eng
Выпуск #1/2025
Д.В.Васильев, А.Н.Сауров, В.В.Амеличев
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СПИН-ТУННЕЛЬНЫХ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ НАНОСТРУКТУР С СИНТЕТИЧЕСКИМ АНТИФЕРРОМАГНЕТИКОМ
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СПИН-ТУННЕЛЬНЫХ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ НАНОСТРУКТУР С СИНТЕТИЧЕСКИМ АНТИФЕРРОМАГНЕТИКОМ
Просмотры: 1190
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69
Представлены результаты исследования макетов преобразователей магнитного поля (ПМП) на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур (СТМР) с синтетическим антиферромагнетиком (САФ). Абсолютная чувствительность к магнитному полю у исследованных макетов ПМП-САФ составила 217 мВ/Э в диапазоне магнитного поля ±5 Э (±0,5 мТл) при напряжении питания 5 В.
Представлены результаты исследования макетов преобразователей магнитного поля (ПМП) на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур (СТМР) с синтетическим антиферромагнетиком (САФ). Абсолютная чувствительность к магнитному полю у исследованных макетов ПМП-САФ составила 217 мВ/Э в диапазоне магнитного поля ±5 Э (±0,5 мТл) при напряжении питания 5 В.
Теги: magnetic field transducer magnetic flux concentrators spin-tunnel magnetoresistive nanostructures synthetic antiferromagnet wheatstone bridge scheme концентраторы магнитного поля мостовая схема преобразователь магнитного поля синтетический антиферромагнетик спин-туннельные магниторезистивные наноструктуры
Получено: 12.11.2024 г. | Принято: 22.11.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69
Научная статья
Высокочувствительный ПРЕОБРАЗОВАТЕЛь МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СПИН-ТУННЕЛЬНЫХ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ НАНОСТРУКТУР С СИНТЕТИЧЕСКИМ АНТИФЕРРОМАГНЕТИКОМ
Д.В.Васильев1, нач. лаб., ORCID: 0000-0001-6568-5301
А.Н.Сауров2, д.т.н., проф., акад. РАН, дир.
В.В.Амеличев1, к.т.н., нач. отдела, ORCID: 0000-0002-4204-2626 / V.Amelichev@tcen.ru
Аннотация. Представлены результаты исследования макетов преобразователей магнитного поля (ПМП) на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур (СТМР) с синтетическим антиферромагнетиком (САФ). Абсолютная чувствительность к магнитному полю у исследованных макетов ПМП-САФ составила 217 мВ/Э в диапазоне магнитного поля ±5 Э (±0,5 мТл) при напряжении питания 5 В.
Ключевые слова: спин-туннельные магниторезистивные наноструктуры, синтетический антиферромагнетик, преобразователь магнитного поля, мостовая схема, концентраторы магнитного поля
Для цитирования: Д.В. Васильев, А.Н. Сауров, В.В. Амеличев. Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 1. С. 60–69. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69.
Received: 12.11.2024 | Accepted: 22.11.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69
Original paper
HIGH-SENSITIVE MAGNETIC FIELD TRANSDUCER BASED ON SPIN-TUNNEL MAGNETORESISTIVE NANOSTRUCTURES WITH SYNTHETIC ANTIFERROMAGNET
D.V.Vasilyev1, Head of Laboratory, ORCID: 0000-0001-6568-5301
A.N.Saurov2, Doct. of Sci. (Tech), Prof., Academician of RAS, Director.
V.V.Amelichev1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Department, ORCID: 0000-0002-4204-2626 / V.Amelichev@tcen.ru
Abstract. The results of a study of mock-ups of magnetic field transducers (MFT) based on spin-tunnel magnetoresistive nanostructures (STMR) with a synthetic antiferromagnet (SAF) are presented. The absolute sensitivity to the magnetic field of the studied MFT-SAF mock-ups was 217 mV/Oe in the magnetic field range ±5 Oe (±0.5 mT) at a supply voltage of 5 V.
Keywords: spin-tunnel magnetoresistive nanostructures, synthetic antiferromagnet, magnetic field transducer, Wheatstone bridge scheme, magnetic flux concentrators
For citation: D.V. Vasilyev, A.N. Saurov, V.V. Amelichev. High-sensitive magnetic field transducer based on spin-tunnel magnetoresistive nanostructures with synthetic antiferromagnets. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 1. PP. 60–69. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69.
ВВЕДЕНИЕ
Ряд современных научно-технических задач сложно решить без применения высокочувствительных преобразователей магнитного поля (ПМП). Одними из наиболее перспективных конструктивных решений для преобразования слабых магнитных полей в электрический сигнал являются спин-туннельные магниторезистивные (СТМР) наноструктуры. В СТМР наноструктурах изменение сопротивления происходит в результате туннелирования электронов при параллельной и антипараллельной магнитной конфигурации ферромагнитных слоев, при этом магниторезистивный эффект может превышать 200% [1]. Магнитный туннельный переход (МТП), как правило, состоит из двух ферромагнитных пленок (сплавы Fe, Ni, Co), между которыми расположен барьерный слой (MgO, Al2O3), причем одна из ферромагнитных пленок связана с антиферромагнитным слоем (IrMn, PtMn, FeMn) посредством обменной связи и называется "фиксированным" слоем. Намагниченность второй ферромагнитной пленки изменяется в малых магнитных полях, данный слой получил название "свободный". В СТМР-наноструктурах на основе аморфной пленки Al2O3 туннелирование электронов некогерентное, в результате этого магниторезистивный эффект составляет не более 70% [2]. Структура CoFeB / MgO / CoFeB в МТП обеспечивает когерентное туннелирование электронов через согласованную структуру кристаллических слоев, повышая тем самым магниторезистивный эффект до 600% [3].
Замена в МТП фиксированного слоя на синтетический антиферромагнетик (САФ) способствует снижению магнитостатического взаимодействия в СТМР-наноструктурах между фиксированным и свободным слоями. САФ, как правило, представлен двумя ферромагнитными слоями, разделенными немагнитной пленкой (Ru, Cu, Ag) и связанными между собой косвенной обменной связью, которая имеет осциллирующий вид. САФ-структура имеет замкнутую магнитную конфигурацию и концентрирует магнитное поле на фиксированном слое, минимизируя его воздействие на свободный слой.
Вместе с тем известно влияние САФ на механизм кристаллизации аморфных пленок CoFeB в результате термомагнитной обработки (ТМО) [4]. В двух типах структур, с фиксированным слоем CoFe (2,5 нм) / CoFeB (3 нм) и с фиксированным слоем с САФ CoFe (2,5 нм) / Ru (2,5 нм) / CoFeB (3 нм), установлено, что разделительный слой Ru в САФ обеспечивает кристаллизацию аморфных пленок CoFeB со стороны барьерного слоя MgO, формируя согласованную кристаллическую структуру слоев CoFeB / MgO / CoFeB и более эффективное туннелирование электронов, что в итоге положительно отражается на основных магнитных параметрах и их стабильности.
Таким образом, введение САФ в состав СТМР-наноструктуры позволяет добиться ряда преимуществ по следующим основным параметрам:
Диапазон измеряемых магнитных полей с помощью ПМП на основе СТМР-наноструктур составляет от нескольких десятков пикотесла (пТл) до нескольких десятков миллитесла (мТл) [5–7]. Это один из самых больших динамических диапазонов работы у известных ПМП, которые могут быть изготовлены с использованием технологии ИМС.
ПМП-САФ находят эффективное применение в системах контроля перемещения и вращения объектов, контроля электрического тока, обнаружения ферромагнитных объектов и структурных дефектов ферромагнитных материалов, подсчета магнитных микро- и наночастиц в биологическом анализе материала, в устройствах хранения информации с ограниченным энергетическим ресурсом.
Принимая во внимание преимущества СТМР-наноструктур с САФ, разработка на их основе новых конструктивно-технологических решений в области создания высокочувствительных преобразователей магнитного поля является актуальным и перспективным направлением исследования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Косвенное обменное взаимодействие между ферромагнетиками в САФ носит осциллирующий характер [8], при этом первый антиферромагнитный максимум обладает наибольшей энергией, в результате чего перемагничивание фиксированного слоя происходит при больших магнитных полях. Состав и толщины пленок, входящих в состав СТМР-наноструктуры Ta / CoFe / CoFeB / MgO / CoFeB / Ru (8 Å) / CoFe / IrMn / Ta, подбирались таким образом, чтобы обеспечить антиферромагнитное взаимодействие ферромагнитных слоев в САФ и минимальную коэрцитивную силу свободного слоя. Эскиз структуры и ее петля перемагничивания представлены на рис.1.
Представленная на рис.1b петля перемагничивания свободного слоя получена при помощи магнитной измерительной системы MESA-200 (Shb Instruments, США). Петля перемагничивания фиксированного слоя не показана на данном рисунке, так как измерительная система MESA-200 имеет ограниченный диапазон измерения (±1000 Э), в то время как для перемагничивания САФ с толщиной немагнитного слоя, соответствующей первому антиферромагнитному максимуму, необходимо задавать магнитное поле от 2 кЭ и более [8].
Для применения ПМП-САФ в широком температурном диапазоне необходимо минимизировать влияние изменения температуры на выходной сигнал [9]. Одним из инструментов для решения данной проблемы является использование мостовой схемы Уитстона (рис.2). Существует несколько вариантов мостовых схем: с одним активным плечом, полумостовая и полная мостовая схема. С точки зрения применения в ПМП, наибольший интерес представляет полная мостовая схема Уитстона, где все четыре плеча вносят свой вклад в выходной сигнал. В отличие от схемы с одним активным плечом, в полной мостовой схеме при температурном воздействии сопротивление четырех плеч изменяется практически одинаково, при этом выходной сигнал имеет минимальное отклонение от нулевого значения. Во внешнем магнитном поле у одной диагональной пары плеч схемы сопротивление увеличивается, у другой – уменьшается, данный дисбаланс приводит к появлению сигнала на выходе мостовой схемы [9].
Согласно данным, представленным в работе [9], для уменьшения порога обнаружения каждое плечо ПМП-САФ должно состоять из N МТП. С другой стороны, с ростом количества СТМР-элементов в плече увеличивается сопротивление мостовой схемы, что ограничивает частотный диапазон работы преобразователя. Необходимость применения цепочки последовательно соединенных МТП в каждом плече мостовой схемы обуславливает конструктивные и технологические особенности создания ПМП-САФ. Вариант конструкции последовательно соединенных СТМР-элементов в виде эскиза показан на рис.3.
Зависимость сопротивления группы последовательно соединенных МТП от внешнего магнитного поля представлена на рис.4. Коэрцитивная сила свободного слоя данной структуры равна 35 Э, поле смещения петли гистерезиса относительно нулевого значения магнитного поля отсутствует, магниторезистивный эффект составляет 45%.
Кривая на рис.4 имеет прямоугольный вид из-за параллельного расположения осей легкого намагничивания (ОЛН) и однонаправленной анизотропии (ООА). Направление ОЛН задается при напылении СТМР-наноструктуры, ООА возникает в результате обменного взаимодействия ферромагнитного и антиферромагнитного слоев [10]. Для корректной работы ПМП необходимо, чтобы зависимость имела линейный вид в области слабых магнитных полей. С этой целью применяются методы линеаризации, которые обеспечивают ортогональное расположение векторов намагниченности свободного и опорного слоев и уменьшение ширины петли гистерезиса свободного слоя [11]. В исследуемых МТП неколлинеарная конфигурация достигалась с помощью двухэтапной ТМО и анизотропии формы. Во время первого этапа ТМО при температуре 300 °С происходит кристаллизация аморфных пленок CoFeB, в результате чего магниторезистивный эффект увеличился до 79 % (рис.5), при этом направление внешнего магнитного поля совпадало с направлением ОЛН. Второй этап ТМО осуществлялся при температуре 250 °С, направление внешнего магнитного поля было направлено для формирования перпендикулярного расположения осей однонаправленной и одноосной анизотропии. В процессе двух этапов ТМО внешнее магнитное поле задавалось с помощью системы постоянных магнитов и составляло порядка 1 кЭ.
В результате второго этапа ТМО незначительно снижается магниторезистивный эффект и коэрцитивная сила свободного слоя, МТП со скорректированной характеристикой могут стать основой для изготовления высокочувствительных ПМП-САФ.
Одним из способов повышения чувствительности магниторезистивных ПМП является внедрение в конструкцию концентраторов магнитного поля (КМП). Как правило, КМП изготавливаются из магнитомягких ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью, что позволяет усилить полезный сигнал в несколько раз и повысить отношение сигнал/шум [12]. Как правило, КМП представляют собой протяженные прямоугольные детали, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, в зазоре которых находятся чувствительные элементы преобразователя. На коэффициент усиления КМП влияет как геометрическая форма, так и зазор между ними [13].
С учетом вышеизложенного, научным коллективом НПК "Технологический центр" разработан и создан макет конструкции ПМП-САФ, фотография которого представлена на рис.6.
В результате исследования электрофизических характеристик ПМП-САФ установлено, что сопротивление мостовой схемы может составлять от 2 до 20 МОм, абсолютная чувствительность к магнитному полю, при напряжении питания 5 В, достигает 217 мВ/Э в диапазоне от минус 5 до 5 Э (от минус 0,5 до 0,5 мТл). Экспериментально установлено влияние величины зазора между КМП на чувствительность к магнитному полю ПМП-САФ. На рис.7 представлена вольт-эрстедная характеристика макетного образца ПМП-САФ с зазором между КМП 1,0 мм (синяя кривая), абсолютная чувствительность к магнитному полю (S) при напряжении питания 5 В составляет 108 мВ/Э; красная кривая рис.7 иллюстрирует выходную характеристику макетного образца преобразователя с зазором между КМП 0,35 мм, S = 217 мВ/Э. При этом геометрические размеры КМП макетных образцов были одинаковы.
Для снижения гистерезиса вольт-эрстедных характеристик макетных образцов разрабатываются методы линеаризации, предусматривающие внедрение в конструкцию ПМП-САФ дополнительных магнитных компонентов.
