Диссертация (1103648), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В качестве постоянного запоминающегоустройства чаще всего используется накопитель на жестких магнитных дисках, где значение бита кодируется как направление намагниченности в магнитном домене. Система считывания такого накопителя, представляет собойэлемент, сопротивление которого меняется благодаря эффекту GMR в зависимости от направления намагниченности в той области диска, над которойон находится; для доступа к требуемым данным такой элемента механически перемещается над поверхностью диска. Необходимость точного позиционирования головки, осуществляющей считывание/запись, является главнымограничением в скорости работы этого типа устройств, поскольку для вычислений часто необходимы данные, находящиеся в разных областях диска.
Оперативные запоминающие устройства, в свою очередь, обладают чрезвычайномалым временем доступа к произвольной ячейке, поэтому они являются самыми быстрыми представителями памяти произвольного доступа (random accessmemory, RAM), но требуют периодической подзарядки каждой ячейки.Усилия многих научных и инженерных групп направлены на объединениедвух типов запоминающих устройств в один универсальный. На сегодняшний день существует целый спектр устройств памяти произвольного доступа,решающих разные задачи и обладающих своими достоинствами и недостатками.
Сводные сведения по различным технологиям [3, 71, 72], используемымдля создания устройств RAM, представлены в таблице 1.1. Подход, предлагаемый спинтроникой, заключается в соединении достоинств магнитной памяти(энергонезависимость, отсутствие механизма износа) и полупроводниковыхустройств (быстродействие).37MRAMПервая попытка создать магнитную память произвольного доступа, после которой и возникла аббревиатура MRAM, заключается в замене полупроводникового элемента DRAM на трехслойную проводящую гетероструктуружесткий магнетик – немагнитный материал – мягкий магнетик“. В каждой”ячейке два магнитных слоя разделены немагнитным, при этом направлениенамагниченности в одном из слоев жестко зафиксировано.
Намагниченностьвторого магнитного слоя может переключаться внешним магнитным полеммежду двумя состояниями – параллельным и антипараллельным жесткомуслою. Как и в случае полупроводниковой памяти, ячейки образуют двумернуюсетку, направляющие которой называются шинами битов и шинами слов. Длязаписи ток подается по обеим шинам (магнитное поле, создаваемое каждойшиной отдельно, меньше, чем поле, необходимое, для переключения направления намагниченности), на пересечении которых находится заданный бит“,”а при чтении через ячейку пропускается электрический ток – разница в сопротивлении, обусловленная GMR, позволяет различить два логических уровня.Первые прототипы MRAM имели ряд проблем. Во-первых, все ячейкиимели несколько разную коэрцитивную силу (за счет анизотропии формы), т.е.в разных ячейках переключение между двумя состояниями происходило приразной напряженности магнитного поля.
Во-вторых, создаваемое магнитноеполе могло, в некоторых случаях, переключить не только выбранную ячейку,но и соседние.STT-MRAMБолее поздняя разработка – Spin-transfer-torque MRAM (STT-MRAM) – избавлена от указанных недостатков, поскольку использует для записи переносспинового момента. Переключение намагниченности одного из магнитныхслоев гетероструктуры, описанной выше, происходит при пропускании че38рез него импульса спин-поляризованного тока.
Такое устройство может иметьсравнимое с DRAM быстродействие при вдвое меньших энергетических затратах на одну операцию [73]. Использование спинового тока для управления(а)(б)Рисунок 1.16: Упрощенная схема памяти MRAM. (а) – единичная ячейка (замкнутые линии– магнитное поле, белые стрелки – намагниченность: снизу – жестко фиксирована, сверху –может быть повернута на 180 градусов); (б) – массив ячеек (стрелками показанонаправление импульсов тока)доменными границами позволяет создать говорить о создании еще более эффективных запоминающих ячеек, которые могут хранить больше одного битаинформации [74].
Однако, STT-MRAM требует для работы высоких значенийплотности тока (> 106 А/м2 ), что приводит к различным практическим трудностям (см. введение).Подковообразная ячейкаОдин из вариантов устройства STT-MRAM, использующий перемещениедоменных границ, продемонстрирован в работе [75]. Ее авторы смоделировалии реализовали устройство подковообразной формы, состоящее из несколькихслоев магнитных и немагнитных материалов, состояние которого определялось положением доменной стенки в одном их слоев относительно центра«подковы» (рис.
1.17). Ток, протекая через такую структуру, проходит черезопорный слой, становясь спин-поляризованным, и за счет эффекта передачи39спина сдвигает доменную стенку в свободном слое. Считывание производится с применением эффекта гигантского магнитного сопротивления: в зависимости от положения стенки намагниченности опорного и свободного слоемполучаются сонаправленными или противоположно направленными, что приводит к изменению сопротивления структуры.Рисунок 1.17: Магнитный туннельный переход с перемещаемой доменной границей –гетероструктура с двумя магнитными слоями: опорным и свободным (толщины магнитныхслоев преувеличены в иллюстративных целях) [75]Трековая память (Racetrack memory)Трековая память – еще одно технология, реализующее концепцию MRAM.Она была предложена исследователем из IBM Стюартом Паркиным [76].Racetrack memory представляет собой массив нанопроволок толщиной ∼ 10нм из пермаллоя, через которые пропускается спин-поляризованный ток.
Припропускании импульса тока доменные границы, а вместе с ними и домены,проходят мимо системы считывания записи, аналогичной той, что используется в современных жестких дисках. При смене полярности тока происходитдвижение в обратную сторону.40415/1010 − 32/10 − 3213018090*420ДаДаДаДаДаFeRAMMRAMSTT-MRAMRacetrackPRAM0.10.10.1700.03Гарантированное количество циклов считывания/записи на одну ячейкуТехнология ориентирована на трехмерную организацию модуля памяти вместо традиционной двухмерной34Таблица 1.1: Технологии, используемые в различных устройствах памяти произвольного доступа30/5035/3560/900.0150/10315ДаFlash551/130НетSRAM (65 нм)10/1030Нет1010> 1015> 1015> 1015101210510161016Энергонезависимость Размер ячейки, нм Время считывания/записи, нс Энергия записи, пДж Надежность3DRAM (65 нм)Тип памяти(а) Исходное состояние(б) Ток двигает биты“ влево”(в) Ток двигает биты“”вправоРисунок 1.18: Схема работы трековой памяти [76].
Синим и красным цветом отмеченыдомены с противоположным направлением намагниченности. Желтая стрелка - направлениеспин-поляризованного тока. Под U-образной проволокой расположена системасчитывания/записи.Каждая проволока- трек“ представляет собой, таким образом, регистр”сдвига. Один трек содержит в себе всего несколько десятков доменов, чтопозволяет уменьшить времени доступа к случайному биту до 20 − 32 нс.
Трехбитовая версия racetrack memory была продемонстрирована в 2008 году. Наряду с высокими плотностями тока, существенной технической трудностью,которая мешает поставить производство трековой памяти на поток являетсянизкая скорость движения ДГ в проволоках, обусловленная наличием примесей в пермаллое; тем не менее, известно, что для химически чистого веществаскорость может достигать величин порядка 110 м/c.1.5Выводы из главы 1Одной из наиболее приоритетных задач спинтроники является разработкановых способов контроля намагниченности, в частности, контроля, основанного на воздействии электрического поля, а не токов. С точки зрения прак-42тического применения наиболее перспективными выглядят механизмы контроля, предполагающие управление магнитными неоднородностями, в первуюочередь, доменными границами.
Существующие в настоящее время способыуправления ДГ подразумевают, что движущей силой является магнитное полеили спин-поляризованный ток. Полевой принцип управления может быть реализован путем использованием семейства магнитоэлектрических эффектов,одним из которых является неоднородный магнитоэлектрический эффект.В настоящей работе исследуется явление движения магнитных доменныхграниц под действием электростатического поля.
Это явление наблюдаетсяпри нормальных условиях внутри однофазного материала, что является важным преимуществом с технологической точки зрения. Кроме того, эффектэлектроиндуцированного движения магнитных ДГ – на момент написаниядиссертации единственное прямое экспериментальное свидетельство наличия у границ локальных магнитоэлектрических свойств, поэтому его изучение представляет интерес и с фундаментальной точки зрения. Особенностиэффекта позволили выдвинуть гипотезу о том, что его механизмом являетсянеоднородный магнитоэлектрический эффект. Задачей данной работы является проверка этой гипотезы при помощи эксперимента и численного моделирования.43ГЛАВА2ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ МАГНИТНЫХДОМЕННЫХ ГРАНИЦ2.1ВведениеНаиболее правдоподобным механизмом наблюдаемого в экспериментахэлектроиндуцированного движения магнитных ДГ в эпитаксиальных пленкахферритов гранатов, описанного в разделе 1.4 литературного обзора, является неоднородный магнитоэлектрический эффект: ось легкого намагничиванияв исследовавшихся образцах с ориентацией (210) и (110) отклонена от нормали к поверхности пленки [53], поэтому доменные границы не будут чистоблоховскими, следовательно, они могут обладать электрической поляризацией, на которую и действует внешнее электростатическое поле.
В образцах скристаллографической ориентацией (111) отклонение ОЛН от нормали отсутствует, поэтому в них реализуются ДГ Блоха, не обладающие электрическойполяризацией, и внешнее электрическом поле на них не действует.Гипотеза о наличии у доменной границы электрической поляризации предполагает естественный способ проверки: если поляризация есть следствиеопределенной микромагнитной структуры границы, то изменив эту структуру, мы увидим изменения в реакции границы на внешнее электрическое поле.Наиболее просто структуру ДГ можно изменить при помощи внешнего магнитного поля.
Также новую информацию, способную прояснить физику наблюдаемого явления, можно получить, создавая электростатические поля различной конфигурации. В данной главе описаны эксперименты, основанные наэтих идеях, и их результаты.442.2Описание экспериментальной установкиВ эксперименте были исследованы эпитаксиальные пленки феррита граната ()3 ( )5 12 (толщина порядка 10 мкм), выращенные на подложкахиз гадолиний-галлиевого граната 3 5 12 (толщина подложки 500 мкм) скристаллографической ориентацией (210) и (110).
Параметры пленок представлены в таблице 2.1.Во всех образцах с ориентацией (210) домены образуют полосовую структуру. Вектор намагниченности в доменах не коллинеарен нормали к поверхности пленки, его направление можно задать двумя углами (, ) в сферическойсистеме координат ( – полярный угол, который отсчитывается от нормали[210], – азимутальный, отсчитываемый от направления [120]; см. рис. 2.1).Для образцов с ориентацией (210) величины углов имеют характерные величины порядка ∼ 40 − 50∘ , ∼ 190∘ .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
