Nanotecnología dedispositivos spintrônicos:    presente e futuro    Dr. Leandro M. SocolovskyLaboratorio de Sólidos Amorfo...
Nanociencia – Nanotecnología• O qué é nano• Resistência elétrica e magnetoresistências de  origem nano:  – GMR  – TMR  – G...
O qué é nano
Partículas magnéticas            nanométricasReducción de tamaño → monodominio magnético                         ⃗        ...
Partículas magnéticas nanométricasP. Bean and J.D. Livingston, J. Appl. Phys. 30, 120 (1959)                              ...
Multicamadas• “Sandwichs” M/NM/M
Resistência e resistividadeρ : propriedade intensiva                     ρA                  R=                      lmate...
Duas magnitudesCaminho libre médio ΛComprimento de coerência lsf
Resistividade(s)ρT =ρ 0 +ρ imp +ρ fon +ρ mag    ρ0 : resistividade intrínseca    ρimp : impurezas    ρfon : fónons    ρmag...
Magnetoresistencias    • Ordinária    • Anisotrópica    • Colossal    • Gigante e Túnel, GHE
Nanostructura e propriedades “gigantes” de magnetotransporte• Magnetoresistência gigante• Magnetoresistência de tunelament...
Magnetoresistência ordinária            ou          OMR       F = qE + v x B
Magnetoresistência anisotrópica              ou            AMR
Magnetoresistências• Colossal
Magnetoresistência gigante
Magnetoresistência Gigante em sistemas     multicamadas : geometría básica       configuração AP               configuraçã...
Orígem da resistividadeModelo de Mott    Campbell e Fert    –   Elétrons 3d e 4s             –   Eventos spin-flip esparso...
Mott – Fert e Campbell1) scattering elétrons “↑” y “↓” diferentes2) eventos de scattering não alteram  orientação spin
• duas bandas: spin up e spin down                                      cortocircuíto para e↓e↓        ρ        ρ         ...
Duas geometríasCIP : Current In Plane ΛCPP : Current Perpendicular to Plane   lsf
Dois orígensIntrínsecaExtrínseca
Paisagem de potencial
Granulares  Nanopartículas   magnéticas em   una matrizNP Fe                       NP de Co, matriz de SiO2               ...
Magnetoresistência gigante em    sistemas granulares                             0,0                             -0,5     ...
GMR em sistemas granulares...
Magnetoresistência gigante   em sistemas granulares• Nanopartículas em  distancias da ordem  do comprimento de  correlação...
Magnetoresistência gigante em sistemas granulares         e-↑       Λ               µ         µ
GMR em sistemas granulares...• GMR muda com a concentração de  soluto magnético              2,5                          ...
GMR muda com os elementos...• Diferências nas bandas eletrónicas entre  matriz e a NP• Diferentes elementos : potenciais  ...
Magnetoresistência de      tunelamento• Separador ou matriz isolante• Condução por tunelamento entre camadas ou NP magnéti...
Magnetoresistência de tunelamento emsistemas multicamadas : geometría básica      configuração AP               configuraç...
Magnetoresistência de tunelamento                 • Tunelamento dependente do                   spin (SDT)
TMR – Modelo de JulliéreJunção plana Fe/Ge/CoTunelamento a través da junção
TMR – Modelo de Julliére        2P1 P 2TMR =        1− P 1 P 2
TMR – Resultados da literaturaOs valores de TMR registrados atémeados dos ‘90 eram modestosApós o trabalho de Miyasaki eTe...
TMR – Resultados na literaturaEfeitos de 10-20 % a RT: anos ´90Wang et al : 70% (IEEE ´04)Parkin et al: 220% em sandwichs ...
Magnetic Tunnel Junctions• Multicamadas• Espaçador:  – Mg-O  – Al-Ox• Produzidos  por sputtering                         RT
TMR em sistemas granulares
TMR – Resultados na literaturaPoddar e Markovich: NP de magnetita (5,5 nm) recobertascom ácido oleico   Efeito de ~125%   ...
Sistemas baseados en magnetitaNP @ poliestireno, 22.6 % MR @ 14 T(RT)MgO/Fe3O4 nanofios:                                  ...
