотря на то что эффект GMR обнаружен сравнительно недавно, первым явлением спинтроники можно считать открытие анизотропного магнитосопротивления в 1857 г. Было установлено, что удельное сопротивление магнитных материалов зависит от угла 0 между направлениями намагниченности и тока.

Более чем через 100 лет в мультислоях, состоящих из ферромагнитных слоев, разделенных немагнитными прослойками, было обнаружено намного большее по величине изотропное магнитосопротивление, которое назвали гигантским. Этот эффект обусловлен спин-зависимым рассеиванием электронов проводимости. В ферромагнитных металлах выделяют электроны проводимости со спином-вверх (спин направлен параллельно магнитному моменту в ферромагнетике) и со спином-вниз (спин направлен антипараллельно

Рис. 1. Принципиальная схема проводимости в многослойных магнитных пленках, показывающая, как спиновое рассеивание приводит к различной проводимости для параллельной (а) и антипараллельной (б) ориентации векторов намагничивания

магнитному моменту). Поэтому ток в ферромагнитном металле можно представить в виде суммы токов электронов со спинами обоих типов. Магнитосопро-тивление, определяемое этими токами, зависит от направления намагниченности в ферромагнитных слоях. Так, в мультислоях Со/Cu вероятность рассеивания электронов со спином, параллельным направлению намагниченности, меньше, чем для электронов со спином, направленным антипараллельно намагниченности.

Наиболее удобными объектами для исследования трансформаций магнитных и магниторезистивных свойств в структурах с эффектом GMR являются трехслойные пленки (рис. 1). При параллельном выстраивании магнитных моментов смежных ферромагнитных слоев проводимость структуры больше, чем при антипараллельном. Антиферромагнитное выстраивание магнитных моментов смежных слоев (с одинаковой величиной коэрцитивной силы НС) возникает благодаря косвенному антиферромагнитному (АФМ) взаимодействию.

Изменения магнитной структуры, вызванные АФМ связью, влияют не только на магниторезистивные, но и на магнитные свойства многослойных наноструктур. В настоящее время мало изучены механизмы влияния косвенной обменной связи на магнитную анизотропию и доменную структуру в многослойных пленках. Исследованием магнитных

и магниторезистивных свойств наноструктур занимается научная группа под руководством Л.А.Чеботкевич в ДВГУ, во Владивостоке. На примере многослойных пленок Со/С^Со было показано, что в металлических пленочных наноструктурах с косвенной АФМ связью индуцируется многоосная анизотропия [1]. Более того, представленные на рис. 2 трансформации доменной структуры (уменьшение размеров доменов до ~ 0,43 мкм) в образцах свидетельствуют о возможности применения этих пленок в качестве сред для магнитной записи информации. Это позволит не только значительно увеличить плотность записи информации, но и повысить термостабильность магнитных носителей.

Спиновые вентили. Следующим шагом на пути совершенствования структур с GMR были спиновые вентили (СВ). Они также состоят из двух магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой. Однако намагниченность одного из слоев закреплена обменным

Рис. 2. Электронно-микроскопические изображения доменной структуры пленки Со/Си/Со с косвенной АФМ (а) и ФМ (б) обменной связью

взаимодействием со смежным антиферромагнитным слоем, в то время как направление намагниченности второго слоя может изменяться под действием внешнего магнитного поля. Так как ферромагнитные слои очень слабо связаны, то изменение конфигурации магнитных моментов от антипараллельной к параллельной происходит в малых магнитных полях, что обеспечивает высокую чувствительность этих структур. На основе таких элементов созданы считывающие магниторезистивные головки в жестких дисках с плотностью записи свыше 100 Гбит/дюйм2.

Известно, что величина магниторезистивного отношения в процессе перемагничива-ния СВ зависит от двух факторов: максимально достижимой величины магниторезистивного эффекта и магнитных свойств. Варьируя материалы, толщину и последовательность слоев, можно оптимизировать магнитные и электрические свойства таких наноструктур и расширить области их практического применения. За несколько лет, прошедших с момента открытия спиновых вентилей, было создано и исследовано около 11 видов СВ с различной структурой. Так, добавление тонкой прослойки Ru повышает термостабильность сенсоров. Использование кобальтового феррита в качестве изолирующего магнитожесткого слоя уменьшает шунтирующий эффект, что повышает величину GMR. Введение в слоистую структуру нанооксидных слоев и антиферромагнетиков позволяет повысить магниторезистивное отношение и чувствительность СВ.

