STRUCTURI NANOMETRICE MAGNETICE CU EFECT DE MAGNETOREZISTENTA GIGANTICA

STRUCTURI NANOMETRICE MAGNETICE CU EFECT DE MAGNETOREZISTENTA GIGANTICA (GMR) )SI EFECT DE TUNELARE DEPENDENTA DE SPIN (TMR) PENTRU SPINTRONICA Jenica Neamtu*, Wihelm Kappel*, Rares Medianu**, Marius Volmer ***, Cristian Teodorescu **** *INCDIE CA Bucuresti, **INFLPR Bucuresti, *** Univ. Transilvania Brasov, **** INCDFM Bucuresti ABSTRACT Progresele in Nanostiinta si Nanotehnologie deschid noi perspective pentru dezvoltarea dispozitivelor spintronice bazate pe materialele magnetice nanostructurate(multistraturi sau granule de ordinul nm) care prezinta efect de Magnetorezistenta Gigantica (GMR) sau Tunelare dependenta de spin (TMR). Sistemele din Spintronica sunt bazate pe asocierea metalelor magnetice si metalelor nemagnetice, izolatori sau semiconductori. GMR a fost observat in structuri multistrat de tipul [FM(t. FM)/NM(s. NM)]n, unde FM reprezinta un strat ferromagnetic (Fe, Ni, Co, sau aliaje) si NM este un strat nemagnetic V, Cr, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir sau Cu, Ag, Au. Proprietatile de transport ale noilor sisteme magnetice depind de orientarea spinului electronilor si sunt dependente de grosimile straturilor si imprastierea spinilor la interfete. In structurile tip valva de spin (elemente GMR utilizate in tranzistorul cu valva de spin) amplitudinea efectului depinde de orientarea relativa a momentelor magnetice in straturile adiacente, care au coercivitati diferite. Avantajul acestor structuri magnetice este cel al densitatii mari de implementare, ca si puterea consumata foarte redusa a dispozitivelor realizate. Un alt obiectiv al lucrarii noastre il constituie semiconductorii magnetici diluati. Acesti semiconductori sunt formati prin substituirea atomilor de Ga sau In in Ga. As sau In. As cu ioni magnetici de Mn+. Cuplajul intre ionii magnetici este de tipul interactie de superschimb, mediat prin densitatea de purtatori de sarcina sau goluri.

STRATURI SUBTIRI SI MULTISTRATURI CU PROPRIETATI DE MAGNETOREZITENTA GIGANTICA PENTRU APLICATII IN SPINTRONICA Microstructurile de tip multistrat (ML) sunt compuse din straturi subtiri feromagnetice moi sau dure (FM), separate prin straturi nemagnetice (NM) metalice, sau izolatoare (oxizi de aluminiu, de siliciu). Am realizat straturi FM din Fe, Co, Ni sau aliaje. Straturile FM sunt nanometrice cu grosimi între 2 -10 nm şi max. 100 nm. Pentru straturile NM se folosesc cele de Cu, Ag, Au, Cr, oxid Al sau oxid Si, cu grosimi de ordinul nm. Directii de cercetare 1. Structurile multistrat cu efect GMR, sunt numite si superreţele în care un strat magnetic şi unul nemagnetic se repetă de un număr oarecare de ori, de exemplu Co/Cu, cuplajul se face prin interactii de schimb fero/antiferomagnetic intre straturi. FM si NM. , Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida Raportul GMR pentru 100 perechi de straturi subţiri Co/Cu la temperatura 4, 2 K (curba marcată cu pătrate) şi la temperatura camerei (curba marcată cu cercuri). 2. Structuri tip valva de spin, se folosesc două materiale magnetice diferite, cu câmpuri de comutare diferite, apoi se aplică un câmp magnetic de sens opus magnetizaţiei unuia dintre straturi, unul dintre straturi va comuta înaintea celuilalt, obţinând astfel aliniamentul antiparalel caracteristic.

