Spintronic -teknologien skrider frem med nydesignede magnetiske tunnelkryds

I de sidste to årtier har magnetiske tunnelkryds (MTJ'er) har spillet en central rolle i spintronic -enheder såsom læsehoveder på harddiske og ikke -flygtige magnetoresistive random access -minder (MRAM'er), og forskere arbejder konstant på at forbedre deres præstationer. En af de mest fremtrædende præstationer, der fremskyndede teknologiens praktiske anvendelser, var realiseringen af ​​gigantiske tunnelmagnetoresistansforhold (TMR) ved hjælp af sten-salt type MgO krystallinsk barriere. Nu, i en artikel, der optræder i denne uges udgave af Anvendt fysik bogstaver , et japansk forskerteam er lykkedes med at anvende MgGa2O4 på en tunnelbarriere, kernen i en MTJ, som et alternativt materiale til mere konventionelle isolatorer såsom MgO og MgAl ₂ O ₄ .

En MTJ har en lamineret struktur bestående af et nanoskalaisolerende lag, kaldes en tunnelbarriere, klemt mellem to magnetiske lag. Et af de vigtigste ydelsesindekser for en MTJ er tunnelmagnetoresistansforholdet (TMR -forholdet), størrelsen af ​​modstandsændring. Magnesiumoxid (MgO) bruges almindeligvis som en tunnelbarriere, da et let TMR -forhold let kan opnås.

"For at udvide anvendelsesområdet for MTJ'er yderligere, vi ville i høj grad justere MTJ -ejendommene ved at udskifte tunnelbarriermaterialet, "sagde Hiroaki Sukegawa, en videnskabsmand ved National Institute for Materials Science i Japan. "Især, til mange MTJ -applikationer, vi skal have et stort TMR -forhold og lav enhedsmodstand, og til det valgte vi et tunnelbarriermateriale med et lavt båndgab. "

Teamet valgte halvledende MgGa ₂ O ₄ , som har et båndgab meget lavere end den konventionelle MgO -isolator, og brugte eksisterende teknologi til at lave en ultratynd MgAl ₂ O ₄ lag for at opnå de parametre, de ledte efter.

Den største udfordring var at få en høj kvalitet MgGa ₂ O ₄ lag med defektfrie grænseflader, da det er afgørende for at opnå et stort TMR-forhold.

"Vi forsøgte først en oxidationsmetode ved hjælp af et Mg-Ga-legeringslag til MgGa ₂ O ₄ lagforberedelse dog denne proces forårsagede også betydelig oxidation på overfladen af ​​det magnetiske lag under Mg-Ga, og den resulterende fremstillede struktur fungerede ikke som en MTJ -enhed, "Sagde Sukegawa. Inspireret af deres seneste arbejde med en høj kvalitet MgAl ₂ O ₄ fremstilling, holdet prøvede derefter en direkte sprutmetode; MgGa ₂ O ₄ lag blev dannet ved radiofrekvensforstøvning fra et MgGa med høj densitet ₂ O ₄ sintret mål for at reducere grænsefladeoveroxidationen.

Denne nye metode var meget effektiv til at producere en højkvalitets MgGa2O4 tunnelbarriere med ekstremt skarpe og fejlfrie grænseflader. Det var en behagelig og uventet overraskelse.

"Vi forventede ikke, at vi kunne konstruere et MTJ, der viser et stort TMR -forhold ved hjælp af MgGa ₂ O ₄ på så kort tid, da der var få tunnelbarrierer, der kunne levere det store TMR -forhold ved stuetemperatur, som vi ledte efter, "Sukegawa sagde ..

Dette arbejde viser, at i modstrid med tidligere forståelse, MTJ tunnelbarrierer kan "designes". Det blev antaget, at tuning af de fysiske parametre for tunnelbarrieren, samtidig med at store TMR -forhold blev opretholdt, var næsten umulig. Disse resultater indikerer stærkt, at forskellige fysiske egenskaber ved tunnelbarrieren kan designes ved at vælge sammensætningen af ​​spinelbaserede barriermaterialer efter behov, samtidig med at der opnås effektiv spin-afhængig transport (dvs. stort TMR-forhold).

Selvom der stadig er mere arbejde at gøre for at opnå større TMR -forhold, disse resultater åbner mulighed for at bruge "tunnelbarrierer" med forskellige spineloxider til at skabe nye spintroniske applikationer.