Магнитный туннельный переход. К следующему поколению спинтроники относят структуры, основанные на явлении магнитного туннельного перехода (MTJ). MTJ состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором, обычно это Al2O3. Причем толщина изолятора настолько мала (< 2 нм), что электрон может просачиваться через этот барьер. Этот процесс называется туннелированием, он обусловлен волновой природой электрона. Вероятность туннелирования зависит от длины волны или энергии электрона. В ферромагнитном материале энергия электронов с ориентацией спина вверх или вниз различна. Это приводит к спин-зависимому туннельному эффекту. Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала. Максимальная величина магниторезистивного эффекта, наблюдаемого в таких структурах, - примерно 50% при комнатной температуре.

В настоящее время уже получены высококачественные MTJ с гладким и сплошным барьерным слоем AlOx. Были исследованы потенциальные возможности и других материалов, например Ta2O5, GaAs, ZnS, MgO.

Магниторезистивная память. Наногетероструктуры с магнитным туннельным переходом применяются в качестве считывающих головок в жестких дисках и как базовые элементы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, время выборки данных у MRAM может составлять <10 нс, что в 5 раз меньше, чем у флэш-памяти, а время записи - < 2 нс (на три порядка меньше, чем у флэш-памяти). При этом энергопотребление магниторезистивной памяти в два раза меньше, чем у флэш- и оперативной памяти DRAM.

Сегодня разработки MRAM ведутся несколькими фирмами: Motorola, IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, а также совместно NEC и Toshiba. В настоящее время большинство разработчиков остановились на MRAM с магнитным туннельным переходом. Схема ячейки памяти, в которой перемагничивание осуществляется по методу Савченко (US Patent 6.545.906), разработанному в компании Motorola, представлена на рис. 3. Ячейка памяти сформирована на пересечении разрядной и числовой шин. Каждая ячейка состоит из структуры с магнитным туннельным переходом, которая отвечает за хранение информации, и транзистора, с помощью которого организована адресация. Существуют схемы, в которых транзистор может быть заменен диодом или вообще отсутствовать. При

Рис. 3. Элементарная ячейка MRAM-памяти

записи ток, протекающий по разрядной и числовой шинам, наводит перекрестное магнитное поле, которое изменяет магнитное состояние свободного слоя. При считывании через ячейку пропускают ток. Величина этого тока зависит от ориентации векторов намагничивания магнитных слоев структуры: при параллельной конфигурации сопротивление перехода минимально. Это соответствует логическому «0». При антипараллельной ориентации намагниченностей сопротивление велико, туннельный ток мал - это логическая «1».

С использованием рассмотренной выше схемы ячейки компанией Motorola в 2004 г. были созданы чипы MRAM-памяти емкостью 4 M6, со временем доступа 25 нс (http:// www.peakw.com/Summit2004/). В это же время компании Infinion и IBM представили экспериментальный чип MRAM-памяти емкостью 16 M6. До 2010 г. емкость MRAM-памяти будет увеличена до 10 Гбит, а время доступа уменьшено до 8 нс [14].

Гранулированные GMR структуры. Гранулированные структуры обычно получают путем одновременного распыления двух несмешивающихся металлов (часто используемая пропорция 20 : 80) и дальнейшего отжига структуры, в процессе которого образуются гранулы одного металла в матрице другого. Если ферромагнитные гранулы «вкраплены» в парамагнитную матрицу, то структура чаще всего ведет себя как суперпарамагнитная и обладает гигантским магнитосопротивлением. GMR возникает из-за того, что в отсутствие магнитного поля угол между магнитными моментами смежных ферромагнитных гранул может быть любым (случайным). Тогда как в приложенном сильном магнитном поле магнитные моменты гранул выстроены вдоль поля. GMR определяется исходя из выражения [4]:

GMR ~ (cos(0.)) = (cos(0) )2 aM2,

где 0. - угол между магнитными моментами i и j гранулы, 0. - угол между магнитным моментом гранулы j и приложенным магнитным полем. Эффект GMR пропорционален косинусу углов между магнитными моментами и изменяется как квадрат намагниченности в зависимости от внешнего магнитного поля [3].

Магнитные полупроводники и спиновые нанотранзисторы

Одной из основных задач спинтроники является интеграция магнитных систем в полупроводниковую микроэлектронику. 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.

