nanotecnologia de dispositivos spintrônicos: presente e futuro
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Seminário apresentado pelo dr. Leandro Socolovsky (UBA, Argentina) na seção UCS do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies no dia 30-09-11 para cerca de 20 estudantes e professores do Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da UCS. O seminário abordou as estruturas magnéticas de tamanho nanométrico, as quais apresentam fenômenos muito particulares. O foco do seminário foram as propriedades de magneto-transporte, tais como a magneto-resistência gigante, a magneto-resistência de tunelamento, e o efeito Hall gigante. Foram explicados os fundamentos desses fenômenos, a atualidade e as aplicações em dispositivos de novo tipo. Público-alvo: alunos com conhecimentos de teoria quântica e ciência de materiais.TRANSCRIPT
Nanotecnología de dispositivos spintrônicos:
presente e futuroDr. Leandro M. Socolovsky
Laboratorio de Sólidos Amorfos,INTECINFacultad de IngenieríaUniversidad de Buenos Aires
Nanociencia – Nanotecnología
• O qué é nano
• Resistência elétrica e magnetoresistências de origem nano:– GMR
– TMR
– GHE
• Dispositivos espintrônicos
• Fenómenos novos
O qué é nano
Partículas magnéticas nanométricas
Reducción de tamaño → monodominio magnético
ϑ nm
μ
Partículas magnéticas nanométricas
• Íons da NP → supermomento, rotação coerente∀ µ =µ at N ,
– µ at : momento magnético atômico
– N : número de átomos magnéticos da nanopartícula
ϑ nm
μ
P. B
ean and J.D. Livingston, J. A
ppl. Phys. 30, 120 (1959)
Multicamadas
• “Sandwichs” M/NM/M
Resistência e resistividade
ρ : propriedade intensiva
material de área transversal A, comprimento l
R =ρ A
l
[ μ−cm ]
Duas magnitudes
Caminho libre médio Λ
Comprimento de coerência lsf
Resistividade(s)
ρT =ρ0 +ρimp +ρ fon +ρmag
ρ0 : resistividade intrínsecaρimp : impurezasρfon : fónonsρmag : magnética
Magnetoresistencias
• Ordinária
• Anisotrópica
• Colossal
• Gigante e Túnel, GHE
Nanostructura e propriedades “gigantes” de magnetotransporte
• Magnetoresistência gigante
• Magnetoresistência de tunelamento
• Efeito Hall gigante
• Magnetoimpedância gigante
Magnetoresistência ordináriaou
OMR
F = qE + v x B
Magnetoresistência anisotrópicaou
AMR
Magnetoresistências
• Colossal
Magnetoresistência gigante
Magnetoresistência Gigante em sistemas multicamadas : geometría básica
Camada ferromagnética
configuração P
M M
e-
Camada metálica não magnética
configuração AP
M M
e-
Razão MR = Rmax − Rmín
Rmax
. 100
Orígem da resistividade
Modelo de MottCampbell e Fert
– Elétrons 3d e 4s
– Eventos spin-flip esparsos– Movilidade dos elétrons s
Mott – Fert e Campbell
1) scattering elétrons “↑” y “↓” diferentes
2) eventos de scattering não alteram orientação spin
• duas bandas: spin up e spin down
Sem campo
ρρ
ρρρ
e↑
e↑
e↓
e↓
cortocircuíto para e↓
R (0) > R (H) Com campo
ρ
ρ ρ
Duas geometrías
CIP : Current In Plane Λ
CPP : Current Perpendicular to Plane lsf
Dois orígens
Intrínseca
Extrínseca
Paisagem de potencial
Sistemas Magnéticos Granulares
NP de Mn-As-Ga, matriz de
AsGa
NP de Co, matriz de CoO
NP de Co, matriz de SiO2
NP de Fe-Cu
Nanopartículas magnéticas em una matriz
NP Fe
Magnetoresistência gigante em sistemas granulares
Δρρ
=[ ρ(H ) − ρ(0 ) ]
ρ(0 )100 [ ]
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
∆ρ/
ρ [
%]
Campo aplicado [T]
Fe20Cu80
GMR em sistemas granulares...
Magnetoresistência gigante em sistemas granulares
• Nanopartículas em distancias da ordem do comprimento de correlação Λ
e-↑ Λ
µ
Magnetoresistência gigante em sistemas granulares
e-↑ Λ
µµ
GMR em sistemas granulares...• GMR muda com a concentração de
soluto magnético
Aumenta hasta alcanzar la percolación magnética
0 10 20 30 40 50
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5 77 K
∆ρ/
ρ [%
]
Concentración [% at. Fe]
FexCu100-x
GMR muda com os elementos...
