Аномальный эффект Холла в гранулированных сплавах: температурная зависимость, размерный эффект и процессы спин-флипа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Введение.

1 Литературный обзор.

1.1 Аномальный эффект Холла.

1.2 АЭХ магнитных неоднородных сплавов.

1.3 Температурная зависимость АЭХ в магнитных сплавах.

1.4 Квантово статистический метод Ведяева для неоднородных магни тных сплавов.

1.5 Диаграммная техника для s-d(f) модели неупорядоченных магнитных сплавов.

1.6 Спин-флип процессы в ферромагнитных металлах.

2 Температурная зависимость АЭХ магнитных гранулированных сплавов.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Результаты расчета температурной зависимости АЭХ для сплавов металл-металл.

2.3 Результаты расчета температурной зависимости АЭХ для композитов металл-диэлектрик.

Актуальность темы. Недавно обнаруженные необычные свойства аномального эффекта Холла (АЭХ) в магнитных гранулированных сплавах «ферромагнитный металл-немагнитный металл» и композитах «ферромагнитный металл-диэлектрик», привлекли внимание, как экспериментаторов, так и теоретиков - магнитологов. Некоторые особенности АЭХ в гранулированных сплавах не нашли даже качественного объяснения в рамках ранее развитых теорий для однородных магнитных материалов и сплавов.

Являясь одним из наиболее важных среди всего многообразия кинетических эффектов в ферромагнетиках, АЭХ, обусловленный существованием спин-орбитального взаимодействия (СОВ), позволяет получить важную информацию об электронной структуре исследуемого материала, и исследовать особенности спин-зависящего рассеяния и микроструктуры магнитно-неоднородных систем.

Также следует отметить, что АЭХ все больше используется для измерения намагниченности в магнитных сенсорных устройства и перспективен для использования в спиновой электронике.

В связи с этим, немаловажным является создание последовательной теории этого явления, позволяющей описать АЭХ в неоднородных магнитных структурах. Такая теория позволит определить оптимальные материалы и допустимые интервалы температур для практического использования устройств, функциональность которых основывается на АЭХ.

Следует также отметить, что понимание механизмов формирования микроструктуры гранулированных материалов позволило бы контролировать процесс создания и поиска новых материалов со свойствами, оптимальными для практического использования. Важным также является понимание того, как размерные эффекты влияют на величину АЭХ, а также выявление механизмов, ответственных за большие значения величины порога перколяции в материалах с гигантским АЭХ.

Целью данной работы является теоретическое исследование температурной зависимости АЭХ в ферромагнитных гранулированных сплавах и нанокомпозитах; изучение влияния размерных эффектов в таких структурах; численное исследование явления перколяции в нанокомпозитах; теоретическое исследование влияния процессов спин-флипа на явления переноса в примесных ферромагнетиках.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Развита теория, описывающая температурную зависимость АЭХ в области высоких температур, как для сплавов «металл-металл», так и для композитов «металл-диэлектрик». Дано теоретическое объяснение имеющихся экспериментальных данных по температурной зависимости АЭХ в неоднородных магнитных системах.

2. В рамках квантово-статистической теории исследовано влияние размерного эффекта на величину АЭХ в нанокомпозитах «металл-диэлектрик».

3. Численным моделированием исследовано влияние взаимодействия между гранулами на величину порога перколяции в нанокомпозитах. Показано, что существование такого взаимодействия приводит к обнаруженному экспериментально увеличению порога перколяции в системах с гигантским АЭХ.

4. Теоретически предсказана важная роль вклада спин-флип процессов в формирование величин и температурной зависимости кинетических коэффициентов, включая АЭХ, в примесных ферромагнетиках в области низких температур.

Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту можно сформулировать следующим образом:

1. Температурная зависимость коэффициента АЭХ гранулированных сплавов в области высоких температур, для случая слабо зависящего от спина рассеяния описывается линейно-квадратичной зависимостью, с коэффициентами, зависящими от параметров, как объемного рассеяния, так и рассеяния на поверхности раздела гранулы и матрицы.

2. В случае сильного, зависящего от спина рассеяния для гранулированных сплавов с гигантским магнитосопротивлением в области высоких температур предсказано появление дополнительного, кубического по температуре, вклада в коэффициент АЭХ.

3. Теоретически объяснено наблюдаемое экспериментально ослабление температурной зависимости АЭХ в нанокомпозитах металл-диэлектрик.

4. Теоретически доказано существование линейной корреляции между вкладами в АЭХ и в сопротивление гранулированного сплава, возникающими за счет рассеяния электронов на интерфейсах. Подобная корреляция впервые была обнаружена экспериментально для тонких пленок.

