Au cours des deux dernières décennies, les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) ont joué un rôle central dans les dispositifs spintroniques tels que les têtes de lecture des disques durs et les mémoires à accès aléatoire magnétorésistives non volatiles (MRAM), et les chercheurs travaillent en permanence à l'amélioration de leurs performances. L'une des réalisations les plus importantes qui a accéléré les applications pratiques de la technologie a été la réalisation de rapports de magnétorésistance à tunnel géant (TMR) en utilisant une barrière cristalline MgO de type sel gemme. Maintenant, dans un article paru dans le numéro de cette semaine de Lettres de physique appliquée , une équipe de chercheurs japonais a réussi à appliquer du MgGa2O4 à une barrière tunnel, la partie centrale d'un MTJ, comme matériau alternatif aux isolants plus conventionnels tels que MgO et MgAl 2 O 4 .

Un MTJ a une structure stratifiée constituée d'une couche isolante à l'échelle nanométrique, appelé barrière de tunnel, pris en sandwich entre deux couches magnétiques. L'un des indices de performance les plus importants d'un MTJ est le rapport de magnétorésistance tunnel (rapport TMR), l'ampleur du changement de résistance. L'oxyde de magnésium (MgO) est couramment utilisé comme barrière tunnel car un rapport TMR élevé peut être facilement obtenu.

"Afin d'élargir encore le champ d'application des MTJ, nous voulions grandement ajuster les propriétés MTJ en remplaçant le matériau de la barrière tunnel, " dit Hiroaki Sukegawa, scientifique à l'Institut national des sciences des matériaux au Japon. "Particulièrement, pour de nombreuses applications MTJ, nous devons avoir un rapport TMR élevé et une faible résistance de l'appareil et pour cela nous avons choisi un matériau de barrière tunnel avec une faible bande interdite."

L'équipe a sélectionné le MgGa semi-conducteur 2 O 4 , qui a une bande interdite beaucoup plus faible que l'isolant MgO conventionnel, et utilisé la technologie existante pour fabriquer un MgAl ultra-mince 2 O 4 couche pour obtenir les paramètres qu'ils recherchaient.

Le plus grand défi était d'obtenir un MgGa de haute qualité 2 O 4 couche avec des interfaces sans défaut car cela est essentiel pour obtenir un rapport TMR élevé.

"Nous avons d'abord tenté une méthode d'oxydation en utilisant une couche d'alliage Mg-Ga pour le MgGa 2 O 4 préparation de la couche cependant, ce processus a également provoqué une oxydation importante à la surface de la couche magnétique sous le Mg-Ga, et la structure fabriquée résultante n'a pas fonctionné comme un dispositif MTJ, " a déclaré Sukegawa. Inspiré par leurs récents travaux sur un MgAl de haute qualité 2 O 4 fabrication, l'équipe a ensuite essayé une méthode de pulvérisation cathodique directe; le MgGa 2 O 4 couche a été formée par pulvérisation cathodique radiofréquence à partir d'un MgGa haute densité 2 O 4 cible frittée pour réduire la suroxydation interfaciale.

Cette nouvelle méthode a été très efficace pour produire une barrière tunnel MgGa2O4 de haute qualité avec des interfaces extrêmement pointues et sans défaut. Ce fut une surprise agréable et inattendue.

"Nous ne nous attendions pas à pouvoir construire un MTJ montrant un grand rapport TMR en utilisant MgGa 2 O 4 en si peu de temps puisqu'il y avait peu de matériaux barrière tunnel capables de fournir le grand rapport TMR à température ambiante que nous recherchions, " dit Sukegawa...

Ce travail démontre que, contrairement à la compréhension passée, Les barrières tunnel MTJ peuvent être "conçues". On pensait qu'il était presque impossible de régler les paramètres physiques de la barrière tunnel tout en maintenant de grands rapports TMR. Ces résultats indiquent fortement que diverses propriétés physiques de la barrière tunnel peuvent être conçues en sélectionnant la composition des matériaux de barrière à base de spinelle si nécessaire tout en réalisant un transport efficace dépendant du spin (c'est-à-dire un grand rapport TMR).

Bien qu'il reste encore du travail à faire pour atteindre des ratios TMR plus importants, ces résultats ouvrent la possibilité d'utiliser la "conception de barrière tunnel" avec divers oxydes de spinelle pour créer de nouvelles applications spintroniques.