CC BY
42
Магнитные туннельные структуры на основе манганитов
для устройств спинтроники
Никита Волков,
директор Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН, доктор физико-математических наук
Наличие спиновых степеней свободы у носителей заряда проявляется наиболее ярко, прежде всего в наноразмерных магнитных и гибридных структурах. Изучение отклика таких систем на протекание спин-поляризованного тока принесли в последние годы много интересных результатов, которые сделали весьма привлекательной идею использования спина электрона в качестве активного элемента для хранения, обработки и передачи информации [1, 2]. Сформировалось самостоятельное направление - спинтроника, которое охватывает и фундаментальные аспекты спин-зависимых явлений, и прикладные вопросы, связанные с созданием принципиально новых электронных устройств, построенных на возможности манипулировать спиновыми степенями свободы носителей заряда.
Сфера спинтроники постоянно расширяется за счет обнаружения новых явлений и создания новых материалов и структур, но на сегодняшний день можно считать, что ее основу составляют магни-торезистивный эффект и эффект переноса спина в многослойных магнитных структурах [3]. В первом случае магнитное поле используется для управления магнитным состоянием многослойной нано-
структуры, позволяя тем самым управлять поляризованным током через нее. Магни-торезистивные элементы, построенные на этом принципе, уже нашли свое применение в качестве магниторезистивных считывающих головок для дисков магнитной памяти и при построении оперативной памяти вычислительных машин.
В случае эффекта переноса спина (появление вращающего момента, действующего со стороны спинового тока на локальные магнитные моменты) появляется возможность манипулировать магнитным состоянием наноструктуры, используя поляризованный по спину транспортный ток. Данный эффект может вызвать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика с частотами, лежащими в СВЧ-диапазоне [4]. Она является источником излучения электромагнитных СВЧ-волн, частотой которых можно управлять при помощи тока и магнитного поля. По сути, можно вести речь о возможности создания генераторов СВЧ-диапазона, работающих на абсолютно новых принципах. Механизм переноса спина оказывается ответствен-
ным и за обратный эффект - генерацию постоянного напряжения на магнитном туннельном переходе при воздействии электромагнитного СВЧ-излучения [5]. И опять речь идет о принципиально новом механизме детектирования, в основе которого - взаимосвязь спиновой динамики и поляризованного тока в магнитных наноструктурах.
Описанные эффекты в полной мере проявляются в магнитных туннельных структурах, представляющих собой магнитные металлические слои, разделенные диэлектриком. Не случайно такие структуры рассматриваются как обладающие огромным прикладным потенциалом, который далеко не исчерпан. Новые подходы позволяют обнаружить принципиально новые явления, которые могут быть перспективны для устройств спинтроники. Среди новых подходов, использованных нами, - отклик магнитных туннельных структур на воздействие электромагнитного излучения СВЧ и оптического диапазонов и использование геометрии, при которой ток течет в плоскости структуры.
Рис. 1. a) Магнитная туннельная структура в геометрии «ток в плоскости» структуры (ТВП гео-метрия); б)эквивалентная электрическая схема
Технология получения магнитной туннельной структуры на основе манганита
В сфере нашего внимания - структура, сформированная на основе манганита. Интерес к применению данного материала обусловлен наличием целого ряда уникальных свойств: высокие спиновая поляризация (достигающая 100%) и температура Кюри; хорошо отработанная технология получения; высокая химическая стабильность и устойчивость к внешним воздействиям. Все это делает его потенциально интересным для практических приложений в элементах устройств спинтроники.
Туннельная структура была приготовлена методом импульсного лазерного напыления на подложке SiO2 (001), куда последовательно наносились слои Si и La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). Затем она отжигалась в кислородной атмосфере. В результате состав слоев структуры (рис. 1а) оказывается следующим: нижний слой (FM2) - моносилицид марганца MnSi c толщиной ~10 нм; верхний слой (FM1) - пленка LSMO с толщиной до 100 нм; на границе раздела (Insulator) - слой манганита с недостатком марганца LSM1-6O толщиной до 5 нм. Такой состав сформировался благодаря большому коэффициенту диффузии Mn в Si [6]. Образующийся слой LSM1-6O оказывается диэлектриком и играет роль потенциального барьера между электродами MnSi и LSMO. Что касается нижнего слоя, то известно, что MnSi об-
ладает металлическим типом проводимости и имеет температуру перехода в ФМ состояние ~ 30 К [7], что подтверждается магнитными измерениями структуры.
