Ortsaufgelöste Röntgen-Absorptions- und Zirkulardichroismus-Messungen an mit dünnen Oxidschichten bedecktem Magnetit zur Verwendung in magnetischen Tunnelelementen
Final Report Abstract
Eine Materialgruppe mit einer vorhergesagten vollständigen Spinpolarisation sind die oxidischen Ferroraagnete wie z.B. das Eisenoxid Magnetit FesO^ Zunächst wurde die stöchiometrische Präparation von Magnetit als dünne Schicht mittels des zur Verfügung stehenden Abscheide- Verfahrens und einer anschließenden Oxidation verifiziert. Es wurde gezeigt, dass eine Multilage von dünnen Fe-Schichten, die nach der jeweiligen Abscheidung oxidiert werden, nach einer Auslagerung von einer Stunde bei etwa 500°C zu einem stöchiometrischen Magnetit rekristallisieren. Vor der Auslagerung herrscht in der Probe ein Sauerstoff-Überschuss. Für eine Anwendung des wie beschrieben präparierten Magnetits als Elektrode in einem magnetischen Tunnelelement mit A^Os-Barriere wurde zunächst die Elektroden/Barrieren- Grenzfläche untersucht. Insbesondere wurde die Wechselwirkung der benachbarten Oxide AfeOs und FeaO4 mittels oberflachensensitiver Messungen charakterisiert. Herausforderung bei der Verwendung von Fe3Ü4 in einer MTJ ist eine Anpassung der Präparationsparameter der beiden oxidischen Materialien, so dass es an der Grenzfläche nicht zu einer Modifikation durch gegenseitige Reduktion und/oder Oxidation der Oxide und einer Interdiffusion der Materialien kommt. Es wurden verschiedene Ansätze verfolgt, diese Mechanismen zu verhindern. Wird das A^Os vor der Rekristallisation des Magnetits abgeschiedenen, kommt es während des Tempern zu einer Interdiffusion des nicht rekristallisierten FeOx mit dem angrenzenden AbOs und es bildet sich an der Grenzfläche FeAl2O4. Das magnetische Moment, sowie die Spinpolarisation wird reduziert. Wird das AI auf bereits rekristallisiertes Magnetit erst nach der Auslagerung abgeschieden, reduziert das metallische AI bereits bei seiner Abscheidung das Fes04 partiell. Das führt zu einem Sauerstoffdefizit in dem Magnetit und damit zur Bildung von FeO bzw. Fe an der Grenzfläche, was das magnetische Moment und die Spinpolarisation stark verändert. Diese Reduktion kann nicht durch ein Sauerstoff-Überangebot an der Barrieren- Grenzfläche im Magnetit unterbunden werden. Dazu wurden zum einen des bereits rekristallisierte Magnetit und zum anderen das ungeordnete FesO4 zusätzlich bzw. stärker oxidiert. Durch diese Oxidation wird aber das Magnetit an der Grenzfläche amorphisiert. Das Moment nimmt stark ab und die Elektrode ist nicht mehr halbmetallisch. An den FeaO4-MTJs mit A^Oa- Barriere konnte kein TMR-Effekt gemessen werden. Da in zahlreichen Veröffentlichungen die Eignung von MgO als Buffer, d.h. als direkt angrenzende Schicht, für FesO4 gezeigt wird und aktuell das Interesse an MTJs mit MgO-Barriere sehr groß ist, wurden zusätzlich noch einige Voruntersuchungen an FeOx-MTJs mit MgO- Barriere durchgeführt. Das MgO reduziert das angrenzende Fe304 nicht, die Peakform des XMCD-Spektrums gleicht der eines theoretisch berechneten und von anderen Gruppen gemessenenen Magnetits. Das FesO4 an der Grenzfläche ist nahezu perfekt geordnet. Ein erster Versuch der Präparation einer vollständigen MTJ mit FesO4-Elektrode zeigt einen TMREffekt von etwa -0,5%. Der negative TMR entspricht gut der für Fe^O^ erwarteten negativen Spinpolarisation. Die Schaltfelder in Hystereseschleife und Magnetowiderstandsmessungen stimmen überein. UI-Kennlinien und die daraus bestimmte Biasspannungsabhängigkeit zeigen den für MTJs typischen Verlauf (wegen des negativen TMR ist diese invertiert). Die Untersuchungen belegen zweifelsfrei, dass es sich bei der Magnetowiderstandsmessung um einen TMR-Effekt handelt. Diese Untersuchungen bilden einen erfolgreichen und vielversprechenden Ausgangspunkt für weiterführende Untersuchungen an MTJs mit Magnetit-Elektrode (n) zur Steigerung des TMR-Effektes.
Publications
- Marc Sacher, Dissertation, Uni Bielefeld, 2007
