Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas
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EFEITOS DA BAIXA ALTURA DO POTENCIAL DA BARREIRA EM JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS. E. S. Cruz de Gracia, 1 L. S. Dorneles, 2 L. F. Schelp, 2 S. R. Teixeira 1 e M. N. Baibich, 1. 1 Instituto de Físca – UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil 2 Departamento de Física- UFSM, Santa Maria, RS, Brasil.

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Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

EFEITOS DA BAIXA ALTURA DO POTENCIAL DA BARREIRA EM JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

E. S. Cruz de Gracia,1 L. S. Dorneles,2 L. F. Schelp,2 S. R. Teixeira1 e M. N. Baibich,1

1 Instituto de Físca – UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil2 Departamento de Física- UFSM, Santa Maria, RS, Brasil

Trabalho parcialmente financiado pelo Conselho Nacional para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Centro Latino-Americano de Física (CLAF) e pela Fundação Cruz


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

MTJ (Junção túnel magnética) JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

TMR (Magnetorresistência túnel)

DOS (Densidade de estados)

SDT (Tunelamento dependente de spin)

ACRÔNIMOS


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

magneto-resistência túnel JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

isolante

F2

F1

TUNELAMENTO FAVORECIDO QUANDO F1 E F2 ESTÃO PARALELOS

MRT (TMR)


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Proceedings of the IEEE V.91 N. 05 p. 661. May (2003) JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

HOJE: Esquema simplificado de uma MTJ


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

HOJE: JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASMTJs no mercado de tecnologia MRAM

IBM J. RES. & DEV. V. 50 N. Jan (2006)

Matriz de MTJs utilizadas em arquitetura de MRAM


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Sharma et al. PRL V. 82 N. 3 p. 616 (1999) JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Barreira TaOx (φ = 0,4 eV)

T = 297 K

Barreira Al2O3 (φ≥ 2,0 eV)

Motivação: A contribuição da barreira


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

φ JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASC< φB< φA Altura relativa da barreira

VC< VB< VATensão crítica (TMR=0)

TMRC< TMRB< TMRAMagnetorresistência túnel

Li et al. PRB V.69 .0544108p. (2004) e Ren et al. J. Phys.: Condens. Matt. 17 p. 4121 (2005)

Motivação: A contribuição da barreira


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Metodologia experimental JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: Técnica de deposição

Câmara para desbastamento iônico


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Ta(98 JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASÅ)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O2(X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)

Metodologia experimental: Formatação das MTJs


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Metodologia experimental JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: Formatação das MTJs


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Ângelo Morrone LAM-IF UFRGS JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Metodologia experimental: Transporte eletrônico


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Densidade da Corrente de Tunelamento (direção reversa): JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Resultados e discussão: Curva I-V experimental e calculada


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Resultados e discussão JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: Os valores

Para uma distância de 50 mm entre o canhão e o substrato,

as MTJs mostraram:

1. Barreiras com baixa assimetria (≈ 0,2 eV)

2. Baixa altura da barreira (≈ 1,0 eV)

3. Área efetiva (10-8 até 10-9 cm2) menor que a área geométrica (4x10-4 cm2)

4. Espessura efetiva da barreira de 9 Å até 12 Å


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Binnig e Rohrer Rev. Mod. Phys. V. 59 p. 615 (1987) JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Perfil da corrente de tunelamento para uma junção túnel

Resultados e discussão: Tunelamento quântico através de Hot Spots


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Ta(98 JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASÅ)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

Resultados e discussão:Duas regiões magnéticas diferentes


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

R JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASAP > RP

T = 300 K

Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (45 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

Resultados e discussão:Válvula magnética


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Ta(98 JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASÅ)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100).

Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistência túnel


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Resultados e discussão JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: Inversão da magnetorresistência túnel


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

R JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASAP< RP

Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistência túnel


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Resultados e discussão JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: A DOS massiva

500 mV


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Coeficiente de Transmissão JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Vetor de Onda da Barreira

Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura

Li et al. (2004) e Ren et al. (2005): A forte dependência da altura da barreira de potencial com

a tensão aplicada, é responsável pela forte dependência da

TMR com a tensão. Desta forma, é possível observar o efeito da altura sobre a TMR em função da tensão.


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Fator de Coerência Quântica JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura

Vcri≈250 mV


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Resultados e discussão JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Produção das Amostras JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

As MTJs foram depositadas sob condições de oxidação que garantem:

- Baixa altura da barreira

- Baixa assimetria da barreira

- Forte dependência da TMR com a tensão aplicada

-Tunelamento quântico como mecanismo de transporte eletrônico

Conclusões:

Isto possibilitou:

- Inversão da TMR com a tensão aplicada à 77 K


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Inversão da TMR JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

- A DOS massiva está em acordo com o fator A(Ex ,V) mostrando que não há inversão da população de spin

- O fator de coerência quântica D(Ex ,V) é o único termo capaz de

diminuir e inverter a TMR devido à tensão aplicada e à baixa altura da barreira

Conclusões:

Portanto, podemos concluir que a inversão da TMR está em acordo com o modelo de Li et al. (2004) e Ren et. (2005)


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Obrigado...!!! JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

BAS 450PM Ta(98 JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASÅ)/Fe(433)/TM/SiO2(100)/TM/Co50Fe50(402)/Cu(100)

BAK 600 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O2(X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)

Metodologia experimental: Controle do alinhamento magnético


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Perspectivas JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS:

- Depositar o sistema Py/TaOx/Co sob nossas condições de oxidação para estudar a inversão da TMR numa maior faixa de tensões aplicadas

- Depositar os sistemas Py/TaOx/AlOx/Co e Py/AlOx/TaOx/Co para estudar os efeitos na TMR provocados pela posição da barreira. Segundo a teoria de Li et al. e Ren et al. ambas as curvas de TMR devem apresentar uma inversão de simetria


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Espessura Py JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Camadas de Fe

Ta (1,24 Å/s)

Metodologia experimental: Calibração da Taxa


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Metodologia experimental JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: Controle do alinhamento magnético

BAS 450PM Ta(98 Å)/Fe(433)/TM/SiO2(100)/TM/Co50Fe50(402)/Cu(100)

BAK 600 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O2(X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Canhão para Desbaste JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Para uma distância de 50 mm entre o canhão e o substrato,

as MTJs mostraram:

- Baixa altura da barreira

- Baixa Assimetria

- Forte dependência da TMR com a tensão aplicada

Metodologia experimental: Definindo as propriedades


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

CoFe/AlO JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICASx/Co T= 300 K

Oxidação muito forte

Fracamente Oxidada

Du et al. Phy. Stat. Sol. A V.199 N.2 p.289 (2003)

Metodologia experimental: Definindo as propriedades


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Faixa de temperatura: 1,5 K até 300 K JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS

Metodologia experimental: Temperatura


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Metodologia experimental JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS: Campo magnético

Hmax ≈ 4,0 kOe


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Parâmetros intrínsecos da barreira obtidos através de ajustes às curvas I-V usando o modelo de

Simmons e Chow. Espessura efetiva da barreira (tAlOx ), altura do potencial da barreira (φ),

área efetiva de tunelamento (Aeff) e tempo de oxidação (Tox). Curvas I-V medidas a 300 K e os

eletrodos ferromagnéticos no estado de magnetização antiparalela.

Resultados e discussão: Os valores tabelados

Observa-se: 1. Barreiras com baixa assimetria

2. Baixa altura da barreira

3. Área efetiva (10-8 até 10-9 cm2) menor que a área geométrica (4x10-4 cm2)

4. Espessura efetiva da barreira de 9 Å até 12 Å


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Resultados e discussão ajustes às curvas :Duas regiões magnéticas diferentes


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Ta(98 ajustes às curvas Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)


Efeitos da baixa altura do potencial da barreira em jun es t nel magn ticas

Ta(98 ajustes às curvas Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(31) + O2 (60 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)