AplicaçõesHD (Seagate, 2005)sensores
Efeito Hall gigante
Efeito Hall
Efeito Hall em materiais                   magnéticos  ρxy = ρxyo + ρxye  ρxyo = Ro H                                     ...
Orígens da resistividade                extraordinaria• Dispersão asimétrica (Skew scattering,  Karplus&Luttinger 1954 – S...
GHE e concentração de elemento                                      magnético                                             ...
Medidas de efeito Hall                  10 2ρ xy [ µ Ω -cm]                       1                  10                   ...
Magnetotransporte em sistemas      nanoestruturados-Spin Dependent Transport:    Tanques de Spin    e objetos    nanométr...
Spintrónica• Control de spin• Transistor Data & Das• Semiconductores magnéticos diluídos  (DMS)• Nanopartículas de óxidos ...
Dispositivos spintrônicos
Interfase FM-Metal Normal●    Fenómeno de    injeção de spin●    Pequenas    espessuras    (~nm)
VÁLVULAS DE SPiN    LATERAiS                             vS+              vS-        ⃗q= d (q ⃗ )=q ⃗        j         ˙  ...
Biosensores Magnetorresistivos●    Advances in Giant Magnetoresistance Biosensors With    Magnetic Nanoparticle Tags: Revi...
Trazas: nanopartículas   funcionalizadas        M = M S Ctgh −1/ ,=m S H / kT         Superparamagnetismo
Idea básica do biosensor
Implementação      Array 8x8 SV-GMR de        1.5 m x 110 m
IntegrantesDr. Ricardo Martínez GarcíaDr. Vitaliy BilovolMSc. Oscar Moscoso LondoñoMSc. Marcus Carrião dos SantosIng. Dian...
Colaborações•    Unicamp, LNLS; Universidade Federal de Goiás (Brasil)•    Universidad de Santiago de Chile•    Universida...
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Seminário apresentado pelo dr. Leandro Socolovsky (UBA, Argentina) na seção UCS do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies no dia 30-09-11 para cerca de 20 estudantes e professores do Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da UCS.
O seminário abordou as estruturas magnéticas de tamanho nanométrico, as quais apresentam fenômenos muito particulares. O foco do seminário foram as propriedades de magneto-transporte, tais como a magneto-resistência gigante, a magneto-resistência de tunelamento, e o efeito Hall gigante. Foram explicados os fundamentos desses fenômenos, a atualidade e as aplicações em dispositivos de novo tipo.
Público-alvo: alunos com conhecimentos de teoria quântica e ciência de materiais.

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Nanotecnologia de dispositivos spintrônicos: presente e futuro

  1. 1. Nanotecnología dedispositivos spintrônicos: presente e futuro Dr. Leandro M. SocolovskyLaboratorio de Sólidos Amorfos,INTECINFacultad de IngenieríaUniversidad de Buenos Aires
  2. 2. Nanociencia – Nanotecnología• O qué é nano• Resistência elétrica e magnetoresistências de origem nano: – GMR – TMR – GHE• Dispositivos espintrônicos• Fenómenos novos
  3. 3. O qué é nano
  4. 4. Partículas magnéticas nanométricasReducción de tamaño → monodominio magnético ⃗ μ ϑ nm
  5. 5. Partículas magnéticas nanométricasP. Bean and J.D. Livingston, J. Appl. Phys. 30, 120 (1959) • Íons da NP → supermomento, rotação coerente ∀ µ =µ at N , – µ at : momento magnético atômico – N : número de átomos magnéticos da nanopartícula ⃗ μ ϑ nm
  6. 6. Multicamadas• “Sandwichs” M/NM/M
