Negli ultimi due decenni, le giunzioni a tunnel magnetico (MTJ) hanno svolto un ruolo centrale nei dispositivi spintronici come le testine di lettura dei dischi rigidi e le memorie ad accesso casuale magnetoresistivo non volatile (MRAM), e i ricercatori lavorano costantemente per migliorare le loro prestazioni. Uno dei risultati più importanti che hanno accelerato le applicazioni pratiche della tecnologia è stata la realizzazione di rapporti di magnetoresistenza a tunnel gigante (TMR) utilizzando una barriera cristallina MgO di tipo salgemma. Ora, in un articolo apparso nel numero di questa settimana di Lettere di fisica applicata , un team di ricercatori giapponesi è riuscito ad applicare MgGa2O4 a una barriera di tunnel, la parte centrale di un MTJ, come materiale alternativo agli isolanti più convenzionali come MgO e MgAl 2 oh 4 .
Un MTJ ha una struttura laminata costituita da uno strato isolante su nanoscala, chiamata barriera del tunnel, racchiusa tra due strati magnetici. Uno degli indici di prestazione più importanti di un MTJ è il rapporto di magnetoresistenza del tunnel (rapporto TMR), l'entità della variazione di resistenza. L'ossido di magnesio (MgO) è comunemente usato come barriera del tunnel poiché è possibile ottenere facilmente un elevato rapporto TMR.
"Al fine di ampliare ulteriormente il campo di applicazione degli MTJ, volevamo ottimizzare notevolmente le proprietà MTJ sostituendo il materiale della barriera del tunnel, " disse Hiroaki Sukegawa, uno scienziato presso l'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone. "Particolarmente, per molte applicazioni MTJ, abbiamo bisogno di un ampio rapporto TMR e di una bassa resistenza del dispositivo e per questo abbiamo scelto un materiale per la barriera del tunnel con una banda proibita bassa."
Il team ha selezionato il semiconduttore MgGa 2 oh 4 , che ha una banda proibita molto più bassa dell'isolante MgO convenzionale, e ha utilizzato la tecnologia esistente per realizzare un MgAl . ultrasottile 2 oh 4 layer per raggiungere i parametri che stavano cercando.
La sfida più grande è stata ottenere un MgGa . di alta qualità 2 oh 4 layer con interfacce prive di difetti poiché è essenziale per ottenere un ampio rapporto TMR.
"Abbiamo prima tentato un metodo di ossidazione utilizzando uno strato di lega Mg-Ga per il MgGa 2 oh 4 preparazione dello strato tuttavia, questo processo ha anche causato una significativa ossidazione sulla superficie dello strato magnetico sotto il Mg-Ga, e la struttura fabbricata risultante non ha funzionato come un dispositivo MTJ, " Ha detto Sukegawa. Ispirato dal loro recente lavoro su un MgAl . di alta qualità 2 oh 4 fabbricazione, il team ha quindi provato un metodo di sputtering diretto; il MgGa 2 oh 4 strato è stato formato da sputtering di radiofrequenza da un MgGa . ad alta densità 2 oh 4 bersaglio sinterizzato per ridurre la sovraossidazione interfacciale.
Questo nuovo metodo è stato molto efficace nel produrre una barriera tunnel MgGa2O4 di alta qualità con interfacce estremamente nitide e prive di difetti. È stata una sorpresa piacevole e inaspettata.
"Non ci aspettavamo di poter costruire un MTJ che mostrasse un grande rapporto TMR usando MgGa 2 oh 4 in così poco tempo poiché c'erano pochi materiali barriera per tunnel in grado di fornire il grande rapporto TMR a temperatura ambiente che stavamo cercando, "Sukegawa ha detto..
Questo lavoro dimostra che, contrariamente alla comprensione passata, Le barriere per tunnel MTJ possono essere "progettate". Si credeva che la regolazione dei parametri fisici della barriera del tunnel mantenendo grandi rapporti TMR fosse quasi impossibile. Questi risultati indicano fortemente che varie proprietà fisiche della barriera del tunnel possono essere progettate selezionando la composizione dei materiali di barriera a base di spinello secondo necessità, ottenendo un trasporto efficiente dipendente dallo spin (cioè un grande rapporto TMR).
Mentre c'è ancora molto lavoro da fare per ottenere rapporti TMR più grandi, questi risultati aprono la possibilità di utilizzare il "tunnel barriera design" con vari ossidi di spinello per creare nuove applicazioni spintroniche.
