Gedurende de laatste twee decennia, magnetische tunnelovergangen (MTJ's) hebben een centrale rol gespeeld in spintronische apparaten zoals leeskoppen van harde schijven en niet-vluchtige magnetoresistieve geheugens met willekeurige toegang (MRAM's), en onderzoekers werken voortdurend aan het verbeteren van hun prestaties. Een van de meest prominente prestaties die de praktische toepassingen van de technologie versnelde, was de realisatie van gigantische tunnelmagnetoweerstand (TMR) -verhoudingen door gebruik te maken van steenzouttype MgO-kristallijne barrière. Nutsvoorzieningen, in een artikel dat verschijnt in de uitgave van deze week van Technische Natuurkunde Brieven , een Japans team van onderzoekers is erin geslaagd MgGa2O4 toe te passen op een tunnelbarrière, het kerndeel van een MTJ, als alternatief materiaal voor meer conventionele isolatoren zoals MgO en MgAl ₂ O ₄ .

Een MTJ heeft een gelamineerde structuur die bestaat uit een isolerende laag op nanoschaal, een tunnelbarrière genoemd, ingeklemd tussen twee magnetische lagen. Een van de belangrijkste prestatie-indexen van een MTJ is de tunnelmagnetoweerstandsverhouding (TMR-verhouding), de grootte van de weerstandsverandering. Magnesiumoxide (MgO) wordt vaak gebruikt als tunnelbarrière omdat er gemakkelijk een grote TMR-verhouding kan worden verkregen.

"Om het toepassingsgebied van MTJ's verder te verbreden, we wilden de MTJ-eigenschappen sterk afstemmen door het materiaal van de tunnelbarrière te vervangen, " zei Hiroaki Sukegawa, een wetenschapper aan het National Institute for Materials Science in Japan. "Bijzonder, voor veel MTJ-toepassingen, we hebben een grote TMR-verhouding en een lage apparaatweerstand nodig en daarvoor hebben we gekozen voor een tunnelbarrièremateriaal met een lage bandafstand."

Het team selecteerde halfgeleidende MgGa ₂ O ₄ , die een bandafstand heeft die veel lager is dan de conventionele MgO-isolator, en gebruikte bestaande technologie om een ​​ultradunne MgAl . te maken ₂ O ₄ laag om de parameters te bereiken waarnaar ze op zoek waren.

De grootste uitdaging was het verkrijgen van een MgGa . van hoge kwaliteit ₂ O ₄ laag met defectvrije interfaces, omdat dat essentieel is voor het bereiken van een grote TMR-ratio.

"We hebben eerst een oxidatiemethode geprobeerd met behulp van een Mg-Ga-legeringslaag voor de MgGa ₂ O ₄ laagvoorbereiding echter, dit proces veroorzaakte ook aanzienlijke oxidatie op het oppervlak van de magnetische laag onder het Mg-Ga, en de resulterende gefabriceerde structuur functioneerde niet als een MTJ-apparaat, " zei Sukegawa. Geïnspireerd door hun recente werk aan een MgAl . van hoge kwaliteit ₂ O ₄ fabricage, het team probeerde vervolgens een directe sputtermethode; de MgGa ₂ O ₄ laag werd gevormd door radiofrequentiesputteren van een MgGa . met hoge dichtheid ₂ O ₄ gesinterd doel om de over-oxidatie van het grensvlak te verminderen.

Deze nieuwe methode was zeer effectief in het produceren van een hoogwaardige MgGa2O4-tunnelbarrière met extreem scherpe en defectvrije interfaces. Het was een aangename en onverwachte verrassing.

"We hadden niet verwacht dat we een MTJ zouden kunnen construeren met een grote TMR-verhouding met MgGa ₂ O ₄ in zo'n korte tijd sinds er weinig tunnelbarrièrematerialen waren die de grote TMR-verhouding bij kamertemperatuur konden bieden waarnaar we op zoek waren, " zei Sukegawa..

Dit werk toont aan dat, in tegenstelling tot het vroegere begrip, MTJ-tunnelbarrières kunnen worden "ontworpen". Men geloofde dat het bijna onmogelijk was om de fysieke parameters van de tunnelbarrière af te stemmen met behoud van grote TMR-verhoudingen. Deze resultaten geven sterk aan dat verschillende fysische eigenschappen van de tunnelbarrière kunnen worden ontworpen door de samenstelling van op spinel gebaseerde barrièrematerialen te selecteren, terwijl een efficiënt spin-afhankelijk transport wordt bereikt (d.w.z. grote TMR-verhouding).

Hoewel er nog meer werk aan de winkel is om grotere TMR-ratio's te bereiken, deze resultaten openen de mogelijkheid om "tunnelbarrière-ontwerp" te gebruiken met verschillende spineloxiden om nieuwe spintronische toepassingen te creëren.