Magnetorresistencia de túnel

La magnetorresistencia de túnel ( TMR ) es un efecto magnetorresistivo que se produce en una unión túnel magnética ( MTJ ), un componente formado por dos ferromagnetos separados por una fina capa aislante . Si la capa aislante es lo suficientemente delgada (normalmente unos pocos nanómetros ), los electrones pueden atravesar por efecto túnel un ferromagneto y pasar al otro. Dado que este proceso está prohibido por la física clásica, la magnetorresistencia de túnel es un fenómeno estrictamente cuántico y pertenece al campo de la espintrónica .

Las uniones túnel magnéticas se fabrican mediante tecnología de película delgada . A escala industrial, la deposición de la película se realiza mediante deposición por pulverización catódica con magnetrón ; a escala de laboratorio, también se utilizan epitaxia de haces moleculares , deposición por láser pulsado y deposición física de vapor por haz de electrones . Las uniones se preparan mediante fotolitografía .

La dirección de las dos magnetizaciones de las películas ferromagnéticas puede cambiarse individualmente mediante un campo magnético externo . Si las magnetizaciones están orientadas en paralelo, es más probable que los electrones atraviesen por efecto túnel la película aislante que si están orientadas en sentido opuesto (antiparalelo). En consecuencia, dicha unión puede conmutarse entre dos estados de resistencia eléctrica : uno de baja resistencia y otro de muy alta resistencia.

El efecto fue descubierto originalmente en 1975 por Michel Jullière (Universidad de Rennes, Francia) en uniones Fe / Ge - O / Co a 4,2 K. El cambio relativo de resistencia fue de alrededor del 14% y no atrajo mucha atención. ^{[ 1 ]} En 1991 Terunobu Miyazaki ( Universidad de Tohoku , Japón) encontró un cambio del 2,7% a temperatura ambiente. Más tarde, en 1994, Miyazaki encontró el 18% en uniones de hierro separadas por un aislante de óxido de aluminio amorfo ^{[ 2 ]} y Jagadeesh Moodera encontró el 11,8% en uniones con electrodos de CoFe y Co. ^{[ 3 ]} Los efectos más altos observados en ese momento con aislantes de óxido de aluminio fueron de alrededor del 70% a temperatura ambiente.

Desde el año 2000, se han estado desarrollando barreras de túnel de óxido de magnesio cristalino (MgO). En 2001, Butler y Mathon hicieron independientemente la predicción teórica de que usando hierro como ferromagneto y MgO como aislante, la magnetoresistencia de túnel puede alcanzar varios miles por ciento. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Ese mismo año, Bowen et al. fueron los primeros en informar experimentos que mostraban una TMR significativa en una unión de túnel magnética basada en MgO [Fe/MgO/FeCo(001)]. ^{[ 6 ]} En 2004, Parkin y Yuasa lograron hacer uniones Fe/MgO/Fe que alcanzan más del 200% de TMR a temperatura ambiente. ^{[ 7 ] [ 8 ]} En 2008, el grupo de S. Ikeda y H. Ohno de la Universidad de Tohoku en Japón observó efectos de hasta el 604% a temperatura ambiente y de más del 1100% a 4,2 K en uniones de CoFeB/MgO/CoFeB. ^{[ 9 ]}

Los cabezales de lectura de las unidades de disco duro modernas funcionan sobre la base de uniones túnel magnéticas. TMR, o más específicamente la unión túnel magnética, también es la base de MRAM , un nuevo tipo de memoria no volátil . Las tecnologías de primera generación se basaban en la creación de campos magnéticos de punto de cruce en cada bit para escribir los datos en él, aunque este enfoque tiene un límite de escalado de alrededor de 90–130  nm. ^{[ 10 ]} Actualmente se están desarrollando dos técnicas de segunda generación: conmutación asistida térmicamente (TAS) ^{[ 10 ]} y par de transferencia de espín .

