Bachelor-Projekt: Back-hopping

Back-hopping in MgO-basierten magnetischen Tunnelstrukturen für die Anwendung als Spin-Transfer Torque Datenspeicher (magnetic random access memory, MRAM)

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 kontinuierlichen Magnetisierungs-Präzession verwendet werden. Beide Effekte haben ein hohes technologisches Anwendungspotential 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.

Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine angelegte Spannung in einem bestimmten Spannungsbereich ein Verhalten ähnlich einem Telegraphenrauschen auslöst, das als „Back-hopping“ bezeichnet wird und dessen Ursachen aktuell diskutiert werden. Dieses Phänomen ist in vollständig metallischen Nanosäulen nicht beobachtet worden und stellt einen erheblichen Nachteil bei der Anwendung von magnetischen Tunnelkontakten als Spin-Transfer Torque-basierte Speicherelemente dar, da es die Zuverlässigkeit des Schaltvorgangs verringert.

Das Ziel unserer Untersuchungen ist es, eine systematische Studie zur Identifizierung und Trennung von zwei Arten von Beiträgen für das beobachtete telegraphenrausch-ähnliche Verhalten durchzuführen: Zum Einen die thermisch aktivierte Magnetisierungsumkehr (die verschiedene Arten von Nanostrukturen beeinflusst), zum Anderen die Spannungsabhängigkeit des Spin-Transfer Torques (die intrinsisch für MgO-basierte Tunnelkontakte ist).

Zu diesem Zweck sollen ein Subnanosekunden-Spannungspulsgenerator und ein 20 GHz Single-Shot-Oszilloskop verwendet werden, um das Schaltverhalten von Fe/MgO/Fe Strukturen in einer Größe von etwa 100 nm in Echtzeit zu untersuchen. Die Experimente werden sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 4 K durchgeführt.

Publikationen:

1. “Phase diagrams of MgO magnetic tunnel junctions including the perpendicular spin-transfer torque in different geometries”, K Bernert, V Sluka, C Fowley., J Lindner, J Fassbender, AM Deac, Physical Review B, 89, 134415 (2014).