Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 57
Текст из файла (страница 57)
При плотностях тока, превышающих некоторый порог, происходит перемагничивание. Существенно, что порог перемагничивания при этом определяется процессами рассеяния носителей заряда в этом слое. На расстояниях х > Лт а зто порядка 1 нм, поток электронов с переориентированными спинами сохраняется на расстояниях длины спиновой релаксации /е.
При этом неравновесная добавка к зффек- Х С. Я!анееезгзй(, Сопеп1-Опчеп ехелацоп о( павпеце пт!щауеп, !. Маа. Мав. Ма1ег. 159 Е! — Ет (1996); А. Веглег, Еппмюп о(ар! и начеа Ьу а павле!к птхвауег пачегзед Ьу а вигген!, Рвуа. Кеч. В 54(13) 9353 — 9358 (1996). 2?В Г и в в в 3. Перенос иоситевеа ззрппв в иизкорвзмвриых структурах... тивному магнитному полю в слое )З2 вызывает в нем рост магнитной энергии. При доспокении определенных значений энергии с ростом плотности тока произойдет соответствующее изменение намагниченности, сопровождаемое понижением магнитной энергии.
Слой г2 перейдет в новое стабильное магнитное состояние. Явления передачи спина и связанное с ними изменение направления намагниченности наноструктур перспективно для создания переключаемых током спинтронных приборов. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое спиитроника? 2. Что такое магиитосопротивление? 3. В чем измеряется магиитосопротивлеиие? 4. В чем суть эффекта гигантского магиитосопротивления? 5.
Какие материалы чаше используют в тонкопленочных структурах, демонстрирующих эффект гигантского мвгнитосопротивлеиия? 5. Что такое спиновой вентиль? 6. Какие процессы требуют учета при расчете магиитосопротивлеиия тонкопленочных структур? 3.3.2. Спин-контролируемое туннелироввние Туннелирование электронов между двумя по-разному намагниченными ферромагнитными слоями, разделенными тонким слоем диэлектрика, предполагает зависимость туннельного тока от магнитного паля. Определенная намагниченность ферромагнитных слоев обеспечивается путем их осаждения в магнитном поле. Процесс туннелирования, существенно зависящий от ориентации спинов носителей заряда в электродах, управляется намагниченностью ферромагнитного материала (рис. 3.44).
Туннельная структура имеет большое сопротивление, когда намагниченности двух ферромагнитных слоев направлены в разные стороны. Сопротивление структуры значительно уменьшается, когда во внешнем магнитном поле намагниченности слоев становятся направленными в одну сторону, что обычно называют эфг(уектом туппельпого магпитосонротивлепия (Гиппе?(па таапеуогезОГапсе енес()вв. Как и в случае эффекта гигантского магнитосопротивления, это явление часто описывается в терминах магнитосопротивления туннельного перехода. Впервые описан в работе: М. Уилпетв, Тпппе!(па Ьептвеп Гепотвапебс б!пм, РЬуз. (лзт.
А 54(3), 225-226 (1975). 279 3.3. Спин-зоеисииий транспорт носителей заряди Рис. 3.44. Туп пел и рован ив спин-поляризованных электронов через слоистую структуру ферромагнетик/лиэлектрик/ферромагнетик: а — антипараллельная намагниченность ферромагнитных слоев — высокое сопротивление; б — параллельная намагниченность ферромагнитных слоев — низкое сопротивление Типичные многослойные структуры для спин-зависимого туннелирования формируются из ферромагнитных слоев Со, СоСг, СоГе, СогеВ или других ферромагнитных сплавов, разделенных тонкими слоями диэлектриков (А),Оз, МЫО, Та,О,), толщина которых может достигать нескольких нанометров.
Магнитосопротивление туннельных переходов является функцией приложенного напряжения, напряженности магнитного поля и температуры. В отсутствие магнитного поля и при низких напряжениях (в диапазоне от единиц до сотен милливольт) проводимость идеального туннельного перехода почти постоянна При более высоких значениях напряжения наблюдается близкая к параболической зависимосп проводимости от напряжения. Типичньге зависимости магнитосопротивления от направления и напряженности магнитного поля показаны на рис. 3.45. Две кривые для каждой структуры соответствуют двум противоположным начальным направлениям приложенного магнитного поля (сплошные — большим положительным, а пунктирные — большим отрицательным).
