Magnetic tunnel junctions with perpendular anisotropy
Final Report Abstract
Die im Projekt durchgeführten Arbeiten haben sich zunächst damit befasst, durch exchange bias stabilisierte Tunnelelemente herzustellen. Dies gelang mit mehreren Schichtsystemen, wobei wir für die weiteren Arbeiten Ta/Pd/IrMn/CoFe/Ru/CoFeB als Referenzschichtsystem ausgewählt haben. Im Verlauf des Projekts machten wir dann die überraschende Entdeckung, dass die sehr kleinen Ströme, die für das Spin-Torque Schalten gefunden wurden, ihre Ursache im Superparamagnetismus der sehr dünnen CoFeB-Elektrode haben. Dies konnten wir einerseits in eine Patentanmeldung für einen echten Zufallszahlengenerator einfließen lassen und andererseits für die im Projekt gesteckten Ziele nutzen: Im Rahmen der Projektarbeiten ist es gelungen, das superparamagnetische Verhalten der oberen CoFeB-Elektrode in den magnetischen CoFeB/MgO/CoFeB Tunnelkontakten mit senkrechter magnetischer Anisotropie zeitaufgelöst zu untersuchen und das thermisch aktivierte Schalten der Magnetisierung in Bezug auf Probentemperatur und die angelegten magnetischen und elektrischen Felder zu charakterisieren. Die Blocking Temperatur, ab der der Superparamagnetismus bei gegebener Messdauer einsetzt, erwies sich dabei als spezifisch für das System. Zudem wurde gefunden, dass die superparamagnetische unstrukturierte Schicht in Domänen zerfällt, während TMR-Zellen unter einem Durchmesser von 200nm eindomäniges Verhalten zeigen. Damit kann die Domänengröße zu etwa 200nm abgeschätzt werden. Für die durch die Anisotropie verursachte Energiebarrieren ΔE ergeben sich dann für Elemente mit 140nm Durchmesser Werte zwischen 1.3eV und 2 eV. Die Anisotropiekonstante K konnte mit einigen 10 kJ/m³ bestimmte werden. Dabei stimmt die Energiebarriere eindeutig nicht mit dem einfachen Ansatz ΔE=K∙V überein (V: Volumen der Elektrode) überein, was offenbar auf entropische Effekte zurückzuführen ist. Die Änderung der Entropie, die sich über die Anzahl der Wege über die Energiebarriere W auswirkt, scheint für das System eine große Rolle zu spielen. Dies wurde als Indiz für eine granulare Struktur der sehr dünnen Elektrodenschicht gewertet, die einen signifikanten Einfluss auf die Ursachen des Superparamagnetismus in diesem System hat. Die Untersuchung des Einflusses der Biasspannung VB hat gezeigt, dass die magnetischen Eigenschaften auch mit kleinen Spannungen deutlich beeinflusst werden können. Während bei sehr dünnen Barrieren unter ca. 1.2 nm Dicke der Spin-Torque der dominierende Effekt ist, überwiegen bei dickeren Barrieren die Änderung der Anisotropiekonstante durch das elektrische Feld an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Barriere. Dabei ergibt sich aus den Messungen für den parallelen Zustand β=ΔK(VB)∙tMgO zu ca. -35 fJ/(Vm) was mit anderen Messungen an diesem Schichtsystem übereinstimmt.
Publications
- Spin-Transfer Torque Switching at Ultra Low Current Densities. Materials Transactions, 56 (2015) Issue 9
Johannes Christian Leutenantsmeyer, Vladyslav Zbarsky, Marvin von der Ehe, Steffen Wittrock, Patrick Peretzki, Henning Schuhmann, Andy Thomas, Karsten Rott, Günter Reiss, Tae Hee Kim, Michael Seibt, Markus Münzenberg
(See online at https://doi.org/10.2320/matertrans.MA201570) - Room Temperature Exchange Bias in BiFeO3/Co-Fe Bilayers. IEEE Trans. Magnet. 52 , Issue: 7 , July 2016
Christian Sterwerf ; Markus Meinert ; Elke Arenholz ; Jan-Michael Schmalhorst ; Günter Reiss
(See online at https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.25105 44) - Perpendicular magnetic anisotropy of TiN buffered Co2FeAl/MgO bilayers. Journal of Applied Physics 121, 223902 (2017)
Alessia Niesen, Jana Ludwig, Manuel Glas, Robin Silber, Jan-Michael Schmalhorst, Elke Arenholz, Günter Reiss
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4984891) - Tunneling magnetoresistance of perpendicular CoFeB-based junctions with exchange bias. Journal of Applied Physics 122, 103904 (2017)
Orestis Manos, Alexander Böhnke, Panagiota Bougiatioti, Robin Klett, Karsten Rott, Alessia Niesen, Jan-Michael Schmalhorst, Günter Reiss
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4985850) - Correlation of tunnel magnetoresistance with the magnetic properties in perpendicular CoFeB-based junctions with exchange bias. Journal of Applied Physics 125, 023905 (2019)
Orestis Manos, Panagiota Bougiatioti, Denis Dyck, Torsten Huebner, Karsten Rott, Jan-Michael Schmalhorst, Günter Reiss
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5062847)
