GMR-i avastamine, välja töötamine ja tulevik: Nobeli preemia 2007

Referaadi autor: Ivo Romet

Juhendaja: Kaupo Kukli

Teaduslik taust

Esimesed uuringud magnetotakistusest magnetilises materjalis viidi läbi ligemale 150 aastat tagasi lord Kelvini poolt ja 40 aastat hiljem avastas J. J. Thomson elektroni. Kuigi mehhanism, mis vastutab anisotroopse magnetotakistuse (AMR) eest, erineb gigantsest magnetotakistusest (GMR), on siiski mõlemad tuletatud vastasmõjust, mis eksisteerib elektrone kandva voolu ja objekti magnetmomendi vahel.

Magnetism tuleneb ferromagneetikutes spinn-lõhenemise tsooni struktuurist (spin-split band structure), mida põhjustab elektronide vahetuse kvantmehhaaniline vastasmõju. Selle tulemuseks on spinn-polariseeritud tsooni struktuur, milles on erinevus spinniga üles (spin-up) ja spinniga alla (spin-down) suunatud elektronide arvu ja sellest tulenevalt  ka võrgustiku magneetumuse vahel.

AMR korral tuleneb elektroni spinn-orbitaalse sidestuse erinevus hajumise ristlõike erinevusest, kui elektroni voog on magnetiliselt rivistunud aatomitega risti. GMR aga põhineb spinnist sõltuval (spin-dependent) hajumisel, mida algselt uuriti mahu (bulk) ferromagnetilistes materjalides 1930-ndatel, mis olid omakorda põhjaks Ferti uuringutele 1970ndatel, milles uuriti just GMR nähtust.

GMR avaldub, kui on loodud magnetiline struktuur, mida saab muuta paralleelse ja mitteparalleelse orientatsiooni vahel – järelikult kõrge takistusega seisundist madala takistusega seisundisse. Esimese sõltumatu GMR-i jälgimise viisid läbi Grünberg ja Fert vastavalt Fe/Cr/Fe kolmik- ja multikihis.

Teekond Nobeli preemiani

1998. aastal peeti Le Creusot’is Rahvusvaheline magnetiliste kilede ja pindade konverents, millel esitasid oma eksperimentide tulemusi kõrge magnetotakistusega materjalis Fe/Cr/Fe nii Peter Grünberg kui ka Albert Fert. Peale tulemuste arutelu jõuti arusaamale, et jälgitud oli ühte ja sama efekti.

Peter Grünberg oli algselt spetsialiseerunud optilisele spektroskoopiale ja haruldastele muldmetallidele. 1972.aastal ühines ta vastselt loodud Magnetismi Instituudiga Jülchis, et uurida mahu (bulk) ja pinna spinnide laine omadusi haruldastel muldmetallidel baseeruvates magnetilistes pooljuhtides nagu EuO ja EuS. Eksperimendid viisid mitmete oluliste järeldusteni ning jõuti arusaamani, et Fabry-Perot-i interferomeetria ei ole piisav meetod eristamaks erinevaid sidestatuse tüüpe. Asuti uurima ferromagneetiliste kaksikkihtide sidestusi, tegeledes samaaegselt ka vahekihi paksuse nähtuste uurimisega Fe/Cr/Fe süsteemides. Mitmete uuringute tulemusel jõuti kunstliku antiferromagnetismi vahetusinteraktsiooni avastamiseni, kuid sarnaseid nähtusi täheldati samaaegselt ka haruldastel muldmetallidel põhinevates multikihilistes struktuurides Gd/Y ja Dy/Y. Lõpuks leiti, et kõigil neil juhtudel on vahetusinteraktsioon Ruderman-Kittle-Kasuya-Yosida sidestuse edasiarendus, mis on vastutav magneetilise korrastatuse eest haruldastes magnetilistes muldmetallides. Mitmed olulised ennustused ja teooriad said hiljem visualiseeritud, kasutades selleks erinevaid eksperimentaalseid tehnikaid, nagu näiteks Brillouini valguse hajumist, magneto-optilist Kerri efekti ja skaneeriva elektron mikroskoobi polarisatsiooni analüsaatorit.

Albert Fert alustas oma uuringuid spinnist sõltuva hajumise alal juba doktorikraadi omandamise raames. Selle kõige stiimuliks olid Motti teoreetilised ideed kahe spinni voolu mudelist, mis pärines 1930ndatest aastatest. Koos I. Campbelliga uurisid nad spinnist sõltuvat hajumist ferromagneetilistes materjalides ja detailselt spinnist sõltuvat hajumist lisanditel. Nad tõestasid, et elektronid spinniga üles ja alla käituvad kui kaks sõltumatut voolu juhtivat kanalit ja määratlesid sealjuures erinevad spinnhajuvuse ebasümmeetriad suure hulga lisandite jaoks. Lisaks pakkusid nad välja hulga erinevaid kolmekomponendilisi sulamite struktuure, milledesse Ni ja erineva ebasümeetriaga spinnidega lisandite lisamisel tekib spinnist sõltuv hajumine. Need ideed olid selgeks eelkäijaks GMR-ile, mille järgmiseks sammuks sai vajadus õhukeste metalliliste kilede järele, kuid millede kasvatusmeetodid endiselt veel lapseeas olid.

Kui õhukeste kilede kasvatamise meetodid täiustusid nii, et sai võimalikuks nanomõõtmetes kilede ja multikihtide kasvatamine hea täpsusega, muutus eksperimentaalseks reaalsuseks ka magnetmaterjalide kasvatamine. Kui Grünberg 1986. aastal oma töö antiferromagneetilisest sidestusest Fe/Cr/Fe kihtides avaldas, taipas Fert, et viimaks oli ta võimeline looma ja katsetama struktuure, mis võivad ilmutada spinnist sõltuvaid hajumise efekte. See kõik omakorda viiski GMR avastamiseni Fe/Cr/Fe struktuuriga multikihtides.

GMR rakendused

GMR-i avastamiseni ei viinud mitte tehnoloogiline nõudlus vaid hoopiski selle tormiline arendamine. Erinevalt paljudest teaduslikest avastustest, mille jaoks on otsistud või ennustatud rakendusi, langes GMR piltlikult meeleheitel ühiskonna kätte, mis janunes tundliku magnetotakistusliku sensori järele. See kõik viis GMR-i teoreetilise ja praktilise arendustegevuse rahvusvahelise plahvatuseni, mille eest vastutasid nii teaduslik kui ka tööstuslik sektor. Aastal 1997 ilmusid turule esimesed tööstuslikud kõvaketaste GMR lugemispead. Nüüd, kui GMR on juba välja arendatud tehnoloogia, leiavad need üha laiemat kasutust – oma koha on need leidnud ka juhumälude tööstuses.

Skemaatiline diagramm lugemise ja kirjutamise peast. Ära on toodud induktiiv kirjutuspea suhteline orientatsioon ja GMR element. Alumine skeem on detailne ülevaade tunnelventiil pea konstruktsioonist, kus on ära toodud ka Ta kontaktid ja (hard-bias)

GMR andmesalvestus

Alates GMR-i avastamisest on salvestustihedus kasvanud märgatavalt: 0.132 Gb/in² juurest rohkem kui 500 Gb/in².juurde. Ajal, mil GMR avastati, kasutasid mõlemad salvestuspea komponendid – nii lugemis- kui ka kirjutamispea – induktiivset tehnoloogiat. See induktiivne lugemismehhanism sai aga piiravaks faktoriks, kui oli vaja saavutada kõrgemaid andmetihedusi. Esimesed magnetotakistuslikud pead, mida 1990ndate alguses tutvustati, põhinesid siiski AMR materjalidel ja võimaldasid ainult 1-2 % magnetotakistuse väärtuse kasvu.

Välja on töötatud ja pakutud väga mitmesuguseid erineva põhimõttega lugemispäid, seda nii ehituse kui ka tööpõhimõtte seisukohast. CIP-GMR geomeetria, nagu nimigi, ütleb kasutab ära voolu, mis kulgeb tasandi sihis, CPP-GMR geomeetria aga voolu, mis on tasandi sihiga risti; TMR-GMR aga tunnelmagneetotakistust.

Nii CPP-GMR ja ka TMR-GMR efekte saab ära kasutada CPP peades olenemata nende mõlema eelistest ja puudustest. Need positiivsed ja negatiivsed nähtused on seotud enamasti takistuse pindala suuruse ja müraga signaalvoolus.

Edasisi täiustusi oleks võimalik saavutada kasutades nano-oksiidseid kihte, et piirata voolu läbivust vahekihtides. Magnetilise andmesalvestuse tehnoloogia tulevikusuundadeks on perpendikulaarne andmesalvestsu, termiliselt kaasaaidatud salvestamine ja mustrilised andmekandjad, kuid need kõik vajavad endiselt sarnaseid salvestuspäid. Siiski on raske ette kujutada lugemispead mõõtmetega alla 30 nm.

GMR sensorid

GMR sensorite edukas rakendamine kõvaketaste lugemispeades on avanud tee GMR sensoritele ka teiste rakenduste juurde, kus kiirus, suurus ja tundlikkus on olulised parameetrid. Näidetena võib välja tuua 100 μm suurusjärgus olevad ruumiliselt lahutatud pöörisvoolu detektorid, bioloogilised sensorid molekulide märgistamiseks, galvaanilised detektorid, liikluskorraldusseadmed, mootorite juhtimissüsteemid ja elektroonilised kompassid.

Skemaatiline diagramm võimalikust MRAM-i seadmest. Mälurakud on toodud magnetilise tunnel ühenduskohtade kohal koos kahe mälu seisundiga (paralleelse ja mitteparalleelsega). Bitid on koondatud ja ühendatud ridadesse nagu on näidatud „sõna“ liinide ja „biti“ liinidega. Ühe biti voolu saab lugeda ühendades vastavad võreliinid (liinid).

Magnetilised muutmälud

Lisaks suurele panusele, mida GMR on magnetiliste kõvaketaste salvestusseadmetele andnud, on tehtud suuri jõupingutusi arendamaks välja magnetilisi muutmälusid (MRAM), mis oleksid võimelised võistlema nii DRAM-i kui ka SRAM-iga. Magnetilistes muutmälu seadmetes on magnetilised tunnel-ühenduskohad (MTJ) nii salvestus kui ka lugemiselemendid: tüüpilise MRAM-i ehitus on toodud joonisel, kus numbrite 1 ja 0 seisundid on saavutatud MTJ kas paralleelse mittejoondunud või joondunud seisundi tulemusel.

Lõpetuseks

GMR-i ja sellega kaasas käiva mitteferromagnetilise sidestuse avastamine võimaldasid omandada uusi teadmisi elektronide transpordi ja magnetiliste omaduste kohta. Magnetmaterjalides toimuvatest mehhanismidest aru saamine, praktiline oskus neid valmistada ja karakteriseerida stimuleeris teadlaste loovust ja arusaamu magnetmaterjalidest. GMR-i arendamine oli ajendatud järeleandmatust nõudlusest andmesalvestusseadmete järgi, mille taga seisis tööstus. Tulemuseks oli reaalne objekt ja nanomõõtmeline seade – GMR sensor. Teekond sellese uude teadusharusse on toonud palju kasu ning üha uute ideede, võimaluste ja rakenduste avastamine ootab veel ees. Selge on see, et teadlased jätkavad uute magnetiliste materjalide välja töötamist ja loovad veelgi huvitavamaid viise, kuidas elektronide spinni ära kasutada.

Viited:

[1] S. M. Thompson. The discovery, development and future of GMR: The Nobel Prize 2007. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008)