При больших положительных начальных полях магнитосопротивленне перехода невелико, так как направления намагниченности обоих ферромагнитных электродов и, следовательно, их спиновые поляризации совпадают (сплошные кривые). По мере того как напряженность магнитного поля уменьшается до нуля, магнитосопротивление начинает возрастать. После изменения направления поля магнитосопротивление быстро увеличивается и проходит через максимум, соответствующий противоположной намагниченности материала электродов.
В противоположно направленном магнитном поле намагниченносп электрода с более низкой коэрцитивной силой ориентируется в новом направлении, тогда как 2ВВ Глава 3. Перенос носителей за яда в низкоразмерныхс уктурах... второй электрод (с более высокой коэрцитивной силой) остается намагниченным в первоначальном направлении поля. Намагниченности двух электродов оказываются антипараллельными друг другу. Заметим, что коэрцитивная сила ферромагнитной пленки легко контролируется условиями ее осаждения (напряженностью магнитного поля, температурой подложки, наличием зародышевого слоя, толщиной пленки, геометрическими факторами и т.д.).
При дальнейшем увеличении напряженности поля наступает момент, когда она становится уже достаточной для того, чтобы ориентировать намагниченность второго ферромагнитного электрода в направлении поля. Намагниченности слоев из антипараллельных становятся параллельными. Магнитосопротивпение падает до своего первоначального значения. В сильных полях происходит насыщение намагниченности обоих электродов и кривые на графике (см. рис. 3.45) соединяются. Когда направления намагниченности совпадают, вероятность туннелирования очень высока: туннельный ток достигает своего максимума, снижая сопротивление перехода. При антипараллельной ориентации вероятность туннелирования и ток низки, что соответствует более высокому сопротивлению перехода.
При моделировании спин-зависимого туннелирования между двумя по-разному намагниченными ферромагнитными электродами, разделенными тонким слоем диэлектрика, обычно прини- 0 ; -0,25 ~ ~-0,50 Й о,ав~ о !00 о о х 5,0 Б 2,5 Магнитное поле, 3 Рис. 3.45. Зависимость магнитосопротивления двух ферромагнитных тонких пленок и туннельного перехода на их основе от направления и напряженности магнитного поля при комнатной температуре. Стрелки указывают направления намагниченности пленок 281 аепеа ~ еааь 8у г)Ьгги, ехр(-2;(с()[1+сов(0)1 г 1)с +йг<ц) (3.3.9) где ; (3.3.10) 0 — угол между векторами намагниченности ферромагнитных электродов; те — эффективная масса электронов в материале барьера (в диэлектрике); лгд Еа, ло — эффективная масса электронов, энергия Ферми и молекулярное поле в эмитирующем электроны ферромагнетике.
Изменение туннельного сопротивления (магнитосопротивления туннельного перехода) равно (3.3.1 1) Я Ям 1 +Р Рг где Яр и ߄— сопротивления электродов с параллельной и антипараллельйой намагниченносп ю соответственно; Р, и Р, — спиновые поляризации электронов проводимости в ферромагнитных электродах. В промежуточном состоянии, когда угол 0 отличен от 180', проводимость туннельного перехода пропорциональна величине 1 + Р Р озгй.
х с. яопсеепы!, сопапсгапсе апд ехсьапае сопрвпа опво гепогпавпеп аераппед Ьу а шппе1(па Ьагпег, Рьуа. Век В 39(10), 6995-7002 (1989). мается допущение о том, что в процессе туннелирования спин сохраняет свое направление, и туннельный ток зависит от плотности электронных состояний в двух электродах. Поскольку в ферромагнетиках имеет место так называемый спиновый разбаланс (на уровне Ферми число электронов со спином вверх не совпадает с число электронов со спином вниз), можно ожидать, что вероятность туннелирования из одной ферромагнитной области в другую будет зависеть от направлений намагниченности этих областей.
Прозрачность туннельного барьера толщиной гг' для электронов со спином вверх (1) и спином вниз (4) при малых напряжениях )г(когда еР'< К где У вЂ” высота потенциального барьера, создаваемого диэлектриком, при упругом туннелировании электронов) описывается выражениемеа: 282 Гл а в а 3 . Перенос носителей заряла в низкоразмерных структурах...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
