ES2263381A1 - Magnetoresistive device comprising multiple nanocontacts - Google Patents
Magnetoresistive device comprising multiple nanocontactsInfo
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Abstract
Description
Dispositivo magnetorresistivo basado en múltiples nanocontactos, su procedimiento de obtención y usos.Magnetoresistive device based on multiple nanocontacts, their procedure for obtaining and uses.
La presente invención se refiere a un dispositivo magnetorresistivo basado en múltiples nanocontactos caracterizados por partículas de materiales magnéticos entre electrodos metálicos y a su aplicación en cabezales lectores de soportes de grabación magnética como discos duros, sensores de contacto y/o sensores de posición.The present invention relates to a magnetoresistive device based on multiple nanocontacts characterized by particles of magnetic materials between metal electrodes and their application in reader heads of magnetic recording media such as hard drives, sensors contact and / or position sensors.
Desde el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante (GMR) en multicapas magnéticas por el grupo de Orsay [Baibich Mn. et al., Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1998)] y en Julich [Binasch G. et al., Phys. Rev. B, 39, 4828 (1989)], se ha producido un crecimiento exponencial en este campo dadas las implicaciones económicas y sociales del mismo. Las cabezas lectoras basadas en GMR [Parkin S. et al, Phys. Rev. Lett., 64, 2304 (1990)] son en la actualidad algo cotidiano y su utilización supuso un aumento de 20 veces en la sensibilidad de la señal detectada en las cabezas lectoras inductivas. Otro mecanismo magnetorresistivo de gran interés es la magnetorresistencia túnel, propuesto por Julliere en 1975 [Julliére, Phys. Lett, 54A, 225 (1975)] y desarrollado en la última década [Moodera et al., Phys. Rev. Lett., 74, 3273 (1995)]. Los dispositivos basados en este efecto son las Uniones Túnel Magnéticas (MTJ), que requieren el empleo dos electrodos ferromagnéticos separados por una delgada capa de material aislante, la conducción se produce mediante túnel de los electrones a través de la barrera aislante. La resistencia es diferente dependiendo de si los electrodos están en la configuración paralela (imanaciones en el mismo sentido) o antiparalela (con sentidos opuestos), ello hace que la aplicación de un campo magnético produzca un cambio de resistencia. Se utiliza una capa antiferromagnética para fijar mediante "exchange-bias" uno de los electrodos y así poder producir el efecto magnetoresistivo a bajo campo. Los valores que se han obtenido de forma realista hasta el presente a temperatura ambiente no superan el 50%. [Tsunoda et al., Appl. Phys. Lett, 80, 3135, (2002)]. Aun se han de resolver muchos problemas en las MTJ para su implementación en dispositivos de utilidad práctica [Koltsov et al., Phys. World, 31, 17 (2004)]. En estos dispositivos un problema importante es la influencia de de la interfaz entre la barrera aislante (un óxido) y el electrodo ferromagnético [De Teresa et al., Phys. Rev. Lett., 82, 4288, (1999), De Teresa et al., Science, 286, 507, (1999)]. En relación a estos dispositivos, muchos de ellos desarrollados como cabezas lectoras de discos duros o elementos de memoria existen multitud de patentes en las que se proponen distintos tipos de heteroestructuras utilizando metales y óxidos tanto magnéticos como no magnéticos cuyas combinaciones dan lugar a los efectos citados [Número de patente:JP2003152243 inventor:B. Dieni et al.- Número de patente: US2004223266 inventor: LI MIN].Since the discovery of giant magnetoresistance (GMR) in magnetic multilayers by the Orsay group [Baibich Mn. et al ., Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1998)] and in Julich [Binasch G. et al ., Phys. Rev. B, 39, 4828 (1989)], exponential growth has occurred in this field given the economic and social implications of it. The reading heads based on GMR [Parkin S. et al. , Phys. Rev. Lett., 64, 2304 (1990)] are now a daily occurrence and their use meant a 20-fold increase in the sensitivity of the signal detected in inductive reading heads. Another magnetoresistive mechanism of great interest is the magnetoresistance tunnel, proposed by Julliere in 1975 [Julliere, Phys. Lett, 54A, 225 (1975)] and developed in the last decade [Moodera et al ., Phys. Rev. Lett., 74 , 3273 (1995)]. The devices based on this effect are the Magnetic Tunnel Joints (MTJ), which require the use of two ferromagnetic electrodes separated by a thin layer of insulating material, the conduction is produced by tunnel of the electrons through the insulating barrier. The resistance is different depending on whether the electrodes are in the parallel configuration (magnets in the same direction) or antiparallel (with opposite directions), this makes the application of a magnetic field produce a change in resistance. An antiferromagnetic layer is used to fix one of the electrodes by "exchange-bias" and thus be able to produce the magnetoresistive effect at low field. The values that have been realistically obtained so far at room temperature do not exceed 50%. [Tsunoda et al ., Appl. Phys. Lett, 80, 3135, (2002)]. Many problems in MTJ have yet to be solved for implementation in practical devices [Koltsov et al ., Phys. World, 31, 17 (2004)]. In these devices an important problem is the influence of the interface between the insulating barrier (an oxide) and the ferromagnetic electrode [De Teresa et al ., Phys. Rev. Lett., 82, 4288, (1999), De Teresa et al ., Science, 286, 507, (1999)]. In relation to these devices, many of them developed as hard drive reading heads or memory elements there are many patents in which different types of heterostructures are proposed using both magnetic and non-magnetic metals and oxides whose combinations give rise to the aforementioned effects [Patent number: JP2003152243 inventor: B. Dieni et al. - Patent number: US2004223266 inventor: LI MIN].
Se necesitan materiales con elevada polarización de espín para producir estas nano heteroestructuras. Los óxidos de manganeso con valencia mixta conocidos por su alta magnetorresistencia, llamada "colossal" (CMR) [De Teresa et al., Nature, 386, 256 (1997)] constituyen unos buenos candidatos. También lo son las conocidas "dobles perovskitas", dada su elevada polarización de espín y su razonablemente elevada temperatura de Curie. Otros óxidos basados en metales de transición como la magnetita Fe_{3}O_{4} y el CrO_{2} se han postulado como "half ferromagnet". Uno de los autores de esta patente (Prof. García) tiene una patente sobre este tipo de materiales [Número de patente, ES2199075, inventor N. Garcia].Materials with high spin polarization are needed to produce these nanostructures. Manganese oxides with mixed valence known for their high magnetoresistance, called "colossal" (CMR) [De Teresa et al ., Nature, 386, 256 (1997)] are good candidates. So are the well-known "double perovskites", given its high spin polarization and its reasonably high Curie temperature. Other oxides based on transition metals such as magnetite Fe 3 O 4 and CrO 2 have been nominated as "half ferromagnet". One of the authors of this patent (Prof. García) has a patent on this type of materials [Patent number, ES2199075, inventor N. Garcia].
Otro método es el de la magnetorresistencia balística (BMR), que se ha descubierto en nanocontactos por N. García et al [N. Garcia, et al. Physical Review Letters, 82(14), 2923 (1999).] y en nanocontactos crecidos mediante electroquímica [N. Garcia et al. Appl. Phys. Lett. 79, 4550 (2001). H. D. Chopra and S. Z Hua, Phys. Rev. B 66, 0204403(2002); Hai Wang, et al. arXiv:cond-mat/0207516v1]. Sensores magnetoresistivos basados en este nuevo fenómeno están bajo patente por uno de los autores de esta patente (Prof. García)[Número de patente, ES2154565 inventor, N. García et al.].Another method is that of ballistic magnetoresistance (BMR), which has been discovered in nanocontacts by N. García et al [N. Garcia, et al . Physical Review Letters, 82 (14), 2923 (1999).] And in nanocontacts grown by electrochemistry [N. Garcia et al . Appl. Phys. Lett. 79, 4550 (2001). HD Chopra and S. Z Hua, Phys. Rev. B 66, 0204403 (2002); Hai Wang, et al . arXiv: cond-mat / 0207516v1]. Magnetoresistive sensors based on this new phenomenon are under patent by one of the authors of this patent (Prof. García) [Patent number, ES2154565 inventor, N. García et al .].
Otra vía consiste en la preparación de nanopartículas magnéticas en matrices poliméricas para elaborar pastas magnetorresistivas, recientes resultados nos han permitido obtener valores máximos de magnetorresistencia a temperatura ambiente de 4%. Dispositivos basados en estos materiales se encuentran bajo patente en la que participa uno de los autores de la presente (Prof. Ibarra) [Número de patente, ES200102905 inventor M.R. Ibarra et al.].Another way is the preparation of magnetic nanoparticles in polymeric matrices to produce magnetoresistive pastes, recent results have allowed us to obtain maximum magnetoresistance values at room temperature of 4%. Devices based on these materials are under patent in which one of the authors of the present (Prof. Ibarra) participates [Patent number, ES200102905 inventor MR Ibarra et al .].
