Magnetorresistencia de túnel

Efecto magnético en aisladores entre ferroimanes.

Unión de túnel magnético (esquema)

La magnetorresistencia de túnel ( TMR ) es un efecto magnetorresistivo que se produce en una unión de túnel magnético ( MTJ ), que es un componente que consta de dos ferroimanes separados por un fino aislante . Si la capa aislante es lo suficientemente delgada (normalmente unos pocos nanómetros ), los electrones pueden hacer túneles de un ferroimán al otro. Dado que este proceso está prohibido en la física clásica, la magnetorresistencia del túnel es un fenómeno estrictamente mecánico cuántico , y radica en el estudio de la espintrónica .

Las uniones de túnel magnético se fabrican con tecnología de película fina . A escala industrial, la deposición de la película se realiza mediante deposición por pulverización catódica con magnetrón ; a escala de laboratorio, también se utilizan la epitaxia por haz molecular , la deposición por láser pulsado y la deposición física de vapor por haz de electrones . Las uniones se preparan mediante fotolitografía .

Descripción fenomenológica

La dirección de las dos magnetizaciones de las películas ferromagnéticas se puede cambiar individualmente mediante un campo magnético externo . Si las magnetizaciones están en una orientación paralela, es más probable que los electrones atraviesen la película aislante que si están en una orientación oposicional (antiparalela). En consecuencia, dicha unión se puede cambiar entre dos estados de resistencia eléctrica , uno con resistencia baja y otro con resistencia muy alta.

Historia

El efecto fue descubierto originalmente en 1975 por Michel Jullière (Universidad de Rennes, Francia) en uniones Fe / Ge - O / Co a 4,2 K. El cambio relativo de resistencia fue de alrededor del 14% y no atrajo mucha atención. ^[1] En 1991, Terunobu Miyazaki ( Universidad de Tohoku , Japón) encontró un cambio del 2,7% a temperatura ambiente. Posteriormente, en 1994, Miyazaki encontró un 18% en uniones de hierro separadas por un aislante amorfo de óxido de aluminio ^[2] y Jagadeesh Moodera encontró un 11,8% en uniones con electrodos de CoFe y Co. ^[3] Los mayores efectos observados en este momento con el aluminio aisladores de óxido fue de alrededor del 70% a temperatura ambiente.

Desde el año 2000 se han estado desarrollando barreras para túneles hechas de óxido de magnesio (MgO) cristalino . En 2001, Butler y Mathon hicieron de forma independiente la predicción teórica de que utilizando hierro como ferroimán y MgO como aislante, la magnetorresistencia del túnel puede alcanzar varios miles por ciento. ^{[4] [5]} El mismo año, Bowen et al. fueron los primeros en informar experimentos que mostraban una TMR significativa en una unión de túnel magnético basada en MgO [Fe/MgO/FeCo(001)]. ^[6] En 2004, Parkin y Yuasa pudieron hacer uniones Fe/MgO/Fe que alcanzan más del 200% de TMR a temperatura ambiente. ^{[7] [8]} En 2008, se observaron efectos de hasta el 604% a temperatura ambiente y más del 1100% a 4,2 K en uniones de CoFeB/MgO/CoFeB por S. Ikeda, grupo H. Ohno de la Universidad de Tohoku en Japón. . ^[9]

Aplicaciones

Las cabezas de lectura de los discos duros modernos funcionan mediante uniones de túnel magnético. TMR, o más concretamente la unión de túnel magnético, es también la base de MRAM , un nuevo tipo de memoria no volátil . Las tecnologías de primera generación se basaban en la creación de campos magnéticos de puntos de cruce en cada bit para escribir los datos en él, aunque este enfoque tiene un límite de escala de alrededor de 90 a 130 nm. ^[10] Actualmente se están desarrollando dos técnicas de segunda generación: conmutación asistida térmica (TAS) ^[10] y par de transferencia de giro .

Las uniones de túnel magnético también se utilizan para aplicaciones de detección. Hoy en día se utilizan comúnmente para sensores de posición y sensores de corriente en diversas aplicaciones automotrices, industriales y de consumo. Estos sensores de mayor rendimiento están reemplazando a los sensores Hall en muchas aplicaciones debido a su rendimiento mejorado. ^[11]

Explicación física

Modelo de dos corrientes para alineación paralela y antiparalela de las magnetizaciones.