  7. 7. Resistência e resistividadeρ : propriedade intensiva ρA R= lmaterial de área transversal A, comprimento l [ μ−cm ]
  8. 8. Duas magnitudesCaminho libre médio ΛComprimento de coerência lsf
  9. 9. Resistividade(s)ρT =ρ 0 +ρ imp +ρ fon +ρ mag ρ0 : resistividade intrínseca ρimp : impurezas ρfon : fónons ρmag : magnética
  10. 10. Magnetoresistencias • Ordinária • Anisotrópica • Colossal • Gigante e Túnel, GHE
  11. 11. Nanostructura e propriedades “gigantes” de magnetotransporte• Magnetoresistência gigante• Magnetoresistência de tunelamento• Efeito Hall gigante• Magnetoimpedância gigante
  12. 12. Magnetoresistência ordinária ou OMR F = qE + v x B
  13. 13. Magnetoresistência anisotrópica ou AMR
  14. 14. Magnetoresistências• Colossal
  15. 15. Magnetoresistência gigante
  16. 16. Magnetoresistência Gigante em sistemas multicamadas : geometría básica configuração AP configuração P e- e- M M M M Camada metálica não magnéticaCamada ferromagnética R max − R mín Razão MR = . 100 R max
  17. 17. Orígem da resistividadeModelo de Mott Campbell e Fert – Elétrons 3d e 4s – Eventos spin-flip esparsos – Movilidade dos elétrons s
  18. 18. Mott – Fert e Campbell1) scattering elétrons “↑” y “↓” diferentes2) eventos de scattering não alteram orientação spin
  19. 19. • duas bandas: spin up e spin down cortocircuíto para e↓e↓ ρ ρ e↓ ρ ρ ρ ρ e↑ Sem campo ρ ρ e↑ R (0) > R (H) Com campo
  20. 20. Duas geometríasCIP : Current In Plane ΛCPP : Current Perpendicular to Plane lsf
  21. 21. Dois orígensIntrínsecaExtrínseca
  22. 22. Paisagem de potencial
  23. 23. Granulares Nanopartículas magnéticas em una matrizNP Fe NP de Co, matriz de SiO2 NP de Mn-As- Ga, matriz de AsGa NP de Co, matriz de CoO NP de Fe-Cu
  24. 24. Magnetoresistência gigante em sistemas granulares 0,0 -0,5 -1,0 ∆ρ/ρ [%] -1,5 Fe20Cu80 -2,0 -2,5 -3,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 Campo aplicado [T]Δρ [ ρ( H ) − ρ( 0 ) ] = 100 [ ] ρ ρ( 0 )
  25. 25. GMR em sistemas granulares...
  26. 26. Magnetoresistência gigante em sistemas granulares• Nanopartículas em distancias da ordem do comprimento de correlação Λ e-↑ Λ µ
  27. 27. Magnetoresistência gigante em sistemas granulares e-↑ Λ µ µ
  28. 28. GMR em sistemas granulares...• GMR muda com a concentração de soluto magnético 2,5 77 K 2,0 1,5 ∆ρ/ρ [%] 1,0 0,5 0,0 0 10 20 30 40 50 Concentración [% at. Fe]FexCu100-x Aumenta hasta alcanzar la percolación magnética
  29. 29. GMR muda com os elementos...• Diferências nas bandas eletrónicas entre matriz e a NP• Diferentes elementos : potenciais diferentes
  30. 30. Magnetoresistência de tunelamento• Separador ou matriz isolante• Condução por tunelamento entre camadas ou NP magnéticas
  31. 31. Magnetoresistência de tunelamento emsistemas multicamadas : geometría básica configuração AP configuração P e- e- M M M M Camada isolanteEletrodos ferromagnéticos R max − R mínRazão MR = . 100 R max
  32. 32. Magnetoresistência de tunelamento • Tunelamento dependente do spin (SDT)
  33. 33. TMR – Modelo de JulliéreJunção plana Fe/Ge/CoTunelamento a través da junção
  34. 34. TMR – Modelo de Julliére 2P1 P 2TMR = 1− P 1 P 2
  35. 35. TMR – Resultados da literaturaOs valores de TMR registrados atémeados dos ‘90 eram modestosApós o trabalho de Miyasaki eTezuka, foi fabricada a primeiraestrutura com efeito importante a RT MTJ de CoFe/Al2O3/CoMiyazaki, Tezuka; JMMM 139 ‘95 Moodera et al., PRL 74 (1995) 3273
