Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Поглощение такими полупроводниками света зависит от его оптической поляризации. Соответственно и излучают они свет с определенной поляризацией, что находит применение для квантового кодирования и декодирования оптически передаваемой информации. Ниже будут рассмотрены спин-зависимые транспортные явления в твердых телах и их особенности в наноразмерных структурах, а также приведены примеры интегральных спинтронных приборов, которые уже нашли применение в системах получения, обработки и хранения информации. З.З.1. Гигантскоемагиитосопротивление Многослойные тонкопленочные структуры из чередующихся слоев немагнитного и магнитного материалов демонстрируют значительное изменение сопротивления в магнитном поле.
Это явление называют эг)б((Ьекнаом гигантского магнитосонронаивления (8(апг тайпегогез(угапсе еЯесу)вз. За его открытие А. Ферт и П. Грюнберг в 2008 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Эффект наблюдается, когда электрический ток пропускают как в плоскости слоев, так и перпендикулярно им. Эти две основные конфигурации Впервые описан в работе ЬГ. Гу. Вагысй ег а!., 01апг таапегогеа!иапсе ог (001) Ре/(001)Сг тайне!(с порет)ап1сеа, РЬ)п.
Кеч. !.еп. 61(21), 2472-2475 (! 988) н независимо в О. Втазсй, Р. ОтнЬегх, Е Яаигепйасй, Иг. Угон, Епбапсеб тайпегогеяиапсе 1и 1ауегеб пайпс!и згпгсгогеа п!гь апглеггопвйпебс )пгег)ауег ехсвапйе, РЬ)в. Кеч. В 39(7), 4828-4830 (!989). хтв Глава 3. Пе нос носителей за внизкоразмерныхструктурах... Ф вЂ” Ъ(-~ Ыемзгннтный оровопних Рис.
3.41. Эффект гигантского магнитосопротивления в тонкопленочной структуре с параллельным плоскости слоев протеканием тока: а — антипараллельная намагниченность ферромагнитных слоев обусловливает высокое сопротивление; о — параллельная намагниченность ферромагнитных слоев— низкое сопротивление называются конфигурациями с протеканием тока в плоскости (сиггеп1-1л-р1апе, С!Р) и с протеканием тока перпендикулярно ей (сиггептрегрелг((си!аг-го-р!апе, СРР). Тонкопленочная структура с параллельным плоскости слоев протеканием тока схематически показана на рис.
3.41. Ферромагнитные слои с противоположной намагниченностью могут быль получены путем осаждения в соответствующих по ориентации магнитных полях. В отсутствие магнитного поля сопротивление максимально при противоположном направлении магнитных моментов соседних ферромагнитных слоев. При этом электроны со спином, направленным вдоль вектора намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположной намагниченностью, поскольку в нем нет доступных для них энергетических состояний.
Это приводит к отражению электронов от границ таких слоев и отсутствию в них тока. Сопротивление структуры минимально, когда магнитные моменты слоев ориентированы по направлению внешнего магнитного поля. Магнитное поле, необходимое для параллельной ориентации всех слоев, обычно называется полем насыщения. При низких температурах уменьшение сопротивления может достигать нескольких сотен процентов. Наиболее ярко этот эффект проявляется в многослойных структурах Ре/Сг и Со/Сп. Он усиливается с ростом числа слоев и достигает своего максимума для 100 слоев (при толщине каждого слоя в несколько наномстров).
Взаимная ориентация магнитных моментов двух соседних магнитных слоев зависит от толщины разделяющего их промежуточного немагнитн ого слоя, изменяясь от параллельной как в ферромагнетике до антипараллельной как в антиферромагнетике. Это явление называют осг(ил- 3.3. Саин-яависимийт ноно т носителейза яда 371 лирующим обменным взаимодействием (озсШйгогу ехсЬалбе соирблб). Оно приводит к периодическому изменению магнитосопротивления при изменении толщины немагнитного слоя.
Эффект гигантского магнитосопротивления имеет место только при таких значениях толщины немагнитного слоя, для которых осуществляемая через него обменная связь достаточна для антипараллельной ориентации магнитных моментов магнитных слоев. С ростом напряженности магнитного поля магнитосопротивление постепенно уменьшается. Это связано с тем, что внешнее магнитное поле, ориентируя магнитные моменты магнитных слоев в одном направлении, должно преодолеть обменную связь, которая стремится ориентировать их антипараллельно (при данной толщине немагнитного слоя). Полная ориентация магнитных моментов в одном направлении достигается только в таком поле насыщения, величина которого близка к полю обменной связи.