Широкие перспективы использования наногетероструктур обусловлены тем, что электронные спины полупроводника можно использовать в качестве детектора, реагирующего на изменения магнитного состояния в ферромагнетике. Так, при инжекции сквозь контакт ферромагнетика и полупроводника электроны полупроводника приобретают неравновесный спин, содержащий информацию о спине электронов в ферромагнетике. Для определения спиновой ориентации электронов в полупроводнике можно использовать как оптические, так и электрические методы детектирования.

Магнитные полупроводники. Общим для всех устройств, описанных в первой части обзора, является то, что в их основе лежит металл. Существенный недостаток такого подхода - невозможность усиливать сигналы. Очевидные металлические аналоги традиционным полупроводниковым транзисторам, в которых отток электронов из базы транзистора позволяет десяткам других поступать от эмиттера в коллектор, сегодня отсутствуют. Найти материалы, которые обладали бы свойствами как ферромагнетиков, так и полупроводников, - давнишняя мечта исследователей. Но она труднодостижима, так как велико различие в характере химических связей. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов, а с другой - легко интегрировались бы с традиционными полупроводниковыми устройствами. Зонная структура магнитного полупроводника отличается от двухзонной структуры обычных полупроводников, металлов и диэлектриков наличием особой, третьей зоны, которая образуется ё- и Г-электронами атомов переходных или редкоземельных элементов. Идеальный ферромагнитный полупроводник должен иметь температуру Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с п- и _р-проводимостью в одном монокристалле.

Сегодня большое внимание привлекают так называемые разбавленные магнитные полупроводники, сплавы ^аАв), в которых отдельные атомы в случайном порядке заменяются атомами с магнитными свойствами, например Мп2+. Наибольшая температура Кюри Тс = 110 К достигнута на сегодняшний день в магнитном твердом растворе GaMnAs с ^-проводимостью. Этот материал был использован в качестве спинового инжектора (включая и нулевое внешнее магнитное поле) в электролюминесцентном диоде с немагнитной квантовой ямой InGaAs/GaAs [9].

В настоящее время идет интенсивный поиск новых ферромагнитных полупроводников с более высокой температурой Кюри, которые могли бы быть использованы в качестве спиновых инжекторов при температурах порядка комнатной и при слабом (или нулевом) внешнем магнитном поле. Наиболее интересные результаты в этом направлении представлены в работе [10], в которой сообщается о наблюдении ферромагнетизма при Тс = 320 К в полупроводнике со структурой халькопирита Сё1-хМп^еР2. Несмотря на очевидную необходимость серьезных исследований механизмов роста и легирования этого малоизученного материала, наблюдение в полупроводнике ферромагнетизма с такой большой температурой Кюри позволяет с большим оптимизмом ожидать появления спиновых приборов, работающих при комнатной температуре.

Спиновый транзистор Джонсона. Развитие микроэлектроники способствовало быстрому переходу от двухконтактных спин-электронных устройств к трехконтактным системам, состоящим из двух ферромагнитных слоев, разделенных парамагнитной прослойкой, и проявляющим эффект гигантского магнитосопротивления. Такое устройство было названо транзистором Джонсона в честь его изобретателя, который подключил третий контакт к парамагнитному слою (рис. 4).

Если говорить на языке биполярных транзисторов, то транзистор Джонсона состоит из базы (парамагнетик), эмиттера и коллектора (ферромагнетики). Если на коллектор подается потенциал, в цепи эмиттер-база происходит накопление электронов с ориентацией спинов вверх/ вниз. Ток коллектора теперь будет зависеть от того, параллелен ли его магнитный момент или антипараллелен намагниченности эмиттера. Ферромагнитный эмиттер в данном случае играет роль поляризатора для накапливающихся спинов. Понятно, что для изменения потенциала в цепи эмиттер-база необходимо приложить внешнее магнитное поле, которое «переключит» вектор магнитного момента либо коллектора, либо эмиттера на противоположное направление.

Гибридная спинтроника. Транзистор Джонсона вполне работоспособен, но все же он имеет ограничения в использовании. Измеряемые значения напряжения очень малы, и увеличить их без привлечения дополнительных устройств не представляется возможным. Основной недостаток подобных структур состоит в том, что все контакты между слоями являются омическими, так как все компоненты структуры металлические. Другими словами, перед исследователями встал вопрос о создании нового класса структур - гибридных спин-электронных устройств. Такие устройства представляют собой интеграцию магнитных материалов с полупроводниками. Ферромагнетики поляризуют спины, а полупроводники позволяют использовать эффекты блокировки напряжения, токовой диффузии и туннелирования.