El cambio de resistencia relativa, o amplitud del efecto, se define como

${\displaystyle \mathrm {TMR} :={\frac {R_{\mathrm {ap} }-R_{\mathrm {p} }}{R_{\mathrm {p} }}}}$

donde es la resistencia eléctrica en el estado antiparalelo, mientras que es la resistencia en el estado paralelo. ${\displaystyle R_{\mathrm {ap} }}$ ${\displaystyle R_{\mathrm {p} }}$

Jullière explicó el efecto TMR con las polarizaciones de espín de los electrodos ferromagnéticos. La polarización de espín P se calcula a partir de la densidad de estados dependiente del espín (DOS) en la energía de Fermi : ${\displaystyle {\mathcal {D}}}$

${\displaystyle P={\frac {{\mathcal {D}}_{\uparrow }(E_{\mathrm {F} })-{\mathcal {D}}_{\downarrow }(E_{\mathrm {F} })}{{\mathcal {D}}_{\uparrow }(E_{\mathrm {F} })+{\mathcal {D}}_{\downarrow }(E_{\mathrm {F} })}}}$

Los electrones de espín ascendente son aquellos con una orientación de espín paralela al campo magnético externo, mientras que los electrones de espín descendente tienen una alineación antiparalela con el campo externo. El cambio de resistencia relativa ahora viene dado por las polarizaciones de espín de los dos ferromagnetos, P ₁ y P ₂ :

${\displaystyle \mathrm {TMR} ={\frac {2P_{1}P_{2}}{1-P_{1}P_{2}}}}$

Si no se aplica voltaje a la unión, los electrones hacen túneles en ambas direcciones con velocidades iguales. Con una tensión de polarización U , los electrones hacen un túnel preferentemente hacia el electrodo positivo. Suponiendo que el espín se conserva durante la tunelización, la corriente se puede describir en un modelo de dos corrientes. La corriente total se divide en dos corrientes parciales, una para los electrones de espín ascendente y otra para los electrones de espín descendente. Estos varían dependiendo del estado magnético de las uniones.

Hay dos posibilidades para obtener un estado antiparalelo definido. En primer lugar, se pueden utilizar ferromagnetos con diferentes coercitividades (mediante el uso de diferentes materiales o diferentes espesores de película). Y en segundo lugar, uno de los ferromagnetos puede acoplarse con un antiferromagnet ( sesgo de intercambio ). En este caso la magnetización del electrodo desacoplado queda "libre".

La TMR se vuelve infinita si P1 y P2 son iguales a 1, es decir _, si ambos electrodos tienen una polarización de espín del 100% _. En este caso, la unión del túnel magnético se convierte en un interruptor que cambia magnéticamente entre resistencia baja y resistencia infinita. Los materiales que se tienen en cuenta a este respecto se denominan semimetales ferromagnéticos . Sus electrones de conducción están completamente polarizados por espín. Esta propiedad se predice teóricamente para varios materiales (por ejemplo, CrO ₂ , varias aleaciones de Heusler ), pero su confirmación experimental ha sido objeto de un sutil debate. Sin embargo, si se consideran sólo aquellos electrones que entran en transporte, las mediciones de Bowen et al. de hasta un 99,6% ^[12] de polarización de espín en la interfaz entre La _0,7 Sr _0,3 MnO ₃ y SrTiO ₃ equivalen pragmáticamente a una prueba experimental de esta propiedad.

La TMR disminuye tanto al aumentar la temperatura como al aumentar el voltaje de polarización. Ambos pueden entenderse en principio por excitaciones de magnones e interacciones con magnones, así como también debido a la tunelización con respecto a estados localizados inducidos por vacantes de oxígeno (consulte la sección Filtrado de simetría más adelante). ^[13]

Filtrado de simetría en barreras de túneles.

