Tak pravidelní čtenáři stránek HW serveru jistě již ví, že jsme si ozřejmili, co se skrývá pod označením AMR, poté i GMR. Je čas tak přistoupit k popisu další tajemné zkratky - TMR. Tedy přesněji řečeno Tunelová MagnetoRezistence, jak zní překlad anglické zkratky Tunnel Magnetoresistance.
Co je TMR ?
Podobně
jako AMR či GMR i technologie TMR je min. 3-vrstvá struktura vykazující změnu
el. odporu v závislosti na velikosti okolního magnetického pole. Hlavní rozdíl
proti předešlým magnetorezistenčním technologiím vykazuje zdaleka nejvyšší citlivost,
tedy její el. odpor se změnou mag. pole nejvíce změní. Konkrétně v rozsahu 30
až 70 %, ale již jsou ve vývoji i změny víc jak 100%!, tedy hodnota odporu se
více jak zdvojnásobí. A to uznáte, že je již velmi pěkné vzhledem k pouze jednotkám
či jen málo desítkám procent u ostatních MR technologií.
Proto se tato technologie také velmi hodí pro všechna velmi citlivá zařízení, jako jsou velmi citlivé senzory či čtecí hlavy harddisků. Jak uvidíte dále, tato „dokonalost“ je vykoupena velmi omezenou linearitou nejen změny odporu v závislosti na hodnotě mag. pole a větší citlivostí na změnu teploty, ale také nelineární VA charakteristikou, což u součástky, která se má chovat jako rezistor není úplně ideální.
U TMR se podobně jako u GMR mění odpor struktury v závislosti na směru mag. pole a spinu elektronů el. proudu strukturou (Pinned layer = feromag. kov s pevně fixovanými mag. dipóly, Free layer = feromag. kov reagující na směr externího mag. pole).
Reálný tunelový jev, využívaný u TMR, se vyznačuje nelineární VA charakteristikou. Tedy i VA charakteristika TMR senzorů je nelineární (narozdíl od technologie GMR).
Trocha historie
I když TMR jev objevil již pan M. Julliere z university ve francouzském Rennes v roce 1975, z praktického pohledu je ze všech tří výše jmenovaných nejmladší. „Znovu objevena“ totiž byla poté až v roce 1991 panem Miyazakim z university v japonském Tohoku. V prvním případě byla totiž zjištěna u struktury železo/oxid germania/kobalt pouze při extrémně nízké teplotě jen 4,2 K. Což je prakticky k ničemu. Následně v roce 1991 již byla realizována struktura s izolantem v podobě oxidu hliníku vykazující změnu odporu 2,7% při pokojové teplotě. To již znamenalo přímo možnost pro praktické využití.
Od té doby se technologie TMR neustále vyvíjí hledáním a aplikací nových materiálů a tlouštěk vrstev, čímž jsme se aktuálně již dostali ke změně odporu daleko přes 100% a v budoucnu by neměl být žádný problém se dostat dokonce i přes 1000% (tj. 10x vyšší či nižší odpor než v klidovém stavu). V tomto směru je technologie TMR ze všech magnetorezistivních struktur jednoznačně nejlepší (mnohonásobně lepší než GMR a jeho odvozeniny). Z pohledu dalších vlastností však již tak ideální není (linearita, změna vlastností s teplotou), a proto se pořád vyrábějí a využívají i technologie AMR a GMR.
Princip TMR
I
když na první pohled je podobný s GMR, jak bude patrné z následujícího popisu
a obrázků, je u TMR jeden velký a praktický strukturální, výrobní i funkční
rozdíl. Tím je zdánlivě nepatrná záměna prostřední vodivé vrstvy základní třívrstvé
GMR struktury (obvykle měď), za elektricky nevodivou vrstvu, například oxid
hliníku Al2O3. Co se tím stalo? No podle klasické fyziky když oddělíme dvě vodivé
vrstvy izolantem, přestane přes přechod procházet el. proud. Jenže co se stane,
když vše převedeme do nanometrových rozměrů a izolační vrstva bude mít tloušťku
jen několik atomů? Zde bohužel či raději bohudík již klasická fyzika přestává
platit a přesunuli jsme se do království fyziky kvantové. A ta říká, že za
určitých podmínek může i touto strukturou procházet el. proud. Tento proud se
obvykle nazývá tunelový, protože jde o tzv. tunelový jev. Velmi zjednodušeně a
symbolicky řečeno, elektrony mají tolik energie a vrstva je tak slabá, že jí prostě
proletí (protunelují). Zatímco u větších tlouštěk izolantu již elektrony mají
tolik srážek s atomy materiálu, že prostě neprojdou, při velmi malé tloušťce
se sice zpomalí, ale nakonec ještě projdou.
Zatímco GMR jev pracuje na principu rozptylování elektronů se "špatným spinem" (spin dependent scattering), v případě TMR jevu je na základě orientace spinu elektronu vzhledem ke směru mag. pole minimalizováno tunelování přes oddělovací izolační vrstvu (spin dependent tunneling). Zatímco u GMR je jedy střední vodivá nemagnetická vrstva jen jako oddělovací mezi dvěmi mag. vrstvami, u TMR je postřední izolační vrstva hlavním prvkem struktury.
Takhle to sice vypadá velmi názorně, ale samozřejmě kvantová fyzika to popisuje jinak. Zde se jednotlivé možnosti „pohybů“ elektronů vyjadřují tzv. energetickým modelem s ústřední hladinou zvanou Fermiho hladina. Ta odděluje tzv. valenční a vodivostní pás, tedy oblasti „statických vázaných“ a „pohyblivých volných“ elektronů. Elektrony ve vodivostním pásu tvoří onen elektrický proud. Čím více elektronů v něm je, tím větší je. Aby tedy el. proud mohl téci, musí se dodat energie pro přechod elektronů z valenčního pásu do vodivostního. V případě kovů (el. vodivých materiálů) se prakticky valenční a vodivostní pásmo dotýká nebo i kříží. Hranicí je právě Fermiho hladina EF, která udává energetickou hladinu s 50% pravděpodobností výskytu elektronů. Stačí tedy jen nepatrná energie (eV), např. i jen v podobě tepla, aby vznikl elektrický proud. Například v případě polovodičů je pak mezi valenčním a vodivostním pásem tzv. zakázaná oblast a pro její překonání („přelezení“) je nutné dodat dostatečnou energii (např. tepelnou či elektrickou). Proto například polovodičové materiály jsou sami o sobě el. vodivé až při vyšších teplotách a vodivost významně roste s rostoucí teplotou, zatímco u kovů je již běžná blízkosti absolutní nuly. U izolantů je pak tato zakázaná oblast tak veliká, že ji nelze překonat (jednoduše „přelézt“). Tedy je to jen velmi málo pravděpodobné.
Jenže pokud je vrstva izolantu velmi slabá (několik atomů = nanometrů) a pokud je za ní dostatek volných energetických hladin, kam se mohou el. přemístit (prostě „mají tam za zdí dost místa“) jsou elektrony schopné i s malou energií bariéru izolantu „proletět“, tzv. protunelovat, aniž by jí „s velkou energetickou námahou přelézaly“. Klíčový je zde fakt, že právě „za bariérou“ bylo dost „volného místa“. Pokud tam toto místo v podobě volných ekvivalentních energetických hladin jako ve vodivostní oblasti před bariérou není, tak prostě elektrony neprotunelují (přesněji řečeno pravděpodobnost je velmi nízká). Prakticky řečeno, v prvním případě struktura má malý odpor, zatímco v případě druhém má odpor velký. A protože tunelový jev je možný právě jen za těchto dost striktních podmínek, je přechod mezi těmito dvěma stavy velmi rychlý. To v případě použití feromagnetických materiálů na obou stranách izolantu znamená velmi výraznou změnu el. odporu i při jen velmi malé změně hodnoty externího mag. pole. Zde si totiž ještě zahraje svoji úlohu onen vliv spinu elektronu, stejně jako u GMR jevu. |
Energetický model struktury nemag.kov-izolant- nemag. kov. Zde se projevuje jen čistě tunelový jev elektronů bez ohledu na jejich spin. Potenciál eV indikuje na strukturu připojené napětí Vbias způsobující el. proud strukturou (elektrony přecházejí hlavně z leva doprava). Bývá však v řádu mV. |