Традиционно для наблюдения эффектов спин-зависимого транспорта в магнитных туннельных структурах используется геометрия, при которой ток перпендикулярен плоскости (ТПП) структуры. Это наиболее естественная геометрия при исследовании многослойных структур. Вместе с тем хорошо известны примеры использования геометрии, при которой ток пропускается параллельно границам интерфейсов. Это так называемый «ток в плоскости» (ТВП). Так, в многослойных вентильных гетероструктурах «ФМ металл/нормальный металл» эффект гигантского магнитосопротивления проявляется и в ТПП, и в ТВП геометрии [1]. Использование первой иногда является более предпочтительным и с практической точки зрения, например, в гибридных полупроводниковых структурах, объединяющих ФМ элементы и элементы традиционной полупроводниковой электроники, для которых используется планарная технология. Кроме того, вполне ожидаемы новые проявления электронного транспорта в магнитных туннельных структурах при протекании тока вдоль слоев структуры.
На примере гипотетической магнитной туннельной структуры, которая состоит из двух ФМ проводящих слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика (рис. 1), рассмотрим возможные сценарии электронного транспорта в структуре в ТВП геометрии. Поскольку токовые контакты нанесены на верхний проводящий слой (FM1), а нижний (FM2) отделен потенциальным барьером (Insulator), естественно предположить, что ток будет течь по верхнему электроду, и все транспортные свойства будут определяться свойствами верхней пленки. Если принять теперь, что сопротивление верхнего слоя RFMf существенно выше сопротивления нижнего R„„ (R << R„.J, то может реа-
FM2 v FM2 FM1'' г
лизоваться другой сценарий. При малых напряжениях на структуре ток течет по верхнему слою, но по мере увеличения напряжения на токовых контактах V на туннельных переходах под контактами возникнет напряжение смещения VT. Уве-
личение последнего ведет к уменьшению сопротивления туннельных переходов Rv и когда RTстановится меньше, чем сопротивление верхней пленки RFM1, происходит переключение токового канала. Ток, главным образом, начинает течь по нижнему слою структуры. При этом следует ожидать резкого изменения вольтамперных характеристик (ВАХ) структуры.
Описываемый сценарий в полной мере соответствует полученной нами структуре LSMO/LSM1_sO/MnSi [8-10]. Обратимся сначала к рассмотрению нелинейных свойств. ВАХ структуры имеют начальный, почти линейный участок. При некоторой критической величине тока !а происходит резкое изменение наклона зависимостей (рис. 2). Объясняется это следующим образом. При малых значениях ! наблюдается линейная зависимость V(!), что характерно для манганита. Увеличение ! приводит к возникновению напряжения смещения Vт (ут<< V) на туннельных переходах под токовыми контактами и связанного с ним увеличения туннельного тока !т через потенциальный барьер, разделяющт ий верхний и нижний слои структуры. В результате при ! >!й ток начинает преимущественно течь по слою MnSi, сопротивление которого RS мало по сравнению с сопротивлением пленки манганита R Аппроксимация экспериментальных ВАХ в рамках эквивалентной схемы (рис. 1б) с использованием формулы Симмонса для туннельного тока !т дала удовлетворительные результаты, которые в полной мере согласуется с данными о составе структуры [10, 11].
Переключение токовых каналов, управляемое магнитным полем, магниторезистивный эффект
Исследование ВАХ структуры в магнитном поле показало, что при Т> 30 К влияние поля наблюдается только для токов ! <!Действие Н в этой области полностью определяется магниторези-стивными свойствами пленки манганита. Магнитосопротивление имеет отрицательный знак, и его величина не зависит от величины измерительного тока, что характерно для материалов манганитов. При ! <!й происходит эффект переключения,
J_.__._L
■100 -SO О SO 100 '(мА)
Рис. 2. ВАХ магнитной туннельной структуры в геометрии «ток в плоскости»
и ток начинает преимущественно течь по нижнему слою структуры. Поскольку MnSi не обладает заметной величиной магни-тосопротивления, а ток через туннельные переходы при Т > 30 К не зависит от Н , магниторезистивный эффект при I > I не наблюдается. При Т< 30 в слое MnSi возникает ФМ порядок, и структура представляет собой уже магнитный туннельный переход, и ток через такой переход будет зависеть от взаимной ориентации намаг-ниченностей М.. и Мс в слоях LSM0 и MnSi
М о
соответственно. Рис. 3а демонстрирует, что ниже 30 К эффект отрицательного магнитосопротивления для I < Iй сохраняется, но дополнительно обнаруж ивается сильное влияние Н и на участке ВАХ, соответствующему I > I Так, для Т = 10 К уже в поле 50о Э ВАх" становится практически линейной (рис. 3б, в). Это можно интерпретировать как обратное переключение токового канала из нижнего в верхний слой структуры за счет уменьшения туннельного тока в магнитном поле.
Таким образом, обнаруживается несколько возможностей управлять переключением токовых каналов в магнитной туннельной структуре в ТВП геометрии. Ток смещения приводит к переключению токового канала из верхнего в нижний слой структуры, а внешнее магнитное поле - к обратному переключению. Последнее определяет эффект положительного магнитосопротивления в магнитной туннельной структуре с абсолютно новым механизмом, который ранее никем не рассматривался. Величина магнитосо-противления может достигать 350%, и насыщения эффекта в описываемых экспериментах не наблюдалось (рис. 3г).
Рассматривая вопрос зависимости туннельного тока от взаимной ориентации намагниченностей ФМ электродов, можно предположить, что ферромагнетики в описываемом случае относятся к разным типам. У LSMO на уровне Ферми преобладают электронные состояния, с параллельным направлением спина по отношению к намагниченности ферромагнетика, а MnSi - с антипараллельным. Это предположение, в принципе, подтверждается расчетами плотности электронных состояний [12]. Только для комбинации различных типов ферромагнетиков со-
противление перехода будет больше при параллельной ориентации намагниченно-стей электродов, чем при антипараллельной [13]. В отсутствие магнитного поля благодаря магнитостатическому взаимодействию ММ и МЬ ориентированы анти-параллельно, сопротивление туннельного перехода минимально, и при I > Iш ток в структуре течет по нижнему слою. Магнитное поле стремится ориентировать ММ и МЬ параллельно, сопротивление перехода увеличивается и становится больше, чем Яи, ток даже при I > Iй начинает течь преимущественно по верхнему слою структуры, V-I характеристика которого линейна.
Обнаруженный новый механизм маг-нитосопротивления в магнитной туннельной структуре в геометрии «ток в плоскости» позволил нам предложить принципиально новый магниторезистивный элемент для практических приложений [14].
Детектирующие свойства туннельных контактов на основе манганитов
Исследования детектирующих туннельных контактов в различных частотных диапазонах позволили заключить, что проявляемая нелинейность связана исключительно с механизмом тунне-лирования электронов через потенциальный барьер между двумя металлами [15]. В случае магнитных туннельных структур обнаруживаются принципиально новые проявления отклика на воздействие СВЧ-поля. Для них может реали-зовываться механизм детектирования СВЧ-тока, в основе которого лежит взаимосвязь спин-зависимого электронного транспорта и спиновой динамики. Фактически появляется
возможность создавать СВЧ-детекторы с селективной чувствительностью, управляемой магнитным полем. Впервые это было продемонстрировано в оригинальной работе [16]. Приведем результаты исследований детектирующих свойств в СВЧ-диапазоне структуры LSMO/LSM1-бO/MnSi.
Схема эксперимента приведена на рис. 4. Структура помещалась внутрь прямоугольного СВЧ-резонатора (ТЕ102 мода), работающего на частоте 10 ГГц, в пучность магнитного СВЧ-поля. Геометрия эксперимента такова, что СВЧ-поле "ас, с одной стороны, может возбуждать магнитный резонанс в слоях структуры, с другой, индуцирует СВЧ-ток в плоскости структуры. В эксперименте применялась методика с модуляцией СВЧ-излучения и с использованием схемы синхронного детектирования. Электрическая схема также позволяла подавать постоянный ток смещения ^
Структура обнаруживает эффект детектирования, а при температурах ниже 30 К величина выпрямленного напряжения V зависит от величины внешнего магнит-
Рис. 3. а) температурная зависимость сопротивления при двух токах смещения выше и ниже критического Iй; б) ВАХ без магнитного поля и в полях 1 и 10 кЭ; в) зависимость сопр отивления от магнитного поля при различных температурах; г) зависимость магнитосопротивления ТМИ от тока смещения
ного поля (рис. 5а). Величина напряжения и характер зависимости эффекта от магнитного поля в сильной степени зависят от тока смещения через структуру. Максимальная величина эффекта и наиболее сильные изменения в магнитном поле имеют место при определенной величине тока смещения !с, при которой наблюдается наибольшая нелинейность ВАХ (рис. 3б). При отстройке !с в области более гладких участков ВАХ величина эффекта детектирования уменьшается, при нулевом смещении эффект детектирования отсутствует. По всей видимости, именно нелинейность ВАХ определяет детектирующие свойства исследуемой структуры. Зависимость же от магнитного поля возникает вследствие изменения ВАХ в магнитном поле: по мере увеличения поля зависимость становится все более гладкой, стремясь к линейной. Как следствие, эффект детектирования ослабляется по мере увеличения поля. Таким образом, в данном случае работает тот же механизм детектирования, что и в «классических» (немагнитных) туннельных контактах, хотя именно зависимость сопротивления маг-
нитного туннельного перехода от магнитного поля определяет изменение ВАХ.
Приведенные выше результаты были получены при температурах около Т = 30 К, что соответствует температуре перехода нижнего проводящего слоя структуры в ФМ состояние. Это обстоятельство определяет относительно слабую зависимость ВАХ структуры от магнитного поля. Казалось бы, при понижении температуры должны наблюдаться более резкие зависимости эффекта от поля в более слабых магнитных полях. Как мы могли видеть (рис. 3б), при Т = 10 К ВАХ становится почти линейной уже в полях порядка Н = 1 кЭ. Это находит отражение в поведении эффекта детектирования - выше 1 кЭ он практически не наблюдается (рис. 5в).
При определенных условиях для рассматриваемой структуры в геометрии «ток в плоскости» возможна реализация механизма, основанного на взаимосвязи спин-поляризованного тока и спиновой динамики. В пользу этого может свидетельствовать, например, наблюдаемый магнитозависимый эффект детектирования при токе смещения ! = 60 мкА
Рис. 4. Блок-схема установки и геометрия эксперимента для исследования магнитоуправляе-мого эффекта детектирования. В нижней части рисунка - вид на образец сверху; Н - магнитное поле, Ь1С и - высокочастотное магнитное поле и высокочастотный поверхностный ток.
Рис. 5. а) Рависимость детектированного напряжения V с от магнитного поля Н при различных токах смещения Т = 30 К;
б) ВАХ структуры без магнитного поля и в поле 5 кЭ, Т = 30 К;
в) как функция Н при Т = 10 К, 1^= 20 мкА;
г) У^как функция Н при Т = 10 К, 1С= 60 мкА
(рис. 5г). В поле Н = 1 кЭ ВАХ становится гладкой (близкой к линейной) и перестает изменяться при дальнейшем повышении поля. Учитывая предложенный нами механизм, СВЧ-отклик наблюдаться не должен. Тем не менее в полях выше 1 кЭ сигнал есть. Высокий уровень шума мы можем отнести к особенностям, связанным с «работой» магнитных туннельных переходов при геометрии включения структуры «ток в плоскости».
Влияние оптического облучения на транспортные свойства магнитной туннельной структуры на основе материала манганита
Поиск новых путей управления магни-тотранспортными свойствами магнитной туннельной структуры стимулировал исследования фотоэлектрического отклика магнитной туннельной структуры на основе манганита LSMO/LSM1-бO/MnSi в геометрии «ток в плоскости» [10, 17].
Фотоиндуцированные изменения транспортных свойств структуры в планар-ной геометрии носят обратимый характер и имеют тенденцию к насыщению с увеличением мощности оптического излучения.Типичный вид изменений ВАХ при воздействии оптического излучения показан на рис. 6а. Здесь демонстрируется изменение оптического излучения фотоиндуци-рованного изменения напряжения на структуре. Зависимость магниторезистивного эффекта структуры от мощности оптического излучения показана на рис. 6 г. Хорошо видно, что фотоиндуцирован-ные изменения быстро выходят на насыщение при относительно малых значениях оптической мощности и не меняются при дальнейшем ее увеличении. Это
позволяет говорить о том, что наблюдаемые процессы не связаны с тривиальным нагревом структуры за счет поглощения света. Об этом же свидетельствует спектральная зависимость фотоэлектрического эффекта (рис. 7а). Зависимость имеет пороговый характер, изменения транспортных свойств наблюдаются только для оптического излучения с энергией кванта выше фу)"- 1.05 эВ. Анализ спектральных зависимостей позволяет сделать заключение, что фотоэлектрический эффект связан с межзонным поглощением света в диэлектрической прослойке структуры с образованием электрон-дырочной пары (рис. 7б) [10].
Итак, межзонное поглощение света с образованием электрон-дырочной пары в диэлектрическом слое обеспечивает дополнительный вклад (помимо туннельного) от фотогенерированных носителей в полный ток через переход. При этом фотоотклик от структуры в геометрии «ток в плоскости» не связан напрямую с генерацией фотопотенциала на туннельном переходе,
как это можно было бы ожидать для одиночного туннельного контакта в стандартной геометрии «ток перпендикулярен плоскости» структуры. Свет способствует увеличению тока через туннельные контакты, управляя тем самым перераспределением последнего между верхним и нижним слоями структуры. Действие света в магнитном поле и вне его приводит к переключению из верхнего, низкопроводящего, слоя в нижний, высокопроводящий, что происходит уже при малых значениях тока смещения I. Соответственно, ветвь ВАХ после такого переключения идет гораздо ниже (соответствует меньшим значениям V) по сравнению со случаем, когда оптическое излучение отсутствует. Такое изменение наглядно проявляется на ВАХ для P > 30 мВт/cm2, когда фотоиндуцированные изменения выходят на насыщение, то есть система находится в стационарном состоянии. Поскольку эффект магнитосопротивления в нашем случае определяется сопротивлением туннельных переходов, разделяющих слои структуры, и его зависимостью от
Рис. 6. а) ВАХи структуры; показаны зависимости без облучения при Н = 0 и Н = 1 кОе и зави-симости при разных мощностях оптического воздействия в магнитном поле; б) Фотоиндуцированное изменение напряжения на структуре в зависимости от мощности оптического излучения; в) Фотоиндуцированное изменение магниторезистивного эффекта в зависимости от мощности
Рис. 7. а) Спектральная зависимость фотоиндуци-рованных изменений АУ^ при Т = 15 К и Т = 25 К; б) Схематическая диаграмма туннельного перехода; наряду с туннельным током 1Т при оптическом облучении возникает фототок I^ обусловленный генерацией электрон-дырочных пар при межзонном поглощении в диэлектрическом слое
магнитного поля, а фотоиндуцированный ток через переход фактически «шунтирует» это сопротивление, то очевидно, что при облучении величина магниторезистивного эффекта должна падать, что и наблюдается во время эксперимента.
Сложный характер ВАХ при мощностях оптического излучения Р > 30 мВт/ст2 можно отнести к особенностям процессов генерации и релаксации электронно-дырочных пар в системе, находящейся в сильно термодинамически неравновесном состоянии.
Говорить о широком практическом применении магнитных туннельных структур на основе манганитов пока не приходится, но приведенные результаты убедительно показывают, что потенциал таких структур далеко не исчерпан и они еще внесут существенный вклад в решение фундаментальных и практических задач спинтроники. Мы продемонстрировали, что новые подходы могут привести к обнаружению новых проявлений спин-поляризованного транспорта. Использование геометрии «ток в плоскости» привело к обнаружению эффекта переключения токовых каналов и магнито-резистивного эффекта нового типа. Исследование спин-поляризованного транспорта в условиях воздействия электромагнитного излучения показало, что структура может работать как СВЧ-детектор, управляемый магнитным полем, а излучение оптического диапазона позволяет управлять туннельным магниторезистивным эффектом. ■
Литература
1. Fert A. УФН 178 1336. 2008.
2. Grunberg P. УФН 178 1349. 2008.
3. Ralph D.C., Stiles M. D. J. Magn. Magn. Mater. 320 7. 2008.
4. Kiselev S.I et al. Nature 425 380. 2003.
5. Suzuki Y., Kubota H. J. Phys. Soc. Jpn. 77 031002. 2008.
6. Ctistis G. et al. Phys. Rev. B 71 035431. 2005.
7. Ishikawa Y.,Shirane G., Tarvin J.A. Phys. Rev. B 16 4956.1977.
8. Volkov N.V. et al. J. Phys. D: App. Phys. 42 065005. 2009.
9. Вол ков Н.В . и др. ПЖТФ 35 33. 2009.
10. Volkov N.V. et al. J. Phys. D: App. Phys. 42 205009. 2009.
11. Simmons J.G. J. App. Phys. 34 238. 1963.
12. Mahbude H. et al. Phys. Rev. B 74 205305. 2006.
13. Mitra C. et al. Phys. Rev. Lett. 90 017202. 2003.
14. Волков Н.В. и др. Патент РФ № 2392697. Бюл. №17, 20.06.2010.
15. Faris S.M. and Gustafson T. K. App. Phys. Lett. 25 544. 1974.
16. Tulapurkar A.A. et al. Nature (London) 438 339. 2005.
17. Volkov N.V. et al. JMMM 324 3579. 2012.