Las uniones túnel magnéticas también se utilizan en aplicaciones de detección. Actualmente, se emplean comúnmente como sensores de posición y de corriente en diversas aplicaciones automotrices, industriales y de consumo. Estos sensores de mayor rendimiento están reemplazando a los sensores Hall en muchas aplicaciones debido a su rendimiento mejorado. ^{[ 11 ]}

El cambio de resistencia relativo —o amplitud del efecto— se define como

${\displaystyle \mathrm {TMR}$ :={\frac {R_{\mathrm {ap} }-R_{\mathrm {p} }}{R_{\mathrm {p} }}}}

dónde${\displaystyle R_{\mathrm {ap} }}$es la resistencia eléctrica en el estado antiparalelo, mientras que${\displaystyle R_{\mathrm {p} }}$es la resistencia en estado paralelo.

El efecto TMR fue explicado por Jullière mediante las polarizaciones de espín de los electrodos ferromagnéticos. La polarización de espín P se calcula a partir de la densidad de estados (DOS) dependiente del espín .${\displaystyle {\mathcal {D}}}$en la energía de Fermi :

${\displaystyle P={\frac {{\mathcal {D}}_{\uparrow }(E_{\mathrm {F} })-{\mathcal {D}}_{\downarrow }(E_{\mathrm {F} })}{{\mathcal {D}}_{\uparrow }(E_{\mathrm {F} })+{\mathcal {D}}_{\downarrow }(E_ {\mathrm {F} })}}}$

Los electrones con espín hacia arriba son aquellos cuya orientación de espín es paralela al campo magnético externo, mientras que los electrones con espín hacia abajo tienen una alineación antiparalela con el campo externo. El cambio de resistencia relativo ahora viene dado por las polarizaciones de espín de los dos ferromagnetos, P ₁ y P ₂ :

${\displaystyle \mathrm {TMR} ={\frac {2P_{1}P_{2}}{1-P_{1}P_{2}}}}$

Si no se aplica voltaje a la unión, los electrones atraviesan por efecto túnel en ambas direcciones con igual velocidad. Con un voltaje de polarización U , los electrones atraviesan por efecto túnel preferentemente hacia el electrodo positivo. Suponiendo que el espín se conserva durante el efecto túnel, la corriente puede describirse mediante un modelo de dos corrientes. La corriente total se divide en dos corrientes parciales: una para los electrones con espín hacia arriba y otra para los electrones con espín hacia abajo. Estas varían según el estado magnético de las uniones.

Existen dos posibilidades para obtener un estado antiparalelo definido. Primero, se pueden utilizar ferromagnetos con diferentes coercitividades (mediante el uso de distintos materiales o diferentes espesores de película). Segundo, uno de los ferromagnetos puede acoplarse con un antiferromagneto ( polarización de intercambio ). En este caso, la magnetización del electrodo no acoplado permanece "libre".

La TMR se vuelve infinita si P ₁ y P ₂ son iguales a 1, es decir, si ambos electrodos tienen una polarización de espín del 100%. En este caso, la unión túnel magnética se convierte en un interruptor que conmuta magnéticamente entre baja resistencia y resistencia infinita. Los materiales que se consideran para esto se denominan semimetales ferromagnéticos . Sus electrones de conducción están completamente polarizados en espín. Esta propiedad se predice teóricamente para varios materiales (por ejemplo, CrO ₂ , varias aleaciones de Heusler ), pero su confirmación experimental ha sido objeto de un sutil debate. Sin embargo, si se consideran solo los electrones que entran en el transporte, las mediciones de Bowen et al. de hasta un 99,6% ^{[ 12 ]} de polarización de espín en la interfaz entre La _0,7 Sr _0,3 MnO ₃ y SrTiO ₃ equivalen pragmáticamente a una prueba experimental de esta propiedad.

La TMR disminuye con el aumento de la temperatura y del voltaje de polarización. Ambos fenómenos pueden explicarse, en principio, mediante excitaciones de magnones e interacciones con magnones, así como debido al efecto túnel con respecto a estados localizados inducidos por vacantes de oxígeno (véase la sección de Filtrado de Simetría más adelante). ^{[ 13 ]}

