RU2367059C1 - Tunnel device - Google Patents
Tunnel device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2367059C1 RU2367059C1 RU2007146159/28A RU2007146159A RU2367059C1 RU 2367059 C1 RU2367059 C1 RU 2367059C1 RU 2007146159/28 A RU2007146159/28 A RU 2007146159/28A RU 2007146159 A RU2007146159 A RU 2007146159A RU 2367059 C1 RU2367059 C1 RU 2367059C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electron
- nano
- spin
- objects
- magnetic field
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к функциональным устройствам наноэлектроники и может быть использовано для приборного и схемотехнического применения нанотехнологии, например для построения одноэлектронных логических схем, схем одноэлектронной и спиновой памяти. Изобретение также может быть использовано для создания высокочувствительных сенсоров магнитного поля и ключевых устройств с комбинированным или полностью магнитным управлением.The invention relates to functional devices of nanoelectronics and can be used for instrument and circuit application of nanotechnology, for example, for constructing one-electron logic circuits, single-electron and spin memory circuits. The invention can also be used to create highly sensitive magnetic field sensors and key devices with combined or fully magnetic control.
Известно устройство-аналог: спиновое полупроводниковое устройство [Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum, Physical Review Letters 99, 177209 (2007)], работающее при температурах до 150 К и использующее ток спин-поляризованых электронов через массив чистого кремния. Устройство использует в качестве спин-поляризатора и детектора пленки Ni80Fe20 и Co84Fe16. Разница токов при параллельной и перпендикулярной намагниченности ферромагнитных пленок составляет 16%, а время жизни спин-поляризованных электронов доходит до 500 нс (при 60 К). В более ранних версиях устройства-аналога в качестве инжектора спинов использовались ферромагнитные контакты из железа, никеля и кобальта. Электроны приобретали определенную спин-поляризацию в таком контакте, а потом инжектировались в полупроводник GaAs [J.M.Kikkawa, D.D.Awschalom, Phys. Rew. Lett. 80, 4313 (1998)]. Такой способ инжекции спин-поляризованных электронов через границу ферромагнитный металл/полупроводник малоэффективен из-за большого различия в их проводимостях (число спин-поляризованных электронов, прошедших границу, около 1%). Более эффективна инжекция электронов в магнитные полупроводники (GaMnAs), используемые для создания спиновых устройств, однако технологии получения магнитных полупроводников дороги, и устройства-аналоги работают при низких температурах.A similar device is known: a spin semiconductor device [Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum, Physical Review Letters 99, 177209 (2007)], operating at temperatures up to 150 K and using a current of spin-polarized electrons through an array of pure silicon. The device uses Ni 80 Fe 20 and Co 84 Fe 16 films as a spin polarizer and detector. The current difference for parallel and perpendicular magnetization of ferromagnetic films is 16%, and the lifetime of spin-polarized electrons reaches 500 ns (at 60 K). In earlier versions of the analog device, ferromagnetic contacts made of iron, nickel, and cobalt were used as a spin injector. Electrons acquired a certain spin polarization in such a contact, and then were injected into a GaAs semiconductor [JMKikkawa, DDAwschalom, Phys. Rew. Lett. 80, 4313 (1998)]. This method of injecting spin-polarized electrons through a ferromagnetic metal / semiconductor interface is ineffective due to the large difference in their conductivities (the number of spin-polarized electrons passing through the boundary is about 1%). Injection of electrons into magnetic semiconductors (GaMnAs), which are used to create spin devices, is more effective, but the technology for producing magnetic semiconductors is expensive, and analog devices operate at low temperatures.
Недостатки и ограничения устройства-аналога состоят в том, что устройство работает только при низких температурах (Т<150 К); в том, что для работы устройства требуется повышенное напряжение (~20 В), и в том, что устройство имеет большие линейные размеры (~1 мм).The disadvantages and limitations of the analog device are that the device only works at low temperatures (T <150 K); in that the device requires an increased voltage (~ 20 V), and that the device has large linear dimensions (~ 1 mm).
