Mágnesség, spinszelepek

Átírás

1 Mágnesség, spinszelepek Bevezetés Az informatikai eszközök folyamatosan fejlődnek, ennek egyik legszembetűnőbb eredménye az adattárolás forradalma, hiszen az egy bit tárolására alkalmas fizikai terület egyre csökken: a vékonyréteg technika már olyan rétegek készítését is lehetővé teszi, melyek az elektron szabad úthosszával összehasonlítható méretűek. A hagyományos eszközökben használt technika az elektron töltését használja ki, így ezt elektronikának hívjuk. Az 1922-es Stern-Gerlach-kísérlet óta bizonyítottan tudjuk, hogy az elektronnak saját impulzusmomentuma, spinje is van. Az utóbbi években megjelentek olyan újfajta, nanotechnológiával készített eszközök is, amelyek működési elvét az elektron kétféle spinállapota biztosítja, megteremtve ezáltal egy új, perspektivikus iparág, a spintronika alapjait. A spintronika jelentőségét mutatja, hogy a évi fizikai Nobel-díjat egy ilyen elven működő jelenség, nevezetesen az óriás mágneses ellenállás (angolul: giant magnetoresistance = GMR) felfedezéséért ítélték oda. Az alapok Már a 19. század közepe óta ismert tény, hogy mágneses térbe helyezett ferromágneses fémek elektromos ellenállása mérhetően megváltozik a külső tér függvényében. A jelenség klasszikus magyarázata, hogy mágneses térben a Lorenz-erő hatására a töltéshordozók spirál pályán jutnak át a vezetőn, így hosszabb útra kényszerülnek, mint különben, ezáltal nő az ellenállás. Ebből következően az MR ellenállás általában 1

2 nagyobb az áram irányára merőleges tér esetén, mint azzal párhuzamosan. Az MR nagysága az alábbi képlet alapján adható meg: MR = R H R 0 R 0 (1) A képletben R 0 a külső tér nélküli, R H pedig az aktuális külső térben mérhető elektromos ellenállás. Ez a változás még nagy külső terek esetében sem jelentős, 1% alatt marad. Az MR csak a külső mágneses tér irányától és annak nagyságától függ. Ezzel szemben tapasztalható olyan változás is, melynél az ellenállás a mágnesezettség és az áram irányától való függést mutat, ezért ezt anizotrop mágneses ellenállásnak (AMR) nevezzük. Ennek nagysága általában 1-2%, de egyes anyagokban akár 5%-os is lehet. A jelenség elvi magyarázata a spin-pálya csatolás és a d sáv felhasadása. Az anizotrop mágneses ellenállás mértéke: ρ ρ = ρ pár ρ mer 1 3 ρ pár ρ mer A képletben a mer, pár indexek a mágnesezettség és az áram egymáshoz képesti állását (merőleges ill. párhuzamos) jelölik. Azokat a szendvicsszerű szerkezettel rendelkező struktúrákat, melyek egymásra váltakozva felvitt ferromágneses, ill. nemmágneses rétegekből állnak, a szilárdtestfizikai irodalomban multirétegeknek nevezik. Az elmúlt évtizedekben a vékonyréteg technológiák gyorsütemű fejlődésével lehetővé vált a rétegvastagsággal lemenni a nanométeres skálákig, ami ezen rétegek elektromos transzport tulajdonságaiban jelentős változást hozott. Ennek oka abban keresendő, hogy az egyes alkotórétegek kisebb távolságokon belül váltották egymást, mint amekkorák az elektron transzportra jellemző karakterisztikus távolságok (pl.: elektron közepes szabad úthossza). A vékonyréteg-technológiák közül különösen az epitaxiális rétegnövesztés terén elért haladás volt döntő jelentőségű. A kezdetben a félvezető-technológia számára kidolgozott molekulasugaras epitaxia (angolul: molecular beam epitaxy = MBE) segítségével az 1970-es évek végétől alkalmasan megválasztott egykristály- hordozóra már nagyon kevés hibahelyet tartalmazó fémes vékonyrétegeket lehetett növeszteni nanométeres vastagságban. Itt vegyük figyelembe, hogy fémeknél az 1 nm-es rétegvastagság körülbelül 5 atomi rétegnek felel meg, ahol már valóban várható, hogy a fizikai tulajdonságok lényegesen megváltozhatnak a tömbi anyagokhoz képest ben jelentek meg az első publikációk arról, hogy bizonyos multirétegekben a tömbi ferromágnesekben mérhető AMR nagyságát számottevően meghaladó mágneses ellenállás mérhető. Fert és csoportja Fe/Cr multirétegeket vizsgált, és azt tapasztalták, hogy 4,2 K hőmérsékleten mágneses térbe helyezve a mintát az elektromos ellenállás közel 50%-os (2) 2

3 változást mutatott a nulla külső terű állapothoz képest 1-2 T nagyságú térváltozásoknál, amit nem lehetett magyarázni az addigi elméletekkel. Ezt a jelenséget nevezték el GMR-nek. A jelenséget kezdetben kizárólag olyan multirétegekben sikerült megfigyelni, melyekben a szomszédos ferromágneses rétegek csatolása antiferromágneses volt. Antiferromágneses csatolás esetén külső tér nélkül az egymással szomszédos mágneses rétegek mágnesezettsége antiparallel beállású. Mágneses térbe helyezéskor amennyiben elérjük azt a határt, mely legyőzi az antiferromágneses csatolást a rétegek mágnesezettségét azonos irányba lehet állítani (parallel beállás). A GMR A GMR jelenség alapjául a vezetési elektronok spin-függő szóródása szolgál, amit az úgynevezett két-áram modell keretében lehet tárgyalni. Ez azt jelenti, hogy a vezetésért felelős elektronok között megkülönböztetjük a felfele ( ) és lefele ( ) mutató spinű állapotokat és azt mondjuk, hogy az elektromos vezetés egy felfele és egy lefele álló spinű elektronok által alkotott vezetési ágban történik, amelyek egymással párhuzamosan vannak kötve. 2. ábra. A vezetési elektronok GMR-ért felelős spin-függő szórásának szemléltetése A 2. ábrán látható kis nyilak az elektronok spin-irányát ábrázolják. FM : ferromágneses, 3

4 NM : nemmágneses rétegek. Alul az adott konfigurációval ekvivalens ellenállás-elrendezés látható. Az elektronok minden egyes ferromágneses rétegen áthaladva szóródnak. Ez a vezetési elektron spin és a mágnesezettség relatív irányától függően lehet erős (nagy ellenállás), illetve gyenge szóródás (kis ellenállás). Az egész struktúrát 4 db ellenállással reprezentálva könnyen belátható, hogy az eredő ellenállás parallel beállás esetén kisebb (bal oldali ábra), antiparallel esetben nagyobb (jobb oldali ábra) lesz. A spinszelep-rendszerek A GMR effektus felfedezése után erőteljes kutatás indult a gyakorlati felhasználási lehetőségek keresésének irányában ben már olyan Co/Cu multirétegeket készítettek, melyek közel 50%-os GMR-t mutattak szobahőmérsékleten ben született meg az első elképzelés olyan, a GMR effektuson alapuló rétegszerkezetek ún. spinszelepek készítéséről, melyek mágneses szenzorként alkalmazhatók ben kerültek piacra az első olyan merevlemezek, melyek olvasófejeiben már ilyen rendszerek működtek, mára pedig ez a kiolvasási technika egyeduralkodóvá vált. Előnyük a korábban alkalmazott szenzorokkal szemben, hogy sokkal nagyobb az érzékenységük, így a mágneses adathordozók tárolási bitsűrűségét a korábbi értékek többszörösére lehetett növelni. Ez forradalmi áttörést hozott a merevlemez technológiákban. A klasszikus spinszelep rendszer alapja olyan szendvicsszerkezet, melyben két, nemmágneses réteggel elválasztott ferromágneses réteg között antiferromágneses csatolás van (lásd 3. ábra). Az egyik réteg mágnesezettségét egy vele közvetlen kicserélődési kölcsönhatásban lévő antiferromágneses réteggel rögzítjük, míg a másik réteg (az ún. szabad réteg) mágnesezettségét a külső mágneses térrel (illetve mágneses adattárolásnál használt olvasófejekben az információtárolási egység szórt külső mágneses terével) változtathatjuk. A két ferromágneses réteg relatív beállási irányától függően változik a rendszer elektromos 4

5 ellenállása. Ha a szabad réteg mágnesezettsége a rögzített rétegével parallelállású, kisebb ellenállás értéket kapunk, mint az antiparallel beállás esetén. A GMR effektuson alapuló spinszelep szenzor rendszerek másik megvalósítási lehetősége az ún. pszeudo-spinszelep rendszerek családja. Ebben az esetben a ferromágneses rétegek között nincs csatolás, viszont úgy választják meg őket, hogy a koercitív erejük különböző legyen. Spin-függő alagúteffektus (TMR) A GMR effektus felfedezése után felerősödött a spin-polarizáció területén folyó kutatási tevékenyég ben megfigyelték, hogy szendvicsszerkezetű anyagba (Fe/Al 2 O 3 /Al) a ferromágneses Fe fémből spin-polarizált áram folyik alagúteffektussal az Al 2 O 3 szigetelőn keresztül a szupravezető Al fémbe. A harmadik rétegen kilépő elektronokból megállapítható volt a spin-polarizációjuk (P). A spinállapot definíciója: P = n n n + n (3) ahol n illetve n jelöli a kétféle spin iránynak megfelelő elektron állapotűrűségét. A TMR effektus lényege, hogy a FM/I/FM típusú szendvics szerkezetű anyagokban az elektronok legnagyobb valószínűséggel alagúteffektussal jutnak át az egyik ferromágneses rétegből a szigetelő rétegen keresztül a másik ferromágneses rétegbe, parallel beállásnál könnyebben mint az antiparallel beállás esetén, így a két esetre eltérő ellenállás értéket kapunk: R illetve R. A két ellenállás különbsége megadja az alagutazó mágneses ellenállást: TMR = R R = R R R = 2 P 1P P 1 P 2 (4) A képletben P 1 ill. P 2 a ferromágneses fémnél a két különböző spin-polarizáció. 5

6 Megfelelő anyagokból előállított multirétegekben már szobahőmérsékleten is megfigyeltek 10%-nál nagyobb TMR-t. Ez, illetve az a tény, hogy nagyon kis mágneses terekre is érzékeny a jelenség vonzóvá teszi a TMR szerkezetű anyagokat szenzorként és memóriaelemként történő alkalmazásra. Kolosszális mágneses ellenállás (CMR) További ígéretes lépést jelentett az úgy nevezet kolosszális mágneses ellenállás változást (CMR) mutató anyagok felfedezése 1993-ban. A kolosszális elnevezés arra utal, hogy a detektált ellenállás változás nagyságrendekkel nagyobb, mint a korábbi anyagoknál (MR, GMR). A jelenséget a magas hőmérsékletű szupravezető kerámia anyagoknál detektálták. Tulajdonképpen ezek is réteges szerkezetűek, de a rétegek vastagsága nem néhány nm, mint a GMR eseté, hanem néhány tized nanométer. Perovszkit szerkezetű Mn-O alapú rétegek alkotják, amelyeket Cn-O rétegek választanak el egymástól (5. ábra). A Mn atomokat részlegesen lantánnal (Ln) és stronciummal (Sr) helyettesítik. 5. ábra. A CMR tulajdonságával rendelkező anyag szerkezete. Perovszkit szerkezetű Mn-O rétegek (tetraéderek) Cu-O atomsíkokkal elválasztva. Ezek az anyagok alacsony hőmérsékleten fémes tulajdonságúak, majd magasabb hőmérsékleten szigetelőként viselkednek. Mágneses tér hatására az ellenállásuk jelentősen csökken egy széles hőmérséklettartományban, az átmenet környékén (6. ábra). 6

7 6. ábra. Az ellenállás különböző mágneses tereknél a hőmérséklet függvényében. A jelenség értelmezésére több elmélet született. Dessan és Chuuang nagyfelbontású, szög-felbontású fotoemissziós spektroszkópiával (ARPES) meghatározták a CMR jelenséget mutató mangán-oxid elektronszerkezetét. Azt találták, hogy a mintában kétféle elektronszerkezetű tartomány váltogatja egymást nanométeres skálán Arra a következtetésre jutottak, hogy az eredendően kétdimenziós Mn-O síkokban a vezetési elektronok egy része csupán 1 dimenziós áramot mutat. A mágneses tér bekapcsolásával periodikus torzulás keletkezik a kristályszerkezetben, ami a molekuláris pályákat egyes helyeken közelebb hozza egymáshoz, máshol viszont távolabb kerülnek. Így szigetelő és vezető tartományok, az utóbbi esetén 1 dimenziós elektronáramok váltogatják egymást, és az áram hopping mechanizmussal (atomról atomra ugorva) folyik a szigetelő tartományokon át a kedvezően orientált területek között. Ez az elmélet megmagyarázza azt is, hogy a vezetési elektronoknak miért csak a 10%-a veszt részt a vezetésben. A spintronika jelene és jövője Visszatekintve a GMR felfedezése óta eltelt közel húsz évre, megállapítható, hogy ez az eredmény jóval nagyobb hatással volt a mágneses nanoszerkezetek elektromos és mágneses tulajdonságainak kutatására, mint csupán a merevlemez-kiolvasófej érzékenységének jelentős megjavítása, ami persze azután a tárolási sűrűség korábban elképzelhetetlen mértékű megnövelését vonta maga után. Nyilvánvaló, hogy a GMR felfedezése katalizált sok egyéb, ma már spintronikainak nevezett egyéb kutatást is, illetve teljesen új spintronikai kutatási területek is megjelentek. Az előbbiekre példa a TMR vizsgálata FM-fém/szigetelő/FM-fém heterostruktúrákban, a spintranzisztor kidolgozása, a mágneses félvezetők kutatása. 7

8 Utóbbiakra példa a GMR-szerkezetek és félvezetők kombinálásából álló hibrid eszközök létrehozása, vagy az áramindukálta átmágnesezési folyamatok vizsgálata. Mindezek tulajdonképpen egy spintronikai iparág megalapozását jelentik, az alagutazó mágneses ellenállásra alapozott mágneses (magnetorezisztív) RAM-memóriák (MRAM) fejlesztése például már nagy intenzitással folyik világszerte. Ez komoly kihívást jelent a hagyományos félvezető RAM-memóriák számára az MRAM-ok jobbnak ígérkező paraméterei és kisebb energiaigénye miatt, ami egyúttal a miniatürizálhatóság irányában is komoly előrelépést biztosíthat. 7. ábra. Az MRAM. Befejezés Végezetül egy mondat a Nobel Alapítvány honlapjáról: A GMR-effektus története nagyon jó példája annak, amikor egy teljesen váratlan tudományos felfedezés vadonatúj technológiákhoz és ipari termékekhez vezet. A GMR felfedezéséért most Nobel- díjjal jutalmazott kutatók annak idején kifejezetten alapkutatási célokra kaptak támogatást, bármiféle konkrét alkalmazási célkitűzés nélkül. Ez ráadásul igen költséges alapkutatás volt: drága minta-előállító berendezésre (MBE) volt szükség a hozzá tartozó különleges in-situ mintaminősítő eszközökkel és extrém körülmények között (alacsony hőmérsékleteken és nagy mágneses terekben) végzendő kísérletekkel. A jó felszereltség, párosulva a korábbi tapasztalatokra épülő gondos kísérleti munkával és megfelelő intellektuális teljesítménnyel végül nagy hatású eredményre vezetett ebben a konkrét esetben, de világos, hogy sok korábbi, szintén csak alapkutatási céllal végzett kutatómunka eredménye is hozzájárult ehhez a felfedezéshez. Ebből nyilvánvalóan azt a következtetést kell levonni, hogy a tiszta alapkutatás támogatása nem köthető közvetlenül alkalmazási elvárásokhoz, mert csak színvonalas 8

9 alapkutatási eredmények alapján születhetnek a későbbiekben gyakorlati felhasználást eredményező felismerések. Források GMR: Óriás mágneses ellenállás változás, Fogarassy Zsolt, 2006 Az óriás mágneses ellenállás felfedezése (1988) a spintronika nyitánya, Bakonyi Imre et al., Fizikai Szemle 2008/2. Kísérletek elektrolitikusan előállított spinszelep rendszer létrehozására (diplomamunka), Bartók András,