Спинтроника — новое направление в микроэлектронике, базирующееся на использовании такой квантово-механической характеристики электронов, как спин. Устройства, созданные на ее основе, обещают решить многие и существующие, и ожидаемые в ближайшем будущем проблемы традиционной микроэлектроники: энергонезависимость, уменьшение энергопотребления, увеличение плотности логических элементов и скорости обработки данных. Вторую половину XX века без преувеличения можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями микропроцессоров, микроэлектроника в основном использует только одно свойство электрона — его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику — собственный угловой момент, или спин (и связанный с ним магнитный момент), — которая вплоть до недавнего времени не пользовалась особым вниманием разработчиков и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на авансцену выходит новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics — от spin transport electronics или spin-based electronics). Напомним, что во внешнем магнитном поле собственный магнитный момент электрона, обусловленный спином, ориентируется либо параллельно вектору магнитной индукции (вверх), либо антипараллельно (вниз). В устройствах, построенных на спиновом эффекте, используются, в частности, ферромагнетики. Поэтому прежде чем переходить к их (устройств) более детальному рассмотрению, опишем вкратце магнитные свойства этих материалов.

Ферромагнетиками называются вещества, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле. Это объясняется существованием так называемого обменного взаимодействия, связанного с перекрытием волновых функций электронов, принадлежащих соседним атомам кристаллической решетки, а также нескомпенсированных спиновых магнитных моментов валентных электронов. Именно обменное взаимодействие заставляет спины электронов ориентироваться параллельно или антипараллельно в зависимости от того, какое из состояний является энергетически более выгодным. В первом случае говорят о ферромагнетизме, а во втором — об антиферромагнетизме.

При температуре ниже так называемой точки Кюри ферромагнетик разбивается на домены самопроизвольной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности разных доменов произвольны и результирующая намагниченность всего тела может быть равной нулю. Во внешнем магнитном поле векторы намагниченности ориентируются в преимущественном направлении, создавая сильное внутреннее магнитное поле.

Магнитную структуру кристалла антиферромагнетика можно рассматривать как состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешеток численно равны, то спонтанная намагниченность не возникает, если нет, то она появляется (ферримагнетизм). Такими свойствами обладают, например, ферриты. При низких температурах магнитная восприимчивость антиферромагнетиков ничтожно мала, т. е. они практически не намагничиваются во внешнем магнитном поле.

Устройства, использующие спин-эффекты

Начало новой электроники, базирующейся на физических эффектах, обусловленных спином, относят к 1988 г., когда было открыто явление гигантской магниторезистивности (Giant Magneto Resistance — GMR). GMR наблюдается в искусственных тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные поля в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антипараллельны.

В основе устройств, использующих GMR, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 1. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", другими словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" — его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5—10 % выше, чем при параллельных.

Еще один тип спинового клапана можно построить, используя явление магнитного туннельного перехода (Magnetic Tunnel Junction — MTJ). Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора, обычно им служит окись алюминия (рис. 2). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20—40%.

Явления в полупроводниках традиционно описывались с квантово-механических позиций. Пришло время и для специальной теории относительности, поскольку в 1990 г. двое американских ученых, Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das), рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора (spin Field-Effect Transistor — spin FET), основанного на релятивистском эффекте. В обычном полевом транзисторе напряжение, прикладываемое к затвору, управляет величиной тока между истоком и стоком. В релятивистском полевом транзисторе истоком и стоком должны служить ферромагнетики с параллельно ориентированными спинами электронов, соединенные узким полупроводниковым каналом (рис. 3). Спины инжектируемых в исток электронов устанавливаются параллельно магнитным полям истока и стока. Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1 % от скорости света в вакууме. Величина тока регулируется посредством приложенного к затвору напряжения. Фокус состоит в следующем. Если перейти в неподвижную систему отсчета, связанную с электроном, то, согласно специальной теории относительности, в ней появляется магнитное поле, напряженность которого определяется (в гауссовой системе единиц) формулой
,
где — скорость движения электронов, — напряженность электрического поля, созданного приложенным к затвору потенциалом, а квадратные скобки обозначают векторное произведение. При достаточной величине напряженности магнитного поля (таким образом, скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается.

Это перспективные разработки, а если вернуться к эффекту GMR, то следует отметить, что сфера его применения расширяется. Кроме прописки в технологиях чтения жестких дисков, спиновые клапаны на GMR используются в гальванических изоляторах и MRAM (Magneto resistive RAM).

GMR-базированный гальванический изолятор выполняет ту же функцию, что и оптоэлектронный, обеспечивая развязку цепей по питанию и земляной шине. Его основными элементами являются плоская катушка и GMR-сенсор, встроенные в интегральную схему (рис. 4). Для передачи сигнала из одной цепи в другую по катушке пропускается ток. Созданное им магнитное поле воздействует на GMR-сенсор. Такой изолятор работает в 10 раз быстрее современных оптических и это еще не предел.

На рис. 5 приведена схема ячейки магниторезистивной памяти (Motorola), основанной на магнитном туннельном переходе. Для хранения информации MRAM использует явление гистерезиса, а для считывания — GMR. Она функционирует подобно полупроводниковой статической памяти (SRAM), однако ее важной особенностью является способность сохранять данные при выключении питания. Если такую память использовать в персональных компьютерах, то они не будут требовать выполнения довольно длительной процедуры загрузки при включении.

Рис. 5. Ячейка MRAM

Основными элементами ячейки памяти MRAM являются взаимно перпендикулярные разрядная (bit line) и числовая (word line) шины, между которыми располагается структура MTJ. При операции записи (рис. 5а) по шинам пропускается электрический ток, создающий магнитное поле, которое меняет направление намагниченности в свободном ферромагнетике. При операции чтения (рис. 5б) открывается развязывающий транзистор и ток проходит через структуру MTJ. Изменение сопротивления ячейки может быть интерпретировано как двоичные 0 или 1 . Такая память работает в 1000 раз быстрее традиционной EEPROM и не имеет ограничения по количеству циклов перезаписи.

Перспективные направления

Общим для всех устройств, описанных выше, является то, что в их основе лежит металл. Существенный недостаток такого подхода — невозможность усиливать сигналы. Очевидные металлические аналоги традиционным полупроводниковым транзисторам, в которых отток электрона из базы n-p-n транзистора позволяет десяткам других поступать от эмиттера в коллектор, сегодня отсутствуют. Найти материалы, которые обладали бы как свойствами ферромагнетиков, так и полупроводников, — давнишняя мечта исследователей. Но она труднодостижима: уж очень велико различие в кристаллической структуре и характере химических связей. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов, а с другой — легко интегрировались бы с традиционными полупроводниковыми устройствами. Идеальный ферромагнитный полупроводник должен иметь точку Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с n — и p -проводимостью в одном монокристалле. Сегодня большое внимание привлекают так называемые разбавленные магнитные полупроводники, сплавы, в которых некоторые атомы в случайном порядке заменяются атомами с магнитными свойствами, например Mn 2+ . Имеются теоретические предсказания, что для некоторых классов таких материалов точка Кюри будет выше комнатной температуры.

Несмотря на то что исследования по спинтронике проводятся во многих странах, до практических результатов еще достаточно далеко. Предстоит изучить особенности переноса спин-поляризованных электронов в различных материалах и через поверхности раздела, а также научиться генерировать их в большом количестве.

22 ноября 2012 в 16:41

Жесткие диски и спинтроника

• Компьютерное железо

Введение

По представлениям большинства людей вся современная электроника основана на использовании электрического тока, т.е. направленного движения электронов, ну или переноса заряда. В любой микросхеме огромная куча электронов трудится на наши блага. Они переносят сигналы, они хранят в памяти драгоценные для нас нули и единицы, делают все работу, чтобы наша жизнь была удобной и простой. Но помимо переноса заряда электроны обладают еще одним важнейшим свойством – спином. И это свойство вовсю эксплуатирует спинтроника.

Что такое спинтроника?

Спинтроника – научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Спинтроника - устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics).
Впервые термин «спинтроника» был использован в совместном сообщении Лабораторий Белла (да-да, тех самых Bell Labs) и ученый Йельского университета, датированного 30.07.1998. В нем впервые прозвучала идея использовать единичные атомы для хранения битов информации, а сами биты хранить в виде спинов электрона.

Вот везде я тут говорю, спин да спин, а что это?

Спин (от англ. spin – вращение, верчение) – собственный момент количества движения электрона не связанный с его движением в пространстве. Упрощая немного, спин можно представить как вращение электрона вокруг своей оси.

Вспомним немного математики и физики.
В классической физике у частицы, механический момент количества движения (или как еще говорят, в момент импульса), равен:

r – радиус-вектор частицы;
p – вектор импульса частицы.

При p = 0 , момент импульса классической частицы M = 0 . У электрона же при p = 0, M ≠ 0.
У электрона спин на может принимать два значения:


Рис. 1. Спины электронов

Вообще спин измеряется в единицах h (постоянной Планка), и говорят, что спин равен . Со спином связан собственный магнитный момент электрона.

Я думаю, что кучки математических знаков выше хватит, чтобы помучать немного читателей. А раз так, то не будем больше использоваться формулы.

В отличие от классических зарядов, создающих магнитный момент только при наличии их тока (как, например, в соленоиде), электрон имеет магнитный момент при нулевом импульсе. Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра некоторых атомов.

В спинтронных эффектах используются свойства ферримагнитных материалов. Это материалы, в состав которых входят атомы, обладающие магнитным моментом (например, Fe – железо, Со –кобальт, Ni – никель), причем при температуре ниже некоторой критической (температура Кюри), магнитные моменты атомов упорядочены относительно друг друга. При параллельном расположении спинов материалы называют ферромагнетиками, а при антипараллельном – антиферромагнетики.

В 1989 г. были исследованы структуры, состоящие из ферромагнитных и немагнитных слоев. Изучалась их проводимость. Взглянем на рисунок:

Рис.2. Трехслойная ферромагнитная структура

Как видно из рисунка, обе структуры состоят из трех слоев: ферромагнитных – с краев структуры и немагнитного слоя в середине. Реальным примером таких структур могут быть Fe-Cr-Fe (железо-хром-железо) или Co-Cu-Co (кобальт-медь-кобальт). Причем ширина немагнитного слоя составляет порядка 1 нм, а точнее ширина слоя должна быть меньше длины свободного пробега электрона, чтобы не было рассеяния и потери спина при его, электрона, движении. Проводимость в такой структуре возникает только в том случае, если намагниченности крайних слоев однонаправленны, что видно на правом рисунке. В противном же случае мы получаем «металлический изолятор».