Известно устройство-прототип: туннельный прибор - патент RU 2105386, С1, 6 Н01L 29/88, состоящий из входного, выходного и N управляющих электродов, в котором туннельные барьеры и межбарьерное пространство выполнены в виде упорядоченной структуры из молекул и кластеров. Туннельные барьеры обеспечивают одноэлектронное коррелированное туннелирование электронов в приборе, причем каждый управляющий электрод расположен в области упорядоченной структуры из молекул и кластеров. Туннельные барьеры достаточно малы для того, чтобы обеспечить проявление эффекта кулоновской блокады туннелирования электронов при комнатной температуре (Т~300 К). В системах, содержащих несколько туннельных переходов, возможна строгая пространственная корреляция актов туннелирования электронов в различных переходах. Для реализации туннельного прибора были выбраны металлсодержащие карборановые кластеры размером порядка 2 им, а в качестве управляющего электрода был выбран зонд сканирующего туннельного микроскопа.A prototype device is known: a tunneling device - patent RU 2105386, C1, 6 H01L 29/88, consisting of input, output and N control electrodes, in which the tunnel barriers and the inter-barrier space are made in the form of an ordered structure of molecules and clusters. Tunnel barriers provide one-electron correlated electron tunneling in the device, with each control electrode located in the region of an ordered structure of molecules and clusters. The tunnel barriers are small enough to ensure the manifestation of the effect of the Coulomb blockade of electron tunneling at room temperature (T ~ 300 K). In systems containing several tunnel junctions, a strict spatial correlation of electron tunneling events in different junctions is possible. For the implementation of the tunneling device, metal-containing carborane clusters of the size of about 2 were selected, and a scanning tunneling microscope probe was chosen as the control electrode.
Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что управление туннельным током в устройстве-прототипе ограничено применением только электрического поля (изменением электрического потенциала управляющих электродов).The disadvantage of the prototype device is that the control of the tunneling current in the prototype device is limited to the use of only an electric field (a change in the electric potential of the control electrodes).
Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства-прототипа путем обеспечения управления туннельным током внешним магнитным полем или комбинацией электрического и магнитного полей и детектирования магнитного поля, в том числе пространственной неоднородности магнитного поля.The aim of the invention is to expand the functionality of the prototype device by providing control of the tunneling current by an external magnetic field or a combination of electric and magnetic fields and detecting a magnetic field, including spatial inhomogeneity of the magnetic field.
Поставленная цель достигается благодаря тому, что в предлагаемом туннельном устройстве:This goal is achieved due to the fact that in the proposed tunnel device:
- имеется входной, выходной и N управляющих электродов,- there is an input, output and N control electrodes,
- туннельные барьеры и межбарьерное пространство выполнены в виде упорядоченной структуры, обеспечивающей одноэлектронное коррелированное туннелирование электронов в устройстве,- tunnel barriers and interbarrier space are made in the form of an ordered structure that provides one-electron correlated tunneling of electrons in the device,
- каждый управляющий электрод расположен в области упорядоченной структуры из нанообъектов,- each control electrode is located in the region of the ordered structure of nano-objects,
согласно изобретению:according to the invention:
- устройство выполнено по планарной технологии,- the device is made according to planar technology,
- упорядоченная структура состоит из наноразмерных объектов (в дальнейшем нанообъектов), обладающих магнитными свойствами,- the ordered structure consists of nanoscale objects (hereinafter nano-objects) with magnetic properties,
- входной электрод имеет ферромагнитные свойства для поляризации спина электронов (в дальнейшем спин-поляризации) по вектору намагниченности ферромагнетика.- the input electrode has ferromagnetic properties for polarization of the electron spin (hereinafter referred to as spin polarization) with respect to the magnetization vector of the ferromagnet.
Нанообъектами в предлагаемом устройстве могут служить биомолекулы с магнитным моментом; молекулярные кластеры с магнитным моментом; магнитные наночастицы. Выходной электрод может быть выполнен из материала с ферромагнитными свойствами.Nanoobjects in the proposed device can serve as biomolecules with a magnetic moment; molecular clusters with magnetic moment; magnetic nanoparticles. The output electrode may be made of a material with ferromagnetic properties.
Перечень чертежейList of drawings
Фиг.1 Блок-схема туннельного устройства, гдеFigure 1 Block diagram of a tunnel device, where
1 - входной электрод;1 - input electrode;
2 - ферромагнитный слой входного электрода;2 - ferromagnetic layer of the input electrode;
3 - нанообъекты;3 - nanoobjects;
4 - ферромагнитный слой выходного электрода;4 - ferromagnetic layer of the output electrode;
5 - выходной электрод;5 - output electrode;
6 - управляющие электроды.6 - control electrodes.
Фиг.2 Блок-схема работы туннельного устройства, гдеFigure 2 Block diagram of the operation of the tunnel device, where
1 - внешнее продольное магнитное поле (вдоль преимущественного направления туннельного тока в устройстве);1 - external longitudinal magnetic field (along the preferred direction of the tunneling current in the device);
2 - внешнее перпендикулярное магнитное поле (перпендикулярно преимущественному направлению туннельного тока в устройстве);2 - external perpendicular magnetic field (perpendicular to the predominant direction of the tunneling current in the device);
3 - намагниченность ферромагнитного слоя входного электрода;3 - magnetization of the ferromagnetic layer of the input electrode;
4 - намагниченность ферромагнитного слоя выходного электрода;4 - magnetization of the ferromagnetic layer of the output electrode;
5 - намагниченность нанообъектов;5 - magnetization of nano-objects;
6 - условное изображение направления спинов электронов туннельного тока.6 - conditional image of the direction of the spins of the electrons of the tunneling current.
