ES2249974B1 - Dispositivo spintronico magnetoresistivo, su procedimiento de fabricacion y sus aplicaciones. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo spintrónico magnetoresistivo, su procedimiento de fabricación y sus aplicaciones. La presente patente describe la fabricación de dispositivos sensores del campo magnético cuyo funcionamiento está basado en el fenómeno de la magnetorresistencia balística (BMR). Este dispositivo spintrónico magnetoresistivo difiere de los otros existentes hasta la fecha en que los nanocontactos se forman por la inclusión de una o más partículas ferromagnéticas de tamaño micro y/o nanométrico situadas entre dos electrodos que hacen de contactos con deposiciones electroquímicas y/o incrustaciones metálicas adecuadas. La configuración de la partícula o las partículas que forman el área de contacto (así como, los materiales utilizados en los electrodos y en las partículas) puede variar. Los sensores magnéticos descritos muestran grandes valores de MR, pero lo que es más importante, estos dispositivos permanecen estables por largos períodos de tiempo.
Description
Dispositivo spintrónico magnetoresistivo, su
procedimiento de fabricación y sus aplicaciones.
La magnetoresistencia (MR) es una característica
del transporte electrónico que depende de la orientación de spin.
Es decir, la orientación de los spines modifica la resistencia
eléctrica de un circuito o de un dispositivo. Este efecto es
tremendamente importante en las aplicaciones de almacenamiento de la
información en memorias magnéticas, debido a que con ella podemos
"leer" y/o "escribir" a través de cambios en la
resistencia que responden a códigos magnéticos (orientaciones de
spin). También existen sensores de electrónica de spin que se
utilizan para otras aplicaciones.
Las tecnologías actuales de almacenamiento de
datos en memorias magnéticas están muy cerca de los límites
teóricos (densidad datos por unidad de superficie), debido a esto
se hace necesario el desarrollo de nuevos dispositivos MR de
lectura/grabación mediante la aplicación de nuevas tecnologías. Los
límites tecnológicos actuales de dichos dispositivos estarían cerca
de 23,25 Gb/cm^{2}, mientras que la densidad de datos superficial
actual es de 2,32 Gb/cm^{2}.
La magnetorresistencia se ha estudiado
utilizando nanocontactos fabricados entre hilos de materiales
ferromagnéticos, obteniéndose resultados de 200% de
magnetoresistencia balística (BMR) (N. García, M. Muñoz and Y.-W.
Zhao, Phys. Rev. Lett. Vol. 82, 2923 (1999)). Por otro lado,
también se han fabricado nanocontactos magnéticos por
electrodeposición de materiales ferromagnéticos entre dos
electrodos, mejorándose los resultados anteriores y obteniéndose
valores de magnetorresistencia de 500-700% a
temperatura ambiente (N. García, et al, Applied Physics
Letters 79, 4550(2001)).
Además de los problemas propios de su
fabricación (fabricación mecánica o electrodeposición), este tipo
de dispositivos se enfrentan a dificultades que desmejoran sus
posibilidades de comercialización, por ejemplo:
- -
- poca reproducibilidad de los resultados, e
- -
- inestabilidad de los contactos, que muestran disminuciones importantes o desaparición de la magnetorresistencia después de un cierto tiempo (pueden ser horas o días).
La presente invención se basa en que los
inventores han observado que es posible obtener altos valores de
magnetorresistencia, entre 100% y 1500% ó superiores, cuando se
aplican campos magnéticos débiles mediante una nueva configuración
de contacto electrónico en escala nano ó micrométrico basada en el
fenómeno de la magnetorresistencia balística (BMR), lo cual puede
aplicarse a la fabricación de dispositivos spintrónicos
magnetoresistivos, como por ejemplo, lectores/grabadoras de
memorias magnéticas o también potenciostatos u otro tipo de sensor
magnético en el que aplicando campo magnético cambie la
corriente.
Como se describe a continuación los dispositivos
elaborados en la presente invención, adecuadamente fabricados,
proveen resultados consistentes con valores de magnetorresistencia
de 100% ó mayores (Véanse las Figuras 6 y 7, se pueden obtener
valores de hasta 1500% e incluso mayores), y son estructuralmente
mucho más estables en el tiempo (durante dos meses que se ha estado
comprobando con cientos de ciclos de resistencia frente a campo),
por lo que tienen las ventajas de los dispositivos sensores
producidos por electrodeposición, pero además eliminan sus
principales desventajas, y por lo tanto, son muy interesantes para
aplicaciones a nivel comercial. Por ello, con dispositivos como los
representados en la presente invención aplicados como
lectores/grabación de sistemas de memorias magnéticas (Figura 1)
seria factible alcanzar densidades teóricas del orden de los
Tb/cm^{2} (1000 veces mayores que los actuales).
Para que se produzca la BMR el diámetro del
canal de conducción (nanocontacto) debe ser menor que el camino
libre medio de spin de los electrones que lo atraviesan. Esto
produce que el scattering de los electrones, en el área del
contacto, esté limitado por los efectos magnéticos, de ahí la
utilidad de los nanocontactos como sensores magnéticos (Figura
2).
La fabricación de contactos nanométricos,
representa un gran desafío a la hora de realizar un dispositivo
"spintronico" magnetoresistivo con aplicaciones tecnológicas
como pueden ser potenciostatos en lo que no hay contacto eléctrico
y se realizan por medio de la aplicación de un campo magnético. Como
se mencionó, los problemas a superar están relacionados con la
estabilidad de los contactos y la reproducibilidad de los
resultados.
Así, un objeto de la presente invención lo
constituye un dispositivo spintrónico magnetoresistivo, en adelante
dispositivo de la presente invención, caracterizado porque el
contacto o gap nano y/o micrométrico se forma por la inclusión de
una ó más partículas magnetoresistivas (o ferromagnéticas) del
material que forma el contacto y de tamaño compatible al del gap y
porque la configuración de dicho contacto está constituido por una
partícula o varias presionadas firmemente, o por electrodeposición
para darle consistencia, en un pequeño canal (c) producido en una
capa aislante (b) entre dos láminas conductoras (a) que actúan como
electrodos conectados a los cables del circuito (d) (Figura 4).
La configuración de la presente invención esta
basada en dos electrodos que forman un gap, conectados entre sí por
partículas del material que forma el nanocontacto. La configuración
del contacto puede variar desde una sola partícula (Figura 3)
ubicada en el gap, hasta un array de partículas compactadas (Figura
5). Estas partículas pueden tener dimensiones nano y/o
micrométricas.
Un objeto particular de la presente invención lo
constituye el dispositivo de la invención con una configuración en
la que las partículas (también puede ser solo una partícula) (C),
los electrodos y los cables (A) están ubicados sobre el mismo
plano, estando las partículas pegadas firmemente en el gap (B) para
formar el contacto (Figura 5).
Otro objeto particular de la invención lo
constituye el dispositivo caracterizado porque los electrodos
pueden ser magnéticos o no magnéticos y pueden colocarse en
cualquier configuración (vertical, horizontal, etc), permitiendo la
disposición de una o más partículas ferromagnéticas que cerrarán el
gap en forma estable. Además, es importante la ubicación precisa de
las partículas en el gap que permitan la formación de un contacto
cuya respuesta magnetorresistiva no se disminuya por la respuesta
magnetoelástica, o aumente o sea estable, de las partículas ni de
los electrodos (si estos son magnéticos).
Otro objeto particular de la presente invención
lo constituye un dispositivo de la invención basado en la gran
variación de resistencia eléctrica a distintos voltajes o
corrientes aplicados con el campo magnético fijo, es decir,
que no hace falta variar el campo magnético, basta con cambiar la
corriente de medida.
Otro objeto de la presente invención lo
constituye un procedimiento para la fabricación del dispositivo de
la presente invención, en adelante procedimiento de la presente
invención, caracterizado porque las partículas son posicionadas en
el contacto mediante métodos mecánicos de incrustación o
electrodeposición de la siguiente forma:
- a)
- consiste en poner las partículas formando un sándwich aislante entre dos láminas conductoras (electrodos, ver Figura 4), o
- b)
- disposición de partículas dispuestas firmemente entre los electrodos y todo el dispositivo ubicado en el mismo plano (Figura 5).
La colocación de partículas nano o micrométricas
en el gap que hay entre dos electrodos no necesariamente producirá
un sensor magnetorresistivo. Las variables a controlar para obtener
los resultados deseados son muchas y complejas, por ejemplo:
- \bullet
- Material ferromagnético utilizado en las partículas.
- \bullet
- Eficiencia del contacto electrodo/partícu- las.
- \bullet
- Formación de óxidos en el gap.
La configuración de la partícula o las
partículas que forman el área de contacto (así como, los materiales
utilizados en los electrodos y en las partículas) puede variar. Las
partículas son importantes porque proveen el material
ferromagnético adecuado ya que se pueden fabricar de todo tipo de
materiales ferromagnéticos y por que sus contactos pueden
consolidarse y aislarse del mundo exterior encapsulandose. También
durante el proceso de fabricación de las micro y nanopartículas
estas adquieren otros elementos (como oxigeno, azufre, etc) que
podrían aumentar sus propiedades magnetoresistivas. Todas estas
posibles adaptaciones del dispositivo de la presente invención
forman parte de la misma.
Finalmente, otro objeto de la presente invención
lo constituye el uso del dispositivo de la presente invención en la
elaboración de un dispositivo sensor magnetorresistivo, para su
aplicación preferentemente, a título ilustrativo y sin que limite
el alcance de la presente invención, para la elaboración de un
lector/grabación de sistemas de memorias magnéticas y de
potenciostatos de aplicación de campo magnético con variación de
corriente u otros dispositivos en los que aplicando campo magnético
varié la corriente eléctrica. Además, los datos de esta invención
muestran que también se puede aplicar a dispositivos, no sólo
magnetoresistivos, sino también de variación de corriente a campo
magnético cero. Como se ilustra en la Figura 7 en la curva
superior, que se realiza a campo magnético cero, hay una variación
de la resistencia eléctrica de un factor de 2 con solo cambiar la
corriente a 10 micro Amperios.
Figura 1.- Esquema de una cabeza lectora
magnética MR. El tamaño nanométrico de las cabezas lectoras
magnéticas MR permiten leer bits de información más pequeños y por
lo tanto empaquetados en una forma más compacta, lo cual permite
grandes capacidades de almacenamiento de la información.
Figura 2.- Esquema del nanocontacto que
conecta los dos electrodos macroscópicos magnetizados en
direcciones opuestas. El diámetro del contacto está en el rango
de los nanometros y los electrones que lo atraviesan conservan el
spin lo cual produce una variación en la resistencia. Esto permite
la codificación magnética de la información entre las
configuraciones ferromagnéticas o antiferromagnéticas.
Figura 3.- Imagen de una partícula
ferromagnética, pegada en un substrato rígido. Esta imagen fue
tomada con un microscopio de fuerza atómica (AFM). El scan es de 30
\mum y el diámetro de la partícula es de 20 \mum. Las partículas
pueden tener tamaños mayores o mucho menores, pero la forma y
estructura será siempre similar a la que se muestra en esta figura.
Lar partículas son importantes porque proveen el material
ferromagnético adecuado ya que se pueden fabricar de todo tipo de
materiales ferromagnéticos y por que sus contactos pueden
consolidarse y aislarse del mundo exterior encapsulandose. También
durante el proceso de fabricación de las micro y nanopartículas
estas adquieren otros elementos (como oxigeno, azufre, etc) que
podrían aumentar sus propiedades magnetoresistivas.
Figura 4.- Configuración básica del
dispositivo de la presente invención. Una partícula o varias
son presionadas firmemente en un pequeño canal (c) producido en una
capa aislante (b) entre dos láminas conductoras (a) que actúan como
electrodos conectados a los cables del circuito (d).
Figura 5.- Otra configuración básica del
dispositivo de la presente invención. En este dispositivo, las
partículas (también puede ser solo una partícula) (C), los
electrodos y los cables (A) están ubicados sobre el mismo plano. Las
partículas están pegadas firmemente en el gap (B) para formar el
contacto, los contactos se producen por incrustación o
electrodeposición.
Figura 6.- Curva experimental configurada con
el dispositivo de la Figura 4, que muestra la variación de la
resistencia eléctrica en función el campo magnético aplicado.
La corriente utilizada en la medición de la resistencia es de 0.002
mA y la MR obtenida es de 1500%.
Figura 7.- Curva experimental que muestra la
variación de la resistencia con la corriente utilizada en la
medición. La curva superior se midió sin campo magnético
externo aplicado y la inferior con un campo magnético de 5000
Oe.
Ejemplo de
realización
El objeto de la invención propuesta es proveer
una configuración de contacto eléctrico en escala micro y/o
nanométrico que de altos valores de magnetoresistencia cuando se
apliquen campos magnéticos débiles. El producto final de la
presente invención deberá ser un dispositivo de bajo precio, gran
estabilidad temporal y cuya eficiencia permanezca inalterable
durante el tiempo. Para lograr esto las partículas son posicionadas
en el contacto mediante métodos mecánicos de incrustación o
electrodeposición.
En particular estudiamos dos tipos posibles de
métodos de fabricación de los contactos. El primero de los mismos,
consiste en poner las partículas formando un sándwich aislante
entre dos láminas conductoras (electrodos, ver Figura 4). El
segundo método de fabricación implica la disposición de partículas
dispuestas firmemente entre los electrodos y todo el dispositivo
ubicado en el mismo plano (Figura 5). Pero también se han
desarrollado otras variantes que pueden conducir a resultados
similares. Este es el caso cuando el dispositivo no es
completamente coplanar o tubular como corresponde a las Figuras 5 y
4, respectivamente.
El tamaño del sensor, así fabricado, se reduce a
un cluster o un grupo de clusters de átomos ferromagnéticos que
forman el "contacto" (simplificándose el circuito como un
"contacto" entre dos cableconductores). Los materiales usados
para las partículas son magnéticos y hemos usado una gran variación
de ellos. Monoatómicos, biatómicos y triatómicos. Todos ellos dan
resultados elevados de ma MR, en particular los de la Figuras 6 y 7
corresponden al hierro. Véase (Fig.6) que aquí hay variaciones de
la resistencia eléctrica (ordenadas) con el campo magnético
(abscisas) de hasta el 1500%. Estos resultados han sido estables
por dos meses. En la Figura 7 se muestra la resistencia (ordenadas)
con la corriente de medida (abscisas) para dos campos magnéticos
aplicados. Curva superior, campo cero, y la inferior un campo de
5000Oe.
Claims (10)
1. Dispositivo spintrónico magnetoresistivo
caracterizado porque el contacto o gap nano y/o micrométrico
se forma por la inclusión de una ó más partículas magnetoresistivas
(o ferromagnéticas) del material que forma el contacto y de tamaño
compatible al del gap y porque la configuración de dicho contacto
está constituido por una partícula o varias presionadas firmemente
en un pequeño canal (c) producido en una capa aislante (b) entre
dos láminas conductoras (a) que actúan como electrodos conectados a
los cables del circuito (d) (Figura 4).
2. Dispositivo según la reivindicación 1
caracterizado porque la configuración del contacto incluye
una sola partícula.
3. Dispositivo según la reivindicación 1
caracterizado porque la configuración del contacto incluye
más de una partícula.
4. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a la
3 caracterizado porque la configuración de las partículas
(también puede ser solo una partícula) (C), los electrodos y los
cables (A) están ubicados sobre el mismo plano, estando las
partículas pegadas firmemente en el gap (B) para formar el contacto
(Figura 5).
5. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a la
3 caracterizado porque los electrodos pueden ser magnéticos
o no magnéticos y pueden colocarse en cualquier configuración
(vertical, horizontal, etc), permitiendo la disposición de una o
más partículas ferromagnéticas que cenarán el gap en forma
estable.
6. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a la
3 caracterizado porque está basado en la gran variación de
resistencia eléctrica a distintos voltajes o corrientes aplicados
con el campo magnético fijo, es decir, que no hace falta variar el
campo magnético, basta con cambiar la corriente de medida.
7. Procedimiento para la fabricación de un
dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 6
caracterizado porque las partículas son posicionadas en el
contacto mediante métodos mecánicos de incrustación o
electrodeposición de la siguiente forma:
- a)
- consiste en poner las partículas formando un sándwich aislante entre dos láminas conductoras (electrodos, ver Figura 4), o
- b)
- disposición de partículas dispuestas firmemente entre los electrodos y todo el dispositivo ubicado en el mismo plano (Figura 5).
8. Uso del dispositivo según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a la 6 en la elaboración de un dispositivo
sensor magnetoresistivo.
9. Uso según la reivindicación 8
caracterizado porque el dispositivo sensor magnetoresistivo
es un lector/grabación de sistemas de memorias magnéticas.
10. Uso según la reivindicación 8
caracterizado porque el dispositivo sensor magnetoresistivo
es un potenciostato u otro tipo de sensor magnético en el que
aplicando campo magnético cambie la corriente.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20060401 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2249974B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20180809 |