И как это относится к HDD?

Смею верить, что всем, дочитавшим до этого места, не нужно рассказывать, что такое жесткий диск. Так как же вся жуть, приведенная выше, относится к жестким дискам? С помощью показанных выше принципов на наши с вами жесткие диски записывается информация. Представим себе расчлененный на куски HDD так, что от него остались только записывающая/считывающая головка да блин с данными. Примерно так, как на рисунке. Художник из меня аховый, поэтому я делаю все схематично.

Рис.3. HDD

Интерес представляет в рамках статьи только записывающая/считывающая головка. Я специально ее «позолотил» желтой краской (как в том курьезе с Петькой и Василием Ивановичем). Вообще, это не одно устройство в головке, а аж целых два: записывающая часть и считывающая часть. Взглянем на считывающую часть поближе:

Рис.4. Считывающая головка

Как видно, головка состоит из четырех слоев: железного, медного, кобальтового, и антиферромагнетика АФМ. АФМ слов, или как его еще называют, обменный слой, предназначен для фиксации магнитного поля второго слоя. Второй слой называется фиксирующим и у нас он сделан из кобальта. В нем магнитное поле всегда направлено в одну сторону. Третий слой – проводящий, обычно из меди, служит для разделения ферромагнитных слоев. Последний слой – чувствительный – тоже выполнен из ферромагнетика. В отличие от фиксирующего, направление его магнитного поля зависит от внешнего поля – поля ячейки. Ячейка жесткого диска содержит один бит информации. В зависимости от ориентации поля ячейки изменяется ориентация поля в чувствительном слое. Если ориентации полей в чувствительном и фиксирующем слоях совпадают, то ячейка, согласно рассмотренным выше принципам, увеличивает свою проводимость, т.е. начинает проводить ток. Если же ориентации полей противоположны, то получаем «металлический изолятор». Такой эффект изменения проводимости (ну или сопротивления, ведь это просто обратные величины) получил название GMR – Giant Magnetoresistive – эффект гигантского магнитоспротивления. GMR-эффект впервые был исследован в лабораториях IBM в конце 80х годов, но для его промышленной реализации потребовалось почти 10 лет.

Очень кружит голову тот факт, что такие сложные технологии окружают нас повсеместно. Продолжение следует.

Спинтроника является одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений, призванным в недалеком будущем решить проблемы, с которыми сталкивается современная микроэлектроника. Термин «спинтроника» появился впервые в 1998 году в совместном сообщении лабораторий Белла и Йельского университета (США), в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. Таким образом, согласно их определению, спинтроника – это научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Согласно другим определениям, спинтроника представляет собой:

– электронику на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и спин-зависимые эффекты;

Науку об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях;

Раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах ферромагнетик-парамеагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

Физикам давно было известно, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный и механический моменты электрона. Однако до недавнего времени этот факт никак не использовался, поскольку в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов с различными случайными ориентациями спина, поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы случайным образом, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, а также туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов ситуация изменилась. Были разработаны магниторезистивные считывающие головки, в которых использовался открытый в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Появилась магниторезистивная оперативная память, которая стала еще одним подтверждением хороших перспектив спинтроники. Важную роль в становлении спинтроники сыграло и присуждение в 2007 году Нобелевской премии по физике А. Ферту (Франция) и П. Грюнбергу (Германия) за открытие эффекта ГМС.

Спиновые эффекты, связанные с спин-поляризованным транспортом электронов, возникают, когда в электропроводящем материале появляется спиновый дисбаланс заселенности уровня Ферми. Такой дисбаланс обычно присутствует в ферромагнитных материалах, у которых плотности состояний N(E) для электронов с различными спинами практически идентичны, однако эти состояния существенно различаются по энергии, как схематически показано на рис. 3.60 (здесь и далее под различными спинами электрона понимаются различные проекции спина на ось намагничивания). Без внешнего магнитного поля концентрация электронов со «спином вверх» и «спином вниз» одинаковая. В присутствии магнитного поля энергии электронов со спином по полю («спином вверх») и против поля («спином вниз») сдвигаются. В результате концентрация электронов с различной ориентацией спина вблизи энергии Ферми E F разная.

Рис. 3.60. Плотности состояний электронов с различными спинами в немагнитном (а)

и ферромагнитном (б) материалах

Заселенность энергетических уровней электронами с разным спином определяет спиновую поляризацию инжектируемых из такого материала электронов и особенности транспорта носителей заряда через него. Спиновая поляризация электронов в материале определяется как отношение разности концентраций электронов с различными спинами (n и n ↓) к их общей концентрации. В ферромагнитных материалах максимальная спиновая поляризация может достигать нескольких десятков процентов, но есть и такие сплавы, в частности, т. н. сплавы Хейслера, у которых спиновая поляризация составляет практически 100 %.

Электрический ток в твердотельных структурах, составленных из материалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляризации носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти носители движутся. Электроны, инжектированные с определенным спином, могут занять в коллекторе только вакантные места с такой же ориентацией спина. Электрон, первоначально спин-поляризованный в инжектирующем электроде, по мере движения в коллекторе в силу процессов рассеяния изменяет как свой импульс, так и спин. Для практических применений важно знать, как долго электрон «помнит» свою спиновую ориентацию. В качестве характеристики «спиновой памяти» используют среднее расстояние, проходимое электроном до изменения своего спина. Это расстояние называют длиной спиновой релаксации. Оценки показывают, что ее величина превышает 100 нм.

