RU2408940C2 - Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура - Google Patents
Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура Download PDFInfo
- Publication number
- RU2408940C2 RU2408940C2 RU2008142306/08A RU2008142306A RU2408940C2 RU 2408940 C2 RU2408940 C2 RU 2408940C2 RU 2008142306/08 A RU2008142306/08 A RU 2008142306/08A RU 2008142306 A RU2008142306 A RU 2008142306A RU 2408940 C2 RU2408940 C2 RU 2408940C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- nanoclusters
- antiferromagnetic
- magnetoresistive
- magnetically
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Thin Magnetic Films (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, магнитных запоминающих и логических элементах, спиновых транзисторах на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом. Техническим результатом является создание магниторезистивной наноструктуры, технология производства которой гарантирует требуемые параметры: гигантский магниторезистивный эффект в материале при работоспособности в условиях повышенной температуры (до 50°С), а также обеспечение высокой воспроизводимости параметров в условиях серийного производства. Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура содержит несколько наборов чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров, изолированных сверху и снизу сплошным диэлектрическим слоем из антиферромагнитного материала. Один набор содержит последовательно антиферромагнитный слой, слой магнитомягких нанокластеров, антиферромагнитный слой, слой магнитожестких нанокластеров, антиферромагнитный слой, причем толщина нанокластерной пленки равна 0,8-2,5 нм. Количество указанных наборов слоев равно от 2 до 5. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, магнитных запоминающих и логических элементах, спиновых транзисторах на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом.
Известно много различных структур, обладающих магниторезистивным эффектом, на основе однородных тонкопленочных структур типа ферромагнитный слой - промежуточный слой из немагнитного металла - второй ферромагнитный слой с увеличенной коэрцитивной силой, например: С.И.Касаткин, И.Д.Киселева, В.В.Лопатин, A.M.Муравьев, Ф.Ф.Попадинец, А.В.Сватков. Магниторезистивный датчик. Патент РФ №2139602, 2000. Такие структуры обладают рядом принципиальных недостатков, что препятствует их практическому использованию, несмотря на то, что они были предложены более десяти лет назад. Основными недостатками таких структур являются малая величина магниторезистивного эффекта, низкое сопротивление реальных устройств на основе таких тонкопленочных структур и низкие рабочие температуры магниторезистивных элементов на основе таких материалов.
Известны тонкопленочные структуры типа ферромагнитный металл - туннельный контакт в виде диэлектрического материала толщиной на уровне нанометра - второй ферромагнитный металл с увеличенной коэрцитивной силой за счет обменного взаимодействия с дополнительным нижележащим слоем из антиферромагнитного материала, создающего эффект обменного смещения (S.I.Kasatkin, A.M.Muravjev, P.I.Nikitin, F.A.Pudonin, A.Y.Toporov, M.V.Valeiko. Sandwitched thin-film structures for magnetoresistive spin-tunneling sensors. Sensor and Actuators A. Physical 2000, v.81, (1-3), p.57-59). Устройства на основе таких тонкопленочных структур отличаются существенно большими значениями магниторезистивного эффекта, высокими значениями сопротивления, связанными с туннелированием электронов через потенциальный барьер, и большим быстродействием. Однако такие тонкопленочные структуры имеют существенные технологические ограничения, связанные с чрезвычайно малой толщиной диэлектрического слоя на уровне одного нанометра, что приводит в реальном технологическом процессе изготовления такой структуры к возникновению омических закороток между двумя рабочими ферромагнитными слоями и малому выходу годных приборов. На данном этапе развития технологии эта проблема является трудноразрешимой.
Известно также техническое решение в виде многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры (Касаткин С.И., Муравьев A.M., Пудонин Ф.А. Многослойная тонкопленочная магниторезистивная структура. Патент РФ №2334306), в которой разделительный слой между магнитомягкой и магнитотвердой пленками выполнен из карбида кремния. Недостатками данной наноструктуры являются возможность появления омических закороток между магнитомягким и магнитотвердым слоями и сильная деполяризация спиновых состояний электронов при прохождении через аморфный слой разделительного материала, что неизбежно приводит к значительному снижению величины магниторезистивного эффекта.
Наиболее близкой к заявляемой наноструктуре является наноструктура, содержащая два типа ферромагнитных нанокластеров, характеризующихся различными значениями коэрцитивной силы, и разделенных туннельными барьерами из диэлектрического материала (Пудонин Ф.А., Болтаев А.П., Касаткин С.И. Многослойная нанорезистивная структура. Патент РФ №2318255 С1, 2006).
