EFEITOS DA BAIXA ALTURA DO POTENCIAL DA BARREIRA EM JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS E. S. Cruz de Gracia, 1 L. S. Dorneles, 2 L. F. Schelp, 2 S. R. Teixeira 1.

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1 EFEITOS DA BAIXA ALTURA DO POTENCIAL DA BARREIRA EM JUNÇÕES TÚNEL MAGNÉTICAS E. S. Cruz de Gracia, 1 L. S. Dorneles, 2 L. F. Schelp, 2 S. R. Teixeira 1 e M. N. Baibich, 1 Trabalho parcialmente financiado pelo Conselho Nacional para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Centro Latino-Americano de Física (CLAF) e pela Fundação Cruz 1 Instituto de Físca – UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil 2 Departamento de Física- UFSM, Santa Maria, RS, Brasil

2 ACRÔNIMOS MTJ (Junção túnel magnética) TMR (Magnetorresistência túnel) DOS (Densidade de estados) SDT (Tunelamento dependente de spin)

3 TUNELAMENTO FAVORECIDO QUANDO F1 E F2 ESTÃO PARALELOS MRT (TMR)

4 HOJE: Esquema simplificado de uma MTJ Proceedings of the IEEE V.91 N. 05 p. 661. May (2003)

5 HOJE: MTJs no mercado de tecnologia MRAM IBM J. RES. & DEV. V. 50 N. Jan (2006) Matriz de MTJs utilizadas em arquitetura de MRAM

6 Sharma et al. PRL V. 82 N. 3 p. 616 (1999) Barreira TaO x (φ = 0,4 eV) Barreira Al 2 O 3 (φ 2,0 eV) T = 297 K Motivação: A contribuição da barreira

7 V C < V B < V A Tensão crítica (TMR=0) TMR C < TMR B < TMR A Magnetorresistência túnel φ C < φ B < φ A Altura relativa da barreira Li et al. PRB V.69.0544108p. (2004) e Ren et al. J. Phys.: Condens. Matt. 17 p. 4121 (2005)

8 Metodologia experimental: Técnica de deposição Câmara para desbastamento iônico

9 Metodologia experimental: Formatação das MTJs Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O 2 (X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)

10 Metodologia experimental: Formatação das MTJs

11 Metodologia experimental: Transporte eletrônico Ângelo Morrone LAM-IF UFRGS

12 Resultados e discussão: Curva I-V experimental e calculada Densidade da Corrente de Tunelamento (direção reversa):

13 1. Barreiras com baixa assimetria ( 0,2 eV) 2. Baixa altura da barreira ( 1,0 eV) 3. Área efetiva (10 -8 até 10 -9 cm 2 ) menor que a área geométrica (4x10 -4 cm 2 ) 4. Espessura efetiva da barreira de 9 Å até 12 Å Resultados e discussão: Os valores Para uma distância de 50 mm entre o canhão e o substrato, as MTJs mostraram:

14 Resultados e discussão: Tunelamento quântico através de Hot Spots Binnig e Rohrer Rev. Mod. Phys. V. 59 p. 615 (1987) Perfil da corrente de tunelamento para uma junção túnel

15 Resultados e discussão:Duas regiões magnéticas diferentes Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O 2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

16 Resultados e discussão:Válvula magnética R AP > R P T = 300 K Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O 2 (45 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

17 Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistência túnel Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O 2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100).

18 Resultados e discussão: Inversão da magnetorresistência túnel

19 R AP < R P

20 Resultados e discussão: A DOS massiva 500 mV

21 Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura Li et al. (2004) e Ren et al. (2005): A forte dependência da altura da barreira de potencial com a tensão aplicada, é responsável pela forte dependência da TMR com a tensão. Desta forma, é possível observar o efeito da altura sobre a TMR em função da tensão. Coeficiente de Transmissão Vetor de Onda da Barreira

22 Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura V cri 250 mV Fator de Coerência Quântica

23 Resultados e discussão: A contribuição da baixa altura da barreira à baixa temperatura

24 Conclusões : As MTJs foram depositadas sob condições de oxidação que garantem: - Baixa altura da barreira - Baixa assimetria da barreira - Forte dependência da TMR com a tensão aplicada -Tunelamento quântico como mecanismo de transporte eletrônico Produção das Amostras Isto possibilitou: - Inversão da TMR com a tensão aplicada à 77 K

25 Conclusões : Inversão da TMR - A DOS massiva está em acordo com o fator A(E x,V) mostrando que não há inversão da população de spin - O fator de coerência quântica D(Ex,V) é o único termo capaz de diminuir e inverter a TMR devido à tensão aplicada e à baixa altura da barreira Portanto, podemos concluir que a inversão da TMR está em acordo com o modelo de Li et al. (2004) e Ren et. (2005)

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28 Metodologia experimental: Controle do alinhamento magnético BAK 600 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O 2 (X)/TAM//Co(420)/ Cu(100) BAS 450PM Ta(98 Å)/Fe(433)/TM/SiO 2 (100)/TM/Co 50 Fe 50 (402)/Cu(100)

29 Perspectivas : - Depositar o sistema Py/TaO x /Co sob nossas condições de oxidação para estudar a inversão da TMR numa maior faixa de tensões aplicadas -Depositar os sistemas Py/TaO x /AlO x /Co e Py/AlO x /TaO x /Co para estudar os efeitos na TMR provocados pela posição da barreira. Segundo a teoria de Li et al. e Ren et al. ambas as curvas de TMR devem apresentar uma inversão de simetria

30 Metodologia experimental: Calibração da Taxa Camadas de FeEspessura Py Ta (1,24 Å/s)

31 Metodologia experimental: Controle do alinhamento magnético BAS 450PM Ta(98 Å)/Fe(433)/TM/SiO 2 (100)/TM/Co 50 Fe 50 (402)/Cu(100) BAK 600 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/Al(16) + O 2 (X)/TAM//Co(420)/ Cu(100)

32 Metodologia experimental: Definindo as propriedades Para uma distância de 50 mm entre o canhão e o substrato, as MTJs mostraram: - Baixa altura da barreira - Baixa Assimetria - Forte dependência da TMR com a tensão aplicada Canhão para Desbaste

33 Metodologia experimental: Definindo as propriedades Fracamente Oxidada Oxidação muito forte Du et al. Phy. Stat. Sol. A V.199 N.2 p.289 (2003) CoFe/AlO x /Co T= 300 K

34 Metodologia experimental: Temperatura Faixa de temperatura: 1,5 K até 300 K

35 Metodologia experimental: Campo magnético H max 4,0 kOe

36 Resultados e discussão: Os valores tabelados Parâmetros intrínsecos da barreira obtidos através de ajustes às curvas I-V usando o modelo de Simmons e Chow. Espessura efetiva da barreira (t AlOx ), altura do potencial da barreira (φ), área efetiva de tunelamento (A eff ) e tempo de oxidação (T ox ). Curvas I-V medidas a 300 K e os eletrodos ferromagnéticos no estado de magnetização antiparalela. Observa-se: 1. Barreiras com baixa assimetria 2. Baixa altura da barreira 3. Área efetiva (10 -8 até 10 -9 cm 2 ) menor que a área geométrica (4x10 -4 cm 2 ) 4. Espessura efetiva da barreira de 9 Å até 12 Å

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40 Resultados e discussão:Duas regiões magnéticas diferentes

41 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(16) + O 2 (30 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)

42 Ta(98 Å)/Py(474)/Al(4)/TM/ Al(31) + O 2 (60 s) /TAM/Co(420)/Cu(100)