MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA SZILÁRDTESTFIZIKAI ÉS OPTIKAI KUTATÓINTÉZET (MTA SZFKI)

MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA SZILÁRDTESTFIZIKAI ÉS OPTIKAI KUTATÓINTÉZET (MTA SZFKI)

www.szfki.hu

Óriás mágneses ellenállás (GMR = giant magnetoresistance) mágneses nanoszerkezetekben, különös tekintettel az elektrokémiailag előállított multirétegekre BAKONYI Imre MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet, Fémkutatási Osztály Budapest e-mail: [email protected]; honlap: www.szfki.hu/~bakonyi

A 2007. évi fizikai Nobel-díjat Albert FERT (Orsay, Franciao.) és Peter GRÜNBERG (Jülich, Németo.) kutatóknak ítélték oda. Indoklás: „Az óriás mágneses ellenállás (GMR) felfedezéséért” Az adott tömör megfogalmazás jelzi, hogy kifejezetten az alapkutatási eredményt ismerték el a díjjal …aminek persze később nagyon nagy tudományos és technológiai hatása lett: mágneses információtárolási sűrűség erőteljes növekedése, sőt új iparág keletkezett (SPINTRONIKA) Bakonyi I.:GMR mágneses nanoszerkezetekben (ELFT Anyagtud. Őszi Iskola, 2011. okt.) [ 1/ 18 ]


www.szfki.hu

AZ ELŐADÁS TEMATIKÁJA Nanofázisú Nanofázisú anyagok anyagok fogalma, fogalma, érdekessége érdekessége nanométeres nanométeres vékonyrétegek vékonyrétegek és és multirétegek multirétegek Mágneses Mágneses ellenállás ellenállás (MR) (MR) és és mágneses mágneses nanoszerkezetekben nanoszerkezetekben (multirétegekben (multirétegekben és és granuláris granuláris ötvözetekben) ötvözetekben)

Mágneses Mágneses ellenállás ellenállás (arány): (arány): MR MR == ∆∆R/R R/R == (R (RHH -- RRoo)/R )/Roo

(elektromos (elektromos ellenállás ellenállás megváltozása megváltozása külső külső HH mágneses mágneses térben) térben) AA GMR GMR jelenség jelenség fizikai fizikai magyarázata: magyarázata: spinfüggő spinfüggő elektrontranszport elektrontranszport (mágnesezettség (mágnesezettség irányának irányának nanoskálájú nanoskálájú változása) változása) GMR GMR elektrolitikusan elektrolitikusan előállított előállított multirétegekben; multirétegekben; saját saját kutatások kutatások Multirétegek Multirétegek szerkezete: szerkezete:

transzmissziós transzmissziós elektronmikroszkópia elektronmikroszkópia röntgendiffrakció röntgendiffrakció (XRD): (XRD): szatellitreflexiók szatellitreflexiók

Összefoglalás Összefoglalás

Bakonyi I.:GMR mágneses nanoszerkezetekben (ELFT Anyagtud. Őszi Iskola, 2011. okt.) [ 2/ 18 ]


www.szfki.hu

Mekkora a NANO? 10 angström (Ǻ) = 1 nanométer (nm) = 10-9 méter 1 fématom (pl. Cu, Fe) átmérője: kb. 0,25 nm fémkristályokban: 5 atomréteg ≈ 1 nm Mik a NANOfázisú anyagok? Olyan szilárd anyagok, amelyek - legalább az egyik dimenzióban vagy maguk nanoméretűek (d), vagy bennük a kémiai összetétel vagy valamely anyagjellemző (sűrűség, kristályszerkezet, szemcseorientáció, elektromos vezetőképesség, mágnesezettség és kristályanizotrópia iránya és nagysága) 1 - 100 nm közötti távolságon (d) belül véletlenszerűen fluktuál vagy rendszeresen ismétlődően váltakozik. Bakonyi I.:GMR mágneses nanoszerkezetekben (ELFT Anyagtud. Őszi Iskola, 2011. okt.) [ 3/ 18 ]


www.szfki.hu

NANOFÁZISOK Mi az érdekességük? Számos fizikai tulajdonság: 1 - 100 nm közötti karakterisztikus hossz (λ) (szupravezetés koherenciahossza; mágneses doménfal vastagsága; vezetési elektron szabad úthossza; átlagos diszlokációtávolság) emiatt d > λ és d < λ esetén eltérő anyagtulajdonságok várhatók Példa: nanométeres vékonyréteg

le [nm] ≈ 150/ρ [µΩ.cm]

vezetési elektron szabad úthossza (le) tömbi fémben (10-100 nm):

