Перспективные направления развития спинтроники

Высокоскоростное переключение магнитного состояния. Одной из главных характеристик спин-электронных устройств является его пропускная способность, которая определяется временем отклика на электрические и магнитные воздействия. Довольно хорошо изучены вопросы, связанные со скоростью диффузии, сохранением заряда, паразитной емкостью в обычной электронике и их спиновых аналогах в спинтронике. Однако время переключения магнитного момента наномагнетиков (отдельных магнитных доменов) слабо изучено, хотя некоторые аналогии могут быть взяты из быстродействующих записывающих устройств. Высокоскоростное переключение намагниченности в настоящее время интенсивно исследуется, и, как уже известно, время смены магнитного состояния сильно зависит от формы устройства и связи режима переключения с волновым спектром спинов. Время чтения/записи в MRAM составляет несколько наносекунд, однако в будущем желательны более высокие скорости переключения магнитного состояния. Вышеупомянутые идеи могут быть объединены для создания нового типа туннельного запоминающего элемента MRAM, состоящего из ферромагнитной пленки, спинового магнитного изолятора и металла переходной группы. Тогда время записи определялось бы магнитными свойствами металлов и изолятора.

Спин-электронные сенсоры позиционирования и движения. Сенсоры на основе эффекта GMR, используемые для определения величины и направления магнитного поля, нашли широкое применение в следующих областях: хранение и считывание информации, программируемые вентильные матрицы, авиационная электроника, электронное машинное управление и автомобильные активные системы безопасности. Например, мировой рынок автомобильных датчиков, с ежегодным ростом более 10%, является одним из самых быстро развивающихся, в настоящее время он достиг 8,5 млрд евро. В последние годы основными тенденциями развития мирового автопрома являются улучшение управления двигателем внутреннего сгорания (с целью уменьшения автомобильных выбросов), тормозной и противоскользящей системами, устройствами безопасности и т.д. Поскольку эти технологии стремительно развиваются, на первое место встает усовершенствование спиновых магнитных сенсоров: повышение чувствительности, стабильности, надежности и подавление шумов.

Спиновый диод. Идея спинового двухконтактного диода впервые была предложена Мэтьюусом. Диод состоит из пятислойной магнитной системы, в которой три ферромагнитных слоя разделены слоями парамагнетика. Одна из наиболее удачных попыток практической реализации спинового диода была осуществлена в 2004 г. В будущем планируется использовать спиновые диоды как элементарные ячейки MRAM-памяти.

Когерентная квантовая спинтроника. В более далекой перспективе находится квантовая когерентная спинтроника. Имеются в виду устройства, размеры которых настолько малы, что квантовая когерентность волновой функции электрона сохраняется поперек устройства, связывая входящие и выходящие электрические сигналы. Нанотехнологии достигли такого уровня, что сегодня можно создавать устройства с масштабом 1 нм. Типичным примером является туннельный диод (Patent Application No FR9904227, France).

Квантовый компьютинг. Исследователи предсказывают широкое использование разработок спинтроники в сфере квантового компьютинга. Считается, что следующим серьезным этапом развития спинтроники станут устройства, в которых информация будет передаваться не посредством спинов электронов, а с использованием сложных кубитовых пар. Например, многоконтактные спиновые устройства, которые могут быть основаны на потоках запутанных кубитов. Практически реализовать подобное устройство можно на базе спин-электронных транзисторов.

Потенциал спинтроники не исчерпывается уже разра-ботанными и освоенными технологиями, описанными выше. Несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся уже более двух десятков лет, существует очень много нерешенных научных и технических проблем. Например, сейчас для изменения намагниченности участка ферромагнетика используется магнитное поле. Так как мы умеем создавать магнитное поле только при помощи электрического тока (постоянные магниты не в счет), то встает проблема локализации этого магнитного поля в ограниченном участке пространства. Чем меньше этот участок, тем более высокую плотность хранения информации на магнитном носителе можно получить (конечно, остаются еще вопросы подбора соответствующих магнитных материалов). В лабораториях физики твердого тела (Цюрих) и Стэнфордского университета был поставлен эксперимент, который показывает возможность изменения намагниченности материала при помощи потока электронов с определенным спином (про такие электроны говорят, что они спин поляризованы). При помощи фотоэмиссии из полупроводникового катода, вызванной поляризованным светом, был получен пучок спин поляризованных электронов. Этот пучок был пропущен через магнитную пленку толщиной несколько нанометров. При пролете электронов через пленку спин электронов изменяется (это явление называется прецессией). Так как ничто в природе не проходит бесследно, то и спины электронов в магнитной пленке также изменяются, что и означает изменение намагниченности вещества. Если число пролетевших электронов сравнимо с количеством атомов вещества, то изменение намагниченности пленки будет весьма заметно. Эффект может быть использован как для записи информации, так и для считывания (при меньшей интенсивности пучка электронов). Потенциально данная технология может обеспечивать скорости перемагничивания (то есть фактически чтения-записи информации) до десятков гигагерц, но до этого исследователям придется пройти

еще очень длинный путь.

Другой интересный эффект состоит в получении чисто спинового потока электронов без переноса заряда. В эксперименте были сформированы два встречных потока электронов с противоположно направленным спином. Этот удивительный эффект достигнут при помощи двух импульсных поляризованных лазеров, частота одного из которых вдвое меньше, чем другого. Таким образом, достигнута передача спинового заряда без наличия разности потенциалов. Пока это явление наблюдается на расстояниях порядка нескольких десятков нанометров, но дальнейшие исследования в этом направлении продолжаются.

Одна из проблем спинтроники связана с используемыми материалами. Дело в том, что для спинтроники необходимы ферромагнетики, магнитные свойства которых и вызывают к жизни разнообразные эффекты с участием спинов электронов. Но ферромагнетики являются металлами, а современная электроника основана на полупроводниках. Именно свойства полупроводников позволяют усиливать электрический ток в транзисторах — в металлах такой эффект невозможен. Поэтому для того, чтобы создать эффективное устройство, которое использует и спин, и заряд электрона, необходим ферромагнетик, являющийся полупроводником. В Северо-Западной тихоокеанской национальной лаборатории (США) был создан новый полупроводник, который не теряет своих магнитных свойств даже при комнатной температуре. Это вещество представляет собой оксид титана с примесью кобальта и выращивается в виде нанометровых пленок методом молекулярной эпитаксии. В глубоком вакууме пучки атомов в нужном соотношении направляются на кристаллическую поверхность, где формируют необходимую кристаллическую структуру.

Другой подобный материал — это эпитаксиальная пленка из чередующихся прослоек соединений галлия: GaSb,GaMn. Магнитные свойства данного полупроводника сохраняются вплоть до 130°С, этого достаточно для нужд современной техники.

Еще одним перспективным направлением является использование органических соединений. В Калифорнийском университете (Риверсайд) синтезировали соединение, которое изменяет свои оптические, электрические и магнитные свойства одновременно, в зависимости от температуры. При температуре около 62°С вещество из прозрачного (в инфракрасном спектре) изолятора-парамагнетика превращается в непрозрачный проводник-диамагнетик. Такие уникальные свойства делают его привлекательным не только для спинтроники, но и для других перспективных направлений, например, фотоники. Правда, рабочая температура перехода несколько высока для использования, но ученые надеются уменьшить ее вариацией состава вещества.

В университете штата Огайо был исследован пластик — тетрацианоэтанид ванадия. Несмотря на своюорганическую природу, он имеет и магнитные свойства,сохраняющиеся вплоть до 130°С. Кроме того, пластик гораздо технологичнее, чем другие материалы, что позволитв будущем создавать дешевую пластиковую память.

Нанокомпозиты в виде металлических проводок в поликарбонате или оксиде алюминия. Поликарбонатная пленка подвергается воздействию тяжелых высокоэнергетических заряженных частиц в ядерном реакторе. Проходя через поликарбонат, заряженные частицы оставляют треки с нарушенной (т.е. другой, отличной от остального массива) структурой. Затем эти треки вытравливаются в концентрированном растворе щелочи и таким образом формируются однородные сквозные цилиндрические поры. Плотность пор определяется продолжительностью пребывания мембраны в реакторе. Выпускаются мембраны со стандартными значениями плотности пор 10⁶, 10⁸, 6 ^. 10⁸, 10⁹ и 10¹⁰ пор/см². По диаметру поры могут быть получены в широком диапазоне от 10 до 300 нм в зависимости от времени облучения пленки, температуры и концентрации раствора, а также времени травления. Толщина мембран может составлять от единиц до сотен микрон, диаметр как правило 13 мм. Для электроосаждения нанопроволок также могут использоваться мембраны из анодированного алюминия. Получение структуры в виде многослойных и гранулированных нанопроволок осуществляется исключительно методом электролити-ческого осаждения в поры мембран (рис.) из одного электролита как в потенциостатическом, так и в гальваностатическом импульсных режимах. Перед электроосаждением в поры для обеспечения электрического контакта на одной из сторон мембраны напыляется слой золота ~0,01 мкм (рис.).

Рис. Схематические изображения поликарбонатной мембраны и отдельной многослойной нанопроволоки (слева). Геометрия нанесения подслоя золота на мембрану (справа).

В отличие от электроосаждения в условиях плоской геометрии, когда вся поверхность катода подвергается воздействию электролита, при электроосаждении нанопроволок воздействию электролита подвергается только часть поверхности мембраны, называемая активной или истинной площадью осаждения. Ее можно рассчитать, зная количество пор на всей площади мембраны и площадь одной поры:

Рис. Типичная токовая кривая роста нанопроволок

Увеличение тока после точки В свидетельствует о начале выхода пленки поверх пор. Это соответствует номинальной толщине около 3,8 мкм. После этого начинает происходить слияние проволок на поверхности, и над проволоками возникают полусферические шапки. Толщина слоя меди примерно 30 нм, а толщина сплава Со-Ni 40 нм.

Рис. Схема установки для магниторезистивных измерений (гигантского магнетосопротивления)

Для проведения магниторезистивных измерений необходимо наличие верхнего проводящего контакта. Это достигается за счет осаждения некоторого количества материала поверх мембраны. После заполнения пор осаждаемое вещество начинает разрастаться в виде полусферических чаш, которые затем сливаются друг с другом (рис.)

В случае, когда поле параллельно оси нанопроволок, их петли гистерезиса характерны для перемагничивания вдоль оси легкого намагничивания. Если же внешнее поле перпендикулярно оси проволоки, то в этом случае для поворота всех моментов в этом направлении требуются намного большие поля, и в результате получается петля, характерная для намагничивания вдоль трудной оси.

Структура, магнитные и магниторезистивные свойства нанопроволок спин-клапанного типа.Среди магнитных наноматериалов особое место занимают многослойные (или мультислойные) структуры. В большой степени это связано с обнаруженным в них эффектом гигантского изотропного магнитосопротивления. Исследование этого явления, а также попытки разработчиков различных устройств магнитной микроэлектроники повысить величину изменения электросопротивления на единицу магнитного поля привели к появлению нового, более сложного семейства многослойных пленочных структур так называемого “спин-клапанного” типа. Они представляют собой уже периодическое чередование не двух, а трех и более слоев с различными магнитными параметрами. В этом случае процесс их перемагничивания анизотропен. При изменении прилагаемого внешнего магнитного поля по направлению вектора намагниченности, предварительно намагниченного до насыщения магнитожесткого слоя в диапазоне, меньшем его коэрцитивной силы, магнитомягкий слой будет перемагничиваться в этом направлении в поле ниже его коэрцитивной силы. А в противоположном направлении – в поле, большем его коэрцитивной силы. Эта разница в полях перемагничивания низко- и высококоэрцитивных слоев в многослойной структуре в противоположных направлениях и есть суть “клапанного” эффекта. Состояние многослойной структуры, когда магнитные моменты магнитомягких и магнитожестких слоев антипараллельны, является неустойчивым. И малое поле противоположной направленности приводит к скачкообразному перемагничиванию низкокоэрцитивных слоев. Именно поэтому и может быть достигнута высокая чувствительность магниторезистивного элемента.

Еще одним вариантом повышения величины магниторезистивного эффекта является изготовление многослойной структуры в виде нанопроволок. Это достигается исключительно методом импульсного электролитического осаждения в поры наномембран. Для нанопроволок легко реализуется геометрия магниторезистивного эффекта, когда электрический ток перпендикулярен границам раздела слоев в много-слойной структуре, что невозможно для обычных многослойных пленок с плоской геометрией. В этом случае все электроны проводимости вынуждены пересекать магнитные слои с периодически антипараллельной направленностью их магнитных моментов и, следовательно, эффект их рассеяния будет больше по сравнению с обычными многослойными структурами. Основная трудность заключается в том, что при варьировании потенциала осаждения (либо катодной плотности тока D_K) необходимо подобрать такие условия осаждения (прежде всего состав электролита и режимы осаждения), когда лишь только одним изменением их (или D_K) будет достигаться достаточно большая разница в составе и кристаллической структуре магнитных слоев и, следовательно, будет существенно различаться и их коэрцитивная сила. Указанным условиям могут удовлетворять пленки CoFeP и CoW, в которых содержание фосфора и вольфрама является функцией плотности тока. И, например, при малой плотности тока (D_K ~ 10-20 мА/см²) содержание фосфора достигает ~20-25 ат.%. При этом пленки CoFeP₂₅ являются аморфными магнитомягкими, а при содержании фосфора ~5-10 ат % (D_K 70 мА/см²) они поликристаллические и, соответственно, магнитожесткие. Подобное справедливо и для системы кобальт-вольфрам.

Для пишущих и считывающих головой обычно используют эффект гигантского магнетосопротивления (GMR), квантово-механический эффект, который обеспечил огромную емкость сегодняшних жестких дисков. Использование GMR
обеспечивает плотность памяти гораздо выше 100 гигабит на квадратный дюйм. В то время как в современных жестких дисках магнитные домены ориентированы в плоскости, у следующего поколения жестких дисков они будут располагаться перпендикулярно. Техника перпендикулярной записи (Рис. , внизу) обеспечит более плотную упаковку информации. Но она потребует более чувствительных записывающих и считывающих головок, которые могут быть изготовлены за счет еще более сложного эффекта туннельного магнетосопротивления (TMR). В этом смысле
компьютерные жесткие диски можно рассматривать как продукт нанотехнологий.

Рис. Эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) широко используется в жестких дисках. Seagate Technology LLC (сверху). Плотность хранения данных может быть увеличена за счет изменения ориентации магнитных областей. Перпендикулярная запись
обеспечивает более высокую плотность запаиси. VDI Technologiezentrum GmbH (внизу)