Фиг.3 Вольт-амперная характеристика симметричного одноэлектронного транзистора.Figure 3 Volt-ampere characteristic of a symmetric single-electron transistor.
Фиг.4 Фотография трехэлектродной реализации устройства, гдеFigure 4 photograph of a three-electrode implementation of the device, where
1 - управляющий электрод;1 - control electrode;
2 - выходной электрод;2 - output electrode;
3 - входной электрод.3 - input electrode.
Фиг.5 Зависимость электронного транспорта от напряжения на управляющем электроде в отсутствие намагниченности входного и выходного электродов и при внешнем магнитном поле В=0.Figure 5 The dependence of electronic transport on the voltage at the control electrode in the absence of magnetization of the input and output electrodes and with an external magnetic field B = 0.
Фиг.6 Вольт-амперная характеристика реализованной модели туннельного устройства6 Volt-ampere characteristic of the implemented model of the tunnel device
1 - при параллельной ориентации намагниченности входного и выходного электродов;1 - with a parallel orientation of the magnetization of the input and output electrodes;
2 - оценка вольт-амперной характеристики для противоположной ориентации намагниченности входного и выходного электродов.2 - assessment of the current-voltage characteristics for the opposite orientation of the magnetization of the input and output electrodes.
В основе заявляемого технического решения лежит использование одноэлектронного туннелирования и спиновой поляризации электронов. Схема устройства представлена на фиг.1.The basis of the proposed technical solution is the use of single-electron tunneling and spin polarization of electrons. The device diagram is presented in figure 1.
Одноэлектронное туннелирование требует выполнения ряда условий на конструкцию и функционирование устройства. Рассмотрим частный случай заявляемого устройства с числом управляющих электродов N=1, упорядоченной структуры с единственным нанообъектом и намагниченностью входного электрода и магнитного нанообъекта, равных нулю. В этом случае получаем трехэлектродную схему устройства, являющегося одноэлектронным транзистором. Схема устройства состоит из центрального электрода (в нашем случае нанообъекта) с собственной емкостью С0, отделенного от внешних электродов туннельными барьерами с емкостями С1 и С2 и достаточно высоким сопротивлением Rt, и управляющего электрода, связанного с центральным электродом при помощи емкости Cg.Single-electron tunneling requires a number of conditions for the design and operation of the device. Consider a special case of the claimed device with the number of control electrodes N = 1, an ordered structure with a single nano-object and the magnetization of the input electrode and magnetic nano-object, equal to zero. In this case, we obtain a three-electrode circuit of a device that is a single-electron transistor. The circuit of the device consists of a central electrode (in our case, a nano-object) with its own capacitance C 0 , separated from the external electrodes by tunnel barriers with capacitances C 1 and C 2 and a sufficiently high resistance R t , and a control electrode connected to the central electrode using capacitance C g .
Для реализации эффекта туннелирования отдельных электронов необходимо выполнение двух основных условий.To realize the tunneling effect of individual electrons, two basic conditions must be satisfied.
1. Условие малости тепловых флуктуаций по отношению к электростатической энергии перехода e2/2CΣ>>kbТ, где kb - постоянная Больцмана, Т - температура. Это условие позволяет оценить требуемую емкость центрального электрода при Т=4,2 К как СΣ~10-16 Ф. Это означает, что для реализации одноэлектронного туннелирования размеры нанообъекта в качестве центрального электрода не должны превышать 50 нм. Для получения более высоких рабочих температур необходимо уменьшать размеры нанообъекта. Использование в качестве центрального электрода нанообъектов с размерами 1-30 нм позволяет выполнить это условие и обеспечить одноэлектронное туннелирование.1. The condition for small thermal fluctuations with respect to the electrostatic transition energy e 2 / 2C Σ >> k b T, where k b is the Boltzmann constant, T is the temperature. This condition allows us to estimate the required capacitance of the central electrode at T = 4.2 K as C Σ ~ 10 -16 F. This means that for the implementation of single-electron tunneling, the dimensions of the nano-object as the central electrode should not exceed 50 nm. To obtain higher operating temperatures, it is necessary to reduce the size of the nanoobject. The use of nanoobjects with sizes of 1-30 nm as the central electrode makes it possible to fulfill this condition and provide single-electron tunneling.
2. Условие малости квантового шума - хаотического туннелирования, когда электроны локализованы на центральном электроде - нанообъекте: сопротивление туннельных переходов Rt>>h/4e2≈6,5 кОм, где h - постоянная Планка.2. The condition for the smallness of quantum noise — chaotic tunneling, when the electrons are localized on the central electrode — the nano-object: the resistance of the tunnel junctions R t >> h / 4e2≈6.5 kOhm, where h is the Planck constant.
