INVE MEM 2010 82933
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Universidad Politecnica de Madrid (UPM) E.T.S.I.Telecomunicacion Instituto de Sistemas Optoeletronicos y Microtecnologia Grupo de Dispositivos Magnéticos (GDM) Fenomenologia spintronica Claudio Aroca Coordinador de Tecnologías Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas • Breve presentación del iSOM, del GDM y sus circunstancias • A modo de introducción: Viejos experimentos con spines y corrientes • Magnetoresistencia gigante y valvulas de spin • STO’s • Memorias race-track Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Magnetic Devices Group U. P. M. PERSONAL Dr. Pedro Sanchez Dr. Claudio Aroca [email protected] Dr. Marco Maicas Dr. Jose Luis Prieto [email protected] Dra M.M. Sanz Dr M Muñoz (CSIC) 3 Graduate students 2 Technicians (mechanical, computers & electronic) LINEAS DE INVESTIGACION Magnetic nanodots (sputtering) Magnetic multilayers Magnetic sensor and planar magnetic devices Hybrid devices Spintronica E.T.S. I Telecomunicacion, Ciudad Universitaria Madrid 28040 Spain Tel. +343367277 fax + +343367271 http//www.isom.upm.es Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas ISOM-UPM V Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas APPLICATIONS (Security systems) Submarine battery control between Potential (V) entre los electrodos electrodes • SENSIBILITY • DINAMIC RANGE • LOW POWER • …. BUT ALSO Electrolite density (gr/cm3) • INBUILT ELECTRONIC Diodes • INTERCONEXION (serial, diffuse light, power lines..) Relay Floating magnet • SIGNAL PROCESSING Diferencia de potencial 2.16 2.14 2.12 V = 0.72437 + 1.0901 * r R = 0.99348 2.10 2.08 2.06 2.04 2.02 1.20 1.22 1.24 1.26 1.28 1.30 3 Densidad del electrolito (g/cm ) Diodos LED Relés “reed” Imán flotador Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Financiación • • • • • • • • Subvención de la Universidad 0.85 Me Grupos de investigación Salario personal fijo (también damos clases) Electricidad y Agua ( hasta este año) Somos ICTS Gastos de mantenimiento Compra de grandes equipos (damos mas de 40 semanas de servicios al año) Proyectos Europeos Proyectos Nacionales (investigación básica) Proyectos Nacionales con Empresas Proyectos con Empresas Proyectos con el CIDA Total 1.85Me El 15% va a la Universidad, Departamento, ISOM El 30% Mantenimiento y gastos del ISOM Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Calidad • • • • • • ISOM Plan de calidad UPM (auditoria objetivos anual, Evaluación cada 4 años) – Publicaciones – Patentes – Formación de personal – Proyectos – Igualdad de la Mujer – Instalaciones y seguridad Grupos de Investigación Plan de calidad UPM (, Evaluación anual ICTS Plan estratégico MEC (Evaluación cada 4 años) Personal Investigador MEC (Evaluación cada 6 años) Personal Docente e Investigador CAM (Evaluación cada año) Evaluación de los proyectos (anual y fin de proyecto + auditorias) Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Protección de Resultados • Patente a nivel nacional muy accesible paga la Universidad y da Soporte administrativo y técnico • A los 2 años patente europea si solo hay un organismo es accesible en otro caso es muy cara • Inventores no hay problema, • Propiedad depende de los acuerdos previos con las empresas son muy variados, la universidad se queda con un porcentaje de lo que se reciba ¿Patentar si o no? en mi experiencia solo si hay una empresa interesada Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas ne 2 * r m 1 E (k ) m 2 k 2 1 * Metal no magnético: 50% e-↑ y 50% e-↓ Metal Magnético: Corriente polarizada de spin Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Luz circularmente polarizada GaAs I A H H Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas J. Unguris, G. Hembree, C. Aroca, R. J. Celotta, and D. T. Pierce Magnetic Properties of Amorphous Metals Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA Spin Diffusion Length Una interfaz entre dominios paralelos en un material ferromagnético, no produce ninguna MR Un metal no ferromagnético trata igual a ambos spines. Después de una distancia lSD la infomación del spin desaparece. SD vF Un poco más de spin-up = Spin Accumulation 3 = pequeño momento magnético neto SD , Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas E. LOPEZ, C. AROCA P. SANCHEZ JMMM 1983 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas I L. Berger Pys Let (1973) Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas E. LOPEZ, C. AROCA P. SANCHEZ JMMM 1980 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Tulchinsky DA, Unguris J, Celotta RJ Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA 1988 -1989 i i R R Cr i Fe Espesor ~ 10 -20 Å Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología R 20% R C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA Albert Fert Peter Grünberg PREMIO NOBEL 2007 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA SPIN VALVES: Transición a H=0 (Synthetic Spin-Valves) Transición a H≠0 Transición a H~0 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología Transición a H=0 C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA 1991 Stuart Parkin Inventa la “Spin-Valve” R 2% R Pero la transición es a H=0!! Compartió con Fert y Grümberg: 2007 SIN Nobel American Physical Society's International New Materials Prize (1994) European Physical Society's Hewlett-Packard Europhysics Prize (1997) 1997: Spin –Valve como cabeza lectora Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología 100% Crecimiento anual 1997 (2.4 Gb/sq-Inch) 2007 (70 Gb/sq-Inch) C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA Grabación Magnética Cabeza : sin t Velocidad / k Disco : sin kx y x 1991: 1 Gb/in2 => Gap 200nm y altura de vuelo 50 nm 2006: 7 Gb/in2 => Altura de vuelo 10 nm. Velocidad de vuelo 50 m/s Alineación con el track 25 nm Límite esperado 40 Gb/in2 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA 1 Gb/in2: Precio por Mb (US$) 7470 tpi & 3.4 m track pitch 5 Gb/in2: ~30 m Bit Size: 140nm long 700nm track width Año Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA Estudios con patterning Descubren GMR 2500 Es un acoplo RKKY GMR efecto Superficial Primera Spin-Valve Sistemas Granulares CPP en GMR Teoría Valet&Fert Topic=Magnetoresistance OR GMR OR Spin Valve 2000 1500 1000 500 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas SV con Gd en la capa libre Estudio de GMR en función de la distancia del Gd al espaciador no magnético (t) SiO2// Ta (2,5 nm)/ Py (9-tnm)/ Gd (1nm)/ Py (tnm)/ Cu (2nm)/ Py (9nm)/ FeMn (15nm)/ Ta (2nm) 2,0 Ta (2nm) FeMn (15nm) Py (9nm) Capa ligada GMR 1,5 Cu (2nm) Py (t nm) 1,0 0,5 0,0 Capa libre 0 2 Gd (1nm) 4 6 8 10 Distancia t (nm) al separador Py (9-t) Ta (2,5nm) • ¿Estará el Gd actuando como ‘espejo’? - Configuración CIP - ρGd>2ρPy 2,0 1,5 GMR (%) • 1,0 0,5 0,0 -10 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología 0 10 20 30 40 50 60 H (Oe) C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas 70 80 b) Fe/Gd/Fe • La difusión no parece tener una gran importancia en la GMR de las SV (si es que realmente la estamos evitando) Capa ligada Py (t nm) Capa libre Fe (1nm) Gd (1nm) Fe (1nm) SiO2// Ta (2,5 nm)/ Py (9-tnm)/ Fe (1nm)/ Gd (1nm)/ Fe (1nm)/ Py (tnm)/ Cu (2nm)/ Py (9nm)/ FeMn (15nm)/ Ta (2nm) 2,4 2,0 GMR (%) 1,6 1,2 0,8 Py total width Gd (1nm) Fe (2nm) Fe (1nm)/ Gd (1nm)/ Fe (1nm) 0,4 0,0 0 2 4 6 8 10 Distancia t (nm) al separador Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas HALL EFFECT H I V V H Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas SPIN HALL EFFECT I Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas SPIN HALL EFFECT Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas I 1 2 Una interfaz ferromagnética entre estados antiparalelos provoca acumulación de spin y por tanto MR Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA TRANSFERENCIA DE SPIN STO’s (Spin Transfer Oscillators). Potencial futuro Utilización de los STO’s para comunicación “intrachip” .- Osciladores de tamaño nanométrico (r100nm) que emiten a GHz .- La frecuencia de emisión se puede sintonizar con la corriente ? .- Factor de calidad alto Q103 (Osciladores de cuarzo 104) .- Potencia emitida baja P0.1nW .- Requiere campo magnético superpuesto para emisión. Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA TRANSFERENCIA DE SPIN EN PAREDES MEMORIA “RACE-TRACK” -Memoria sin partes móviles -Movimiento secuencial de los bits “empujados” por corriente polarizada -Escritura con el campo de dispersión de una pared de dominio Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas MEMORIA “RACE-TRACK” Parkin et al. Science 230, 190 (2008) CONCEPTO GENERAL Memoria Horizontal Unión Túnel Lectura de bits Memoria Vertical Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología Puntos de anclaje para las paredes C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA TRANSFERENCIA DE SPIN EN PAREDES MEMORIA “RACE-TRACK” Valores típicos para mover una pared Densidad de corriente típica J107 A/cm2 Record J106 A/cm2 Laribi et al. APL 90, 232505 (2007) en FeCoB Estimación para ser rentable J<105 A/cm2 ¿Solución en pulsos muy cortos? ns → Probabilidad de mover la pared Thomas et al. Science 315, 1553 (2007) J=108 A/cm2 tp Probabilidad de salir del defecto Hace falta algo de campo H para moverla Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas INTRODUCCIÓN A LA SPINTRONICA TRANSFERENCIA DE SPIN EN PAREDES MEMORIA “RACE-TRACK” Valores típicos para mover una pared Velocidad de una pared en nanohilos entre 100 m/s y 1000 m/s → Si Bit1µm → 1 Gb/s sólo en un registo de desplazamiento! (En Discos actuales de 10000 rpm, “bit transfer” 1Gb/s MÁS RÁPIDO EN HILOS RUGOSOS! Nakatani et al. Nature Materials 2, 521 (2003) ISOM Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Stochastic nature of the domain wall depinning in permalloy magnetic nanowires PHYSICAL REVIEW B 82, 064426 2010 Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología C. Aroca, J.L. Prieto, M. Maicas