Туннельное магнитосопротивление: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
[непроверенная версия][отпатрулированная версия]
Содержимое удалено Содержимое добавлено
Опечатка
 
(не показаны 24 промежуточные версии 17 участников)
Строка 1: Строка 1:
[[Файл:Magnetic Tunnel Junction.svg|мини|Пример структуры, в которой возникает эффект туннельного магнетосопротивления.]]
'''Туннельное магни́тное сопротивле́ние''' или '''туннельное магнитосопротивление''' (сокр. ''ТМС'', {{lang-en|Tunnel magnetoresistance}}, сокр. TMR) — квантовомеханический эффект, проявляется при протекании тока между двумя слоями [[ферромагнетик]]ов разделенных тонким (около 1 [[нанометр|нм]]) слоем [[диэлектрик|диэлектрика]]. При этом общее [[Электрическое сопротивление|сопротивление]] устройства, [[Электрический ток|ток]] в котором протекает из-за [[Туннельный эффект|туннельного эффекта]], зависит от взаимной ориентации полей намагничивания двух магнитных слоев. Сопротивление выше при [[Антиферромагнетизм|перпендикулярной]] намагниченности слоев. Эффект туннельного магнитного сопротивления похож на эффект [[Гигантское магнитное сопротивление|гигантского магнитного сопротивления]], но в в нем, вместо слоя немагнитного металла используется слой изолирующего туннельного барьера.
'''Туннельное магни́тное сопротивле́ние,''' '''туннельное магнитосопротивление или магнетосопротивление''' (сокр. ''ТМС'', {{lang-en|Tunnel magnetoresistance}}, сокр. TMR) [[Квантовая механика|квантовомеханический]] эффект, проявляется при протекании [[Электрический ток|тока]] между двумя слоями [[ферромагнетик]]ов, разделенных тонким (около 1 [[нанометр|нм]]) слоем [[диэлектрик]]а. При этом общее [[Электрическое сопротивление|сопротивление]] устройства, ток в котором протекает из-за [[Туннельный эффект|туннельного эффекта]], зависит от взаимной ориентации полей [[Намагниченность|намагничивания]] двух магнитных слоев. Сопротивление выше при [[Антиферромагнетизм|антипараллельной]] намагниченности слоев. Эффект туннельного магнитного сопротивления похож на эффект [[Гигантское магнитное сопротивление|гигантского магнитного сопротивления]], но в нём вместо слоя немагнитного металла используется слой изолирующего туннельного барьера.


== История открытия ==
Эффект был открыт в 1975 Мишелем Жюльером, использовавшим [[железо]] в качестве ферромагнетика и [[германий]] в качестве диэлектрика. Он проявлялся при температуре 4.2 [[Кельвин|К]], поэтому не привлек к себе внимания, из-за отсутствия практического применения. <ref>* {{cite journal | author=M. Jullière | title=Tunneling between ferromagnetic films | journal=Phys. Lett.| year=1975 | volume=54A | pages=225–226}} [http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TVM-46R3N46-10D/2/90703cfc684b0679356dce9a76b2e942 sciencedirect]</ref>
Эффект был открыт в 1975 году Мишелем Жюльером, использовавшим [[железо]] в качестве ферромагнетика и [[Оксид германия(II)|оксид германия]] в качестве диэлектрика (структура [[Железо|Fe]]/[[Оксид германия(II)|GeO]]/[[Кобальт|Co]]). Данный эффект проявлялся при температуре 4,2 [[Кельвин|К]], при этом относительное изменение сопротивления составляло около 14 %, поэтому ввиду отсутствия практического применения он не привлек к себе внимания<ref>{{статья |заглавие=Tunneling between ferromagnetic films |издание={{Нп3|Physics Letters|Phys. Lett.||Physics Letters}} |том=54A |страницы=225—226 |язык=en |автор=M. Jullière |год=1975 |тип=journal}} [http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TVM-46R3N46-10D/2/90703cfc684b0679356dce9a76b2e942 sciencedirect] {{Wayback|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TVM-46R3N46-10D/2/90703cfc684b0679356dce9a76b2e942 |date=20090708082901 }}</ref>.


При комнатной температуре действие эффекта впервые было открыто в [[1991 год]]у Терунобу Миязаки ([[Университет Тохоку]], [[Япония]]), изменение сопротивления составило всего 2,7 %. Позже, в [[1994 год]]у, Миядзаки впервые обнаружил в переходе Fe/[[Оксид алюминия|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]/Fe отношение магнитосопротивления 30 % при 4,2 К и 18 % при 300 K<ref>{{Статья|ссылка=http://cel.webofknowledge.com/InboundService.do?customersID=Publons_CEL&smartRedirect=yes&mode=FullRecord&IsProductCode=Yes&product=CEL&Init=Yes&Func=Frame&action=retrieve&SrcApp=Publons&SrcAuth=Publons_CEL&SID=F6NKB3PdqBrUJWmVD3M&UT=WOS%3AA1995QE02300001|автор=Miyazaki, T; Tezuka, N|заглавие=Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction|год=1995|язык=en|издание=Journal of Magnetism and Magnetic Materials|тип=|месяц=Jan|число=|том=139|номер=|страницы=L231-L234|issn=0304-8853|doi=10.1016/0304-8853(95)90001-2}}</ref>. Независимо от него группой ученых во главе с Джагадишем Мудера в соединениях CoFe и Co был обнаружен эффект 11,8 %<ref>{{Статья|ссылка=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1995PhRvL..74.3273M/abstract|автор=J. S. Moodera; et al|заглавие=Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions|год=1995|язык=en|издание=Physical Review Letters|тип=|месяц=April|число=17|том=74|выпуск=16|номер=|страницы=3273—3276|issn=|doi=10.1103/PhysRevLett.74.3273}}</ref>, в связи с возобновлением интереса к исследованиям в этой области после открытия [[Гигантское магнитное сопротивление|эффекта гигантского магнитного сопротивления]]. Наибольший эффект, наблюдаемый в то время с изоляторами из оксида алюминия, составлял около 70 % при комнатной температуре.
При комнатной температуре, действие эффекта было открыто в 1995 году впервые Терунобу Миязаки и независимо от него группой ученых во главе с Джагадишем Мудера, при возобновления интереса к исследованиям в этой области, после открытия [[Гигантское магнитное сопротивление|эффекта гигантского магнитного сопротивления]]. В настоящее время на основании эффекта туннельного магнитного сопротивления создана [[Магниторезистивная оперативная память|магниторезистивная оперативная память]] ([[MRAM]]), и он также применяется в считывающих головках [[Жесткий диск|жестких дисков]].


В 2001 году группа Батлера и группа Матона независимо сделали теоретическое предсказание, что при использовании [[железо|железа]] в качестве ферромагнетика и оксида магния в качестве диэлектрика, эффект туннельного магнитного сопротивления может возрасти на несколько тысяч процентов. В 2004 году, группа Перкина и группа Юаса смогли изготовить устройства на основе Fe/MgO/Fe и достичь величины туннельного магнитосопротивления в 200% при комнатной температуре. В 2007 году, устройства на основе туннельного магниторезистивного эффекта с оксидом магния полностью заменили устройства на основе эффекта [[Гигантское магнитное сопротивление|гигантского магнитного сопротивления]] на рынке устройств магнитного хранения информации.
В [[2001 год]]у группа Батлера и группа Матона независимо сделали теоретическое предсказание, что при использовании [[железо|железа]] в качестве ферромагнетика и [[Оксид магния|оксида магния]] в качестве диэлектрика эффект туннельного магнитного сопротивления может возрасти на несколько тысяч процентов. В том же году Боуэн и др. первыми сообщили об экспериментах, показывающих значительное туннельное магнитосопротивление в туннельном переходе на основе [[Оксид магния|MgO]] (Fe/MgO/FeCo)<ref>{{Статья|ссылка=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001ApPhL..79.1655B/abstract|автор=M. Bowen; et al|заглавие=Large magnetoresistance in Fe/MgO/FeCo(001) epitaxial tunnel junctions on GaAs(001)|год=2001|язык=en|издание=Applied Physics Letters|тип=|месяц=September|число=|том=79|выпуск=11|номер=|страницы=|issn=|doi=10.1063/1.1404125|archivedate=2022-01-29|archiveurl=https://web.archive.org/web/20220129101429/https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001ApPhL..79.1655B/abstract}}</ref>.

В [[2004 год]]у группа Перкина и группа Юаса смогли изготовить устройства на основе Fe/MgO/Fe и достичь величины туннельного магнитосопротивления в 200 % при комнатной температуре<ref>{{Статья|ссылка=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004NatMa...3..868Y/abstract|автор=S. Yuasa; T. Nagahama; A. Fukushima; Y. Suzuki, K. Ando|заглавие=Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions|год=2004|язык=en|издание=Nature Materials|тип=|месяц=December|число=|том=3|выпуск=12|номер=|страницы=868—871|issn=|doi=10.1038/nmat1257|archivedate=2021-05-28|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210528174519/https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004NatMa...3..868Y/abstract}}</ref>.

В 2007 году устройства на основе ТМР эффекта с оксидом магния полностью заменили устройства на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления на рынке устройств магнитного [[Устройства хранения информации|хранения информации]].

В [[2008 год]]у С. Икеда, Х. Оно и др. из Университета Тохоку в Японии наблюдали эффект относительного изменения сопротивления до 604 % при комнатной температуре и более 1100 % при 4,2 К в соединениях CoFeB/MgO/CoFeB<ref>{{Статья|ссылка=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008ApPhL..93h2508I/abstract|автор=Ikeda, S.; Hayakawa, J.; Ashizawa, Y.; Lee, Y. M.; Miura, K.; Hasegawa, H.; Tsunoda, M.; Matsukura, F.; Ohno, H.|заглавие=Tunnel magnetoresistance of 604% at 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB/MgO/CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature|год=2008|язык=en|издание=Applied Physics Letters|тип=|месяц=August|число=|том=93|выпуск=8|номер=|страницы=|seite=|issn=|doi=10.1063/1.2976435|archivedate=2020-07-29|archiveurl=https://web.archive.org/web/20200729231003/https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008ApPhL..93h2508I/abstract}}</ref>. Однако впоследствии оказалось, что столь большие значения являлись результатом ошибки датчика сопротивления, и статьи были отозваны.

== Теория ==
В [[Классическая физика|классической физике]], если энергия частицы меньше высоты барьера, то она полностью отражается от барьера. Напротив, в квантовой механике существует отличная от нуля вероятность нахождения частицы по другую сторону барьера. В структуре [[Ферромагнетики|ферромагнит]] — [[Диэлектрик|изолятор]] — ферромагнит для электрона энергией ε<sub>F</sub> изолятор представляет собой барьер толщиной d и высотой ε<sub>В</sub> > ε<sub>F</sub>.

Рассмотрим [[Зонная теория|зонную структуру]] магнитных ([[Кобальт|Co]],[[Железо|Fe]],[[Никель|Ni]]) металлов. [[Переходные металлы]] имеют 4s, 4p и 3d валентные электроны, различающиеся орбитальным моментом. Состояния 4s и 4p образуют sp — [[Зона проводимости|зону проводимости]], в которой электроны имеют высокую скорость, малую [[плотность состояний]] и, следовательно, большую [[Длина свободного пробега|длину свободного пробега]], то есть можно предполагать, что они ответственны за проводимость 3d металлов. В то же время d-зона характеризуется высокой плотностью состояний и низкой скоростью электронов.
[[Файл:Туннельный контакт ФМ-И-ФМ при В=0.png|мини|358x358пкс|Туннельный контакт ФМ-И-ФМ и энергетическая структура при антиферромагнитном обменном взаимодействии (В=0).]]
Как известно, у ферромагнитных 3d металлов d-зона расщеплена вследствие [[Обменное взаимодействие|обменного взаимодействия]]. В соответствии с [[Принцип Паули|принципом Паули]] из-за кулоновского отталкивания d электронов им энергетически более выгодно иметь параллельно ориентированные спины, что приводит к появлению спонтанного магнитного момента. Иными словами, вследствие обменного расщепления d зоны число занятых состояний различно для электронов с направлением спина вверх и вниз, что дает не равный нулю магнитный момент.
[[Файл:Туннельный контакт ФМ-И-ФМ при В=Вs.png|мини|358x358пкс|Туннельный контакт ФМ-И-ФМ и энергетическая структура d-зоны при ферромагнитном спаривании (B=Bs).]]
В отсутствие магнитного поля ферромагнитные электроды имеют противоположное направление намагниченностей (антипараллельная конфигурация, АР). Зона d — электронов расщеплена обменным взаимодействием как показано на рисунке. При этом происходит туннелирование электронов со спином вверх из большего числа состояний в меньшее и наоборот для электронов с противоположным спином. Наложение магнитного поля приводит к параллельной ориентации (Р) намагниченности ферромагнитных электродов. В этом случае электроны со спином вверх туннелируют из большего числа состояний в большее, а электроны со спином вниз — из малого числа состояний в малое. Это приводит к различию туннельных сопротивлений для параллельной и антипараллельной конфигурации. Данное изменение сопротивления при переориентации намагниченности во внешнем магнитном поле и является проявлением туннельного магнитосопротивления (ТМС).

В настоящее время на основании эффекта туннельного магнитного сопротивления создана [[магниторезистивная оперативная память]] ([[MRAM]]), и он также применяется в считывающих головках [[Жесткий диск|жестких дисков]].


== Примечания ==
== Примечания ==
{{примечания}}
{{reflist}}


[[Категория:Физика твёрдого тела]]
{{phys-stub}}
[[Категория: Физика твёрдого тела]]
[[Категория:Гальваномагнитные эффекты]]
[[Категория:Гальваномагнитные эффекты]]
[[Категория:Спинтроника]]
[[Категория:Спинтроника]]
[[Категория:Квантовые явления]]

[[ar:مقاومة مغناطيسية نفقية]]
[[de:Magnetischer Tunnelwiderstand]]
[[en:Tunnel magnetoresistance]]
[[es:Efecto túnel magnético]]
[[fr:Magnétorésistance à effet tunnel]]
[[ja:トンネル磁気抵抗効果]]
[[vi:Từ điện trở chui hầm]]

Текущая версия от 10:35, 22 мая 2023

Пример структуры, в которой возникает эффект туннельного магнетосопротивления.

Туннельное магни́тное сопротивле́ние, туннельное магнитосопротивление или магнетосопротивление (сокр. ТМС, англ. Tunnel magnetoresistance, сокр. TMR) — квантовомеханический эффект, проявляется при протекании тока между двумя слоями ферромагнетиков, разделенных тонким (около 1 нм) слоем диэлектрика. При этом общее сопротивление устройства, ток в котором протекает из-за туннельного эффекта, зависит от взаимной ориентации полей намагничивания двух магнитных слоев. Сопротивление выше при антипараллельной намагниченности слоев. Эффект туннельного магнитного сопротивления похож на эффект гигантского магнитного сопротивления, но в нём вместо слоя немагнитного металла используется слой изолирующего туннельного барьера.

История открытия

[править | править код]

Эффект был открыт в 1975 году Мишелем Жюльером, использовавшим железо в качестве ферромагнетика и оксид германия в качестве диэлектрика (структура Fe/GeO/Co). Данный эффект проявлялся при температуре 4,2 К, при этом относительное изменение сопротивления составляло около 14 %, поэтому ввиду отсутствия практического применения он не привлек к себе внимания[1].

При комнатной температуре действие эффекта впервые было открыто в 1991 году Терунобу Миязаки (Университет Тохоку, Япония), изменение сопротивления составило всего 2,7 %. Позже, в 1994 году, Миядзаки впервые обнаружил в переходе Fe/Al2O3/Fe отношение магнитосопротивления 30 % при 4,2 К и 18 % при 300 K[2]. Независимо от него группой ученых во главе с Джагадишем Мудера в соединениях CoFe и Co был обнаружен эффект 11,8 %[3], в связи с возобновлением интереса к исследованиям в этой области после открытия эффекта гигантского магнитного сопротивления. Наибольший эффект, наблюдаемый в то время с изоляторами из оксида алюминия, составлял около 70 % при комнатной температуре.

В 2001 году группа Батлера и группа Матона независимо сделали теоретическое предсказание, что при использовании железа в качестве ферромагнетика и оксида магния в качестве диэлектрика эффект туннельного магнитного сопротивления может возрасти на несколько тысяч процентов. В том же году Боуэн и др. первыми сообщили об экспериментах, показывающих значительное туннельное магнитосопротивление в туннельном переходе на основе MgO (Fe/MgO/FeCo)[4].

В 2004 году группа Перкина и группа Юаса смогли изготовить устройства на основе Fe/MgO/Fe и достичь величины туннельного магнитосопротивления в 200 % при комнатной температуре[5].

В 2007 году устройства на основе ТМР эффекта с оксидом магния полностью заменили устройства на основе эффекта гигантского магнитного сопротивления на рынке устройств магнитного хранения информации.

В 2008 году С. Икеда, Х. Оно и др. из Университета Тохоку в Японии наблюдали эффект относительного изменения сопротивления до 604 % при комнатной температуре и более 1100 % при 4,2 К в соединениях CoFeB/MgO/CoFeB[6]. Однако впоследствии оказалось, что столь большие значения являлись результатом ошибки датчика сопротивления, и статьи были отозваны.

В классической физике, если энергия частицы меньше высоты барьера, то она полностью отражается от барьера. Напротив, в квантовой механике существует отличная от нуля вероятность нахождения частицы по другую сторону барьера. В структуре ферромагнит — изолятор — ферромагнит для электрона энергией εF изолятор представляет собой барьер толщиной d и высотой εВ > εF.

Рассмотрим зонную структуру магнитных (Co,Fe,Ni) металлов. Переходные металлы имеют 4s, 4p и 3d валентные электроны, различающиеся орбитальным моментом. Состояния 4s и 4p образуют sp — зону проводимости, в которой электроны имеют высокую скорость, малую плотность состояний и, следовательно, большую длину свободного пробега, то есть можно предполагать, что они ответственны за проводимость 3d металлов. В то же время d-зона характеризуется высокой плотностью состояний и низкой скоростью электронов.

Туннельный контакт ФМ-И-ФМ и энергетическая структура при антиферромагнитном обменном взаимодействии (В=0).

Как известно, у ферромагнитных 3d металлов d-зона расщеплена вследствие обменного взаимодействия. В соответствии с принципом Паули из-за кулоновского отталкивания d электронов им энергетически более выгодно иметь параллельно ориентированные спины, что приводит к появлению спонтанного магнитного момента. Иными словами, вследствие обменного расщепления d зоны число занятых состояний различно для электронов с направлением спина вверх и вниз, что дает не равный нулю магнитный момент.

Туннельный контакт ФМ-И-ФМ и энергетическая структура d-зоны при ферромагнитном спаривании (B=Bs).

В отсутствие магнитного поля ферромагнитные электроды имеют противоположное направление намагниченностей (антипараллельная конфигурация, АР). Зона d — электронов расщеплена обменным взаимодействием как показано на рисунке. При этом происходит туннелирование электронов со спином вверх из большего числа состояний в меньшее и наоборот для электронов с противоположным спином. Наложение магнитного поля приводит к параллельной ориентации (Р) намагниченности ферромагнитных электродов. В этом случае электроны со спином вверх туннелируют из большего числа состояний в большее, а электроны со спином вниз — из малого числа состояний в малое. Это приводит к различию туннельных сопротивлений для параллельной и антипараллельной конфигурации. Данное изменение сопротивления при переориентации намагниченности во внешнем магнитном поле и является проявлением туннельного магнитосопротивления (ТМС).

В настоящее время на основании эффекта туннельного магнитного сопротивления создана магниторезистивная оперативная память (MRAM), и он также применяется в считывающих головках жестких дисков.

Примечания

[править | править код]
  1. M. Jullière. Tunneling between ferromagnetic films (англ.) // Phys. Lett.[англ.] : journal. — 1975. — Vol. 54A. — P. 225—226. sciencedirect Архивная копия от 8 июля 2009 на Wayback Machine
  2. Miyazaki, T; Tezuka, N. Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction (англ.) // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 1995. — January (vol. 139). — P. L231-L234. — ISSN 0304-8853. — doi:10.1016/0304-8853(95)90001-2.
  3. J. S. Moodera; et al. Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions (англ.) // Physical Review Letters. — 1995. — 1 April (vol. 74, iss. 16). — P. 3273—3276. — doi:10.1103/PhysRevLett.74.3273.
  4. M. Bowen; et al. Large magnetoresistance in Fe/MgO/FeCo(001) epitaxial tunnel junctions on GaAs(001) (англ.) // Applied Physics Letters. — 2001. — September (vol. 79, iss. 11). — doi:10.1063/1.1404125. Архивировано 29 января 2022 года.
  5. S. Yuasa; T. Nagahama; A. Fukushima; Y. Suzuki, K. Ando. Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions (англ.) // Nature Materials. — 2004. — December (vol. 3, iss. 12). — P. 868—871. — doi:10.1038/nmat1257. Архивировано 28 мая 2021 года.
  6. Ikeda, S.; Hayakawa, J.; Ashizawa, Y.; Lee, Y. M.; Miura, K.; Hasegawa, H.; Tsunoda, M.; Matsukura, F.; Ohno, H. Tunnel magnetoresistance of 604% at 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB/MgO/CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature (англ.) // Applied Physics Letters. — 2008. — August (vol. 93, iss. 8). — doi:10.1063/1.2976435. Архивировано 29 июля 2020 года.