También se ha explorado ampliamente el campo de partículas ferromagnéticas prensadas o sinterizadas en la cuales los valores obtenidos a temperatura ambiente es del orden de 3-4% en los mejores casos [J.M.D. Coey, et al. Phys. Rev. Lett. 80 3815 (1998), D. Serrate et al. J. Appl. Phys. (2005) in press].The field of pressed or sintered ferromagnetic particles in which the values obtained at room temperature is of the order of 3-4% in the best cases [JMD Coey, et al . Phys. Rev. Lett. 80 3815 (1998), D. Serrate et al . J. Appl. Phys. (2005) in press].
Por otra parte en la presente invención el papel de la superficie es relevante, es por ello que los avances en la obtención de una determinada capa de material tiene un papel definitivo. Este amplio campo de investigación ha dado lugar a multitud de patentes entre las que podemos citar [Número de patente WO 2004083290, inventor YANG, Hong, Número de patente Wo 2003086660, inventor C. Everett]Moreover in the present invention the paper of the surface is relevant, that is why the advances in the obtaining a certain layer of material has a role definitive. This broad field of research has resulted in a multitude of patents among which we can cite [Patent Number WO 2004083290, inventor YANG, Hong, Patent number Wo 2003086660, inventor C. Everett]
La presente invención supone un adelanto científico y tecnológico de gran relevancia dado que reproduce valores de magnetorresistencia nunca observados hasta ahora y que, por la robustez, simplicidad y coste de los elementos necesarios puede implementarse fácilmente en la producción industrial en los campos de: lectores de información en dispositivos magnéticos (lectores magnetorresistivos), sensores si contacto, sensores de posición etc. de amplio interés en la industria informática, de vehículos, espacial etc..The present invention represents an advance scientific and technological of great relevance since it reproduces magnetoresistance values never observed so far and that, for the robustness, simplicity and cost of the necessary elements can be easily implemented in industrial production in fields of: information readers on magnetic devices (magnetoresistive readers), sensors if contact, sensors position etc. of broad interest in the computer industry, of vehicles, space etc.
La invención se refiere a un dispositivo magnetorresistivo basado en múltiples nanocontactos. Para su obtención, se disponen partículas de materiales magnéticos entre electrodos metálicos. La corriente eléctrica se establece a través de nanocontactos entre estas partículas. La superficie de las partículas se modifica adecuadamente mediante tratamientos térmicos, mecánicos, presión etc., con la finalidad de obtener una variación de la composición en superficie que cambie las propiedades eléctricas o magnéticas. El fenómeno magnetorresistivo se produce por el paso de los electrones con una determinada polarización de espín a través de este material de superficie existente a ambos lados de los nanocontactos. La magnetorresistencia obtenida utilizando partículas de hierro con su superficie oxidada es del orden del 1000% a temperatura ambiente. Estos dispositivos pueden ser utilizados como sensores en potenciómetros o sensores sin contacto, cabezas lectoras, sensores de posición, entre otras aplicaciones.The invention relates to a device magnetoresistive based on multiple nanocontacts. For your obtaining, particles of magnetic materials are arranged between metal electrodes The electric current is established through of nanocontacts between these particles. The surface of the particles are properly modified by heat treatments, mechanics, pressure etc., in order to obtain a variation of the surface composition that changes the properties electric or magnetic The magnetoresistive phenomenon occurs by the passage of electrons with a certain polarization of spin through this existing surface material to both sides of the nanocontacts. The magnetoresistance obtained using iron particles with its oxidized surface is of 1000% order at room temperature. These devices can be used as sensors in potentiometers or sensors without contact, reading heads, position sensors, among others Applications.
Un aspecto de la presente invención comprende un dispositivo magnetoreresistivo basado en múltiples nanocontactos que utiliza como elementos esenciales:An aspect of the present invention comprises a magnetoreresistive device based on multiple nanocontacts which uses as essential elements:
1- Partículas magnéticas metálicas, como por ejemplo pero sin limitarnos partículas de hierro, aunque otros metales o aleaciones pueden ser utilizadas, de tamaño micrométrico cuya superficie, que está oxidada, es modificada mediante diferentes tipos de tratamientos:1- Metal magnetic particles , such as but not limited to iron particles, although other metals or alloys can be used, of micrometric size whose surface, which is oxidized, is modified by different types of treatments:
* Molienda mecánica en un molino de bolas en el que se realiza vacío dinámico (en nuestro caso 10^{-4} torr.), dependiendo del número de horas de molienda se puede llegar al tamaño nanométrico de partícula.* Mechanical grinding in a ball mill in the that dynamic vacuum is performed (in our case 10-4 torr.), Depending on the number of grinding hours you can reach the nano particle size.
* Tratamiento térmico, consistente en calentar la muestra (50-300ºC) realizando vacío dinámico (típicamente 10^{-4} torr)* Heat treatment, consisting of heating the sample (50-300ºC) performing dynamic vacuum (typically 10-4 torr)
* Calentamiento en atmósfera reductora (flujo de hidrógeno)* Heating in reducing atmosphere (flow of hydrogen)
Las partículas obtenidas están formadas por un corazón y una corteza. El tamaño del corazón puede ser desde micras hasta nanómetros. El espesor de la corteza debe ser típicamente nanométrico (2-10 nm). El material del corazón es metálico y ferromagnético. Lo procesos propuestos tienen por finalidad cambiar la estequiometría del material oxidado de la superficie de la partícula mediante el cambio en el contenido en oxigeno. De esta manera se obtiene un material en la corteza que deja pasar electrones con una determinada polarización de espín.The particles obtained are formed by a Heart and a crust. The size of the heart can be from microns Up to nanometers The thickness of the crust should typically be nanometric (2-10 nm). The material of the heart is Metallic and ferromagnetic. The proposed processes have for purpose to change the stoichiometry of the oxidized material of the surface of the particle by changing the content in oxygen. In this way a material is obtained in the bark that lets electrons pass with a certain polarization of spin
En concreto, las partículas de hierro, antes del tratamiento, tienen una corteza formada por el óxido de hierro: \gamma-Fe_{2}O_{3} (maghemita). Este es un óxido ferromagnético y aislante por lo que no se observa el efecto magnetorresistivo. Para obtener las propiedades magnetorresistivas objeto de esta patente es preciso modificar las propiedades de esa corteza. Ello se consigue mediante los tratamientos enumerados y otros posibles que tienen como finalidad obtener un oxido resultante de la transformación de la \gamma-Fe_{2}O_{3} (maghemita) en otro no-estequiométrico (Fe_{3-\delta}O_{4}) mas parecido al Fe_{3}O_{4} (magnetita). El material obtenido en la corteza mediante los tratamientos propuestos u otros tiene las características de ser mejor conductor de la corriente eléctrica y tener una estructura electrónica en la que aparecen niveles de energía con una elevada polarización de espín, al que pueden acceder los electrones en el proceso de la conducción eléctrica. Es de esperar que partículas micrométricas de magnetita (Fe_{3}O_{4}) también tengan una corteza de maghemita (\gamma-Fe_{2}O_{3}), y que mediante el proceso seguido en el caso de las partículas de hierro metálico se obtenga un oxido no estequiométrico (Fe_{3-\delta}O_{4}) con las características enunciadas anteriormente, y por lo tanto, estas partículas micrométricas de magnetita también pueden emplearse en el dispositivo de la presente invención.Specifically, iron particles, before Treatment, they have a crust formed by iron oxide: γ-Fe 2 O 3 (maghemite). This is a ferromagnetic oxide and insulator so the effect is not observed magnetoresistive To obtain the magnetoresistive properties object of this patent is necessary to modify the properties of that Cortex. This is achieved through the treatments listed and other possible ones that aim to obtain a resulting oxide of the transformation of the γ-Fe 2 O 3 (maghemite) in another non-stoichiometric (Fe_ {3- \ delta} O_ {4}) more similar to Fe_ {3} O_ {4} (magnetite). The material obtained in the bark by means of proposed or other treatments has the characteristics of being best conductor of electric current and have a structure electronics in which energy levels appear with high spin polarization, which can be accessed by electrons in the electric conduction process. Hopefully particles micrometers of magnetite (Fe 3 O 4) also have a maghemite bark (γ-Fe 2 O 3), and that through the process followed in the case of particles of metallic iron a non-stoichiometric oxide is obtained (Fe_ {3- \ delta} O_ {4}) with the characteristics listed previously, and therefore, these micrometric particles of magnetite can also be used in the device of the present invention.
2- Dos electrodos metálicos. Uno de ellos, el electrodo superior, ha de tener la propiedad de tener suficiente ductilidad y maleabilidad de manera que se pueda deformar fácilmente para compactar las partículas. El electrodo inferior es una superficie metálica.2- Two metal electrodes . One of them, the upper electrode, must have the property of having sufficient ductility and malleability so that it can be easily deformed to compact the particles. The lower electrode is a metal surface.
En una realización preferida de la presente invención el electrodo superior puede ser seleccionado entre estaño o indio y el electrodo inferior puede ser cobre.In a preferred embodiment of the present invention the upper electrode can be selected from tin or indium and the lower electrode can be copper.
3- Reservorio (cavidad) de material aislante eléctrico donde se compactan las partículas. La forma y tamaño del reservorio no es relevante en cuanto a obtener valores elevados de magnetorresistencia a temperatura ambiente.3- Reservoir (cavity) of electrical insulating material where the particles are compacted. The shape and size of the reservoir is not relevant in obtaining high values of magnetoresistance at room temperature.
4- Conectores eléctricos se sueldan a los electros mediante soldadura con la finalidad de realizar la medida.4- Electrical connectors are welded to the electros by welding in order to perform the measurement.
En una realización preferida el dispositivo de la presente invención se encapsula herméticamente para conservar sus propiedades químicas y composición, para el encapsulado se puede emplear pegamento.In a preferred embodiment the device the present invention is tightly encapsulated to conserve Its chemical properties and composition, for encapsulation can be use glue.
Un segundo aspecto de la presente invención comprende el procedimiento de obtención del dispositivo magnetorresistivo basado en múltiples nanocontactos descrito en la presente invención, que a partir de ahora llamaremos procedimiento de la invención.A second aspect of the present invention includes the procedure for obtaining the device magnetoresistive based on multiple nanocontacts described in the present invention, which from now on we will call procedure of the invention.
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En el procedimiento de la invención se procede al cambio de la estereoquímica del material oxidado de la corteza de la partícula mediante los tratamientos descritos anteriormente:The procedure of the invention proceeds at the change of the stereochemistry of the oxidized material of the cortex of the particle by the treatments described previously:
* Molienda mecánica en un molino de bolas en el que se realiza vacío dinámico (en nuestro caso 10^{-4} torr.), dependiendo del número de horas de molienda se puede llegar al tamaño nanométrico de partícula.* Mechanical grinding in a ball mill in the that dynamic vacuum is performed (in our case 10-4 torr.), Depending on the number of grinding hours you can reach the nano particle size.
* Tratamiento térmico, consistente en calentar la muestra (50-300ºC) realizando vacío dinámico (típicamente 10^{-4} torr)* Heat treatment, consisting of heating the sample (50-300ºC) performing dynamic vacuum (typically 10-4 torr)
* Calentamiento en atmósfera reductora (flujo de hidrógeno)* Heating in reducing atmosphere (flow of hydrogen)
Posteriormente las partículas se depositan en el reservorio en cuyo fondo se encuentra uno de los electrodos (el electrodo inferior, que puede ser una superficie metálica). Las partículas se compactan mediante la utilización del otro electrodo (el superior) que ha de tener la propiedad de ser dúctil y maleable, con la finalidad de transmitir una presión a las partículas suficiente para mantenerlas juntas y producir nanocontactos entre ellas y por otra parte no deteriorar dichos contactos por la existencia de una presión excesiva. Se observó que la presión que se puede aplicar manualmente no es un factor determinante, pero sin embargo si la presión se ejerce con una prensa de varias toneladas los efectos objeto de esta patente desaparecen.Subsequently the particles are deposited in the reservoir at the bottom of which is one of the electrodes (the lower electrode, which can be a metal surface). The particles are compacted by using the other electrode (the superior) who must have the property of being ductile and malleable, in order to transmit a pressure to the particles enough to hold them together and produce nanocontacts between they and on the other hand not to deteriorate said contacts by the existence of excessive pressure. It was observed that the pressure that was you can apply manually is not a determining factor, but without however if the pressure is exerted with a press of several tons The effects of this patent disappear.
En una realización preferida del procedimiento de la invención, se aplican los conectores eléctricos mediante soldadura, pudiéndose medir la resistencia con cualquier multímetro. El efecto magnetorresistivo se puede observar aproximando un imán permanente al sistema.In a preferred embodiment of the procedure of the invention, the electrical connectors are applied by welding, being able to measure the resistance with any multimeter. The magnetoresistive effect can be observed by approaching a magnet permanent to the system.
En una realización más preferida del procedimiento de la invención se encapsula herméticamente el dispositivo magnetorresistivo mediante, pero sin limitarnos, el uso de pegamento.In a more preferred embodiment of procedure of the invention is hermetically encapsulated the magnetoresistive device through, but not limited to, the use of glue.
Por lo tanto, la presión es esencial, en cuanto que otros dispositivos que pudiesen estar patentados, los contactos no son nanométricos en volumen, dado que las partículas han sido sometidas a altas presiones y por lo tanto no se producen nanoconstricciones con las características de la presente invención y, además, en el proceso de prensado la corteza de las partículas sufre deterioro que impide obtener los fenómenos de magnetorresistencia gigante a temperatura ambiente.Therefore, pressure is essential, as far as than other devices that could be patented, the contacts they are not nanometric in volume, since the particles have been subjected to high pressures and therefore do not occur nanoconstrictions with the characteristics of the present invention and, in addition, in the process of pressing the bark of the particles suffers deterioration that prevents obtaining the phenomena of giant magnetoresistance at room temperature.
De esta manera se obtiene un dispositivo con elevada magnetorresistencia a temperatura ambiente (superior al 1000%) que sea robusto, fácil de implementar en sensores. El dispositivo que proponemos se obtiene utilizando nanopartículas magnéticas que tienen las siguientes características:This way you get a device with high magnetoresistance at room temperature (higher than 1000%) that is robust, easy to implement in sensors. He device we propose is obtained using nanoparticles Magnetic that have the following characteristics:
- Existencia de un conjunto de partículas micrométricas que contengan en la superficie un óxido magnético con una elevada polarización de espín.- Existence of a set of particles micrometers that contain a magnetic oxide on the surface with a high spin polarization.
- Disposición de estas partículas entre dos electrodos. El óxido hará el papel de filtro de espín.- Arrangement of these particles between two electrodes The rust will make the spin filter paper.
- El área efectiva para la selección de espín ha de ser nanométrica (conservación de la polarización de espín).- The effective area for spin selection has of being nanometric (conservation of spin polarization).
- El contacto ha de estar aislado para conservar sus propiedades químicas y composición.- The contact must be isolated to preserve Its chemical properties and composition.
- La corriente no debe afectar los contactos, por lo que han de existir muchos contactos en paralelo de manera que la las densidades de corriente se distribuyan.- The current must not affect the contacts, so there must be many contacts in parallel so that the current densities be distributed.
El dispositivo que presentamos se basa en un principio físico: la conducción balística de electrones desde un corazón 1 (partícula 1)) hasta otro corazón 2 (partícula 2)) a través de nanocontactos que consisten en capas nanométricas de óxido (corteza 1 (partícula 1) y corteza 2 (partícula 2)) a un lado y otro de la nanoconstricción (Nanocontacto = corteza 1 – nanoconstricción - corteza 2). Son los estados electrónicos del material que forma la corteza a ambos lados del contacto y no el material del corazón el responsable de filtrar los espines y producir los efectos de magnetorresistencia gigante a temperatura ambiente.The device we present is based on a physical principle: the ballistic conduction of electrons from a heart 1 (particle 1)) to another heart 2 (particle 2)) to through nanocontacts consisting of nanometric layers of oxide (crust 1 (particle 1) and crust 2 (particle 2)) aside and another of the nanoconstriction (Nanocontact = crust 1 - nanoconstriction - cortex 2). They are the electronic states of material that forms the crust on both sides of the contact and not the heart material responsible for filtering the spins and produce the effects of giant magnetoresistance at temperature ambient.
Se forman gran cantidad de nanocontactos lo que permite que la corriente aplicada se distribuya entre ellos. Esto hace posible que la resistencia se pueda medir con multímetros convencionales que suministran corrientes en el rango de los miliamperios.A large number of nanocontacts are formed which allows the applied current to be distributed among them. This makes it possible for resistance to be measured with multimeters conventional supplying currents in the range of milliamps.
El dispositivo magnetorresitivo que sometemos a patente con magnetorresistencia superior al 1000% difiere de otros con las características de polvos compactados en cuanto que todos los sistemas hasta el presente no obtienen magnetorresistencia elevada (inferior al 4%) a temperatura ambiente. Esto es porque no han conseguido obtener múltiples nanocontactos con las características que exponemos en esta patente.The magnetoresistive device that we subject to patent with magnetoresistance higher than 1000% differs from others with the characteristics of compacted powders as all systems up to now do not obtain magnetoresistance high (less than 4%) at room temperature. This is because no they have managed to obtain multiple nanocontacts with the characteristics that we expose in this patent.
Un tercer aspecto de la presente invención proporciona el uso de los dispositivos magnetorresistivos descrito en la presente invención para cabezales lectores de soportes de grabación magnética, y más preferentemente como discos duros, sensores sin contacto o sensores de posición.A third aspect of the present invention provides the use of the magnetoresistive devices described in the present invention for media reader heads of magnetic recording, and more preferably as hard drives, contactless sensors or position sensors.
A lo largo de las reivindicaciones y de la descripción de la presente invención, la palabra "comprende" y las variaciones de la misma, no pretenden excluir otros componentes o pasos. Los ejemplos y las figuras se proporcionan a modo de ilustración y no tienen el propósito de limitar la presente invención.Throughout the claims and the description of the present invention, the word "comprises" and variations thereof, are not intended to exclude other components or steps. Examples and figures are provided by way of illustration and are not intended to limit this invention.
Figura 1.- Esquema del dispositivo que consta: Electrodos metálicos (A) que mediante soldadura se conectan a terminales eléctricos. Cavidad (B) donde se colocan las partículas, caracterizada por ser un material aislante eléctrico. Partículas de hierro (C) con la superficie convenientemente modificada para formar una capa de óxido con elevada polarización de espín.Figure 1.- Scheme of the device consisting of: Metallic electrodes (A) that by welding connect to electrical terminals Cavity (B) where the particles are placed, characterized by being an electrical insulating material. Particles of iron (C) with the surface conveniently modified to form an oxide layer with high spin polarization.
El electrodo superior es un metal dúctil y maleable que pueda ser deformado fácilmente mediante la aplicación de una presión pequeña. El electrodo inferior es de cobre. Todo el conjunto puede encapsularse utilizando pegamento (D). La utilización de este pegamento no es relevante pero da más consistencia al dispositivo.The upper electrode is a ductile metal and malleable that can be easily deformed by application of a small pressure. The lower electrode is copper. All the set can be encapsulated using glue (D). The use of this glue is not relevant but gives more device consistency
Figura 2.- Ciclo de histéresis de la magnetorresistencia a temperatura ambiente en el que se puede observar una cambio de resistencia entre 75 Ohm a bajo campo (campo coercitivo) y 6 Ohm al máximo campo aplicado de 6 KOe, lo que representa una magnetorresistencia de \Delta/R/R=1100%.Figure 2.- Hysteresis cycle of the magnetoresistance at room temperature in which you can observe a resistance change between 75 Ohm at low field (field coercive) and 6 Ohm at the maximum applied field of 6 KOe, which represents a magnetoresistance of Δ / R / R = 1100%.
EjemploExample
Se han realizado un elevado número de dispositivos con múltiples nanocontactos y que presentan magnetorresistencia a temperatura ambiente superior a 1000%. Uno de ellos, que describiremos en este apartado de forma ilustrativa y nunca limitativa, tiene una variación de la magnetorresistencia a temperatura ambiente de 1100% según se representa en Figura 2. El dispositivo realizado se esquematiza en Figura 1 y consta:A high number of devices with multiple nanocontacts and presenting magnetoresistance at room temperature greater than 1000%. One of them, which we will describe in this section illustratively and never limited, it has a variation in magnetoresistance to 1100% ambient temperature as depicted in Figure 2. The realized device is schematized in Figure 1 and consists of:
1- Se utilizaron partículas de hierro comerciales de tamaño micrométrico cuya superficie fue modificada mediante molienda mecánica en un molino de bolas en el que se realizó vacío dinámico (en nuestro caso 10^{-4} milímetros de mercurio) durante 224 horas de molienda. Este tiempo fue suficiente para llegar al tamaño nanométrico de las partículas.1- Iron particles were used micrometer-sized commercials whose surface area was modified by mechanical grinding in a ball mill in which performed dynamic vacuum (in our case 10-4 mm of mercury) for 224 hours of grinding. This time was enough to reach the nanometric size of the particles.
2- Como electrodos metálicos, se utilizaron: Cobre de la placa de circuito impreso como electrodo inferior (ver esquema figura1) y como electrodo superior un metal maleable y dúctil como es el indio.2- As metal electrodes, the following were used: Copper of the printed circuit board as lower electrode (see scheme figure 1) and as a top electrode a malleable metal and Ductile as is the Indian.
3- Cavidad o reservorio de material aislante donde se compactaron las partículas.3- Cavity or reservoir of insulating material where the particles were compacted.
