Sensores Magnetorresistivos - DEMAR - USP

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - USP
Sensores Magnetorresistivos
Davi Rossi
José Olimpio Rios Junior
Lorena
2010
Eletrônica e Instrumentação

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1. INTRODUÇÃO
Os dias atuais com as grandes modificações, e tecnologias cada vez mais
aprofundadas, físicos e cientistas das mais variadas formas, discutem formas de
melhorar a qualidade de vida das pessoas, seja essa melhoria com bens de uso
próprio, até tecnologias voltadas para uso profissional, diante deste fato,
tecnologias com alto valor agregado tem ganhado grande impulso, tais
tecnologias como de software, computação gráfica, sensores de computadores e
inseridos nesse campo, estão os sensores magnetorresistivos.
Estudos sobre fenômenos magnéticos advêm desde o século 19, contudo
nas três ultimas décadas do século 20 teve um grande impulso, qual seja, o
armazenamento de informações em computadores, que é feita em diferentes
áreas de magnetização no hard disk (HD), as informações são gravadas através
de binários (1 e 0), certas direções de magnetização correspondem ao binário
zero e outras correspondem ao binário 1. Para acessar a informação, o leitor
escaneia o HD e registra os diferentes campos magnéticos. Este ficando menor
torna a área magnética menor também, com isso o campo magnético de cada
byte se torna fraco e mais difícil de ser lido, isto requer um melhor leitor, neste
contexto pesquisas de Fert e Grünberg revolucionaram o modo de
armazenamento de dados, conferindo a eles o prêmio Nobel, através da
descoberta do Magnetorresistência Gigante (GMR), trazendo maior facilidade e
comodidade as pessoas, hoje em dia a tecnologia dos sensores já está bem
avançada tendo dado um passo maior que é a Magnetorresistência Colossal
(CMR).
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2. DESENVOLVIMENTO
Os sensores magnetorresistivos comuns são fabricados depositando-se uma
fina camada de liga metálica (Permalloy) numa base isolante. Quando um campo
magnético atua sobre esse material, os domínios magnéticos mudam de posição
fazendo com que a resistência elétrica mude de valor.
A mudança é muito pequena da ordem de 2% a 3%, mas o suficiente para
poder ser detectada por um circuito eletrônico apropriado. O fenômeno físico
que explica o funcionamento desses sensores está nas propriedades dos metais
que tem uma orientação de sua magnetização dependente dos elétrons de suas
ultimas camadas.Estes sensores magnetorresistivos foram precursores dos Giant
Magneto-Resistence e dos Colossal Magneto – Resistence.
Com a necessidade de tecnologias mais sensíveis, o (GMR) e o (CMR)
ganhou espaço, por trabalhar em escala nanométrica. Utiliza-se a nanotecnologia
para produção de finas camadas de metal, essas nanocamadas interferem no
material, dando novas propriedades ao material, essas camadas não afetam
somente as propriedades magnéticas e de condutividade elétrica, mas também as
propriedades mecânicas, químicas e ópticas do material.
2.1. Física dos sensores magnetorresitivos
Os sensores Magnetorresistivos são formados por sistemas magnéticos
nanoscópicos, estes são compostos por sólidos granulares que podem conter
mais de uma fase magnética de diferentes tipos de matérias, os grãos estão no
limite superparamagnético, que diz respeito ao tempo de relaxação do momento
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magnético resultante, estas partículas podem ser produzidas por diversos
métodos, tais como deposição por vapor, “sputtering” ou bombardeamento e
“melt spinnig” [2].
A natureza das interações magnéticas entre os grãos determina o
comportamento macroscópico do sistema, sendo este estudado através da função
magnetização M e da Susceptibilidade magnética X a um campo de indução H.
2.2. Superparamagnetismo
Vamos considerar as propriedades magnéticas de um sistema de partículas
não interagentes com uma larga distribuição de tamanhos e formas, e com eixos
de fácil magnetização distribuídos aleatoriamente. È suposto no
superparamagnetismo que o momento magnético atômico no interior das
partículas se movam coerentemente, o momento magnético total é representado
por um vetor clássico de magnitude µ=µ at *N , onde µ at é o momento magnético
atômico e o N é o número de átomos magnéticos na partícula.
