Гиганский магниторезестивный эффект

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

  Гальваномагнитные явления  – совокупность явлений, связанных  с действием магнитного поля (МП) H на электрические свойства проводников (металлов, полупроводников), по которым протекает электрический ток (плотностью j). Различают нечетные гальваномагнитные явления, характеристики которых меняют знак при изменение направления H на обратное, и четные (не меняют знак), а также продольные(jççH)  и поперечные (j^H). Наиболее важные гальваномагнитные явления из нечетных – эффект Холла- возникновение разности потенциалов в направлении, перпендикулярном H и j; из четных - изменение удельного сопротивления r при j^H (поперечное магнето сопротивление).

    Зависимость r(H) обусловлена влиянием МП на траектории носителей заряда (для определенности электронов). При H=0 электрон между столкновениями с фононами или дефектами кристаллической решетки движется прямолинейно, при H¹0 его путь искривляется. Грубой оценкой кривизны траектории может служить Ларморовский радиус r=pc/eH где p- импульс,e-заряд электрона.

     Если в плоскости,  перпендикулярной H, электрон совершает периодическое (финитное) движение, то его энергия квантуется. Квантование движения электронов проявляется только в том случае, если ω≥kT. В полупроводниках и полуметаллах концентрация носителей мало, и при низких температурах удается реализовать случай, когда заполнен лишь один магнитный уровень (так называемый квантовый предел больший энергии Ферми вырожденного проводника при H=0.

    Исследования  при низких температурах монокристаллических  образцов металлов обнаружили  разнообразные зависимости ∆ρ/ρ  от величины и направления  H у различных металлов.      

Приведем классификацию  физических эффектов гальваномагнитных  явлений:

    - эффект Холла,  заключающийся в появлении ЭДС  между точками проводящего тела, эквипотенциальными при отсутствии  поля;

    -эффект Гаусса, заключающийся в изменении электрического  сопротивления монолитного проводника;

   -анизотропный магниторезистивный  эффект, заключающийся в изменении  электрического сопротивлении тонкопленочного  проводника, выполненного из ферромагнитного  сплава;

     -гигантский  магниторезистивных эффект, заключающийся  в значительном изменении электрического  сопротивления сверх тонкого  многослойного проводника, выполненного  из чередующихся слоев ферромагнитного  и немагнитного металлов;

      -эффекты  возникновения электрических полей  (разности потенциалов) при воздействии  магнитного поля на проводник  или полупроводник, в котором  имеется направленный тепловой  поток, созданный градиентом температур, и эффекты возникновения поперечного  температурного градиента в проводниках  и полупроводниках под действием  магнитного поля и протекающего  электрического тока (термогальваномагнитные  явления);

     -магнитодиодный  эффект, заключающийся в изменении  электрического сопротивлении полупроводника  с током, с несимметричным р-n переходом, в следствии изменения концентрации носителей заряда;

     -гальваномагниторекомбинационный  эффект (ГМРЭ), заключающийся в изменении  электрического сопротивления полупроводника  с током, помещенного в магнитное  поле, в результате изменения  средней по сечению полупроводника  концентрации носителей заряда. ГМРЭ – универсальный инструмент исследования фундаментальных свойств материалов. Используется как для исследования свойств электронного переноса, так и для стандартного контроля параметров при производстве полупроводниковых приборов.

Рассматриваемые ниже GMR магниторезисторы являются новыми устройствами с характеристиками, значительно превосходящими традиционные гальваномагнитные преобразователи.[1]

1 GMR-эффект и история его открытия

Французский и немецкий физики Альберт Ферт (Albert Fert) и Питер Грюнберг (Peter Grunber) удостоились высочайшей научной  награды - Нобелевской премии за 2007 год. Столь почетного звания Нобелевского лауреата они заслужили за открытие гигантского магниторезистивного  эффекта - феномена, который привел к значительному прогрессу в  области создания устройств хранения данных, в том числе, накопителей  на жестких магнитных дисках. Стоит  отметить, что об открытии указанного эффекта исследователи сообщили в 1988 году, и почти сразу их открытие нашло свое применение в электронной  промышленности, увеличив плотность  размещения информации на магнитных  дисках в тысячи раз. Магниторезистивный эффект - изменение сопротивление проводника при помещении его во внешнее магнитное поле, открытие которого принадлежит Томсону (лорд Кельвин), и сделано еще 150 лет назад. Именно он первым обнаружил, что помещение железа и никеля в магнитное поле приводит к росту сопротивления этих материалов, но в данном случае, в случае ферромагнетиков, направление магнитного поля значительно влияет на сопротивление проводника - так называемый анизотропный магниторезистивный эффект. Именно этот эффект был положен в основу принципа записи информации на первые жесткие магнитные диски, в которых использовали такой сплав, как железо-никель (Fe20Ni80), и до 80-х годов прошлого века никаких серьезных подвижек в этой области, с открытия лорда Кельвина, не наблюдалось.

Поэтому огромным и приятным сюрпризом стало обнаружение  в 1988 году двумя учеными в ходе независимых друг от друга экспериментов  гигантского магниторезистивного  эффекта, наблюдавшегося в многослойных магнитных материалах, где под  слоем ферромагнетика находился  слой немагнитного металла. Причем глубина  каждого слоя чрезвычайно мала - всего лишь в несколько атомов, то есть около одного нанометра. Так, Питер Грюнберг открыл наличие указанного феномена у материала Fe/Cr/Fe (железо-хром-железо), а Альберт Ферт наблюдал идентичное поведение многослойного материала (Fe/Cr)n, где параметр n превышает 60. В  ходе экспериментов Ферта наблюдаемое  снижение сопротивления составило 50%, тогда как Питер Грюнберг получил  скромные 10%. Однако два подхода отличал  немаловажный факт - Ферт проводил исследования при температуре около 4,2 по шкале  Кельвина, а Грюнберг - при комнатной  температуре.

