Войти
Гигантское магнитосопротивление (GMR ) - это квантово-механическое Эффект магнитосопротивления наблюдается в многослойных, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных проводящих слоев. Нобелевская премия по физике 2007 года была присуждена Альберту Ферту и Питеру Грюнбергу за открытие GMR.
Эффект наблюдается в виде значительного изменения электрического сопротивления в зависимости от того, находится ли намагниченность соседних ферромагнитных слоев параллельно или антипараллельное выравнивание. Общее сопротивление относительно низкое для параллельного совмещения и относительно высокое для антипараллельного совмещения. Направлением намагничивания можно управлять, например, путем приложения внешнего магнитного поля. Эффект основан на зависимости рассеяния электронов от ориентации спина.
Основное применение GMR - датчики магнитного поля, которые используются для считывания данных с жестких дисков, биосенсоров, микроэлектромеханические системы (MEMS) и другие устройства. Многослойные структуры GMR также используются в магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM) в качестве ячеек, которые хранят один бит информации.
В литературе термин гигантское магнитосопротивление иногда путают с колоссальным магнитосопротивлением ферромагнитных и антиферромагнитных полупроводников, которое не имеет отношения к многослойной структуре.
Результаты основания Альберт Ферт и Питер Грюнберг (1988): изменение сопротивления сверхрешеток Fe / Cr при 4,2 К во внешнем магнитном поле H. Ток и магнитное поле были параллельны [110 ] ось. Стрелка справа показывает максимальное изменение сопротивления. H s - поле насыщения. Магнитосопротивление - d Зависимость электрического сопротивления образца от напряженности внешнего магнитного поля. Численно он характеризуется значением
где R (H) - сопротивление образца в магнитном поле H, а R (0) соответствует H = 0. В альтернативных формах этого выражения вместо этого может использоваться удельное электрическое сопротивление. сопротивления, другой знак для δ H, и иногда нормируются на R (H), а не на R (0).
Термин «гигантское магнитосопротивление» указывает, что значение δ H для многослойных структур значительно превышает анизотропное магнитосопротивление, которое имеет типичное значение в пределах нескольких процентов.
GMR был открыт в 1988 году независимо группами Альбер Ферт из Университета Париж-Юг, Франция, и Петер Грюнберг из Forschungszentrum Jülich, Германия. Практическое значение этого экспериментального открытия было признано Нобелевской премией по физике, присужденной Ферту и Грюнбергу в 2007 году.
Первая математическая модель, описывающая влияние намагничивания на о подвижности носителей заряда в твердых телах, связанной со спином этих носителей, сообщалось в 1936 году. Экспериментальные доказательства потенциального увеличения δ H известны с 1960-х годов. К концу 1980-х годов анизотропное магнитосопротивление было хорошо изучено, но соответствующее значение δ H не превышало нескольких процентов. Повышение δ H стало возможным с появлением таких технологий подготовки образцов, как молекулярно-лучевая эпитаксия, которая позволяет изготавливать многослойные тонкие пленки толщиной в несколько нанометров.
Ферт и Грюнберг изучали электрическое сопротивление структур, состоящих из ферромагнитных и неферромагнитных материалов. В частности, Ферт работал над многослойными пленками, а Грюнберг в 1986 году обнаружил антиферромагнитное обменное взаимодействие в пленках Fe / Cr.
Работа по открытию ГМС была проведена двумя группами на немного разных образцах. Группа Ферта использовала сверхрешетки (001) Fe / (001) Cr, в которых слои Fe и Cr были нанесены в высоком вакууме на подложку (001) GaAs, поддерживаемую при 20 ° C, а измерения магнитосопротивления проводились при низкой температуре (обычно 4,2 К). Работа Грюнберга проводилась на мультислоях Fe и Cr на (110) GaAs при комнатной температуре.
