Das National Institute for Materials Science (NIMS) hat ein Verhältnis des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) von 631 % bei Raumtemperatur erreicht und damit den bisherigen Weltrekord gebrochen, der 15 Jahre bestanden hatte.
Das Forschungsteam erreichte dies durch die Feinabstimmung der Grenzflächen in einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ). Dieser MTJ zeigte einen sehr großen Oszillationseffekt des TMR-Verhältnisses mit einer Peak-to-Valley (PV)-Differenz von 141 %. Dieses Phänomen kann ausgenutzt werden, um die Empfindlichkeit von Magnetsensoren und die Kapazität von magnetoresistiven Direktzugriffsspeichern (MRAM) signifikant zu erhöhen.
Diese Studie wurde online in veröffentlicht Angewandte Physik Briefe.
Der Tunnelmagnetowiderstand (TMR) ist eine dramatische Änderung des Tunnelstroms in einem MTJ – der aus zwei Ferromagneten besteht, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind – wenn sich die Ausrichtung der relativen Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten ändert. Dieser Effekt wurde in hochempfindlichen, winzigen Magnetsensoren und energieeffizienten MRAMs genutzt.
Sensorempfindlichkeit und MRAM-Dichte können beide erhöht werden, indem MTJs verwendet werden, die größere TMR-Verhältnisse erzeugen können (dh Unterschiede im elektrischen Widerstand, die von einem MTJ erzeugt werden, wenn die Magnetisierungsausrichtung seiner zwei Ferromagnete zwischen parallel und antiparallel umschaltet).
Ein TMR-Verhältnis von 604 % bei Raumtemperatur aus dem Jahr 2008 war bis vor kurzem Weltrekord. Da dieser Rekord jahrelang herausragte, wurde allgemein angenommen, dass bei der Leistung von Magnetsensoren und MRAMs nur noch wenig Raum für Verbesserungen verbleibt.
Dieses NIMS-Forschungsteam hat kürzlich diesen TMR-Verhältnis-Rekord gebrochen, indem es Grenzflächen in einem MTJ präzise kontrolliert hat, der aus zwei dünnen Magnetschichten besteht, die durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind. Das Team nahm Modifikationen im atomaren Maßstab am MTJ vor, einschließlich der Herstellung aller seiner Schichtkomponenten aus Einkristallen und der Hinzufügung einer ultradünnen metallischen Magnesiumschicht zwischen den Magnet- und Isolationsschichten. Als Ergebnis konnte das Team einen MTJ mit einem maximalen TMR-Verhältnis von 631 % erstellen.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das TMR-Verhältnis dieses MTJ mit einer PV-Differenz von 141 % oszilliert – deutlich größer als die PV-Differenz bestehender MTJs (bis zu einigen Dutzend Prozent). Dieses Ergebnis stimmte mit der vorherigen Erkenntnis überein, dass die Oszillations-PV-Differenz eines TMR-Verhältnisses stark von der Dicke der Isolationsschicht beeinflusst wird.
In zukünftigen Forschungsarbeiten wird das Team daran arbeiten, die kaum verstandene Beziehung zwischen TMR-Verhältnissen und ihrer Oszillations-PV-Differenz zu beleuchten, indem die Mechanismen untersucht werden, die hinter der großen PV-Differenz stehen, die in dieser Forschung beobachtet wurde. Dieses Verständnis könnte es dem Team ermöglichen, seinen eigenen Weltrekord für das TMR-Verhältnis bei Raumtemperatur zu brechen.
Unter Verwendung dieses bahnbrechenden Ergebnisses wird das Team daran arbeiten, die Entwicklung ultraempfindlicher Magnetsensoren für medizinische Zwecke und MRAM mit sehr großer Kapazität zu beschleunigen.
Dieses Projekt wurde von einem Forschungsteam unter der Leitung von Thomas Scheike (Sonderforscher, Forschungszentrum für magnetische und spintronische Materialien (CMSM), NIMS) und Hiroaki Sukegawa (Gruppenleiter, CMSM, NIMS) durchgeführt.
Mehr Informationen:
Thomas Scheike et al., 631 % Raumtemperatur-Tunnelmagnetowiderstand mit großem Oszillationseffekt in CoFe/MgO/CoFe(001)-Übergängen, Angewandte Physik Briefe (2023). DOI: 10.1063/5.0145873