Обнаруженный феномен  был сразу же замечен научным  сообществом, открыв новые пути для  развития целого спектра устройств, среди которых особо выделяются устройства хранения информации на основе жестких магнитных дисков. Так, в 1988 году лучшие образцы жестких дисков могли хранить на одном квадратном сантиметре до 0,01 гигабит информации,  а сегодня этот параметр приближается к отметке 100 гигабит - менее чем за два десятилетия возможности винчестеров увеличились в десять тысяч раз. Но что еще более важно, открытие гигантского магниторезистивного эффекта по сути положило началу развития целой новой науке - спинтронике, которая оперирует электроном не просто как заряженной частицей, а еще имеющим конкретное направление вращения, влиянием которого нельзя пренебрегать при работе с магнитными материалами на атомарном уровне.

1.1 Суть GMR

GMR-эффект заключается в значительном  уменьшении сопротивления многослойной  структуры, состоящей из чередующихся  слоев ферромагнетиков толщиной  в несколько нанометров и немагнитных  металлов такой же толщины,  при воздействии на нее сильного  магнитного поля. Гигантский магниторезистивный  эффект обусловлен волновыми  свойствами электрона, в том  числе и собственным моментом  количества движения (спином), не  связанным с реальным вращением  электрона. Спин порождает определенный  магнитный момент электрона, а  значит, обусловливает его взаимодействие  с внешним магнитным полем.  Электрон может находиться в  двух спиновых состояниях, которым  соответствуют собственное "вращение" электронов по часовой стрелке  или против нее. Таким образом,  спин электронов проводимости  в GMR-структуре может иметь  только два направления: по  направлению внешнего магнитного  поля (условно спин направлен  вверх) и против его направления  (спин направлен вниз).

Как известно, электрическое сопротивление  проводников возникает в основном из-за рассеяния свободных электронов проводимости на атомах, отклонившихся  со своего положения вследствие тепловых колебаний. Рассеяние электронов проводимости в GMR-структуре определяется их спиновой поляризацией в ферромагнитных металлах. Электроны проводимости, направление  спина которых совпадает с  направлением внутреннего магнитного поля ферромагнетика, испытывают меньшее  сопротивление при движении, чем  электроны, спин которых ориентирован навстречу внутреннему магнитному полю. Последние чаще сталкиваются с атомами среды и испытывают при движении большее сопротивление. В первом случае электрическое сопротивление среды меньше, чем во втором. В результате электрический ток в ферромагнитном металле формируют электроны со спином по направлению намагниченности материала и против него.

Рисунок 1-Простейшая  GMR-«сэндвич» структура: а) - в отсутствие внешнего магнитного поля с противоположной ориентацией магнитных полей ферромагнетиков вследствие антиферромагнитной связи (высокое сопротивление) и б) -в присутствие магнитного поля с однонаправленной ориентацией магнитных полей ферромагнетиков(низкое сопротивление)

         Таким образом,  в основе GMR-эффекта лежит поляризация  спина электронов проводимости  в ферромагнетиках и "спиновая  зависимость" рассеяния электронов.

1.2 Структура GMR и его достоинства

Но как воспользоваться "внутренним миром" ферромагнетика для манипуляции  сопротивлением?

Тут на помощь и пришли структуры, состоящие из чередующихся слоев  ферромагнетиков и немагнитных  металлов. Простейшая GMR сэндвич-структура  с нефиксированной ориентацией  собственного магнитного поля содержит два слоя мягкого магнитного материала (сплавы железа, никеля, кобальта) толщиной от 4 до 6 нм, разделенных слоем немагнитного проводящего материала (например, меди) обычно толщиной 3–5 нм. При тщательном подборе материала и толщины немагнитного слоя ориентации магнитных полей слоев ферромагнетиков вследствие возникновения антиферромагнитной связи противоположны. Как правило, слои такой структуры формируются в виде узких полосок шириной несколько микрометров. При прохождении тока в такой структуре спин электронов в одном из слоев ферромагнетика совпадает с ориентацией его собственного магнитного поля. Во втором ферромагнитном слое, ориентация магнитного поля которого противоположна спину, электроны активно рассеиваются, и полное электрическое сопротивление структуры будет большим, поскольку электроны с "правильным" для этого слоя спином уже почти все рассеяны в первом слое (рис.1а). Если же такую сэндвич-структуру поместить в достаточно сильное внешнее магнитное поле (35–50 Э), преодолевающее антиферромагнитную связь, магнитные поля обоих ферромагнитных слоев окажутся однонаправленными, и вклад электронов, спин которых ориентирован по полю, в общий ток существенно увеличится (рис.1б). Для них структура практически окажется коротко замкнутой. Во сколько раз увеличится ток, обусловленный электронами со спином, ориентированным по магнитному полю, и уменьшится ток электронов с противоположно ориентированным спином, зависит от свойств материалов структуры. Но в любом случае увеличение тока превысит его уменьшение, и в результате суммарное сопротивление уменьшится. Если же поле убрать, чередование магнитной ориентации слоев восстановится. Подача внешнего магнитного поля перпендикулярно длине полосок не вызовет ощутимого GMR-эффекта вследствие наличия размагничивающих полей, обусловленных чрезвычайно малой шириной полосок, формирующих структуру. Важный параметр GMR-датчика – коэффициент гигантского магниторезистивного эффекта, или выраженное в процентах отношение относительного изменения сопротивления к минимальному сопротивлению (или сопротивлению насыщения) ∆R/R. Для сэндвич-структур это отношение составляет 4–9%, а магнитное поле насыщения – 30–50 Э.