In einem Antiferromagneten tritt ein riesiger Tunnelmagnetowiderstand auf

Forscher in China haben einen Riesentunnelmagnetowiderstand (TMR) in einem magnetischen Tunnelübergang aus dem Antiferromagneten CrSBr beobachtet. Beim Abkühlen auf eine Temperatur von 5 K zeigte die neue Struktur einen Magnetowiderstand von 47,000 % – mehr als kommerzielle magnetische Tunnelkontakte – und behielt 50 % dieses TMR bei 130 K, was deutlich über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt. Den Entwicklern zufolge kann die Struktur so hergestellt werden, dass sie mit dem Magnetron-Sputterverfahren kompatibel ist, das zur Herstellung herkömmlicher Spintronikgeräte verwendet wird. Diese Eigenschaften machen CrSBr zusammen mit der Tatsache, dass es an der Luft stabil ist, zu einer vielversprechenden Kandidatenplattform für spintronische Geräte, sagen sie.

Standardmäßige magnetische Tunnelkontakte (MTJs) bestehen aus zwei Ferromagneten, die durch ein nichtmagnetisches Barrierematerial getrennt sind. Sie finden sich in einer Vielzahl von Spintronik-Technologien, darunter magnetische Direktzugriffsspeicher, Magnetsensoren und Logikgeräte.

Verbindungen auf Basis von A-Typ-Van-der-Waals-Antiferromagneten (vdW) wie CrSBr und anderen Chromhalogeniden sind aufgrund ihres ungewöhnlich hohen Tunnelmagnetowiderstands eine attraktive Alternative zu herkömmlichen MTJs. Sie funktionieren dank des Spinfiltereffekts, bei dem die Elektronenspins (oder magnetischen Momente) der Chromatome in CrSBr ferromagnetisch an andere Atome in ihrer Schicht und antiferromagnetisch an Atome in benachbarten Schichten gekoppelt werden. Mit anderen Worten: Die Spins richten sich in den einzelnen Schichten parallel zueinander und zwischen benachbarten Schichten antiparallel zueinander aus.

Der hohe Tunnelwiderstand dieser sogenannten Spinfilter-MTJs (sf-MTJs) macht sie zwar zu guten Kandidaten für magnetische Speicher, sie haben jedoch auch gewisse Nachteile. Insbesondere sind die Materialien, aus denen sie hergestellt sind, in der Regel instabil und neigen dazu, bei hohen Temperaturen ihren Magnetismus zu verlieren. Dies macht es schwierig, sie in praktischen spintronischen Geräten zu verwenden.

Fertigungsherausforderungen meistern

In der neuesten Studie haben Forscher unter der Leitung von Guoqiang Yu von der Pekinger Nationallabor für Physik der kondensierten Materie entwickelte eine neue Herstellungstechnik für diese begehrten Materialien. Gemeinsam mit Kollegen in Peking, Dongguan und Wuhan begannen sie mit der Abscheidung einer Doppelschicht aus Platin (Pt) und Gold (Au) auf Si/SiO₂ Wafer mittels DC-Magnetron-Sputtern.

Als nächstes schnitten die Teammitglieder mechanisch dünne CrSBr-Flocken von einer Probe des Schüttguts ab und platzierten sie auf dem Si/SiO₂/Pt/Au-Substrate. Dadurch konnten relativ dünne CrSBr-Flocken auf Pt/Au mit sauberen und frischen Oberflächen erhalten werden. Zu diesem Zeitpunkt schieden die Forscher mit einer ultraniedrigen Sputterleistung von 3–5 W und einem relativ hohen Abscheidungsdruck von etwa 1 Pa eine weitere Platinschicht auf das CrSBr auf. Schließlich verwendeten sie Ultraviolettlithographie und Ar-Ionenfräsen, um mehrere SF herzustellen -MTJs aus der von ihnen erstellten Schichtstruktur.

Vielversprechende Eigenschaften

Die neuen SF-MTJs weisen viele positive Eigenschaften auf. „Das erste ist, dass der Weg, den wir zu ihrer Herstellung gewählt haben, besser mit denen kompatibel ist, die zur Herstellung herkömmlicher Spintronik-Metallstapel verwendet werden“, erklärt Yu. „Der zweite Grund ist, dass sie selbst bei einer Temperatur von 50 K, der bisher rekordhohen Arbeitstemperatur für SF-MTJs, 130 % ihres TMR behalten.“

Yu weist darauf hin, dass diese rekordhohe Betriebstemperatur nicht weit unter der sogenannten Néel-Temperatur von CrSBr liegt, jenseits derer die thermische Energie des Materials die Ausrichtung seiner Spinmomente verhindert. Diese relativ hohe Betriebstemperatur bringt einen wichtigen praktischen Vorteil mit sich, fügt Yu hinzu. „Im Vergleich zu früheren Verbindungen dieser Art könnten unsere SF-MTJs im Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff und vielleicht sogar bei Raumtemperatur funktionieren“, stellt er fest. „Und dank ihrer Stabilität in der Luft eignen sie sich besser für reale Anwendungen.“

In einem Antiferromagneten tritt großer Piezomagnetismus auf

Das ist nicht alles. Da CrSBr ebenfalls ein Halbleiter ist, weisen seine benachbarten Schichten bei Null- oder kleinen Magnetfeldern entgegengesetzte magnetische Momente auf. Dadurch kann es als Sperrschicht bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. „In dieser Konfiguration müssen alle Elektronen, egal ob Spin-up oder Spin-down, auf eine höhere Barrierenhöhe stoßen, nachdem sie in die eine oder andere Spinrichtung polarisiert wurden, indem sie die erste Schicht passieren, weil die nächste Schicht eine entgegengesetzte Spinausrichtung hat, was zu Elektronen führt.“ zu einem höheren Tunnelwiderstand“, erzählt Yu Physik-Welt. „Wenn das angelegte Magnetfeld groß genug ist, richten sich alle magnetischen Momente nach diesem Feld aus und in diesem Fall treffen die Elektronen mit Spins parallel zur Feldrichtung auf eine geringere Barrierenhöhe, was zu einem geringeren Tunnelwiderstand führt.“

Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Chinesische Physikbriefe, schlagen vor, dass die neuen Verbindungen in spintronischen Geräten verwendet werden könnten, die auf einem Stapel aus nur wenigen CrSBr-Schichten basieren. „Unsere Studie hat gezeigt, dass SF-MTJs, die auf 2D-Antiferromagneten vom Typ vdW A basieren, einige herausragende Eigenschaften aufweisen“, sagt Yu. „Wir werden nun versuchen, einen 2D-vdW-Ferromagneten vom Typ A mit einer höheren Néel-Temperatur zu finden, um die Arbeitstemperatur der von uns hergestellten Verbindung weiter zu verbessern, sodass sie besser für Anwendungen geeignet ist.“

Eine weitere Herausforderung wird laut den Forschern darin bestehen, einen Weg zu finden, die Magnetisierung des A-Typ-Antiferromagneten elektrisch zu manipulieren, um voll funktionsfähige spintronische Geräte zu konstruieren.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/giant-tunnelling-magnetoresistance-appears-in-an-antiferromagnet/