Спосіб створення джерела спін-поляризованих електронів

Реферат: Спосіб створення джерела спін-поляризованих електронів включає послідовне нанесення на феромагнітний металевий інжектор спін-поляризованих електронів спочатку - фільтра спінполяризованих електронів, потім - прошарку надтонкої плівки діелектрика та, нарешті металевого детектора спін-поляризованих електронів. Фільтр спін-поляризованих електронів виготовляють нанесенням на інжектор послідовно прошарку надтонкої плівки діелектрика, прошарку нанорозмірної плівки феромагнітного металу такої товщини, що забезпечує в ньому конструктивну інтерференцію електронних хвиль для електронів з переважним напрямком спіну і деструктивну інтерференцію для електронів з протилежним напрямком спіну. UA 86869 U (12) UA 86869 U UA 86869 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електронної техніки і призначена для створення нових типів високоефективних елементів спінтронних пристроїв. Відомий спосіб створення джерела спін-поляризованих електронів представлений у роботі Moodera J.S., Kinder L.R. Ferromagnetic-insulator-ferromagnetic tunneling: Spin-dependent tunneling and large magnetoresistance in trilayer junctions. Journal of Applied Physics, vol. 79. No. 8. p. 47244729. 1996. Нa феромагнітному металевому інжекторі спін-поляризованих електронів послідовно формується спочатку надтонка плівка діелектрика, а потім - металевий шар детектор спін-поляризованих електронів. Недолік такого способу полягає в недостатньо високому ступені спінової поляризації електронів провідності в феромагнітних металевих шарах. У 3d феромагнетиків (залізо, кобальт, нікель та їх сплави), які використовуються в даний час в магніторезистивних елементах пам'яті, його величина навіть при низьких температурах досягає лише 20-30 відсотків. Найбільш близьким по технічній суті до запропонованої корисної моделі є джерело спінполяризованих електронів (див. Steil S., Grosmann N., Laux M. el al. Spin-dependent trapping of electrons at spiniterfaces. Suture Physics, vol. 9. No. 4. p. 242-247, 2013), в якому між феромагнітним металевим інжектором спін-поляризованих електронів і надтонкою плівкою діелектрика розміщений додатковий нанорозмірний шар органічних молекул. Гібридизація електронних станів в феромагнетику з молекулярними орбіталями призводить до того, що органічні молекули виконують роль фільтра спін-поляризованих електронів. При цьому ступінь спінової поляризації електронів, тунелюючих у металевий шар-детектор спін-поляризованих електронів, істотно зростає. Недоліком такого способу є наявність органічних молекул всередині джерела спінполяризованих електронів, що вимагає радикальної зміни існуючої промислової технології виготовлення відповідних схем високої інтеграції і що значно підвищить собівартість виробництва мікросхем пам'яті. В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача розробки способу створення джерела спін-поляризованих електронів з підвищеним ступенем спінової поляризації тунелюючих у детектор електронів, в якому шляхом введення нових елементів взамін нанорозмірного шару органічних молекул забезпечується збереження існуючих технологічних підходів, а саме, використання багатошарових неорганічних структур в якості джерела спінполяризованих електронів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі створення джерела спін-поляризованих електронів замість формування фільтра спін-поляризованих електронів у вигляді нанорозмірного шару органічних молекул, як у відомому способі створення, фільтр спінполяризованих електронів формують послідовним нанесенням на феромагнітний металевий інжектор спін-поляризованих електронів надтонкої плівки діелектрика і нанорозмірної плівки феромагнітного металу. Нанорозмірний шар феромагнетику наносять такої товщини, що забезпечує в ньому для електронів з переважним напрямком спіну конструктивну інтерференцію електронних хвиль і для електронів з протилежним напрямком спіну деструктивну інтерференцію. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак корисної моделі, що заявляється, і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. Суть корисної моделі пояснюється кресленням на фігурі 1, де представлено схематичне зображення запропонованого способу створення джерела спін-поляризованих електронів, при якому на поверхні феромагнітного металевого інжектору спін-поляризованих електронів (1) формують фільтр спін-поляризованих електронів нанесенням послідовно шару надтонкої плівки діелектрика (2) та нанорозмірної плівку феромагнітного метала (3), а потім шар надтонкої плівки діелектрика (2) (такої ж самої, як і перша плівка діелектрика) і нарешті - металевий детектор спін-поляризованих електронів (4). В нанорозмірній плівці феромагнітного металу (3) товщиною h завдяки квантовому розмірному ефекту утворюються окремі енергетичні рівні. Оскільки електронні іони в феромагнітних металах для носіїв з річною спіновою орієнтацією переважною (↑) і протилежною переважній (↓) - значно відрізняються за величиною хвильового вектора Фермі k F   k F  , то відповідні енергетичні рівні будуть річними, і ймовірність електронного транспорту крізь нанорозмірну феромагнітну плівку буде суттєво залежати від напрямку їх спінів. Умова реалізації конструктивної інтерференції електронних хвиль всередині нанорозмірної плівки феромагнітного металу (3) товщиною h (електронні хвилі перебувають у фазі) мас відомий вигляд 2k Fh  2n , n - довільне ціле число. Як відомо, електронні хвилі повністю послаблюють одна одну, коли 2kFh  2m  1 , де m довільне ціле число. Підбором товщини h 1 UA 86869 U 5 10 15 нанорозмірної плівки феромагнітного металу (3) можна домогтися того, що для електронів із переважним напрямком спіну буде спостерігатися конструктивна інтерференція електронних хвиль, а для електронів із протилежним напрямком спіну - деструктивна. Приклад конкретної реалізації корисної моделі. Для реалізації способу створення джерела спін-поляризованих електронів на феромагнітному інжекторі спін-поляризованих електронів (1), наприклад, із заліза, формують фільтр спін-поляризованих електронів у вигляді надтонкої плівки діелектрика (2), наприклад, плівки оксиду магнію товщиною 0,5 нм, а в якості нанорозмірної плівки феромагнітного металу (3) формують плівку із заліза товщиною 3,7 нм. Потім знову формують шар надтонкої плівки діелектрика (2), наприклад, плівки оксиду магнію товщиною 0,5 нм, і, нарешті, формують металевий детектор спін-поляризованих електронів (4), наприклад, у вигляді шару з електротехнічного заліза товщиною 100 нм. Елементарна комірка заліза є об'ємоцентрованою кубічною з параметром а = 0,29 пм. Згідно із розрахунками (див. Davis A.M., MacLaren J.M. Spin dependent tunneling at Unite bias, Journal of Applied Physics, vol. 87. No. 9, p. 5224-5226, 2000) домінуючими носіями тунельного струму в залізовмісних гетероструктурах є електрони d-зон, причому, значення хвильових векторів Фермі: k F   7,6 нм для спінів вгору і k F   3,0 нм для спінів вниз. Коли товщина нанорозмірної плівку феромагнітного 3d метала (3), орієнтованої в напрямку одного з ребер куба, дорівнює 13 атомним шарам, тобто становить 3,7 нм, тоді для -1 -1 електронів зі спіном вгору мас місце конструктивна інтерференція 2k F h  56,24  2n , де n  9 , 20 25 а для електронів зі спіном вниз деструктивна 2k F h  22,2  2m  1 , де m  3 . Завдяки квантовому характеру електронного транспорту крізь нанорозмірну плівку феромагнітного метала (3) та суттєвій різниці між хвильовими векторами електронних станів з різними напрямками спінів k F  та k F  спінова поляризація електронів, що інжектуються в металевий детектор спін-поляризованих електронів (4), може досягати майже ста процентів при низьких температурах. Таким чином, введення фільтра нового типу забезпечує збереження існуючих технологій виготовлення антропних пристроїв. Запропонований спосіб створення джерела спінполяризованих електронів може знайти широке застосування в електронній техніці при створенні нових типів високоефективних спінтроних елементів пам'яті. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб створення джерела спін-поляризованих електронів, що включає послідовне нанесення на феромагнітний металевий інжектор спін-поляризованих електронів спочатку - фільтра спінполяризованих електронів, потім - прошарку надтонкої плівки діелектрику та, нарешті металевого детектора спін-поляризованих електронів, який відрізняється тим, що фільтр спінполяризованих електронів виготовляють нанесенням на інжектор послідовно прошарку надтонкої плівки діелектрика, прошарку нанорозмірної плівки феромагнітного металу такої товщини, що забезпечує в ньому конструктивну інтерференцію електронних хвиль для електронів з переважним напрямком спіну і деструктивну інтерференцію для електронів з протилежним напрямком спіну. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2