Увеличение количества МТП в каждом плече мостовой схемы необходимо не только для уменьшения порога обнаружения по магнитному полю, но и для перераспределения напряжения питания между элементами, что предотвращает пробой барьерного слоя и выход из строя ПМП. С целью исследования влияния напряжения питания на магнитные свойства ПМП-САФ контролировалась чувствительность к магнитному полю макетного образца при фиксированной величине внешнего магнитного поля и при изменении напряжения питания от 0 до 10 В с шагом 1 В (рис.8).
При напряжении питания более 5 В происходит замедление роста абсолютной чувствительности, и при напряжении питания 8 В кривая достигает насыщения, что может быть объяснено уменьшением магниторезистивного эффекта при повышении напряжения питания на МТП.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования созданных макетных образцов ПМП-САФ и полученные результаты показывают потенциальные возможности новой технологии магнитополупроводниковых микросистем, позволяющей получать приборы с нечетной передаточной характеристикой и высоким коэффициентом преобразования магнитного поля. Это открывает возможность создания высокочувствительных ПМП (217 мВ/Э и более) при низком токе потребления (не более 10 мкА). Полученная экспериментальная зависимость абсолютной чувствительности к магнитному полю ПМП-САФ от напряжения питания показывает высокую устойчивость МТП с САФ при его изменении до 10 В. Созданные макетные образцы ПМП-САФ по совокупности основных параметров не имеют аналогов отечественного производства и соответствуют изделиям, выпускаемым одним из лидеров зарубежных изготовителей магниторезистивных датчиков, основанных на технологии СТМР-наноструктур [14].
Совокупность полученных результатов позволяет сделать вывод о широком диапазоне применения МТП с САФ: от элемента хранения информации в ячейке энергонезависимой памяти до массива элементов матрицы магнитного интроскопа. Важным достоинством МТП с САФ является универсальность его применения, его можно использовать как для детектирования изменения магнитного поля, например в биосенсорных устройствах, так и для определения направления вектора магнитной индукции в составе высокочувствительного ПМП-САФ. За счет высокой чувствительности ПМП-САФ могут быть интегрированы в устройства магнитной интроскопии, в системы обнаружения ферромагнитных объектов, в преобразователи бесконтактного измерения постоянного и переменного тока малой величины и в другие контрольно-диагностические приборы.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения НИР "Теоретические и экспериментальные исследования спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком для создания высокочувствительных преобразователей магнитного поля и элементов ячеек энергонезависимой магниторезистивной памяти", шифр FNRM-2022-0010.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Djayaprawiraa D.D., Tsunekawa K., Nagai M. et al. 230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB / MgO / CoFeB magnetic tunnel junctions / // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86. P. 092502.
Dieny B., Goldfarb R.B., Lee. K.-J. Introduction to magnetic random-access memory // IEEE Magnetics. 2017. 255 p.
Ikeda S., Hayakawa J., Ashizawa Y. et al. Tunnel magnetoresistance of 604% at 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB / MgO / CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 93. P. 082508.
Lee Y.M., Hayakawa J., Ikeda S. et al. Giant tunnel magnetoresistance and high annealing stability in CoFeB / MgO / CoFeB magnetic tunnel junctions with synthetic pinned layer // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 89. P. 042506.
Vidal E.G., Muñoz D.R., Arias S.I.R. et al. Electronic energy meter based on a tunnel magnetoresistive effect (TMR) current sensor // Materials. 2017. Vol. 10. P. 1134.
Valadeiro J.P., Leitão J.A., Ferreira D.C. et al. Strategies for pTesla field detection using magnetoresistive sensors with a soft pinned sensing layer" // IEEE Transactions on Magnetics. 2015. Vol. 51. No. 1. P. 4400204.
Ferreira R., Paz E., Freitas P.P. et al. Large area and low aspect ratio linear magnetic tunnel junctions with a soft-pinned sensing layer // IEEE Transactions on Magnetics. 2012. Vol. 48. No. 11. PP. 3719–3722.
Наумова Л.И., Миляев М.А., Чернышова Т.А. и др. Безгистерезисные спиновые клапаны с синтетическим антиферромагнетиком и управляемой магниторезистивной чувствительностью // Естественные и технические науки. 2015. № 10(80). С. 92–96.
Freitas P.P., Ferreira R., Cardoso S. Spintronic Sensors // Proceedings of the IEEE. 2016. Vol. 104. No. 10. PP. 1894–1918.
Чернышова Т.А., Миляев М.А., Наумова Л.И. и др. Магниторезистивная чувствительность и одноосная анизотропия микрополосок спиновых клапанов с синтетическим антиферромагнетиком // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 5. С. 439–445.
Silva A.V., Leitao D.C., Valadeiro J. et al. Linearization strategies for high sensitivity magnetoresistive sensors // The European Physical Journal Applied Physics. 2015. Vol. 72. P. 10601.
Амеличев В.В., Аравин В.В., Белов А.Н. и др. Создание интегральных компонентов усиления магнитного сигнала в беспроводной МЭМС на основе магниторезистивных элементов // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 3. С. 29–33.
Патент 2568148. Российская Федерация, МПК H01L 43/00 (2006.01). Магниторезистивный преобразователь: № 2014133072/28: заявл. 12.08.2014: опубл. 10.11.2015 / И.Е. Абанин, В.В. Амеличев, В.В. Аравин и др. 5 c.
Электронный ресурс: Материалы сайта компании "MultiDimension Technology Co., Ltd". www.dowaytech.com (Дата обращения: 30.10.2024).
Научная статья
Высокочувствительный ПРЕОБРАЗОВАТЕЛь МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СПИН-ТУННЕЛЬНЫХ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ НАНОСТРУКТУР С СИНТЕТИЧЕСКИМ АНТИФЕРРОМАГНЕТИКОМ
Д.В.Васильев1, нач. лаб., ORCID: 0000-0001-6568-5301
А.Н.Сауров2, д.т.н., проф., акад. РАН, дир.
В.В.Амеличев1, к.т.н., нач. отдела, ORCID: 0000-0002-4204-2626 / V.Amelichev@tcen.ru
Аннотация. Представлены результаты исследования макетов преобразователей магнитного поля (ПМП) на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур (СТМР) с синтетическим антиферромагнетиком (САФ). Абсолютная чувствительность к магнитному полю у исследованных макетов ПМП-САФ составила 217 мВ/Э в диапазоне магнитного поля ±5 Э (±0,5 мТл) при напряжении питания 5 В.
Ключевые слова: спин-туннельные магниторезистивные наноструктуры, синтетический антиферромагнетик, преобразователь магнитного поля, мостовая схема, концентраторы магнитного поля
Для цитирования: Д.В. Васильев, А.Н. Сауров, В.В. Амеличев. Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 1. С. 60–69. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69.
Received: 12.11.2024 | Accepted: 22.11.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69
Original paper
HIGH-SENSITIVE MAGNETIC FIELD TRANSDUCER BASED ON SPIN-TUNNEL MAGNETORESISTIVE NANOSTRUCTURES WITH SYNTHETIC ANTIFERROMAGNET
D.V.Vasilyev1, Head of Laboratory, ORCID: 0000-0001-6568-5301
A.N.Saurov2, Doct. of Sci. (Tech), Prof., Academician of RAS, Director.
V.V.Amelichev1, Cand. of Sci. (Tech), Head of Department, ORCID: 0000-0002-4204-2626 / V.Amelichev@tcen.ru
Abstract. The results of a study of mock-ups of magnetic field transducers (MFT) based on spin-tunnel magnetoresistive nanostructures (STMR) with a synthetic antiferromagnet (SAF) are presented. The absolute sensitivity to the magnetic field of the studied MFT-SAF mock-ups was 217 mV/Oe in the magnetic field range ±5 Oe (±0.5 mT) at a supply voltage of 5 V.
Keywords: spin-tunnel magnetoresistive nanostructures, synthetic antiferromagnet, magnetic field transducer, Wheatstone bridge scheme, magnetic flux concentrators
For citation: D.V. Vasilyev, A.N. Saurov, V.V. Amelichev. High-sensitive magnetic field transducer based on spin-tunnel magnetoresistive nanostructures with synthetic antiferromagnets. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 1. PP. 60–69. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.1.60.69.
ВВЕДЕНИЕ
Ряд современных научно-технических задач сложно решить без применения высокочувствительных преобразователей магнитного поля (ПМП). Одними из наиболее перспективных конструктивных решений для преобразования слабых магнитных полей в электрический сигнал являются спин-туннельные магниторезистивные (СТМР) наноструктуры. В СТМР наноструктурах изменение сопротивления происходит в результате туннелирования электронов при параллельной и антипараллельной магнитной конфигурации ферромагнитных слоев, при этом магниторезистивный эффект может превышать 200% [1]. Магнитный туннельный переход (МТП), как правило, состоит из двух ферромагнитных пленок (сплавы Fe, Ni, Co), между которыми расположен барьерный слой (MgO, Al2O3), причем одна из ферромагнитных пленок связана с антиферромагнитным слоем (IrMn, PtMn, FeMn) посредством обменной связи и называется "фиксированным" слоем. Намагниченность второй ферромагнитной пленки изменяется в малых магнитных полях, данный слой получил название "свободный". В СТМР-наноструктурах на основе аморфной пленки Al2O3 туннелирование электронов некогерентное, в результате этого магниторезистивный эффект составляет не более 70% [2]. Структура CoFeB / MgO / CoFeB в МТП обеспечивает когерентное туннелирование электронов через согласованную структуру кристаллических слоев, повышая тем самым магниторезистивный эффект до 600% [3].
Замена в МТП фиксированного слоя на синтетический антиферромагнетик (САФ) способствует снижению магнитостатического взаимодействия в СТМР-наноструктурах между фиксированным и свободным слоями. САФ, как правило, представлен двумя ферромагнитными слоями, разделенными немагнитной пленкой (Ru, Cu, Ag) и связанными между собой косвенной обменной связью, которая имеет осциллирующий вид. САФ-структура имеет замкнутую магнитную конфигурацию и концентрирует магнитное поле на фиксированном слое, минимизируя его воздействие на свободный слой.
Вместе с тем известно влияние САФ на механизм кристаллизации аморфных пленок CoFeB в результате термомагнитной обработки (ТМО) [4]. В двух типах структур, с фиксированным слоем CoFe (2,5 нм) / CoFeB (3 нм) и с фиксированным слоем с САФ CoFe (2,5 нм) / Ru (2,5 нм) / CoFeB (3 нм), установлено, что разделительный слой Ru в САФ обеспечивает кристаллизацию аморфных пленок CoFeB со стороны барьерного слоя MgO, формируя согласованную кристаллическую структуру слоев CoFeB / MgO / CoFeB и более эффективное туннелирование электронов, что в итоге положительно отражается на основных магнитных параметрах и их стабильности.
Таким образом, введение САФ в состав СТМР-наноструктуры позволяет добиться ряда преимуществ по следующим основным параметрам:
- повышенный магниторезистивный эффект (более 50%);
- малое смещение центра петли гистерезиса относительно нулевого значения магнитного поля;
- стабильность магнитных параметров после магнитного отжига.
Диапазон измеряемых магнитных полей с помощью ПМП на основе СТМР-наноструктур составляет от нескольких десятков пикотесла (пТл) до нескольких десятков миллитесла (мТл) [5–7]. Это один из самых больших динамических диапазонов работы у известных ПМП, которые могут быть изготовлены с использованием технологии ИМС.
ПМП-САФ находят эффективное применение в системах контроля перемещения и вращения объектов, контроля электрического тока, обнаружения ферромагнитных объектов и структурных дефектов ферромагнитных материалов, подсчета магнитных микро- и наночастиц в биологическом анализе материала, в устройствах хранения информации с ограниченным энергетическим ресурсом.
Принимая во внимание преимущества СТМР-наноструктур с САФ, разработка на их основе новых конструктивно-технологических решений в области создания высокочувствительных преобразователей магнитного поля является актуальным и перспективным направлением исследования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Косвенное обменное взаимодействие между ферромагнетиками в САФ носит осциллирующий характер [8], при этом первый антиферромагнитный максимум обладает наибольшей энергией, в результате чего перемагничивание фиксированного слоя происходит при больших магнитных полях. Состав и толщины пленок, входящих в состав СТМР-наноструктуры Ta / CoFe / CoFeB / MgO / CoFeB / Ru (8 Å) / CoFe / IrMn / Ta, подбирались таким образом, чтобы обеспечить антиферромагнитное взаимодействие ферромагнитных слоев в САФ и минимальную коэрцитивную силу свободного слоя. Эскиз структуры и ее петля перемагничивания представлены на рис.1.
Представленная на рис.1b петля перемагничивания свободного слоя получена при помощи магнитной измерительной системы MESA-200 (Shb Instruments, США). Петля перемагничивания фиксированного слоя не показана на данном рисунке, так как измерительная система MESA-200 имеет ограниченный диапазон измерения (±1000 Э), в то время как для перемагничивания САФ с толщиной немагнитного слоя, соответствующей первому антиферромагнитному максимуму, необходимо задавать магнитное поле от 2 кЭ и более [8].
Для применения ПМП-САФ в широком температурном диапазоне необходимо минимизировать влияние изменения температуры на выходной сигнал [9]. Одним из инструментов для решения данной проблемы является использование мостовой схемы Уитстона (рис.2). Существует несколько вариантов мостовых схем: с одним активным плечом, полумостовая и полная мостовая схема. С точки зрения применения в ПМП, наибольший интерес представляет полная мостовая схема Уитстона, где все четыре плеча вносят свой вклад в выходной сигнал. В отличие от схемы с одним активным плечом, в полной мостовой схеме при температурном воздействии сопротивление четырех плеч изменяется практически одинаково, при этом выходной сигнал имеет минимальное отклонение от нулевого значения. Во внешнем магнитном поле у одной диагональной пары плеч схемы сопротивление увеличивается, у другой – уменьшается, данный дисбаланс приводит к появлению сигнала на выходе мостовой схемы [9].
Согласно данным, представленным в работе [9], для уменьшения порога обнаружения каждое плечо ПМП-САФ должно состоять из N МТП. С другой стороны, с ростом количества СТМР-элементов в плече увеличивается сопротивление мостовой схемы, что ограничивает частотный диапазон работы преобразователя. Необходимость применения цепочки последовательно соединенных МТП в каждом плече мостовой схемы обуславливает конструктивные и технологические особенности создания ПМП-САФ. Вариант конструкции последовательно соединенных СТМР-элементов в виде эскиза показан на рис.3.
Зависимость сопротивления группы последовательно соединенных МТП от внешнего магнитного поля представлена на рис.4. Коэрцитивная сила свободного слоя данной структуры равна 35 Э, поле смещения петли гистерезиса относительно нулевого значения магнитного поля отсутствует, магниторезистивный эффект составляет 45%.
Кривая на рис.4 имеет прямоугольный вид из-за параллельного расположения осей легкого намагничивания (ОЛН) и однонаправленной анизотропии (ООА). Направление ОЛН задается при напылении СТМР-наноструктуры, ООА возникает в результате обменного взаимодействия ферромагнитного и антиферромагнитного слоев [10]. Для корректной работы ПМП необходимо, чтобы зависимость имела линейный вид в области слабых магнитных полей. С этой целью применяются методы линеаризации, которые обеспечивают ортогональное расположение векторов намагниченности свободного и опорного слоев и уменьшение ширины петли гистерезиса свободного слоя [11]. В исследуемых МТП неколлинеарная конфигурация достигалась с помощью двухэтапной ТМО и анизотропии формы. Во время первого этапа ТМО при температуре 300 °С происходит кристаллизация аморфных пленок CoFeB, в результате чего магниторезистивный эффект увеличился до 79 % (рис.5), при этом направление внешнего магнитного поля совпадало с направлением ОЛН. Второй этап ТМО осуществлялся при температуре 250 °С, направление внешнего магнитного поля было направлено для формирования перпендикулярного расположения осей однонаправленной и одноосной анизотропии. В процессе двух этапов ТМО внешнее магнитное поле задавалось с помощью системы постоянных магнитов и составляло порядка 1 кЭ.
В результате второго этапа ТМО незначительно снижается магниторезистивный эффект и коэрцитивная сила свободного слоя, МТП со скорректированной характеристикой могут стать основой для изготовления высокочувствительных ПМП-САФ.
Одним из способов повышения чувствительности магниторезистивных ПМП является внедрение в конструкцию концентраторов магнитного поля (КМП). Как правило, КМП изготавливаются из магнитомягких ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью, что позволяет усилить полезный сигнал в несколько раз и повысить отношение сигнал/шум [12]. Как правило, КМП представляют собой протяженные прямоугольные детали, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, в зазоре которых находятся чувствительные элементы преобразователя. На коэффициент усиления КМП влияет как геометрическая форма, так и зазор между ними [13].
С учетом вышеизложенного, научным коллективом НПК "Технологический центр" разработан и создан макет конструкции ПМП-САФ, фотография которого представлена на рис.6.
В результате исследования электрофизических характеристик ПМП-САФ установлено, что сопротивление мостовой схемы может составлять от 2 до 20 МОм, абсолютная чувствительность к магнитному полю, при напряжении питания 5 В, достигает 217 мВ/Э в диапазоне от минус 5 до 5 Э (от минус 0,5 до 0,5 мТл). Экспериментально установлено влияние величины зазора между КМП на чувствительность к магнитному полю ПМП-САФ. На рис.7 представлена вольт-эрстедная характеристика макетного образца ПМП-САФ с зазором между КМП 1,0 мм (синяя кривая), абсолютная чувствительность к магнитному полю (S) при напряжении питания 5 В составляет 108 мВ/Э; красная кривая рис.7 иллюстрирует выходную характеристику макетного образца преобразователя с зазором между КМП 0,35 мм, S = 217 мВ/Э. При этом геометрические размеры КМП макетных образцов были одинаковы.
Для снижения гистерезиса вольт-эрстедных характеристик макетных образцов разрабатываются методы линеаризации, предусматривающие внедрение в конструкцию ПМП-САФ дополнительных магнитных компонентов.
Увеличение количества МТП в каждом плече мостовой схемы необходимо не только для уменьшения порога обнаружения по магнитному полю, но и для перераспределения напряжения питания между элементами, что предотвращает пробой барьерного слоя и выход из строя ПМП. С целью исследования влияния напряжения питания на магнитные свойства ПМП-САФ контролировалась чувствительность к магнитному полю макетного образца при фиксированной величине внешнего магнитного поля и при изменении напряжения питания от 0 до 10 В с шагом 1 В (рис.8).