Proprietăţile fizice ale straturilor subţiri sunt determinate de o serie de parametrii : • Proprietăţile materialelor sursă utilizate la prepararea straturilor; • Proprietăţile substratului: rugozitate, ordonare cristalină, cantitatea de impurităţi pe suprafaţă (contaminare); • Metoda utilizată pentru realizarea straturilor; Calitatea vidului; Temperatura suprafeţei în timpul depunerii. Electrochimica Pulverizare catodica in vid Reprezentarea schematică a unei instalaţii de depunere a straturilor subţiri prin pulverizare RF în vid (sputtering) Evaporare in vid Crestere epitaxiala Ablatiunea Laser Reprezentarea schematică a unei instalaţii de depunere a straturilor subţiri prin ablatie laser

• valoarea câmpului coercitiv • valoarea câmpului de saturaţie, Tehnicile de depunere influenteaza proprietăţile: • valoarea câmpului de anizotropie uniaxială. • intensitatea şi tipul cuplajului dintre straturile feromagnetice separate prin straturi nemagnetice, Grosimea straturilor nemagnetice se alege astfel încât cuplarea initiala a straturilor magnetice să fie antiparalelă. Un câmp magnetic extern va roti toate direcţiile de magnetizare spre o configuraţie paralelă, astfel încât rezistenţa se reduce. Acest efect este independent de direcţia câmpului magnetic neglijând câmpurile anizotrope (care sunt de obicei mici). Reprezentarea schematică a transportului electronilor într-o structură multistrat în absenţa (a) şi în prezenţa (b) câmpului magnetic

Elaborarea unor procedee proprii, reproductibile, de obţinere a unor structuri multistrat magnetic, care să prezinte efect de magnetorezistenţă gigantică (GMR) sau TMR este dificila, tinand cont de conditiile de rugozitate minima la interfata FM/NM. În practică structura multistrat GMR este depusă atât cu o rugozitate a interfeţei, cât şi cu o inter-mixare chimică a straturilor, şi/sau densitate mare de defecte, astfel încât electronii vor fi împrăştiaţi la interfaţa FM /NM şi/sau pe defecte şi efectul GMR poate dispărea, sau este nevoie de câmpuri foarte mari pentru a fi iniţiat. Rugozitatea interfeţei determină cuplarea magnetostatica (Néel), împrăştierea electronilor şi slăbirea cuplajului antiferomagnetic. Rugozitatea stratului nemagnetic poate conduce la apariţia unui cuplaj magnetic în coajă de portocală nedorit între structurile magnetice multistrat, întrucât schimbă punctul de polarizare şi reduce sensibilitatea.

2. Dupa terminarea igienizarii se trece la montarea tintei de Ni. Fe/Co la magnetronul M 1 si, secvential, a tintei de Cu/Alpentru interlyer /contactele electrice la magnetronul M 2, respectand configurarea geometriei de depunere. 1. Procesul tehnologic incepe cu etapa de curatire a substraturilor in alcool etilic p. a. , in baia de ultrasunete. In a doua etapa a urmat o formare prealabila a substraturilor: un proces de degazare termica la o presiune de 4 10 -6 torr si o temperatura de aproximativ 200 C± 10%. 3. In a treia etapa, probele au fost introduse in instalatia VARIAN ER 3119 unde la o presiune de 4 104 torr au fost procesate cu fascicul colimat de ioni timp de 15 minute. S-aui montat cuarturile de monitorizare a grosimii straturilor nanometrice( cu o precizie de ordinul Å). Etapele procesului tehnologic 4. In etapa a patra s-au optimizat parametrii electrici pana la obtinerea unei puteri reactive de 60% din puterea activa si o presiune de 6 x 10 -3 torr, prin modificarea debitului gazului de asistare (Ar), tot odata urmarindu-se si efectul vitezei de depunere. Contact electric inferior Contact electric superior Substrat Si/Si. O 2 Arie de depuneri nanometrice: Ni. Fe, Cu, Al 2 O 3, Co, Ni. Fe, Fe. Mn, Ni. Fe 5. In vederea depunerii contactelor electrice s-au construit masti (cu geometrie variabila in functie de necesitatile beneficiarului) in care se fixeaza substratul (suportul suprafetei sensibile). Masca si substratul se ataseaza unui dispozitiv tip carusel care pozitioneaza ansamblul deasupra magnetronului

Structuri TMR si SV studiate Ni. Fe 86Å Fe Mn 450Å Ni. Fe 171Å Co 33Å Al 2 O 3 13Å Co 33Å Ni. Fe 171Å Si. O 2 Si Si Permalloy Al 2 O 3 Co Fe. Mn Cu pt. contacte Structura 1 Si Ni. Fe 86Å Fe Mn 450Å Ni. Fe 171Å Cu 20Å Ni. Fe 171Å Si. O 2 Si Structura 2 Permalloy Cu Fe. Mn Cu pt. contacte S-au obtinut doua structuri diferite ca succesiune, compozitie si nanogrosimi de strat. Structura 1 cu stratul de Al 2 O 3 la interfata Co si respectiv stratul subtire de Cu la interfata cu Ni. Fe in cazul structurii 2.

Analiza suprafetelor si a rugozitatii straturilor subtiri cu AFM Zona depusa cu 3 nm Ni. Fe Arie 30 m Rugozitate / sectiune 3 nm Zona depusa cu Ni. Fe/Al 2 O 3 /Ni. Fe Arie 15 m Suprafata prezinta la interfata denivelari de maxim 5, 685 nm Zona depusa cu 10 nm Ni. Fe Arie 20 m Rugozitate / sectiune 7, 2 nm Zona depusa cu Ni. Fe/Cu/Ni. Fe Arie 20 m Suprafata prezinta la interfata denivelari de maxim 6, 878 nm

Pentru a evidenţia efectele GMR si Hall pe structuri multistrat Si/Si. O 2/(Py/Cu/Py)n am folosit două configuraţii de contacte: toate cele patru contacte dispuse în linie; cele patru contacte dispuse în colţurile unui pătrat. Pentru măsurători de efect Hall am folosit una din cele două configuraţii utilizate pentru măsurători de magnetorezistenţă. · Schema de măsură cu patru sonde dispuse în colţurile unui pătrat ce permite punerea în evidenţă a efectului de magnetorezistenţă (a) longitudinal, (b) transversal şi (c) a efectului de magnetorezistenţă anizotropă. Ultima configuraţie este un montaj tipic de punte şi este foarte utilă în punerea în evidenţă a efectului IP-AMR. Acest mod de conectare este folosit şi la construcţia de senzori de câmp magnetic.

Evidentierea efectului magnetorezistiv si efectului Hall pentru sistemele studiate Efectul AMR al structurii Si/Si. O 2/Py(100 nm) în câmp magnetic. Dependenţele de câmp ale rezistenţei Hall. Pentru Py(10 nm) a fost utilizată o configuraţie care minimizează influenţa efectului AMR asupra tensiunii măsurate (α=0º). Pentru Py/Cu/Py and Py/Al 2 O 3/Py au fost utilizate ambelele configuraţii (α=0 şi 45º).

Efectul magnetorezistiv pentru sistemele studiate Asimetria acestei curbe se datorează faptului că rezistenţele Rl şi Rt sunt diferite între ele datorită modului de amplasare a contactelor.

Schema simplificată a sistemului de măsură pentru efectul tunel Lărgimea barierei de potenţial, Φ=1, 16 e. V, este mai mică decât cea cunoscută pentru straturile de Al 2 O 3 care este în jur de 1, 6 e. V. Acest lucru se datorează straturilor adiacente din oxid de metal magnetic pentru care se ştie ca lărgimea barierei de potenţial este de ordinul zecimilor de e. V.

