Áramok a mÁgneses nanorÉtegekben (gmr – nobel díj 2007)
DESCRIPTION
ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007). Kádár György MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/1.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
1
ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN
(GMR – Nobel díj 2007)
Kádár GyörgyMTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi
Kutatóintézet
![Page 2: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/2.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
2
Tartalmi vázlat
A mágneses anyagtudomány néhány alapfogalma
A Nobel-díj és a Gigantikus Mágneses Ellenállás-változás (GMR)
Spintronika
Spinszelep szerkezetű mágneses szenzor
Mágneses Véletlen Hozzáférésű Memória (MRAM)
Mágneses térvezérlésű tranzisztor
![Page 3: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/3.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
3
A mágnesség (magnetosztatika) jellemző fizikai mennyiségei:
Mágneses gerjesztő tér: H (A/m)elektromos áram hozza létre
egyenes drót körül H=I/(2πR)n menetű, l hosszúságú tekercsben H=nI/l
Mágneses indukció: B (Tesla)vákuumban B=μ0H, anyagi közegben B= μ0H+M
Mágnesezettség: M (Tesla)A mágneses anyagtudomány alapvető mennyisége
![Page 4: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/4.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
4
A klasszikus fizika fogalmaival statikus mágnesezettség (mágneses momentumsürüség) nem létezhet.
A mágneses tér köráramot, a köráram mágneses momentumot hozhat létre, de a körpályán gyorsuló
töltés sugároz, energiát veszít, táplálás nélkül időben nem állandó, nem statikus. Dinamikus lehet…
A kvantumelmélet atommodelljeiben viszont az
elektronhéj zárt térfogatban marad, mozog, perdülete, impulzusmomentuma van mégsem sugároz.
Ilyen töltésmozgással már keletkezhet statikus
mágnesezettség
![Page 5: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/5.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
5
Az atomok „alkatrészeinek”: minden elektronnak van saját perdülete (SPIN),
ezért elemi mágneses momentuma, akkor az atomoknak is lehet
Az elektronszerkezettől függ, hogy egy atom (ion) mágneses momentuma
nulla – diamágneses atom vagy nem nulla – paramágneses atom
![Page 6: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/6.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
6
A mágneses anyagok típusaiTípus Szuszcept. Atomi / Mágneses jelleg
Példa / Szuszcept.
Diamágnesség Kicsi & negatív Nincs mágneses momentum
Au Cu
-2.74x10-6
-0.77x10-6
Paramágnesség Kicsi & pozitív Mágneses momentumok véletlen irányban
β-Sn Pt Mn
0.19x10-6 21.04x10-6 66.10x10-6
Ferromágnesség
Nagy, pozitív, a külső tértől és a mikro-szerkezettől függ
Mágneses momentumok parallel
Fe ~100,000
Antiferromágnesség Kicsi & pozitív
Mágneses momentumok parallel és antiparallel
Cr 3.6x10-6
Ferrimagnetism
Nagy, pozitív, a külső tértől és a mikro-szerkezettől függ
Mágneses momentumok parallel és antiparallel, kül. súllyal
Ba ferrite
~3
![Page 7: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/7.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
7
Ferromágnesek,
külső gerjesztő tér nélkül is van mérhető mágneses momentum,
(spontán) mágnesezettség (-vektor).
Északi és Déli pólusaik olyan mágneses teret hoznak létre, mint amilyen a pozitív és negatív elektromos töltések - DIPÓLUS - elektromos tere
![Page 8: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/8.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
8
A rendezett mágneses szerkezetű anyagok (ferro-, antiferro-, ferrimágnesek) bizonyos hőmérséklet (Curie-pont) fölött elvesztik rendezettségüket, paramágnesesek
lesznek
A rendezetlenítő hőhatás energiáját (kT) összehasonlíthatjuk az egymás melletti atomi dipólusok
kölcsönhatási energiájával (jól ismert és kipróbált formulával kiszámítható)
A dipól-dipól kölcsönhatás kb. 10 000-szer kisebb Curie-pontot adna. Nem elég a rendeződéshez.
![Page 9: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/9.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
9
H2 molekulában (Werner Heisenberg és Teller Ede)a két elektron Coulomb taszítási energiájához az
elektronok spinjeinek kölcsönös helyzetétől függő kicserélődési energia korrekciót kell hozzávenni.
Alakja: E=-J12S1S2
J12 kicserélődési integrál függ az anyag atomi szerkezetétől, az atomok
távolságától is, FM: J12>0 AFM: J12<0
nagyságrendje alkalmas az atomi mágneses momentumok rendezett sorbaállításához
(kb. 10 000-szerese a dipól-dipól energiának)
![Page 10: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/10.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
10
Tehát az atomi momentumok párhuzamosítását (vagy antiparallal beállását az
antiferromágneses anyagokban) a kicserélődési kölcsönhatás elintézi, de tapasztalat, hogy pl. kristályos ferromágneses anyagokban a momentumok bizonyos kristálytani irányok
mentén szívesebben párhuzamosodnak: vannak ún. könnyű és nehéz irányok, a kristályos mágneses anyag anizotróp
![Page 11: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/11.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
11
A mágnesezettség irányfüggését, anizotrópiáját okozhatja a mágneses anyag alakja is:
a korong síkjában minden irány könnyű irány
Hosszú tű könnyű iránya a tű hossz-tengelye
Lapos korong nehéz iránya a merőleges forgástengelye vagyis
![Page 12: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/12.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
12
A kicserélődés és az anizotrópia miatt tehát az anyag mágnesezettsége mindenütt azonos irányú lenne.
Így az anyagból kiszóródott mágneses tér energiája igen nagy lenne, ezért az anyagban különböző
mágnesezettség-irányú tartományok, domének alakulnak ki, hogy a kiszóródott terek „rövidre” záródhassanak.
