Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Этот магнитомягкий слой действует, таким образом, как клапан, чувствительный к внешнему магнитному полю. Типичное значение изменения сопротивления при его перемагничивании составляет около 1% в расчете на 1 Э. Спиновые вентили, изготовленные методами обычной микроэлектронной технологии, применяются для контроля магнитных полей, магнитной записи информации и других приложений. Метод, наиболее часто используемый для антипараллельной ориентации магнитных моментов двух магнитных пленок в структуре спинового вентиля, заключается в последовательном осаждении двух ферромагнитных материалов, по-разному реагирующих на магнитные поля (например, кобальт и пермаллой МзоГем).
Коэрцитивная сила у пермаллоя меньше, чем у кобальта. Допустим, что в данной пленочной структуре пермавлой и кобальт первоначально намагничены в одном и том же направлении (состояние с низким сопротивлением). Если к структуре прикладывается противоположное по направлению магнитное поле с напряженностью больше коэрцитивной силы пермаллоя, но меньше коэрцитивной силы кобальта, то достигается состояние с антипараллельными (встречными) ориентациями магнитных моментов, т. е.
состояние с высоким сопротивлением. 274 Г л а а а 3. Перенос носителей заряда а низкоразмерных структурах... Усовершенствование методики изготовления двух магнитных слоев с различными магнитными свойствами достигается при использовании контакта антиферромагнетика с ферромагнитным слоем (для эффективного «связывания» магнитных моментов ферромагнитного слоя). При соответствующих условиях осаждения и отжита антиферромагнетик и ферромагнетик взаимодействуют, образуя тонкий промежуточный слой из их смеси, т.
е. они «связываются» (в том, что касается магнитных свойств) на границе раздела. Связанный ферромагнитный слой перемагничивается при более высоких напряженностях магнитных полей — вплоть до 1Оз А/м. Такая структура обычно называется искусственным антиферромагнетиком. Когда один из ее ферромагнитных слоев «связывается» своей внешней поверхностью с антиферромагнитным слоем, то образуется структура, очень устойчивая к чрезвычайно высоким полям и температурам, вплоть до температуры Нееля для антиферромагнетика. В результате материал может иметь высокое сопротивление в широком диапазоне внешних магнитных полей.
Два магнитных слоя из одного материала, разделенные немагнитным проводящим материалом, могут иметь различные поля перемагничивания, если их геометрические размеры отличаются и лежат в нанометровом диапазоне (сравнимы с размерами магнитных доменов в них). При комнатной температуре магнитосопротивление спиновых вентилей обычно составляет 5 — 10%, а поле насыщения находится в диапазоне между 800 и 8000 А/м. Высокая чувствительность таких структур к изменению магнитного поля позволила создать на их основе обширное семейство датчиков, считывающих магнитных головок, интегральных элементов памяти. Для теоретического описания эффекта гигантского магнитосопротивления в структурах с протеканием тока перпендикулярно плоскости структуры предложена следующая модельза.
Перенос спин-поляризованных электронов из ферромагнитного слоя в не- магнитный сопровождается накоплением их вблизи границы раздела со вторым ферромагнитным слоем, поскольку не все прибывшие к этой границе электроны могут разместиться в принимающем ферромагнитном электроде. Зто приводит к усилению спин-зависимого межфазного рассеяния, которое может быть представлено связанным с границей раздела электрическим сопротивлением.
При переносе носителей заряда вдоль границ слоя Т. Ра)ег, А. Вегг, твеогу ог Фе регрепгдсп)аг пыапегогецмапсе )п гяаапейс пгп1г!!ауегз, Рьуз. Кеч. В 4В(10), 7099-7! 13 (! 993). 275 3.3. Спин-зависимый т нспарт носителей за пда (в процессе планарного транспорта) этого не происходит, потому что нет значительного переноса заряда через границы раздела. При вычислении поперечного сопротивления слоистой структуры ферромагнетик/немагнитный проводник/ферромагнетик значения сопротивлений, соответствующих объемному рассеянию и рассеянию на границах раздела, должны быть включены в общее сопротивление. Следует отметить, что в многослойной структуре накопление спинов,индуцированное взаимодействием последовательно расположенных границ раздела, частично взаимно компенсируется. Это делает вычисление общего сопротивления более сложным, чем для простого последовательного соединения резисторов, моделирующих рассеяние на границах раздела и в объеме, Кроме того, вклад в него объемного спин-зависимого рассеяния определяется соотношением между толщиной материала и длиной спиновой релаксации.