Caracterizarea magnetica VSM a multistraturilor magnetice Curba de magnetizare masurata la temperature camerei pentru multistatul: Ni. Fe (10 nm)/Cu (4 nm)/ Ni. Fe (10 nm)*9, cu campul magnetic aplicat in planul filmului, dupa directia de magnetizare usoara. Curba de magnetizare a multistratului de Ni. Fe(10 nm)/Mo(6 nm)/Ni. Fe(10 nm) masurata la temperatura camerei, cu campul magnetic aplicat in planul filmului.

Sinteza si caracterizarea Fe/Ga. As(001) si a (In, Mn)As(001) Instalatia de depunere: - Vid 10 -8 mbar; - Suport probe incalzit Tmax = 1200 °C; - Evaporatoare: celule Knudsen si cu bombardament electronic; - Monitor de grosimi cu microbalanta cuart - Vid 10 -8 mbar; imagine realizata in timpul calibrarii celulelor de evaporare Instalatia de spectroscopie de fotoelectroni (XPS) a INCDFM - Camera preparare si camera analiza; - Vid 10 -9 - 10 -10 mbar; - Suport probe Tmax = 700 °C; - Sistem de transfer; - Corodare cu ioni Ar+; - Excitare Mg Ka, Al Ka; - Neutralizare cu flood gun

Momente magnetice ale (In, Mn)As Dicroismul magnetic circular in absorbtia de raze X (X-ray magnetic circular dichroism, XMCD) Reguli de suma: - moment orbital: - moment de spin: c = nr. cuantic orbital al starii initiale; l = nr. cuantic orbital al starii finale; n = nr. cuantic principal al starii finale (in cazul de fata, tranzitii 2 p → 3 d: c = 1, l =2, n =3) <Lz> =media momentului orbital, in magnetoni Bohr-Procopiu (m. B); <Sz> = media momentului de spin, in magnetoni B. -P. ; <Tz> = media operatorului dipolar magnetic (T = Sisi – 3 ri (ri·si)/ri 2); s(E) = absorbtia izotropa 2 p → 3 d; m(E) = semnalul de dicroism circular = s+(E) - s-(E) = diferenta intre spectrele de absorbtie cu polarizarea circulara a razelor X paralela, respectiv antiparalela cu magnetizarea probei. Functia Brillouin: b = 1 / (k. BT); L = interactia spin-orbita

Concluzii • Microstructurile de straturi subtiri realizate prezinta efectele de GMR si TMR. • Pentru a determina dependenţa proprietăţilor de transport si magnetice de morfologia suprafeţei straturilor subţiri, s-au depus straturi subţiri in conditii de presiune si putere RF diferite. • Experimentele au demonstrat atât existenţa unor condiţii de proces (presiune şi putere) la care magnetorezistenţa este maximă, dar şi puternica dependenţă a MR de rugozitatea suprafeţei straturilor subţiri şi de intermixarea chimica a interfeţelor. • Altă serie de experimente au condus la cunoasterea dependenţei proprietăţilor de magneto-transport de compoziţia stratului metalic/izolator nemagnetic care intră în compoziţia structurii multistrat. • S-au realizat structuri de tip valva de spin si cu tunelare dependenta de spin cu stratul de Al 2 O 3 la interfata cu stratul feromagnetic. • S-a proiectat si s-au realizat experimental partile mecanice ale instalatiei de depunere semiconductori magnetici diluati (DMS). References: 1. Jenica Neamtu, M. Volmer “Surface Magnetisation Sensor for Characterization of Magnetic Thin Films and Spin-Valves Structures” in Microelectronic Engineering 51 -52(2000) 409 -413 2. Jenica Neamtu, M. Volmer “Magnetoresistance and magnetic properties of magnetic thin film multilayers” Surface Science 482 -485 (2001) 1010 -1014 3. Jenica Neamtu, M. Volmer “Magnetoresistance and Hall Effect Characterization on Magnetic Thin Films Multilayers” Journal of Materials Research” vol. 746 [2003]551 -558