Magneto-resistive phenomena for antiferromagnet-based spintronics memories

The constant need for improving the data storage and manipulation capability of devices is one of the biggest challenges for the research and industry world. Spintronic devices based on ferromagnets (FM), such as modern hard drives or magnetic RAMs, represented a significant improvement in the electronics history, but their packing density on a chip is limited from their stray magnetic field. A solution to break this limit is the replacement of FM with antiferromagnets (AFM), which do not interact neither between them nor with other magnetic elements or fields in their surroundings. The present work aims at the investigation of AFMs as possible active elements in new-generation magnetic memories, where the information is stored in the spin configuration and read by magnetoresistance, i.e. the different electric resistance for different reciprocal orientations of current and magnetic state. Among this class of materials, in this work we will consider two candidates: IrMn and Cr. IrMn thin films are known to possess anisotropic magnetoresistance (AMR) at low temperature when their spins are tilted from the film direction to perpendicular to it. We aim at exploiting this effect for reading the IrMn magnetic configuration, at room temperature, in IrMn/MgO/Ta tunneling junctions realized on a Silicon template. After a preliminary characterization of IrMn thin films and heterostructures looking at the interplay between structural, chemical and magnetic properties, IrMn/MgO/Ta based memory cells have been extensively tested. No AMR signal has been detected, proving the complexity of the system and, above all, the unfeasibility of this idea for practical application. The alternative way we choose was Cr, an itinerant antiferromagnet whose AMR properties have been discovered in the past on the bulk material, but never explored in thin films. In this work, we deeply investigate Cr thin films on MgO in terms of strain and oxidation, ending up with an optimal recipe for high quality film growth. AMR of 1.3% below 125K is found on a 50 nm thick film, finally demonstrating the feasibility of Cr-based AFM spintronics.

La costante necessità di immagazzinare e gestire grandi quantità di dati rappresenta una delle più importanti sfide per il mondo accademico e industriale. Dispositivi spintronici basati sui ferromagneti (FM), come i moderni hard drives o le memorie RAM magnetiche, hanno rappresentato un importante sviluppo nella storia dell’elettronica, ma la loro integrazione su chip è limitata dal loro cross-talk magnetico. Una soluzione a questo limite è la sostituzione dei FM con gli antiferromagneti (AFM), che non interagisco nè tra di loro nè con altri elementi o campi magnetici vicini. Il lavoro di tesi svolto vuole investigare l'utilizzo di AFM come possibili memorie per dispositivi di nuova generazione, nei quali l'informazione viene salvata nella orientazione degli spin del materiale e letta tramite la sua magnetoresistenza: una variazione della resistenza elettrica in base alla reciproca direzione di spin e corrente. In questo lavoro abbiamo considerato due tra questi AFM: IrMn e Cr. È noto che film sottili di IrMn possiedono una magnetoresistenza anisotropa (AMR) a bassa temperatura, quando si ruotano i sui spin paralleli o perpendicolari al piano del film. Lo scopo del nostro lavoro è quello di usare questo effetto per leggere la configurazione magnetica dell’IrMn, a temperatura ambiente, in giunzioni IrMn/MgO/Ta realizzate su Silicio. Dopo uno studio preliminare rivolto alle proprietà chimiche, magnetiche e di interfaccia di film di IrMn in eterostrutture, le celle di memoria IrMn/MgO/Ta sono state approfonditamente studiate. Non è stato rilevato alcun segnale di AMR, a riprova della complessità di tale sistema e della non impiegabilità di esso in applicazioni reali. L’alternativa scelta è stata il Cr, un AFM itinerante, le cui proprietà di AMR sono state scoperte in passato su campioni massivi, ma mai esplorate in film sottili. In questo lavoro sono stati intensivamente studiati film sottili di Cr su MgO, in termini di strain e ossidazione, il cui risultato è uno standard per la crescita ottimale di tali film. Una AMR di 1.3% per temperature minori di 125 K è stata misurata su un film di 50 nm, dimostrando quindi la realizzabilità di dispositivi basati su Cr.