Ток между входным и выходным электродами равен нулю при напряжениях, меньших некоторого порогового значения Vt, а при увеличении напряжения ВАХ устройства выходит на асимптоту (фиг.3): <I>=(1/R)(<V>-е/2СΣ).The current between the input and output electrodes is equal to zero at voltages less than a certain threshold value V t , and when the voltage increases, the I-V characteristic of the device reaches the asymptote (Fig. 3): <I> = (1 / R) (<V> -е / 2С Σ ).
Важнейшим свойством данной трехэлектродной схемы является то, что пороговое напряжение блокады Vt периодически, с периодом е в зарядовых единицах, зависит от напряжения на затворе Vg.The most important property of this three-electrode circuit is that the threshold blockade voltage V t periodically, with a period e in charge units, depends on the gate voltage V g .
При наведении на центральный электрод избыточного заряда, большего чемWhen pointing to the central electrode of an excess charge greater than
Q=U/Cg=0,5|e|, электрону выгодно протуннелировать на центральный электрод или с него, так что избыточный заряд центрального электрода снова становится меньше 0,5 |е|. Управляющий электрод позволяет управлять наведенным зарядом нанообъекта, а следовательно, и туннельным током через устройство [1].Q = U / C g = 0.5 | e |, it is advantageous for the electron to tunnel to or from the central electrode, so that the excess charge of the central electrode again becomes less than 0.5 | e |. The control electrode allows you to control the induced charge of the nanoobject, and hence the tunneling current through the device [1].
Спин-поляризация электронов может реализовываться в 3d-ферромагнитных металлах (Fe, Cr, Ni), в которых в процессах проводимости принимают участие магнитные 3d-электроны. Магнитный момент этих металлов отражает разбаланс между числом 3d-электронов со спинами, направленными, например, «вверх», и числом 3d-электронов со спином «вниз». Экспериментальные данные позволяют утверждать, что длина спиновой релаксации во многих металлических ферромагнетиках превышает 10 нм, что позволяет наблюдать эффекты спин-поляризованного транспорта.Spin polarization of electrons can be realized in 3d ferromagnetic metals (Fe, Cr, Ni), in which 3d magnetic electrons take part in conduction processes. The magnetic moment of these metals reflects the imbalance between the number of 3d electrons with spins directed, for example, “up”, and the number of 3d electrons with spin “down”. The experimental data suggest that the length of spin relaxation in many metallic ferromagnets exceeds 10 nm, which makes it possible to observe the effects of spin-polarized transport.
Реализация электрода из мягкого ферромагнетика (Ni80Fe20) толщиной ~2-10 нм позволяет менять ориентацию и величину намагниченности электрода слабыми магнитными полями В~10-3 Тл. В структурах с 3d-ферромагнитными металлами реализуется механизм неодинакового рассеяния (в дальнейшем спин-зависимое рассеяние) двух групп электронов, отличающихся ориентацией спинов по отношению к направлению намагниченности магнитных структур. Вследствие обменного расщепления 3d+ и 3d--зон для уровней энергии выше уровня Ферми возникают различия в плотности незанятых состояний, в которые рассеиваются электроны с разнонаправленными спинами. Дополнительный вклад в эффект спин-поляризации вносит интерференция электронных волн на границах ферромагнетика.The implementation of the electrode from a soft ferromagnet (Ni 80 Fe 20 ) with a thickness of ~ 2-10 nm allows you to change the orientation and magnitude of the magnetization of the electrode by weak magnetic fields B ~ 10 -3 T. In structures with 3d ferromagnetic metals, the mechanism of unequal scattering (hereinafter spin-dependent scattering) of two groups of electrons that differ in the orientation of the spins with respect to the direction of magnetization of the magnetic structures is realized. Due to the exchange splitting of the 3d + and 3d - bands for energy levels above the Fermi level, differences arise in the density of unoccupied states, in which electrons with multidirectional spins are scattered. An additional contribution to the spin polarization effect is made by the interference of electron waves at the boundaries of a ferromagnet.
Реализация электродов из ферромагнетиков с разной коэрцетивной силой позволяет менять взаимную ориентацию намагниченности входного и выходного электродов. Управление взаимной ориентацией позволяет детектировать эволюцию спиновых состояний электронов в туннельном устройстве.The implementation of electrodes made of ferromagnets with different coercive forces makes it possible to change the mutual orientation of the magnetization of the input and output electrodes. Mutual orientation control allows detecting the evolution of electron spin states in a tunneling device.
Предлагаемое туннельное устройство функционирует следующим образом.The proposed tunnel device operates as follows.
