Nanotecnología de dispositivos spintrônicos:

presente e futuroDr. Leandro M. Socolovsky

Laboratorio de Sólidos Amorfos,INTECINFacultad de IngenieríaUniversidad de Buenos Aires

Nanociencia – Nanotecnología

• O qué é nano

• Resistência elétrica e magnetoresistências de origem nano:– GMR

– TMR

– GHE

• Dispositivos espintrônicos

• Fenómenos novos

O qué é nano

Partículas magnéticas nanométricas

Reducción de tamaño → monodominio magnético

ϑ nm

μ

Partículas magnéticas nanométricas

• Íons da NP → supermomento, rotação coerente∀ µ =µ at N ,

– µ at : momento magnético atômico

– N : número de átomos magnéticos da nanopartícula

ϑ nm

μ

P. B

ean and J.D. Livingston, J. A

ppl. Phys. 30, 120 (1959)

Multicamadas

• “Sandwichs” M/NM/M

Resistência e resistividade

ρ : propriedade intensiva

material de área transversal A, comprimento l

R =ρ A

l

[ μ−cm ]

Duas magnitudes

Caminho libre médio Λ

Comprimento de coerência lsf

Resistividade(s)

ρT =ρ0 +ρimp +ρ fon +ρmag

ρ0 : resistividade intrínsecaρimp : impurezasρfon : fónonsρmag : magnética

Magnetoresistencias

• Ordinária

• Anisotrópica

• Colossal

• Gigante e Túnel, GHE

Nanostructura e propriedades “gigantes” de magnetotransporte

• Magnetoresistência gigante

• Magnetoresistência de tunelamento

• Efeito Hall gigante

• Magnetoimpedância gigante

Magnetoresistência ordináriaou

OMR

F = qE + v x B

Magnetoresistência anisotrópicaou

AMR

Magnetoresistências

• Colossal

Magnetoresistência gigante

Magnetoresistência Gigante em sistemas multicamadas : geometría básica

Camada ferromagnética

configuração P

M M

e-

Camada metálica não magnética

configuração AP

M M

e-

Razão MR = Rmax − Rmín

Rmax

. 100

Orígem da resistividade

Modelo de MottCampbell e Fert

– Elétrons 3d e 4s

– Eventos spin-flip esparsos– Movilidade dos elétrons s

Mott – Fert e Campbell

1) scattering elétrons “↑” y “↓” diferentes

2) eventos de scattering não alteram orientação spin

• duas bandas: spin up e spin down

Sem campo

ρρ

ρρρ

e↑

e↑

e↓

e↓

cortocircuíto para e↓

R (0) > R (H) Com campo

ρ

ρ ρ

Duas geometrías

CIP : Current In Plane Λ

CPP : Current Perpendicular to Plane lsf

Dois orígens

Intrínseca

Extrínseca

Paisagem de potencial

Sistemas Magnéticos Granulares

NP de Mn-As-Ga, matriz de

AsGa

NP de Co, matriz de CoO

NP de Co, matriz de SiO2

NP de Fe-Cu

Nanopartículas magnéticas em una matriz

NP Fe

Magnetoresistência gigante em sistemas granulares

Δρρ

=[ ρ(H ) − ρ(0 ) ]

ρ(0 )100 [ ]

-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

∆ρ/

ρ [

%]

Campo aplicado [T]

Fe20Cu80

GMR em sistemas granulares...

Magnetoresistência gigante em sistemas granulares

• Nanopartículas em distancias da ordem do comprimento de correlação Λ

e-↑ Λ

µ

Magnetoresistência gigante em sistemas granulares

e-↑ Λ

µµ

GMR em sistemas granulares...• GMR muda com a concentração de

soluto magnético

Aumenta hasta alcanzar la percolación magnética

0 10 20 30 40 50

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5 77 K

∆ρ/

ρ [%

]

Concentración [% at. Fe]

FexCu100-x

GMR muda com os elementos...

• Diferências nas bandas eletrónicas entre matriz e a NP

• Diferentes elementos : potenciais diferentes

Magnetoresistência de tunelamento

• Separador ou matriz isolante

• Condução por tunelamento entre camadas

ou NP magnéticas

Magnetoresistência de tunelamento em sistemas multicamadas : geometría básica

Eletrodos ferromagnéticos

configuração P

M M

e-

Camada isolante

configuração AP

M M

e-

Razão MR = Rmax − Rmín

Rmax

. 100

Magnetoresistência de tunelamento

• Tunelamento dependente do spin (SDT)

TMR – Modelo de Julliére

Junção plana Fe/Ge/CoTunelamento a través da junção

TMR – Modelo de Julliére

TMR =2P1 P 2

1−P1 P2

TMR – Resultados da literatura

Os valores de TMR registrados até meados dos ‘90 eram modestos

Após o trabalho de Miyasaki e Tezuka, foi fabricada a primeira estrutura com efeito importante a RT

MTJ de CoFe/Al2O3/Co

Moodera et al., PRL 74 (1995) 3273Miyazaki, Tezuka; JMMM 139 ‘95

TMR – Resultados na literatura

Efeitos de 10-20 % a RT: anos ´90

Wang et al : 70% (IEEE ´04)

Parkin et al: 220% em sandwichs com espaçador de MgO (Nature Materials ´04)

Magnetic Tunnel Junctions

• Multicamadas• Espaçador:

– Mg-O

– Al-Ox

• Produzidos por sputtering

RT

TMR em sistemas granulares

Poddar e Markovich: NP de magnetita (5,5 nm) recobertas com ácido oleico

TMR – Resultados na literatura

Efeito de ~125%

Poddar et al, PRB 65 (2002) 172405

Sistemas baseados en magnetitaNP @ poliestireno, 22.6 % MR @ 14 T (RT)

MgO/Fe3O4 nanofios:

1.2 % @ 1.8T (RT)

Wang et al, P

RB

73 (2006) 134412Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151

Aplicações

HD (Seagate, 2005)

sensores

Efeito Hall gigante

Efeito Hall

Efeito Hall em materiais magnéticos

4

xy xyo xye

xyo o

xye s

R H

R M

ρ ρ ρρρ π

= +

=

=Ordinario

Extraordinario Ordinario

Extraordinario :

C. M. Hurd, The Hall effect in metals and alloys (Plenum Press, New York, 1972)

Orígens da resistividade extraordinaria

• Dispersão asimétrica (Skew scattering, Karplus&Luttinger 1954 – Smit 1951):

• Salto lateral (side jump, Berger 1970):

ρxye α ρxx2

ρxye α ρxx

GHE e concentração de elemento magnético

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

10

20

30

40

50

60

Cox-(SiO2)1-x (TEM) Cox-(SiO2)1-x (XRD) Nix-(SiO2)1-x (TEM) Ni

x-(SiO

2)1-x

(XRD) Fe

x-(SiO

2)1-x

(XRD)

<D>

[nm

]

x [vol.]0.5 0. 6 0.7 0.8 0.9 1. 0

0.1

1

10

100

Fe Co Ni

ρxy

(µΩ

cm)

x [vol.]

Tamaño de la nanopartículaGHE decreciente

Medidas de efeito Hall

Co52 -(SiO2)48 , medido a RT

0 1 2

100

101

102

ρ xy

[µΩ

-cm

]

Applied Field [T]

400 ºC 350 ºC 300 ºC 250 ºC 200 ºC As-prepared

Magnetotransporte em sistemas nanoestruturados

-Spin Dependent Transport:

Tanques de Spin e objetos nanométricos

Spintrónica

• Control de spin

• Transistor Data & Das

• Semiconductores magnéticos diluídos (DMS)

• Nanopartículas de óxidos de hierro y “half metals”

Dispositivos spintrônicos

Interfase FM-Metal Normal

Fenómeno de injeção de spin

Pequenas espessuras (~nm)

vS+v

S-

j q=ddt

(q ˙r )=q ˙v

j s=ddt

( r )= v+ ˙ r

VÁLVULAS DE SPiN LATERAiS

Biosensores Magnetorresistivos Advances in Giant Magnetoresistance Biosensors With

Magnetic Nanoparticle Tags: Review and Outlook (Shan X. Wang and Guanxiong Li)

IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 44, NO. 7, JULY 2008

Trazas: nanopartículas funcionalizadas

Superparamagnetismo

M=M S Ctgh−1/ ,=m S H / kT

Idea básica do biosensor

Implementação

Array 8x8 SV-GMR de 1.5 m x 110 m

Integrantes

Dr. Ricardo Martínez García

Dr. Vitaliy Bilovol

MSc. Oscar Moscoso Londoño

MSc. Marcus Carrião dos Santos

Ing. Diana Pardo Saavedra

Colaborações• Unicamp, LNLS; Universidade Federal de Goiás (Brasil)

• Universidad de Santiago de Chile

• Universidad de Kyoto, Japón

• Centro Atómico Bariloche, CONEA; Departamento de Física, Universidad Nacional

de La Plata; INTI Migueletes- Argentina

Agradecimientos• CONICET, MinCyT, Agencia• Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) - LME