5. С помощью численного эксперимента на ЭВМ получено, что существование взаимодействия между гранулами приводит к наблюдаемым экспериментально высоким значениям порога перколяции в гранулированных сплавах. Это связано с наличием в таких системах достаточно крупных кластеров сферической и несферической формы. Высокие значения порога перколяции в системах с гигантским АЭХ не связаны с их двухмерностью.

6. Показано, что в области низких температур, вклад в электросопротивление рассеяния с переворотом спина (спин-флипом) в примесном ферромагнетике за счет интерференционных процессов отличается от аналогичного вклада в чистых ферромагнетиках. Он может существенно изменить как величину, так и температурную зависимость сопротивления, магнитосопротивления и коэффициента АЭХ в гранулированных сплавах, а также мультислоях.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: XVII международной школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-17), Москва, (2000); XXIX Международной зимней школе физиков-теоретиков Коуровка-2002, Екатеринбург, (2002); EUROMAG, the Netherlands, Amsterdam, (2002); XVIII международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-18), Москва,

2002); «Moscow International Symposium on magnetism», MISM-2002, Moscow, (2002).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях, 3 трудах конференций и 5 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы - 81 страница машинописного текста, включая 17 рисунков и библиографию из 80 наименований.

Заключение

В заключении перечислим наиболее существенные результаты настоящей работы:

1. Температурная зависимость коэффициента АЭХ гранулированных сплавов в области высоких температур, для случая слабого спин-зависящего рассеяния выражается линейно - квадратичной зависимостью, с коэффициентами, зависящими от величин как объемного, так и поверхностного рассеяния.

2. В случае сильного спин - зависящего рассеяния, для гранулированных сплавов с гигантским магнетосопротивлением, в области высоких температур предсказано появление дополнительного кубического по температуре вклада в коэффициент АЭХ.

3. Теоретически объяснено наблюдаемое экспериментально подавление температурной зависимости АЭХ в нанокомпозитах металл-диэлектрик.

4. Теоретически доказано существование линейной корреляции между поверхностными вкладами в АЭХ и поверхностным вкладом в сопротивление гранулированного сплава. Такая корреляция впервые была обнаружена экспериментально для тонких пленок.

5. Численным экспериментом на ЭВМ показано, что существование взаимодействия между гранулами приводит к наблюдаемым

-75 экспериментально высоким значениям порога перколяции в гранулированных сплавах, что связано с наличием в таких системах достаточно крупных кластеров сферической и несферической формы.

6. Показано, что в области низких температур, вклад спин-флип процессов в затухание электронов проводимости в примесном ферромагнетике отличается от аналогичного вклада в чистых ферромагнетиках, и может существенно изменить как величину, так и температурную зависимость сопротивления и коэффициента АЭХ в гранулированных сплавах.

-76

В заключение автор считает приятным долгом выразить глубокую признательность своим научным руководителям Александру Борисовичу Грановскому и Ольге Анатольевне Котел ышковой за предоставление интересной диссертационной работы, постоянное внимание, поддержку и многочисленные плодотворные обсуждения, без которых настоящая работа не была бы написана.

1. P. Xiong, G. Xiao, J.Q. Wang, J.Q. Xiao, J.S. Jiang and C.L. Chien, Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 2290.

2. A.B. Pakhomov, X. Yan and B. Zhao, Appl. Phys. Lett. 67 (1995) 3497.

3. H. Sato, Y. Kobayashi, K. Hashimoto, Y. Aoki, H. Sugawara, S. Mitani, H. Fujimori and S. Ohnuma, J.Phys.Soc.Japan 67 (1998) 2193

4. J.C. Denardin, A.B. Pakhomov, M. Knobel, H. Liu and X.X. Zhang, J. Phys. Condens. Matter 12 (2000) 3397.

5. B.A. Aronzon, A.B. Granovsky, D.Yu. Kovalev, E.Z. Meilikhov, V.V. Ryl'kov and M. V. Sedova, JETP Lett.71 (2000) 469.

6. C.L.Canedy, X.W. Li and G. Xiao, Phys. Rev. B. 62 (2000) 508.

7. A.V. Samoilov, G. Beach, C.C.Fu, N.C. Yeh and R.P. Vasquez, Phys.Rev В 57 (1998) R14032.

8. Y. Taguchi, Y. Tokura, Europhys. Lett. 54 (2001), 401.

9. P. Matl, N.P. Ong, Y.F. Yan, Y.Q. Li, D. Studebaker, T. Baum, G. Doubmma, Phys.Rev. В 57 (1998) 10248.

10. Ye, Y.B. Kim, A.J. Mills, B.I. Shraiman, P. Majumdar and Z.Tesanovic, Phys. Rev. Lett. 83 (1999)3727.

11. Y. Taguchi, Y. Oahara, H. Yoshizawa, N. Nagaosa and Y. Tokura, Science 291 (2001) 2573.

12. Y. Lyanda-Geller, S.H. Chan, M B. Salamon, P.M. Goldbart and P.D. Ham, Phys. Rev. В 63 (2001) 184426.

13. A. Granovsky, F. Brouers, A. Kalitsov and M. Chshiev, J. Magn. Magn. Mater. 166 (1997) 193,

14. A. Granovsky, A. Kalitsov and F. Brouers, JETP Lett. 65 (1997) 481.

15. A.Vedyayev, A. Granovsky, A. Kalitsov and F. Brouers, JETP 112 (1997) 2198.

16. S. Zhang and P.M. Levy, J. Appl. Phys. 73 (1993) 5315.

17. А.В Chen, G. Weisz and A. Sher, Phys. Rev. В 8 (1972) 2897.

18. В ссылках. 15,16] фактор З/^ао) перед б выражениях. (2.10,2.1 1) был включен в определение

19. A. Gerber, A. Milner, L. Goldsmit and М. Karpovsky, Phys. Rev. В (to be published).

20. A. Granovsky, A. Vedyayev and F. Brouers, J. Magn. Magn. Mater. 136 (1994) 229.

21. Б.И. Шкловский, А.А. Эфрос. Электронные свойства легированных полупроводников. Наука, М. (1979).

22. J.P. Clerc, G. Giraund, J.M. Laugier. Adv. Phys. 3, 191 (1990).

23. M.B. Isichenco. Rev. Mod. Phys. 64, 961 (1992).

24. S. Mitani, H. Fujimori. K. Takanashi. J. Magn. Magn. Mater.198 {199, 179 (1999).

25. A.B. Pakhomov, X. Yan. Solid State Commun. 99, 139 (1996).

26. A.Vedyayev, B.Mevel, N.Ryzhanova, M.Tshiev, B.Dieny, A.Chamberod, F.Brouers, J. Magn. Magn. Matter., 164, 91, (1.996)

27. L.Sheng, Z.D.Wang, D.Y.Xing, Jian-Xm Zhy, Z. Phys. В., 100, 469,(1996)

28. A.F.Berkowitz, J.R.Mitchell, M.J.Carey, A.P.Yang, S.Zhang, F.E. Spada, F.T.Parker, A.Hutter, G.Thomas, Phys. Rev. Lett., 68, 3745,(1992)3 1. The Hall effect and its application, N. Y.; L,: Plenum Press., (1980)

29. С.В.Вонсовский, Магнетизм, М., Наука, (1971) 33] I.A.Campbell, A.Pert, Ferromagnetic Materials, 3, 747, (1982)

30. L.Berger, G.Bergmann, The Hall effect and its application, N. Y.; L.:1. Plenum Press., (1972)

31. C.M.Hurd, The Hall effect in metals and alloys, N. Y.; L.:1. Plenum Press., (1972)

32. Ю.П.Ирхин, Электронное строение и кинетические коэффициенты вмагнитоупорядоченных кристаллах: Дис, докт. физ.-мат. наук, Свердловск, (1968)

33. А.А.Абдурахманов, Кинетические явления в ферромагнитныхметаллах, Ростов, (1978)

34. А.В.Ведяев, А.Б.Грановский, О.А.Котельникова, Кинетическиеявления в неупорядоченных ферромагнитных сплавах, Изд.-во МГУ, М., (1992)

35. I.Smit, Physica, 24, 39, (1958)

36. J.M.Luttinger, Pbvs. Rev., 112, 739, (1958)

37. В.Кон, Дж.Люттингер, Вопросы квантовой теории необратимыхпроцессов, М., Изд.-во иностр. лит., 12 1, (1961)

38. L.Berger, Phys. Rev., 2, 4559, (1970) 43] S.K.Lyo, T.Holstein,

39. Phys. Rev. Lett., 29,423, (1972)

40. Y.I.Gittleman, Y.Goldstein, S.Bozovski, Phys. Rev. В., 5, 3609, (1972)

41. A. Milner, A. Gerber, B. Groisman, et al, Phys. Rev. Lett., 76, 475, (1996)

42. J.Q. Wang, G. Xiao, Phys. Rev. В., 51, 5863, (1995)

43. J. Shi, E. Kita, L. Xing, M.B. Salamon, Phys. Rev. В., 16119, (1993)

44. L. Piranx, M. (.'assail. E. Grivei, et al, J. Magn. Magn. Matter., 136, 221,1994)

45. H. Sato, H. Henmi, Y. Kobayashi, et al, J. Appl. Phys., 76,6919, (1994)

46. P. Xiong, G. Xiao, J.Q. Wang, at al, Phys. Rev. Lett., 69, 3220, (1992)

47. А.В. Pakhomov, X. Yan, B.Zhao, Appl. Phys. Lett., 67, 3497, (1995)

48. X.N. Jing, N. Wang, A.B. Pakhomov, et al, Phys. Rev. В., 53, 1, (1996)

49. A.B. Pakhomov, X. Yan, Y. Xu, J. Appl. Phys., 79, 1, (1996)

50. A.B. Pakhomov, X. Yan, Physica A, 241, 344, (1997)

51. M.V. Pradnikova, A.B. Granovsky, V. N. Prudiiikov, Proceeding of the

52. Russian-Japanese joint seminar "The Physics and Modeling of Intelligent Materials and their Applications", (PMIMA), Moscow, (1996), p.85

53. H. Sato, Y. Kobayashi, Y. Aoki, et al, Phys. Rev. В., 52, 9824, (1995)

54. A.B. Granovsky, A.V. Vedyayev, F. Brouers. J. Magn. Magn. Matter., 136.229, (1994)

55. R.Fielderling, M.Kelm, G.Reuscher, W.Ossau, G. Schmidt, A.Waag, L.W. Molenkamp, Nature 402 (1999) 787

56. H.Ohno, D.Chiba, F.Matsukura, T. Omlya, E.Abe, T.Dietl, Y.Ohno, K.Ohtani, Nature 408 (2000) 944

57. A.B.Granovsky, M.V.Kuzmichev, J.P.Clerc, JETP 89 (1999) 95561J A.B. Pakhomov, X. Yan and B. Zhao, Appl. Phys. Lett.67 (1995) 3497

58. H.Sato, Y.Kobayashi, K.Hashimoto, Y.Aoki, H.Sugawara, S. Mitani,

59. H.Fujimori, S.Ohnuma, J.Phys.Soc.Japan 67 (1998) 2193

60. J.C.Denardin, A.B.Pakhomov, M.Knobel, H.Liu, X.X.Zhang, J.Phys.Condens.Mattter 12 (2000) 3397

61. B.A.Aronzon, A.B.Granovsky, D.Yu.Kovalev, E.Z.Meilikhov, V.V. Rylkov, M. V.Sedova, JETP Lett. 71 (2000) 469

62. N. Kogan and V.V. Ustinov, Solid State Commun. 43 (1982) 743

63. A.B. Ведяев, Н.Г. Караченская, О.А. Котел ъникова, H.B. Рыжанова,

64. Вестник МГУ, сер. физ.-астр., 2(1993) 51

65. A. Vedyayev, A. Granovsky, A. Kalitsov, F. Brouers, JETP 112 (1997)2198

66. F. Brouers, A. Granovsky, A. Sarychev,A. Kalitsov, Physica A 241 (1997)284-81

67. A. Granovsky, A. Vedyayev andF. Brouers, J. Magn. Magn. Mater. 1361994) 229

68. А.Б. Грановский, M.B. Кузьмичев, A.H. Юрасов, Вестник МГУ, сер.физ.-астр., 6 (2000)67

69. A.Granovsky, F.Brouers, A.Kalitsov, M.Chshiev, J.Magn.Magn.Mater. 1361997)193

70. A.Fert, Phys. Rev., 322, 1784, 1968

71. Ю.А. Изюмов, Ф.А. Кассан-Оглы, Ю.Н. Скрябин, "Полевые методытеории ферромагнетизма", М. "Наука" 1974

72. А.А. Абрикосов, Л.П. Горьков, И.Е. Дзялошинский, "Методыквантовой теории поля в статистической физике", М. "Наука" 1963

73. J.P. Clerc, G. Giraud, S. Alexander, E. Guyon. Phys. Rev. B22,2489 (1980).

74. C.L. Chien. Appl. Phys. C9, 5367 (1991).

75. E.W. Brouer. J. Phys. C19, 7183 (1986).

76. L.R. Bug, S.A. Safran, G.S. Grest, I. Webman. Phys. Rev. Lett. 55, 1896,1985).

77. Я. Гулд, X. Тобочник. Компьютерное моделирование в физике. Мир,1. М. (1990). 416 с.

78. Н. Scher, R. Zallen. J. Cliem. Phys. 53, 3759 (1970).