Antes de la introducción del óxido de magnesio epitaxial (MgO), se usaba óxido de aluminio amorfo como barrera de túnel del MTJ, y la TMR típica a temperatura ambiente estaba en el rango de decenas de por ciento. Las barreras de MgO aumentaron la TMR a cientos de por ciento. Este gran aumento refleja una combinación sinérgica de estructuras electrónicas de barrera y electrodos, que a su vez refleja el logro de uniones estructuralmente ordenadas. De hecho, el MgO filtra la transmisión de túneles de electrones con una simetría particular que están completamente polarizados por espín dentro de la corriente que fluye a través de electrodos cúbicos de Fe centrados en el cuerpo . Por lo tanto, en el estado de magnetización de electrodos paralelo (P) del MTJ, los electrones de esta simetría dominan la corriente de unión. Por el contrario, en el estado antiparalelo (AP) del MTJ, este canal está bloqueado, de modo que los electrones con la siguiente simetría más favorable para transmitir dominan la corriente de unión. Dado que esos electrones hacen un túnel con respecto a una altura de barrera mayor, esto da como resultado una TMR considerable.

Más allá de estos grandes valores de TMR en las MTJ basadas en MgO, ^[9] este impacto de la estructura electrónica de la barrera en la espintrónica de túneles se ha confirmado indirectamente mediante la ingeniería del paisaje potencial de la unión para electrones de una simetría determinada. Esto se logró por primera vez examinando cómo los electrones de un electrodo semimetálico de lantano, estroncio y manganita con espín completo (P = +1 ^{[12] ) y polarización de simetría hacen un túnel a través de una barrera de túnel de SrTiO} ₃ polarizada eléctricamente . ^[14] Posteriormente también se demostró el experimento conceptualmente más simple de insertar un espaciador metálico apropiado en la interfaz de unión durante el crecimiento de la muestra ^{[15] [16]} .

Si bien la teoría, formulada por primera vez en 2001, ^{[4] [5]} predice grandes valores de TMR asociados con una altura de barrera de 4 eV en el estado P del MTJ y de 12 eV en el estado AP del MTJ, los experimentos revelan alturas de barrera tan bajas como 0,4 eV. ^[7] Esta contradicción se elimina si se tienen en cuenta los estados localizados de las vacantes de oxígeno en la barrera del túnel de MgO. Extensos experimentos de espectroscopía de túneles de estado sólido a través de MTJ de MgO revelaron en 2014 ^[13] que la retención electrónica en el suelo y los estados excitados de una vacante de oxígeno, que depende de la temperatura, determina la altura de la barrera de túneles para los electrones de una simetría determinada, y De este modo se elabora la relación TMR efectiva y su dependencia de la temperatura. Esta baja altura de barrera, a su vez, permite las altas densidades de corriente requeridas para el par de transferencia de giro, que se analiza más adelante.

Par de transferencia de espín en uniones de túnel magnético (MTJ)

El efecto del par de transferencia de espín se ha estudiado y aplicado ampliamente en MTJ, donde hay una barrera de túnel intercalada entre un conjunto de dos electrodos ferromagnéticos de modo que hay magnetización (libre) del electrodo derecho, suponiendo que el electrodo izquierdo ( con magnetización fija) actúa como polarizador de espín. Luego, esto puede fijarse a algún transistor de selección en un dispositivo de memoria de acceso aleatorio magnetorresistivo , o conectarse a un preamplificador en una aplicación de disco duro .

El vector de par de transferencia de espín, impulsado por el voltaje de respuesta lineal, se puede calcular a partir del valor esperado del operador de par:

${\displaystyle \mathbf {T} =\mathrm {Tr} [{\hat {\mathbf {T} }}{\hat {\rho }}_{\mathrm {neq} }]}$

donde es la matriz de densidad de no equilibrio invariante de calibre para el transporte en estado estacionario, en el límite de temperatura cero, en el régimen de respuesta lineal, ^[17] y el operador de par se obtiene a partir de la derivada del tiempo del operador de giro: ${\displaystyle {\hat {\rho }}_{\mathrm {neq} }}$ ${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}}$

${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}={\frac {d{\hat {\mathbf {S} }}}{dt}}=-{\frac {i}{\hbar }}\left[{\frac {\hbar }{2}}{\boldsymbol {\sigma }},{\hat {H}}\right]}$

Usando la forma general de un hamiltoniano de unión estrecha 1D:

${\displaystyle {\hat {H}}={\hat {H}}_{0}-\Delta ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {m} )/2}$

donde la magnetización total (como macrospin) es a lo largo del vector unitario y las propiedades de las matrices de Pauli que involucran vectores clásicos arbitrarios , dadas por ${\displaystyle \mathbf {m} }$ ${\displaystyle \mathbf {p} ,\mathbf {q} }$

${\displaystyle ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {p} )({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {q} )=\mathbf {p} \cdot \mathbf {q} +i(\mathbf {p} \times \mathbf {q} )\cdot {\boldsymbol {\sigma }}}$

${\displaystyle ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {p} ){\boldsymbol {\sigma }}=\mathbf {p} +i{\boldsymbol {\sigma }}\times \mathbf {p} }$

${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {q} )=\mathbf {q} +i\mathbf {q} \times {\boldsymbol {\sigma }}}$

entonces es posible obtener primero una expresión analítica para (que se puede expresar en forma compacta usando y el vector de matrices de espín de Pauli ). ${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}}$ ${\displaystyle \Delta ,\mathbf {m} }$ ${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}=(\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})}$

El vector de par de transferencia de espín en los MTJ generales tiene dos componentes: un componente paralelo y perpendicular:

Un componente paralelo: ${\displaystyle T_{\parallel }={\sqrt {T_{x}^{2}+T_{z}^{2}}}}$

Y una componente perpendicular: ${\displaystyle T_{\perp }=T_{y}}$

En los MTJ simétricos (hechos de electrodos con la misma geometría y división de intercambio), el vector de par de transferencia de espín tiene solo un componente activo, ya que el componente perpendicular desaparece:

${\displaystyle T_{\perp }\equiv 0}$. ^[18]

Por lo tanto, solo es necesario trazar vs. en el sitio del electrodo correcto para caracterizar la tunelización en MTJ simétricas, lo que las hace atractivas para la producción y caracterización a escala industrial. ${\displaystyle T_{\parallel }}$ ${\displaystyle \theta }$

Nota: En estos cálculos, la región activa (para la cual es necesario calcular la función de Green retardada ) debe consistir en la barrera del túnel + la capa ferromagnética derecha de espesor finito (como en los dispositivos realistas). La región activa está unida al electrodo ferromagnético izquierdo (modelado como una cadena de unión estrecha semiinfinita con división de Zeeman distinta de cero ) y al electrodo N derecho (cadena de unión estrecha semiinfinita sin división de Zeeman), según lo codificado por el términos de autoenergía correspondientes.

Discrepancia entre teoría y experimento.

Se han predicho relaciones teóricas de magnetorresistencia de túneles del 10.000% ^[19] . Sin embargo, los mayores que se han observado son sólo el 604%. ^[20] Una sugerencia es que los límites de los granos podrían estar afectando las propiedades aislantes de la barrera de MgO; sin embargo, la estructura de las películas en estructuras de pilas enterradas es difícil de determinar. ^[21] Los límites de grano pueden actuar como rutas de conducción de cortocircuito a través del material, reduciendo la resistencia del dispositivo. Recientemente, utilizando nuevas técnicas de microscopía electrónica de transmisión de barrido , se han resuelto atómicamente los límites de grano dentro de las MTJ de FeCoB/MgO/FeCoB. Esto ha permitido realizar cálculos de la teoría funcional de la densidad de los primeros principios en unidades estructurales que están presentes en películas reales. Estos cálculos han demostrado que la banda prohibida se puede reducir hasta en un 45%. ^[22]

Además de los límites de los granos, los defectos puntuales, como las vacantes intersticiales de boro y oxígeno, podrían alterar significativamente la magnetorresistencia de túnel. Cálculos teóricos recientes han revelado que los intersticiales de boro introducen estados defectuosos en la banda prohibida, reduciendo potencialmente aún más la TMR ^[23]. Estos cálculos teóricos también han sido respaldados por evidencia experimental que muestra la naturaleza del boro dentro de la capa de MgO entre dos sistemas diferentes y cómo el La TMR es diferente. ^[24]

Ver también

• Túnel cuántico
• Magnetorresistencia
• Magnetorresistencia gigante (GMR)
• Par de transferencia de giro

Referencias

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