d (rétegvastagság) < < le

Ha d ~ 1 -10 nm, a határfelületi elektronszórás dominál, így a tömbi anyaghoz képest jelentősen megnőhet a fajlagos ellenállás (ρ ~ 1/d) Bakonyi I.:GMR mágneses nanoszerkezetekben (ELFT Anyagtud. Őszi Iskola, 2011. okt.) [ 4/ 18 ]


www.szfki.hu

Történeti visszapillantás: mágneses ellenállás (∆R/R) 1986: antiferromágneses (AF) csatolás felfedezése Fe/Cr/Fe szedvicsekben (P. Grünberg) 1988: a GMR felfedezése Fe/Cr multirétegekben (–50 %, 4.2 K, 10-20 kOe) MR új fizikai mechanizmusa (A. Fert; [P. Grünberg]) 1991: GMR spin-szelep (spin-valve) Bernard Dieny (Spintec, Grenoble) Albert Fert (*1938) Orsay (FR)

Peter Grünberg (*1939), Jülich (D)

Stuart Parkin (IBM, USA)

1990-1991: GMR kimutatása Co/Cu multirétegekben (A. Fert; S.S.P. Parkin) 300 K: –50 %, 5 kOe; –20 %, < 0.5 kOe (MBE-nél olcsóbb párologtatás, porlasztás is jó!) alkalmazási lehetőség

AMR, GMR, Nobel-díj: bővebben a Fizikai Szemle 2008/2. és 3. számában



www.szfki.hu

GMR phenomenon in FM/NM multilayers

electron: spin-dependent scattering due to non-aligned neighbouring moments

magnetic layers: antiparallel alignment (e.g., AF coupling)

magnetic layers: parallel alignment (e.g., strong magnetic field)

high resistance

low resistance

For FM magnetic layers, shape of MR(H) vs H curve: approach to magnetic saturation (e.g., against AF coupling)

→ ← ← ←

→ →



www.szfki.hu

GMR effektus granuláris mágneses ötvözetekben (1992: A. Berkowitz, C.L.Chien) nemmágneses fémes mátrix (Cu, Ag)

elektron: spin-függő szórás a véletlen irányú szomszédos momentumok miatt AF csatolás NEM szükséges a GMR felléptéhez, csak a szomszédos momentumok valamilyen mértékű antiparallel beállása

SPM tartományok fluktuáló momentumokkal SPM: kis FM tartomány, amire a termikus gerjesztési energia felülmúlja az anizotrópia energiát: kBT > KV B.D. Cullity: Introduction to Magnetic Materials (Addison-Wesley, Reading, 1972)

Mágnesezési görbe: M(H) ∝ L(x) with x = µH/kT Langevin function: L(x) = cth(x) – 1/x Mágneses ellenállás görbe: MR(H) ∝ [L(x)]2 J.L. Gittleman, Y. Goldstein and S. Bozowski, Phys. Rev. B 5, 3609 (1972) S. Zhang. Appl. Phys. Lett. 61, 1855 (1992); N. Wiser, J. Magn. Magn. Mater. 159, 119 (1996)



www.szfki.hu

A GMR effektus FM/NM multirétegekben

Co Cu Co

GMR általános feltétele: nanométeres nem-mágneses rétegekkel elválasztott szomszédos mágneses rétegek mágnesezettségeinek (legalább valamilyen mértékű) antiparallel (AP) beállása rétegvastagságok: 1 – 3 nm

maximális GMR effektus: H = 0 térben AP beállás (pl. AF csatolás esetén) spin memória idő: ameddig az elektron megőrzi eredeti polarizációját (Cu réteg vastagsága nanoméretű kell legyen) Spinfüggő elektronszórás az alábbi vezetési elektron pálya végén: „mágneses tartomány A nanoszerkezetekben nemmágneses tartomány mágneses tartomány Bakonyi I.:GMR mágneses (ELFT Anyagtud. Őszi Iskola, 2011.B”okt.)

[ 8/ 18 ]


A GMR effektus fizikai mechanizmusa FM

NM FM

FM

www.szfki.hu

elektromos vezetés FM fémben:

NM FM

két-áram modell (Mott, 1936) s és s vezetési elektronok elektronok állapotsűrűsége (Co, Ni) d↑

s↑

(határfelületi szórás elhanyagolva) fononok, rácshibák ρ↑

ρ↓

ρ↑

ρ↑

s↓

d↓

ρ↓

ρ↓

spin-függő szórás

A helyettesítő kapcsolás alapján belátható, hogy mindig teljesül: ρ

ρ↑

ρ↓

<ρ

Mott-modell: ρ ∝ N(EF)

A fenti N(E) esetén:

ρ(s ) << ρ(s ) (Fert-Campbell, 1968)



www.szfki.hu

Electrodeposition of magnetic/non-magnetic multilayers ++ ++ ++ Two-pulse Two-pulseplating platingfrom fromaasingle singlebath bathwith withhigh highionic ionicratio ratio(Ni (Ni++,Co ,Co++)/Cu )/Cu++