![Page 13: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/13.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
13
Hiszterézis az M(H) függvényben
Barkhausen ugrások
![Page 14: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/14.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
14
Permanens mágnesek:
a {H·B} energiaszorzat növekedése
Mágnestérfogatok azonos mágneses energiához
R. Skomski and J. Coey: PRB 48, 15812 (1993)
Transzformátor vasmagokA „vasveszteség” – a hiszterézishurok területe minél kisebb legyen
![Page 15: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/15.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
15
Memóriaanyagokban négyszög alakú határozott koercitív erejű de nem túl
nagy remanenciájú hiszterézis
Audio-video szalagokban nagy remanenciájú, megdőlt fel- és lefutású hiszterézis
![Page 16: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/16.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
16
A 2007-es Fizikai Nobel-díj
![Page 17: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/17.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
17
Hogyan is működik a Winchester?
![Page 18: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/18.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
18
Óriás Mágneses EllenállásváltozásGiant Magneto-Resistance – GMR
Alapjelenség: ha az elektromos áramot szállító elektronok mágneses momentuma azonos irányú az
áramot vezető mágneses fém mágnesezettségével, akkor az ellenállás kisebb, mintha ellentétes irányú lenne.
Mi történik, ha két mágneses rétegen kell az áramnak áthaladni, amelyeket nem-mágneses fémréteg választ el
Nanotechnológia! A rétegvastagság nanométer méret!Az elektronok szabad úthosszával összemérhető.
![Page 19: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/19.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
19
2 2 2
2
R R R RR
R RR R
2
22
R R R RR
R R
2 24
02 2 2
R R R RR RR R
R R R R R R
![Page 20: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/20.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
20
A. Fert et al. PRL 61 2472 (1988)
![Page 21: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/21.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
21
P. Grünberg et al. PRB 39 4828 (1989)
![Page 22: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/22.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
22
a) Julliere, 1975, Phys.Lett. b) Maekawa és Gafert, 1982, MAG-18c) Miyazaki és Tezuka, 1995, JMMM d) Moodere et al., 1995, PRL (! 295K !)
![Page 23: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/23.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
23
Mágneses alagút átmenet félvezető rétegekből: (a) Ga1-xMnxAs (x=4.0%,50 nm) /AlAs (3 nm)/Ga1-x Mnx As (x=3.3%, 50 nm) réteg-szerkezet normált mágnesezettsége 8K hőmérsékleten, 333 mm hosszú mintában(b) Ga1-xMnxAs (x=4.0%,50 nm) /AlAs (1.6 nm)/ Ga1-x Mnx As (x=3.3%, 50 nm) réteg szerkezet alagút átmeneti mágneses ellenállás-változása (TMR) 200 mm átmérőjű mintában.
![Page 24: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/24.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
24
a) A legegyszerűbb rétegszerkezet, tér nélkül antiparallel mágnesezettségek, nagy ellenállás,a párhuzamosításhoz viszonylag nagy tér szükséges, hiszterézissel (mint Grünberg)b) Egyik réteg rögzített egy antiferromágneses réteghez kicserélődési csatolássalc) A fix réteghez egy másik ellentétes irányú fix réteg csatlakozik, a szabad réteg hiszterézisének középpontja közelebb kerül az origóhozd) A szabad réteghez is csatolva van egy ellentétes irányú szabad réteg, a hiszterézis az origó körül szimmetrikus
![Page 25: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/25.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
25
Spinszelep és transzverzális áram
![Page 26: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/26.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
26
A technológia időbeli fejlődése:
![Page 27: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/27.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
27
Az IBM cég longitudinális MR és GMR szenzor szerkezetei
![Page 28: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/28.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
28
SPINTRONIKA!!! „Improved pinning effect in PtMn/NiFe system…”Appl. Phys. Letters, 85 (2004) 5281
8. E. Krén, G. Kádár, L. Pál, J. Sólyom, P. Szabó, T. Tarnóczi Magnetic structures and exchange interactions in the Mn-Pt systemPhysical Review, 171, 574, (1969).
8.1. B. Antonini, Phys. Letters, 30A 310 (1969)8.2. B. Antonini, Phys. Rev., 187 611 (1969)
……
8.84. Dai B., Appl. Phys. Letters, 85 (22) 5281-5283 (2004)8.85. Rickart M., J. Appl. Physics, 97 (10) no. 10K110 (2005)8.86. Eriksson T., J. Alloys and Compounds, 403 19 (2005)
8.87. Umetsu RY, J. Phys. Soc. Jpn, 75 104714 (2006) ……
8.95. Franco N, Mater. Sci. Forum, 514-516: 314 (2006) 8.96. Umetsu RY, Mater. Transactions, 47 2 (2006)8.97. Mougin A, Phys. Rev. B, 73 024401 (2006)
![Page 29: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/29.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
29
![Page 30: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/30.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
30
![Page 31: ÁRAMOK A MÁGNESES NANORÉTEGEKBEN (GMR – Nobel díj 2007)](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062308/56812de6550346895d9341ea/html5/thumbnails/31.jpg)
2023. ápr. 19. 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba
31
2010
2005
2000
1995
1990
1985
A jelenség felfedezése Ipari alkalmazás
AMR jelenség(1~2%)
GMR jelenség (5~15%)
TMR jelenség(20~70%)
Spin transzfer
Giant TMR jelenség (200~??%)
HDD fej
MR fej
GMR fej
TMR fej
MgO TMR fej
MRAM
Spin-transzferMRAM Spin
tranzisztor,Logika, stb.
MRAM
Új eszközök
Spintronika ma és holnap