Spintronika

1. Spintronika Tomasz Stobiecki Katedra Elektroniki AGH Kraków

2. Historia spintroniki • 1986 - odkrycie międzywarstwowego oscylacyjnego sprzężenia wymiennego ferro-antyferromagnetycznego w układzie wielowarstwowym Fe/Cr/Fe P. Grünberg et al. Phys Rev.Lett. 57 (1986), 2442 • 1988 – odkrycie Gigantycznej Magnetorezystancji - GMR (Giant Magnetoresistivity) w układzie wielowarstwowym Fe/Cr/Fe M. N. Baibich,..., A.Fert,.. et.al. Phys Rev.Lett. 61 (1988), 2472

3. I = const Ua Magnetorezystancja - - U U R R D R a p a p = = »  % 5 100 U R R p p p Gigantyczna magnetorezystancja(Giant Magnetoresistivity - GMR) I = const  10 nm Up ferromagnetyk nieferromagnetyk ferromagnetyk

5. M M I R małe Spinowo zależne przewodnictwo elektryczne Analogia do równoległego połączenia dwóch rezystancji I R duże

7. Energia Energia Energia EF d d d s s s Spin Spinowa polaryzacja ferromagnetyka Magnetyzacja Gęstość stanów

8. Warstwa mocująca (pin-layer) warstwa swobodna (free-layer) 1 0 1 warstwa zamocowana (pinned-layer) 0 1 0 kierunek ruchu nośnika informacji Zasada działania zaworu spinowego (Spin-Valve) w głowicy twardego dysku AFM: FeMn, NiO, NiMn, IrMn FM: Co, Fe, NiFe, CoFe NM: Cu, Ag, Au USignal AFM I = const

9. Zapisująco-odczytująca głowica GMR

10. Zawór Spinowy(Spin-Valve) Krzywa magnesowania Krzywa magnetorezystancji

11. SV – charakterystyki magnetorezystancyjne Zależność rezystancji od wzajemnego położenia wektorów namagnesowania: • Antysymetryczna charakterystyka M(H) w zakresie małych pól • Duża czułość magnetorezystancyjna SR =2%/Oe

12. SV – charakterystyki magnetorezystancyjne • Antysymetryczna charakterystyka M(H) w zakresie małych pól • Duża czułość magnetorezystancyjna Zależność rezystancji od wzajemnego położenia wektorów namagnesowania:

13. Rozwój pamięci dyskowych

14. Pseudo zawór spinowy (PSV) charakterystyki M(H) i R(H) Dwustanowa charakterystyka magnetorezystancyjna

15. Zastosowania pseudo-zaworów spinowych • Nieulotne pamięci magnetyczne o dostępie swobodnym (Magnetic Random Access Memory) • matryca złożona z komórek pamięciowych: elementów PSV • bit informacji reprezentowany poprzez wzajemną orientację wektorów namagnesowania warstw ferromagnetycznych twardej i miękkiej; • zapis poprzez przemagnesowanie silniejszym prądem; • odczyt poprzez detekcję rezystancji lub zmiany rezystancji; • informacja przechowywana jest po zaniku zasilania; • szybki zapis i odczyt, mały pobór mocy; • cykle zapisujące są nieniszczące; • odporność na EMP, promieniowanie jonizujące.

16. 0 1 Magnetic Random Access Memory (MRAM) ścieżka przewodząca antyferromagnetyk ferromagnetyki nieferromagnetyczna międzywarstwa  150 nm

17. Zasada działania pamięci M-RAM

18. Zasada działania pamięci M-RAM

19. Modele elektryczne Zastępczy model elektryczny SV i PSV dla potrzeb programu P-SPICE Odtwarzanie charakterystyki magnetorezystancyjnej pozwala na projektowanie układów scalonych współpracujących z elementami SV i PSV.

20. Wyniki dopasowania do danych doświadczalnych Pętle histerezy przemagnesowania dla SV i PSV

21. Przykłady rozwiązań komórek pamięci MRAM Scanning electron microscope image of typical metal-masked magnetic tunnel junction, 80 m x 80 m in area

22. Kropki magnetyczne Co (4nm) Cu (3nm) NiFe (6nm)

23. „ • a new class of device based on the quantum of electron spin, rather than on charge, may yield the next generation of microelectronics”.

24. Urządzenie do nanoszenia układów wielowarstwowych – EMRALD II