Under de senaste två decennierna har magnetiska tunnelkorsningar (MTJ) har spelat en central roll i spintronic -enheter såsom läshuvuden på hårddiskar och icke -flyktiga magnetoresistiva slumpmässiga åtkomstminnen (MRAM), och forskare arbetar ständigt med att förbättra sina prestationer. En av de mest framstående prestationerna som accelererade teknikens praktiska tillämpningar var förverkligandet av gigantiska tunnelmagnetoresistansförhållanden (TMR) med hjälp av kristallin barriär av typ MgO av bergsalt. Nu, i en artikel i denna veckas nummer av Tillämpad fysikbokstäver , ett japanskt forskargrupp har lyckats applicera MgGa2O4 på en tunnelbarriär, kärnan i en MTJ, som ett alternativt material till mer konventionella isolatorer såsom MgO och MgAl 2 O 4 .
En MTJ har en laminerad struktur bestående av ett nanoskalaisolerande lager, kallas en tunnelbarriär, mellan två magnetiska lager. Ett av de viktigaste prestandaindexen för en MTJ är tunnelmagnetoresistansförhållandet (TMR -förhållandet), storleken på motståndet förändras. Magnesiumoxid (MgO) används vanligtvis som en tunnelbarriär eftersom ett stort TMR -förhållande enkelt kan erhållas.
"För att utvidga tillämpningsområdet för MTJ:er ytterligare, vi ville justera MTJ -egenskaperna kraftigt genom att byta ut tunnelbarriärmaterialet, "sa Hiroaki Sukegawa, en forskare vid National Institute for Materials Science i Japan. "Särskilt, för många MTJ -applikationer, vi måste ha ett stort TMR -förhållande och lågt enhetsmotstånd och för det valde vi ett tunnelspärrmaterial med lågt bandgap. "
Teamet valde halvledande MgGa 2 O 4 , som har ett bandgap som är mycket lägre än den konventionella MgO -isolatorn, och använde befintlig teknik för att göra en ultratunn MgAl 2 O 4 lager för att uppnå de parametrar de letade efter.
Den största utmaningen var att få en högkvalitativ MgGa 2 O 4 lager med defektfria gränssnitt eftersom det är viktigt för att uppnå ett stort TMR-förhållande.
"Vi försökte först en oxidationsmetod med ett Mg-Ga-legeringsskikt för MgGa 2 O 4 lagberedning dock, denna process orsakade också betydande oxidation på ytan av det magnetiska skiktet under Mg-Ga, och den resulterande tillverkade strukturen fungerade inte som en MTJ -enhet, "Sukegawa. Inspirerad av deras senaste arbete med en högkvalitativ MgAl 2 O 4 tillverkning, laget försökte sedan en direkt förstoftningsmetod; MgGa 2 O 4 skikt bildades genom radiofrekvensförstoftning från en hög densitet MgGa 2 O 4 sintrat mål för att minska gränssnittsoxidationen.
Denna nya metod var mycket effektiv för att producera en högkvalitativ MgGa2O4 tunnelbarriär med extremt skarpa och defektfria gränssnitt. Det var en trevlig och oväntad överraskning.
"Vi förväntade oss inte att vi skulle kunna konstruera en MTJ som visar ett stort TMR -förhållande med MgGa 2 O 4 på så kort tid eftersom det var få tunnelbarriärmaterial som kunde ge det stora TMR -förhållandet vid rumstemperatur som vi letade efter, "Sa Sukegawa ..
Detta arbete visar att i strid med tidigare förståelse, MTJ tunnelbarriärer kan "utformas". Man trodde att det var nästan omöjligt att justera tunnelbarriärens fysiska parametrar med bibehållen stora TMR -förhållanden. Dessa resultat tyder starkt på att olika fysikaliska egenskaper hos tunnelbarriären kan utformas genom att välja sammansättning av spinellbaserade barriärmaterial efter behov samtidigt som effektiv spin-beroende transport uppnås (dvs. stort TMR-förhållande).
Även om det fortfarande finns mer arbete att göra för att uppnå större TMR -förhållanden, dessa resultat öppnar möjligheten att använda "tunnelbarriärdesign" med olika spinelloxider för att skapa nya spintronic -applikationer.
