Элементы и устройства спинтроники

В основе устройств, использующих ГМС, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 3.64. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле фиксировано, иными словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика не фиксирован – его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5 – 10 % выше, чем при параллельных полях.

Рис. 3.64. Структура спинового клапана

Еще один тип спинового клапана можно построить, используя явление магнитного туннельного перехода. Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора (рис. 3.65). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20 –40 %.

Рис. 3.65. Магнитный туннельный переход

Большой интерес при создании спиновых клапанов вызывают структуры ферромагнетик-полупроводник, разделенные туннельно прозрачным слоем диэлектрика. Первоначально в качестве полупроводника использовали арсенид галлия, но в 2007 году удалось создать первое работоспособное кремниевое устройство. Однако, работало оно только при низких температурах (ниже 85 К). К тому же в устройстве применялся кремний очень высокой степени очистки. Двумя годами позже ученые из университета Твента (Нидерланды) создали устройство, работающее при комнатной температуре (рис. 3.66).

а) б)

Рис. 3.66. Структура спинового клапана на основе кремния (а) и его структурная схема (б)

В созданном ими устройстве ученые использовали в качестве ферромагнетика железо-никелевый сплав, аналогичный используемому в считывающих головках магнитных дисков, в качестве полупроводника – пластинку кремния n- или p-типа, в качестве слоя диэлектрика – оксид алюминия толщиной менее одного нанометра. Ультрамалая толщина оксидной пленки и ее качество стали ключевым моментом успешной работы устройства. Эксперименты показали, что глубина проникновения спин-поляризованного потока электронов из ферромагнетика в кремний составила 230 нм для электронов и 310 нм для дырок, что более чем достаточно для функционирования устройства.

В 1990 году двое американских ученых С. Датта и Б. Дас предложили идею создания спинового полевого транзистора (spin FET), который построен по принципу обычного полевого транзистора (рис. 3.67). Только исток и сток в нем выполнены из ферромагнитного материала и намагничены в направлении протекания тока в канале. Для управления проводимостью канала предложено с помощью затвора управлять прецессией спинов, которая возникает при движении электронов в канале.

Рис. 3.67. Спиновый полевой транзистор

Функционирование спинового полевого транзистора происходит следующим образом. Из истока инжектируются электроны с направлением спина вдоль канала. При отсутствии напряжения на затворе эти электроны без изменения спина полностью попадают в область стока прибора. Подача на затвор напряжения приводит к появлению электрического поля, которое вызывает спин-орбитальное взаимодействие (эффект Рашбы) в канале транзистора. Это приводит к появлению магнитного поля в направлении, перпендикулярном одновременно и направлению движения электронов, и направлению электрического поля. Величина магнитного поля определяется величиной прикладываемого к затвору напряжения. Это магнитно поле вызывает прецессию спинов движущихся к стоку электронов. Скорость прецессии не зависит от скорости движения электронов, поэтому акты рассеяния в канале, приводящие к изменению скорости движения электронов, не влияют на прецессию спина. Спины всех электронов, пришедших к стоку, поворачиваются примерно на один и тот же угол относительно своей начальной ориентации по выходу из истока: В результате ток стока транзистора уменьшается.

Интересное развитие идея спинового полевого транзистора получила в работах ученых из университета Halle-Wittenberg (Германия), которые предложили в качестве затвора использовать слой из мультиферроика со спиральным магнитным упорядочением. Мультиферроиками или сегнетомагнетиками называют материалы с уникальным сочетанием электрических и магнитных свойств, в которых сосуществуют одновременно два типа «ферро»-упорядочения: ферромагнитное (ferromagnetic) и сегнетоэлектрическое (ferroelectric).

Эффективной работе спинового полевого транзистора препятствует довольно сильное рассеяние электронов, что приводит к случайному характеру прецессии и расфазировке спинов, так что прибор может работать только в баллистическом режиме пролета электронов через полупроводник. Использование двумерного электронного газа, образующегося на поверхности оксидного диэлектрика, позволяет спиновому полевому транзистору работать не только в баллистическом режиме. То обстоятельство, что диэлектрик обладает свойствами мультиферроика, дает возможность управлять его магнитной структурой с помощью электрического поля. В качестве такой магнитоэлектрической среды предполагается использовать спиральный мультиферроик на основе тербия-марганца-кислорода TbMnO₃, в котором направление электрической поляризации напрямую связано с направлением поворота спинов в магнитной спирали циклоидального типа.