Antes de la introducción del óxido de magnesio epitaxial (MgO), se utilizaba óxido de aluminio amorfo como barrera de túnel en la unión túnel magnética (MTJ), y la magnetorresistencia de túnel (TMR) típica a temperatura ambiente se situaba en el rango de decenas por ciento. Las barreras de MgO incrementaron la TMR a cientos por ciento. Este gran aumento refleja una combinación sinérgica de las estructuras electrónicas del electrodo y la barrera, lo que a su vez refleja el logro de uniones estructuralmente ordenadas. De hecho, el MgO filtra la transmisión por efecto túnel de electrones con una simetría particular que están completamente polarizados en espín dentro de la corriente que fluye a través de electrodos cúbicos centrados en el cuerpo basados ​​en Fe. Así, en el estado paralelo (P) de magnetización del electrodo de la MTJ, los electrones de esta simetría dominan la corriente de la unión. Por el contrario, en el estado antiparalelo (AP) de la MTJ, este canal se bloquea, de modo que los electrones con la siguiente simetría más favorable para transmitir dominan la corriente de la unión. Dado que esos electrones tunelizan con respecto a una mayor altura de barrera, esto da como resultado una TMR considerable.

Más allá de estos grandes valores de TMR en MTJ basados ​​en MgO, ^{[ 9 ]} este impacto de la estructura electrónica de la barrera en la espintrónica de túnel se ha confirmado indirectamente mediante la ingeniería del paisaje potencial de la unión para electrones de una simetría dada. Esto se logró primero examinando cómo los electrones de un electrodo semimetálico de manganita de lantano y estroncio con polarización de espín completo (P=+1 ^{[ 12 ]} ) y simetría atraviesan por túnel una barrera de túnel de SrTiO _{3 polarizada eléctricamente.} ^{[ 14 ]} El experimento conceptualmente más simple de insertar un espaciador de metal apropiado en la interfaz de la unión durante el crecimiento de la muestra también se demostró más tarde ^{[ 15 ] [ 16 ]} .

Si bien la teoría, formulada por primera vez en 2001, ^{[ 4 ] [ 5 ]} predice valores de TMR elevados asociados a una barrera de 4 eV en el estado P de la MTJ y de 12 eV en el estado AP de la MTJ, los experimentos revelan barreras de tan solo 0,4 eV. ^{[ 7 ]} Esta contradicción se resuelve al considerar los estados localizados de las vacantes de oxígeno en la barrera de túnel de MgO. En 2014, extensos experimentos de espectroscopia de túnel en estado sólido a través de MTJ de MgO revelaron ^{[ 13 ]} que la retención electrónica en los estados fundamental y excitado de una vacante de oxígeno, que depende de la temperatura, determina la barrera de túnel para electrones de una simetría dada y, por lo tanto, define la relación TMR efectiva y su dependencia de la temperatura. Esta barrera baja, a su vez, permite las altas densidades de corriente necesarias para el par de transferencia de espín, que se analiza más adelante.

El efecto del par de transferencia de espín se ha estudiado y aplicado ampliamente en uniones túnel magnéticas (MTJ), donde existe una barrera de tunelización intercalada entre dos electrodos ferromagnéticos, de modo que el electrodo derecho presenta magnetización libre, mientras que el electrodo izquierdo (con magnetización fija) actúa como polarizador de espín. Este polarizador puede conectarse a un transistor de selección en un dispositivo de memoria de acceso aleatorio magnetoresistiva o a un preamplificador en una unidad de disco duro .

El vector de par de transferencia de espín, impulsado por el voltaje de respuesta lineal, se puede calcular a partir del valor esperado del operador de par:

${\displaystyle \mathbf {T} =\mathrm {Tr} [{\hat {\mathbf {T} }}{\hat {\rho }}_{\mathrm {neq} }]}$

dónde${\displaystyle {\hat {\rho }}_{\mathrm {neq} }}$es la matriz de densidad de no equilibrio invariante de gauge para el transporte en estado estacionario, en el límite de temperatura cero, en el régimen de respuesta lineal, ^{[ 17 ]} y el operador de torque${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}}$se obtiene a partir de la derivada temporal del operador de espín:

${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}={\frac {d{\hat {\mathbf {S} }}}{dt}}=-{\frac {i}{\hbar }}\left[{\frac {\hbar }{2}}{\boldsymbol {\sigma }},{\hat {H}}\right]}$

Utilizando la forma general de un hamiltoniano de enlace fuerte unidimensional:

${\displaystyle {\hat {H}}={\hat {H}}_{0}-\Delta ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {m} )/2}$

donde la magnetización total (como macroespín) está a lo largo del vector unitario.${\displaystyle \mathbf {m} }$y las propiedades de las matrices de Pauli que involucran vectores clásicos arbitrarios${\displaystyle \mathbf {p} ,\mathbf {q} }$, dado por

${\displaystyle ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {p} )({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {q} )=\mathbf {p} \cdot \mathbf {q} +i(\mathbf {p} \times \mathbf {q} )\cdot {\boldsymbol {\sigma }}}$

${\displaystyle ({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {p} ){\boldsymbol {\sigma }}=\mathbf {p} +i{\boldsymbol {\sigma }}\times \mathbf {p} }$

${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}({\boldsymbol {\sigma }}\cdot \mathbf {q} )=\mathbf {q} +i\mathbf {q} \times {\boldsymbol {\sigma }}}$

Entonces es posible obtener primero una expresión analítica para${\displaystyle {\hat {\mathbf {T} }}}$(que se puede expresar de forma compacta utilizando ${\displaystyle \Delta ,\mathbf {m} }$y el vector de matrices de espín de Pauli${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}=(\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})}$).

En general, el vector de par de transferencia de espín en las uniones túnel magnéticas tiene dos componentes: una componente paralela y otra perpendicular:

Un componente paralelo: ${\displaystyle T_{\parallel }={\sqrt {T_{x}^{2}+T_{z}^{2}}}}$

Y un componente perpendicular: ${\displaystyle T_{\perp }=T_{y}}$

En las uniones túnel magnéticas simétricas (formadas por electrodos con la misma geometría y desdoblamiento de intercambio), el vector de par de transferencia de espín tiene solo un componente activo, ya que el componente perpendicular desaparece:

${\displaystyle T_{\perp }\equiv 0}$. ^{[ 18 ]}

Por lo tanto, solo${\displaystyle T_{\parallel }}$vs.${\displaystyle \theta }$Es necesario trazar un diagrama en el sitio del electrodo correcto para caracterizar el efecto túnel en las uniones túnel magnéticas simétricas, lo que las hace atractivas para la producción y caracterización a escala industrial.

Nota: En estos cálculos, la región activa (para la cual es necesario calcular la función de Green retardada ) debe consistir en la barrera de túnel + la capa ferromagnética derecha de espesor finito (como en los dispositivos reales). La región activa está unida al electrodo ferromagnético izquierdo (modelado como una cadena de enlace fuerte semiinfinita con desdoblamiento de Zeeman distinto de cero ) y al electrodo N derecho (cadena de enlace fuerte semiinfinita sin desdoblamiento de Zeeman), como lo codifican los términos de autoenergía correspondientes.

Se han predicho relaciones teóricas de magnetorresistencia de túnel de 10000% ^{[ 19 ] . Sin embargo, las más grandes que se han observado son solo de 604%. [ 20 ]} Una sugerencia es que los límites de grano podrían estar afectando las propiedades aislantes de la barrera de MgO; sin embargo, la estructura de las películas en estructuras de apilamiento enterrado es difícil de determinar. ^{[ 21 ]} Los límites de grano pueden actuar como vías de conducción de cortocircuito a través del material, reduciendo la resistencia del dispositivo. Recientemente, utilizando nuevas técnicas de microscopía electrónica de transmisión de barrido , los límites de grano dentro de las MTJ FeCoB/MgO/FeCoB se han resuelto atómicamente. Esto ha permitido realizar cálculos de teoría funcional de la densidad de primeros principios en unidades estructurales que están presentes en películas reales. Dichos cálculos han demostrado que la brecha de banda se puede reducir hasta en un 45%. ^{[ 22 ]}

Además de los límites de grano, los defectos puntuales como los intersticiales de boro y las vacantes de oxígeno podrían alterar significativamente la magnetorresistencia de túnel. Cálculos teóricos recientes han revelado que los intersticiales de boro introducen estados de defecto en la banda prohibida, lo que podría reducir aún más la TMR ^{[ 23 ].} Estos cálculos teóricos también han sido respaldados por evidencia experimental que muestra la naturaleza del boro dentro de la capa de MgO entre dos sistemas diferentes y cómo difiere la TMR ^{[ 24 ] .}

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• magnetorresistencia gigante
• par de transferencia de giro