Наряду с ферромагнитными материалами значительные перспективы практического использования имеют полупроводники, легированные до высоких уровней концентации (несколько атомных процентов) магнитных примесей. Их называют разбавленными магнитными полупроводниками. Исходными материалами являются полупроводниковые соединения А 3 В 5 и А 2 В 6 , а также кремний и германий. В качестве магнитной примеси чаще всего используют марганец. В таких материалах удается получить спиновую поляризацию носителей заряда вплоть до 80 %, хотя температура Кюри для большинства исследованных разбавленных магнитных полупроводников составляет величину порядка 100 К (выше температуры Кюри, как известно, ферромагнитные свойства материала исчезают).

Следует отметить, что для приборных применений разбавленный магнитный полупроводник должен иметь не только высокую спиновую поляризацию носителей заряда, но и температуру Кюри выше комнатной, а также допускать создание областей с n- и р -типом проводимости. В кремнии n -типа спиновая поляризация электронов при комнатной температуре не превышает 5 %. Тем не менее, большая длина спиновой релаксации (для электронов она равна 230 нм, для дырок – 310 нм) делает этот традиционный в твердотельной электронике полупроводник вполне пригодным для создания на его основе электронных приборов на спиновых эффектах. Ферромагнитные свойства обнаружены также в низкоразмерных структурах из оксидов ряда металлов (ZnO, SnО 2 , In 2 О 3 , А1 2 О 3 , TiО 2). Основной причиной ферромагнетизма в них является нестехиометрия по кислороду, особенно в их приповерхностных областях толщиной около 7 – 30 нм.

В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спином управляются намагниченностью этих материалов. Если внешним магнитным полем намагниченность изменяется на противоположную, то преобладающая ориентация спинов также меняется на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электронов в материал с отличной от нуля намагниченностью, следовательно, и со спиновой поляризацией, этот материал может вести себя как проводник или как изолятор – в зависимости от направления намагниченности материала и ориентации спинов инжектированных электронов. При одинаковом направлении спинов инжектированных электронов и электронов материала обеспечивается наивысшая проводимость. Противоположное направление спинов препятствует прохождению электронов через материал.

Спиновые эффекты, используемые в спинтронных приборах, в явном виде проявляются через транспортные явления в электронных структурах, помещенных в магнитное поле. Для их реализации необходимо осуществить ориентацию спинов. Эта задача в настоящее время решается двумя способами: с помощью оптической ориентации и с использованием спиновой инжекции. Оптическая ориентация осуществляется при поглощении полупроводником света с круговой поляризацией. Напомним, что квант электромагнитного излучения (фотон) имеет спин, равный +1, если вектор напряженности электрического поля вращается по часовой стрелке, и –1 в противоположном случае. При поглощении фотона и переходе электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости спин фотона прибавляется к полному моменту импульса электрона, изменяя его соответственно на +1 или –1. Это может привести в определенных условиях к различию в концентрации электронов в зоне проводимости со спином вдоль направления распространения света и с противоположным направлением.

Другим способом управления спиновой поляризацией является спиновая инжекция. Известно, что в ферромагнетиках существует спонтанная равновесная спиновая поляризация, При протекании тока между ферромагнетиком и немагнитным материалом через контакт происходит перенос спина. В результате в области немагнитного материала вблизи контакта создается избыточная концентрация электронов с ориентацией «спин вверх». Такое явление называется спиновой аккумуляцией. Это состояние является неравновесным для немагнитного проводника, поскольку в равновесном состоянии концентрации электронов со «спином вверх» и «спином вниз» равны. Процесс установления равновесного состояния должен приводить к релаксации спинов и уменьшению спиновой поляризации. Поскольку неравновесные электронные спины живут относительно долго (порядка наносекунд), спины успевают переместиться на значительное расстояние от границы с ферромагнетиком. Весь этот процесс очень напоминает процесс рекомбинации неосновных носителей при инжекции их через электронно-дырочный переход в полупроводнике.

Как уже отмечалось, огромное влияние на становление спинтроники оказал обнаруженный в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Было давно известно, что электрическое сопротивление материалов изменяется под действием магнитного поля. Относительное изменение сопротивления при наличии магнитного поля и при его отсутствии и называется магнетосопротивлением. В немагнитных проводниках, таких как медь или золото, влияние магнитного поля на сопротивление очень мало. В ферромагнитных материалах величина магнитосопротивления более заметна. Это объясняется тем, что в ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля имеются области спонтанной намагниченности – магнитные домены, внутри которых магнитные моменты параллельны. При включении магнитного поля, величина которого для каждого материала индивидуальна, эти микроскопические магнитные домены исчезают, и весь образец превращается в единый домен, т. е. намагничивается, что и приводит к изменению его электрического сопротивления. Однако величина магнетосопротивления в ферромагнитных материалах достигает всего лишь нескольких процентов. В случаях проявления эффекта ГМС уменьшение сопротивления под воздействием магнитного поля может достигать сотен процентов (при низких температурах).