Layer Layerthicknesses: thicknesses: controlled controlledby bypulse pulselength length

Layer Layercomposition: composition:controlled controlledby bypulse pulseamplitude amplitude current: current:galvanostatic galvanostatic(G); (G);potential: potential:potentostatic potentostatic(P) (P) Co(Cu), Ni(Cu) magnetic layer

pure Cu (spacer) non-magnetic layer

deposit com pos ition (at.% N i)

potential or current

100

80 Ni(+Co) 60

40

20

DC-plated Ni(Co)-Cu

Co

0 0

10

20

30

40

50

2

time

deposition current density, idep (mA/cm )

Traditional Traditionalpulse pulsecombinations combinations ••G/G: G/G:both bothmagnetic magneticand andnon-magnetic non-magneticlayers layerswith withgalvanostatic galvanostaticcontrol control ••P/P: P/P:both bothmagnetic magneticand andnon-magnetic non-magneticlayers layerswith withpotentiostatic potentiostaticcontrol control



[együttműködés: Leibniz Institute (IFW), Drezda]

Keresztmetszeti összetételprofil TEM felvétele elektrolitikus Co-Cu/Cu multirétegen névleges vastagságok: “aktuális” vastagságok:

www.szfki.hu

Co(3.4nm)/Cu(1.0nm) Co(2.0nm)/Cu(2.4nm) [tömbi analízisből] 0

Co

-2

G/P mode 300 ML Co/Cu on Ti

longitudinal

2

Co: -106 mA/cm , 0.1 s

transverse

2

Cu

MR, ∆R/R0 (%)

Cu: -0.25 V, -5.9 mC/cm -4

-6

-8

-10

10 nm -12 -10

Cziráki et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 6, 2000 (2006);

-8

-6

V. Weihnacht et al.,

-4

-2

0

2

4

6

8

H (kOe)

J. Electrochem. Soc. 150, C507 (2003)


10


www.szfki.hu

XRD of multilayers I (Michaelsen’95)

The magnitude of the scattering vector q along the modulation direction can be written as

bilayer period The simplest theoretical approach to the XRD patterns of multilayer films is the step model (perfect multilayer with a square-wave composition modulation)



www.szfki.hu

XRD of multilayers II (Michaelsen’95)



www.szfki.hu

XRD of multilayers III (Michaelsen’95)



www.szfki.hu

XRD of multilayers IV (Michaelsen’95)

Co(4nm)/Cu(4nm) multilayer

The individual contributions of eqn. (6) to the diffraction intensity of an equiatomic Co/Cu multilayer with 8 nm periodicity, calculated for Cu Kα radiation.

satellite reflections due to multilayer periodicity

XRD intensity of an equiatomic Co/Cu multilayer with 8 nm periodicity, calculated from eqn. (6) (upper curve), and after convolution with a Gaussian distribution of width σ = 0.10o (lower curve).



XRD of multilayers V (Michaelsen’95)

www.szfki.hu

Conventional XRD cannot distinguish between a homogeneous solid solution and a coherently decomposed two-phase mixture Co(8nm)/Cu(8nm) ML sensitive to coherence

Co(1nm)/Cu(1nm) ML Co50Cu50 alloy

Comparison between calculated and measured XRD patterns of Co/Cu multilayers with equiatomic overall composition and various periodicities Λ.



www.szfki.hu

XRD of ED Co/Cu multilayers bilayer period: Λ = dCo + dCu

Collaboration with TU Freiberg

dCo ~ 2.7nm

ΛXRD/Λnom ~ 1.1



www.szfki.hu

Összefoglalás Nanotechnológia fejlődése nanométeres fémes (multi)rétegek GMR mágneses nanoszerkezetekben: FM/NM multirétegek, granuláris anyagok (felfedezés: 1988; alkalmazás: 1997; Nobel-díj: 2007) Közvetlen hatás: merevlemez tárolási sűrűség erőteljes növekedése üteme, jövőben is Közvetett hatás: egyéb kutatások katalizálása ⇒

SPINTRONIKA

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Multirétegek: elektrolitikus előállítás, GMR vizsgálatok saját eredmények: elektrokémiai folyamatok megértése, kézbentartása mágneses ellenállásjárulékok fizikai eredetének tisztázása (SPM)

Multirétegek röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálata Továbblépés: (multiréteges) nanohuzalok

diákok, fiatal kutatók kerestetnek!

I. Bakonyi and L. Péter: Giant magnetoresistance (GMR) in electrodeposited multilayer films: Progress and problems. Progress in Materials Science 55, 107-245 (2010) Támogatás: OTKA/DFG, TéT, MTA


MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA SZILÁRDTESTFIZIKAI ÉS OPTIKAI KUTATÓINTÉZET (MTA SZFKI)

Recommend Documents