• Diferências nas bandas eletrónicas entre matriz e a NP
• Diferentes elementos : potenciais diferentes
Magnetoresistência de tunelamento
• Separador ou matriz isolante
• Condução por tunelamento entre camadas
ou NP magnéticas
Magnetoresistência de tunelamento em sistemas multicamadas : geometría básica
Eletrodos ferromagnéticos
configuração P
M M
e-
Camada isolante
configuração AP
M M
e-
Razão MR = Rmax − Rmín
Rmax
. 100
Magnetoresistência de tunelamento
• Tunelamento dependente do spin (SDT)
TMR – Modelo de Julliére
Junção plana Fe/Ge/CoTunelamento a través da junção
TMR – Modelo de Julliére
TMR =2P1 P 2
1−P1 P2
TMR – Resultados da literatura
Os valores de TMR registrados até meados dos ‘90 eram modestos
Após o trabalho de Miyasaki e Tezuka, foi fabricada a primeira estrutura com efeito importante a RT
MTJ de CoFe/Al2O3/Co
Moodera et al., PRL 74 (1995) 3273Miyazaki, Tezuka; JMMM 139 ‘95
TMR – Resultados na literatura
Efeitos de 10-20 % a RT: anos ´90
Wang et al : 70% (IEEE ´04)
Parkin et al: 220% em sandwichs com espaçador de MgO (Nature Materials ´04)
Magnetic Tunnel Junctions
• Multicamadas• Espaçador:
– Mg-O
– Al-Ox
• Produzidos por sputtering
RT
TMR em sistemas granulares
Poddar e Markovich: NP de magnetita (5,5 nm) recobertas com ácido oleico
TMR – Resultados na literatura
Efeito de ~125%
Poddar et al, PRB 65 (2002) 172405
Sistemas baseados en magnetitaNP @ poliestireno, 22.6 % MR @ 14 T (RT)
MgO/Fe3O4 nanofios:
1.2 % @ 1.8T (RT)
Wang et al, P
RB
73 (2006) 134412Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151
Aplicações
HD (Seagate, 2005)
sensores
Efeito Hall gigante
Efeito Hall
Efeito Hall em materiais magnéticos
4
xy xyo xye
xyo o
xye s
R H
R M
ρ ρ ρρρ π
= +
=
=Ordinario
Extraordinario Ordinario
Extraordinario :
C. M. Hurd, The Hall effect in metals and alloys (Plenum Press, New York, 1972)
Orígens da resistividade extraordinaria
• Dispersão asimétrica (Skew scattering, Karplus&Luttinger 1954 – Smit 1951):
• Salto lateral (side jump, Berger 1970):
ρxye α ρxx2
ρxye α ρxx
GHE e concentração de elemento magnético
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90
10
20
30
40
50
60
Cox-(SiO2)1-x (TEM) Cox-(SiO2)1-x (XRD) Nix-(SiO2)1-x (TEM) Ni
x-(SiO
2)1-x
(XRD) Fe
x-(SiO
2)1-x
(XRD)
<D>
[nm
]
x [vol.]0.5 0. 6 0.7 0.8 0.9 1. 0
0.1
1
10
100
Fe Co Ni
ρxy
(µΩ
cm)
x [vol.]
Tamaño de la nanopartículaGHE decreciente
Medidas de efeito Hall
Co52 -(SiO2)48 , medido a RT
0 1 2
100
101
102
ρ xy
[µΩ
-cm
]
Applied Field [T]
400 ºC 350 ºC 300 ºC 250 ºC 200 ºC As-prepared
Magnetotransporte em sistemas nanoestruturados
-Spin Dependent Transport:
Tanques de Spin e objetos nanométricos
Spintrónica
• Control de spin
• Transistor Data & Das
• Semiconductores magnéticos diluídos (DMS)
• Nanopartículas de óxidos de hierro y “half metals”
Dispositivos spintrônicos
Interfase FM-Metal Normal
Fenómeno de injeção de spin
Pequenas espessuras (~nm)
vS+v
S-
j q=ddt
(q ˙r )=q ˙v
j s=ddt
( r )= v+ ˙ r
VÁLVULAS DE SPiN LATERAiS
Biosensores Magnetorresistivos Advances in Giant Magnetoresistance Biosensors With
Magnetic Nanoparticle Tags: Review and Outlook (Shan X. Wang and Guanxiong Li)
IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 44, NO. 7, JULY 2008
Trazas: nanopartículas funcionalizadas
Superparamagnetismo
M=M S Ctgh−1/ ,=m S H / kT
Idea básica do biosensor
Implementação
Array 8x8 SV-GMR de 1.5 m x 110 m
Integrantes
Dr. Ricardo Martínez García
Dr. Vitaliy Bilovol
MSc. Oscar Moscoso Londoño
MSc. Marcus Carrião dos Santos
Ing. Diana Pardo Saavedra
Colaborações• Unicamp, LNLS; Universidade Federal de Goiás (Brasil)
• Universidad de Santiago de Chile
• Universidad de Kyoto, Japón
• Centro Atómico Bariloche, CONEA; Departamento de Física, Universidad Nacional
de La Plata; INTI Migueletes- Argentina
Agradecimientos• CONICET, MinCyT, Agencia• Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) - LME