Схема спинового полевого транзистора на основе спирального мультиферроика представлена на рис. 3.68. Роль стока и истока в нем выполняют магнитные электроды, а роль затвора – оксидный мультиферроик со спиральным магнитным упорядочением. Принцип действия основан на переключении электрической поляризации мультиферроика под воздействием приложенного к затвору напряжения, что вызывает изменение состояния спиновой поляризации прецессирующих в магнитном поле магнитных моментов электронов.

Рис. 3.68. Спиновый полевой транзистор на основе спирального мультиферроика

(2 DEG – двумерный электронный газ)

Очевидный недостаток данной идеи – низкие температуры магнитного упорядочения спиральных мультиферроиков на основе редкоземельных манганитов типа RMnO₃. (R – элементы от лантана La до диспрозия Dy). Существует, правда, и высокотемпературный мультиферроик BiFeO₃, но электрическое поле, требуемое для переключения спонтанной поляризации в феррите висмута порядка 100 кВ/см, что в сотни раз превосходит таковое в манганитах. Таким образом, попытки практической реализации этого вида устройств упираются пока в небогатый выбор спиральных мультиферроиков, в которых бы сохранялись нужные свойства при комнатных температурах.

Для практической реализации спинтронных полевых транзисторов необходимо обеспечивать эффективную инжекцию спинов из ферромагнитного металла в полупроводник. Основная проблема здесь заключается в том, что при прохождении электронов через низкоомные (омические) контакты разбаланс по спинам резко уменьшается (рис. 3.69а), тогда как использование резистивных оксидных барьеров приводит к сильному ослаблению сигнала из-за малой вероятности туннелирования (рис. 3.69б). Решением проблемы может быть использование в качестве барьерного слоя графена (рис. 3.69в). Помимо атомарной толщины барьера, преимущество графена перед другими материалами заключается еще и в его химической инертности, благодаря которой на нем практически не образуются зарядовые ловушки, поэтому количество туннелирующих через графен электронов оказывается гораздо больше, чем для оксидного барьера.

а) б) в)

Рис. 3.69. Иллюстрация особенностей инжекции спинов из ферромагнетика в полупроводник через омический контакт (а), оксидный барьер (б) и графен (в)

Эксперименты, проводившиеся при комнатной температуре, подтвердили это. Кроме того, прочный графен препятствует миграции ионов из металла в полупроводник, увеличивая тем самым срок службы устройства. В дальнейшем планируется заменить однослойный графен на многослойный. Это может привести к еще большему увеличению спиновой поляризации из-за «эффекта фильтрации спинов», который предсказан теоретически на основе анализа зонной структуры графена.

Графен для спинтроники представляет также большой интерес как материал для создания канала в спиновом полевом транзисторе, по которому распространяются электроны от истока к стоку (от инжектора к детектору). При непосредственном контакте ферромагнитного электрода с графеном инжекция спинов малоэффективна (рис. 3.70а). Сотрудники Калифорнийского университета (США) смогли резко повысить эффективность инжекции спин–поляризованных электронов в графен. Для этого они сформировали между электродом и графеном изолирующий слой (рис.3.70б).

а) б)

Рис. 3.70. Схематическое представление инжекции спинов из ферромагентика в графен:

а) непосредственный контакт ферромагнетика с графеном; б) контакт через изолирующий барьер

Основная трудность здесь была в формировании ровного слоя диэлектрика нужной толщины, что в случае графена сделать довольно сложно. Ученым пришлось сначала нанести тончайшее титановое покрытие, а затем превратить титан в изолирующий диоксид TiO₂. На таком «фундаменте» был создан требуемый слой оксида магния MgO толщиной 0,8 нм, после чего сверху формировался кобальтовый электрод толщиной 80 нм. Эффективность туннельной инжекции обеспечивается тем, что обратное движение электронов – от графена к электроду – блокируется. Диэлектрик помогает удерживать инжектированный спин в графене, что и дает высокие значения эффективности.

Эффект ГМС может быть использован для создания гальванических изоляторов, выполняющих те же функции, что и оптроны, а именно, гальваническую развязку цепей по питанию и общей шине. Его основными элементами являются плоская катушка и ГМС-сенсор, встроенные в интегральную схему (рис. 3.71). Для передачи сигнала из одной цепи в другую по катушке пропускается ток. Созданное им магнитное поле воздействует на ГМС-сенсор. Такой изолятор обладает существенно более высоким быстродействием, чем обычные оптроны.

Рис. 3.71. Гальванический изолятор на основе эффекта ГМС