RUS ENG

 

 


Гигантское магнитосопротивление: от открытия до Нобелевской премии



Нобелевская премия по физике этого года была присуждена двум ученым: Альберту Ферту и Питеру Грюнбергу с формулировкой «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления».

 

Нобелевский лауреатPeter Grünberg

Рис.1 Альберт Ферт (р.1938) и Питер Грюнберг (р.1939) –
 нобелевские лауреаты по физике 2007 года

 

     Со времен открытия прошло почти 20 лет, и за это время приборы, основанные на гигантском магнитном сопротивлении (ГМС, или, как принято его называть в англоязычной литературе GMR) вошли в плоть и кровь современной цифровой цивилизации (головки считывания на ГМС используются в жестком диске каждого компьютера), а концепция спинового транспорта, спиновой инжекции, спиновых поляризаторов и анализаторов легли в основу понятийного аппарата нового направления науки и техники - спиновой электроники [1].

 

  1. Эффект гигантского магнитосопротивления

 

     Эффект гигантского магнитосопротивления, первоначально наблюдался в многослойных структурах, которые состоят из чередующихся магнитных и немагнитных проводящих слоев [2,3] (см. рис. 2), например, (Co/Cu)n или (Fe/Cr)n. Такие структуры называют магнитными сверхрешетками. Толщины слоев, как правило, составляют доли-единицы нанометров. Эффект состоит в том, что сопротивление структуры, измеренное при токе, текущем в плоскости системы, зависит от взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоев. Так, при параллельной намагниченности слоев сопротивление, как правило, низкое, а при антипараллельном – высокое. Относительное изменение сопротивления системы составляет от 5 до 50% в зависимости от материалов, количества слоев и температуры. Эта величина на порядок больше, чем у предшественника эффекта гигантского магнитосопротивления – эффекта анизотропного магнитосопротивления [1], чем и объясняется название первого.

 

Наблюдение эффекта гигантского магнитосопротивления


a)б)

 

Рис. 2. Магнитные сверхрешетки, на которых наблюдается эффект ГМС.

Схематично изображен транспорт электронов противоположных поляризаций в случае

а) параллельной и б) антипараллельной ориентаций намагниченностей магнитных слоев.

В нижних частях рисунков изображены эквивалентные электрические схемы,

соответствующие этим двум конфигурациям.



     В основе эффекта ГМС лежат два важных явления. Первое состоит в том, что в ферромагнетике электроны  с одним направлением спина (или одной спиновой поляризации, как принято говорить) рассеиваются гораздо сильнее, чем электроны противоположной поляризации (выделенное направление задает намагниченность образца). Второе явление состоит в том, что электроны, выходя из одного ферромагнитного слоя, попадают в другой, сохраняя свою поляризацию. Таким образом, в случае параллельной конфигурации слоев те из носителей, которые рассеваются меньше, проходят все структуру без рассеяния; а носители противоположной поляризации испытывают сильное рассеяние в каждом из магнитных слоев (см. рис. 2а). В случае же антипараллельной конфигурации системы (см. рис. 2б), носители обоих поляризаций испытывают сильное рассеяние в одних слоях и слабое в других. Сопротивление системы можно условно изобразить в виде двух соединенных параллельно наборов сопротивлений, соответствующих двум спиновым поляризациям; при этом каждое из сопротивлений в этих наборах соответствует большому или малому рассеянию носителей данной поляризации в конкретном магнитном слое. Такие схемы для параллельной и антипараллельной конфигураций слоев изображены внизу рисунков 2 а, б.

     Для функционирования устройств на основе эффекта ГМС важной является возможность создания антипараллельной конфигурации слоев (см. рис. 2б). Такие конфигурации удается получать при нулевом поле благодаря наличию так называемого межслойного обменного взаимодействия. Оказывается, энергия Eint.l. взаимодействия двух магнитных слоев с намагниченностями M1 м M2, разделенных немагнитной прослойкой толщиной ds, имеет (в первом приближении) гейзенберговский вид:

.    (1)


При этом коэффициент J1 зависит от толщины немагнитной прослойки ds осциллирующим образом, так, что при одних значениях ds J1 является положительной, а при других – отрицательной величиной. Соответственно, можно подобрать толщину немагнитных слоев так, чтобы энергетически выгодной была антипараллельная конфигурация слоев. Интересно, что именно исследованием межслойного взаимодействия в многослойных магнитных структурах занимались первоначально открыватели эффекта, прежде чем обнаружили новое необычное их свойство – гигантское магнитосопротивление.

 

Спиновый вентиль


Рис. 3. Схематичное изображение спинового вентиля. Нижний слой – слой антиферромагнетика.

 

     В качестве элементов на основе эффекта ГМС как правило используется структура, получившая название спиновый вентиль (spin valve), см. рис. 3. В ней один магнитных из слоев (например, Co или Co90Fe10) напылен на слой антиферромагнетика (напр., Mn76Ir24 или Mn50Pt50). Благодаря обменному взаимодействию между электронами ферромагнетика и антиферромагнетика спины в этих двух слоях становятся жестко связанными между собой. Поскольку внешнее магнитное поле не очень большой величины не оказывает влияния на антиферромагнетик, то намагниченность магнитного слоя оказывается закрепленной (это явление получило название однонаправленной или обменной анизотропии [4].

Такой слой, намагниченность которого в некотором интервале полей может считаться неизменной, называют закрепленным или фиксированным. Второй же магнитный слой (часто Co, или Co90Fe10, или двухслойный Ni80Fe20/Co или Ni80Fe20/Co90Fe10,) может быть свободно перемагничен внешним полем, поэтому его называют свободным. Промежуточный слой немагнитного металла, как правило, представлен Cu. Такая структура получила название спинового переключателя или спинового вентиля (spin-valve). Сопротивление спинового вентиля R может быть с хорошей точностью описано с помощью формулы:


                                  (2)


Здесь R0 – сопротивление структуры при параллельной намагниченности слоев, дельтаRgmr – инкремент сопротивления, обусловленный эффектом ГМС, и Q – угол между намагниченностями магнитных слоев (принимает значения между p и –p). Типичные значения R составляют десятки Ом, а  для используемых в индустрии спиновых вентилей составляет 6-10% [5].

    

Эффект ГМС был обнаружен при измерении сопротивления магнитных сверхрешеток по току, текущему в плоскости системы. В 1991 году изменение сопротивления магнитных металлических сверхрешеток при изменении взаимной ориентации магнитных слоев было обнаружено для тока, текущего перпендикулярно плоскости слоев. Эти две геометрии измерения сопротивления многослойных магнитных структур обозначаются ставшими уже стандартными аббревиатурами CIP (current-in-plane) и CPP (current-perpendicular-to-plane) соответственно. Механизмы эффектов ГМС в CPP и в CIP геометриях в основных чертах схожи [2]; при этом значения магнититосопротивления, полученные для первого эффекта, примерно в два раза больше, чем для второго. Однако абсолютное сопротивление металлических сверхрешеток, полная толщина которых составляет порядка десятков нанометров, при измерении в CPP геометрии очень мало и его довольно трудно измерить. Поэтому для практических применений эффект ГМС в CPP геометрии гораздо менее привлекателен.

     Следующий прорыв в области эффектов магнитосопротивления обусловлен обнаружением эффекта туннельного магнитосопротивления (ТМС) [1]. Он имеет место в СРР системах, в которых место проводящей немагнитной прослойки занимает тонкий (1-2 нм) слой изолятора. Сопротивление такой структуры, измеренное в CPP-геометрии, сильно зависит от относительного направления намагниченности слоев благодаря различным вероятностям прохождения носителей с противоположными ориентациями спина через туннельный барьер. Оказалось, что для весьма распространенного аморфного изолирующего слоя Al2O3 относительное изменение сопротивление достигает 70% при комнатной температуре (КТ). Ещё более перспективным является барьер в виде монокристаллического слоя MgO, который позволяет достичь значений до 500% при комнатной температуре [7]. 

 

2. Приложения ГМС в индустрии памяти

 

     В настоящее время эффекты магнитосопротивления уже получили широкое коммерческое применение. Наиболее часто эти эффекты используются для создания магниточувствительных элементов датчиков различного назначения. Так, уже более 10 лет магниточувствительные элементы на основе магниторезистивных наноструктур используются в считывающих головках в жестких дисках. Кроме того, широким фронтом идут разработки новых видов памяти, основанных на магниторезистивных элементах; совсем недавно начались продажи одного из них – так называемой магнитной оперативной памяти MRAM. По целому ряду показателей последняя превосходит существующие в настоящее время полупроводниковые аналоги.

     В данной секции рассказывается об этих двух ключевых приложениях: о строении считывающих головок в HDD и о магнитной памяти MRAM.

2.1. Считывающие головки для жестких дисков

     Наибольший рост последние годы продемонстрировали продажи самых миниатюрных жестких дисков (предназначенных для портативных карт памяти, mp3-плееров, видеокамер, сотовых телефонов и др.) они заняли до 23% всего рынка жестких дисков (HDD – hard disc drivers); ожидается, что к 2009 году эта доля увеличится до 40%, обогнав сегмент HDD для настольных компьютеров. В результате, общие тенденции рынка ведут к потребности появления устройств со все большей плотностью записи информации. Так, последние десять лет плотность записи в коммерческих устройствах растет со скоростью от 50-100% в год [8]. Поддержание столь активной тенденции к миниатюризации требует использования самых высоких инновационных технологий в области создания магнитных сред (для хранения информации), записывающих и считывающих головок, системной электроники.

     С самого начала в жестких дисках (первые HDD появились в середине 1950-х годов) использовались индуктивные считывающие головки. Их в начале 1990-х сменили магниточувствительные датчики, схематичное устройство которых изображено на рисунке 4. Считывающая головка состоит из тонкопленочного магниторезистивного элемента, экранированного с двух сторон с помощью пленок мягкого магнитного материала. (Роль экранов заключается в том, чтобы по возможности уменьшить до нуля поле от дальних битов). Эта конструкция пролетает на расстоянии порядка десятков-единиц нанометров над поверхностью магнитной пленки, на которой в виде направления намагниченности в доменах, упорядоченных по размеру и расположению, записана информация. Домены противоположной полярности соответствуют битам «0» или «1». Поле от границы между противоположно намагниченными битами, над которой пролетает головка, перемагничивает магниторезистивный элемент. В результате сопротивление элемента меняется, что фиксируется электроникой и передается на шину данных. Данная конструкция в целом используется и в настоящее время.

 



Рис. 4. Схематичное изображение считывающей головки жесткого диска и принципа ее работы.



     Постоянное увеличение плотности записи (соответственно, уменьшение размера одного бита), приводит к уменьшению магнитного потока, приходящегося на магниточувствительный элемент. Чтобы сохранить отношение сигнал/шум, требуется использование все более и более чувствительных головок.

     Магниточувствительные элементы на эффекте анизотропного магнитосопротивления имели выход (отношение сопротивления головки при переходе от «0» к «1») порядка 2%, обладали простой конструкцией и позволили создавать HDD с плотностью записи до 1-5 Гбит/дюйм2. Дальнейшее повышение плотности записи потребовало введения считывающих элементов на основе эффекта ГМС. Они обладают гораздо более сложной конструкцией (магниточувствительный элемент содержит до 10 различных слоев), и, в различных модификациях, позволяют получить выход от 6 до 12% и плотность записи до 50 Гбит/дюйм2. Переход на считывающие головки, основанные на эффекте ГМС, был осуществлен практически всеми основными производителями жестких дисков с 1997 года [8]. Следующее поколение головок основано на эффекте ТМС. Как ожидается, они позволяют получить выход более 200% и плотность записи до 1 Тбит/дюйм2. В настоящее время происходит переход производителей жестких дисков на этот тип считывающих головок [1].


2.2. Магнитная оперативная память MRAM

     В компьютерах, контроллерах, мобильных устройствах используется одновременно несколько типов полупроводниковой памяти. Одни из них, например SRAM (static random access memory), являются очень быстрыми, они используются в качестве кэш-памяти в процессорах; однако они имеют сложную конструкцию и поэтому очень дорогие. Другие виды памяти, например, оперативная память DRAM (dynamicrandom access memory), являются более простыми и дешевыми, но и более медленными. Также, SRAM и DRAM не сохраняют свое состояние при отключении энергии. Память типа EEPROM (наиболее известная ее модификация – Flash-память), сохраняет свое состояние при отключении энергии, однако она является очень медленной и не может выполнять функции оперативной памяти даже в относительно несложных устройствах типа mp3-плееров или сотовых телефонов. Кроме того, Flash-память очень энергоемкая и обладает ограничением на количество циклов перезаписи (порядка 105-106), при превышении которого она может выйти из строя.

     В этом контексте особое внимание стало уделяться созданию универсальной памяти, которая смогла бы совместить в себе достоинства всех перечисленных видов памяти. Согласно сказанному выше, она должна обладать:

 

а) достаточно простой конструкцией,

б) высокой скоростью записи/считывания,

в) сохранять свое состояние при отключении энергии,

г) позволять производить большое количество циклов записи,

д) потреблять малое количество энергии.

 

     В настоящее время наиболее вероятным кандидатом на роль такой универсальной памяти считается так называемая магнитная оперативная память MRAM (magnetic random access memory) [9,10]. Схема работы MRAM изображена на рисунке 5. Ячейка памяти состоит из многослойного магниторезистивного элемента, основанного на эффекте ТМС. Свободный слой этого элемента содержит в себе информацию в виде направления намагниченности. Считывание производится путем измерения сопротивления Rm данного элемента: при параллельной конфигурации свободного и фиксированного слоев оно будет малым, а при антипараллельной – большим. Этим двум значениям приписываются логические «0» и «1». Запись производится с помощью подачи на токовые шины 1 и 2 (которые по аналогии с полупроводниковыми видами памяти называют соответственно битовой и словарной) импульсов тока. При этом вокруг каждой из них возникает вихревое магнитное поле. Конфигурация элементов подбирается так, что для перемагничивания каждой ячейки необходимо действие поля от обеих токовых шин, а при воздействии поля только от одной из шин элемент сохраняет свое магнитное состояние (см. рис. 5б). В качестве свободного слоя используются, например, Fe или двойной слой CoFe/NiFe, в качестве фиксированного – CoFe на подложке из антиферромагнетика IrMn, в качестве туннельного контакта – оксид алюминия Al2O3 или, обладающий лучшими параметрами ТМС, оксид марганца MnO.

     Такая память обладает простой конструкцией (один магниторезистивный элемент и один транзистор на каждую ячейку), она естественным образом сохраняет свое состояние при отключении энергии. Кроме того, она позволяет производить практически бесконечное количество циклов перезаписи (1016 и более), и, как показывают эксперименты, время цикла записи/считывания составляет для разных образцов десятки-единицы наносекунд (подобно памяти типа SRAM) [10,11].


Схематическое изображение ячейки памяти



Схема адресации ячейки памяти

 

Рис. 5. а) Схематичное изображение ячейки памяти MRAM. При записи в ячейку вокруг токовых шин

создается магнитное поле, которое перемагничивает данный элемент.

б) адресация ячейки при записи. Магнитное поле создается вокруг всей токовой шины,

однако перемагничивается только тот элемент, который расположен на пересечении двух токовых шин.


    На пути воплощения идеи о MRAM как универсальной памяти возникает немало проблем, связанных, в основном, с механизмом записи информации: необходимость создания больших магнитных полей записи, относительно большая потребляемая мощность данного устройства (порядка 100 пВт на цикл записи), повышенные требования к надежности процесса переключения ячейки и др., но можно с уверенностью говорить, что рано или поздно они будут решены [1].



     В заключение, стоит отметить следующее. Не секрет, что сейчас модный  ярлычок «нано-» приклеивается сейчас повсеместно, но само по себе наличие структуры с характерным размером 1-100 нм и менее еще не является нанотехнологией в подлинном смысле, поскольку отражает лишь количественную, а не качественную сторону явлений. Так 45-нм технология освоенная микроэлектроникой является лишь очередным шагом на пути масштабирования, физические же принципы, лежащие в основе их действия, остаются неизменными. В то же время, эффект ГМС – это возникновение принципиально нового свойства у системы, структурированной на наномасштабе: толщины проводящих слоев должны быть меньше длины свободного пробега электрона (CIP геометрия) или длины релаксации спина (CPP геометрия), которые составляют единицы нанометров. В этом контексте становится ясной формулировка Шведской Академии Наук, присудивших Нобелевскую премию «за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления» технологии, которая «может рассматриваться как первое по-настоящему эффективное приложение многообещающей области нанотехнологий».

 

Список литературы

 

1.        C. Chappert, A. Fert, F. Van Dau, NatureMaterialsv. 6, p. 813 (2007)

2.        M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fertetal. Phys. Rev. Lett., 61 (1988) 2472.

3.        G. Binach, P. Grunberg, G. Creuzetetal. Phys. Rev. B, 39 (1989) 4828.

4.        Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: МГУ, 1976 г. - 367 с.

5.        R.R. Katti. Proc. IEEE, 91 (2003) 687.

6.        T. Valet and A. Fert. Phys. Rev. B, 48 (1993) 7099.

7.        S.S.P. Parkin et al., et al. Nature Materials, 3 (2004) 862; S. Yuasa, et al. ibid., 3 (2004) 868; Y.M. Lee et al., Appl. Phys. Lett. 90, 212507 (2007).

8.        http://www.hitachigst.com/hdd/research/

9.       S. A. Wolf, D. D. Awschalom, R. A. Buhrman, et al. Science, 294, (2001) 1488.

10.     www.freescale.com/mram

11.     M. Johnson. Proc. IEEE, 91 (2003) 652.

 

 

к.ф.-м.н. А. В. Хвальковский

Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН

e-mail: khvalkov@fpl.gpi.ru

 




[1] Анизотропное магнитосопротивление - эффект, обнаруженный Уильямом Томсоном в 1857 году, состоящий в том, что сопротивление ферромагнитной системы, измеренное при токе, текущем вдоль намагниченности структуры, отличается от сопротивления, измеренного при токе, текущем перпендикулярно намагниченности. Механизм эффекта обусловлен спин-орбитальным взаимодействием, проявляющимся в виде различного рассеяния носителей тока на дефектах и колебаниях решетки в зависимости от спина носителей. Характерная величина эффекта составляет 1-2 %.

[2] Об отличиях см. в работе [].


Страница 1 - 5 из 5
Начало | Пред. | 1 | След. | Конец По стр.

Возврат к списку статей