STRUCTURI NANOMETRICE MAGNETICE CU EFECT DE MAGNETOREZISTENTA GIGANTICA (GMR) )SI EFECT DE TUNELARE DEPENDENTA DE SPIN (TMR) PENTRU SPINTRONICA

1
STRUCTURI NANOMETRICE MAGNETICE CU EFECT DE
MAGNETOREZISTENTA GIGANTICA (GMR) )SI EFECT DE
TUNELARE DEPENDENTA DE SPIN (TMR) PENTRU
SPINTRONICA Jenica Neamtu, Wihelm Kappel,
Rares Medianu, Marius Volmer , Cristian
Teodorescu INCDIE CA Bucuresti, INFLPR
Bucuresti, Univ. Transilvania Brasov,
INCDFM Bucuresti
ABSTRACT Progresele in Nanostiinta si
Nanotehnologie deschid noi perspective pentru
dezvoltarea dispozitivelor spintronice bazate pe
materialele magnetice nanostructurate(multistratur
i sau granule de ordinul nm) care prezinta efect
de Magnetorezistenta Gigantica (GMR) sau Tunelare
dependenta de spin (TMR). Sistemele din
Spintronica sunt bazate pe asocierea metalelor
magnetice si metalelor nemagnetice, izolatori sau
semiconductori. GMR a fost observat in structuri
multistrat de tipul FM(tFM)/NM(sNM)n, unde FM
reprezinta un strat ferromagnetic (Fe, Ni, Co,
sau aliaje) si NM este un strat nemagnetic V,
Cr, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir sau Cu, Ag, Au.
Proprietatile de transport ale noilor sisteme
magnetice depind de orientarea spinului
electronilor si sunt dependente de grosimile
straturilor si imprastierea spinilor la
interfete. In structurile tip valva de spin
(elemente GMR utilizate in tranzistorul cu valva
de spin) amplitudinea efectului depinde de
orientarea relativa a momentelor magnetice in
straturile adiacente, care au coercivitati
diferite. Avantajul acestor structuri magnetice
este cel al densitatii mari de implementare, ca
si puterea consumata foarte redusa a
dispozitivelor realizate. Un alt obiectiv al
lucrarii noastre il constituie semiconductorii
magnetici diluati. Acesti semiconductori sunt
formati prin substituirea atomilor de Ga sau In
in GaAs sau InAs cu ioni magnetici de Mn.
Cuplajul intre ionii magnetici este de tipul
interactie de superschimb, mediat prin densitatea
de purtatori de sarcina sau goluri.
2
STRATURI SUBTIRI SI MULTISTRATURI CU PROPRIETATI
DE MAGNETOREZITENTA GIGANTICA PENTRU APLICATII
IN SPINTRONICA
Microstructurile de tip multistrat (ML) sunt
compuse din straturi subtiri feromagnetice moi
sau dure (FM), separate prin straturi nemagnetice
(NM) metalice, sau izolatoare (oxizi de aluminiu,
de siliciu). Am realizat straturi FM din Fe, Co,
Ni sau aliaje. Straturile FM sunt nanometrice cu
grosimi între 2-10 nm si max.100 nm. Pentru
straturile NM se folosesc cele de Cu, Ag, Au,
Cr, oxid Al sau oxid Si, cu grosimi de ordinul
nm.
1.Structurile multistrat cu efect GMR, sunt
numite si superretele în care un strat magnetic
si unul nemagnetic se repeta de un numar oarecare
de ori, de exemplu Co/Cu, cuplajul se face prin
interactii de schimb fero/antiferomagnetic intre
straturi. FM si NM. , Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshi
da
2.Structuri tip valva de spin, se folosesc doua
materiale magnetice diferite, cu câmpuri de
comutare diferite, apoi se aplica un câmp
magnetic de sens opus magnetizatiei unuia dintre
straturi, unul dintre straturi va comuta înaintea
celuilalt, obtinând astfel aliniamentul
antiparalel caracteristic.
Raportul GMR pentru 100 perechi de straturi
subtiri Co/Cu la temperatura 4,2 K (curba
marcata cu patrate) si la temperatura camerei
(curba marcata cu cercuri).
3

• Proprietatile fizice ale straturilor subtiri sunt
  determinate de o serie de parametrii
• Proprietatile materialelor sursa utilizate la
  prepararea straturilor
• Proprietatile substratului rugozitate, ordonare
  cristalina, cantitatea de impuritati pe suprafata
  (contaminare)
• Metoda utilizata pentru realizarea
  straturilorCalitatea vidului Temperatura
  suprafetei în timpul depunerii.

Electrochimica
Evaporare in vid
Crestere epitaxiala
Pulverizare catodica in vid
Ablatiunea Laser
Reprezentarea schematica a unei instalatii de
depunere a straturilor subtiri prin ablatie laser
Reprezentarea schematica a unei instalatii de
depunere a straturilor subtiri prin pulverizare
RF în vid (sputtering)
4

• valoarea câmpului coercitiv

• valoarea câmpului de saturatie,

Tehnicile de depunere influenteaza
proprietatile

• intensitatea si tipul cuplajului dintre
  straturile
• feromagnetice separate prin straturi nemagnetice,

• valoarea câmpului de anizotropie uniaxiala.

Grosimea straturilor nemagnetice se alege astfel
încât cuplarea initiala a straturilor magnetice
sa fie antiparalela. Un câmp magnetic extern va
roti toate directiile de magnetizare spre o
configuratie paralela, astfel încât rezistenta se
reduce. Acest efect este independent de directia
câmpului magnetic neglijând câmpurile anizotrope
(care sunt de obicei mici).
Reprezentarea schematica a transportului
electronilor într-o structura multistrat în
absenta (a) si în prezenta (b) câmpului magnetic
5
Elaborarea unor procedee proprii,
reproductibile, de obtinere a unor structuri
multistrat magnetic, care sa prezinte efect de
magnetorezistenta gigantica (GMR) sau TMR este
dificila, tinand cont de conditiile de rugozitate
minima la interfata FM/NM .
În practica structura multistrat GMR este depusa
atât cu o rugozitate a interfetei, cât si cu o
inter-mixare chimica a straturilor, si/sau
densitate mare de defecte, astfel încât
electronii vor fi împrastiati la interfata FM /NM
si/sau pe defecte si efectul GMR poate disparea,
sau este nevoie de câmpuri foarte mari pentru a
fi initiat. Rugozitatea interfetei determina
cuplarea magnetostatica (Néel), împrastierea
electronilor si slabirea cuplajului
antiferomagnetic. Rugozitatea stratului
nemagnetic poate conduce la aparitia unui cuplaj
magnetic în coaja de portocala nedorit între
structurile magnetice multistrat, întrucât
schimba punctul de polarizare si reduce
sensibilitatea.
6
2. Dupa terminarea igienizarii se trece la
montarea tintei de NiFe/Co la magnetronul M1 si,
secvential, a tintei de Cu/Alpentru interlyer
/contactele electrice la magnetronul M2,
respectand configurarea geometriei de depunere.
1. Procesul tehnologic incepe cu etapa de
curatire a substraturilor in alcool etilic p.a.,
in baia de ultrasunete. In a doua etapa a urmat o
formare prealabila a substraturilor un proces de
degazare termica la o presiune de 4?10-6 torr si
o temperatura de aproximativ 200 C 10.
3. In a treia etapa, probele au fost introduse in
instalatia VARIAN ER 3119 unde la o presiune de
4?10-4 torr au fost procesate cu fascicul colimat
de ioni timp de 15 minute. S-aui montat
cuarturile de monitorizare a grosimii straturilor
nanometrice( cu o precizie de ordinul Å).
Etapele procesului tehnologic
4. In etapa a patra s-au optimizat parametrii
electrici pana la obtinerea unei puteri reactive
de 60 din puterea activa si o presiune de 6x10
-3 torr, prin modificarea debitului gazului de
asistare (Ar), tot odata urmarindu-se si efectul
vitezei de depunere.
5. In vederea depunerii contactelor electrice
s-au construit masti (cu geometrie variabila in
functie de necesitatile beneficiarului) in care
se fixeaza substratul (suportul suprafetei
sensibile). Masca si substratul se ataseaza unui
dispozitiv tip carusel care pozitioneaza
ansamblul deasupra magnetronului
7
Structuri TMR si SV studiate
Structura 1
S-au obtinut doua structuri diferite ca
succesiune, compozitie si nanogrosimi de strat.
Structura 1 cu stratul de Al2O3 la interfata Co
si respectiv stratul subtire de Cu la interfata
cu NiFe in cazul structurii 2.
Structura 2
8
Analiza suprafetelor si a rugozitatii straturilor
subtiri cu AFM

• Zona depusa cu 3 nm NiFe
• Arie 30?m?30?m
• Rugozitate /
• sectiune 3 nm
• Zona depusa cu
• NiFe/Al2O3 /NiFe
• Arie 15?m?15?m
• Suprafata prezinta la
• interfata denivelari
• de maxim 5,685 nm

Zona depusa cu 10 nm NiFe Arie
20?m?20?m Rugozitate / sectiune 7,2nm Zona
depusa cu NiFe/Cu/NiFe Arie 20?m?20?m Suprafata
prezinta la interfata denivelari de maxim 6,878
nm
9
Pentru a evidentia efectele GMR si Hall pe
structuri multistrat Si/SiO2/(Py/Cu/Py)n am
folosit doua configuratii de contacte toate cele
patru contacte dispuse în linie cele patru
contacte dispuse în colturile unui patrat. Pentru
masuratori de efect Hall am folosit una din cele
doua configuratii utilizate pentru masuratori de
magnetorezistenta.
  Schema de masura cu patru sonde dispuse în
colturile unui patrat ce permite punerea în
evidenta a efectului de magnetorezistenta (a)
longitudinal, (b) transversal si (c) a
efectului de magnetorezistenta anizotropa.   Ultim
a configuratie este un montaj tipic de punte si
este foarte utila în punerea în evidenta a
efectului IP-AMR. Acest mod de conectare este
folosit si la constructia de senzori de câmp
magnetic.
10
Evidentierea efectului magnetorezistiv si
efectului Hall pentru sistemele studiate
Efectul AMR al structurii Si/SiO2/Py(100 nm) în
câmp magnetic.
Dependentele de câmp ale rezistentei Hall. Pentru
Py(10nm) a fost utilizata o configuratie care
minimizeaza influenta efectului AMR asupra
tensiunii masurate (a0º). Pentru Py/Cu/Py and
Py/Al2O3/Py au fost utilizate ambelele
configuratii (a0 si 45º).
11
Efectul magnetorezistiv pentru sistemele studiate

Asimetria acestei curbe se datoreaza faptului ca
rezistentele Rl si Rt sunt diferite între ele
datorita modului de amplasare a contactelor.
12
Schema simplificata a sistemului de masura pentru
efectul tunel
Largimea barierei de potential, F1,16 eV, este
mai mica decât cea cunoscuta pentru straturile de
Al2O3 care este în jur de 1,6 eV. Acest lucru se
datoreaza straturilor adiacente din oxid de metal
magnetic pentru care se stie ca largimea barierei
de potential este de ordinul zecimilor de eV.
13
Caracterizarea magnetica VSM a multistraturilor
magnetice
Curba de magnetizare masurata la temperature
camerei pentru multistatul NiFe (10 nm)/Cu (4
nm)/ NiFe (10 nm)9, cu campul magnetic aplicat
in planul filmului, dupa directia de magnetizare
usoara.
Curba de magnetizare a multistratului de
NiFe(10nm)/Mo(6 nm)/NiFe(10 nm) masurata la
temperatura camerei, cu campul magnetic aplicat
in planul filmului.
14
Sinteza si caracterizarea
Fe/GaAs(001) si a (In,Mn)As(001) Instalatia de
depunere- Vid 10-8 mbar- Suport probe
incalzit Tmax 1200 C- Evaporatoare celule
Knudsen si cu bombardament electronic- Monitor
de grosimi cu microbalanta cuart - Vid 10-8 mbar
imagine realizata in timpul calibrarii celulelor
de evaporare
Instalatia de spectroscopie de fotoelectroni
(XPS) a INCDFM
- Camera preparare si camera analiza - Vid 10-9
- 10-10 mbar - Suport probe Tmax 700 C -
Sistem de transfer - Corodare cu ioni Ar -
Excitare Mg Ka, Al Ka - Neutralizare cu flood gun
15
Momente magnetice ale (In, Mn)As
Dicroismul magnetic circular in absorbtia de raze
X (X-ray magnetic circular dichroism, XMCD)
Reguli de suma
- moment orbital
- moment de spin
c nr. cuantic orbital al starii initiale l
nr. cuantic orbital al starii finale n nr.
cuantic principal al starii finale (in cazul de
fata, tranzitii 2p ? 3d c 1, l 2, n 3) ltLzgt
media momentului orbital, in magnetoni
Bohr-Procopiu (mB) ltSzgt media momentului de
spin, in magnetoni B.-P. ltTzgt media
operatorului dipolar magnetic (T Sisi 3ri
(risi)/ri2) s(E) absorbtia izotropa 2p ?
3d m(E) semnalul de dicroism circular s(E)
- s-(E) diferenta intre spectrele de absorbtie
cu polarizarea circulara a razelor X paralela,
respectiv antiparalela cu magnetizarea probei.
Functia Brillouin
b 1 / (kBT) L interactia spin-orbita
16
Concluzii

• Microstructurile de straturi subtiri realizate
  prezinta efectele de GMR si TMR.
• Pentru a determina dependenta proprietatilor de
  transport si magnetice de morfologia suprafetei
  straturilor subtiri, s-au depus straturi subtiri
  in conditii de presiune si putere RF diferite.
• Experimentele au demonstrat atât existenta unor
  conditii de proces (presiune si putere) la care
  magnetorezistenta este maxima, dar si puternica
  dependenta a MR de rugozitatea suprafetei
  straturilor subtiri si de intermixarea chimica a
  interfetelor.
• Alta serie de experimente au condus la
  cunoasterea dependentei proprietatilor de
  magneto-transport de compozitia stratului
  metalic/izolator nemagnetic care intra în
  compozitia structurii multistrat.
• S-au realizat structuri de tip valva de spin si
  cu tunelare dependenta de spin cu stratul de
  Al2O3 la interfata cu stratul feromagnetic.
• S-a proiectat si s-au realizat experimental
  partile mecanice ale instalatiei de depunere
  semiconductori magnetici diluati (DMS).
• References
• 1.Jenica Neamtu, M.Volmer Surface Magnetisation
  Sensor for Characterization of Magnetic Thin
  Films and Spin-Valves Structures in
  Microelectronic Engineering 51-52(2000) 409-413
• 2. Jenica Neamtu, M. Volmer Magnetoresistance
  and magnetic properties of magnetic thin film
  multilayers Surface Science 482-485 (2001)
  1010-1014
• 3.Jenica Neamtu, M. Volmer Magnetoresistance and
  Hall Effect Characterization on Magnetic Thin
  Films Multilayers Journal of Materials Research
  vol.746 2003551-558