Forschung und Projekte zu Spinelektronik

Gruppenleiterin: Dr. Alina M. Deac

Ein spin-polarisierter elektrischer Strom, der durch einen Ferromagneten fließt, übt ein Drehmoment auf dessen Magnetisierung aus. Dieser „Spin-Torque“-Effekt erlaubt daher die gezielte Manipulation der Magnetisierung. In magnetischen Nanostrukturen kann dies einerseits zum Umschalten zwischen stabilen Magnetisierungszuständen oder andererseits zur Anregung einer stetigen Magnetisierungs-Präzession verwendet werden. Beide Effekte haben ein hohes technologisches Anwendungspotenzial als Schreibmechanismus in schnellen, nicht-flüchtigen magnetischen Speichern bzw. für den Betrieb durchstimmbarer Hochfrequenz-Nano-Oszillatoren. Aufgrund ihrer voraussichtlich guten Skalierbarkeit sind Spin-Torque basierte Bauteilkonzepte viel diskutierte Kandidaten für „Beyond Moore“ Technologien. Bauteile mit MgO-basierten Tunnelbarrieren sind hierbei von besonderem Interesse, jedoch sind grundlegende physikalische Fragestellungen noch unbeantwortet. Unsere Forschung zielt darauf ab, das volle Potenzial dieser Geräte im Hinblick auf die Informations-und Kommunikationstechnologie (IKT) auszuschöpfen. Dies beinhaltet einerseits ein umfassenderes Verständnis der physikalischen Grundlagen des Spin-Transfer Torques sowie eine erstmalige Implementierung von neu entwickelten Bauteilkonzepten und Herstellungsprozessen.

Konkret werden die folgenden drei Hauptziele definiert:

• das Erlangen eines einheitlichen Verständnisses der Spannungsabhängigkeit von Spin-Transfer-Effekten in Spin-Torque basierten Bauteilen sowie einer zuverlässigen Kontrolle ihres Schaltverhaltens;
• die Realisierung von Spin-Torque Oszillatoren mit hohen Sendeleistungen (~ μW) bei gleichzeitig schmalen Linienbreiten (~ MHz);
• Evaluation inwieweit durch thermische Gradienten erzeugte Spin-Torque Effekte - entweder einzeln oder in Verbindung mit spin-polarisierten elektrischen Strömen - zu einer Reduktion des Energieverbrauchs beitragen können.

Zum Erreichen dieser Ziele werden in Zusammenarbeit mit führenden Forschungsgruppen auf der ganzen Welt neuartige Punktkontaktgeometrien in Kombination mit planar bzw. senkrecht magnetisierten Schichten entwickelt. Insbesondere sollen mittels Protonenbestrahlung die magnetischen und elektrischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanometerskala modifiziert werden. Dadurch sollten deutlich kleinere Strukturgrößen im Vergleich zu herkömmlichen Lithografiemethoden zu realisieren sein.

Projekte:

• TRANSPIRE Project
• Giant and Tunnel Magnetoresistance with half-metallic electrodes
• Spin-Transfer Oszillatoren
• Spin-Transfer induziertes Schalten in MgO-basierten magnetischen Tunnelkontakten
• Spannungsabhängigkeit des Spin-Torques in MgO-basierten magnetischen Tunnelkontakten
• Senkrechte magnetische Anisotropie in ultradünnen CoFeB-Schichten
• Materialien mit hohen magnetischen Anisotropien
• Microwave oscillations in hybrid geometry magnetic tunnel junctions
• Novel patterning of spin-torque-nano-oscillators using ion beams
• Thermal Spin Transfer Torque
• Vortex dynamics in disks with tailored magnetisations

Mitarbeiter:

   Dr. Alina Maria Deac (Gruppenleiterin)

   Dr. Ewa Kowalska (PostDoc)

   Hamza Cansever (Doktorand)

   Aleksandra Titova (Doktorandin)

   Serhii Sorokin (Doktorand)

   Lakshmi Ramasubramanian (Doktorandin)

   Donovan Hilliard (Master Student)

Alumni:

   Dr. Katarzyna Wiesenhütter (Outreach and Dissemination Manager)   

   Dr. Oguz Yildirim (Postdoc)

   Dr. Ciaran Fowley (Postdoc)

   Eugene Clifford (Intern Student)

   Jingyu Duan (Master Student)

   Hande Isim (ShK)

   Yuriy Aleksandrov (Doktorand)  

   Tiago Cordeiro (HZDR International Summer Student program member)

   Alexandra Titova (HZDR International Summer Student program member)

   Dr. David Ball (Postdoc)

   Dongseok Kim (Visiting PhD student of Prof. Kungwon Rhie)

   Dr. Volker Sluka (Postdoc)

   Prof. Kungwon Rhie (Guest Researcher)

   Dipl.-Ing. Kerstin Bernert (PhD student)

   Julia Gritsenko (HZDR International Summer Student program member)

   Dr. Huadong Gan (Guest Researcher)

   Wen Feng (HZDR International Summer Student program member, Masters Student)

   Sylvain Mathonnière (HZDR International Summer Student program member, Masters Student)

   Alexane Pointillon (Masters Student)

Stellenangebote:

Bei Interesse, wissenschaftlich in unserer Gruppe mitzuwirken, z.B. als studentische Hilfskraft, mit einer Bachelor-, Master- oder Diplomarbeit, richten Sie sich bitte direkt an Dr. Alina Deac (a.deac@hzdr.de).

Kooperationen:

• Prof. Michael Coey, Trinity College Dublin (Dublin, Irland)

• Prof. Michael Farle, Universität Duisburg-Essen (Campus Duisburg, Deutschland)
• Prof. Claudia Felser, Max Planck Institut für Chemische Physik fester Stoffe (Dresden, Deutschland)
• Assoc. Prof. Erol Girt, Simon Fraser University (Vancouver, Kanada)
• Dr. Riccardo Hertel, Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (Strasbourg, Frankreich)
• Prof. Stéphane Mangin, Nancy-Université (Nancy, Frankreich)
• Dr. Berthold Ocker, Singulus Technologies AG (Kahl am Main, Deutschland)
• Dr. William Rippard, National Institute of Standards and Technology (Boulder, USA)
• Prof. Claus Schneider, Forschungszentrum Jülich (Jülich, Deutschland)
• Prof. Thomas Thomson, The University of Manchester (Manchester, Großbritannien)
• Dr. Shinji Yuasa, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Tsukuba, Japan)

Ausgewählte Publikationen:

"Large Emission Power over 2 µW with High Q Factor Obtained from Nanocontact Magnetic-Tunnel-Junction-Based Spin Torque Oscillator", Maehara, H., Kubota, H., Seki, S., Nishimura, K., Nagamine, Y., Tsunekawa, K., Fukushima, A., Deac, A.M., Ando, K., and Yuasa, S., Appl. Phys. Express 6, 113005 (2013). 

URL: http://iopscience.iop.org/1882-0786/6/11/113005/pdf/1882-0786_6_11_113005.pdf  DOI:10.7567/APEX.6.113005

"Local modification of magnetic anisotropy and ion milling of Co/Pt multilayers using a He+ ion beam microscope", Fowley, C.,Diao, Z, Faulkner, C.C., Kally, J., Ackland, K., Behan, G., Zhang, H. Z., Deac, A.M., Coey, J.M.D., J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 195501 (2013).

URL: http://iopscience.iop.org/0022-3727/46/19/195501/  DOI:10.1088/0022-3727/46/19/195501

"Spin-transfer dynamics in spin valves with out-of-plane magnetized CoNi free layers", Rippard, W.H., Deac, A.M., Pufall, M.R., Shaw, J.M., Keller, M.W., Russek, S.E., Bauer, G.E.W., Serpico, C., Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics 81, 014426 (2010).