De maneira simples, a direção do momento magnético é determinada por
uma anisotropia uniaxial de origem magnetocristalina, ou magnetoelástica. O
tempo de relaxação , é essencialmente o tempo para reverter o momento
magnético de um estado de equilíbrio ao outro.
Considerando agora uma única partícula com anisotropia uniaxial, a energia
potencial E terá dois mínimos, na direção do eixo de fácil magnetização. Assim
o momento magnético tem duas posições equivalentes do ponto de vista
energético, mas para passar de uma região a outra é preciso ultrapassar uma
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barreira de energia potencial de altura KV. A energia potencial pode ser escrita
como,[4].
E = KVsin 2 (Equação 1)
K é a densidade de energia de anisotropia, V é o volume da partícula e é o
ângulo entre o vetor momento magnético e o eixo de fácil magnetização.
Os saltos de um mínimo ao outro, em altas temperaturas são termicamente
ativados, com freqüência de saltos dado por,
ν = τ -1 0 exp(-KV/K n T) (Equação 2)
O tempo entre dois saltos é dado por:
τ = τ 0 exp(KV/K B T) (Equação 3)
O fator τ 0 pode ser determinado experimentalmente ou calculado através de
modelos teóricos. O valor numérico de τ 0 está compreendido entre 10 -9 e 10 -10
segundos. Então se diz que uma partícula e superparamagnetica se, em uma dada
temperatura seu tempo de relaxação for menor que o tempo necessário para
realizar a medida. Se o tempo necessário para realizar a medida for maior que o
tempo de relaxação o momento magnético parece estar completamente livre pois
sofre diversas reversões durante a medida.
Matematicamente se K B T>>E, equivale a altas temperaturas ou pequenos
volumes, τ tende a ser muito menor que o tempo característico de uma medida, e
a partícula se encontra em um estado superparamagnético. Por outro lado se
K B T

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È possível encontrar o volume critico V crit de uma partícula a uma
temperatura T , aproximando a equação(3) por uma serie de Taylor obtemos
quando K B T>>E .
ln τ = ln τ 0 + (KV crit /K B T b + ….) (Equação 5)
Que implica em:
T b = KV 0 /25K B (Equação 6)
A temperatura de bloqueio é diretamente proporcional ao volume da
particula e constante de anisotropia. Partículas maiores serão
superparamagnéticas em temperaturas mais elevadas.
2.3. Resistência e magnetização
Num condutor metálico, a eletricidade é transportada por meio do
movimento livre dos elétrons no material, a corrente é conduzida porque os
elétrons caminham numa direção específica, quanto maior este direcionamento,
melhor a condutância do material, o caminho livre dos elétrons é impedido
quando há impurezas e irregularidades, fazendo com que aumente a resistência
elétrica, por impedir que elétrons sigam seu caminho normal, portanto quanto
maior o espalhamento, maior a resistência elétrica do material.
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Figura 1 - Espalhamento dos elétrons
No material magnético o espalhamento dos elétrons é influenciado pela
direção de magnetização. Quando há uma grande ligação entre magnetização e
resistência surge então o giant magnetor resistance por causa da rotação
intrínseca do elétron induzida pelo momento magnético, a propriedade mecânica
quântica chamada spin, que é direcionada em uma ou duas direções opostas. Em
materiais magnéticos, a maioria dos spins aponta na mesma direção(em
paralelo). Um pequeno número de spins, entretanto, sempre apontam na direção
oposta, antiparalela da magnetização total. Este desequilíbrio aumenta, não
somente com a magnetização, mas também que elétrons com diferentes spins são
espalhados em menor ou maior grau, contra as irregularidades e impurezas, e
principalmente entre interfaces dos materiais, as propriedades do material vão
determinar qual tipo spin será mais espalhado.
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Figura 2 - Orientação dos elétrons dentro de um condutor magnético;spin paralelo a magnetização em
vermelho(maioria), e minoria em branco em sentido antiparalelo.
2.4. “Giant magnetoresistance” (GMR)
Um exemplo simples do tipo de sistema onde o Giant Magneto resistor ou
Magnetorresistência Gigante pode surgir é descrito: este consiste em uma
camada de metal não magnético entre duas camadas de metal magnético. Dentro
do material magnético, e especialmente na interface entre material magnético e
não magnético, os elétrons com diferentes spins são espalhados. Consideremos o
caso onde os elétrons são mais espalhados se o spin for antiparalelo à direção de
magnetização. Isto implica que a resistência vai ser maior para estes elétrons que
para os outros que tem spin paralelo à direção de magnetização. Quando os
elétrons estão próximos à um material não magnético, são todos espalhados
independente da direção do spin, para a segunda interface e dentro da ultima
camada do material magnético, elétrons com spin antiparalelo serão novamente
mais espalhados que os elétrons com spin paralelos.
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No caso onde ambas camadas magnéticas são magnetizadas na mesma
direção, a maioria dos elétrons terão spin paralelo e se moverão facilmente
através da estrutura. A resistência total vai abaixar devido a isto (caso A na
figura abaixo). Entretanto, se a magnetização das duas camadas forem opostas,
todos elétrons estarão em um estado de spin antiparalelo em uma das duas
camadas. Isto significa que nenhum elétron conseguirá se mover através do
sistema, e a resistência total será alta (caso B na figura abaixo). Agora, imagine
o uso desta estrutura em leitor de hard disk (HD): a magnetização da camada um
é presa, enquanto a magnetização da camada três é livre para movimentar-se e
pode ser influenciado na variação do campo magnético no hard disk. A
magnetização das duas camadas magnéticas no leitor irá então ser
alternadamente paralelas e antiparalelas. Isto vai levar a variação da resistência e
da corrente através do leitor. Se a corrente é o sinal deixado no leitor, corrente
alta significa binário um e corrente baixa binária zero.
Figura 3 - Mesma direção de magnetização para todas as camadas.
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Figura 4 - Direções opostas para as camadas magnéticas condutoras.
2.5. GMR tornou-se referência
Em meados dos anos 80 cientistas da área de magnetismo, perceberam
novas possibilidades oferecidas por camadas nanométrica. Albert Fert e seus
colaboradores criaram uma intercalação entre camadas de ferro-cromo-ferro,
compostas de pouca quantidade de átomos cada, para ocorrência do evento
foram forçados a trabalhar perto do vácuo e de usar baixas pressões de gases. E
nesta configuração, os átomos irão gradualmente se anexando na superfície
formando assim uma camada nanométrica. De maneira similar o grupo de Peter
Grünberg forma um sistema simples composto por somente duas ou 3 camadas
de ferro e crômio, fazendo uma intercalação de camadas. Por ter usado diferentes
combinações de camadas, Fert registrou uma maior resistência magnética que
Grünberg. O grupo francês viu a dependência da magnetização mudando a
resistência para mais de 50%, enquanto o grupo alemão viu somente uma
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diferença de apenas 10% de diferença na resistência. O efeito básico e a física
por trás disso de certa forma são idênticos nos dois casos. Ambos os grupos
notaram que haviam observado um fenômeno totalmente novo. Com a
resistência magnética tradicional ninguém tinha registrado mais do que 1% de
mudança na resistência. Albert Fert foi um dos que estabeleceram um novo
conceito de Giant Magneto Resistance para descrever o novo efeito, e na sua
primeira publicação ele apontou formas dela ser aplicada. Peter Grünberg
também notou o potencial prático do fenômeno e patenteou ao mesmo tempo em
que escrevia sua publicação.
Para essa nova tecnologia ser comercializada, entretanto foi necessário
um processo industrial para criação das camadas. O método usado por ambos
(conhecido como epitaxy), foi trabalhoso e custoso, melhor adaptação para
pesquisas de laboratório do que para processos em larga escala. Por causa disto,
foi um importante passo quando Stuart Parkin, trabalhando nos EUA,
demonstrou que era possível alcançar o mesmo efeito usando uma tecnologia
bem mais simples chamada (sputtering). O efeito GMR atualmente não depende
de camadas perfeitas. Isto significa que sistemas GMR podem agora ser
produzido em uma escala industrial. O processo industrial combinado com a boa
sensibilidade do leitor resultou em uma nova tecnologia tornando-se referência
nos discos rígidos tão logo o primeiro leitor comercial produzido em 1997.
2.6. Magnetorresistência Colossal
Um fenômeno mais intenso de MR pode ser observado nos óxidos de metais
de transição. A família de compostos mais estudada se baseia na fórmula
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A1xBxMnO3,onde A é um íon de terra-rara com valência 3+ (como La, Pr, Nd,
etc) e B é um íon de um metal alcalino com valência 2+ (como Ca, Sr, Ba).
