Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Явище гігантського магнітного опору в багатошарових плівкових системах (огляд)

Скачати 283.4 Kb.

Явище гігантського магнітного опору в багатошарових плівкових системах (огляд)




Скачати 283.4 Kb.
Сторінка1/3
Дата конвертації31.03.2017
Розмір283.4 Kb.
  1   2   3

УДК 535.24.2
Явище гігантського магнітного опору
в багатошарових плівкових системах (огляд)


і.ю.

Гігантський магнетоопір, ГМО (англ. Giant magnetoresistance, GMR) - квантово-механічний ефект, що спостерігається у металевих плівках, які складаються з феромагнітних і провідних немагнітних шарів. Ефект полягає у значній зміні електричного опору таких структур при зміні взаємного напрямку намагніченості сусідніх магнітних шарів.

П
роценко*, проф., д-р. фіз.-мат. наук; І.В. Чешко*, асп.;


Я. Яворский**, д-р наук *

*Сумський державний університет

** Інститут ядерної фізики ПАН (м. Краків)

ВСТУП


Явище гігантського магнітоопору (ГМО) сприяє розвитку нових технологій, відкриває великі можливості з точки зору збільшення густини логічних елементів та швидкості обробки даних.

Нау́ка - сфера діяльності людини, спрямована на отримання (вироблення і систематизацію у вигляді теорій, гіпотез, законів природи або суспільства тощо) нових знань про навколишній світ. Основою науки є збирання, оновлення, систематизація, критичний аналіз фактів, синтез нових знань або узагальнень, що описують досліджувані природні або суспільні явища та (або) дозволяють будувати причинно-наслідкові зв'язки між явищами і прогнозувати їх перебіг.

Обро́бка да́них - систематична цілеспрямована послідовність дій над даними. Обробка даних містить в собі множину різних операцій.

Аспект (лат. aspectus - вигляд, погляд) - поняття філософії (онтології, теорії пізнання). У філософії аспект розглядається

Логічний елемент - пристрій, призначений для обробки інформації в цифровій формі (послідовності сигналів високого - «1» і низького - «0» рівнів у двійковій логіці, послідовність «0», «1» та «2» в трійковій логіці, послідовності «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» та «9» в десятковій логіці).

Я́дерна фі́зика - розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомних ядер, та механізми ядерних реакцій (в тому числі радіоактивний розпад).

Техноло́гія (від грец. τεχνολογια, що походить від грец. τεχνολογος; грец. τεχνη - майстерність, техніка; грец. λογος - (тут) передавати) - наука («корпус знань») про способи (набір і послідовність операцій, їх режими) забезпечення потреб людства за допомогою (шляхом застосування) технічних засобів (знарядь праці).

Суть його полягає у різкому зростанні електричного опору (на 1-70%) в багатошарових плівкових структурах (мультишарах), що складаються з почергових феромагнітних і немагнітних шарів, при накладанні зовнішнього магнітного опору.

Електропри́вод - це електромеханічна система для приведення в рух виконавчих механізмів робочих машин і керування цим рухом в цілях здійснення технологічного процесу.

ГМО відрізняється від звичайного магнітоопору, оскільки в цьому випадку зменшення опору не залежить від напрямку прикладеного магнітного опору, а відбувається при зміні напрямку намагніченості в магнітних шарах від антипаралельного (антиферомагнітна взаємодія) до паралельного (феромагнітна взаємодія) під дією зовнішнього магнітного поля [1-4]. Відомо, що явище ГМО спостерігається не тільки в мультишарах, але і в гранульованих сплавах, у т.ч. і плівкових.




  1. Загальна характеристика явища ГМО

Гігантський магнітний опір вперше спостерігався Бейбічем, Броте, Фертом та ін (див.

Магнети́зм - форма взаємодії «рухомих» електричних зарядів, яка здійснюється на відстані за допомогою магнітного поля. Поряд з електрикою, магнетизм - один із проявів електромагнітної взаємодії.

, наприклад, [1]) у 1988 році в багатошарових плівкових структурах Fe/Cr. У подальшому подібний ефект спостерігали і в інших плівкових системах, наприклад, Co/Cu, Co/Ag, Py/Cu та ін. Аналіз накопичених експериментальних даних свідчить про те, що ГМО обумовлений спін-залежним перенесенням електричних зарядів [1-3]. Згідно з [3] особливості цього механізму електроперенесення такі:

  • завдяки наявності у феромагнетиках великих молекулярних обмінних полів (Нм 109 Ер) виникає сильна спінова поляризація носіїв заряду, в результаті чого перенесення електричного струму здійснюється електронами неоднакової кількості із проекцією спіна “вверх” та “вниз”;

    Перене́сення, або Енжамбема́н (фр. enjambement) - віршовий прийом, який полягає у перенесенні фрази або частини слова з попереднього рядка у наступний, зумовлений незбіжністю ритмічної паузи зі смисловою, хоч рядок при цьому втрачає свою інтонаційну викінченість.

    Феромагне́тики - речовини, елементарні структурні складові яких (атоми, іони ядра або колективізовані електрони) мають власні магнітні моменти, спонтанно орієнтовані паралельно один до одного або складнішим чином, внаслідок чого утворюються макрообласті (домени) з відмінним від нуля сумарним магнітним моментом.

    Результат, пі́дсумок, (заст. ску́ток, вислід) - кінцевий наслідок послідовності дій. Можливі результати містять перевагу, незручність, вигоду, збитки, цінність і перемогу. Результат є етапом діяльності, коли визначено наявність переходу якості в кількість і кількості в якість.

    Моле́кула (новолат. molecula, зменшувально від лат. moles - маса) - здатна до самостійного існування, електрично нейтральна частинка речовини, що має її основні хімічні властивості, які визначаються її складом та будовою.

    Механі́зм (грец. μηχανή mechané - машина) - система тіл, що призначена для перетворення руху одного або декількох тіл у потрібний рух інших тіл. Механізм складає основу більшості машин і застосовується в різноманітних технічних об'єктах.

    Кількість - в Арістотелівській логіці друга з 10 категорій (класів, розрядів, які спрощують процес розумового визначення будь-якої речі), побічна обставина матеріальних речей , за допомогою якої вони поширюються в просторі, вимірюються якоюсь математичною нормою і здатні бути поділеними на окремі частини.

    Носії заряду - загальний термін для позначення часток чи квазічасток, які дають внесок у електричний струм.

    Електри́чний заря́д - фізична величина, яка є кількісною мірою властивості фізичних тіл або частинок речовини, що вступають в електромагнітну взаємодію. Електричний заряд звичайно позначають латинськими літерами q або великою буквою Q .

    Електри́чний струм (англ. electric current) - упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у просторі.



  • в однорідно намагніченому феромагнетику густину струму можна розділити на дві складові j і j-, які спрямовані за або проти вектора намагніченості , це спричиняє появу двох спінових каналів електропровідності з питомими провідностями і -;

    Феромагнетизм (рос. ферpомагнетизм, англ. ferromagnetism, нім. Ferromagnetismus m) - * 1. Магнітовпорядкований стан речовини, що при температурі нижче точки Кюрі має самочинну намагніченість, зумовлену взаємно паралельною орієнтацією магнітних моментів атомних носіїв магнетизму.

    Ве́ктор намагні́ченості або намагні́ченість - характеристика відгуку середовища на прикладене до нього магнітне поле, магнітний момент одиниці об'єму речовини.

    Густина електричного струму - визначається як величина заряду, що протікає через одиничну площу за одиницю часу.



  • завдяки спіновій залежності концентрації носіїв та ймовірності їх розсіювання питомі опори і - для двох спінових каналів будуть відрізнятися:

, (1)

де βкоефіцієнт спінової асиметрії.

Коефіціє́нт - характеристика процесу, явища, речовини або поля, яка має відносно сталий характер.

На межі поділу феромагнетик/намагнічений матеріал (F/N інтерфейс) існує додатковий, т.

Матеріа́л - речовина, або суміш речовин, первинний предмет праці, який використовують для виготовлення виробу (основний матеріал), або які сприяють якимось діям. У останньому випадку уточнюють, що це допоміжний, чи витратний матеріал.

зв. інтерфейсний механізм розсіювання електронів. Фізичний зміст його полягає в тому, що електрон, який рухається із феромагнетику у немагнітний матеріал, має подолати енергетичний барєр, який залежить від напрямку спіна електрона. Залежно від знака обмінної взаємодії між локалізованими та рухомими спінами, для електронів із спіном, паралельним вектору, барер може бути вищим або нижчим на величину μБ НМ порівняно із електроном з антипаралельним вектору спіном.

Енергети́чний - пасажирська зупинна залізнична платформа Луганської дирекції Донецької залізниці.

Рух, Шлях - поняття, яке використовується для позначення будь-яких змін, які відбуваються у Всесвіті. Також рух - це процес переміщення, зміна положення тіла відносно інших тіл у просторі.

Обмі́нна взаємоді́я - особливий, властивий лише квантовій механіці, внесок в енергію багаточасткової системи, зв'язаний із ідентичністю часток.

Цей ефект можна врахувати, якщо вважати, що опір металу поблизу F/N межі є спінзалежним, тобто

(2)

де γ – коефіцієнт, який залежить від різниці потенціальних барєрів


для двох напрямків спіну, а також від товщини та розмитості інтерфейсного шару, у якого питомий опір F/N (наприклад, для
межі Co/Cu γ=0,7=0,9 [3]).

Пито́мий о́пір - питома фізична величина, яка кількісно характеризує здатність речовини створювати опір проходженню електричного струму.

Рисунок 1, взятий із роботи [4], ілюструє механізм збільшення опору тришарової плівкової системи Co/Cu/Co при зміні паралельної на антипаралельну орієнтацію намагніченості в магнітних шарах Со під дією зовнішнього магнітного поля для випадку т.зв. СПП – геометрії, тобто коли струм протікає перпендикулярно до площини шарів.

Орієнтація, в класичному випадку - вибір одного класу систем координат, пов'язаних між собою «додатньо» в деякому певному сенсі. Кожна система задає орієнтацію, визначаючи клас, до якого вона належить.

Перпендикуля́рність - бінарне відношення між різними об'єктами (векторами, прямими, підпросторами тощо) в евклідовому просторі. Окремий випадок ортогональності.

Геоме́трія (від дав.-гр. γη - Земля і μετρέω - вимірюю; землеміряння) - розділ математики, наука про просторові форми, відносини і їхні узагальнення.

ГМО може вимірюватися [1] і при паралельній геометрії (СПРП - геометрія), але в першому випадку ефект проявляє себе значно сильніше. Міра спінової поляризації залежить від природи феромагнетика, і тому в реальних експериментах величина ГМО = (R(Hm) – R(0))/R(Hm) складає величину порядку (1-10)% (Hm – максимальне значення напруженості магнітного поля ).




Рисунок 1- Механізм виникнення ГМО в результаті спінзалежного розсіювання електронів різної поляризації на межі поділу шарів F/N і N/F (СПП - геометрія): а – малий опір; б – великий опір (ГМО)


  1. Експериментальні результати

Як відмічалося раніше, явище ГМО спостерігається експериментально в багатошарових плівкових структурах, які складаються як із однокомпонентних шарів, так і з гранульованих сплавів.
2.1 Багатошарові плівкові системи

Оскільки плівкові системи Fe/Cr і Co/Cu можливо розглядати як модельні, то ми приділимо основну увагу літературним даним на прикладі цих систем.

Літерату́ра (від лат. litterae - буква, літера), іноді книжництво, письменство - сукупність писаних і друкованих творів певного народу, епохи, людства. Література відображає та зберігає знання й культуру народу та певного історичного періоду.

Раніше відмічалося, що в цьому випадку використовуються дві геометрії експерименту – СПП і СПРП (рис. 2а,б).





Рисунок 2 - Геометрія дослідження ГМО: а – СПРП; б – СПП – геометрія [1]

У роботі [2] подано огляд деяких відомих на 1995 р. у літературі даних про ГМО в плівкових мультишарах Co/Cu і Fe/Cr та деяких гранульованих сплавах. На рис. 3 наведені залежності ГМО від напруженості магнітного поля для полікристалічних мультишарів на основі Co і Cu та Fe і Cr, отримані при Т = 300К при використанні СПРП-геометрії. Плівкові зразки отримувалися магнетронним розпиленням на підкладку (100) Si, покриту тонким шаром (d = 1,0-1,5 нм) оксиду, при Тп = 300К (мультишари Co/Cu) і Тп = 400К (мультишари Fe/Cr). При такому виборі температури підкладки досягалася максимальна величина ГМО. При дослідженні залежності величини ГМО від товщини неферомагнітного шару було встановлено її осцилюючий характер (рис. 4).

Підкладка - термін, що використовується в матеріалознавстві для позначення основного матеріалу, поверхня якого піддається різноманітним видам обробки, в результаті чого утворюються шари з новими властивостями або ж нарощується плівка іншого матеріалу.

Характер (термін «характер» - грецького походження, він означає «риса», «ознака», «відбиток»)- це сукупність відносно стійких індивідуально-своєрідних якостей особистості, що виявляються у поведінці, діяльності та ставленні до людей, колективу, до себе, речей, роботи і тощо.

Полікриста́л (рос. поликристалл, англ. polycrystal, нім. Vielkristall m, Kristallhaufwerk n, Sammelkristall m, Polykristall m) - тверде тіло, що складається з великої кількості дрібних, здебільшого безладно розташованих кристалів різного розміру, які називають кристалічними зернами або кристалітами.

Дослі́дження, до́сліди - (широко розуміючи) пошук нових знань або систематичне розслідування з метою встановлення фактів; (вузько розуміючи) науковий метод (процес) вивчення чого-небудь.




Рисунок 3 - ГМО в плівкових мультишарах з буферними шарами Si/Cr(4нм)/[Fe(0,8)/Cr(0,75)]39/Fe(0,8)/Cr(1,5) та Si/Fe(5)/[Со(0,8)/Cu(0,75)]59/Со(0,8)/Fe(2)

Цей ефект ряд авторів [2] пояснюють малим розміром кристалітів у плівці Cu (10-20 нм) з переважною і побічною орієнтаціями (111) і (100). При збільшенні dCu ймовірно змінюється орієнтація кристалів, що й спричиняє осциляцію ГМО. Подібні осциляції спостерігаються також і в мультишарах на основі пермалою і золота.

Кристалі́т (або зерно) - неогранований монокристал, який під час кристалізації полікристала виростає з окремого зародка і росте до зіткнення з іншими сусідніми кристалітами.

Колива́ння- специфічні рухи або зміни стану систем різної фізичної природи, для яких спостерігається певна повторюванність в часі. Якщо це відбувається через однаковий проміжок часу - період Т, то коливання називають періодичними.

У роботі [5] наведені результати дослідження ГМО в мультишарах на основі Ag і Co в СПП- і СПРП – геометрії. Залежно від dAg ГМО змінюється в межах від 50 до 10% (dAg = 10 або 60 нм). Отримано, що в СПП-геометрії ГМО в 10 разів більше порівняно із СПРП-геометрією, якщо dAg = 2-60 нм, а dСо = 6-15 нм.

Автори роботи [6] на прикладі мультишарів [Fe(3)/Cr(1,2)]10/Cr(110) вивчили ефект відпалювання до Тв = 670 К на ГМО і структуру плівкової системи.

Відпал або відпалювання - це операція термічної обробки (термооброблення) металів і сплавів, яка полягає в нагріванні металевих напівфабрикатів, виробів до певної температури, витримуванні при цій температурі та повільному охолодженні з метою наближення структури до рівноважного стану.

Було отримано, що різке зменшення величини ГМО відбувається при відносно високих температурах (Тв ≥ 570 К). Методом малокутової рентгенографії встановлено протікання слабкої дифузії в мультишарах.

Дифу́зія (лат. diffusio - поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) - процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини поміж молекул або атомів іншої, що зазвичай приводить до вирівнювання їх концентрацій у всьому займаному об'ємі.

Рентгенографія (англ. projection radiography, plain film radiography, X-ray imaging, roentgenography, X-ray study, X-ray filming) - дослідження внутрішньої структури об'єктів, які відображаються за допомогою рентгенівських променів.

У роботі [7] проаналізовані результати дослідження паралельного і перпендикулярного ГМО в мультишарах Co/Ag, Co(1,5)/Cu(0,8-6) [2] та Fe(2,0)/Cr(0,5-5). Зокрема, аналізуються причина великого значення, як і в [5], відношення Π = R(H)/R(H) і природа осциляцій ГМО, які описані в [2] (рис. 4).





Рисунок 4 - Залежність величини ГМО від товщини неферомагнітного шару Cu

Автори [7] доходять висновку, що причиною цих явищ є реалізація змішаного стану (феромагнітний антиферомагнітний) окремих шарів, що обумовлює на осциляційній залежності (при певних товщинах шару Cu або Fe) величину ГМО = 0.

Оскільки мультишари на основі Co і Cu та Fe і Cr стосовно ГМО є модельними, то багато досліджень протягом останнього десятиліття саме і присвячені цим багатошаровим системам, хоча відомі роботи, де вивчався ГМО в мультишарах Ag/Co [5], Dy/Sc [8] та ін.

Висновок - остаточна думка про що-небудь, логічний підсумок, зроблений на основі спостережень, міркувань або розгляду певних фактів.

Антиферомагне́тики - магнітновпорядковані кристалічні речовини, які при низьких температурах мають дві повністю намагнічені спінові ґратки, які повністю компенсують одна одну.

Про́даж - це оплатна передача майна однією особою у власність іншій особі.

Десятилі́ття, також - десятиріччя, декада - під десятиліттям найчастіше розуміють календарне десятиліття, період часу, що включає десять років.

Причому в цих “нестандартних” системах мають місце свої особливості: в першому випадку спостерігається велике значення параметра π, у другому – велике додатнє значення магнітоопору.

Пара́метр (від дав.-гр. παραμετρέω) - відмірюю, розмірюю)(рос. параметр, англ. parameter, нім. Parameter m, Kennwert m, Kenngrösse f, Kennzahl f) - величина, що нею характеризують якусь властивість, стан, розмір або форму об'єкта, робочого тіла, процесу, явища або системи тощо.

Велика кількість публікацій, присвячених системам Co/Cu і Fe/Cr, примушує нас зосередити увагу на експериментальних результатах найбільш узагальнюючих і з елементами новизни роботах [9-14].

У роботі [9] проведено дослідження ГМО мультишарів Co/Cu/Co між діелектричними шарами NiO: Ni(10)/NM2/F2/NM1/F1/NiO(50)/П, де NM1 = Cu(2), NM2 = Cu(1,2), F1 = Co(2), F2 = Co(4), П – підкладка. Величина ГМО досягає величини 25% (Т = 10К) або 15% (Т = 300К). Дані результати, а також розмірну залежність ГМО від товщини dСо автори [9] пояснюють в рамках напівкласичного наближення спінових хвиль, в якому враховується величина коефіцієнта дзеркальності на межі ізолятор/метал.

Діеле́ктрики (англ. dielectric) - речовини, що погано проводять електричний струм і питомий опір яких становить 108...1017Ом·см. У таких речовинах заряди не можуть пересуватися з однієї частини в іншу (зв'язані заряди).

Магно́н або спінова хвиля - квазічастинка, яка існує в кристалічних речовинах із впорядкованим розташуванням спінів - феромагнетиках, антиферомагнетиках тощо.

Автори робіт [10, 11], безпосередньо не вивчаючи явище ГМО, на основі експериментальних [10] і розрахункових [11] даних аналізують вплив електронного розсіювання на різні параметри електроперенесення (провідність, спін-залежні кінетичний потенціал і густина струму та ін.).

Методика in situ, яку використовували автори [10] при вимірюванні провідності (G = R-1, де R – загальний опір) багатошарової системи (рис.

Ана́ліз (від грец. αναλυσις - «розклад») - розчленування предмету пізнання, абстрагування його окремих сторін чи аспектів. Метод дослідження, який вивчає предмет, уявно чи реально розчленовуючи його на складові елементи, як-от частини об'єкта, його ознаки, властивості, відношення, відтак розглядає кожен з виділених елементів окремо в межах єдиного цілого; протилежний метод - синтез.

Електро́ніка (від грец. Ηλεκτρόνιο - електрон) - наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і про методи створення електронних приладів і пристроїв, в яких ця взаємодія використовується для перетворення електромагнітної енергії, в основному для передачі, обробки і зберігання інформації.

Вимі́рювання - пізнавальний процес визначення числового значення вимірюваної величини, а також дія, спрямована на знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом, порівнюючи її з одиницею вимірювання за допомогою засобів вимірювальної техніки.

5), дозволила розширити уявлення про роль міжмежового розсіювання електронів в електрофізичних властивостях.

У серії робіт М. Маршалек та ін. [12-14] подані деякі результати попередніх досліджень магніторезистивних властивостей мультишарів (у СПРП-геометрії) [Со(1)/Cu(2)]20/БМе/Si, де БМе = Ag, In, Cu, Pb, Bi – буферна плівка на Si-підкладці товщиною 5-40 нм. Структурні характеристики мультишарів контролювалися методом малокутової або дифракційної

  1   2   3


Скачати 283.4 Kb.

  • 2.1 Багатошарові плівкові системи