При напряжении питания более 5 В происходит замедление роста абсолютной чувствительности, и при напряжении питания 8 В кривая достигает насыщения, что может быть объяснено уменьшением магниторезистивного эффекта при повышении напряжения питания на МТП.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования созданных макетных образцов ПМП-САФ и полученные результаты показывают потенциальные возможности новой технологии магнитополупроводниковых микросистем, позволяющей получать приборы с нечетной передаточной характеристикой и высоким коэффициентом преобразования магнитного поля. Это открывает возможность создания высокочувствительных ПМП (217 мВ/Э и более) при низком токе потребления (не более 10 мкА). Полученная экспериментальная зависимость абсолютной чувствительности к магнитному полю ПМП-САФ от напряжения питания показывает высокую устойчивость МТП с САФ при его изменении до 10 В. Созданные макетные образцы ПМП-САФ по совокупности основных параметров не имеют аналогов отечественного производства и соответствуют изделиям, выпускаемым одним из лидеров зарубежных изготовителей магниторезистивных датчиков, основанных на технологии СТМР-наноструктур [14].
Совокупность полученных результатов позволяет сделать вывод о широком диапазоне применения МТП с САФ: от элемента хранения информации в ячейке энергонезависимой памяти до массива элементов матрицы магнитного интроскопа. Важным достоинством МТП с САФ является универсальность его применения, его можно использовать как для детектирования изменения магнитного поля, например в биосенсорных устройствах, так и для определения направления вектора магнитной индукции в составе высокочувствительного ПМП-САФ. За счет высокой чувствительности ПМП-САФ могут быть интегрированы в устройства магнитной интроскопии, в системы обнаружения ферромагнитных объектов, в преобразователи бесконтактного измерения постоянного и переменного тока малой величины и в другие контрольно-диагностические приборы.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения НИР "Теоретические и экспериментальные исследования спин-туннельных магниторезистивных наноструктур с синтетическим антиферромагнетиком для создания высокочувствительных преобразователей магнитного поля и элементов ячеек энергонезависимой магниторезистивной памяти", шифр FNRM-2022-0010.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Djayaprawiraa D.D., Tsunekawa K., Nagai M. et al. 230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB / MgO / CoFeB magnetic tunnel junctions / // Applied Physics Letters. 2005. Vol. 86. P. 092502.
Dieny B., Goldfarb R.B., Lee. K.-J. Introduction to magnetic random-access memory // IEEE Magnetics. 2017. 255 p.
Ikeda S., Hayakawa J., Ashizawa Y. et al. Tunnel magnetoresistance of 604% at 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB / MgO / CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 93. P. 082508.
Lee Y.M., Hayakawa J., Ikeda S. et al. Giant tunnel magnetoresistance and high annealing stability in CoFeB / MgO / CoFeB magnetic tunnel junctions with synthetic pinned layer // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 89. P. 042506.
Vidal E.G., Muñoz D.R., Arias S.I.R. et al. Electronic energy meter based on a tunnel magnetoresistive effect (TMR) current sensor // Materials. 2017. Vol. 10. P. 1134.
Valadeiro J.P., Leitão J.A., Ferreira D.C. et al. Strategies for pTesla field detection using magnetoresistive sensors with a soft pinned sensing layer" // IEEE Transactions on Magnetics. 2015. Vol. 51. No. 1. P. 4400204.
Ferreira R., Paz E., Freitas P.P. et al. Large area and low aspect ratio linear magnetic tunnel junctions with a soft-pinned sensing layer // IEEE Transactions on Magnetics. 2012. Vol. 48. No. 11. PP. 3719–3722.
Наумова Л.И., Миляев М.А., Чернышова Т.А. и др. Безгистерезисные спиновые клапаны с синтетическим антиферромагнетиком и управляемой магниторезистивной чувствительностью // Естественные и технические науки. 2015. № 10(80). С. 92–96.
Freitas P.P., Ferreira R., Cardoso S. Spintronic Sensors // Proceedings of the IEEE. 2016. Vol. 104. No. 10. PP. 1894–1918.
Чернышова Т.А., Миляев М.А., Наумова Л.И. и др. Магниторезистивная чувствительность и одноосная анизотропия микрополосок спиновых клапанов с синтетическим антиферромагнетиком // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 5. С. 439–445.
Silva A.V., Leitao D.C., Valadeiro J. et al. Linearization strategies for high sensitivity magnetoresistive sensors // The European Physical Journal Applied Physics. 2015. Vol. 72. P. 10601.
Амеличев В.В., Аравин В.В., Белов А.Н. и др. Создание интегральных компонентов усиления магнитного сигнала в беспроводной МЭМС на основе магниторезистивных элементов // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 3. С. 29–33.
Патент 2568148. Российская Федерация, МПК H01L 43/00 (2006.01). Магниторезистивный преобразователь: № 2014133072/28: заявл. 12.08.2014: опубл. 10.11.2015 / И.Е. Абанин, В.В. Амеличев, В.В. Аравин и др. 5 c.
Электронный ресурс: Материалы сайта компании "MultiDimension Technology Co., Ltd". www.dowaytech.com (Дата обращения: 30.10.2024).
Отзывы читателей