Мультислои In Fe / Cr со слоями железа толщиной 3 нм, увеличивающими толщину немагнитных слоев Cr от 0,9 до 3 нм ослабляла антиферромагнитную связь между слоями Fe и уменьшала поле размагничивания, которое также уменьшалось при нагревании образца от 4,2 К до комнатной температуры. Изменение толщины немагнитных слоев привело к значительному снижению остаточной намагниченности в петле гистерезиса. Электрическое сопротивление изменилось до 50% с внешним магнитным полем при 4,2 К. Ферт назвал новый эффект гигантским магнитосопротивлением, чтобы подчеркнуть его отличие от анизотропного магнитосопротивления. Эксперимент Грюнберга сделал то же открытие, но эффект был менее выраженным (3% по сравнению с 50%) из-за того, что образцы находились при комнатной температуре, а не при низкой температуре.
Первооткрыватели предположили, что эффект основан на спин-зависимом рассеянии электронов в сверхрешетке, в частности, на зависимости сопротивления слоев от относительной ориентации намагниченности и электронных спинов. Теория ГМС для разных направлений течения была разработана в последующие годы. В 1989 г. Камли и Барнась рассчитали геометрию «ток в плоскости» (CIP), в которой ток течет по слоям, в классическом приближении, тогда как Леви и др. использовал квантовый формализм. Теория GMR для тока, перпендикулярного слоям (ток, перпендикулярный плоскости или геометрии CPP), известная как теория Вале-Ферта, была представлена в 1993 году. Приложения отдают предпочтение геометрии CPP, поскольку она обеспечивает большее отношение магнитосопротивления (δ H), что приводит к большей чувствительности устройства.
Электронная плотность состояния (DOS) в магнитных и немагнитных металлах. 1: структура из двух ферромагнитных и одного немагнитного слоев (стрелки указывают направление намагничивания). 2: расщепление DOS для электронов с разными направлениями спина для каждого слоя (стрелки указывают направление спина). F: уровень Ферми. Магнитный момент антипараллелен направлению полного спина на уровне Ферми. В магнитоупорядоченных материалах решающее влияние на электрическое сопротивление оказывает рассеяние электронов на магнитной подрешетке кристалла, которая образована кристаллографически эквивалентными атомами с ненулевые магнитные моменты. Рассеяние зависит от относительной ориентации электронных спинов и этих магнитных моментов: самое слабое, когда они параллельны, и самое сильное, когда они антипараллельны; он относительно силен в парамагнитном состоянии, в котором магнитные моменты атомов имеют случайную ориентацию.
Для хороших проводников, таких как золото или медь, уровень Ферми находится внутри sp-зоны., и полоса d заполнена полностью. В ферромагнетиках зависимость рассеяния электронов на атомах от ориентации их магнитных моментов связана с заполнением полосы, отвечающей за магнитные свойства металла, например полосы 3d для железа, никеля или кобальта. D-зона ферромагнетиков расщеплена, так как в ней разное количество электронов со спинами, направленными вверх и вниз. Следовательно, плотность электронных состояний на уровне Ферми также различна для спинов, направленных в противоположные стороны. Уровень Ферми для электронов с основным спином находится внутри sp-зоны, и их транспорт аналогичен в ферромагнетиках и немагнитных металлах. Для электронов с неосновным спином sp- и d-зоны гибридизуются, а уровень Ферми находится внутри d-зоны. Гибридизированная spd-зона имеет высокую плотность состояний, что приводит к более сильному рассеянию и, таким образом, более короткой средней длине свободного пробега λ для неосновного спина, чем для электронов с основным спином. В никеле, легированном кобальтом, отношение λ ↑/λ↓может достигать 20.
Согласно теории Друде, проводимость пропорциональна λ, которая составляет от нескольких до нескольких десятков нанометров. в тонких металлических пленках. Электроны «запоминают» направление спина в пределах так называемой длины спиновой релаксации (или длины спиновой диффузии), которая может значительно превышать длину свободного пробега. Спин-зависимый перенос относится к зависимости электропроводности от направления спина носителей заряда. В ферромагнетиках это происходит из-за переходов электронов между нерасщепленными 4s и расщепленными 3d-зонами.
В некоторых материалах взаимодействие между электронами и атомами является самым слабым, когда их магнитные моменты антипараллельны, а не параллельны. Комбинация обоих типов материалов может привести к так называемому обратному эффекту GMR.
Медь (немагнитная металл). F - уровень Ферми. По вертикальной оси отложена энергия в эВ.
Кобальт (большинство спинов)
Кобальт (второстепенные вращения)
Спиновые клапаны в считывающей головке датчика в геометриях CIP (слева) и CPP (справа). Красный: провода, подающие ток на датчик, зеленый и желтый: ферромагнитные и немагнитные слои. V: разность потенциалов. Электрический ток может проходить через магнитные сверхрешетки двумя способами. В геометрии тока в плоскости (CIP) ток течет по слоям, а электроды расположены на одной стороне структуры. В конфигурации тока перпендикулярно плоскости (CPP) ток проходит перпендикулярно слоям, а электроды расположены по разные стороны сверхрешетки. Геометрия CPP приводит к более чем двукратному увеличению GMR, но ее труднее реализовать на практике, чем конфигурация CIP.
Спиновый клапан, основанный на эффекте GMR. FM: ферромагнитный слой (стрелки указывают направление намагничивания), NM: немагнитный слой. Электроны со спинами вверх и вниз по-разному рассеиваются в клапане. Магнитное упорядочение отличается в сверхрешетках с ферромагнитным и антиферромагнитным взаимодействием между слоями. В первом случае направления намагничивания одинаковы в разных ферромагнитных слоях в отсутствие приложенного магнитного поля, тогда как во втором случае противоположные направления в мультислое чередуются. Электроны, проходящие через ферромагнитную сверхрешетку, взаимодействуют с ней намного слабее, когда их спиновые направления противоположны намагниченности решетки, чем когда они параллельны ей. Для антиферромагнитной сверхрешетки такая анизотропия не наблюдается; в результате он рассеивает электроны сильнее, чем ферромагнитная сверхрешетка, и демонстрирует более высокое электрическое сопротивление.
Применение эффекта GMR требует динамического переключения между параллельной и антипараллельной намагниченностью слоев в сверхрешетке. В первом приближении плотность энергии взаимодействия между двумя ферромагнитными слоями, разделенными немагнитным слоем, пропорциональна скалярному произведению их намагниченностей:
Коэффициент J является колебательной функцией толщины немагнитного слоя d s ; следовательно, J может изменить свою величину и знак. Если значение d s соответствует антипараллельному состоянию, то внешнее поле может переключить сверхрешетку из антипараллельного состояния (высокое сопротивление) в параллельное состояние (низкое сопротивление). Общее сопротивление конструкции можно записать как
где R 0 - сопротивление ферромагнитной сверхрешетки, ΔR - приращение GMR, а θ - угол между намагниченностями соседних слоев.
Явление GMR можно описать с помощью двух каналов спиновой проводимости, соответствующих проводимости электронов, для которых сопротивление является минимальным или максимальным. Связь между ними часто определяют через коэффициент спиновой анизотропии β. Этот коэффициент может быть определен с использованием минимума и максимума удельного электрического сопротивления ρ F ± для спин-поляризованного тока в виде
где ρ F - среднее удельное сопротивление ферромагнетика.
Если рассеяние носителей заряда на границе раздела между ферромагнитным и немагнитным металлом мало и направление электронных спинов сохраняется достаточно долго, удобно рассматривать модель, в которой полное сопротивление образца складывается из сопротивлений магнитного и немагнитного слоев.
В этой модели есть два канала проводимости для электронов с различными направлениями спина относительно намагниченности слоев. Следовательно, эквивалентная схема структуры GMR состоит из двух параллельных соединений, соответствующих каждому из каналов. В этом случае GMR может быть выражен как
Здесь индекс R обозначает коллинеарную и противоположно ориентированную намагниченность в слоях, χ = b / a - отношение толщин магнитного и немагнитные слои, и ρ N - удельное сопротивление немагнитного металла. Это выражение применимо как для структур CIP, так и для CPP. При условии 
Такое устройство, сопротивление которого зависит от ориентации спина электрона., называется спиновым клапаном. Он «открыт», если намагниченности его слоев параллельны, и «закрыт» в противном случае.
В 1993 году Тьерри Вале и Альбер Фер представили модель для гигантское магнитосопротивление в геометрии CPP, основанное на уравнениях Больцмана. В этой модели химический потенциал внутри магнитного слоя разделен на две функции, соответствующие электронам со спинами, параллельными и антипараллельными намагниченности слоя. Если немагнитный слой достаточно тонкий, то во внешнем поле E 0 поправки к электрохимическому потенциалу и полю внутри образца будут иметь вид
где ℓ s - средняя длина вращения релаксации, а координата z измеряется от границы между магнитным и немагнитным слоями (z < 0 corresponds to the ferromagnetic). Thus electrons with a larger chemical potential will accumulate at the boundary of the ferromagnet. This can be represented by the potential of spin accumulation VASили по так называемому межфазному сопротивлению (присущему границе между ферромагнетиком и немагнитным материалом)
где j - плотность тока в образце, ℓ sN и ℓ sF - длина спиновой релаксации в немагнитных и магнитных материалах, соответственно.
Многие комбинации материалов демонстрируют GMR, наиболее распространенными являются следующие:
Магнитосопротивление зависит от многих параметров, таких как геометрия устройства (CIP или CPP), его температура и толщина ферромагнитных и немагнитных слоев. При температуре 4,2 К и толщине слоев кобальта 1,5 нм увеличение толщины слоев меди d Cu с 1 до 10 нм уменьшало δ H с 80 до 10% в геометрия CIP. Между тем, в геометрии CPP максимум δ H (125%) наблюдался для d Cu = 2,5 нм, а увеличение d Cu до 10 нм уменьшало δ H до 60% колеблющимся образом.
Когда сверхрешетка Co (1,2 нм) / Cu (1,1 нм) нагревается от почти нуля до 300 K, ее δ H уменьшилось с 40 до 20% в геометрии CIP и со 100 до 55% в геометрии CPP.
Немагнитные слои могут быть неметаллическими. Например, δ H до 40% было продемонстрировано для органических слоев при 11 К. Графеновые спиновые клапаны различных конструкций показали δ H около 12% при 7 К и 10% при 300 K, что намного ниже теоретического предела 109%.
Эффект GMR можно усилить с помощью спиновых фильтров, которые отбирают электроны с определенной ориентацией спина; они сделаны из металлов, таких как кобальт. Для фильтра толщиной t изменение проводимости ΔG может быть выражено как
где ΔG SV - изменение проводимости спинового клапана без фильтра, ΔG f - максимальное увеличение проводимости с фильтром, а β - параметр фильтрующего материала.
GMR часто классифицируют по типу устройств
ГМС в пленках были впервые обнаружены Фертом и Грюнбергом при исследовании сверхрешеток, состоящих из ферромагнитных и немагнитных слоев. Толщина немагнитных слоев была выбрана такой, чтобы взаимодействие между слоями было антиферромагнитным, а намагниченность в соседних магнитных слоях была антипараллельной. Тогда внешнее магнитное поле могло бы сделать векторы намагниченности параллельными, тем самым влияя на электрическое сопротивление структуры.
Магнитные слои в таких структурах взаимодействуют посредством антиферромагнитной связи, что приводит к осциллирующей зависимости GMR от толщины слоя немагнитный слой. В первых датчиках магнитного поля, использующих антиферромагнитные сверхрешетки, поле насыщения было очень большим, до десятков тысяч эрстед, из-за сильного антиферромагнитного взаимодействия между их слоями (сделанными из хрома, железа или кобальта) и сильные поля анизотропии в них. Поэтому чувствительность устройств была очень низкой. Использование пермаллоя для магнитных и серебра для немагнитных слоев снизило поле насыщения до десятков эрстед.