- В отсутствие внешнего магнитного поля и намагниченности входного электрода и нанообъектов и в случае реализации упорядоченной структуры с одним нанообъектом под действием какого-либо источника тока, подсоединенного к входному и выходному электродам, в устройстве происходит одноэлектронное туннелирование, коррелированное по времени.- In the absence of an external magnetic field and magnetization of the input electrode and nano-objects and in the case of the realization of an ordered structure with one nano-object under the influence of some current source connected to the input and output electrodes, one-electron tunneling, time-correlated, takes place in the device.
- В более сложных системах, содержащих несколько переходов, возможна строгая пространственная корреляция актов туннелирования в различных переходах. Так для двух последовательно соединенных переходов туннелирование электрона через один переход увеличивает напряжение, а следовательно, и вероятность туннелирования через другой. Средний туннельный ток через такую систему будет определяться переходом с меньшим сопротивлением. Теория коррелированного одноэлектронного туннелирования справедлива для переходов с электродами не слишком малых размеров, энергетический спектр которых можно считать непрерывным. Оценки для проводящего нанообъекта с дискретным энергетическим спектром показывают, что в случае достаточно большого количества электронов на объекте влияние дискретности выразится в появлении на вольт-амперной характеристике устройства микроструктуры, обусловленной размерным эффектом при пространственном квантовании энергии электрона.- In more complex systems containing several transitions, strict spatial correlation of tunneling events in different transitions is possible. So for two series-connected transitions, tunneling an electron through one transition increases the voltage, and hence the probability of tunneling through another. The average tunneling current through such a system will be determined by a transition with lower resistance. The theory of correlated single-electron tunneling is valid for transitions with electrodes of not too small sizes, the energy spectrum of which can be considered continuous. Estimates for a conducting nano-object with a discrete energy spectrum show that in the case of a sufficiently large number of electrons at the object, the effect of discreteness is expressed in the appearance of a microstructure on the current-voltage characteristic of the device due to the size effect in spatial quantization of the electron energy.
- В присутствии магнитного поля будет изменяться намагниченность нанообъектов. Соответственно, изменяется проницаемость туннельных барьеров для электронов в зависимости от ориентации спинов электронов. Для электронов с противоположной ориентацией спина увеличивается спин-зависимое рассеяние в нанообъекте. Это изменяет туннельный ток. Таким образом, реализуется чувствительность устройства к магнитному полю.- In the presence of a magnetic field, the magnetization of nano-objects will change. Accordingly, the permeability of tunneling barriers for electrons varies depending on the orientation of the electron spins. For electrons with opposite spin orientations, spin-dependent scattering in a nano-object increases. This changes the tunneling current. Thus, the sensitivity of the device to the magnetic field is realized.
- При существенном изменении распределения магнитного поля в масштабах задействованной упорядоченной структуры возможно взаимное изменение намагниченности нанообъектов и, следовательно, изменение туннельного тока из-за соответственных изменений проницаемости туннельных барьеров и величин спин-зависимого рассеяния.- With a significant change in the distribution of the magnetic field on the scale of the involved ordered structure, a mutual change in the magnetization of nano-objects is possible and, consequently, a change in the tunneling current due to corresponding changes in the permeability of the tunnel barriers and the values of spin-dependent scattering.
- При намагниченности ферромагнитного слоя входного электрода, достаточной для спин-поляризации электронов проводимости в ферромагнетике при приложенном напряжении между электродами, электроны с противоположным направлением спина отсеиваются. Отобранные электроны с однонаправленными спинами туннелируют через границу электрод - магнитный нанообъект. У магнитного нанообъекта есть своя намагниченность, которая в общем случае может не совпадать с направлением намагниченности входного ферромагнитного слоя. Туннельный ток будет зависеть от взаимной ориентации намагниченности ферромагнитного слоя и нанообъекта. В упорядоченной структуре из нанообъектов электрон будет также испытывать спин-зависимое рассеивание. В случае реализации ферромагнитного слоя у выходного электрода возможна регистрация эффекта поляризации спина электрона нанообъектами. Спиновый ток будет зависеть от относительной намагниченности обоих ферромагнитных слоев и магнитной наночастицы.- When the magnetization of the ferromagnetic layer of the input electrode is sufficient for spin-polarization of conduction electrons in a ferromagnet with an applied voltage between the electrodes, electrons with opposite spin directions are eliminated. Selected electrons with unidirectional spins tunnel through the electrode – magnetic nanoobject interface. A magnetic nanoobject has its own magnetization, which in the general case may not coincide with the direction of magnetization of the input ferromagnetic layer. The tunneling current will depend on the mutual orientation of the magnetization of the ferromagnetic layer and the nano-object. In an ordered structure of nano-objects, the electron will also experience spin-dependent scattering. In the case of the implementation of a ferromagnetic layer at the output electrode, it is possible to register the effect of polarization of the electron spin by nano-objects. The spin current will depend on the relative magnetization of both ferromagnetic layers and magnetic nanoparticles.
- Если магнитное поле В приложено вдоль преимущественного направления туннельного тока в устройстве и перпендикулярно намагниченности входного электрода, то на спин-поляризованные электроны туннельного тока будет действовать момент (gµB/h) [SB], где g - электронный g - фактор, µВ - магнетон Бора, h - редуцированная постоянная Планка, S - спин электрона. В результате действия вращательного момента спин электронов будет прецессировать вокруг направления приложенного магнитного поля В. При повороте спина электрона на (2n+1)π, n=1, 2, 3…, при прохождении между параллельно намагниченными ферромагнитными слоями входного и выходного электродов, величина туннельного тока будет в локальном минимуме как функция величины приложенного магнитного поля.- If the magnetic field B is applied along the predominant direction of the tunneling current in the device and perpendicular to the magnetization of the input electrode, then the moment (gµ B / h) [SB] will act on the spin-polarized electrons of the tunneling current, where g is the electron g-factor, µ B - Bohr magneton, h - Planck's reduced constant, S - electron spin. As a result of the action of the rotational moment, the electron spin will precess around the direction of the applied magnetic field B. When the electron spin is rotated by (2n + 1) π, n = 1, 2, 3 ..., when passing between parallel magnetized ferromagnetic layers of the input and output electrodes, the quantity the tunneling current will be at a local minimum as a function of the magnitude of the applied magnetic field.
Реализация устройстваDevice implementation
Для демонстрации возможностей функционирования заявляемого устройства была создана модель туннельного устройства с использованием нанолитографии на первом этапе, технологии молекулярной диффузии на втором этапе и ЛБ-технологии осаждения гетерогенных молекулярных пленок на третьем этапе.To demonstrate the functioning capabilities of the claimed device, a tunnel device model was created using nanolithography in the first stage, molecular diffusion technology in the second stage and LB technology for the deposition of heterogeneous molecular films in the third stage.
На атомарно чистой поверхности кремния Si(100) методами традиционной литографии формировалась трехэлектродная структура с минимально возможным зазором между входным и выходным электродами d~20 нм. На входной электрод напылялся ферромагнитный слой Co84Fe16 толщиной ~5 нм, а на выходной электрод напылялся ферромагнитный слой Ni80Fe20 толщиной ~5 нм. Разный состав ферромагнетика для электродов позволяет использовать разную величину силы магнитной индукции В для независимого перемагничивания слоев и изменения взаимной ориентации спин-поляризации. В зазор между входным и выходным электродами напылялся предельно узкий (~10 нм) и тонкий (толщина ~2 нм) слой золота, соединяющий входной и выходной электроды. Через сформированный слой золота между входным и выходным электродами пропускали контролируемый электрический ток ~100 нА, напряжение ~1 В, который инициировал процесс электромиграции атомов золота и вызывал через время процесса ~100 минут разрыв золотой пленки и формирование зазора с характерным размером d~2-3 нм.Three-electrode structure with the minimum possible gap between the input and output electrodes d ~ 20 nm was formed on the atomically clean surface of silicon Si (100) by traditional lithography methods. A ~ 84 nm thick Co 84 Fe 16 ferromagnetic layer was sprayed onto the input electrode, and a ~ 5 nm thick Ni 80 Fe 20 ferromagnetic layer was sprayed onto the output electrode. The different composition of the ferromagnet for the electrodes allows the use of different magnitudes of the magnetic induction force B for independent magnetization reversal of the layers and a change in the mutual orientation of the spin polarization. An extremely narrow (~ 10 nm) and thin (~ 2 nm thick) layer of gold connecting the input and output electrodes was sprayed into the gap between the input and output electrodes. A controlled electric current of ~ 100 nA, a voltage of ~ 1 V, which initiated the process of electromigration of gold atoms and caused a rupture of the gold film and the formation of a gap with a characteristic size of d ~ 2-3, was passed through the formed layer of gold between the input and output electrodes nm
Нанообъект для устройства формировался с помощью LB-технологии на поверхности воды. Была выбрана матрица из полимера PVP 20 и наночастиц оксида железа γ-Fе2О3, образованных разложением пентакарбонила железа в контакте с воздухом. После образования наночастиц монослой поджимался до образования двумерной молекулярной структуры полимера с включенными в нее наночастицами, а затем переносился с поверхности жидкости на поверхность образца с электродами.The nano-object for the device was formed using LB technology on the surface of the water. A matrix of PVP 20 polymer and γ-Fe 2 O 3 iron oxide nanoparticles formed by the decomposition of iron pentacarbonyl in contact with air was selected. After the formation of nanoparticles, the monolayer was compressed to form a two-dimensional molecular structure of the polymer with nanoparticles included in it, and then transferred from the surface of the liquid to the surface of the sample with electrodes.