  36. 36. TMR – Resultados na literaturaEfeitos de 10-20 % a RT: anos ´90Wang et al : 70% (IEEE ´04)Parkin et al: 220% em sandwichs com espaçadorde MgO (Nature Materials ´04)
  37. 37. Magnetic Tunnel Junctions• Multicamadas• Espaçador: – Mg-O – Al-Ox• Produzidos por sputtering RT
  38. 38. TMR em sistemas granulares
  39. 39. TMR – Resultados na literaturaPoddar e Markovich: NP de magnetita (5,5 nm) recobertascom ácido oleico Efeito de ~125% Poddar et al, PRB 65 (2002) 172405
  40. 40. Sistemas baseados en magnetitaNP @ poliestireno, 22.6 % MR @ 14 T(RT)MgO/Fe3O4 nanofios: Wang et al, PRB 73 (2006) 1344121.2 % @ 1.8T (RT)Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151
  41. 41. AplicaçõesHD (Seagate, 2005)sensores
  42. 42. Efeito Hall gigante
  43. 43. Efeito Hall
  44. 44. Efeito Hall em materiais magnéticos ρxy = ρxyo + ρxye ρxyo = Ro H Ordinario ρxye = Rs 4π M Extraordinario Ordinario Extraordinario :C. M. Hurd, The Hall effect in metals and alloys (Plenum Press, New York, 1972)
  45. 45. Orígens da resistividade extraordinaria• Dispersão asimétrica (Skew scattering, Karplus&Luttinger 1954 – Smit 1951): ρ xye α ρ xx• Salto lateral (side jump, Berger 1970): 2 ρ xye α ρ xx
  46. 46. GHE e concentração de elemento magnético 60 100 Fe Cox-(SiO2)1-x (TEM) Co 50 Cox-(SiO2)1-x (XRD) Ni Nix-(SiO2)1-x (TE M)ρ xy( µ Ω cm) Nix-(SiO2)1-x (XRD) 40 <D> [nm] 10 Fex-(SiO2)1-x (XRD) 30 1 20 0.1 10 0 0.5 0. 6 0.7 0.8 0.9 1. 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 x [vol.] x [vol.] GHE decreciente Tamaño de la nanopartícula
  47. 47. Medidas de efeito Hall 10 2ρ xy [ µ Ω -cm] 1 10 400 ºC 350 ºC 300 ºC 0 250 ºC 10 200 ºC As-pr epared 0 1 2 Applied Field [T] Co52 -(SiO2)48 , medido a RT
  48. 48. Magnetotransporte em sistemas nanoestruturados-Spin Dependent Transport: Tanques de Spin e objetos nanométricos
  49. 49. Spintrónica• Control de spin• Transistor Data & Das• Semiconductores magnéticos diluídos (DMS)• Nanopartículas de óxidos de hierro y “half metals”
  50. 50. Dispositivos spintrônicos
  51. 51. Interfase FM-Metal Normal● Fenómeno de injeção de spin● Pequenas espessuras (~nm)
  52. 52. VÁLVULAS DE SPiN LATERAiS vS+ vS- ⃗q= d (q ⃗ )=q ⃗ j ˙ r v˙ dt ⃗ s= d (⃗ ⃗ )=⃗ ⃗ + ⃗ ⃗ j r v ˙r dt
  53. 53. Biosensores Magnetorresistivos● Advances in Giant Magnetoresistance Biosensors With Magnetic Nanoparticle Tags: Review and Outlook (Shan X. Wang and Guanxiong Li)● IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 44, NO. 7, JULY 2008
  54. 54. Trazas: nanopartículas funcionalizadas M = M S Ctgh −1/ ,=m S H / kT  Superparamagnetismo
  55. 55. Idea básica do biosensor
  56. 56. Implementação Array 8x8 SV-GMR de 1.5 m x 110 m
  57. 57. IntegrantesDr. Ricardo Martínez GarcíaDr. Vitaliy BilovolMSc. Oscar Moscoso LondoñoMSc. Marcus Carrião dos SantosIng. Diana Pardo Saavedra
  58. 58. Colaborações• Unicamp, LNLS; Universidade Federal de Goiás (Brasil)• Universidad de Santiago de Chile• Universidad de Kyoto, Japón• Centro Atómico Bariloche, CONEA; Departamento de Física, Universidad Nacional de La Plata; INTI Migueletes- Argentina • CONICET, MinCyT, Agencia Agradecimientos • Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) - LME
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