Эффект обменного смещения, необходимый для поддержания двух различных состояний намагниченности системы из магнитомягких и магнитотвердых нанокластеров намагниченности двух магнитных подсистем направлены параллельно или антипараллельно - достигается за счет формирования чрезвычайно тонких и трудно контролируемых по толщине слоев антиферромагнитных окислов на поверхности магнитомягких и магнитотвердых островков. В результате эффект обменного смещения имеет недостаточное значение для надежного функционирования магниторезистивных элементов, кроме того, эффект обменного смещения в известных структурах такого типа обычно исчезает при температуре около 20°С, что недостаточно для устройств, предназначенных для работы в стандартном температурном интервале от 0 до 50°С.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивной наноструктуры, технология производства которой гарантирует требуемые параметры: гигантский магниторезистивный эффект в материале при работоспособности в условиях повышенной температуры (до 50°С), а также обеспечение высокой воспроизводимости параметров наноструктур в условиях серийного производства.
Указанный технический результат достигается тем, что многослойная магниторезистивная композитная наноструктура содержит несколько наборов чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров, изолированных сверху и снизу сплошным диэлектрическим слоем из антиферромагнитного материала, каждый набор содержит последовательно антиферромагнитный слой, слой магнитомягких нанокластеров, антиферромагнитный слой, слой магнитожестких нанокластеров, антиферромагнитный слой.
При этом количество указанных наборов слоев равно от двух до пяти, причем размер нанокластеров по длине и ширине составляет от 5 до 50 нм, а по толщине от 1,2 до 2,5 нм. Магнитомягкие нанокластеры изготовлены, например, из сплава никеля и железа (NiFe), магнитожесткие нанокластеры, например, из сплава кобальта и никеля (CoNi), a антиферромагнитный слой изготовлен из окиси никеля (NiO).
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Предложенная магниторезистивная наноструктура содержит два типа наноразмерных кластеров из двух ферромагнитных материалов, один из которых является магнитомягким, а другой - магнитотвердым, в матрице из антиферромагнитного материала.
При толщине слоя ферромагнитного металла 1,2-2,5 нм пленка не является сплошной, а представляет собой слой нанокластеров, если осаждение пленки производится на нижележащий слой из диэлектрического антиферромагнитного материала. Причем нанокластеры имеют в плоскости наноструктуры размер по длине и ширине от 5 до 50 нм. Наличие двух типов магнитных нанокластеров с различной коэрцитивной силой (магнитомягких и магнитотвердых нанокластеров) обеспечивает существование гигантского магниторезистивного эффекта, а антиферромагнитный материал обеспечивает формирование туннельных контактов между смежными ферромагнитными нанокластерами.
Технология производства данной конструкции многослойной магниторезистивной наноструктуры гарантирует требуемые параметры (технические характеристики) магниторезистивного материала и обеспечивает высокую воспроизводимость в условиях серийного производства.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен элемент конструкции магниторезистивной композитной наноструктуры в разрезе, содержащий один набор чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров. На фиг.2 представлена магниторезистивная композитная наноструктура в разрезе, содержащая четыре набора чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров.
Согласно чертежам, многослойная магниторезистивная композитная наноструктура содержит последовательно нанесенные на подложку (1) нижний электрод (2), слои из антиферромагнитного материала (3), нанокластеры из ферромагнитного магнитожесткого металла (4), нанокластеры из ферромагнитного магнитомягкого металла (5), слои из антиферромагнитного материала (3), верхний электрод (6).
Функционирование наноструктуры с гигантским туннельным магниторезистивным эффектом происходит следующим образом.
Рассмотрим для примера наноструктуру, содержащую одну пару чередующихся слоев: антиферромагнитный слой из окиси никеля (NiO) толщиной 2 нм - слой нанокластеров из магнитомягкого материала, например сплава никеля и железа (FeNi) с эффективной толщиной порядка 2 нм, антиферромагнитный слой из окиси никеля (NiO) толщиной 2 нм - слой нанокластеров из магнитожесткого материала, например сплава кобальта и никеля (CoNi) с эффективной толщиной 2 нм. Исследования модельных образцов с нанокластерами из материалов FeNi и CoNi на подслое окиси никеля методом сканирующей туннельной микроскопии показали, что нанокластеры имеют характерные размеры от 5 до 12 нм в плоскости слоя и толщину на уровне 2 нм. Через многослойную магниторезистивную композитную наноструктуру пропускают сенсорный ток, величина которого зависит от взаимной ориентации намагниченностей магнитомягких и магнитожестких кластеров.
Возможно создание магнитной наноструктуры, состоящей из чередующихся пар: слой диэлектрического антиферромагнитного материала толщиной от 1 до 3 нм и слой нанокластеров из магнитомягкого ферромагнитного металла с эффективной толщиной 1,2-2,5 нм; слой антиферромагнитного материала толщиной 1-3 нм и слой нанокластеров из магнитотвердого ферромагнитного материала с эффективной толщиной 1,2-2,5 нм.
Общее количество наборов слоев в наноструктуре может изменяться в интервале от 2 до 5 в зависимости от толщины индивидуальных слоев и требуемых параметров материала.
