I notevoli progressi nella fisica del magnetotrasporto spin-dipendente hanno favorito lo sviluppo di nuove tecnologie in cui si utilizzano dispositivi magnetoresistivi (MR) chiamati ‘spin-valve metalliche’ e ‘spin-valve tunnel’, il cui principio di funzionamento, a seconda del fenomeno fisico, è basato rispettivamente su magnetoresistenza gigante (GMR) e magnetoresistenza tunneling (TMR). Nel testo italiano, il termine spin-valve (letteralmente, valvola di spin) non è stato tradotto in quanto oramai entrato nel linguaggio scientifico comune. Una spin-valve è formata da due elettrodi ferromagnetici con diversa coercitività (l’elettrodo magneticamente duro indicato come ‘reference layer’ RL, letteralmente strato di riferimento, e quello più soffice indicato come ‘free layer’ FL, strato libero) separati da uno strato spaziatore non-magnetico (metallico nel caso del dispositivo basato su GMR ed isolante in quello basato su TMR), in cui un campo magnetico esterno è in grado di cambiare l’orientazione relativa dei vettori di magnetizzazione (parallela o antiparallela), determinando una variazione della resistenza elettrica. Un importante esempio di tali tecnologie emergenti sono le memorie magnetiche ad accesso casuale (MRAM), composte da una matrice di celle spin-valve, in cui ciascuna cella rappresenta un bit registrato (di fatto, le attuali MRAM utilizzano spin-valve tunnel). La tecnologia MRAM è la più promettente per la creazione di una memoria con caratteristiche universali vantaggiose (non-volatilità, rapidità di accesso alle informazioni registrate, basso consumo, alta densità di immagazzinamento) ed attira un interesse sempre maggiore anche in vista di applicazioni nei settori della difesa e sicurezza del paese. Oggi, la richiesta crescente di memorie magnetiche miniaturizzate ad alta densità comporta l’insorgere di problemi fondamentali di stabilità magnetica legati ad effetti termici di smagnetizzazione (cioè, rilassamento superparamagnetico della magnetizzazione di RL e FL) o alla comparsa in RL e FL di configurazioni della magnetizzazione non-uniformi. Eliminare le cause di instabilità di cella è una sfida aperta nel campo delle MRAM, ed in generale delle tecnologie basate su GMR/TMR, la quale ultimamente implica il controllare l’anisotropia magnetica dei due elettrodi. In tale contesto, il progetto NANOREST affronta il problema di aumentare la stabilità termica di nanostrutture in vista di un loro impiego come elettrodi in celle spin-valve che formano l’architettura MRAM. Quindi, l’obiettivo diventa controllare sia il valore che la direzione dell’anisotropia magnetica di nanostrutture con dimensioni in regime sub-50nm, cioè al di sotto del limite dimensionale delle celle MRAM attuali. A tal scopo, il nostro approccio è costruire sia RL che FL in forma di dot a doppia fase magnetica, in cui l’interazione di scambio fra due fasi magnetiche diverse gioca un ruolo chiave nel determinare il comportamento magnetico complessivo. In breve, sfrutteremo l’accoppiamento di scambio all’interfaccia come uno strumento per modulare l’anisotropia effettiva dei dot a doppia fase magnetica e di conseguenza le proprietà magnetiche macroscopiche (configurazione della magnetizzazione, coercitività, processo di inversione della magnetizzazione e stabilità termica), in vista di un loro impiego come elettrodi in spin-valve. Il consorzio è composto da due Unità partner, una CNR (Coordinatore del progetto) ed una universitaria. Grazie alle loro competenze complementari ed alla varietà di metodi sperimentali e teorici che saranno impiegati per analizzare due sistemi con configurazioni distinte, il progetto NONOREST costituisce un approccio originale, completo e sistematico allo studio di materiali magnetici con dimensioni nanometriche ed accoppiamento di scambio. Ci si aspetta che tale ricerca aumenterà la conoscenza fondamentale del meccanismo di accoppiamento di scambio e della sua dipendenza dal confinamento dimensionale ed aprirà nuove prospettive al fine di controllare le proprietà magnetiche di nanostrutture ingegnerizzate e migliorare in modo significativo la loro funzionalità per applicazioni specifiche.

Tailoring the magnetic anisotropy of nanostructures for enhancing the magnetic stability of magnetoresistive (NANOREST)

SPIZZO, Federico;TAMISARI, Melissa;BISERO, Diego;DEL BIANCO, Lucia;
2011

Abstract

I notevoli progressi nella fisica del magnetotrasporto spin-dipendente hanno favorito lo sviluppo di nuove tecnologie in cui si utilizzano dispositivi magnetoresistivi (MR) chiamati ‘spin-valve metalliche’ e ‘spin-valve tunnel’, il cui principio di funzionamento, a seconda del fenomeno fisico, è basato rispettivamente su magnetoresistenza gigante (GMR) e magnetoresistenza tunneling (TMR). Nel testo italiano, il termine spin-valve (letteralmente, valvola di spin) non è stato tradotto in quanto oramai entrato nel linguaggio scientifico comune. Una spin-valve è formata da due elettrodi ferromagnetici con diversa coercitività (l’elettrodo magneticamente duro indicato come ‘reference layer’ RL, letteralmente strato di riferimento, e quello più soffice indicato come ‘free layer’ FL, strato libero) separati da uno strato spaziatore non-magnetico (metallico nel caso del dispositivo basato su GMR ed isolante in quello basato su TMR), in cui un campo magnetico esterno è in grado di cambiare l’orientazione relativa dei vettori di magnetizzazione (parallela o antiparallela), determinando una variazione della resistenza elettrica. Un importante esempio di tali tecnologie emergenti sono le memorie magnetiche ad accesso casuale (MRAM), composte da una matrice di celle spin-valve, in cui ciascuna cella rappresenta un bit registrato (di fatto, le attuali MRAM utilizzano spin-valve tunnel). La tecnologia MRAM è la più promettente per la creazione di una memoria con caratteristiche universali vantaggiose (non-volatilità, rapidità di accesso alle informazioni registrate, basso consumo, alta densità di immagazzinamento) ed attira un interesse sempre maggiore anche in vista di applicazioni nei settori della difesa e sicurezza del paese. Oggi, la richiesta crescente di memorie magnetiche miniaturizzate ad alta densità comporta l’insorgere di problemi fondamentali di stabilità magnetica legati ad effetti termici di smagnetizzazione (cioè, rilassamento superparamagnetico della magnetizzazione di RL e FL) o alla comparsa in RL e FL di configurazioni della magnetizzazione non-uniformi. Eliminare le cause di instabilità di cella è una sfida aperta nel campo delle MRAM, ed in generale delle tecnologie basate su GMR/TMR, la quale ultimamente implica il controllare l’anisotropia magnetica dei due elettrodi. In tale contesto, il progetto NANOREST affronta il problema di aumentare la stabilità termica di nanostrutture in vista di un loro impiego come elettrodi in celle spin-valve che formano l’architettura MRAM. Quindi, l’obiettivo diventa controllare sia il valore che la direzione dell’anisotropia magnetica di nanostrutture con dimensioni in regime sub-50nm, cioè al di sotto del limite dimensionale delle celle MRAM attuali. A tal scopo, il nostro approccio è costruire sia RL che FL in forma di dot a doppia fase magnetica, in cui l’interazione di scambio fra due fasi magnetiche diverse gioca un ruolo chiave nel determinare il comportamento magnetico complessivo. In breve, sfrutteremo l’accoppiamento di scambio all’interfaccia come uno strumento per modulare l’anisotropia effettiva dei dot a doppia fase magnetica e di conseguenza le proprietà magnetiche macroscopiche (configurazione della magnetizzazione, coercitività, processo di inversione della magnetizzazione e stabilità termica), in vista di un loro impiego come elettrodi in spin-valve. Il consorzio è composto da due Unità partner, una CNR (Coordinatore del progetto) ed una universitaria. Grazie alle loro competenze complementari ed alla varietà di metodi sperimentali e teorici che saranno impiegati per analizzare due sistemi con configurazioni distinte, il progetto NONOREST costituisce un approccio originale, completo e sistematico allo studio di materiali magnetici con dimensioni nanometriche ed accoppiamento di scambio. Ci si aspetta che tale ricerca aumenterà la conoscenza fondamentale del meccanismo di accoppiamento di scambio e della sua dipendenza dal confinamento dimensionale ed aprirà nuove prospettive al fine di controllare le proprietà magnetiche di nanostrutture ingegnerizzate e migliorare in modo significativo la loro funzionalità per applicazioni specifiche.
Sara, Laureti; Davide, Peddis; Paola, Alippi; Giorgio, Contini; Dino, Fiorani; Annamaria, Gerardino; Alberto Maria, Testa; Spizzo, Federico; Tamisari, Melissa; Gianni, Barucca; Bisero, Diego; DEL BIANCO, Lucia; Paolo, Mengucci
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