Транзистор Монсма. Первым гибридным спин-электронным устройством был транзистор Монсма, который представлял из себя спин-вентиль, заключенный между слоями кремния. Два контакта присоединены к слоям кремния (эмиттер и коллектор), а третий - к спин-вентилю (база) (рис. 5). Спин-вентиль в данной структуре может состоять из многократно повторяющихся магнитных и немагнитных металлических слоев.

В интерфейсах между кремнием и металлом формируются барьеры Шоттки, которые поглощают напряжения смещения, приложенные между парами контактов (рис. 6). Барьер Шоттки коллектора является обратно смещенным, а эмиттера - с опережающим смещением. Это позволяет инжектировать неполяризованные «горячие» электроны от полупроводникового эмиттера в металлическую базу с энергией выше энергии Ферми. Возникает вопрос: смогут ли горячие электроны пройти сквозь спин-вентиль и сохранить достаточно энергии для преодоления барьера Шоттки коллектора? В противном случае они остаются в базе и перемещаются во внешнюю цепь.

Изменяя магнитную конфигурацию базы, можно установить, сколько энергии теряют «горячие» электроны при проходе сквозь базу. Если магнитные моменты смежных слоев спин-вентиля выстроены антиферромагнитно, то оба типа спинов испытывают одинаковое рассеивание на магнитных слоях. Если к спин-вентилю приложить внешнее магнитное поле, которое выравнивает все магнитные моменты слоев, то один тип спинов (спины-вниз,

1_ ЛЛЛЛ----------------------------------------

Рис. 4. Схема спинового транзистора Джонсона [6]

Рис. 5. Спин-вентильный транзистор [8]

Рис. 6. Плотность состояний для «мажорных» спинов «горячих» электронов, энергия которых выше, чем энергия барьера Шоттки, как функция местоположения в базе. Толстая линия соответствует антиферромагнитному состоянию спин-вентиля, а тонкая - ферромагнитному [7]

или «минорные») рассеивается сильно, в то время как второй (спины-вверх, или «мажорные») проходит без рассеивания через всю магнитную структуру. Плотность таких электронов в зависимости от расстояния показана на рис. 6.

Таким образом, видно, что при ферромагнитном выстраивании магнитных моментов большее число спинов с энергией выше энергии барьера коллектора проходит через базу. То есть, как и в случае с транзистором Джонсона, мы имеем дело с транзистором, электрическими характеристиками которого можно управлять меняя магнитное поле. Но в транзисторе Монсма рабочее напряжение и чувствительность к магнитному полю гораздо выше, что сильно расширяет его практическое использование.

Транзистор Монсма является важным шагом в эволюции спинтроники.

Это первая комбинация спин-электрон-ных устройств с полупроводниками.

Следует заметить, что полупроводники используются только для создания энергетических барьеров и экранирования спин-зависимой части устройства от электрических полей. Для раскрытия всего потенциала гибридных устройств необходимо задействовать и полупроводниковые слои в процессе спин-зависи-мого транспорта.

SPICE-транзистор. Новым шагом в спинтронике явилось создание SPICE-транзистора (spin-polarized-in-jection current emitter transistor), т.е. транзистора с инжектированием спин-поляризованного тока эмиттера в электрически экранированную область устройства (рис. 7). В итоге получено устройство с предварительным усилением мощности. Электрическими характеристиками SPICE-транзистора можно управлять меняя внешнее магнитное поле. Дизайн SPICE-транзистора может быть разным. К примеру, межфазные границы эмиттера и коллектора могут быть реализованы p-n-переходами, барьерами Шоттки либо спин-туннельными переходами.

Спин-полевой транзистор Датта-Даса (spin-field-effect transistor - SFET). В 1990 г. Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das) рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора, основанного на релятивистском эффекте. Устройство имеет конструкцию, подобную обычному полевому транзистору с контактами истока и стока (ферромагнетики) и затвором (полупроводник). Спин-поляризованные носители покидают исток со спинами, параллельными намагниченности ферромагнетика, и

Рис. 7. SPICE-транзистор NoUS6218718]

[US Patent Application

Рис. 8. Принцип действия спин-полевого транзистора SFET [13]

прецессируют при движении благодаря эффекту Рашба (рис. 8). При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1% от скорости света в вакууме. При достаточной величине напряженности магнитного поля (скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается. При варьировании потенциала на затворе можно изменять проводимость устройства. Данное устройство ведет себя как обычный полевой транзистор с той особенностью, что дифференциальная намагниченность его контактов (и, следовательно, его электрических характеристик) чувствительна к внешнему магнитному полю.

Новые эффекты в спинтронике: спиновая блокада. В конце прошлого столетия открыт новый эффект в устройстве, схема которого изображена на рис. 9.

Спин-блокирующая система состоит из кобальтовых контактов, между которыми помещаются ферромагнитные островки кобальта, меняющие направление намагниченности под действием внешнего магнитного поля. Например, на рис. 9 показан барьер Шоттки при низкой температуре, который блокирует спины в таком устройстве. Величина магниторезистивного эффекта составляет 25% при Т = 20 К, что является беспрецедентным случаем для устройств на основе кремния. Зонная структура состоит из барьера Шоттки, по краям которого помещен ряд магнитных островков, между ними устанавливается антиферромагнитная связь (и, следовательно, они блокируют проходящие спины) в отсутствие внешнего магнитного поля. В магнитном поле векторы намагниченности островков ориентируются вдоль поля и сопротивление структуры уменьшается из-за прыжковой туннельной проводимости между смежными островками. Воздействие оптическим излучением увеличивает сопротивление структуры, так как фотоны активизируют электроны островков, вследствие чего возрастает плотность энергетических состояний. Геометрия такой системы мало чем отличается от геометрии транзистора с высокой подвижностью электронов, в котором пропускная способность главного токового канала управляется локализованными состояниями в смежных, но физически разделенных областях устройства.

СоЬиІі

СиЬаИ

Рис. 9. Схематическое изображение (верхний рисунок) и энергетическая диаграмма (нижний рисунок) спин-блоки-рующего устройства [11]

Перспективные направления развития спинтроники

Высокоскоростное переключение магнитного состояния. Одной из главных характеристик спин-электронных устройств является его пропускная способность, которая определяется временем отклика на электрические и магнитные воздействия. Довольно хорошо изучены вопросы, связанные со скоростью диффузии, сохранением заряда, паразитной емкостью в обычной электронике и их спиновых аналогах в спинтронике. Однако время переключения магнитного момента наномагнетиков (отдельных магнитных доменов) слабо изучено, хотя некоторые аналогии могут быть взяты из быстродействующих записывающих устройств. Высокоскоростное переключение намагниченности в настоящее время интенсивно исследуется, и, как уже известно, время смены магнитного состояния сильно зависит от формы устройства и связи режима переключения с волновым спектром спинов. Время чтения/записи в MRAM составляет несколько наносекунд, однако в будущем желательны более высокие скорости переключения магнитного состояния. Вышеупомянутые идеи могут быть объединены для создания нового типа туннельного запоминающего элемента MRAM, состоящего из ферромагнитной пленки, спинового магнитного изолятора и металла переходной группы. Тогда время записи определялось бы магнитными свойствами металлов и изолятора.

Спин-электронные сенсоры позиционирования и движения. Сенсоры на основе эффекта GMR, используемые для определения величины и направления магнитного поля, нашли широкое применение в следующих областях: хранение и считывание информации, программируемые вентильные матрицы, авиационная электроника, электронное машинное управление и автомобильные активные системы безопасности. Например, мировой рынок автомобильных датчиков, с ежегодным ростом более 10%, является одним из самых быстро развивающихся, в настоящее время он достиг 8,5 млрд евро. В последние годы основными тенденциями развития мирового автопрома являются улучшение управления двигателем внутреннего сгорания (с целью уменьшения автомобильных выбросов), тормозной и противоскользящей системами, устройствами безопасности и т.д. Поскольку эти технологии стремительно развиваются, на первое место встает усовершенствование спиновых магнитных сенсоров: повышение чувствительности, стабильности, надежности и подавление шумов.

Спиновый диод. Идея спинового двухконтактного диода впервые была предложена Мэтьюусом. Диод состоит из пятислойной магнитной системы, в которой три ферромагнитных слоя разделены слоями парамагнетика. Одна из наиболее удачных попыток практической реализации спинового диода была осуществлена два года назад [12]. В будущем планируется использовать спиновые диоды как элементарные ячейки MRAM-памяти.

Когерентная квантовая спинтроника. В более далекой перспективе находится квантовая когерентная спинтроника. Имеются в виду устройства, размеры которых настолько малы, что квантовая когерентность волновой функции электрона сохраняется поперек устройства, связывая входящие и выходящие электрические сигналы. Нанотехнологии достигли такого уровня, что сегодня можно создавать устройства с масштабом 1 нм. Типичным примером является туннельный диод (Patent Application No FR9904227, France).

Квантовый компьютинг. Исследователи предсказывают широкое использование разработок спинтроники в сфере квантового компьютинга. Считается, что следующим серьезным этапом развития спинтроники станут устройства, в которых информация будет передаваться не посредством спинов электронов, а с использованием сложных кубитовых пар. Например, многоконтактные спиновые устройства, которые могут быть основаны на потоках запутанных кубитов. Практически реализовать подобное устройство можно на базе спин-электронных транзисторов.

В статье представлен обзор современного состояния спинтроники. Успехи, достигнутые в технологии изготовления низкоразмерных структур, позволили получить магнитные наногетероструктуры с уникальными квантово-размерными эффектами. Возможность комбинировать магнитные, полупроводниковые и диэлектрические материалы открывает большие перспективы в управлении магнитными и электрическими свойствами. Это позволит получить новые наноструктуры, которые могут найти практическое применение. Очевидно, что с появлением нового класса материалов - магнитных полупроводников - интеграция магнитных структур в полупроводниковую электронику произойдет в более короткие сроки. Коммерческий потенциал, заложенный в спиновой электронике, подстегивает активность исследований в этой области физики во всем мире, и успехи, достигнутые в спинтронике, возможно, будут определять технологии XXI в.

ЛИТЕРАТУРА

1. Огнев А.В., Самардак А.С., Воробьев Ю.Д., Чеботкевич Л.А. Магнитная анизотропия Co/Cu/Co пленок с косвенной обменной связью // Физика твердого тела. 2004. Т. 46, вып. 6. С. 1054-1057.

2. Baibich M.N., Broto J.M., FertA., NguyenVan Dau F., PetroffF., Etienne P., Creuzet G., FriederichA., Chazelas J. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices // Phys. Rev. Lett. 1988. Vol. 61. P. 2472-2475.

3. Berkowitz A.E., Mitchell J.R., Carey M.J., Young A.P., Zhang S., Spada F.E., Parker F.T., Hutten A., Thomas G. Giant magnetoresistance in heterogeneous Cu-Co alloys // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68. P. 3745-3748.

4. Gerritsen A.N. Metallic conductivity. Experimental part // Physica. 1959. Vol. 25. P. 489.

5. Heinrich B., Monchesky T., Urban R. Role of interfaces in higher order angular terms of magnetic anisotropies: ultrathin film structures // J. Magn. Magn. Mater. 2001. Vol. 236. P. 339-346.

6. Johnson M. Bipolar spin switch // Science. 1993. Vol. 260. P. 320-323.

7. Lodder J.C., Monsma D.J., Vlutters R., Shimatsu T.J. The spin-valve transistor: technologies and progress // J. Magn. Magn. Mater. 1999. Vol. 198-199. P. 119.

8. Monsma D.J., Lodder J.C., Popma T. J.A., Dieny B. Perpendicular hot electron spin-valve effect in a new magnetic field sensor-valve transistor // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 74. P. 5260-5263.

9. Ohno Y., Young D.K., Beschoten B., Matsukura F., Ohno H., Awschalom D.D. Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heterostructure // Nature (London). 1999. Vol. 402. P. 790-792; см. также: Magnetism: Molecules to materials III published Online: 11 Dec. 2001.

10. Sato K., Medvedkin G.A., Ishibashi T., Mitani S., Takanashi K., Ishida Y., Sarma D.D., Okabayashi J., Fujimori A., Kamatani T., Akai H. Novel Mn-doped chalcopyrites // J. Phys. Chem. Solids. 2003. Vol. 64. P. 1461-1468.

11. Sirisathitkul C., Gregg J.F., Petej I., Sparks P. D., Coey J.M.D., Kirschman R., Thompson S.M. Spin Blockaded Silicon Schottky Barrier. (In press); см. также: Gregg J.F., Petej I., Jouguelet E., Dennis C. Spin electronics - a review // J. Phys. D: Appl. Phys. 2002. Vol. 35. P. R 121-R 125.

12. Van Dorpe P., Liu Z., Roy W.V., Motsnyi V.F., Sawicki M., Borghs G., De Boeck J. Very high spin polarization in GaAs by injection from a (Ga, Mn)As Zener diode // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84. P. 3495-3497.

13. Winkler R. Spin orientation and spin precession in inversion-asymmetric quasi two-dimensional electron systems // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 69. P. 045317.

14. Yihong Wu. Nano spintronics for data storage // Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology / ed. Nalva S.H. ACP, USA, 2004. Vol. 10. P. 1-50.