Магнитосопротивление структур с перпендикулярным плоскости структуры протеканием тока обычно больше, чем в структурах с протеканием тока параллельно ее плоскости. Это связано с отсутствием шунтирующего тока, проходящего по разделяющим ферромагнитные слои промежуточным немагнитным слоям и по их границам. В этом случае при пересечении каждой границы раздела многослойной структуры все носители испытывают спин-зависимое рассеяние. Однако низкое сопротивление полностью металлических структур требует применения методов нанолитографии для изготовления вертикальных элементов с очень малым поперечным сечением, чтобы получить достаточное для практической регистрации изменение сопротивления.
Особенности транспортных процессов при протекании тока перпендикулярно плоскости структуры ферромагнетик/немагнитный проводник/ферромагнетик проиллюстрированы на рис. 3.42. Ток, возникающий в структуре под действием напряжения„имеет две составляющие, соответствующие электронам со спином вверх и со спином вниз. В отсутствие рассеяния по спину их смешивания не происходит. В ферромагнетиках в отличие от немагнитных материалов энергетические спектры для электронов со спином вниз и со спином вверх различны (зто показано на рисунке).
Электроны с областью разрешенных состояний выше уровня Ферми участвуют в транспортных процессах в качестве свободных носителей заряда. Разрешенные состояния электронов с противоположной ориентацией спина лежат ниже уровня Ферми, что исключает для них возможность свободно перемещаться в ферромагнетике. Переходя из 272 Гл а в а 3. Перенос носителей за в низкоразмерных структурах... Пь .у Ферре- Нана«я«гний Фарао«н~ ета сро«олннх магна»я« Фсрро" Нсмя н« ~« .'Р ФО~Ф»- захьегсх срсзоднях мэонпнк Рис.
3.42. Спин-поляризованный транспорт электронов через слоистую структуру ферромагиетик/немагнитный провоаник/ферромагнегик: а — антипараллельная намагниченность ферромагнитных слоев — высокое сопротивление; б — параллельная намагниченность ферромагнитных слоев — низкое сопротивление одного ферромагнетика в другой, электроны занимают вакантные места только со своей спиновой поляризацией. Энергетический спектр спин-поляризованных электронов в ферромагнетиках описывается параболой для каждой спиновой составляющей. Разность между дном зоны «спин-вверх» и дном зоны «спин-вниз» поляризованных электронов отражает степень спиновой поляризации электронов в материале и количественно описывается характеристикой молекулярного поля /ге.
Когда намагниченности двух ферромагнетиков направлены противоположно друг другу (антипараллельны), то выходящие из одного ферромагнетика спин-поляризованные носители не могут попасть в другой ферромагнетик, не найдя соответствующих их спину вакантных мест в нем. Они рассеиваются на границе раздела, вызывая рост сопротивления.
Напротив, одинаковое направление намагниченностей обоих ферромагнетиков гарантирует одинаковую поляризацию спинов инжектируемых электронов и электронных состояний в соседнем ферромагнитном слое. Таким образом, рассеяние носителей на границах раздела сводится к минимуму, что соответствует самому низкому сопротивлению структуры. Толщину слоев выбирают, как правило, исходя из требования, чтобы в каждом слое расстояние, на котором электрон сохра- 3.3. Спин-зависимый транспорт носителей заряда 373 няет определенную ориентацию своего спина, было намного больше толщины этого слоя. Такое условие обычно хорошо выполняется при толщине слоя менее 1б нм.
Электрон должен иметь возможность пройти через большое число слоев, прежде чем ориентация его спина изменится. На всем пути следования электрона каждая магнитная граница раздела может играть для его спина роль своеобразного фильтра. Чем больше рассеивающих границ раздела пересекает электрон, тем сильнее эффект «фильтрования».
Это и объясняет увеличение гигантского магнитосопротивления с ростом числа слоев. Спин-зависимое рассеяние электронов на границе раздела обусловлено также рассогласованием периодов кристаллических решеток контактирующих материалов. Кроме того, оно зависит от степени согласования уровней Ферми и спиновых подзон на этих границах. Тонкопленочная структура, состоящая из двух магнитных слоев, обычно рассматривается как слоновый ееитяль (зрзп ра(те). Он конструируется так, чтобы магнитный момент одного из этих слоев был устойчив к изменению направления внешнего магнитного поля, а магнитный момент другого слоя при таких же условиях легко изменял свое направление на противоположное.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