В большинстве случаев При успешном вращении клапанов эффект GMR возникает из-за обменного смещения. Они состоят из чувствительного слоя, «фиксированного» слоя и антиферромагнитного слоя. Последний слой фиксирует направление намагничивания в «фиксированном» слое. Чувствительный и антиферромагнитный слои сделаны тонкими, чтобы уменьшить сопротивление конструкции. Клапан реагирует на внешнее магнитное поле изменением направления намагниченности в чувствительном слое относительно «неподвижного» слоя.
Основным отличием этих спиновых клапанов от других многослойных устройств ГМС является монотонная зависимость амплитуды влияния на толщину d N немагнитных слоев:
где δ H0 - нормировочная константа, λ N - длина свободного пробега электронов в не -магнитный материал, d 0 - эффективная толщина, которая включает взаимодействие между слоями. Зависимость от толщины ферромагнитного слоя может быть задана как:
Параметры имеют то же значение, что и в предыдущем уравнении, но теперь они относятся к ферромагнитному слою.
GMR также можно наблюдать в отсутствие антиферромагнитных связывающих слоев. В этом случае магнитосопротивление возникает из-за различия коэрцитивных сил (например, для пермаллоя оно меньше, чем для кобальта). В многослойных слоях, таких как пермаллой / Cu / Co / Cu, внешнее магнитное поле переключает направление намагниченности насыщения на параллельное в сильных полях и на антипараллельное в слабых полях. Такие системы демонстрируют более низкое поле насыщения и большее δ H, чем сверхрешетки с антиферромагнитной связью. Аналогичный эффект наблюдается в структурах Co / Cu. Существование этих структур означает, что GMR не требует межслойной связи и может происходить из распределения магнитных моментов, которым можно управлять с помощью внешнего поля.
В обратная ГМС, сопротивление минимально при антипараллельной ориентации намагниченности в слоях. Обратный ГМС наблюдается, когда магнитные слои состоят из разных материалов, таких как NiCr / Cu / Co / Cu. Удельное сопротивление электронов с противоположными спинами можно записать как 
Обратное GMR также наблюдается, если сплав NiCr заменен легированным ванадием никель, но не для легирования никеля железом, кобальтом, марганцем, золотом или медью.
GMR в гранулированных сплавах ферромагнитных и немагнитных металлов был открыт в 1992 г. и впоследствии объясняется спин-зависимым рассеянием носителей заряда на поверхности и в объеме зерен. Зерна образуют ферромагнитные кластеры диаметром около 10 нм, встроенные в немагнитный металл, образуя своего рода сверхрешетку. Необходимым условием эффекта ГМС в таких структурах является плохая взаимная растворимость его компонентов (например, кобальта и меди). Их свойства сильно зависят от температуры измерения и отжига. Они также могут демонстрировать обратный GMR.
Копия датчика GMR, разработанного Питером Грюнбергом Один из Основное применение материалов GMR - датчики магнитного поля, например, в жестких дисках и биосенсорах, а также в детекторах колебаний в MEMS. Типичный датчик на основе GMR состоит из семи слоев:
Связующий и защитный слои часто изготавливаются из тантала, а типичным немагнитным материалом является медь. В чувствительном слое намагниченность может быть переориентирована внешним магнитным полем; обычно он изготавливается из сплавов NiFe или кобальта. FeMn или NiMn можно использовать в качестве антиферромагнитного слоя. Неподвижный слой изготовлен из магнитного материала, например кобальта. Такой датчик имеет асимметричную петлю гистерезиса из-за наличия магнитотвердого фиксированного слоя.
Спиновые клапаны могут проявлять анизотропное магнитосопротивление, что приводит к асимметрии на кривой чувствительности.
