alagút

  • elemeket
  • absztrakt
  • bevezetés
  • Eredmények és vita
  • következtetés
  • mód
  • MTJ-MTJ akadálypályák előkészítése
  • Rugalmas MgO záróeszközök gyártása MTJ
  • Mágneses és szállítási tulajdonságok mérése
  • További részletek
  • További információ
  • PDF fájlok
  • További információ
  • Hozzászólások

elemeket

  • Villamos és elektronikai mérnöki munka
  • Elektronikus eszközök
  • Spintronics

absztrakt

Az MgO korlátot használó mágneses alagút elágazás (MTJ) az egyik legfontosabb építőköve a spintronic készülékeknek, és széles körben használják miniatürizált mágneses érzékelőként. Ez fontos szerepet játszhat a hordható orvostechnikai eszközökben, ha azokat rugalmas alapokon lehet gyártani. A kiváló minőségű MgO gát MTT-k előállításához szükséges szigorú gyártási eljárások azonban korlátozzák integrálását a rugalmas elektronikus eszközökkel. Ebben a munkában kifejlesztettünk egy módszert nagy teljesítményű MgO gát MTT előállítására közvetlenül egy ultravékony, rugalmas, 14 μm vastagságú szilikon membránon, majd ezt követően a műanyag hordozókra való átvitelhez és kötéshez. Figyelemre méltó, hogy az ilyen rugalmas MTJ-k teljesen működőképesek, és legfeljebb 5% -os hajlítási sugár mellett akár 190% -os TMR-arányt mutatnak. A készülék robusztussága a fenntartott kiváló teljesítményben és a változatlan TMR arányban tükröződik több mint 1000 hajlítási ciklus után. Bizonyítottan rugalmas MgO-korlátok Az MTJ kinyitja az ajtót, hogy a nagy teljesítményű spintronic készülékeket rugalmas és viselhető elektronikus eszközökbe integrálja számos biomedicina érzékelő alkalmazáshoz.

A rugalmas elektronika az elmúlt évtizedekben a figyelem középpontjába került a gyors piaci növekedés és az egyre növekvő tudományos érdeklődés miatt. A rugalmasság nagy előnyöket kínál a hagyományos merev elektronikával szemben, mint például a könnyű, hajlítható, hordozható és potenciálisan összecsukható készülékek 1, amelyek sokféle felületbe integrálhatók. Olyan alkalmazásokra van kilátás, mint a biológiai 2 és a hordható eszközök 3, 4. A rugalmas elektronikának hasznot húzott a közelmúltban kifejlesztett szerves és szervetlen elektronika, amelyet vékonyréteg- vagy nyomtatási technológiákkal állítottak elő. Eddig a rugalmas elektronikán alapuló figyelemre méltó alkalmazások közé tartoznak az 5-ös kijelzők, a szerves fénykibocsátó diódák (LED-ek) 6, a szerves napelemek 7 és a különféle típusú érzékelők 8, 9. .

Itt egy másik módszert dolgoztunk ki, és sikeresen bemutattuk a nagyteljesítményű rugalmas MgO gát MTT-k integrálását közvetlenül az ultravékony szilikon membránokba. Az MTJ tartályok és az előállítási módszerek eltérnek a ref. 33. Eljárásunk során a szilícium hátoldala közvetlenül mély ásatások rendszerébe vésődött. A rugalmas MgO gát MTJ-k végső vastagságát a maratási idő szabályozta. A rugalmas MgO-gátló MTJ-k bármilyen típusú nem sík felületre helyezhetők a további vizsgálatokhoz. A szilícium membrán vastagsága körülbelül 14 μm, és könnyen felbontható 3,3 mm görbületi sugárig. A szabadon álló szilícium membrán kisebb görbületi sugárra történő további hajlítása kockázatos lesz, mert egy kis nyírófeszültség széteséséhez vezet. A műanyag betétre történő áthelyezés után azonban tovább hajlítható 2 mm sugarú körben. Az előállított MgO MTJ gátak szobahőmérsékleten legfeljebb

190% különböző hajlítási sugarakkal, ami jóval magasabb, mint azt korábban a rugalmas GMR vagy Al2O3 MTJ gátakkal elértük a 16., 17., 18., 19., 20., 21., 22., 23. szerves szubsztráton. Ezek a rugalmas MgO-korlátos MTJ-k megnyitják az utat a nagy teljesítményű spintronic készülékek megvalósításához rugalmas és viselhető eszköz alkalmazásokban.

Eredmények és vita

a ) MgO gátkéményeket MTJ-t termesztettünk egy (150 μm) vékony termikusan oxidált szilícium ostyán; ( b ) Az MgJ gát MTJ-ket standard UV-litográfiával és ionmarással modelleztük; Az ezt követő izzítás után egy réteg S1813 fotorezisztet visznek fel a készülék felületére. d ) a mintát megfordítottuk és fotoreziszttel borított négy hüvelykes szilícium ostyára helyeztük; e ) Mély feltárást végeztek SF6 és Ar plazmával a szilícium hátsó részének hígítására; ( f ) A fotoreziszt acetonnal történő gondos eltávolítása után végül rugalmas MgO-gátló MTJ-ket szabadítottak fel.

Teljes méretű kép

a ) Az ebben a munkában használt MTJ korlátok MTJ halmazainak diagramja. Külső mágneses teret adtunk a fénytengely mentén és merőlegesen a hajlítási irányokra. Meghatározzuk a hajlítási sugarat (r 1) húzó deformációval pozitívként (+), a hajlítási sugárt (r 2) pedig nyomó igénybevétel mellett negatívként (-). b ) A tényleges MTJ eszközök hajlítási viselkedése Kapton filmre helyezve. A kezdet ( b ) 4 × 12 μm2 oszlopméretű MTJ struktúrákat mutat be. c ) A szabadon álló rugalmas MTJ-ket féknyereggel hajlították meg, 3, 3 mm-es hajlítási sugárig sérülés nélkül. A kezdet ( c ) egy teljes és kicsi TMR-hurkot mutat, amelynek TMR-aránya akár 190% is lehet egy hangsúlytalan, rugalmas MTJ eszköz esetében. Az ellenállási szorzat (RA) 1,6 x 104 m2μm2. Ez azt is mutatja, hogy ez a típusú rugalmas MTJ könnyen befogadhat egy másik ívelt felületet, például egy nyelvet. d ) Rugalmas MTJ-nk ultravékony szilícium-hordozójának vastagsága körülbelül 14 μm, ami sokkal vékonyabb, mint a hagyományos szilícium-forgácsoknál használt szilícium (500 μm).

Teljes méretű kép

Mágneses transzport tulajdonságokat a hajlítási sugár függvényében gondosan mértük szobahőmérsékleten az MgO gáttal ellátott rugalmas MTJ mintáknál, amint azt a 3. ábra mutatja. 30 mm-től 5 mm-ig Kapton szalaggal. A hajlítási sugár jellemzőjét pozitívnak vagy negatívnak határozták meg attól függően, hogy az MTJ nyomása húzó és nyomó volt-e, amint azt a 2a. Ábra mutatja. A mágneses teret a fénytengely mentén és a feszültségirányokra merőlegesen adtuk. A teljes és kisebb TMR és a különböző hajlítási sugarú mágneses tér hurkokat a 3. ábra mutatja. És a betét egy MTJ méretű oszlophoz

4 × 12 μm2 és az ellenállási terület szorzata (RA)

1, 6 × 104 2μm 2. Amint az a 2. ábra betétjén látható A 3a. Ábra 5 mm pozitív hajlítási sugárral csökken a kapcsolási meredekség CoFeB nélkül; de a kapcsolási meredekség a CoFeB réteg nélkül nem csökken, és megtartja az alakváltási viselkedést, valamint a lapos konfigurációt -5 mm negatív hajlítási sugárral, ami összhangban áll az MTJ 35, 36 egyéb stresszhatás-jelentéseivel. Amint a 3b. Ábrán látható, különböző hajlítási sugarakkal az ellenállás a párhuzamos állapotban (RP) szinte ugyanaz marad, 342, 5 ± 1, 5 Ω. Csak az anti-párhuzamos állapot rezisztencia (R AP) különbözik kissé, ami a TMR arány 186 ± 6% -os megváltozásához vezet. Az R AP hajlítási sugár függősége elsősorban a szabad réteg anizotrop CoFeB mezőjének variációja által okozott feszültségből adódik, amely kissé megváltoztatja az MTJ 36 antiparallel konfigurációját. Hasonló RP azt sugallja, hogy az MTJ-k mágneses transzportja az MgO gáton robusztus és szinte érzéketlen a mechanikai stresszre.

a ) Teljes és kisebb TMR hurkok (behelyezve) pozitív (húzófeszültség) és negatív (nyomófeszültség) hajlítási sugárral 5 mm. b ) Az ellenállás összege párhuzamos (RP) és antiparallel (R AP) TMR arányokban a pozitív és negatív hajlítási sugarak között 30 mm-től 5 mm-ig. A lapos konfigurációs adatok is referenciapontként szerepeltek. Az ízület mérete 4 x 12 μm2, az RA termék pedig körülbelül 1,6 x 104 104 μm2.

Teljes méretű kép

Kvantitatív módon megmagyarázzuk a rugalmas MgO gát MTT-jeinkben a stressz hatását, leírjuk a stressz okozta hozzájárulást a CoFeB szabad réteg anizotropiájához: Ka, σ = 3 λ s σ/2 37, 38, és a stressz okozta anizotrop mezőt írjuk: Ha, σ = 3 λ s σ/μ 0 M s, így a teljes H anizotróp mező instabil vagy nyomó igénybevétel mellett csökken vagy növeli a Ha, σ értéket. ahol σ a hajlítás miatti egytengelyes feszültség; λ s a CoFeB film effektív magnetostrikciós együtthatója; Ms pedig a CoFeB telítettségi mágnesezettsége. A feszültségkomponens (σ xx) és a hajlítási sugár (r) közötti kapcsolatot, ha az MTJ filmvastagság sokkal vékonyabb, mint az aljzat, 39 σ xx = Eε = Et/2 r adja meg, tehát σ = σ yy - σ xx = - (1 - ν) σ xx ahol t a minták teljes vastagsága (

hordozó vastagsága); E a Young modulusa, ε a törzs és ν a Poisson-arány. Rugalmas MgO gáton, MTJ-ben az aljzat körülbelül 14 μm vastag. Hajlítási tesztünk során a legkisebb hajlítási sugár a mérésünkben körülbelül ± 5 mm, tehát a maximális generált feszültség körülbelül ε

Továbbá megvizsgálták a TMR viselkedését ciklikus hajlítási terhelés alatt. A készülék teljesítménye nem változott, miután 15-ös sugárral legfeljebb 500-szor meghajolt, vagy -15 mm-es sugárral újabb 500-szor meghajlott. Az összes TMR ciklust sík konfigurációban mértük a ciklus után. Amint az a 2. ábrán látható. A 4a., B. Ábrán a TMR-hurkok kissé változtak a különböző hajlítási ciklusoknál, amelyek a maradék feszültségnek tulajdoníthatók, valamint a mágneses tér iránya kissé eltolódott a terhelés során az egyes méréseknél. Nyilvánvaló, hogy a TMR arány nem esett 1000 hajlítási ciklus alá, és 189 ± 4% -on maradt, amint azt a 4c. Ábra mutatja. A párhuzamos és antiparallel állapotú ellenállások is változatlanok maradnak, ami azt jelzi, hogy az MTTO MTO gáttal rendelkező rugalmas eszközök nagy teljesítményt és jó stabilitást mutatnak.

a ) teljes TMR hurkok különböző hajlítási ciklusokra sugárral ( a ) 15 mm (húzófeszültség) és ( b ) -15 mm (nyomófeszültség). A TMR-t lapos konfigurációban mértük számos hajlítási ciklus után ( a, b ). c ) A készülék ellenállása és TMR MTJ aránya különböző számú hajlítási ciklus után 15 mm-es hajlítási sugár esetén. 500 mm-es, 15 mm sugarú ciklus után az MTJ mintát további 500 -15 mm sugarú ciklusnak vetették alá.

Teljes méretű kép

következtetés

Összefoglalva: nagy teljesítményű MTJ-akadályokat kaptunk MgO ellen ultravékony, legfeljebb 14 μm vastag szilíciumszubsztrátokon. A teljes gyártási folyamat nem befolyásolta a magnetorezisztenciát. Szabadon álló rugalmas MTO korlátok Az MTJ károsodás nélkül 3,3 mm sugarúra hajlíthat. A Kapton szalagra költözés után az eszközöket gondosan le lehet igazítani 2 mm-re. A hajlítás által kiváltott mechanikai igénybevétel ± 4,7 kJ m-3-ig járul hozzá a CoFeB rétegek hatékony anizotrop mezőjéhez, ami az R AP kismértékű változását eredményezi antiparallel állapotban. A TMR arányok a hajlítási sugártól függetlenül 190% -ig maradnak. A TMR arány 1000 hajlítási ciklusnál nem észlelhető. A rugalmas MgO akadály MTJ-k kiváló teljesítménye kiváló jelöltekké teszi a nagyteljesítményű on-off rugalmas mágneses érzékelőket vagy akár a nyomásérzékelőket a rugalmas elektronikus bőrök számára. A mű ötvözi a nagy teljesítményű spintronikát és a rugalmas elektronikát, ami a rugalmas spintronika új alkalmazásaihoz vezethet.

mód

MTJ-MTJ akadálypályák előkészítése

Szubsztrátként kétoldalas polírozott szilícium ostyákat használunk, amelyek egyik oldalán 150 μm és 300 nm SiO 2 vastagságúak. A szubsztrát érdessége 0,3 nm alatt van. Az MTJ MgO gát a Ta 5/Ru 30/Ta 5/Ni 81 Fe 19 (NiFe) 5/Ir 22 Mn 78 (IrMn) 10/Co 90 Fe 10 2, 5/Ru 0, 9/rétegek szekvenciájával halmozódik fel. A Co 20 Fe 60 B 20 (CoFeB) 3/MgO 2, 4/CoFeB3/Ta5/Ru5 (vastagság nanométerben) szobahőmérsékleten, módosított háromkamrás Shamrock porlasztó eszközzel készítettük. Az összes fémréteget DC-ágyúkkal állítottuk elő, és az MgO-t RF permetezéssel növesztettük egy másik kamrában lévő céllövészet alkalmazásával. A fémfóliák alapnyomása 2 x 10 −7 Torr alatt, az MgO gát esetében pedig 2 x 10 −8 Torr alatt van. A fémfólia növekedése során egy kis feszített mágneses teret alkalmaztunk

50 Oe fénytengely indukálására a ferromágneses rétegekben.

Rugalmas MgO záróeszközök gyártása MTJ

Először az MTJ-MTJ gátkomplexumokat 4 x 12 μm2 kereszteződésekre mintázták szokásos UV litográfiai és ionmarási eljárásokkal (az S2 ábrán látható). A mintába felvett MTJ eszközöket emellett nagy vákuumban (1 x 10-6 Torr) 325 ° C-on 4 kOe külső mágneses mező alatt 1 órán át izzítottuk, hogy beállítsuk a cserehatás irányát, és magas minőségű MgO-t indukáljanak ( 100) és kristályos CoFe a magas TMR arány eléréséhez. Másodszor, a TMR viselkedésének tesztelése után egy S1813 fotoreziszt réteget alkalmaztunk a felületre 2000 fordulat/perc centrifugális sebességgel az eszközök védelme érdekében. Eközben a négyzet hüvelykes szilícium ostyát szintén azonos sebességgel bevonták az S1813-mal, és az MTJ eszközöket megfordították és erre a szilícium ostya felületre szerelték, és együtt 115 ° C-on 1 percig sütötték főzőlapon. kerültek a rendszerbe.mély ásatások. A szilícium hátulját óvatosan SF 6-tal és Ar-plazmával marattuk a kívánt vastagság elérése érdekében. Végül az MTJ ostyákat rövid ideig acetonoldatba helyeztük a maradék S1813 fotoreziszt eltávolítása céljából. A rugalmas MgO-gátló MTJ-ket felszabadítottuk, és gondosan kiválasztottuk ionmentesített vízzel átöblítve és N2-gázzal szárítva.

Mágneses és szállítási tulajdonságok mérése

Az utólag lágyított, nem váltakozó MgO gát nyomvonalainak mágneses tulajdonságait szobahőmérsékleten mértük rezgő mintamágneses mérővel (VSM). A szállítási mérésekhez a hajlékony MgO-gátló MTJ-ket először szilárdságuk növelése érdekében a Kapton szalagra erősítették, és kétféle ívelt mintatartóra helyezték őket, amelyek különböző sugarúak, 30 és 5 mm között. Az MTJ minták mágneses transzport tulajdonságait állandó, 10 μA egyenárammal mértük szobahőmérsékleten történő hajlítás közben. Külső mágneses teret adtunk az MTJ eszköz fénytengelye mentén és merőlegesen a mechanikai feszültség irányaira.

További részletek

Hogyan idézhetem ezt a cikket: Chen, J.-Y. et al. Nagy hatékonyságú mágneses alagútkorlátok MgO sorompóval rugalmas és hordható csatlakozási alkalmazásokhoz. Sci. ismétlés. 7, 42001; doi: 10, 1038/srep42001 (2017).

Kiadói megjegyzés: A Springer Nature továbbra is semleges a joghatósági igényekkel kapcsolatban a közzétett térképeken és intézményi szövetségekben.

További információ

PDF fájlok

További információ

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.