Эффект ГМС был обнаружен в многослойных тонкопленочных структурах, составленных из чередующихся слоев немагнитного материала между противоположно намагниченными ферромагнитными материалами (рис. 3.61). Для создания таких структур используют различные комбинации материалов, например, железо-хром, кобальт-медь, пермаллой-серебро и др. Суммарный эффект зависит от количества слоев – он усиливается с ростом числа слоев и достигает своего максимума примерно для 100 слоев (при толщине каждого слоя в несколько нанометров).

Рис. 3.61. Многослойная структура из ферромагнитного и неферромагнитного материалов

при отсутствии магнитного поля (а) и при его наличии (б)

Эффект ГМС наблюдается, когда электрический ток пропускают как в плоскости слоев, так и перпендикулярно им. Рассмотрим для примера тонкопленочную структуру с плоскопараллельной геометрией протекающих токов. Ферромагнитные слои с противоположной намагниченностью могут быть получены осаждением в магнитных полях, имеющих противоположную ориентацию. В отсутствие магнитного поля сопротивление, измеряемое током, проходящим в плоскости слоев, будет самым большим, когда магнитные моменты в чередующихся слоях противоположно направлены. При этом электроны со спином, соответствующим намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположной намагниченностью, поскольку в нем отсутствуют приемлемые для них энергетические состояния. Это приводит к отражению электронов от границы таких слоев и вынуждает ток течь внутри узких каналов (рис. 3.62).

Рис. 3.62. К объяснению эффекта гигантского магнетосопротивления: АФМ – антиферромагнитная конфигурация слоев, ФМ – ферромагнитная конфигурация слоев

С увеличением напряженности внешнего магнитного поля магнетосопротивление постепенно уменьшается. Это связано с тем, что магнитное поле, которое имеет тенденцию выравнивать моменты магнитных параллельных слоев, должно преодолеть обменную связь, которая предпочитает антипараллельное расположение моментов (для данной толщины немагнитного слоя). Полное выстраивание магнитных моментов в одном направлении достигается только в области поля насыщения, равного по величине полю обменной связи. Это будет соответствовать минимальному сопротивлению структуры.

Кроме эффекта ГМС в спинтронике большое внимание уделяется другому эффекту – колоссальному магнетосопротивлению (КМС), открытому в 1994 году в манганите лантана. В отличие от ГМС здесь никаких слоистых структур создавать не требуется. Эффект наблюдается в сильных магнитных полях, достигая максимальных значений при напряженности поля на уровне единиц тесла. Явление получило свое название потому, что при определенных условиях его величина существенно превышает величину ГМС, достигая тысяч и десятков тысяч процентов. КМС обычно наблюдается в узком интервале температур вблизи температуры Кюри. Он наиболее изучен для манганитов лантана и редкоземельных элементов (R), типа R 1–x A x MnO 3 , где через A обозначены атомы K, Na, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb. Однако, в последнее время его наблюдали и для некоторых других сложных оксидов переходных металлов. Материалы с КМС могут быть использованы для создания датчиков магнитного поля и функциональных элементов спинтроники.

Важным направлением спинтроники является создание приборных структур, принцип действия которых основан на явлении магнитного туннельного перехода. Туннелирование между двумя по-разному намагниченными ферромагнитными слоями, разделенными тонким диэлектриком (обычно это оксид алюминия Al 2 O 3 толщиной менее 2 нм), предполагает зависимость туннельного тока от магнитного поля. В ферромагнитном материале энергия электронов со «спином вверх» и «спином вниз» различная, поэтому и вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных ферромагнитных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала.

Хотя эффект спин-зависимого туннелирования впервые был продемонстрирован еще в 1975 году, но для его реализации требовались температуры жидкого гелия, поэтому особого внимания на тот момент к нему не проявили. Ситуация изменилась в 1995 году, когда его удалось продемонстрировать при комнатной температуре. Поначалу, правда, спины в ферромагнитных слоях удавалось переключать с параллельного на антипараллельное состояние лишь для 12 – 18 % электронов, чего для практических устройств было не достаточно. Однако уже к концу 1990-х годов это соотношение удалось повысить до 70 %. К середине 2000-х годов новейшие технологии позволили добиться еще более высоких показателей, что открыло путь к коммерческому выпуску магниторезистивной оперативной памяти (MRAM).

MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, например, время выборки данных у MRAM-памяти может составлять 10 нс, что в пять раз меньше, чем у flash-памяти, а время записи порядка 2 нс, что на три порядка меньше, чем у flash-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти вдвое меньше, чем у flash- и DRAM-памяти. Принцип записи лог. 1 и лог. 0 в MRAM иллюстрирует рис. 3.63. Два слоя ферромагнитного металла разделены тонким слоем изолирующего материала (оксид алюминия или оксид магния). Вероятность туннелрования электронов через диэлектрический слой зависит от их ориентации спинов. В случае параллельной ориентации (верхний рисунок) происходит запись лог. 1, в случае антипараллельной (нижний рисунок) производится запись лог. 0.

Рис. 3.63. К объяснению работы магниторезистивной оперативной памяти

Одна из сложнейших задач при разработке спинтронных приборов – это контроль спиновой поляризации электронного тока. Чтобы полностью контролировать степень свободы спина в полупроводниках, желательно конструировать элементы спинтроники или приборы на их основе, которые могут эффективно инжектировать и распознавать электроны с определенным спином. Таким образом, практическое значение имеют полупроводниковые структуры с высоким коэффициентом спин-инжекции, большим временем спин-релаксации, спин-ориентацией, регулируемой напряжением на управляющем электроде (затворе), и высокой спин-чувствительностью для детектирования носителей заряда с определенным спином. Кроме того, спин-инжекция и спин-детектирование предоставляют возможность записи и считывания данных в полупроводниковых квантовых точках, которые являются необходимой составной частью твердотельных квантовых компьютеров.

Важным обстоятельством является то, что процесс переворота спина (поляризация) не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, поэтому процесс поляризации не сопровождается выделением тепла. Ожидается, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах энергии значительно меньшей, чем у обычных электронных элементов.

14 сентября 2012 в 14:18

Прорыв в спинтронике

• Блог компании IBM

Ученые из IBM Research и ведущего европейского образовательного и научно-исследовательского центра ETH Zurich впервые в истории получили изображения формирования стабильной спиновой спирали в полупроводнике.

­
­
­
­

«Обычно подобные спины электронов быстро меняют и теряют свою ориентацию. Но нам впервые удалось найти способ выравнивания их свойств в регулярный цикл смены спинов»
­
­
­
­
­
­

Немного о спинтронике

Спинтроника (или спиновая электроника) - достаточно молодая область современной физики, привлекающая многих исследователей многообещающими практическими применениями.
Ее отличие от традиционной электроники заключается в том, что если в обычном электрическом токе перемещаются заряды, то в электронике нового поколения перемещаются спины электронов.
Спин электрона (собственный момент импульса) − это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний − либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разно-направлены).


«Вращение» электрона и его верхней и нижней ориентации кодирует логические биты в системе. При кодировании битов ученые предлагают ориентироваться на физическое пространство, в котором находится электрон. Электрон, ось которого направлена условно вверх, принимают за логическую единицу, а электрон, ось которого направлена условно вниз - за логический ноль.

В чем состоит миссия спинтроники?
В ближайшие десять-пятнадцать лет кремниевые процессоры достигнут предела своих возможностей. Поэтому уже сейчас ученые ищут новые физические принципы, на которых будут построены быстродействующие устройства с низким энергопотреблением и тепловыделением.
В спинтронных устройствах переворот спина практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями устройство отключается от источника питания. Если изменить направление спина, то кинетическая энергия электрона не изменится. Это означает, что тепла почти не выделяется.
Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память.
По словам ученых из IBM, электроны очень быстро меняют спины – на переключение тратится около 100 пикосекунд (1 пикосекунда – одна триллионная доля секунды). И в этом заключается основная проблема – 100 пикосекунд недостаточно, чтобы микросхемы успели зафиксировать изменение состояния в системе.

Несмотря ни на что

­
­

Исследователи из IBM разработали метод синхронизации электронов, увеличив время спина в 30 раз - до 1 наносекунды (что равняется циклу микропроцессора с частотой 1 Гигагерц).
­

­
­
­
­
­

Внимание ученых привлек ранее не описанный физиками факт – при вращении электронов в полупроводниках их спины перемещаются на десятки микрометров, при этом синхронно вращаясь, подобно вальсирующим парам.
­
­
­

«Если в начале круга в вальсе лица всех женщин обращены в одну сторону, то уже через некоторое время вращающиеся пары окажутся смотрящими в разных направлениях.
Теперь же мы получили возможность зафиксировать скорость вращения танцоров и привязать ее к направлению их перемещения. Получается идеальная хореография – лица всех танцующих женщин в определенной области площадки направлены в одну сторону».

В лабораториях IBM Research ученые использовали ультракороткие лазерные импульсы для наблюдения за перемещениями тысяч спинов электронов, которые были запущены во вращение одновременно в пределах сверхмалой области.
Исследователи IBM применили методику сканирующего микроскопа с временным разрешением и получили изображения синхронного «вальса» спинов электронов. Синхронизация вращения спинов электронов позволила наблюдать их перемещение на расстояния более 10 микрон (одной сотой миллиметра), что увеличило возможность использования спина для обработки логических операций – быстрой и экономной с точки зрения потребления энергии.
­

Причиной синхронного движения спинов является так называемое спин-орбитальное взаимодействие, физический механизм, который связывает спин с движением электрона. Экспериментальный полупроводниковый образец был изготовлен на основе арсенида галлия (GaAs) учеными из ETH Zurich. Арсенид галлия, полупроводник группы III/V, широко используется в производстве таких устройств, как интегральные микросхемы, инфракрасные светодиоды и высокоэффективные солнечные элементы.

Выход спиновой электроники из лабораторий на рынок по-прежнему остается чрезвычайно сложной задачей. Сегодняшние исследования осуществляются при очень низких температурах, при которых спины электронов минимально взаимодействуют с окружающей средой. В частности, описываемая здесь исследовательская работа проводилась учеными IBM при температуре 40 градусов Кельвина (-233 по Цельсию или -387 по Фаренгейту).
Но, в любом случае, новое открытие дает контроль над движением магнитных «зарядов» в полупроводниковых устройствах и открывает новые возможности и перспективы для создания малогабаритной и энергосберегающей электроники.

Рассмотрим теперь, что происходит на контакте ферромагнетика с полупроводником (рис. 1.17). Поскольку концентрация носителей заряда в полупроводнике намного меньше, чем в ферромагнитном металле, то из последнего в полупроводник диффундируют намного больше электронов. Динамическое равновесие устанавливается лишь тогда, когда на контакте сформируется значительный потенциальный барьер – "барьер Шоттки" (рис. 1.17,a). Из-за этого в области полупроводника, прилегающей к контакту, имеет место значительное искривление зон (валентной, запрещенной и зоны проводимости).

Рис. 1.17.

На рисунке: E B – верхний край валентной зоны; E П – нижний край зоны проводимости; E Ф – уровень Ферми

Когда к контакту приложено небольшое напряжение U ("+" к полупроводнику), мало что изменяется. Сквозь барьер Шоттки электрический ток не течет до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, близкой к высоте барьера. Тогда становится возможным туннелирование электронов сквозь узкий барьер (рис. 1.17,б).

Поляризованные электроны из ферромагнетика входят в полупроводник с энергией, намного превышающей тепловую. Такие "горячие" электроны очень интенсивно рассеиваются и быстро теряют ориентацию своих спинов. Поэтому инжекция спин-поляризованного электрического тока из ферромагнитного металла в полупроводник оказывается очень неэффективной .

Более эффективным в этом плане оказалась структура "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник" (рис. 1.17,в). Искривление зон в полупроводнике, отделенном от металла диэлектриком, незначительно. Если толщина диэлектрика очень мала (~1 нм), то уже при небольших напряжениях начинается туннелирование. Инжектированные спин-ориентированные электроны входят в полупроводник не такими "горячими", как в случае барьера Шоттки. И поэтому время их спин-релаксации значительно больше. Именно поэтому, например, в спин-транзисторе с полупроводниковой базой (рис. 1.6) между полупроводником и ферромагнетиками используют сверхтонкие туннельные переходы (на рис. 1.6 – из нитрида кремния).

Используя сверхтонкий туннельный переход, в 2007 г. на примере спин-транзистора, структура которого показана на рис. 1.18 , было установлено, что инжектированные в высокочистый кремний спин-поляризованные электроны могут иметь довольно большое время спин-релаксации и диффундировать на значительные (в масштабах нано- и даже микромира) расстояния – до 350 мкм

Рис. 1.18.

На пластину высокочистого кремния (Si (пл.)) толщиной 350 мкм сверху был нанесен слой металлизации (Al/Cu ) толщиной 10 нм, сверхтонкий туннельный слой Al 2 O 3 , слой ферромагнетика (CoFe) толщиной 10 нм и металлизация из алюминия (Al) . Эта структура выполняла роль эмиттера спин-поляризованных электронов. Снизу на пластину кремния (Si (пл.)) были нанесены слои ферромагнетика (NiFe) и меди (Cu) оба толщиной 4 нм. На последнем был выращен слой кремния n -типа (n-Si) и омический контакт из индия (In) .

Когда на эмиттер подавалось напряжение U Э, из ферромагнетика (CoFe) в кремний через сверхтонкий туннельный барьер (Al 2 O 3 и тонкий слой металлизации (Al/Cu) инжектировались электроны проводимости со спинами, ориентированными в направлении намагниченности ферромагнетика. Под действием напряжения U К1 , приложенного к коллекторному слою ферромагнетика (NiFe) , эти электроны дрейфуют сквозь пластину кремния. Время их спин-релаксации и длина диффузии оказались достаточными, чтобы заметная их часть прошла к коллектору. Направление ориентации спинов можно было определить, изменяя направление намагниченности "свободного" ферромагнетика. В этом случае ток коллектора резко уменьшался. Слой кремния n -типа (n-Si) использовался для дополнительного усиления и более точного измерения сигналов .

Ферромагнитные полупроводники

Туннельный переход, улучшая условия инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник, все же создает повышенное электрическое сопротивление и требует увеличенных рабочих напряжений. Поэтому ученые обратили особое внимание на возможную альтернативу – на использование в качестве источника спин-поляризованного тока не металлических, а полупроводниковых ферромагнетиков – т.н. ферромагнитных полупроводников (ФП). Еще в 70-х годах ХХ в. изучались такие ФП, как халькогениды европия и шпинели типа CdCr 2 Se 4 [Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. – М.: Наука. – 1979. – 431 с.]. Однако они обнаруживали ферромагнитные свойства лишь при низких температурах.

В последние два десятилетия ХХ в. интенсивно изучались т.н. "разбавленные магнитные полупроводники" (РМП, англ. diluted magnetic semiconductors, DMS). Это – классические полупроводники типа A 2 B 6 и A 3 B 5 , сильно, до максимально возможной растворимости, легированные атомами переходных ("магнитных") металлов, чаще всего марганца (Mn – поскольку он имеет наибольшую растворимость). Обменное взаимодействие электронов из частично заполненных d- и f- оболочек магнитных ионов с зонными носителями заряда основного полупроводника существенно изменяет свойства последнего и приводит к появлению не только ферромагнетизма, но и многих новых явлений, которые могут быть перспективными для практических применений. Однако у большинства таких РМП температура Кюри оказалась ниже комнатной (напр., у Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 110-250 K – в зависимости от технологии изготовления; у Ga 0,95 Mn 0,05 Sb TK = 80 K). И только у широкозонных полупроводников температура Кюри оказалась выше комнатной (у Ga 1-x Mn x N , напр., TK = 400 K). У GaN , легированного гадолинием (магнитный момент его атома равен 8 магнетонам Бора), тонкие пленки становятся ферромагнитными даже в случае, когда один атом гадолиния приходится почти на миллион ионов галлия и азота. Позднее оказалось, что, используя дополнительные легирующие элементы (Zn, C d и др.), можно существенно повысить температуру Кюри также и узкозонных полупроводников (напр., на основе InSb-Mn: Zn, Cd удается получить непрерывный ряд РМП с TK = 320-400 K).

В последнее десятилетие синтезируется и изучается значительно более широкий спектр магнитных полупроводников. Ферромагнитные свойства при температурах выше комнатной выявлены даже у таких классических полупроводников, как кремний и германий, легированных марганцем или другими „магнитными" атомами. Здесь многое зависит от технологии легирования и от применения дополнительных легирующих элементов.

На контакте ферромагнитного полупроводника с обычным полупроводником такого же типа проводимости не возникает значительных барьеров (рис. 1.19,а,б). Если ФП и обычный полупроводник имеют разные типы проводимости, то возникает р-п -переход, прохождение электрического тока сквозь который возможно лишь в одном направлении (рис. 1.19,в,г). На рис. 1.19 кроме валентных зон (E В1 и E В2) и зон проводимости (E П1 и E П2) условно показаны также зоны d- и f- электронов (E fd), которые обычно также присутствуют в ферромагнитных полупроводниках. В зависимости от их положения относительно уровня Ферми (E Ф) они могут быть частично или полностью заполненными. Даже если они заполнены частично, электропроводность по таким зонам ограничена, так как f- и d- электроны имеют малую подвижность (большую эффективную массу).

Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников оказалась намного эффективней, чем из ферромагнитных металлов, и степень его спин-поляризации может быть намного выше – вплоть до 100% .

Рис. 1.19.

В последнее десятилетие активно синтезируются и изучаются также ферромагнитные полупроводниковые нанокомпозитные материалы, в состав которых входят магнитные структуры с пониженной размерностью – наночастицы, ферромагнитные нанопроволоки, сверхтонкие ферромагнитные пленки, представляющие собой квантовые плоскости. Температуры Кюри для таких нанокомпозитных полупроводников могут существенно отличаться от температуры Кюри соответствующего „чистого" полупроводника. Кроме того, появляются возможности значительно изменять свойства системы с помощью внешнего магнитного поля

Спинтронные светодиоды

Используя эти достижения, удалось создать, например, прототипы спинтронных светодиодов и спиновых аккумуляторов.

Спинтронные светодиоды на основе -перехода в отличаются тем, что их излучение циркулярно поляризовано. Это связано с тем, что в область гетероперехода, где происходит рекомбинация, в отличие от обычных светодиодов инжектируются спин-поляризованные электроны проводимости или спин-поляризованные "дырки". В AlGaAs (в GaAs и в других полупроводниках этой группы) разрешены оптические переходы при рекомбинации электронов, имеющих спин +1/2, лишь с дырками со спином –1/2, или наоборот – электронов, имеющих спин –1/2, лишь с дырками со спином +1/2. Поэтому фотоны, которые при этом излучаются, имеют спин ±1, т.е. являются право- или лево-поляризованными. Это – чисто квантовый эффект. Динамика вращения электрического вектора в такой циркулярно поляризованной световой волне показана на рис. 1.20 .

При поглощении циркулярно поляризованного света действуют те же самые правила отбора. В результате этого атомы, поглощающие циркулярно поляризованный фотон, переходят в состояния с магнитным квантовым числом, отличающимся на ±1 от исходного состояния. В ряде новейших технологий, о которых мы здесь не рассказываем, это свойство циркулярно поляризованного света используется для "оптического намагничивания" ансамблей атомов или для их "оптической накачки" – создания инверсной заселенности возбужденных состояний атомов.. На подложке из арсенида галлия p + (p + -GaAs ) последовательно нанесены слои GaAs:Be (20 нм), наночастицы ферромагнитного полупроводника MnAs диаметром около 3 нм, распределенные в матрице арсенида галлия толщиной 10 нм, туннельный барьер из арсенида алюминия (AlAs ), тонкая пленка арсенида галлия (GaAs , 1 нм) и ферромагнитный слой MnAs толщиной 20 нм. Сверху сформированы контакты из золота к подложке и к слою MnAs .

Если наночастицы MnAs с помощью внешнего магнитного поля перемагнитить в направлении, противоположном направлению намагниченности магнитожесткого слоя MnAs (ферромагнетик с фиксированной намагниченностью), то за счет инжекции из него через туннельный переход спин-поляризованных электронов на внешних выводах возникает электрическое напряжение. Если замкнуть внешнюю электрическую цепь, то к ферромагнитным наночастицам MnAs "потекут" электроны, спины которых ориентированы в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика. Эти электроны, накапливаясь, приводят к постепенной переориентации ферромагнитных наночастиц. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток прекращается, а вместе с ним прекращается и перемагничивание ферромагнитных наночастиц.

Можно заряжать бесконтактно. Такие аккумуляторы могут стать эффективным источником напряжения питания для спинтронных схем и для микроустройств, вживляемых в организм человека или животных.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства