Резонансное туннелирование в магнитных наногетероструктурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Канджури Фарамарз

• Канджури Фарамарз
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Канджури Фарамарз

Введение

1 Литературный обзор

2 Резонансное туннелирование через спин-вентильную структуру, заключенную между двумя барьерами

2.1 Теоретическая модель.

2.2 Обсуждение результатов и выводы.

3 Пространственное распределение туннельного тока и ТМС в присутствии внутри барьерной примеси

3.1 Неравновесная техника Келдыша.

3.1.1 Отношение между разными Неравновесными функциям Грина.

3.2 Постановка задачи.

3.2.1 Расчет волновых функций системы и туннельного тока в отсутствие примесей.

3.2.2 Решение уравнения Дайсона для возмущенной функции Грина и вычисление туннельного тока

4 Вольт-амперная характеристика туннельной структуры с внедренным слоем примесей

4.1 Приближение когерентного потенциала.

4.1.1 Вывод уравнений метода когерентного потенциала

4.1.2 уравнение Дайсона для неравновесных функции Грина.

4.2 Постановка задачи.:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Резонансное туннелирование в магнитных наногетероструктурах»

Прорыв в области нанотехнологий, произошедший в последнее десятилетие, а также все возрастающие требования к плотности записи информации послужили импульсом для развития новой области физики твердого тела - спинтроники. Особенность этой области обычной электроники заключается в том, что спин электрона наряду с его зарядом представляет собой активный элемент как для хранения, так и для передачи информации [1]. Устройства, в которых используется спин электрона, могут в значительной степени вытеснить или дополнить различные традиционные электронные устройства.

Более того, спинтроника имеет хорошие перспективы в новых областях, а именно, в квантовых вычислениях и для квантовой передачи информации. Основой для создания новых элементов спинтроники являются два эффекта - эффект Гигантского Магнитосопротивления (ГМС) и Туннельного Магнитосопротивления (ТМС). В обоих случаях используются многослойные структуры с размерами порядка нанометров, через которые пропускается поляризованный по спину и управляемый магнитным полем ток. Естественным источником спин-поляризованного тока могут являться ферромагнитные металлы 3d группы, такие как Fe, Со и Ni , в которых проводимость имеет двухзонный характер, а основным механизмом рассеяния является рассеяние s электронов в d зону. При этом сечение рассеяния пропорционально плотности состояний d электронов, которая вследствие обменного расщепления оказывается су электроны со спином электроны со спином d-зона р\

Р t

Рис. 1: Плотности состояний s- и d- электронов со спинами «вверх» и «вниз» в 3d-металлах. щественно различной для электронов с разным направлением спина1 (в дальнейшем для краткости будем называть их электронами спинами «вверх» и «вниз», имея ввиду их ориентацию по отношению к намагниченности). Вследствие s — d гибридизации в названных металлах обменное расщепление наблюдается в обеих зонах. Это обстоятельство и приводит к тому, что сопротивление и туннельные барьеры в разных спиновых каналах в ГМС и в ТМС структурах оказывается различным, а ток спин-поляризованным.

Оба названных эффекта были открыты сравнительно давно: ТМС в 1975 [2] и ГМС в 1988 [3, 4], и позднее был сделан прорыв как в теории, так и в эксперименте, позволивший значительно продвинуться в их практическом применении [5, 6]. К настоящему времени основные особенности обоих эффектов уже достаточно широко исследованы экспериментально и уже созданы устройства на их основе. Имеется и обширная литература по теоретической интерпретации этих эффектов. Однако остаются и не решенные технологические задачи, которые требуют и дальнейшего развития теории. В частности, в настоящее время большое внимание уделяется изучению новых типов магниторезистивных туннельных контактов в связи с задачей создания неразрушающейся, нестираемой, стойкой к радиационному воздействию оперативной памяти (MRAM - magnetic random access memory), которая сможет заменить традиционную память на полупроводниках. Основное требование к таким контактам - это правильный баланс между достаточно большой величиной тока и туннельным сопротивлением, достаточным для хорошей совместимости с другими элементами электронной схемы. Обычно это не достижимо в простом контакте с единственным барьером и требуется использование более сложных структур с использованием резонансного туннелирования. Кроме того, вследствие особенностей технологии изготовления тонких барьеров путем окисления оказывается неизбежным появление внутри-барьерных примесей, что приводит к существенной пространственной неоднородности туннельного тока. Последствия этих неоднородностей недостаточно изучены. Наконец, в последнее время идет активное обсуждение возможности перемагничивания током в устройствах MRAM, и весьма важным представляется сформулировать необходимые условия, позволяющие эффективное применение этого механизма перемагничивания. Решению этих проблем и посвящается данная диссертационная работа.

В главе 1 дан подробный обзор теоретических и экспериментальных работ, относящихся к теме диссертации. Вторая глава посвящена теоретическому расчету ТМС в гибридной наногетеростуктуре, состоящей из двух туннельных барьеров и находящейся между ними спин-вентильной структурой и подсоединенной к двум ферромагнитным электродам. Поскольку вследствие наличия во внутреннем слое уровней пространственного квантования туннельный ток при определенном соотношении параметров может иметь резонансный характер, то в такой системе можно получить его значительное усиление. В третьей главе рассматривается локальное распределение туннельного тока вблизи внутрибарьерной примеси при различных параметрах структуры и влияние этих факторов на величину ТМС. В четвертой главе рассчитывается пространственное распределение намагниченности в структуре с туннельным барьером в контакте с ферромагнитными электродами при протекании тока и выясняются критерии возможности возникновения неколлинеарной структуры, такие как необходимая величина тока и геометрические размеры элементов структуры при заданных параметрах электронного спектра.

В связи со сказанным выше, все эти проблемы являются актуальными, и их решение может помочь и в совершенствовании современных электронных устройств.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Канджури Фарамарз

Заключение

В заключение приведем основные результаты диссертации.

1. С использованием формализма Кубо и метода функций Грина, а также с помощью численных методов расчета впервые предложена и теоретически исследована возможность получения большой величины туннельного тока и туннельного магнитосопротивления (ТМС) в гибридной наногетероструктуре спин-вентиль - двойной барьер Fi\0\F2\P\F?\0\F^ где Fi~слои ферромагнитного металла, О -изолирующий барьер, Р- парамагнитная прослойка. Взаимная ориентация намагниченностей соседних магнитных слоев может изменяться от параллельной к антипараллельной внешним магнитным полем порядка нескольких эрстед. В такой структуре сочетаются свойства спин-вентильных структур с гигантским магнитосопротивлением (ГМС), и структур с ТМС, и при выполнении условий резонансного туннелирования достигается значительное (на несколько порядков) увеличение туннельного тока и ТМС. Главным препятствием для практического использования подобных структур является наличие шероховатостей интерфейсов и флуктуации толщин слоев, образующих спин-вентильный элемент.

2. Выполнен численный расчет пространственного распределения туннельного тока и ТМС при наличии внутри барьера произвольно расположенной относительно его границ немагнитной примеси. В качестве метода расчета туннельной проводимости использовалась техника неравновесных функций Грина Келдыша, применение которой для случая пространственно неоднородной структуры достаточно нетривиально и требует значительной модификации. Поэтому разработанная в диссертации методика, заключающаяся в использовании смешанного координатно-импульсного представления с последующим решением уравнения Дайсо-на для нахождения возмущенной неравновесной функции Грина является одним из важных результатов работы. Численные расчеты пространственного распределения туннельного тока и ТМС при асимметричном расположении примеси относительно границ барьера и для двух направлений тока показали, что вблизи примеси можно наблюдать «горячее пятно» радиусом около 6 А, а значение тока в центре этого пятна может на несколько порядков превышать его значение вдали от него. Видны также многократное локальное увеличение ТМС и кроме того, резкая асимметрия вольт-амперной характеристики по отношению к изменению направления тока. Разумеется, усредненные по сечению системы характеристики не обнаруживают таких сильных аномалий.

3. Полученная вольт-амперная характеристика туннельной структуры с уединенной примесью позволяет надеяться на возможность создания туннельной структуры с квазиодносторонней проводимостью. Это особенно важно для дальнейшего усовершенствования систем MRAM (Magnetic Random Access Memory) для того чтобы избежать сопряжения туннельных элементов с полупроводниковыми. Поэтому был выполнен расчет вольт-амперной характеристики искусственно приготовленной туннельной спин-вентильной структуры, с асимметрично распо-ложенноым внутри барьера примесным слоем. Такая структура может быть приготовлена напылением и окислением тонкого слоя алюминия, последующим напылением более толстого слоя и неполным окислением его с противоположной стороны. Таким образом будет получена структура с неупорядоченным сплавом А1хА120щ-х), расположенным вблизи интерфейса более или менее идеального окисла А120%.

В качестве метода расчета также использовалась техника неравновесных функций Грина, с той лишь разницей, что влияние примесного слоя учитывалось в приближении когерентного потенциала, которое также потребовало значительной модификации. Построенная с помощью численных методов расчета I-V характеристика системы действительно имеет весьма значительную асимметрию по отношению к изменению направления тока, хотя и не такую ярко выраженную, как для одиночной примеси. Однако понятно, что в случае одиночной примеси эффект носит локальный характер и мало скажется на усредненных характеристиках, которые имеют определяющее значение в практических применениях. В рассматриваемом же случае с примесным слоем мы сразу получаем усредненную I-V зависимость для вполне реалистичной структуры. Полученные результаты могут служить стимулом для создания туннельного диода, управляемого магнитным полем.

4. Предложенный в диссертации модифицированный вариант техники Келдыша является также готовым инструментом для весьма важной и активно исследуемой в настоящее время проблемы перемагничивания током (spin torque), решение которой послужило бы прорывом в создании магнитной оперативной памяти нового типа.

Результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Vedyayev A., Kanjouri F., Strelkov N., Dieny В.; Spatial distribution of current in magnetic tunnel junctions in presence of impurities in the barrier// XVIII International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces July 22 to 25 2003, Madrid, Book of abstracts p. 19

Выражаю благодарность Александру Борисовичу Грановскому за внимание и поддержку.

Благодарю всех сотрудников, аспирантов и студентов кафедры магнетизма за хорошее отношение и теплый прем в стенах университета.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Канджури Фарамарз, 2004 год

1. Prinz G. A., Magnetoelectronics Science, 1998, v. 282, p. 1660-1663

2. Julliere M., Tunneling between ferromagnetic film Phys. Lett. A, 1975, v. 54, p. 225-226

3. Babich M. N. et al, Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices. Phys. Rev. Lett., 1988, v. 61, 2472-2475

4. Binash G.,et al, Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange Phys. Rev. B, 1989, v. 39, p. 4828-4830

5. Slonczewski J. S., Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier Phys. Rev. B, 1989, v. 39, p. 6995-7002

6. Dieny В., Classical theory of giant magnetoresistance in spin-valve multilayers: influence of thicknesses, number of periods, bulk and interfacial spin-dependent scattering J. Phys. Cond. Matt., 1992, v. 4, p. 8009-8020.

7. Schad R., et al,Giant magnetoresistance in Fe/Cr superlattices with very thin Fe layers Appl. Phys. Lett., 1994, v. 64, p. 3500-3502

8. Camley R. E., Barnas, Theory of giant magnetoresistance effects in magnetic layered structures with antiferromagnetic coupling J. Phys. Rev. Lett., v. 63, p. 664-667

9. Barthelemya, Fert A., Theory of the magnetoresistance in magnetic multilayers: Analytical expressions from a semiclassical approach Phys. Rev. B, 1991, v. 43, p. 13124-13129

10. Hood R. Q., Falicov L. M., Boltzmann-equation approach to the negative magnetoresistance of ferromagneticljnormal-metal multilayers Phys. Rev. B, 1992, v. 46, p. 8287-8296

11. Levy P. M., Zang S., Fert A., Electrical conductivity of magnetic multilayered structures Phys. Rev. Lett., 1990, v. 65, p. 1643-1646

12. Levy P. M., Zang S., Fert A., Conductivity and magnetoresistance of magnetic multilayered structures Phys. Rev. B, 1992, v. 45, p. 86898702

13. Vedyayev A. V., Dieny В., Ryzhanova N., Quantum theory of giant magnetoresistance in spin-valve sandwiches Europh. Lett., 1992, v. 19, p. 329-335

14. Vedyayev A. V. et al, Quantum effects in the giant magnetoresistance of magnetic multilayered structures J. Phys.Cond.Matt., 1993, v. 5, p. 8289-8304

15. Comblong H. E., Levy P. M., Novel results for quasiclassical linear transport in metallic multilayers Phys. Rev. Lett., 1992, v. 69, p. 2835Ц2838

16. Miyazaki Т., Tezuka N., Giant magnetic tunneling effect in Fe/AhOs/Fe junction. J. Magn. Magn. Mater., 1995, v. 139, p. L231-L234

17. Moodera J.S., Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions Phys. Rev. Lett., 1995, v. 74, p. 3273-3276

18. Parkin S. S. P. et al, Exchange-biased magnetic tunnel junctions and application to nonvolatile magnetic random access memory. J. Appl. Phys., 1999, v. 85, p. 5828-5833

19. Tedrow P. M. and Meservey R., Spin Polarization of Electrons Tunneling from Films of Fe, Co, Ni, and Gd Phys. Rev. B, 1973, v. 7, p. 318-326

20. Meservey R. and Tedrow P. M., Spin-polarized electron tunneling Phys. Rep., 1994, v. 238, p. 173-243

21. LeClair P, Swagten H J M, Kohlhepp J T, van de Veerdonk R J M and de Jonge W J M, Apparent Spin Polarization Decay in Cu-Dusted Со/А12Ог/Со Tunnel Junctions Phys. Rev. Lett., 2000, v. 84, p. 29332936.

22. LeClair P, Kohlhepp J T, Swagten H J M and de Jonge W J M, Interfacial Density of States in Magnetic Tunnel Junctions Phys. Rev. Lett., 2001, v. 86, p. 1066-1069

23. LeClair P, Hoex B, Wieldraaijer H, Kohlhepp J T, Swagten H J M and de Jonge W J M, Sign reversal of spin polarization in Co/Ru/A1203/Co magnetic tunnel junctions Phys. Rev. B, 2001, v. 64, p. 100406:(l-4)

24. Cardosa S, Freitas P P, de Jesus C, Wei P and Soares J C, Spin-tunnel-junction thermal stability and interface interdiffusion above 300 °C. -Appl. Phys. Lett., 2000, v. 76, p. 610-612

25. Schmalhorst J., Bruckl H., Justus M., Thomas A., Reiss G., Vieth M., Gieres G. and Wecker J., Evolution of the dielectric breakdown in Co/AhOz/Co junctions by annealing J. Appl. Phys., 2001, v. 89, p. 586-589

26. Da Costa V., Tiusan C., Dimopoulos T. and Ounadjela K., Tunneling Phenomena as a Probe to Investigate Atomic Scale Fluctuations in Metal/Oxide/Metal Magnetic Tunnel Junctions Phys. Rev. Lett., 2000, v. 85, p. 876-879

27. Da Costa V., Henry Y., Bardou F., Romeo M. and Ounadjela K., Experimental evidence and consequences of rare events in quantum tunneling Eur. Phys. J. B, 2000, v. 13, p. 297-303

28. Jansen R., Moodera J. S., Influence of barrier impurities on the magnetoresistance in ferromagnetic tunnel junctions J. Appl. Phys., 1998, v. 83, p. 6682-6684

29. Jansen R. and Moodera J. S., Magnetoresistance in doped magnetic tunnel junctions: Effect of spin scattering and impurity-assisted transport Phys. Rev. B, 2000, v. 61, p. 9047-9050

30. Vedyayev A. V. et al, Resonant spin-dependent tunneling in spin-valve junctions in the presence of paramagnetic impurities Phys. Rev. B, 2001, v. 63, p. 064429: (1-13)

31. Bratkovsky A. M., Tunneling of electrons in conventional and half-metallic systems: Towards very large magnetoresistance. Phys. Rev. B, 1997, v. 56, p. 2344-2347

32. Bratkovsky A. M., Assisted tunneling in ferromagnetic junctions and half-metallic oxides Appl. Phys. Lett., 1998, v. 72, p. 2334-2336

33. Itoh H., Inoue J., Maekawa S. and Bruno P., Theory of tunnel conductance through a strongly disordered spacer J. Magn. Magn. Mater.,1999, v. 199, p. 545-547

34. Tsymbal E. Y. and Pettifor D. G., Spin-polarized electron tunneling across a disordered insulator Phys. Rev. B, 1998, v. 58, p. 432-437

35. Tsymbal E. Y. and Pettifor D. G., Importance of resonant effects in spin-polarized electron tunneling J. Magn. Magn. Mater., 1999, v. 198-199, p. 146-148

36. Tsymbal E. Y., Pettifor D.G., The influence of impurities within the barrier on tunneling magnetoresistance J. Appl. Phys., 1999, v. 85, p. 5801-5803

37. Jansen R., Lodder J. C., Resonant tunneling via spin-polarized barrier states in a magnetic tunnel junction J. Phys. Rev. B, 2000, v. 61, 5860-5863

38. Inoue J., Nishimura N. and Itoh H., Influence on tunnel magnetoresistance of spin configurations localized within insulators -Phys. Rev. B, 2002, v. 65, p. 104433: (1-6)

39. Levy P. M., Wang K. S., Dederichs P. H., Heide C., Zhang S. F. and Szunyogh L., Phil. Mag. B, 2002, v. 82, p. 763-769

40. Uiberacker C. and Levy P. M., Role of symmetry on interface states in magnetic tunnel junctions Phys. Rev. B, 2001, v.65, p. 169904: (1-4)

41. Bagrets D. et al, Influence of s-d interfacial scattering on the magnetoresistance of magnetic tunnel junctions Phys. Rev. B, 2002, v. 65, p. 064430: (1-19)

42. MacLaren J. M et al, Validity of the Julliere model of spin-dependent tunneling Phys. Rev. ВД997, v. 56, p. 11827-11832

43. Vedyayev A. V., Interpretation of the magnetoresistance in doped magnetic tunnel junctions Eur.Phys. J. B, 2002, v. 25, p. 5-10

44. Zhang X. Et al, Magnetoresistance and exchange coupling in a ferromagnetic tunnel junction with ferromagnetic layers of finite thickness Phys. Rev. B, 1998, v. 57, p. 1090-1096

45. Moodera J.S., Ferromagnetic-insulator-ferromagnetic tunneling: Spin-dependent tunneling and large magnetoresistance in trilayer junctions J. Appl. Phys., 1996, v. 79, p.4724-4729

46. Sun J. J., P. P. Freitas, Dependence of tunneling magnetoresistance on ferromagnetic electrode thickness and on the thickness of a Cu layer inserted at the A1203/CoFe interface J.Appl. Phys., 1999, v. 85, p.5264- 5266

47. Vedyayev A. V. et al, Resonance in tunneling through magnetic valve tunnel junctions Europh. Lett., 1997, v. 39, p. 219-224

48. Vedyayev A. V., Magnetoresistance of magnetic tunnel junctions in the presence of a nonmagnetic layer Phys. Rev. B, 2000, v. 61, p. 1366-1370

49. Zhang X., Spin-polarized tunneling and magnetoresistance in ferromagnet/insulator (semiconductor) single and double tunnel junctions subjected to an electric field Phys. Rev. B, 1997, v. 56, p. 5484-5488

50. Vedyayev A. V. et al, Giant tunnel magnetoresistance in multilayered metal/oxide structures comprising multiple quantum wells J. Phys.: Cond. Matt., 1998, v. 10, p. 5799-5805

51. Vedyayev A. V. et al, Voltage dependence of giant tunnel magnetoresistance in triple barrier magnetic systems J. Phys.: Gond. Matt., 2000, v. 12, p.1797-1804

52. Slonczewski J. S., Current-driven excitation of magnetic multilayers -J.M.M.M., 1996, v. 159, p. L1-L7

53. Berger L., Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current Phys.Rev. B, 1996, v. 54, p. 9353-9358

54. Berger L., New origin for spin current and current-induced spin precession in magnetic multilayers J. Appl. Phys., 2001, v. 89, p. 55215525

55. Zhang X. et al, Mechanisms of Spin-Polarized Current-Driven Magnetization Switching Phys. Rev. Lett., 2002, v. 88, p. 236601: (1-4)

56. Shpiro A., Self-consistent treatment of nonequilibrium spin torques in magnetic multilayers Phys. Rev. B, 2003, v. 67, p. 104430: (1-17)

57. Katine J.A. et al, Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-Wave Excitations in Со/Си/Со Pillars Phys. Rev. Lett., 2000, v. 84, p. 3149-3152

58. Myers E.B. et al, Point-contact studies of current-controlled domain switching in magnetic multilayers J. Appl. Phys., 2000, v. 87, p. 55025504

59. Schumacher H.W. et al, Quasiballistic Magnetization Reversal Phys. Rev. Lett., 2003, v. 90, p. 017204: (1-4)

60. Schumacher H.W. et al, Precessional switching of the magnetization in microscopic magnetic tunnel junctions J. Appl. Phys., 2003, v. 93, p. 7290-7294

61. Yaowen Liu J., Current-induced switching in low resistance magnetic tunnel junctions J. Appl. Phys., 2003, v. 93, p. 8385-8387

62. F. Montaigne et al, Enhanced tunnel magnetoresistance at high bias voltage in double-barrier planar junctions Appl. Phys. Lett., 1998, v. 73, p. 2829-2831

63. Келдыш JI. В.,Диаграммная техника для неравновесных процессов ЖЕТФ, 1964, т. 47, с. 1515-1527

64. Лифшиц Е.Н., Питаевский Л. П., Физическая кинетика (Серия: "Теоретическая физика", том X), издательство "наука", 1979 г. 528 с.

65. Zagoskin Alexander М., Quantum Theory of Many-Body System, Spinger (1998), 229p.

66. Rammer J., Smit H., Quantum field-theoretical methods in transport theory of metals Review of Modern Physics, 1986, v. 58, p. 323-359

67. Soven P., Coherent potential approximation of disordered substitutionalli alloys Phys. Rev., 1967, v. 156, p. 809-813

68. Ehrenrich H., Schwartz L. M., The electronic structure of alloys in book Solid State Physics, London, England: Academic Press, 1976, v. 31, p. 150-285

69. Вевяев А. В., Метод кргерентного потенциала в теории неупорядоченных сплавов Теор. и Мат. Физика, 31 392-404 (1977)

70. Nickel В. G., Krumhansl J. A., Self-Consistent average Green's function in random lattices: a generalized coherent-potential approximation and its diagramatic equivalents Phys. Rev. B, v. 4, p. 4354-4363

71. Тейлор Дж., Теория рассеяния. М.: Мир, 1975, 565 с.

72. Сунакова С., Квантовая Теория рассеяния. М.: Мир, 1975, 268 с.