| 정의상 가정 | 스핀 의존 터널링(spin dependent tunneling, SDT) |
| 내용상 가정 | 계면과 절연층의 영향 무시 |
| 공식 |  |
| 단위 | |
| 응용 | 터널자기접합(magnetic tunnel junction, MTJ), |
↑파란 박스의 글자를 클릭하시면 가정과 응용으로 넘어 가실 수 있습니다!!
스핀 의존 터널링(spin dependent tunneling, SDT) _spin polarization에서 터널베리어 양단의 자기적인 성질을 바꾼다면 터널링 되는 전자의 수가 바뀌는 것을 확인 할 수 있었습니다.
이렇게 전자의 수가 바뀌는 것은 다시말해 전도도가 바뀐다는 것이고
이것은 저항이 바뀐다는 말과 같습니다.
따라서 스핀 의존 터널링의 저항을 터널자기저항이라 정의합니다.
즉 스핀전자가 barrier를 뛰어넘을 때 barrier양쪽의 강자성체의 상태에 따라 저항이 바뀌는 것을 말합니다.
터널링 하는 확률은 각 강자성체의 페르미 준위와 density of state또는 페르미 파동 벡터에 의존하는데, 이 중 density of state가 스핀 방향에 따라 불균일 하다는 이유로 이 전도도 변화가 생성됩니다.(더 자세한 사항은 스핀 의존 터널링(spin dependent tunneling, SDT) _spin polarization를 참조해 주세용)
이외 이 저항변화는 barrier와 닿아 있는 계면 구조에 관련이 있다고 보고됩니다. 이는 실험 적으로 터널링 구조를 만드는 과정에 증착조건에 따라 저항 변화가 변화된다는 결과 때문입니다.
따라서 이 저항 변화를 위 그림의 두 강자성체가 평행할 때P(parallel)와 반평행 할 때 AP(Anti-parallel)를 이용하여 정의한다면,
라 나타낼 수 있고, spin polarization을 이용하여 나타낸다면, spin polarization의 정의와 전도도의 관계식인 아래식을 이렇게 저렇게 대입하면
TMR은 다음과 같이 정의 할 수 있습니다.
하지만, 절연층, 절연층의 계면과 스핀 반전 산란이 이 이론값에 영향을 줍니다.
사실 여기서 P는 물질의 Fermi wave vector로 정의되는게 더 정확합니다.
$$P_i=\frac{\rho^{\uparrow}_{disp}-\rho^{\downarrow}_{disp}}{\rho^{\uparrow}_{disp}+\rho^{\downarrow}_{disp}}=\frac{k^{\uparrow}_F-k^{\downarrow}_F}{k^{\uparrow}_F+k^{\downarrow}_F}$$
이를 Stern's model이라 합니다.
즉 초기에는 이러한 영향 때문에 상온에서 구현하지 못했지만, 후에 절연층과 강저성 물질 계면이 상호 섞임과 자성 산화물 형성과 같은 결험을 없애며, 절연층에 pinhole 구조와 결험을 줄여 온전히 직접 터널링을 가능화 시켜서, 스핀 분극을 최대화 시키고 전자가 터널링 후 스핀 분극을 유지하게 하여 상용에서 구현을 성공하였습니다.
이를 가능케 한 유명한 공정법이 바로 플라즈마 산화법으로, 절연막을 지밀하게 제조하는 기술입니다.
이때, 인가하는 전압과 온도에 따라 TMR이 변화하게 됩니다.
이는 전압이 가해짐에 따라 에너지를 얻어 생성되는 자성물질과 절연층의 계면에서 magnon이 여기되어 inelastic scattering을 통해 에너지를 잃어 스핀반전이 일어나기 때문입니다. 또한 절연체 내의 국부적인 trap state가 형성되어 indirect tunneling을 증가시켜서 감소한다는 설명도 있습니다. 즉 전압이 높아지면 TMR은 감소합니다. 추가로 전압이 증가함에 따라 에너지 준위가 넓어져 density of state가 변해 전자들이 페르미 준위 위의 빈에너지 상태로 터널링 된다는 이유도 있습니다
온도증가는 스핀파의 여기가 쉬워짐에 따라 TMR이 감소한다고 설명되거나, 절연층 내부 자성 불순물에 의해 스핀반전이나 trap state때문이라는 설명도 있습니다.
TMR은 두가지 형태로 측정될 수 있습니다. 두 자성층의 보자력을 제어하여 만드는 Pseudo spin valve와 한 자성층의 자기장에 대한 offset를 주는 exchange bias를 이용한 TMR가 있습니다.
이에 따라 측정 결과가 다르며, 논문이나 회사 자료를 볼때 이 모양에 따라 어떤 상태로 만들었는지 알 수 있습니다.
TMR은 읽기 위해 가해준 voltage, 측정 온도, MTJ 계면상태에 따라서 크게 변화하는데, 모두 수년간 크게 연구되어왔습니다.
votlage의 경우 voltage가 커질 수록 저항이 높아집니다. 2000내 부근에 이는 MTJ 계면에서 magnon exication에 따른 inelastic scattering이 원인이다라는 가설과, armorphous에서 Localized trap state 때문이다라는 가설과 가정층의 electronics structure떄문이다라는 가설이 있었습니다.
추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다!
'스핀트로닉스' 카테고리의 다른 글
| 교환 상호작용(exchange interaction) (7) | 2018.02.12 |
|---|---|
| 스핀 의존 터널링(spin dependent tunneling, SDT) _spin polarization_tunneling spin polarization,TSP (2) | 2018.02.05 |
| 스핀궤도결합(spin orbit coupling) (3) | 2018.02.02 |
| spin flip scattering(스핀 반전 산란)_spin orbit scattering (0) | 2018.02.02 |
| spin dependent scattering(스핀 의존 산란) (0) | 2018.02.02 |
