Η γιγάντια μαγνητοαντίσταση σήραγγας εμφανίζεται σε έναν αντισιδηρομαγνήτη

Η γιγάντια μαγνητοαντίσταση σήραγγας εμφανίζεται σε έναν αντισιδηρομαγνήτη

Χρονική σήμανση: 10 Μαΐου 2023 9:00 π.μ.

Σχηματικό σχέδιο της συσκευής
Σχηματική διάταξη της συσκευής: τα δισδιάστατα μαγνητικά υλικά van der Waals (vdW) είναι ιδιαίτερα υποσχόμενα για συσκευές σπιντρονικής. (Ευγενική προσφορά: G Yu)

Ερευνητές στην Κίνα παρατήρησαν γιγάντια μαγνητοαντίσταση σήραγγας (TMR) σε μια διασταύρωση μαγνητικής σήραγγας κατασκευασμένη από τον αντισιδηρομαγνήτη CrSBr. Όταν ψύχθηκε σε θερμοκρασία 5 Κ, η νέα δομή εμφάνισε μαγνητοαντίσταση 47,000% - υψηλότερη από τις εμπορικές διασταυρώσεις μαγνητικής σήραγγας - και διατήρησε το 50% αυτού του TMR στους 130 Κ, που είναι πολύ πάνω από το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου. Σύμφωνα με τους προγραμματιστές του, η δομή μπορεί να κατασκευαστεί με τρόπο που να είναι συμβατός με τη διαδικασία sputtering magnetron που χρησιμοποιείται για την κατασκευή συμβατικών συσκευών spintronic. Αυτές οι ιδιότητες, μαζί με το γεγονός ότι το CrSBr είναι σταθερό στον αέρα, το καθιστούν μια πολλά υποσχόμενη υποψήφια πλατφόρμα για συσκευές spintronic, λένε.

Οι τυπικές διασταυρώσεις μαγνητικής σήραγγας (MTJs) αποτελούνται από δύο σιδηρομαγνήτες που χωρίζονται από ένα μη μαγνητικό υλικό φραγμού. Βρίσκονται σε μια σειρά από τεχνολογίες σπιντρονικής, συμπεριλαμβανομένων των μαγνητικών μνημών τυχαίας πρόσβασης, των μαγνητικών αισθητήρων και των λογικών συσκευών.

Οι διασταυρώσεις που βασίζονται σε αντισιδηρομαγνήτες τύπου A van der Waals (vdW), όπως το CrSBr και άλλα αλογονίδια χρωμίου, είναι μια ελκυστική εναλλακτική λύση στα συμβατικά MTJ χάρη στην ασυνήθιστα υψηλή μαγνητοαντίσταση σήραγγας. Λειτουργούν χάρη στο φαινόμενο spin-φίλτρου, στο οποίο τα σπιν ηλεκτρονίων (ή μαγνητικές ροπές) των ατόμων χρωμίου στο CrSBr συνδέονται σιδηρομαγνητικά με άλλα άτομα στη στιβάδα τους και αντισιδηρομαγνητικά συζευγμένα με άτομα σε γειτονικά στρώματα. Με άλλα λόγια, οι περιστροφές ευθυγραμμίζονται παράλληλα μεταξύ τους στα μεμονωμένα στρώματα και αντιπαράλληλα μεταξύ τους μεταξύ γειτονικών στρωμάτων.

Ενώ η υψηλή αντίσταση σήραγγας αυτών των λεγόμενων MTJ με φίλτρο περιστροφής (sf-MTJs) τα καθιστά καλούς υποψηφίους για μαγνητικές μνήμες, έχουν ορισμένα μειονεκτήματα. Συγκεκριμένα, τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τείνουν να είναι ασταθή και επιρρεπή στο να χάσουν τον μαγνητισμό τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό καθιστά δύσκολη τη χρήση τους σε πρακτικές συσκευές spintronic.

Ξεπερνώντας τις προκλήσεις κατασκευής

Στην τελευταία μελέτη, ερευνητές με επικεφαλής τον Guoqiang Yu του Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης του Πεκίνου ανέπτυξε μια νέα τεχνική κατασκευής για αυτά τα επιθυμητά υλικά. Δουλεύοντας με συναδέλφους στο Πεκίνο, το Dongguan και το Wuhan, ξεκίνησαν με την εναπόθεση μιας διπλής στιβάδας πλατίνας (Pt) και χρυσού (Au) σε Si/SiO2 γκοφρέτες με ψεκασμό DC magnetron.

Στη συνέχεια, τα μέλη της ομάδας ξύρισαν μηχανικά λεπτές νιφάδες CrSBr από ένα δείγμα του χύμα υλικού και τις τοποθέτησαν στο Si/SiO2Υποστρώματα /Pt/Au. Αυτό τους επέτρεψε να αποκτήσουν σχετικά λεπτές νιφάδες CrSBr σε Pt/Au με καθαρές και φρέσκες επιφάνειες. Σε αυτό το σημείο, οι ερευνητές εναπόθεσαν ένα επιπλέον στρώμα πλατίνας στο CrSBr με εξαιρετικά χαμηλή ισχύ διασκορπισμού 3–5 W και σχετικά υψηλή πίεση εναπόθεσης περίπου 1 Pa. Τέλος, χρησιμοποίησαν υπεριώδη λιθογραφία και άλεση ιόντων Ar για την κατασκευή αρκετών sf -MTJ από την πολυεπίπεδη δομή που δημιούργησαν.

Υποσχόμενες ιδιότητες

Τα νέα sf-MTJ έχουν πολλά ευνοϊκά χαρακτηριστικά. «Το πρώτο είναι ότι η διαδρομή που χρησιμοποιήσαμε για να τα φτιάξουμε είναι πιο συμβατή με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή συμβατικών μεταλλικών στοίβων spintronic», εξηγεί ο Yu. «Το δεύτερο είναι ότι διατηρούν το 50% του TMR τους ακόμη και σε θερμοκρασία 130 Κ, που είναι μέχρι στιγμής η υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας για τα sf-MTJ».

Ο Yu επισημαίνει ότι αυτή η ρεκόρ θερμοκρασίας λειτουργίας δεν είναι πολύ κάτω από τη λεγόμενη θερμοκρασία Néel του CrSBr, πέρα ​​από την οποία η θερμική ενέργεια του υλικού εμποδίζει την ευθυγράμμιση των ροπών στυψίματός του. Αυτή η σχετικά υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας έρχεται με ένα σημαντικό πρακτικό πλεονέκτημα, προσθέτει ο Yu. «Σε σύγκριση με προηγούμενες τέτοιες διασταυρώσεις, τα sf-MTJ μας μπορεί να λειτουργούν στο εύρος θερμοκρασίας υγρού αζώτου και ίσως ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου», παρατηρεί. «Και χάρη στη σταθερότητά τους στον αέρα, είναι πιο κατάλληλα για εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο».

Δεν είναι μόνο αυτό. Το CrSBr είναι επίσης ημιαγωγός, επομένως τα γειτονικά του στρώματα έχουν αντίθετες μαγνητικές ροπές σε μηδενικά ή μικρά μαγνητικά πεδία. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως στρώμα φραγμού σε χαμηλές θερμοκρασίες. «Σε αυτή τη διαμόρφωση, όλα τα ηλεκτρόνια, spin-up ή spin-down, πρέπει να συναντήσουν υψηλότερο ύψος φραγμού αφού πολωθούν προς τη μία κατεύθυνση σπιν ή την άλλη περνώντας από το πρώτο στρώμα, επειδή το επόμενο στρώμα έχει αντίθετο προσανατολισμό σπιν, προκαλώντας σε υψηλότερη αντίσταση σήραγγας», λέει ο Yu Κόσμος Φυσικής. «Όταν το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο είναι αρκετά μεγάλο, όλες οι μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται με αυτό το πεδίο και, στην περίπτωση αυτή, τα ηλεκτρόνια με σπιν παράλληλες προς την κατεύθυνση του πεδίου συναντούν χαμηλότερο ύψος φραγμού, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερη αντίσταση σήραγγας».

Οι ερευνητές, που αναφέρουν την εργασία τους στο Κινεζικά γράμματα φυσικής, προτείνουν ότι οι νέες διασταυρώσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε συσκευές spintronic που βασίζονται σε μια στοίβα λίγων μόνο στρωμάτων CrSBr. «Η μελέτη μας αποκάλυψε ότι τα sf-MTJ που βασίζονται σε αντισιδηρομαγνήτες τύπου 2D vdW A έχουν κάποιες εξαιρετικές ιδιότητες», λέει ο Yu. «Θα προσπαθήσουμε τώρα να βρούμε έναν σιδηρομαγνήτη τύπου 2D vdW A με υψηλότερη θερμοκρασία Néel για να βελτιώσουμε περαιτέρω τη θερμοκρασία λειτουργίας της διασταύρωσης που έχουμε κάνει, ώστε να είναι πιο κατάλληλος για εφαρμογές».

Μια περαιτέρω πρόκληση, λένε οι ερευνητές, θα είναι να βρουν έναν τρόπο να χειριστούν ηλεκτρικά τη μαγνήτιση στον αντισιδηρομαγνήτη τύπου Α, ώστε να μπορούν να κατασκευάσουν πλήρως λειτουργικές σπιντρονικές συσκευές.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής