{"id":27145,"date":"2012-04-30T19:32:58","date_gmt":"2012-04-30T16:32:58","guid":{"rendered":"http:\/\/www.fyysika.ee\/uudised\/?p=27145"},"modified":"2012-04-30T19:32:58","modified_gmt":"2012-04-30T16:32:58","slug":"gmr-i-avastamine-valja-tootamine-ja-tulevik-nobeli-preemia-2007","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.fyysika.ee\/?p=27145","title":{"rendered":"GMR-i avastamine, v\u00e4lja t\u00f6\u00f6tamine ja tulevik: Nobeli preemia 2007"},"content":{"rendered":"

Referaadi autor: Ivo Romet<\/strong><\/p>\n

Juhendaja: Kaupo Kukli<\/strong><\/p>\n

Teaduslik taust<\/h2>\n

Esimesed uuringud magnetotakistusest magnetilises materjalis viidi l\u00e4bi ligemale 150 aastat tagasi lord Kelvini poolt ja 40 aastat hiljem avastas J. J. Thomson\u00a0elektroni. Kuigi mehhanism, mis vastutab anisotroopse magnetotakistuse (AMR) eest, erineb gigantsest magnetotakistusest (GMR), on siiski m\u00f5lemad tuletatud vastasm\u00f5just, mis eksisteerib elektrone kandva voolu ja objekti magnetmomendi vahel.<\/p>\n

Magnetism tuleneb ferromagneetikutes spinn-l\u00f5henemise tsooni struktuurist (spin-split band structure)<\/em>, mida p\u00f5hjustab elektronide vahetuse kvantmehhaaniline vastasm\u00f5ju. Selle tulemuseks on spinn-polariseeritud tsooni struktuur, milles on erinevus spinniga \u00fcles (spin-up)<\/em> ja spinniga alla (spin-down)<\/em> suunatud elektronide arvu ja sellest tulenevalt \u00a0ka v\u00f5rgustiku magneetumuse vahel.<\/p>\n

AMR korral tuleneb elektroni spinn-orbitaalse sidestuse erinevus hajumise ristl\u00f5ike erinevusest, kui elektroni voog on magnetiliselt rivistunud aatomitega risti. GMR\u00a0aga p\u00f5hineb spinnist s\u00f5ltuval (spin-dependent)<\/em> hajumisel, mida algselt uuriti mahu (bulk)<\/em> ferromagnetilistes materjalides 1930-ndatel, mis olid omakorda p\u00f5hjaks Fert<\/em>i uuringutele 1970ndatel, milles uuriti just GMR n\u00e4htust.<\/p>\n

GMR avaldub, kui on loodud magnetiline struktuur, mida saab muuta paralleelse ja mitteparalleelse orientatsiooni vahel – j\u00e4relikult k\u00f5rge takistusega seisundist madala takistusega seisundisse. Esimese s\u00f5ltumatu GMR-i j\u00e4lgimise viisid l\u00e4bi Gr\u00fcnberg ja Fert vastavalt Fe\/Cr\/Fe kolmik- ja multikihis.<\/p>\n

Teekond Nobeli preemiani<\/h2>\n

1998. aastal peeti Le Creusot’is Rahvusvaheline magnetiliste kilede ja pindade konverents, millel esitasid oma eksperimentide tulemusi k\u00f5rge magnetotakistusega materjalis Fe\/Cr\/Fe nii Peter Gr\u00fcnberg kui ka Albert Fert. Peale tulemuste arutelu j\u00f5uti arusaamale, et j\u00e4lgitud oli \u00fchte ja sama efekti.<\/p>\n

Peter Gr\u00fcnberg<\/strong> oli algselt spetsialiseerunud optilisele spektroskoopiale ja haruldastele muldmetallidele. 1972.aastal \u00fchines ta vastselt loodud Magnetismi Instituudiga J\u00fclchis, et uurida mahu (bulk)<\/em> ja pinna spinnide laine omadusi haruldastel muldmetallidel baseeruvates magnetilistes pooljuhtides nagu EuO ja EuS. Eksperimendid viisid mitmete oluliste j\u00e4reldusteni ning j\u00f5uti arusaamani, et Fabry-Perot-i interferomeetria ei ole piisav meetod eristamaks erinevaid sidestatuse t\u00fc\u00fcpe. Asuti uurima ferromagneetiliste kaksikkihtide sidestusi, tegeledes samaaegselt ka vahekihi paksuse n\u00e4htuste uurimisega Fe\/Cr\/Fe s\u00fcsteemides. Mitmete uuringute tulemusel j\u00f5uti kunstliku antiferromagnetismi vahetusinteraktsiooni avastamiseni, kuid sarnaseid n\u00e4htusi t\u00e4heldati samaaegselt ka haruldastel muldmetallidel p\u00f5hinevates multikihilistes struktuurides Gd\/Y ja Dy\/Y. L\u00f5puks leiti, et k\u00f5igil 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 n\u00e4iteks Brillouini valguse hajumist, magneto-optilist Kerri efekti ja skaneeriva elektron mikroskoobi polarisatsiooni anal\u00fcsaatorit.<\/p>\n

Albert Fert<\/strong> alustas oma uuringuid spinnist s\u00f5ltuva hajumise alal juba doktorikraadi omandamise raames. Selle k\u00f5ige stiimuliks olid Motti teoreetilised ideed kahe spinni voolu mudelist, mis p\u00e4rines 1930ndatest aastatest. Koos I. Campbelliga uurisid nad spinnist s\u00f5ltuvat hajumist ferromagneetilistes materjalides ja detailselt spinnist s\u00f5ltuvat hajumist lisanditel. Nad t\u00f5estasid, et elektronid spinniga \u00fcles ja alla k\u00e4ituvad kui kaks s\u00f5ltumatut voolu juhtivat kanalit ja m\u00e4\u00e4ratlesid sealjuures erinevad spinnhajuvuse ebas\u00fcmmeetriad suure hulga lisandite jaoks. Lisaks pakkusid nad v\u00e4lja hulga erinevaid kolmekomponendilisi sulamite struktuure, milledesse Ni ja erineva ebas\u00fcmeetriaga spinnidega lisandite lisamisel tekib spinnist s\u00f5ltuv hajumine. Need ideed olid selgeks eelk\u00e4ijaks GMR-ile, mille j\u00e4rgmiseks sammuks sai vajadus \u00f5hukeste metalliliste kilede j\u00e4rele, kuid millede kasvatusmeetodid endiselt veel lapseeas olid.<\/p>\n

Kui \u00f5hukeste kilede kasvatamise meetodid t\u00e4iustusid nii, et sai v\u00f5imalikuks nanom\u00f5\u00f5tmetes kilede ja multikihtide kasvatamine hea t\u00e4psusega, muutus eksperimentaalseks reaalsuseks ka magnetmaterjalide kasvatamine. Kui Gr\u00fcnberg 1986. aastal oma t\u00f6\u00f6 antiferromagneetilisest sidestusest Fe\/Cr\/Fe kihtides avaldas, taipas Fert, et viimaks oli ta v\u00f5imeline looma ja katsetama struktuure, mis v\u00f5ivad ilmutada spinnist s\u00f5ltuvaid hajumise efekte. See k\u00f5ik omakorda viiski GMR avastamiseni Fe\/Cr\/Fe struktuuriga multikihtides.<\/p>\n

GMR rakendused<\/h2>\n

GMR-i avastamiseni ei viinud mitte tehnoloogiline n\u00f5udlus vaid hoopiski selle tormiline arendamine. Erinevalt paljudest teaduslikest avastustest, mille jaoks on otsistud v\u00f5i ennustatud rakendusi, langes GMR piltlikult meeleheitel \u00fchiskonna k\u00e4tte, mis janunes tundliku magnetotakistusliku sensori j\u00e4rele. See k\u00f5ik viis GMR-i teoreetilise ja praktilise arendustegevuse rahvusvahelise plahvatuseni, mille eest vastutasid nii teaduslik kui ka t\u00f6\u00f6stuslik sektor. Aastal 1997 ilmusid turule esimesed t\u00f6\u00f6stuslikud k\u00f5vaketaste GMR lugemispead. N\u00fc\u00fcd, kui GMR on juba v\u00e4lja arendatud tehnoloogia, leiavad need \u00fcha laiemat kasutust – oma koha on need leidnud ka juhum\u00e4lude t\u00f6\u00f6stuses.<\/p>\n

\n
\"\"<\/a>

Skemaatiline diagramm lugemise ja kirjutamise peast. \u00c4ra on toodud induktiiv kirjutuspea suhteline orientatsioon ja GMR element. Alumine skeem on detailne \u00fclevaade tunnelventiil pea konstruktsioonist, kus on \u00e4ra toodud ka Ta kontaktid ja (hard-bias)<\/p><\/div>\n

GMR andmesalvestus<\/h3>\n

Alates GMR-i avastamisest on salvestustihedus kasvanud m\u00e4rgatavalt: 0.132 Gb\/in2<\/sup> juurest rohkem kui 500 Gb\/in2<\/sup>.juurde. Ajal, mil GMR avastati, kasutasid m\u00f5lemad salvestuspea komponendid – nii lugemis- kui ka kirjutamispea – induktiivset tehnoloogiat. See induktiivne lugemismehhanism sai aga piiravaks faktoriks, kui oli vaja saavutada k\u00f5rgemaid andmetihedusi. Esimesed magnetotakistuslikud pead, mida 1990ndate alguses tutvustati, p\u00f5hinesid siiski AMR materjalidel ja v\u00f5imaldasid ainult 1-2 % magnetotakistuse v\u00e4\u00e4rtuse kasvu.<\/p>\n

V\u00e4lja on t\u00f6\u00f6tatud ja pakutud v\u00e4ga mitmesuguseid erineva p\u00f5him\u00f5ttega lugemisp\u00e4id, seda nii ehituse kui ka t\u00f6\u00f6p\u00f5him\u00f5tte seisukohast. CIP-GMR geomeetria, nagu nimigi, \u00fctleb kasutab \u00e4ra voolu, mis kulgeb tasandi sihis, CPP-GMR geomeetria aga voolu, mis on tasandi sihiga risti; TMR-GMR aga tunnelmagneetotakistust.<\/p>\n

Nii CPP-GMR ja ka TMR-GMR efekte saab \u00e4ra kasutada CPP peades olenemata nende m\u00f5lema eelistest ja puudustest. Need positiivsed ja negatiivsed n\u00e4htused on seotud enamasti takistuse pindala suuruse ja m\u00fcraga signaalvoolus.<\/p>\n

Edasisi t\u00e4iustusi oleks v\u00f5imalik saavutada kasutades nano-oksiidseid kihte, et piirata voolu l\u00e4bivust vahekihtides. Magnetilise andmesalvestuse tehnoloogia tulevikusuundadeks on perpendikulaarne andmesalvestsu, termiliselt kaasaaidatud salvestamine ja mustrilised andmekandjad, kuid need k\u00f5ik vajavad endiselt sarnaseid salvestusp\u00e4id. Siiski on raske ette kujutada lugemispead m\u00f5\u00f5tmetega alla 30 nm.<\/p>\n

GMR sensorid<\/h3>\n

GMR sensorite edukas rakendamine k\u00f5vaketaste lugemispeades on avanud tee GMR sensoritele ka teiste rakenduste juurde, kus kiirus, suurus ja tundlikkus on olulised parameetrid. N\u00e4idetena v\u00f5ib v\u00e4lja tuua 100 \u03bcm suurusj\u00e4rgus olevad ruumiliselt lahutatud p\u00f6\u00f6risvoolu detektorid, bioloogilised sensorid molekulide m\u00e4rgistamiseks, galvaanilised detektorid, liikluskorraldusseadmed, mootorite juhtimiss\u00fcsteemid ja elektroonilised kompassid.<\/p>\n

\n
\"\"<\/a>

Skemaatiline diagramm v\u00f5imalikust MRAM-i seadmest. M\u00e4lurakud on toodud magnetilise tunnel \u00fchenduskohtade kohal koos kahe m\u00e4lu seisundiga (paralleelse ja mitteparalleelsega). Bitid on koondatud ja \u00fchendatud ridadesse nagu on n\u00e4idatud \u201es\u00f5na\u201c liinide ja \u201ebiti\u201c liinidega. \u00dche biti voolu saab lugeda \u00fchendades vastavad v\u00f5reliinid (liinid).<\/p><\/div>\n

Magnetilised muutm\u00e4lud<\/h3>\n

Lisaks suurele panusele, mida GMR on magnetiliste k\u00f5vaketaste salvestusseadmetele andnud, on tehtud suuri j\u00f5upingutusi arendamaks v\u00e4lja magnetilisi muutm\u00e4lusid (MRAM), mis oleksid v\u00f5imelised v\u00f5istlema nii DRAM-i kui ka SRAM-iga. Magnetilistes muutm\u00e4lu seadmetes on magnetilised tunnel-\u00fchenduskohad (MTJ) nii salvestus kui ka lugemiselemendid: t\u00fc\u00fcpilise MRAM-i ehitus on toodud joonisel, kus numbrite 1 ja 0 seisundid on saavutatud MTJ kas paralleelse mittejoondunud v\u00f5i joondunud seisundi tulemusel.<\/p>\n

L\u00f5petuseks<\/h2>\n

GMR-i ja sellega kaasas k\u00e4iva mitteferromagnetilise sidestuse avastamine v\u00f5imaldasid 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 j\u00e4releandmatust n\u00f5udlusest andmesalvestusseadmete j\u00e4rgi, mille taga seisis t\u00f6\u00f6stus. Tulemuseks oli reaalne objekt ja nanom\u00f5\u00f5tmeline seade – GMR sensor. Teekond sellese uude teadusharusse on toonud palju kasu ning \u00fcha uute ideede, v\u00f5imaluste ja rakenduste avastamine ootab veel ees. Selge on see, et teadlased j\u00e4tkavad uute magnetiliste materjalide v\u00e4lja t\u00f6\u00f6tamist ja loovad veelgi huvitavamaid viise, kuidas elektronide spinni \u00e4ra kasutada.<\/p>\n

Viited:<\/strong><\/p>\n

[1] S. M. Thompson. The discovery, development and future of GMR: The Nobel Prize 2007. J. Phys. D: Appl. Phys. 41<\/strong> (2008)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Referaadi autor: Ivo Romet Juhendaja: Kaupo Kukli Teaduslik taust Esimesed uuringud magnetotakistusest magnetilises materjalis viidi l\u00e4bi ligemale 150 aastat tagasi lord Kelvini poolt ja 40 aastat hiljem avastas J. J. Thomson\u00a0elektroni. Kuigi mehhanism, mis vastutab anisotroopse magnetotakistuse (AMR) eest, erineb gigantsest magnetotakistusest (GMR), on siiski m\u00f5lemad tuletatud vastasm\u00f5just, mis eksisteerib elektrone kandva voolu ja objekti […]<\/p>\n","protected":false},"author":32,"featured_media":27152,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_genesis_hide_title":false,"_genesis_hide_breadcrumbs":false,"_genesis_hide_singular_image":false,"_genesis_hide_footer_widgets":false,"_genesis_custom_body_class":"","_genesis_custom_post_class":"","_genesis_layout":"","footnotes":""},"categories":[155],"tags":[],"class_list":{"0":"post-27145","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-referaadinurgake","8":"entry"},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/27145","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/32"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=27145"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/27145\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/27152"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=27145"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=27145"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=27145"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}