Значительные успехи в получении и исследовании тонких металлических пленок, достигнутые в конце XX века, привели к открытию целого ряда новых явлений, которые интересны как для фундаментальной физики, так и для практического применения. Совершенствование технологий позволило синтезировать новые магнитные материалы с уникальной структурой и составом, а возможность получения ультратонких слоев магнитных и немагнитных материалов с резкими границами раздела – обеспечить их кардинально новые магнитные и электрические свойства. В таких материалах возникает ряд уникальных физических явлений, обусловленных тем, что магнитные моменты в трехслойной пленке могут быть параллельны (ферромагнитная [ФМ] конфигурация) или антипараллельны (антиферромагнитная [АФМ] конфигурация), что показано на рис. 5.

В ферромагнитных материалах выделяют два типа электронов в зависимости от ориентации их спина: «спин-вверх» и «спин-вниз». На рисунке направление спина обозначено синими и красными стрелками. Оказалось, что если ориентация спина не совпадает с магнитным моментом слоя (АФМ-конфигурация), то электрон не может попасть в этот слой, и электросопротивление становится больше. После перехода конфигурации из антиферромагнитной в ферромагнитную при возрастании внешнего магнитного поля электрон способен перескочить в смежный слой, и сопротивление значительно уменьшается. Этот эффект и называется гигантским магнитосопротивлением (ГМС).

Наиболее важные с практической точки зрения результаты были достигнуты при исследовании спинового транспорта в металлических мультислойных структурах. Как мы видели, эффект гигантского магнитосопротивления обусловлен зависимостью рассеивания электронов от типа магнитного упорядочения смежных слоев в пленке. Аналогичный спин-зависимый эффект наблюдается в структурах с магнитным туннельным переходом (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) типа ферромагнетик – диэлектрик – ферромагнетик (подробнее о них чуть ниже). Он также может приводить к большому туннельному магнитосопротивлению, ТМС (Tunnel Magnetoresistance, TMR). Наноразмерные магнитные структуры с эффектами ГМС и ТМС нашли широчайшее применение в сенсорах магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и энергонезависимой магниторезистивной памяти (Magnetic Random Access Memory, MRAM). Рассмотрим более подробно материалы, в которых наблюдаются гигантские магниторезистивные эффекты.

Очередным шагом на пути совершенствования структур с ГМС стали спиновые вентили (СВ). Они также состоят из двух магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, но магнитный момент одного из слоев закреплен антиферромагнитным слоем (АФМ) с фиксированным направлением магнитного момента. В то же время намагниченность второго слоя может свободно изменяться под действием внешнего магнитного поля. В другом варианте СВ имеют структуру пермаллой (NiFe)/медь (Cu)/ кобальт (Co), рис. 6. Когда мы помещаем этот «сэндвич» даже в слабое магнитное поле, верхний «свободный» слой легко изменяет конфигурацию магнитных моментов вслед за полем, выстраивая ее антипараллельно нижнему слою. А если есть такой переход, то будет и гигантское магнитосопротивление. На основе таких элементов созданы считывающие магниторезистивные головки в жестких дисках с плотностью записи более 100 Гбайт/кв. дюйм.

Варьируя материал, толщину и последовательность слоев, можно оптимизировать магнитные и электрические свойства таких наноструктур и расширить область их практического применения. За несколько лет, прошедших с момента открытия спиновых вентилей, было создано и исследовано не менее одиннадцати их видов с различной структурой.

К следующему поколению спинтроники относят структуры, принцип действия которых основан на явлении магнитного туннельного перехода. Магнитный туннельный переход происходит в структуре, состоящей из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором (обычно это оксид алюминия Al2O3). Причем толщина изолятора так мала (менее 2 нм), что электрон может просачиваться через него – этот процесс называется туннелированием. В ферромагнитном материале энергия электронов со «спин-вверх» и «спин-вниз» различная, поэтому и вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала, то есть электросопротивление большое. Таким образом, имеются условия для возникновения эффекта ГМС. Максимальная величина магниторезистивного эффекта, наблюдаемого в таких структурах при комнатной температуре, составляет около 220%.

Структуры с магнитным туннельным переходом применяются в качестве считывающих головок в жестких дисках, а также для создания элементарных ячеек магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, например, время выборки данных у MRAM-памяти может составлять 10 нс, что в пять раз меньше, чем у flash-памяти, а время записи – 2 нс (на три порядка меньше, чем у flash-памяти). При этом энергопотребление магниторезистивной памяти вдвое меньше, чем у flash– и DRAM-памяти.

Сегодня разработку MRAM-памяти ведут несколько фирм: Motorola, IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, а также совместно NEC и Toshiba. Большинство из них остановились на MRAM-памяти с магнитным туннельным переходом. Схема ячейки памяти, в которой перемагничивание осуществляется по методу Савченко, разработанному в компании Motorola, представлена на рис. 7. Ячейка памяти сформирована на пересечении разрядной и числовой шин. Она состоит из структуры с магнитным туннельным переходом, которая отвечает за хранение информации, и транзистора, с помощью которого организована адресация. Существуют схемы, в которых транзистор заменен диодом или вообще отсутствует. Ток, протекающий по разрядной и числовой шинам, наводит перекрестное магнитное поле, которое изменяет магнитное состояние свободного слоя. При считывании измеряется ток, протекающий через ячейку. Его величина зависит от конфигурации намагниченности магнитных слоев структуры: при параллельной ориентации сопротивление перехода минимально. Это соответствует логическому "0". При антипараллельной ориентации намагниченностей сопротивление велико, туннельный ток мал – это логическая "1".

Используя рассмотренную выше схему ячейки, Motorola в 2004 г. создала чипы MRAM-памяти емкостью 4 Мбайт и временем доступа 25 нс. Тогда же Infinion и IBM представили экспериментальный чип MRAM-памяти емкостью 16 Мбайт. Микросхемы изготавливались по 180-нм нормам. С переходом на 45-нм техпроцесс (это планируется осуществить до 2010 г.) емкость MRAM-памяти возрастет до 10 Гбит, а время доступа снизится до 8 нс.

Кроме MRAM и считывающих головок в жестких дисках структуры с магнитным туннельным переходом можно будет использовать и в качестве элементов в логических устройствах или перепрограммируемых логических процессорах, что потребует очень высоких значений магнитного сопротивления.