Proposta e teste de memória e nano-oscilador baseados em elementos magnéticos topológicos

Abstract

Uma estrutura composta por duas camadas ferromagnéticas (F M ), separadas por uma fina camada isolante (I), é denomina junção túnel magnética. Nesta estrutura a camada isolante deve ser espessa suficiente para evitar interação magnética direta entre as cama- das F M e fina suficiente para possibilitar que a corrente eletrônica flua de um eletrodo ferromagnético a outro mediante efeito de tunelamento. Tipicamente a magnetização de uma das camadas ferromagnéticas é pinada para servir como referência, enquanto a mag- netização da outra fica livre para mover-se sob a influência de campo magnético externo. Nas junções túnel magnéticas os elétrons atravessam a barreira túnel perpendicularmente com respeito ao plano definido pela configuração F M 1/I/F M 2. Assim quando a mag- netização da camada ferromagnética livre é antiparalela, com respeito à magnetização da camada pinada, a resistência experimentada pelos elétrons ao atravessar a junção é alta, e em uma configuração onde a magnetização da camada livre é paralela à mag- netização da camada de referência a resistência é baixa. Este efeito é conhecido como magnetorresistência túnel e é a base para a fabricação de memorias magnéticas de acesso randômico. Neste trabalho foi utilizada técnica de sputtering de filmes finos para obten- ção de camadas de CoF eB/M gO/CoF eB com um gradiente de espessura para a junção túnel (M gO) com resistividade variante entre 2-72 Ohm/cm 2 e foram realizadas medi- das com magnetometro de amostra vibrante para estabelecer a espessura adequada da junção túnel na qual se apresenta desacoplamento das camadas ferromagnéticas na pre- sença de campo externo, encontrando efeito de desacoplamento na faixa dos 7 Ohm/cm 2 . Posteriormente foi utilizado o método de tunelização de corrente no plano para medir as propriedades magnetorresistivas da junção túnel encontrando magnetorresistência túnel do 160%. Ainda serão apresentados os passos realizados para a nano-fabricação de nano- pilares e as medidas de magnetorresistência perpendicular em nano-pilares de 300 nm de diâmetro com magnetização em configuração de vórtice que funciona como dispositivo de memória. Adicionalmente apresentamos as propriedades dinâmicas dos modos coletivos da magnetização baseadas no movimento de paredes de domı́nio (DW ). Usando simula- ções micromagnéticas e cálculos analı́ticos, estudamos a precessão de uma DW fixada por um defeito em forma de T em uma nano-banda magnética anisotrópica. Palavras-chave: MRAM. Nanofabricação. Magnetorresistência túnel. Nano-osciladores.

A structure composed of two ferromagnetic layers (F M ), separated by an isolated thin layer (I), is called magnetic tunnel junction. In this structure, an insulating layer must be thick enough to avoid direct magnetic interaction between the F M layers and thin enough to allow the electronic current to flow from one ferromagnetic electrode to another th- rough tunneling effect. Typically, the magnetization of one of the ferromagnetic layers is pinned to serve as reference, while the magnetization of the other is free to move under the influence of an external magnetic field. At magnetic tunnel junctions, electrons cross a tunnel barrier perpendicularly with respect to the plane defined by the F M 1/I/F M 2 configuration. Therefore, when the magnetization of the free ferromagnetic layer is anti- parallel, with respect to the magnetization of the pinned layer, the resistance experienced by the electrons when crossing the junction is high, and in a configuration where the magnetization of the free layer is parallel to the magnetization of the reference layer a resistance is low. This effect is known as magnetoresistance tunnel and is a basis for the manufacture of random access magnetic memories. In this work, thin film sputtering te- chnique was used to obtain CoF eB/M gO/CoF eB layers with a thickness gradient for the tunnel junction (M gO) with resistivity varying between 2-72 Ohm/cm 2 . Measurements were made with a magnetometer of vibrant sample to establish the appropriate thickness of the tunnel junction in which the decoupling of the ferromagnetic layers is present in the presence of an external field, finding an effect of decoupling in the range of 7 Ohm/cm 2 . Subsequently, the current in plane tunneling method was used to measure the magnetore- sistive properties of the tunnel junction, finding the 160% tunnel magnetoresistance. The steps carried out for the nano-fabrication of nano-pillars and the measurements of perpen- dicular magnetoresistance in nano-pillars of 300 nm in diameter with magnetization in vortex configuration that functions as memory device will also be presented. Additionally, we present the dynamic properties of the collective modes of magnetization based on the movement of domain walls (DW ). Using micromagnetic simulations and analytical calcu- lations, we studied the precession of a DW fixed by a T-shaped defect in an anisotropic magnetic nano-strip. Keywords: MRAM. Nanofabrication. Magnetoresistance tunnel. Nano-oscillators.