На фиг.5 представлена сигнальная характеристика модели устройства, демонстрирующая периодичность изменения туннельного тока в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Подобный вид сигнальной характеристики определяется одноэлектронным характером туннелирования электронов через наночастицу.Figure 5 presents the signal characteristic of the model of the device, showing the frequency of changes in the tunneling current depending on the voltage at the control electrode. A similar type of signal characteristic is determined by the single-electron character of electron tunneling through a nanoparticle.
На фиг.6 представлена вольт-амперная характеристика модели устройства при комнатной температуре. Для Т~300 К расчетное снижение туннельного тока через устройство составит величину ~8-10% в случае антипараллельного направления намагниченности входного и выходного электродов (кривая 2).Figure 6 presents the current-voltage characteristic of the model of the device at room temperature. For T ~ 300 K, the calculated decrease in the tunneling current through the device will be ~ 8-10% in the case of the antiparallel magnetization direction of the input and output electrodes (curve 2).
В качестве нанообъектов в туннельном устройстве можно использовать такие биомолекулы с магнитными свойствами, как магнетоферритин - водорастворимый белок ферритин, в котором магнитное ядро заменено на магнетит или маггемит с большей намагниченностью и состоящий из «неорганического» ядра диаметром ~7 нм и белковой оболочки с толщиной ~6 нм. Наличие белковой оболочки обеспечивает биосовместимость частиц ферритина и позволяет использовать туннельное устройство в качестве сенсора собственных магнитных полей биообъектов [2].Magnetic properties such as magnetoferritin — a water-soluble ferritin protein in which the magnetic core is replaced with magnetite or maghemite with higher magnetization and consisting of an “inorganic” core with a diameter of ~ 7 nm and a protein shell with a thickness of ~ 6 nm. The presence of a protein shell ensures biocompatibility of ferritin particles and allows the use of a tunneling device as a sensor of intrinsic magnetic fields of biological objects [2].
В качестве нанообъектов в туннельном устройстве можно использовать молекулярные кластеры с магнитным моментом. Высокая степень упорядоченности и воспроизводимости молекулярных кластеров позволяет создавать устройства с воспроизводимыми туннельными параметрами. Использование фуллереновых кластеров в качестве оболочки для металлической наночастицы позволяет решить проблему сильного окисления металлических наночастиц и сохранения их высоких магнитных свойств. Часть электронной плотности с атомов металла передается фуллереновой оболочке. Таким образом, между отдельными углеродными кластерами, содержащими металлические атомы, устанавливается обменное взаимодействие, необходимое для выстраивания спинов в одном направлении и возникновения намагниченности.Molecular clusters with magnetic moment can be used as nanoobjects in a tunneling device. A high degree of orderliness and reproducibility of molecular clusters allows the creation of devices with reproducible tunnel parameters. The use of fullerene clusters as a shell for a metal nanoparticle allows us to solve the problem of strong oxidation of metal nanoparticles and the preservation of their high magnetic properties. Part of the electron density from metal atoms is transferred to the fullerene shell. Thus, between individual carbon clusters containing metal atoms, the exchange interaction is established, which is necessary for alignment of spins in one direction and the appearance of magnetization.
Полученный технический результат:The resulting technical result:
- туннельный ток в устройстве управляется внешним магнитным полем или комбинацией магнитного поля и напряжения на управляющих электродах;- the tunneling current in the device is controlled by an external magnetic field or a combination of a magnetic field and voltage at the control electrodes;
- устройство отличается высокой эффективностью и экономичностью, так как в спиновых устройствах изменение спина электрона практически не требует затрат энергии и, следовательно, эффективного теплоотвода, а в промежутках между операциями устройство может отключаться от источника питания, при изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется.- the device is characterized by high efficiency and economy, since in spin devices changing the electron’s spin practically does not require energy and, therefore, efficient heat removal, and in the intervals between operations the device can be disconnected from the power source, when changing the direction of the spin, the kinetic energy of the electron does not change.
- устройство отличается высоким быстродействием, так как переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд;- the device is characterized by high speed, since the spin flip is carried out in a few picoseconds;
- в одноэлектронных устройствах нет видимых ограничений на миниатюризацию устройств, уменьшение характерных размеров приводит к усилению эффекта корреляции, что позволяет поднять рабочую температуру вплоть до Т~300 К;- in single-electron devices there are no visible restrictions on the miniaturization of devices, a decrease in the characteristic size leads to an increase in the correlation effect, which makes it possible to raise the operating temperature up to T ~ 300 K;
- воспроизводимость туннельных параметров (одинаковость отклика на внешнее воздействие) обеспечивается использованием магнитных молекулярных кластеров, которые имеют фиксированное строение и образуют упорядоченную структуру.- reproducibility of tunnel parameters (the same response to external influences) is ensured by the use of magnetic molecular clusters, which have a fixed structure and form an ordered structure.
Источники информацииInformation sources
1. D.V.Averin, K.K.Likharev in "Mesoscopc Phenomena in Solids", Ed. by B.L.Altshuler, P.A.Lee, R.A.Webb, Elsevier Science Publishers B.V., 1991, p.173.1. D.V. Averin, K.K. Likharev in "Mesoscopc Phenomena in Solids", Ed. by B.L. Altshuler, P.A. Lee, R.A. Webb, Elsevier Science Publishers B.V., 1991, p. 173.
2. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю. Усп. Хим., 2005 (74), 6, 539-574.2. Gubin S.P., Koksharov Yu.A., Khomutov GB, Yurkov G.Yu. Usp. Chem., 2005 (74), 6, 539-574.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007146159/28A RU2367059C1 (en) | 2007-12-13 | 2007-12-13 | Tunnel device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007146159/28A RU2367059C1 (en) | 2007-12-13 | 2007-12-13 | Tunnel device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007146159A RU2007146159A (en) | 2009-06-20 |
| RU2367059C1 true RU2367059C1 (en) | 2009-09-10 |
Family
ID=41025478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007146159/28A RU2367059C1 (en) | 2007-12-13 | 2007-12-13 | Tunnel device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2367059C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8400066B1 (en) | 2010-08-01 | 2013-03-19 | Lawrence T. Pileggi | Magnetic logic circuits and systems incorporating same |
| RU2478974C2 (en) * | 2011-05-31 | 2013-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" (ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева") | Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof |
| RU2791963C1 (en) * | 2022-07-25 | 2023-03-14 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Method for switching the carrier type in carbon diamond-like films |
-
2007
- 2007-12-13 RU RU2007146159/28A patent/RU2367059C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8400066B1 (en) | 2010-08-01 | 2013-03-19 | Lawrence T. Pileggi | Magnetic logic circuits and systems incorporating same |
| RU2478974C2 (en) * | 2011-05-31 | 2013-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" (ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева") | Method for replication of direct current force unit, and device for implementation thereof |
| RU2791963C1 (en) * | 2022-07-25 | 2023-03-14 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Method for switching the carrier type in carbon diamond-like films |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007146159A (en) | 2009-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10879452B2 (en) | Magnetic tunnel junction device and magnetic memory device | |
| US10283561B2 (en) | Two-terminal spintronic devices | |
| CN101026188B (en) | Single-charge tunnelling device | |
| JP4583443B2 (en) | Magnetoelectric field effect transistors for spintronics applications | |
| Shekhter et al. | Nanoelectromechanics of shuttle devices | |
| Meng et al. | Non-planar geometrical effects on the magnetoelectrical signal in a three-dimensional nanomagnetic circuit | |
| Guimarães et al. | Spin transport in graphene nanostructures | |
| Alphenaar et al. | Spin transport in nanotubes | |
| RU2367059C1 (en) | Tunnel device | |
| Wells et al. | Controlled manipulation of domain walls in ultra-thin CoFeB nanodevices | |
| Makihara et al. | Nano spin-diodes using FePt-NDs with huge on/off current ratio at room temperature | |
| Ernult et al. | Spin accumulation in metallic nanoparticles | |
| Bordoloi | Spin Projection and Correlation Experiments in Nanoelectronic Devices | |
| Morgan | Magnetoresistance and transport in carbon nanotube-based devices | |
| Adeyeye et al. | Domain wall trapping at mesoscopic ferromagnetic junctions | |
| KR101905069B1 (en) | Method for measuring magnetization direction of nanomagnets | |
| Johnson | The bipolar spin transistor | |
| Sahu | Characterization of Spin Hall and Magneto-ionic Devices for Logic, Memory and Neuromorphic Applications | |
| Mohota et al. | Integration of Bimetallic Co–Ni Thick Film-Based Devices for Spintronics | |
| Sharma et al. | Spintronic Technology Applications for Artificial Intelligence | |
| Zheng | Study of soft magnetic thin films and patterned devices with MOKE imaging technique | |
| Abdullah | Spin Current Amplification by a Geometrical Ratchet Effect | |
| Sverdlov et al. | Electron and spin transport in semiconductor and magnetoresistive devices | |
| Gandini | Nanofabrication and characterization of spin orbit logic devices | |
| Wong | Enhanced spin-orbit torque (SOT) and spin accumulation quantification in perpendicularly magnetised systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RH4A | Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation |
Effective date: 20091225 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201214 |