Fizikai Tudományok Doktori Iskola

BME TTK, Fizika Tanszék/Fizika Intézet

Témavezető: Dr. Mihály György

Nanoelektronika szupravezető alapokon

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Kutatási területem az elektromos transzport vizsgálata szupravezető-fém hibrid pontkontaktusokon. A Fizika Tanszéken kifejlesztett mérőrendszerrel alapvető anyagtulajdonságok mérését végzem, például a ferromágneses rendeződést a nanométeres skálán. Munkám során számos fizikai rendszer vizsgálatában vettem részt, ideértve a híg mágneses félvezetőket, fémes rétegstruktúrákat és az úgynevezett memrisztorokat.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaimat a Fizika Tanszék Szilárdtestfizika Laboratóriumában végzem, ahol a nanofizika és az elektromos transzport vizsgálata kvantumrendszerekben a fő kutatási terület. A laboratórium kiváló felszereltséggel rendelkezik alacsonyhőmérsékletű kutatások folytatására.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A spin alapú elektronika, azaz a spintronika az elektron kvantált spinjén alapszik [1]. A két lehetséges kvantált érték természetessé teszi digitális adatok tárolását, azonban a spinállapot hatékony manipulálása és kiolvasása jelenleg is folyó kutatások tárgya, melyeknek meg kell határozni az ideális rendszerek paramétereit és nem utolsósorban a jelenlegi félvezető-alapú elektronikával való integrálás módját [2].  Tekintve, hogy a spintronikai eszközök jellemző mérettartománya a 10 nm nagyságrendbe esik, hatékony lokális mérési elvekre van szükség a spinállapot kiolvasására.

A mágneses adattárolással ellentétben a memóriával rendelkező ellenálláson (memrisztor) alapú adattárolás viszonylag fiatal terület [3]. Gyakorlati megvalósítása általában egy elektrokémiailag aktív tartományt tartalmaz, amelynek az ellenállása feszültség rákapcsolásakor megváltozik. Az ilyen cellák kedvező tulajdonságai, például a gyors beírás, hosszúidejű stabilitás és nagy megbízhatóság miatt fontos kutatási terület [4], amelyek célja a RRAM (rezisztív RAM) megvalósítása.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Spintronika

Balra: Az Andrejev-reflexió két elemi töltés egyidejű transzportját jelenti az SN határfelületen, mivel a bejövő elektron helyett egy lyuk verődik vissza. Jobbra: Soulen csoportja által publikált [6] mérési eredmények különféle 0 (réz) és 100% (CrO2) közötti spinpolarizációt mutató fémes rendszereken.

A Cooper-pár kondenzátum jelenléte egy szupravezetőben új vezetési jelenséget, az Andrejev-reflexiót eredményezi egy szupravezető és egy normál fém határfelületen [5]. Mivel a Cooper-párok spin szinglet állapotban vannak, az elektromos transzport érzékennyé válik a normál fém mágneses rendeződésére. Ez lehetőséget ad a ferromágnesség igen hatékony lokális mérésére, amit kísérletileg először Soulen és munkatársai demonstráltak 1998-ban [6], és amely azóta elterjedt módszerré vált. Ennek kísérleti megvalósítása az elegánsan egyszerű elméleti háttér ellenére is sokszor ellentmondásos eredményre vezetett. PhD munkám egyik fő célja ezek feloldása, illetve a megfelelő méretskálák és anyagi paraméterek vizsgálata.

Memrisztor alapú adattárolás

Balra: A szilárdtest-elektrokémiai reakció vázlata, amelynek az eredménye fémes ezüst-csatornák létrejötte és visszahúzódása az Ag2S mátrixban. Jobbra: A Terabe és munkatársai által javasolt [9] atomi memória vázlata.

A memrisztoreffektus gyakorlati alkalmazása megköveteli a memóriacellában zajló elektrokémiai folyamatok alapos megértését [7]. Az Andrejev-reflexión alapuló méréstechnika lehetővé teszi a félvezető tartományban kialakuló és visszahúzódó fémes tartományok kimutatását szépen demonstrálva az alapvető működési elvet. Mivel ez egy lokális mérés, lehetővé válik egy egyedi memóriacella működés közben vizsgálata, mindennemű külső beavatkozás vagy roncsolás nélkül. A módszerrel vizsgálhatóak atomi méretskálába eső olyan memrisztorok is, ahol a vezetőképességben kvantálási effektusok lépnek fel [8]. A Terabe és csoportja által javasolt [9] „atomi memória” izgalmas kilátásokkal és hatalmas, mintegy 10 TB/inch² elvi adatsűrűséggel kecsegtet.

Módszerek

Kísérleti technikák

Balra: A mérőfej sematikus rajza, amelyen megfigyelhető a kétfokozatú mozgatórendszer.       Jobbra: Közeli felvétel a minta felszíne felett lévő tű hegyéről.

A stabil, néhány nanométeres pontkontaktusok létrehozása újszerű mérőrendszert igényelt, melynek kifejlesztése és továbbfejlesztése diplomamunkám és PhD dolgozatom egyik fő feladata. Ezek alapját a Halbritter András és Csonka Szabolcs által korábban kifejlesztett mérési összeállítás [10] jelentette. 

A kétfokozatú mozgatórendszerrel a kontaktusok finomhangolása akár az atomi méretskálán végezhető, miközben lehetővé válik néhány milliméter nagyságrendű elmozdulás is. A mérőrendszert az általunk kifejlesztett moduláris vezérlőszoftver irányítja, amely a National Instruments Measurement Studio programcsomagján alapszik. Ez rendkívüli rugalmasságot kölcsönöz a rendszernek, lehetővé téve számos, gyökeresen eltérő fizikai rendszer vizsgálatát.

Az alacsonyhőmérsékletű mérések megkövetelik a hatékony zajszűrést és a vezetékezés termalizálását. Az általunk kifejlesztett rendszerben erre különös gondot fordítottunk, ezáltal mintegy 50 μV_rms zajszintet elérve.

Fent: Az Andrejev-reflexió elemi folyamata. Középen: Többszörös visszaverődések az SN határfelületen. A visszaverődött lyuk pontosan a beeső elektron által bejárt útvonalon utazik végig. Az ezáltal létrejövő elektron-lyuk korrelációt nevezzük proximity szupravezetésnek.  Alul: egy ferromágnesbe nem szivárog át a szupravezetés a gyors dekoherencia miatt.

Elméleti háttér

Különböző 0 és 100% közötti spinpolarizációhoz tartozó differenciális vezetőképesség görbék szupravezető-fém átmeneteken.

Az Andrejev-reflexió egy szupravezető-normál fém határfelületén két elemi töltés egyidejű transzportját jelenti. Mivel ez a két töltéshordozó ellentétes spinállapotban található, a ferromágneses rendeződés a normál oldalon ezt a folyamatot elnyomja. Ennek eredményeképpen a differenciális vezetőképesség érzékennyé válik a töltéshordozók spinpolarizációjára. Emellett az Andrejev-reflexió megszűnik alacsony transzmissziójú (alagút-) átmenetekben is, amely a gap alatti lecsökkent vezetőképességben érhető tetten.

A koherens mezoszkopikus vezetés további jelenségekre vezet, ha a kontaktus átmérőjét annyira megnöveljük, hogy egy elektron többször is szóródhat a kontaktus környezetében (diffúzív tartomány). Ekkor a kontaktus körüli többszörös visszaszórások interferenciaeffektusokat eredményeznek, amelyeket a vezetőképességben láthatunk. Ezek egyik fontos következménye a szupravezetés „átszivárgása” a normál fémbe, vagyis az un. proximity szupravezetés. Ezt azonban nem tapasztaljuk ferromágnesekben, ahol a két ellentétes spinállapot miatt gyors dekoherencia figyelhető meg.

Lokális spinpolarizáció az (In,Mn)Sb mintán, amelyet Andrejev-reflexió segítségével a néhány nanométeres skálán vizsgálhatunk. A betétábrákon a mérési eredményeket megmagyarázó mágneses rendeződés sematikus képei láthatók a Curie-hőmérséklet alatt és felett.

Eddigi eredmények

Híg mágneses félvezetők

A Mn atomokkal dópolt III-V félvezetők ígéretes kutatási területet jelentenek, mivel egy lehetséges módját adják a spintronika és félvezető alapú elektronika integrálásának. A munkám során egy olyan (In,Mn)Sb ötvözetet vizsgáltam, amelynek Curie-hőmérséklete viszonylag alacsony, T_c=5.4 K. Ez az alacsony érték lehetővé tette a mágneses átalakulás megfigyelését Andrejev-reflexió segítségével, Nb szupravezető elektródát használva. Megfigyeléseim szerint a mágneses rendeződés magas fokú, mintegy 60%-os a ferromágneses fázisban. A további méréseimet összevetve SQUID által mért tömbi mágnesezettséggel azt tapasztaltam, hogy a lokális mágneses rendeződés a Curie-pont felett annak ellenére sem tűnik el, hogy a tömbi érték zérust ad. Ez a meglepő különbség a mágneses fázisátalakulás perkolációs jellegével magyarázható, amely szerint ebben az anyagban már jóval a tömbi rendeződés hőmérséklete felett megtalálhatók a helyileg rendezett mágneses szigetek [G1].

A zérus feszültségnél található vezetőképesség-csúcs fejlődése (In,Be)Sb mintán. Ez a struktúra teljesen hiányzik az (In,Mn)Sb mintán a ferromágneses rendeződés miatt.

Méreteffektusok és a proximity szupravezetés

A mérőrendszer kiváló mechanikai stabilitása lehetővé tette a szupravezető-normál fém kontaktusok vezetési effektusainak méretfüggő vizsgálatát. Az (In,Mn)Sb rendszeren megmutattam, hogy a nagy, diffúzív kontaktusokon szignifikáns eltérés tapasztalható az elmélethez képest, ezért a spinpolarizáció kísérleti megállapításához megfelelően kicsi, ballisztikus átmenetek szükségesek. A nem mágneses, de hasonló töltéshordozó-koncentrációra dópolt (In,Be)Sb mintában megfigyelt vezetőképesség-anomáliákat a fentiekben leírt mezoszkópikus interferenciajelenségekkel magyaráztuk. Az (In,Mn)Sb minta ferromágneses, ami megszünteti a koherens interferenciajelenségeket, és ezt a tapasztalatok alátámasztják. [G3].

Spindiffúziós hossz vizsgálata

A spindiffúziós hossz hőmérsékletfüggése Pt mintában. A bal alsó betétábra a mérési elrendezést mutatja, a jobb felsőben pedig az exponenciális lecsengést láthatjuk adott hőmérsékleten.

Egy nem mágneses anyagban egy beinjektált spin jellemző élettartama olyan alapvető mennyiség a spintronikai alkalmazások, például GMR szenzorok szempontjából, amely meghatározza egy ilyen eszköz jellemző méretét. Méréseim során megfigyeltem a spinrendeződés fokozatos eltűnését vastag ferromágneses (FM) rétegre párologtatott paramágneses (PM) fémekben. Különböző PM rétegvastagság mellett mérve, a spinpolarizáció exponenciális eltűnése alapján meghatároztam a spindiffúziós úthosszt, mint jellemző hosszskálát. Megmutattam, hogy a tapasztalt hőmérsékletfüggés platina fém esetében konzisztens az Elliott-Yafett modell hatványfüggvény jellegével [G5].

Memrisztor alapú memóriák

Méréseim során fémes ezüstre felvitt vékony Ag₂S rétegeknek a fémes ezüst beoldódásán alapuló memrisztív viselkedését vizsgáltam. A beoldódásnál fémes csatornák jönnek létre a felszíni félvezető rétegben, amelyek ellenkező polaritású feszültséggel megszüntethetők. Andrejev-reflexiós mérésekkel közvetlenül megmutattam, hogy az aktív tartomány transzmisszójának az alacsony ellenállású (ON) és a nagy ellenállású (OFF) állapot közötti változása megfelel a fentiekben vázolt sémának. Az atomi méretskálára eső kontaktusok vizsgálata során a vezetőképességben kvantált ugrásokat tapasztaltam, amelyek nagysága megegyezik egy egyedi ezüst atom 2e²/h értékével [G4, G6].

Egy Ag-Ag2S-Nb memrisztív kapcsoló I-V karakterisztikája. A betétábrákon látható Andrejev-reflexiós mérések direkt bizonyítékát adják az ezüst atomok mozgásának, ami több mint egy nagyságrendnyi ellenállás-változást eredményez. Jobbra: Az atomi méretskálán tapasztalt kvantált vezetőképesség-ugrásokból készített hisztogram, amely egy csúcsot mutat 2e2/h, az egyedi ezüstatomok vezetőképessége körül. A betétábra néhány egyedi lefutású görbét tartalmaz.