La forma y tamaño del reservorio no fue relevante en cuanto a obtener valores elevados de magnetorresistencia a temperatura ambiente, en los prototipos que desarrollamos se utilizaron cavidades cilíndricas de 1-2 mm de altura y 1.5-3 mm de diámetro.The shape and size of the reservoir was not relevant in obtaining high values of magnetoresistance at room temperature, in the prototypes that we developed cylindrical cavities of 1-2 mm high and 1.5-3 mm high diameter.
Las partículas se depositaron en el reservorio en cuyo fondo se encuentra uno de los electrodos (el fondo, electrodo inferior (en este ejemplo se utilizó cobre), puede ser una superficie metálica, se han utilizado placas de circuito impreso). Las partículas se compactaron mediante la utilización de otro electrodo, el superior, que ha de tener la propiedad de ser dúctil y maleable (en este ejemplo se utilizó un electro de indio), con la finalidad de transmitir una presión a las partículas suficiente para mantenerlas juntas y producir nanocontactos entre ellas y por otra parte no deteriorar dichos contactos por la existencia de una presión excesiva. Observamos que la presión que se puede aplicar manualmente no es un factor determinante, pero sin embargo si la presión se ejercía con una prensa de varias toneladas los efectos magnetorresistivos de estos dispositivos desaparecían. Una vez realizado este proceso se aplicaron los conectores eléctricos mediante soldadura, pudiéndose medir posteriormente la resistencia con cualquier multímetro. El efecto magnetorresistivo se pudo observar aproximando un imán permanente al sistema.The particles were deposited in the reservoir at the bottom of which is one of the electrodes (the bottom, lower electrode (in this example copper was used), it can be a metal surface, printed circuit boards have been used). The particles were compacted by using another electrode, the superior, which must have the property of being ductile and malleable (in this example an indium electro was used), with the purpose of transmitting a pressure to the particles sufficient to keep them together and produce nanocontacts between them and on the other party not deteriorate said contacts by the existence of a excessive pressure. We note that the pressure that can be applied manually it is not a determining factor, but nevertheless if the pressure was exerted with a press of several tons the effects magnetoresistive of these devices disappeared. One time After this process, the electrical connectors were applied by welding, the resistance can then be measured With any multimeter. The magnetoresistive effect could be observe approaching a permanent magnet to the system.
Todo el conjunto es encapsulado utilizando pegamento. La utilización de este pegamento no fue relevante pero dio más consistencia al dispositivo.The whole set is encapsulated using glue. The use of this glue was not relevant but It gave more consistency to the device.
Claims (13)
- i-i-
- Partículas magnéticas seleccionadas del grupo que comprenden hierro y magnetita (C), de tamaño micrométrico formadas por un corazón de metal magnético, de tamaño de entre micras a nanómetros, y una corteza de óxido magnético, de tamaño nanométrico.Magnetic particles selected from group comprising iron and magnetite (C), micrometric size formed by a magnetic metal heart, sized between microns to nanometers, and a magnetic oxide crust, in size nanometric
- ii.-ii.-
- Dos electrodos metálicos (A). Uno superior de un metal maleable y dúctil y otro inferior de una superficie metálica.Two metal electrodes (A). Top one of a malleable and ductile metal and a lower one of a metal surface.
- iii.-iii.-
- Un reservarlo de material aislante eléctrico (B), en cuyo fondo se depositan las partículas, yA reserve it of electrical insulating material (B), at the bottom of which deposit the particles, and
- iv.-iv.-
- Conectores eléctricos.Electric Conectors.
- a)to)
- Cambio de la estereoquímica del material oxidado de la corteza de la partícula mediante el cambio en el contenido en oxigeno,Stereochemical change of oxidized material of the particle's cortex by changing in the oxygen content,
- b)b)
- depositar las partículas del paso (a) en el reservorio que contiene el electrodo inferior,deposit the particles from step (a) in the reservoir that contains the lower electrode,
- c)C)
- compactar las partículas con un electrodo superior formando nanocontactos, ycompact the particles with a upper electrode forming nanocontacts, and
- d)d)
- aplicar a los nanocontactos los conectores electrónicos mediante soldadura.apply to nanocontacts the electronic connectors by welding.
- a)to)
- encapsular herméticamente el dispositivo.hermetically encapsulate the device.
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-
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-
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- 2006-05-05 WO PCT/ES2006/070053 patent/WO2006120277A1/en active Application Filing
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