Eine Gruppe von Forschern der Universität Tohoku hat ein neues Material vorgestellt, das einen enormen Magnetowiderstand aufweist und damit den Weg für die Entwicklung nichtflüchtiger magnetoresistiver Speicher (MRAM) ebnet.
Einzelheiten ihrer einzigartigen Entdeckung wurden im veröffentlicht Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen.
Heutzutage ist die Nachfrage nach Fortschritten bei der Hardware, die große Mengen digitaler Informationen effizient verarbeiten kann, und bei Sensoren so groß wie noch nie, insbesondere da Regierungen technologische Innovationen einsetzen, um intelligentere Gesellschaften zu schaffen.
Ein Großteil dieser Hardware und Sensoren basiert auf MRAM und Magnetsensoren, und tunnelmagnetoresistive Geräte machen den Großteil dieser Geräte aus.
Tunnelmagnetoresistive Geräte nutzen den Tunnelmagnetowiderstandseffekt zur Erkennung und Messung von Magnetfeldern. Dies hängt mit der Magnetisierung ferromagnetischer Schichten in magnetischen Tunnelkontakten zusammen. Wenn die Magnete ausgerichtet sind, wird ein Zustand mit niedrigem Widerstand beobachtet, und Elektronen können leicht durch die dünne Isolierbarriere zwischen ihnen tunneln.
Wenn die Magnete nicht ausgerichtet sind, wird das Tunneln der Elektronen weniger effizient und führt zu einem höheren Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird als magnetoresistives Verhältnis ausgedrückt, eine Schlüsselzahl zur Bestimmung der Effizienz von magnetoresistiven Tunnelbauelementen. Je höher das Magnetowiderstandsverhältnis, desto besser ist das Gerät.
Aktuelle magnetoresistive Tunnelbauelemente bestehen aus Magnesiumoxid und magnetischen Legierungen auf Eisenbasis wie Eisen-Kobalt. Legierungen auf Eisenbasis weisen unter Umgebungsbedingungen eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur auf und zeigen in Geräten mit Magnesiumoxid vom Steinsalztyp einen enormen Tunnelmagnetowiderstandseffekt.
Es gab zwei bemerkenswerte Studien mit diesen Legierungen auf Eisenbasis, die magnetoresistive Geräte mit hohen Magnetowiderstandsverhältnissen produzierten. Die erste im Jahr 2004 wurde vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Japan und IBM durchgeführt; und der zweite kam im Jahr 2008, als Forscher der Universität Tohoku über ein Magnetowiderstandsverhältnis von über 600 % bei Raumtemperatur berichteten, was bei Temperaturen nahe null Kelvin auf 1000 % anstieg.
Seit diesen Durchbrüchen haben verschiedene Institute und Unternehmen erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Physik, Materialien und Prozesse der Geräte zu verbessern. Abgesehen von Legierungen auf Eisenbasis weisen jedoch nur einige geordnete magnetische Legierungen vom Heusler-Typ einen derart enormen Magnetowiderstand auf.
Dr. Tomohiro Ichinose und Professor Shigemi Mizukami von der Tohoku-Universität haben kürzlich mit der Erforschung thermodynamisch metastabiler Materialien begonnen, um ein neues Material zu entwickeln, das ähnliche Magnetowiderstandsverhältnisse aufweisen kann. Dabei konzentrierten sie sich auf die starken magnetischen Eigenschaften von Kobalt-Mangan-Legierungen, die eine kubisch-raumzentrierte metastabile Kristallstruktur aufweisen.
„Kobalt-Mangan-Legierungen haben kubisch-flächenzentrierte oder hexagonale Kristallstrukturen als thermodynamisch stabile Phasen. Da diese stabile Phase einen schwachen Magnetismus aufweist, wurde sie nie als praktisches Material für magnetoresistive Tunnelbauelemente untersucht“, sagte Mizukami.
Bereits im Jahr 2020 berichtete die Gruppe über ein Gerät, das eine Kobalt-Mangan-Legierung mit metastabiler kubisch-raumzentrierter Kristallstruktur verwendete.
Mithilfe von Datenwissenschaft und/oder experimentellen Methoden mit hohem Durchsatz bauten sie auf dieser Entdeckung auf und schafften es, einen enormen Magnetowiderstand in Geräten zu erzielen, indem sie der metastabilen kubisch-raumzentrierten Kobalt-Mangan-Legierung eine kleine Menge Eisen hinzufügten. Das Magnetowiderstandsverhältnis betrug bei Raumtemperatur 350 % und überstieg auch bei niedriger Temperatur 1000 %. Darüber hinaus wurden bei der Geräteherstellung die Sputter-Methode und ein Erhitzungsverfahren eingesetzt, was mit aktuellen Industriezweigen kompatibel ist.
„Wir haben die dritte Instanz einer neuen magnetischen Legierung zum Tunneln magnetoresistiver Geräte hergestellt, die einen enormen Magnetowiderstand aufweist, und sie gibt eine alternative Richtung für zukünftige Verbesserungen vor“, fügt Mizukami hinzu.
Mehr Informationen:
Tomohiro Ichinose et al., Großer Tunnelmagnetowiderstand in magnetischen Tunnelverbindungen mit magnetischen Elektroden aus metastabilen kubisch-raumzentrierten CoMnFe-Legierungen, Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen (2023). DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.170750