Várható impakt, további kutatás

A PhD munkám során megmutattam, hogy a szupravezetés egyes izgalmas és újszerű fizikai rendszerek lokális vizsgálatának hatékony eszköze például a spintronika, vagy a memrisztorok területén. A kapcsolódó eredményeket vezető nemzetközi folyóiratokban publikáltuk.

További méréseket tervezünk egzotikus mágneses rendeződést mutató anyagokon, illetve mágneses memóriaeffektust mutató rendszereken. A mérőrendszer továbbfejlesztése nagyfrekvenciás vezetékezéssel, illetve pásztázó letapogatással lehetővé fogja tenni a vizsgált paraméterek körének bővítését.

Publikációk, referenciák, linkek

Saját publikációk

[G1] A. Geresdi, A. Halbritter, M. Csontos, S. Csonka, G. Mihály, T. Wojtowicz, X. Liu, B. Janko, J. K. Furdyna, Nanoscale spin polarization in the dilute magnetic semiconductor (In,Mn)Sb

Phys. Rev. B 77, 233304 (2008)

[G2] L. Hofstetter, A. Geresdi, M. Aagesen, J. Nygård, C. Schönenberger, S. Csonka, Ferromagnetic Proximity Effect in a Ferromagnet–Quantum-Dot–Superconductor Device
Phys. Rev. Letters 104, 246804 (2010)

[G3] A. Geresdi, A. Halbritter, G. Mihály, Transition from coherent mesoscopic single particle transport to proximity Josephson current
Phys. Rev. B 82, 212501 (2010)

[G4] A. Geresdi, A. Gyenis, P. Makk, A. Halbritter, G. Mihály, From stochastic single atomic switch to reproducible nanoscale memory device
Nanoscale 3, 1504 (2011)

[G5] A. Geresdi, A. Halbritter, F. Tanczikó, G. Mihály, Direct measurement of the spin diffusion length using Andreev spectroscopy
Appl. Phys. Letters 98, 212507 (2011).

[G6] A. Geresdi, A. Halbritter, E. Szilágyi, G. Mihály, Probing of Ag-based Resistive Switching on the Nanoscale
Submitted to the Proceedings of the 2011 MRS Spring Meeting

Linkgyűjtemény

A Szilárdtestfizika Laboratórium honlapja a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszékén

Szupravezetés a Wikipedián

Spintronika a Wikipedián

Memrisztor a Wikipedián (angolul)

RRAM a Wikipedián (angolul)

Referenciák

[1] I. Zutic, J. Fabian, S. Das Darma, Fundamentals of spintronics

Rev. Mod. Phys. 76 323 (2004)

[2] D. D. Awschalom and M. E. Flatté, Challenges for semiconductor spintronics

Nat. Phys 3, 153 (2007)

[3] D. B. Strukov, G. S. Snider, D. R. Stewart, R. S. Williams, The missing memristor found

Nature 453, 80 (2008)

[4] E. Linn, R. Rosezin, C. Kügeler, R. Waser, Complementary resistive switches for passive nanocrossbar memories

Nat. Materials 9, 403 (2010)

[5] G. E. Blonder, M. Tinkham, T. M Klapwijk, Transition from metallic to tunneling regimes in superconducting microconstrictions: Excess current, charge imbalance, and supercurrent conversion

Phys. Rev. B 25 4515 (1982)

[6] R. J. Soulen Jr., J. M. Byers, M. S. Osofsky, B. Nadgorny, T. Ambrose, S. F. Cheng, P. R. Broussard, C. T. Tanaka, J. Nowak, J. S. Moodera, A. Barry, J. M. D. Coey, Measuring the Spin Polarization of a Metal with a Superconducting Point Contact

Science 282 85 (1998)

[7] R. Waser and M. Aono, Nanoionics-based resistive switching memories

Nat. Materials 6, 833 (2007)

[8] E. Scheer, N. Agrait, J. C. Cuevas, A. L. Yeyati, B. Ludoph, A. Martin-Rodero, G. R. Bollinger, J. M. van Ruitenbeek, C. Urbina, The signature of chemical valence in the electrical conduction through a single-atom contact

Nature 394, 154 (1998)

[9] K. Terabe, T. Hasegawa, T. Nakayama, M. Aono, Quantized conductance atomic switch

Nature 433, 47 (2005)

[10] András Halbritter, Investigation of atomic-sized conductors with the mechanically controllable break junction technique

PhD Thesis (2003)