Totiž když magnetické vrstvy na obou stranách vrstvičky izolantu budou zmagnetovány stejně (paralelní stav), pro elektrony s natočením spinu paralelně k mag. poli bude tunelový jev plně fungovat a strukturou připojenou mezi kladný a záporný zdroj el. napětí bude napříč protékal významný el. proud (nízký odpor struktury). Když jedna mag. vrstva bude zmagnetována opačně (antiparalelní stav), elektrony se spinem, které jsou většinově zastoupeny v první magnetické vrstvě však již nemají zastoupení („jsou nežádoucí“) v druhé mag. vrstvě „za zdí“ z izolantu (protože zde již nejsou paralelní se směrem mag. pole) a tedy tunelový jev je málo pravděpodobný. Elektrony s opačným spinem, by sice mohly tunelovat, avšak nejsou ve větším počtu zastoupeny v první mag. vrstvě (protože opět zde nejsou paralelní se směrem mag. pole). Ve výsledku tak tvoří jen malý el. proud složený ze součtu malých proudů elektronů obou směrů spinu. Struktura navenek tedy vykazuje vysoký el. odpor. |
Energetický model struktury feromag.kov F1 - izolant - feromag. kov F2. Zde je již tunelování elektronů závislé i na směru mag. pole. Mohou masivně tunelovat jen elektrony jejichž spin má stejný směr jako směr pole v obou feromag. kovech (tedy jen při tzv. paralelním uspořádání). Potenciál eV indikuje na strukturu připojené napětí Vbias v řádu mV způsobující el. proud strukturou (elektrony přecházejí hlavně z leva doprava) |
Graficky znázorněná funkce spinového tunelování na energetickém modelu 3vrstvé TMR struktury: Pokud je struktura v tzv. paralelním stavu (situace vlevo), tedy na obě feromag. vrstvy působí mag. pole stejné orientace, mohou z první vrstvy vlevo tunelovat většinově "červené" elektrony se správným spinem, protože za zdí izolantu je pro ně dost volných energetických hladin . Při tzv. antiparalelním stavu, kdy obě feromag. vrstvy jsou opačně orientovány (situace vpravo), nemají většinově zastoupené "červené elektrony v první vrstvě za izolantem místo a tedy tunelovat jich může jen málo. Mohly by sice tunelovat "zelené" elektrony, ty však jsou v první vrstvě zastoupeny jen málo, protože mají "špatný spin". Celkový proud je tedy malý.
Základní struktura TMR funkční při pokojové teplotě - kobalt/Oxid hliníku/slitina kobalt-železo (objevená v 90. letech). Tato struktura vykazuje změnu odporu 10% při přítomnosti mag. pole +/- 150 Oe. S moderními materiály na bázi manganu a dalších slitin však lze již dosáhnout změny odporu daleko přes 100%.
Struktura TMR senzoru
Na rozdíl od GMR struktury, která se může využívat v horizontálním i vertikálním směru z pohledu protékajícího el. proud, v případě TMR funguje jen směr kolmý na rovinu struktury. Jinak pak mimo samotné izolační vrstvy je struktura podobná. Taktéž i zde se v praxi místo základní třívrstvé struktury využívá vícevrstvé struktury. Ta je mimo připojovacích elektrod složená z:
- volně polarizovatelné snímací magnetické vrstvy (free ferromagnetic layers)
- fixované magnetické vrstvy (pinned ferromagnetic layer)
- tenké vrstvy dielektrika, kde dochází k tunelovému jevu (tunnel junction).
Přičemž fixovaná mag. vrstva se realizuje tak, že se buď pro obě mag. vrstvy použije rozdílný mag. materiál s rozdílnou koercivitou nebo se tato vrstva podloží další vrstvou tzv. Antiferomagnetika, tedy materiálu s udržující orientací fixované vrstvy (seed layer).
Nejběžnější na realizaci je čtyřvrstvá struktura s fixovanou jednou magnetickou vrstvu (Pinned). Ta vykazuje "dvoustupňovou" schodovitou hysterezní smyčku (vlevo) a skoro skokovou změnu odporu při změně mag. pole z 0 na -40 kA/m (vpravo) - pozn. R je odpor při paralelním či antiparalelním režimu struktury.
Tato varianta se již prakticky využívá v TMR senzorech spolu s ještě vícevrstvovou
strukturou s několika tunelujícími přechody. Tím se hlavně ještě dále zvyšuje
citlivost, ale zároveň i přechod z nízkého odporu na vysoký je „více skokový“.
Tím se tato struktura hlavně hodí pro digitální datový záznam, tedy například
pro čtecí hlavy harddisků či dále magnetické paměti MRAM (podrobnosti v dalších
dílech o TMR).
TMR senzory se dle potřeby obvykle vyrábějí v některé z následujících třech struktur, které se pak vyznačují odlišnými hysterezními smyčkami.
Z pohledu materiálů pro jednotlivé vrstvy se nejdříve pracovalo se snadno realizovatelnými materiály železo (Fe) a kobalt (Co) jako feromagnetické kovy a oxid hliníku Al2O3 jako izolační vrstvou. S nimi lze dosáhnout změn odporu v řádu desítek %. Později se začal jako izolační vrstva využívat oxid manganu MnO. S ním pak lze již dosáhnout změny odporu v řádu stovek %. Následně se výzkum zaměřil na vylepšení feromagnetických materiálů.
Například struktura FeCoB-MnO-FeCoB pak dosahuje v laboratořích změny odporu až 1000%. Nejnovější další výzkum pak naopak zkouší další materiály, kde se jako dobré jeví tzv. Heuslerovy slitiny železa, kobaltu, manganu či křemíku. Z pohledu tlouštěk jednotlivých vrstev se pohybujeme v řádu jednotek až desítek nanometrů, přičemž samotná izolační vrstva musí být cca 1 až 5 nm, aby tunelový jev probíhal.
Příklad reálné TMR struktury CoFeB-MnO-CoFeB.
Závěr
Jak je z článku patrné, technologie TMR představuje značný pokrok hlavně v podobě vysokých hodnot změny odporu při malých změnách mag. pole. Vyniká tedy vysokou citlivostí. Na druhou stranu tunelový jev probíhá jen za určitých podmínek, strukturu je nutné napájet přesně daným napětím a VA / odporová charakteristika není lineární.
V příštím díle seriálu o TMR se podíváme na vyráběné senzory, jejich reálné charakteristiky a parametry.
Článek vytvořil z podkladů výrobců: Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- C. H. Ho and Minn-Tsong Lin: "Magnetoresistance of spin-dependent tunnel junctions with composite electrodes" , JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 90, NUMBER 12 15 DECEMBER 2001
- T.Stobiecki: "Magnetic Tunnel Junction (MTJ) or Tunnel Magnetoresistance (TMR) or Junction Magneto- Resistance (JMR)", Katedra Elektroniki AGH, 11 wykład 13.12.2004
- S. Yuasa, R. Matsumoto and colleagues: "Tunnel Magnetoresistance Effect and Its Applications", presentation of AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)
- Dexin Wang, Cathy Nordman, James M. Daughton, Zhenghong Qian, and Jonathon Fink: "70% TMR at Room Temperature for SDT Sandwich Junctions With CoFeB as Free and Reference Layers", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 40, NO. 4, JULY 2004
- Camelia Albon:"Integration of tunneling magnetoresistive sensors for high resolutive magnetic particle detection", PhD thesis in physics
- Bang Do: "Single crystal magneto-resistance device fabrication and its transport properties"
- David D. Awschalom, Robert A. Buhrman, James M. Daughton, Michael L. Roukes:"SPIN ELECTRONICS", Final Report, World Technology Evaluation Center (WTEC) Inc., August 2003
- První díl článku o GMR senzorech na stránkách automatizace - GMR senzory mag. pole - 1. díl - princip a struktura
- Druhý díl článku o GMR senzorech na stránkách automatizace - GMR senzory mag. pole - 2. díl - vyráběné senzory
- Článek o AMR senzorech na stránkách automatizace - Integrované AMR senzory magnetického pole
- Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz
