Обнаружены материалы с огромным магнитосопротивлением
Группа исследователей из Университета Тохоку представила новый материал, обладающий огромным магнитосопротивлением, что открывает путь к разработкам в области энергонезависимой магниторезистивной памяти (MRAM). Подробности их уникального открытия были опубликованы в Journal of Alloys and Compounds.
(а) Принципиальная схема туннельного магниторезистивного устройства и магнитосопротивления.
(b) Схематическая диаграмма кристалла исследуемого метастабильного объемно-центрированного кубического кобальт-марганцевого сплава.
(c) Схематическая диаграмма гранецентрированной кубической структуры, которая является одной из термодинамически стабильных фаз кобальт-марганцевых сплавов.
Предоставлено: Университет Тохоку.
Сегодня потребность в достижениях в оборудовании, которое может эффективно обрабатывать большие объемы цифровой информации, и в датчиках как никогда высока, особенно с учетом того, что правительства внедряют технологические инновации для создания более разумных обществ.
Большая часть этого оборудования и датчиков основана на MRAM и магнитных датчиках, и большинство таких устройств составляют туннельные магниторезистивные устройства.
Туннельные магниторезистивные устройства используют эффект туннельного магнитосопротивления для обнаружения и измерения магнитных полей. Это связано с намагничиванием ферромагнитных слоев в магнитных туннельных переходах. Когда магниты выровнены, наблюдается состояние с низким сопротивлением, и электроны могут легко туннелировать через тонкий изолирующий барьер между ними.
Когда магниты не выровнены, туннелирование электронов становится менее эффективным и приводит к более высокому сопротивлению. Это изменение сопротивления выражается как магниторезистивный коэффициент, ключевой показатель, определяющий эффективность туннельных магниторезистивных устройств. Чем выше коэффициент магнитосопротивления, тем лучше устройство.
Современные туннельные магниторезистивные устройства содержат оксид магния и магнитные сплавы на основе железа, такие как железо-кобальт. Сплавы на основе железа имеют объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру в условиях окружающей среды и демонстрируют огромный эффект туннельного магнитосопротивления в устройствах с оксидом магния типа каменной соли.
Термодинамически стабильная кристаллическая структура тройных сплавов кобальт-марганец-железо, которая отображает состав материала, где был обнаружен огромный коэффициент магнитосопротивления, и данные о магнитосопротивлении, собранные при низкой и комнатной температуре. Эти характеристики были получены за счет объемно-центрированной кубической структуры в метастабильном состоянии.
Предоставлено: Университет Тохоку.
Было проведено два заметных исследования с использованием этих сплавов на основе железа, в результате которых были получены магниторезистивные устройства, демонстрирующие высокие коэффициенты магнитосопротивления. Первый в 2004 году был проведен Национальным институтом передовых промышленных наук и технологий в Японии и IBM; а второе произошло в 2008 году, когда исследователи из Университета Тохоку сообщили о коэффициенте магнитосопротивления, превышающем 600% при комнатной температуре, что подскочило до 1000% при температурах, близких к нулю Кельвина.
После этих прорывов различные институты и компании вложили значительные усилия в усовершенствование физики устройств, материалов и процессов. Тем не менее, кроме сплавов на основе железа, только некоторые упорядоченные магнитные сплавы типа Гейслера продемонстрировали такое огромное магнитосопротивление.
Доктор Томохиро Ичиносе и профессор Сигеми Мизуками из Университета Тохоку недавно начали исследовать термодинамически метастабильные материалы для разработки нового материала, способного демонстрировать аналогичные коэффициенты магнитосопротивления. Для этого они сосредоточились на сильных магнитных свойствах кобальт-марганцевых сплавов, которые имеют объемно-центрированную кубическую метастабильную кристаллическую структуру.
«Кобальт-марганцевые сплавы имеют гранецентрированную кубическую или гексагональную кристаллическую структуру как термодинамически стабильные фазы. Поскольку эта стабильная фаза проявляет слабый магнетизм, она никогда не изучалась как практический материал для туннельных магниторезистивных устройств», — сказал Мизуками.
Еще в 2020 году группа сообщила об устройстве, в котором использовался кобальт-марганцевый сплав с метастабильной объемно-центрированной кубической кристаллической структурой.
Используя науку о данных и/или высокопроизводительные экспериментальные методы, они опирались на это открытие и преуспели в получении огромного магнитосопротивления в устройствах путем добавления небольшого количества железа в метастабильный объемно-центрированный кубический кобальт-марганцевый сплав. Отношение магнитосопротивления составляло 350% при комнатной температуре , а также превышало 1000% при низкой температуре. Кроме того, при изготовлении устройства использовался метод напыления и процесс нагрева, что совместимо с современными отраслями.
«Мы произвели третий образец нового магнитного сплава для туннелирования магниторезистивных устройств, демонстрирующий огромное магнитосопротивление, и он задает альтернативное направление для будущих улучшений», — добавляет Мизуками.
