Spintronika Tomasz Stobiecki Katedra Elektroniki AGH Krakw Historia

Spintronika Tomasz Stobiecki Katedra Elektroniki AGH Kraków

Historia spintroniki • 1986 - odkrycie międzywarstwowego oscylacyjnego sprzężenia wymiennego ferro-antyferromagnetycznego w układzie wielowarstwowym Fe/Cr/Fe P. Grünberg et al. Phys Rev. Lett. 57 (1986), 2442 • 1988 – odkrycie Gigantycznej Magnetorezystancji - GMR (Giant Magnetoresistivity) w układzie wielowarstwowym Fe/Cr/Fe M. N. Baibich, . . . , A. Fert, . . et. al. Phys Rev. Lett. 61 (1988), 2472

Gigantyczna magnetorezystancja (Giant Magnetoresistivity - GMR) I = const 10 nm Up ferromagnetyk nieferromagnetyk Magnetorezystancja Ua -U p Up = Ra - R p Rp DR = 5 100% Rp Ua

Spinowo zależne przewodnictwo elektryczne Analogia do równoległego połączenia dwóch rezystancji M I R duże M I R małe

Spinowa polaryzacja ferromagnetyka Energia Magnetyzacja EF d d d Gęstość stanów s Spin s s

Zasada działania zaworu spinowego (Spin-Valve) w głowicy twardego dysku AFM: Fe. Mn, Ni. O, Ni. Mn, Ir. Mn USignal FM: Co, Fe, Ni. Fe, Co. Fe NM: Cu, Ag, Au AFM Warstwa mocująca (pin-layer) 10 I = const warstwa swobodna 10 zamocowana 1(free-layer) 0 warstwa (pinned-layer) kierunek ruchu nośnika informacji

Zapisująco-odczytująca głowica GMR

Zawór Spinowy (Spin-Valve) Krzywa magnesowania Krzywa magnetorezystancji

SV – charakterystyki magnetorezystancyjne Zależność rezystancji od wzajemnego położenia wektorów namagnesowania: • Antysymetryczna charakterystyka M(H) w zakresie małych pól • Duża czułość magnetorezystancyjna SR =2%/Oe

SV – charakterystyki magnetorezystancyjne Zależność rezystancji od wzajemnego położenia wektorów namagnesowania: • Antysymetryczna charakterystyka M(H) w zakresie małych pól • Duża czułość magnetorezystancyjna

Rozwój pamięci dyskowych

Pseudo zawór spinowy (PSV) charakterystyki M(H) i R(H) Dwustanowa charakterystyka magnetorezystancyjna

Zastosowania pseudo-zaworów spinowych • Nieulotne pamięci magnetyczne o dostępie swobodnym (Magnetic Random Access Memory) – matryca złożona z komórek pamięciowych: elementów PSV – bit informacji reprezentowany poprzez wzajemną orientację wektorów namagnesowania warstw ferromagnetycznych twardej i miękkiej; – zapis poprzez przemagnesowanie silniejszym prądem; – odczyt poprzez detekcję rezystancji lub zmiany rezystancji; – informacja przechowywana jest po zaniku zasilania; – szybki zapis i odczyt, mały pobór mocy; – cykle zapisujące są nieniszczące; – odporność na EMP, promieniowanie jonizujące.

Magnetic Random Access Memory (MRAM) ścieżka przewodząca antyferromagnetyki nieferromagnetyczna międzywarstwa 0 150 nm 1

Zasada działania pamięci M-RAM

Zasada działania pamięci M-RAM

Modele elektryczne Zastępczy model elektryczny SV i PSV dla potrzeb programu P-SPICE Odtwarzanie charakterystyki magnetorezystancyjnej pozwala na projektowanie układów scalonych współpracujących z elementami SV i PSV.

Wyniki dopasowania do danych doświadczalnych Pętle histerezy przemagnesowania dla SV i PSV

Przykłady rozwiązań komórek pamięci MRAM Scanning electron microscope image of typical metal-masked magnetic tunnel junction, 80 m x 80 m in area

Kropki magnetyczne Co (4 nm) Cu (3 nm) Ni. Fe (6 nm)

„ • a new class of device based on the quantum of electron spin, rather than on charge, may yield the next generation of microelectronics”.

Urządzenie do nanoszenia układów wielowarstwowych – EMRALD II