Использование указанного типа наноструктур позволяет устранить главную проблему стандартных тонкопленочных магниторезистивных композитных структур, в которых используются сплошные пленки ферромагнитных металлов и диэлектриков, так как в предлагаемом нами варианте наличие омических закороток между отдельными нанокластерами не приводит к катастрофическому отказу магниторезистивного элемента, а лишь незначительно снижает результирующее сопротивление, при этом перенос носителей заряда происходит в результате квантового туннелирования электронов сквозь барьерный слой антиферромагнитного диэлектрика, в результате не происходит снижения величины туннельного магниторезистивного эффекта.
Claims (5)
1. Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура, содержащая несколько наборов чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров, изолированных сверху и снизу сплошным диэлектрическим слоем из антиферромагнитного материала, отличающаяся тем, что набор содержит последовательно антиферромагнитный слой, слой магнитомягких нанокластеров, антиферромагнитный слой, слой магнитожестких нанокластеров, антиферромагнитный слой.
2. Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что количество указанных наборов слоев равно от 2 до 5.
3. Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что размер нанокластеров составляет по длине и ширине от 5 до 50 нм, а по толщине от 1,2 до 2,5 нм.
4. Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что магнитомягкие нанокластеры изготовлены, например, из сплава никеля и железа (NiFe), а магнитожесткие нанокластеры - из сплава кобальта и никеля (CoNi).
5. Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что антиферромагнитный слой изготовлен из окиси никеля (NiO).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008142306/08A RU2408940C2 (ru) | 2008-10-27 | 2008-10-27 | Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008142306/08A RU2408940C2 (ru) | 2008-10-27 | 2008-10-27 | Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008142306A RU2008142306A (ru) | 2010-05-10 |
RU2408940C2 true RU2408940C2 (ru) | 2011-01-10 |
Family
ID=42673286
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008142306/08A RU2408940C2 (ru) | 2008-10-27 | 2008-10-27 | Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2408940C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2481369C1 (ru) * | 2012-03-29 | 2013-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Способ крепления резин друг к другу |
RU2731531C1 (ru) * | 2019-05-08 | 2020-09-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые спинтронные технологии" (ООО "НСТ") | Вихревой спиновый диод, а также приемник и детектор на его основе |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2767593C1 (ru) * | 2021-07-19 | 2022-03-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ изготовления магниторезистивных наноструктур |
-
2008
- 2008-10-27 RU RU2008142306/08A patent/RU2408940C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ДЕХТЯРУК Л.В. Гигантский магниторезистивный эффект в магнитоупорядоченных трехслойных пленках. В: Вюник СумДу, серия «Физика, математика, механiка», № 2, 2007. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2481369C1 (ru) * | 2012-03-29 | 2013-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Способ крепления резин друг к другу |
RU2731531C1 (ru) * | 2019-05-08 | 2020-09-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые спинтронные технологии" (ООО "НСТ") | Вихревой спиновый диод, а также приемник и детектор на его основе |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008142306A (ru) | 2010-05-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4371781B2 (ja) | 磁気セル及び磁気メモリ | |
CN109755382B (zh) | 一种垂直磁电阻元件的顶覆盖层及其制作方法 | |
JP4714918B2 (ja) | スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置 | |
US8043732B2 (en) | Memory cell with radial barrier | |
CN102270736B (zh) | 一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法 | |
SE531384C2 (sv) | Multipla magnetoresistansanordningar baserade på metalldopad magnesiumoxid | |
US8722211B2 (en) | Magnetic memory devices and methods of manufacturing such magnetic memory devices | |
CN105122489A (zh) | 一种用于温度传感器的纳米磁性多层膜及其制造方法 | |
US8188558B2 (en) | ST-RAM magnetic element configurations to reduce switching current | |
CN104823292A (zh) | 用于多层磁性材料的改良式晶种层 | |
Mohiuddin et al. | Graphene in multilayered CPP spin valves | |
WO2006049407A1 (en) | Current induced magnetoresistance device | |
US8105703B2 (en) | Process for composite free layer in CPP GMR or TMR device | |
CN107910439A (zh) | 拓扑绝缘磁电阻器件 | |
US6291993B1 (en) | Magnetic field sensor and method for making same | |
US11917925B2 (en) | Magnetoresistive devices and methods therefor | |
RU2408940C2 (ru) | Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура | |
US7602590B2 (en) | Tunneling magneto-resistive spin valve sensor with novel composite free layer | |
Schneider et al. | Towards molecular spintronics: magnetotransport and magnetism in carbon nanotube-based systems | |
US8551626B2 (en) | CCP-CPP magnetoresistive reader with high GMR value | |
JP2006049426A (ja) | 磁気抵抗効果素子とその製造方法、およびそれを用いた磁気ヘッドと磁気再生装置 | |
Su et al. | Two-dimensional layered materials-based spintronics | |
Blamire et al. | Nanopillar junctions | |
Stognei et al. | Low temperature behaviour of the giant magnetoresistivity in CoFeB–SiOn granular composites | |
RU2409515C2 (ru) | Многослойная магниторезистивная композитная наноструктура |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171028 |