Senkrecht anisotrope magnetische Tunnelelemente

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Reiss
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 188402195

In magnetischen Tunnelelementen mit senkrechter Anisotropie wurden extrem kleine Schaltstromdichten für das spin transfer torque Schalten (STT) gefunden. Darüber hinaus haben die Temperatur, das elektrische Feld und die Schichtdicken sehr starken Einfluss auf die Anisotropie und auf das Schalten der Magnetisierung. Insbesondere der Einfluss des elektrischen Feldes, der bisher noch wenig verstanden ist, eröffnet neue Möglichkeiten zu Bauelementen mit extrem kleinem Energieverbrauch. Wir haben an Tunnelelementen mit sehr dünnen CoFeB Elektroden und MgO Barrieren Schaltströme gefunden, die bei dominierendem STT bis in den Bereich von 100 kA/cm² kommen. Anscheinend unphysikalische Werte (< 10 A/cm²) lassen sich ebenfalls realisieren. Für die Bedingungen, unter denen diese Werte erreicht werden, stellt sich aber heraus, dass alle drei Größen (spinpolarisierte Stromdichte, Temperatur und elektrisches Feld) die magnetischen Eigenschaften und damit das Schaltverhalten beeinflussen.Hier setzt dieser Fortsetzungsantrag an: Im weiteren Verlauf des Vorhabens wollen wir durch eine systematische Variation der Dicken der Tunnelbarrieren und einer Elektrode aus Co, Fe und CoFe(B) und durch nichtmagnetische Gegenelektroden die drei Effekte jeweils in reiner Form realisieren. Insbesondere der Einfluss des elektrischen Feldes soll für dicke Barrieren, bei denen kaum Strom fließt und keine Erwärmung stattfindet, mit Hilfe des magnetooptischen Kerr Effekts und durch Messungen des zirkularen und linearen Röntgendichroismus am Synchrotron eingehend charakterisiert werden. Wir erhoffen uns Erkenntnisse zur Frage, in wie weit die Änderung der Elektronendichte und/oder ein Einfluss auf die Bahnmomente an der Grenzfläche Ferromagnet/Isolator für den Effekt verantwortlich sind. Durch diese Informationen wollen wir dann komplette Tunnelelemente mit Abmessungen unter 200nm erzeugen, in denen durch Nutzung aller drei Einflüsse eine hohe Datenstabilität bei niedriger Schaltenergie (fJ-Bereich) erreicht werden soll.In einer zweiten Promotionsarbeit planen wir, die bisher sehr kleine Zahl der Materialien zu erweitern, an denen diese Effekte studiert werden können. Besonders im Vordergrund stehen dabei ferro- bzw. ferrimagnetische Materialien mit kleiner Elektronendichte. Wir zielen auf halbleitende Ferrite und das Mn-Ge System, für die wir bereits erste Vorarbeiten erbringen konnten. Vielversprechend sind beide Materialklassen, da die Ferrite halbleitend sind und für Mn-Ge senkrechte Anisotropie und geringe metallische Elektronendichte erwartet werden. An diesen Materialien sind zunächst grundlegende Untersuchungen zur Realisierung sehr dünner epitaktischer Schichten und zum Einfluss eines elektrischen Feldes auf die magnetischen Eigenschaften geplant, wobei der Hall Effekt und der Anomale Hall Effekt eingesetzt werden sollen. Im weiteren Verlauf wollen wir Tunnelelemente realisieren, die elektrische Feldeffekte auch bei größeren Schichtdicken als bei CoFeB erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen