Interfacial structure/chemistry of spintronics devices with Heusler alloy electrodes
Final Report Abstract
In einem Projektverbund bestehend aus einer Arbeitsgruppe am National Institute of Metal Research, Tsukuba, Japan, einer Arbeitsgruppe an der Universität Bielefeld und einer Arbeitsgruppe an der Universität Münster wurden aufeinander abgestimmte Untersuchungen an technisch aussichtsreichen tunnelmagnetoresistiven (TMR) Systemen durchgeführt mit dem Ziel die mikrostrukturelle Bedingungen, die zu besonders hohen TMR-Effektamplituden führen zu identifizieren. Neben den magnetischen und elektrischen Eigenschaften standen so insbesondere Materialwissenschaftliche Aspekte wie atomarer Transport, Grenzflächen und Korngrenzsegregation, Kristallstruktur und Textur der betreffenden Schichtsysteme im Vordergrund. Zur hochauflösenden chemischen Charakterisierung der Schichtsysteme wurde die erst seit kurzem eingeführte Laserunterstützte Atomsonden Tomographie (LA-APT) verwendet. Es wurde eine große Zahl unterschiedlicher TMR Systeme unter Variation des Elektrodenund Barrierematerials hergestellt mit dem Ziel, technisch besonders aussichtsreiche Materialkombinationen zu identifizieren. Unter den Systemen, welche auf der Verwendung von halbmetallischen Heuslerelektroden beruhen, wurde die Schichtkombination Co2FeAl /MgO/FeCo mit dem höchsten TMR-Effekt bei Raumtemperatur festgestellt während Co2MnSi/MgO/FeCo eine besonders schwache Performance zeigte. Von allen studierten Materialkombinationen erreicht die Schichtfolge FeCoB/MgO/FeCoB jedoch bei weiter die höchste Effektamplitude weit über 200%, welche bei Verwendung zusätzlicher Decklagen aus Ta noch zusätzlich gesteigert werden kann. Mittels der APT-Nanoanalyse wurden die speziellen mikrostrukturellen Bedingungen für die identifizierten Extremfälle untersucht. Die Schichtfolge Ta/FeCoB/MgO offenbart einen sehr komplexen Ablauf von Festkörperreaktion, der schließlich zu der beobachteten, sehr guten Performance führt. Durch korrekte Wahl von Schichtarchitektur und Wärmebehandlung wird der lokale B-Gehalt so gesteuert, dass er die Kristallisation der ferromagnetischen Elektroden in der korrekten Orientierungsbeziehung und so kohärentes Spin-Tunneln sicherstellt. Es wurde ein kinetisches Modell abgeleitet, welches die Kristallisationskinetik zutreffend beschreibt und die wichtigen Kontrollparameter ausweist sowie Kriterien für die korrekte Materialauswahl festlegt. Im Fall des vergleichsweise ungünstigen Schichtkombination Co2MnSi/MgO wurde die Eindiffusion von Mn in die Barriere als ein wesentlicher kritscher Faktor herausgearbeitet. Aufgrund schwacher Volumenlöslichkeit aber einer sehr starken Korngrenzsegregation dringt das Metall allerdings nur in die Korngrenzen der nanokristallinen Barriere ein. Eine grobkristalline bzw. quasi-einkristalline Barriere verspricht so, die Performance deutlich zu verbessern. So leiten sich aus den aufgedeckten Mechanismen direkt Strategien für eine weitere Steigerung der TMR Amplitude ab, die insbesondere eine genauere vorab Materialauswahl erleichtern.
Publications
- Co FeSi Based Magnetic Tunnel Junctions With BaO Barrier, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 48, No. 11, 3825 (2012)
Jan Rogge, Peter Hedwig, Christian Sterwerf, and Andreas Hütten
- On the role of Ta cap in the recrystallization process of CoFeB layers, Applied Physics Letters 103, 142412 (2013)
H. Bouchikhaoui, P. Stender, D. Akemeier, D. Baither, K. Hono, A. Hütten, and G. Schmitz
- Co2FeAl Based Magnetic Tunnel Junctions with BaO and MgO/BaO Barriers. AIP Advances Volume 5, Issue 7, 077173 (2015)
J. Rogge, W. Hetaba, J. Schmalhorst, H. Bouchikhaoui, P. Stender, D. Baither, G. Schmitz and A. Hütten
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4927638) - Nano-analysis of Ta/FeCoB/MgO Tunnel Magneto Resistance Structures. Acta Mat. Volume 116, 1 September 2016, Pages 298-307
H. Bouchikhaoui, P. Stender, Z. Balogh, D. Baither, A. Hütten, K. Hono, and G. Schmitz
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.06.045)