В жестких дисках (HDD) информация кодируется с использованием магнитных доменов, и изменение направления их намагничивания связано с логическим уровнем 1 без изменений представляет собой логический 0. Существует два метода записи: продольный и перпендикулярный.
В продольном методе намагничивание перпендикулярно поверхности. Между доменами образуется переходная область (доменные стенки), в которой магнитное поле выходит из материала. Если доменная стенка расположена на границе двух доменов северного полюса, то поле направлено наружу, а для двух доменов южного полюса - внутрь. Чтобы считывать направление магнитного поля над доменной стенкой, направление намагничивания фиксируется перпендикулярно поверхности в антиферромагнитном слое и параллельно поверхности в чувствительном слое. Изменение направления внешнего магнитного поля отклоняет намагниченность в чувствительном слое. Когда поле стремится выровнять намагниченности в чувствительном и фиксированном слоях, электрическое сопротивление датчика уменьшается, и наоборот.
Использование спинового клапана в MRAM. 1: спиновой клапан как ячейка памяти (стрелки указывают на наличие ферромагнитных слоев), 2: строка строки, 3: строка столбца. Эллипсы со стрелками обозначают силовые линии магнитного поля вокруг строк и столбцов, когда через них протекает электрический ток. Ячейка магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM) имеет структуру, аналогичную спин-клапану датчик. Значение сохраненных битов может быть закодировано через направление намагничивания в слое датчика; он считывается путем измерения сопротивления конструкции. Преимуществами этой технологии являются независимость от источника питания (информация сохраняется при отключении питания из-за потенциального барьера для переориентации намагниченности), низкое энергопотребление и высокая скорость.
В типичном GMR- На базе блока хранения CIP-структура расположена между двумя перпендикулярными друг другу проводами. Эти проводники называются линиями строк и столбцов. Импульсы электрического тока, проходящие через линии, создают вихревое магнитное поле, которое влияет на структуру ГМС. Силовые линии имеют эллипсоидную форму, а направление поля (по часовой стрелке или против часовой стрелки) определяется направлением тока в линии. В структуре ГМС намагниченность ориентирована вдоль линии.
Направление поля, создаваемого линией колонны, почти параллельно магнитным моментам, и это не может их переориентировать. Линия ряда перпендикулярна и независимо от величины поля может повернуть намагниченность всего на 90 °. При одновременном прохождении импульсов по строкам и столбцам полное магнитное поле в месте расположения структуры ГМС будет направлено под острым углом к одной точке и тупым углом к другим. Если значение поля превышает какое-то критическое значение, последнее меняет свое направление.
Для описываемой ячейки существует несколько способов хранения и чтения. В одном методе информация хранится в чувствительном слое; он считывается при измерении сопротивления и стирается при считывании. В другой схеме информация хранится в фиксированном слое, для чего требуются более высокие токи записи по сравнению с токами считывания.
Туннельное магнитосопротивление (TMR) - это расширение спинового клапана GMR, в котором электроны перемещаются вместе со своими спины, ориентированные перпендикулярно слоям через тонкий изолирующий туннельный барьер (заменяющий неферромагнитную прокладку). Это позволяет достичь большего импеданса, большего значения магнитосопротивления (~ 10x при комнатной температуре) и незначительной температурной зависимости. TMR теперь заменил GMR в MRAM и дисковых накопителях, в частности, для больших площадей и перпендикулярной записи.
Магниторезистивные изоляторы для бесконтактной передачи сигнала между двумя электрическими изолированные части электрических цепей были впервые продемонстрированы в 1997 году как альтернатива оптоизоляторам. Мост Уитстона из четырех идентичных устройств GMR нечувствителен к однородному магнитному полю и реагирует только тогда, когда направления поля антипараллельны в соседних плечах моста. О таких устройствах сообщалось в 2003 году, и их можно использовать в качестве выпрямителей с линейной частотной характеристикой.