Devido à substituição parcial da terra-rara por um elemento alcalino, coexistem e
interagem fortemente dois tipos de íons de Mn: Mn3+ (fração 1-x) e Mn4+
(fração x).
A Fig. 5 mostra as características essenciais das curvas de magnetização e de
resistividade em função da temperatura para o composto La0:7Ca0:3MnO3 [2].
A curva de magnetização mostra uma transição de um estado paramagnético
a temperaturas altas para um estado ferromagnético a temperaturas baixas. O
gráfico de resistividade apresenta em altas temperaturas uma diminuição da
resistividade com o aumento da temperatura.
Este tipo de comportamento é típico de materiais semicondutores. A baixas
temperaturas a resistividade cresce com o aumento da temperatura como nos
metais.
A transição entre os comportamentos semicondutor e metálico se produz na
mesma faixa de temperaturas da transição paramagnética-ferromagnética.
Quando se aplica um campo magnético diminui a resistividade,
especialmente na faixa próxima da temperatura de transição. É está sensibilidade
da resistividade do material a presença de um campo magnético externo que
provoca o efeito conhecido como magnetorresistência colossal (do inglês
Colossal Magnetoresistance,CMR).
Os primeiros resultados, publicados em 1950 por G. H. Jonker e J. H. Van
Santer, foram praticamente ignorados até 1993, quando outros pesquisadores
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reportaram mudanças na resistividade elétrica com ordens de magnitude maiores
que aquelas observadas no caso dos materiais com GMR [3]; [4].
Figura 5. Caracteristicas das curvas de magnetização e de resistividade elétrica
em função da temperatura para o composto La0:7Ca0:3MnO3. Há uma transição
paramagnética-ferromagnética na curva de magnetização, e na mesma faixa de
temperaturas, uma mudança de comportamento semicondutor a metálico na
curva de resistividade elétrica. A aplicação de um campo magnético diminui a
resistividade elétrica, especialmente na região de transição.
A interpretação dos fenômenos relacionados ao efeito de CMR ainda não
está completamente estabelecida, embora acredita-se sejam similares aos de
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GMR, agora em escalas atômicas. Assim no fenômeno de GMR, a função de
onda eletrônica, responsável por transportar a informação do alinhamento
magnético preferencial, tem penetração de dezenas de nanômetros (10 nm) de
uma camada a outra. Já nos materiais que apresentam CMR, os fenômenos se
dão em escala atômica ou seja, na ordem de 0.1 nm.
O mecanismo de interação entre os spins nos CMR é de troca indireta, ou
seja, os elétrons de condução do material se movem de um átomo de manganês a
outro através dos átomos de oxigênio. Estes elétrons de condução interagem
fortemente com os momentos magnéticos dos átomos de manganês. Este tipo de
transporte eletrônico é facilitado quando os momentos magnéticos do manganês
estão alinhados paralelamente aos dos elétrons de condução. Contudo, como os
momentos dos átomos de manganês se alinham naturalmente
em direções aleatórias, a aplicação de um campo magnético provoca um
alinhamento dos momentos e a condutividade elétrica cresce. Este efeito, embora
seja bastante importante na compreensão do fenômeno, não é suficiente para
explicar a CMR.
Nestes materiais a interação entre elétrons e os modos de oscilação da rede
cristalina, conhecidos como fônons, é muito forte. Este efeito torna-se mais
evidente com a modificação da temperatura de ordenamento
magnético, quando se substituem os isótopos de O16 pelos de O18 [3], [4].
Nestes experimentos, a massa dos íons de oxigênio é alterada, mas não a
estrutura eletrônica, uma vez que o aumento de massa do isótopo se dá no núcleo
atômico. Para o composto La0:65Ca0:35MnO3, a diferença nas temperaturas de
Curie (Tc, temperatura de transição de comportamento paramagnético para
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ferromagnético) antes e depois de ser alterado isotopicamente, chega a 10
K[9].Uma vantagem importante na pesquisa destes
óxidos de manganês é o fato destes compostos possuirem
uma estrutura cristalográfica conhecida como perovskita, similar àquelas dos
óxidos de cobre descobertos em 1986, os chamados supercondutores de alta
temperatura crítica (do inglês, High Critical Temperature Superconductors, ou
HTcS). Assim sendo, muito daquilo que se conhece dos efeitos da estrutura
cristalográfica nos HTcS, tem sido utilizado nos CMR.Cabe lembrar que a
interação entre elétrons e fônons, fundamental na interpretação teórica dos
supercondutores tradicionais, ainda é controversa nos HTcS.
Em contraste com os supercondutores, nos CMR os fônons tendem a criar
regiões onde os elétrons permaneçam presos, ou seja, tornem-se elétrons
localizados.É esta competição entre a tendência dos elétrons
de saltar de um átomo de mangânes a outro e a tendência dos fônons de localizar
os elétrons, que parece ser crucial para se entender os mecanismos de transporte
de carga elétrica.
2.7. A Nova eletrônica - Eletrônica spin
GMR significa não somente uma inovação no armazenamento de
informações do disco rígido (e para sensores magnéticos e outras aplicações). É
bastante interessante que está tecnologia pode ser considerada como um primeiro
passo no desenvolvimento de um tipo de eletrônica completamente nova
chamada de eletrônica do spin (spintronics). O pré-requisito geral do spintronics
é devido à pequena dimensão criada pela nanotecnologia. A direção do
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spintronics só pode ser mantida por pequenas distâncias; a fina camada na
direção do spin vai mudar antes que aja tempo para mudança do uso separado
das propriedades dos elétrons com diferente spin (como alta e baixa resistência).
No surgimento do GMR um sistema similar foi construído usando um
isolante elétrico, ao invés de um metal não magnético, intercalado entre duas
camadas de metal magnético. A corrente elétrica não deveria passar através da
camada isolante, mais se esta for fina o bastante, os elétrons passarão, usando o
efeito quântico chamado tunelamento.
Entretanto, este novo sistema é chamado TMR (tunnelling
magnetoresistance). Com o TMR, até mesmo a grande diferença na resistência
pode ser criado por um pequeno campo magnético, e as novas gerações de
leitores já usam está nova tecnologia.
2.8. Memória Universal
Ainda há uma outra aplicação para spintronics , que já começou a surgir, é
uma memória de trabalho magnético chamada MRAM. Para suprir o disco
rígido, onde a informação é armazenada permanentemente, os computadores
precisam de uma rápida memória de trabalho. Esta é usualmente chamada de
RAM, Random Acess Memory. Na memória RAM o computador armazena
toda a informação que ele precisa para conseguir processar informação enquanto
ele funciona. Mas a desvantagem desta memória usada hoje é que ela é incapaz
de armazenar qualquer informação permanentemente se esta não for salva.
Como este texto está sendo escrito somente na memória RAM do computador,
se alguém desligar o computador sem salvar o texto será perdido.
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O ponto da MRAM é que é possível usar TMR tanto para leitura como
para escrever informação e, portanto criar uma memória magnética no
computador que é rápida e facilmente acessível. MRAM pode, entretanto ser
usada como memória, em oposição à lentidão do disco rígido, mais também
pode ser usado como memória permanente, que não depende da força elétrica.
Isto significa que MRAM poderá se desenvolver conjunto a memória universal
que pode substituir ambas, a RAM tradicional e o disco rígido. A compactação
deste sistema pode ser particularmente usado em pequenos encaixes de sistemas
de computadores, em praticamente todos equipamentos de cozinha até
automóveis.
3. CONCLUSÃO
A descoberta do efeito GMR e CMR abriu portas, para todo um novo
campo de tecnologias, spintronics, onde ambos troca de elétrons e spin são
utilizados. O surgimento da nanotecnologia foi pré-requisito para descoberta do
GMR e posterior avanço com os CMR: agora spintronics estão se voltando na
direção da força, além do desenvolvimento rápido da nanotecnologia. Está área
de pesquisa é um exemplo raro de como a ciência fundamental e novas
tecnologias conectadas se complementam.
4. BIBLIOGRAFIA
1- M.N. Baibich et al., “Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic
Superlattices” Physical Review Letters Vol. 61, No. 21 (1988). (Albert Fert’s
original article).
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2- G. Binasch et al., “Enhanced magnetoresistance in layered magnetic
structures with antiferromagnetic interlayer exchange” Physical Review B,
vol. 39, No. 7 (1989). (Peter Grünberg’s original article).
3- Alexander Hellemans, Science 273, 880 (1996)
4- J. C. Irwin et. al., Phys. Rev. B 59 (14) 9362 (1999)
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