Выражение для отнесенного к обратной намагниченности сопротивления спинового накопления в расчете на единицу площади одной границы имеет вид: р,-2р'р 1 Здесь 1. — длина спиновой релаксации в ферромагнитном материале, а коэффициент объемной спиновой асимметрии В = (рй — рт)/(р1 + рт) вероятно близок к коэффициенту спиновой поляризации материала и используется для описания изменения удельного сопротивления ферромагнетика как функции ориентации спинов проходящих через него электронов: рт = 2р (! — р] и рй = 2р (1 + р), (3.3.2) где рг — независящее от спина объемное удельное сопротивление.
Накопление спинов приводит к асимметрии тока и увеличению электрического поля с обеих сторон от границы раздела на длине 1, . Зависимость сопротивления структуры ферромагнетик/йемагнитный материал/ферромагнетик в перпендикулярном слоям направлении в расчете на единицу плошади от толщины ферромагнитных слоев фи толщины слоев немагнитного металла И„при с(«Н„«1, определяется выражением р<р.
и 1 )! (р,ар) ° ! (р,ар! где верхние индексы «р» и «ар» относятся, соответственно, к параллельной и антипараллельной намагниченностям смежных магнитных слоев; ьтб Глава 3. Перенос носителей заряда внизкоразмерныхстру ах... (3.3.4) (3.3.5) Параметры с нижним индексом «пь относятся к немагнитному металлу. И, наконец, изменение сопротивления структуры, составленной из М периодически повторяющихся пар слоев ферромагнетик / немагнитный материал, определяется выражением ~Я'"ь' -Я'ь']Я'ь' = Яр Д М+ 2угьМ)з. (3.3.6) Для относительного изменения сопротивления получаем 6МЯ =~я'"' -Я'"]/Я'" = (3.3.7) = (Вру Ду + 2угь)' / (р/ Ду + р.
Д. + 2гь)' Здесь, как и в случае объемного удельного сопротивления, межфазный коэффициент спиновой асимметрии у и не зависящее от спина сопротивление границы раздела гь отражают влияние эффекта накопленияспинов: гт =2гь[1-у] и гз =2гь11+7]. (3.3.8) Представленный макроскопический подход допускает оценку вкладов объемного и межфазного спин-зависимого рассеяния в сопротивление структуры, а также демонстрирует возможность разработки приборов на основе эффекта гигантского магнитосопротивления, в которых используется транспорт носителей через многослойные структуры, образованные чередованием магнитных и немагнитных материалов.
Следует иметь в виду, что приведенные представления пригодны для использования в проектировании спинтронных приборов, рассчитанных для величин плотности спин-поляризованного тока до 10ь А/см'. При больших плотностях тока, начиная с 10ь — 10т А/смз, в спиновом вентиле усиливается взаимодействие свободных спин-поляризованных носителей заряда с электронными оболочками атомов решетки магнитного материала.
В результате атомы магнитного материала стремятся сориентировать свои магнитные моменты в том же направлении, что и спины окружающих их свободных электронов. Это явление получило название «передача спина» (зр(п тгапзуег гоге(це). с ростом плотности тока передача спина может приводить к изменению направления намагниченности одного из слоев даже в отсутствие внешнего магнитного поля либо, З.З.
Спин-зависимый трингнарт носителей заряда Рис. 3.43. Перенос спина в структуре ферромагнетик/немагнитнмв провод ник/ферромагнетнк в неустойчивом режиме, к колебаниям намагниченности в микроволновом диапазоне. Рассмотрим процессы, приводящие к передаче спина (рис. 3.43).
Предполагаетсяат, что в спин-поляризованном токе, инжектируемом из ферромагнитного слоя Н, спин свободных электронов ориентирован под определенным углом по отношению к оси намагничивания второго ферромагнитного слоя Г2. Когда этот ток проходит через слой Р2, обменное взаимодействие выстраивает спины электронов вдоль оси намагниченности этого слоя. Так как обменное взаимодействие сохраняет суммарный спин в Р2, вынужденная исчезнуть поперечная составляющая поляризации спина свободных электронов приводит к возникновению спинового вращающего момента, изменяющего направление намагниченности данного слоя.
Разная ориентация намагниченности слоев Н и Р2 предполагает, что носители заряда при пересечении ими границы слоя Г2 должны подстраиваться к новой оси намагничивания. Такая подстройка происходит на расстояниях длины волны Ферми х — Лр. Момент сил, изменяющих направление намагниченности слоя Г2, зависит от плотности протекающего через него тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
