Магнитные и магниторезистивные свойства плотноупакованных нанодисков

Стеблий, Максим Евгеньевич

Магнитные и магниторезистивные свойства плотноупакованных нанодисков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Стеблий, Максим Евгеньевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Владивосток МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Магнитные и магниторезистивные свойства плотноупакованных нанодисков»

Автореферат диссертации на тему "Магнитные и магниторезистивные свойства плотноупакованных нанодисков"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНО УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ^.лнгплгтпчнЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

___ - I На правах рукописи

005535626

Стеблий Максим Евгеньевич

МАГНИТНЫЕ И МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПЛОТНОУПАКОВАННЫХ НАНОДИСКОВ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

7 /, (М/т 9ПП

АВТОРЕФЕРАТ " ' JM ии

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 2013

005535626

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Чеботкевич Людмила Алексеевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Афремов Леонид Лазаревич

доктор физико-математических наук, профессор

Заводннский Виктор Григорьевич

Ведущая организация: Институт автоматики и процессов

управления ДВО РАН

Защита состоится «18» октября 2013 года в 14:30 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.056.08 по присуждению ученых степеней в Дальневосточном федеральном университете по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 8, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в Институте научной информации — Фундаментальной библиотеке Дальневосточного федерального университета по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Алеутская, 656.

Автореферат разослан «17» сентября 2013 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.056.08 кандидат физико-математических наук

А. М. Фролов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уменьшение ферромагнитного объекта до субмикронного размера приводит к формированию устойчивых магнитных конфигураций, не свойственных массивным магнитам. Наиболее примечательными из них являются однодоменная и вихревая спиновые конфигурации. В случае формирования вихря намагниченность вращается в плоскости объекта вокруг центральной области, в которой она выворачивается перпендикулярно, образуя ядро вихря [1]. Практически полное отсутствие магнитных полюсов делает вихревую конфигурацию энергетически выгодной. Вихрь характеризуется хиральностью направлением вращения намагниченности (по-/против часовой стрелке) и полярностью - направлением намагниченности в ядре вихря относительно плоскости (вверх/вниз). Эти параметры независимы, поэтому магнитный вихрь может принимать четыре устойчивых состояния. При этом состояния вихря с разной хиральностью или полярностью являются энергетически тождественными. Внешним воздействием можно добиться, например, переключения хиральности, но без применения сложных экспериментальных методов нельзя определить ее значение.

Распространенным объектом для изучения свойств вихревой магнитной конфигурации является субмикронный ферромагнитный диск. Состояние магнитного равновесия соответствует положению ядра вихря в центре диска. Под действием спин-поляризованного тока или внешнего магнитного поля ядро вихря отклоняется от положения равновесия. В зависимости от скорости изменения внешнего возбуждающего воздействия могут наблюдаться следующие явления: упругое отклонение ядра вихря от состояния равновесия [1,2], переключение полярности [3], переключение хиральности [4], прецессия ядра вихря [3], которая может сопровождаться переключением полярности и испусканием магнона [3,5-7]. Показано, что используя данные особенности, на основе дисков могут быть реализованы элементы памяти [8], элементы логики [9], сенсоры магнитного поля [10], высокочастотные генераторы спиновых волн [11] и противораковые медицинские препараты [12] и т.д. При этом, задачей важной как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, является выявление механизмов, позволяющих надежно контролировать параметры процесса перемагничивания и формируемого вихревого состояния.

Можно выделить несколько основных групп методов, позволяющих контролировать процесс перемагничивания дисков: создание магнитоактивных дефектов в диске [13-15]; создание асимметрии магнитных свойств [16,17] и неоднородного магнитостатического взаимодействия между дисками [18-20].

Целью диссертационной работы является исследование особенностей процессов перемагничивания, магнитных конфигураций и

магниторезистивных свойств наноразмерных дисков при упорядочении их в плотноупакованные структуры.

Основные задачи работы.

1. Получить набор опытных образцов содержащих одномерные и двумерные массивы с различным числом дисков, а также набор массивов дисков упорядоченных в узлах решеток с различной симметрией.

2. Изучить влияния размера массива на процессы перемагничивания дисков. Интерпретировать экспериментальные результаты на основе полуэмпирической модели, оценивающей влияние междискового магнитостатического взаимодействия на величину поля зарождения вихря.

3. Экспериментально исследовать влияние симметрии массива на процессы перемагничивания дисков.

4. Получить набор опытных образцов содержащих многослойные диски с различными параметрами геометрии и состава, в том числе структуры «диск на диске».

5. Исследовать магнитные и магниторезистивные свойства структуры «диск на диске». Создать автоматизированную установку для измерения магниторезистивных свойств с помощью зондовой станции. Используя микромагнитное моделирование, интерпретировать данные экспериментальных измерений магнитных и магниторезистивных свойств.

Научная новизна работы.

1. Обнаружены осцилляции поля зарождения вихрей с увеличением числа дисков в двумерном массиве. Установлено, что в случае одномерных массивов величина критических полей изменяется монотонно, а ход зависимости определяется направлением внешнего перемагничивающего поля. С увеличением размера массива значение критических полей перемагничивания дисков может изменяться в два раза по сравнению с изолированным диском.

2. Экспериментально установлено, что угловые зависимости критических полей перемагничивания отражают симметрию упорядочения дисков в массиве только в том случае, если диски равноудалены друг от друга во всех направлениях. При изменении расстояния между дисками на 30% в одном из направлений двумерный массив ведет себя, как набор параллельных цепочек дисков.

3. Разработан новый способ контроля хиральности и полярности магнитного вихря в диске, реализуемый с помощью наноструктуры «диск на диске». Экспериментально подтверждено, что направлением внешнего магнитного поля можно надежно задавать четыре различных магнитных состояний системы.

4. Установлено, что при перемагничивании структура «диск на диске» ведет себя как спин-вентиль, вследствие того, что в дисках реализуются вихревое и однодоменное состояния намагниченности.

Практическая значимость работы. На основе структуры типа «диск на диске» могут быть созданы ячейки магниторезистивной памяти с четырьмя устойчивыми состояниями. Это позволит хранить в одной ячейке два бита информация и увеличить плотность ее записи. Результаты, полученные при исследовании влияния размера и симметрии массива на процессы перемагничивания дисков, могут представлять практическую ценность при проектировании магниторезистивной памяти, а также массивов спиновых осцилляторов.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Осциллирующий характер зависимости поля зарождения вихря от размера массива связан с асинхронностью переключения дисков в массиве из однодоменного в вихревое состояние.

2. Размер и симметрия массива оказывают влияние на поведение критических полей перемагничивания дисков.

3. В структуре «диск на диске» в большом диске реализуется магнитный вихрь, а в маленьком диске возможно формирование как устойчивого вихревого, так и однодоменного состояния.

4. В структуре «диск на диске» возможны четыре устойчивые магнитные конфигурации, которые можно задать ориентацией внешнего магнитного поля в процессе перемагничивания.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2009, 2010, 2011, 2012); The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9 (Владивосток, 2010); Moscow International Symposium on Magnetism (Москва,

2011); IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012 (Ванкувер,

2012); Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2012 (Парма, 2012); IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2013 (Детройт, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей в рецензируемых научных журналах, 8 тезисов докладов и получено 2 авторских свидетельства.

Лнчное участие автора в получении результатов состоит в следующем: - формирование шаблонов наноструктур методом электронно-лучевой литографии;

-осаждение поликристаллических пленок Со и Ni80Fe2o (Ру) методом магнетронного распыления;

- измерение петель магнитного гистерезиса наноструктур методом магнитооптического эффекта Керра;

- исследование магниторезистивных свойств многослойных пленок и структур «диск на диске» на программно-аппаратном комплексе «AutoMagTrans» собранном автором;

- моделирование процессов перемагничивания и магнитной структуры нанодисков с использованием программного пакета OOMMF;

- расчет магнитосопротивления на основе результатов микромагнитного моделирования.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 110 наименований. Общий объем диссертации 130 страниц, включая 70 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и поставлены задачи исследования, изложены защищаемые положения, кратко описана структура диссертации.

В первой главе приведен литературный обзор. В первом параграфе рассмотрены магнитные энергии и критерии формирования магнитного вихря в наноструктуре. Второй параграф посвящен наноразмерным дискам с вихревой конфигурацией намагниченности. Рассмотрены механизмы перемагничивания диска под действием квазистатического и динамического возбуждения внешним магнитным полем. Подробно рассмотрены процессы зарождения, перемещения, аннигиляции, прецессии и переключения полярности ядра магнитного вихря. В третьем параграфе рассмотрено влияние магнитостатического взаимодействия между дисками, упорядоченными в вертикальные и горизонтальные массивы, на процессы перемагничивания и магнитные состояния. В четвертом параграфе рассмотрены существующие способы контроля параметров магнитного вихря в диске.

Во второй главе описана методика получения магнитных наноструктур, состоящая из следующих этапов: формирование шаблонов с помощью электронно-лучевой литографии, нанесение пленки методом магнетронного распыления и процедуры lift-off. Описаны методы исследования магнитных свойств наноструктур с помощью магнетометра на основе магнитооптического эффекта Керра, магнитно-силовой микроскопии и автоматизированного комплекса "AutoMagTrans" по измерению магнитосопротивления. Описано микромагнитное моделирование рассматриваемых структур в программном пакете OOMMF [21].

Третья глава посвящена исследованию особенностей процессов перемагничивания дисков упорядоченных в плотноупакованные массивы. Установлено, что из-за магнитостатического взаимодействия при работе с дисками необходимо учитывать размер и симметрию массива. Для исследования влияния размера был получен набор одномерных (1х1\|) и двумерных массивов (Ых>[) дисков Ру с диаметром 600 нм и расстоянием между краями нанодисков 200 нм. Число дисков в грани N изменялось от 1 до 20, рис.1а.

Для оценки влияния магнитостатического взаимодействия на процесс перемагничивания рассматривалось поведение поля зарождения Нп и аннигиляции На ядра вихря. Соответствующие процессы приводят к скачкообразным изменениям намагниченности объекта. Для определения значения этих полей анализируется зависимость с1МЛ№М(Н), рис. 16.

<а|

(б)

о©© ©©о ««а®

ООО оэ© «8?.

®в® «ее $82*

0@9 ОО0 ««Säg

ООО ООО SS3SS

©а» ®а@ ¡¡¡ш

Ж Ii

Рис.1, (а) SEM изображение lxN и NxN массивов для случая трех, пяти и одиннадцати дисков в грани массива, (б) Петля гистерезиса характерная для перемагничивания исследуемых массивов и соответствующая зависимость dM/dH =f (Н)

Простейшим случаем для изучения влияния магнитостатического взаимодействия является случай упорядочения дисков в цепочки -одномерные массивы. Влияние междискового взаимодействия оценивалось относительно случая изолированного диска (N=1). При ориентации Нех вдоль цепочки значения поля аннигиляции и поля зарождения монотонно уменьшаются с увеличением N. При ориентации поля перпендикулярно оси цепочки значения полей зарождения и аннигиляции вихря монотонно увеличиваются с ростом N. Увеличение числа дисков в цепочке до 20 приводит к тому, что величина Н„ изменяется на 70% (±ЛН„=15 Э) по отношению к случаю изолированного диска. Ход кривой Ha=f(N) качественно совпадает с зависимостью Hn=f(N) однако количественное изменение менее выражено ~ 7% (±ЛНа=25 Э), рис.2.

нех

Рис.2. Экспериментально полученные зависимости полей зарождения (а) и аннигиляции (б) вихря от числа дисков в цепочке, при ориентации внешнего поля вдоль и поперек цепочки.

Для объяснения такого поведения структуры на микроскопическом уровне была использована полуэмпирическая модель, в которой рассматривался массив однородно намагниченных дисков, рис.За. В однодоменном диске наличие магнитных полюсов обуславливает существование внутреннего размагничивающего поля Hdem. В упрощенном случае переход диска в вихревую конфигурацию происходит при выполнении условия Hex=Hdem [1]. Значение поля Hdem можно определить из эксперимента, рассматривая перемагничивание изолированных дисков. Различие между процессами перемагничивания изолированного диска и диска в массиве связанно с существованием магнитостатического поля Hjnt создаваемого дисками массива. Тогда условие перехода диска в вихревое состояние принимает вид:

Hm(ij) + Hex = Hdew (1) Значение Нех, при котором выполняется условие (1), и принимается за поле зарождения. По сравнению со случаем изолированного диска внешнее поле надо уменьшить на величину H,nt, чтобы произошло зарождение вихря в диске.

Величина полей Нех и Hdem одинакова для всех дисков массива, тогда как поле Hint сильно неоднородно и является функцией координат. При уменьшении внешнего поля процесс зарождения вихря будет в первую очередь происходить в дисках с минимальным значением Hint. В каждой точке массива поле Hint складывается из полей созданных каждым диском. На основе аналитического расчета было установлено, что составляющая магнитного поля создаваемого диском сонаправленная с Нех определяется следующим образом:

н, =«((-+(—--) С05 2р\аЕ(аа | -V) - (а2 -1)«) -2 а 2 аг

а.....а а'

а'

а = 4; а = азтА; Р = а%ф),

К L /

где Ь - расстояние между центрами дисков, Я - радиус диска, рга - магнитный момент диска, рис.36. Р(у|а) - эллиптический интеграл первого рода, Е(у|а) -эллиптический интеграл второго рода.

Рис.3, (а) Схема исследуемой структуры в дипольном приближении, (б) Схема грасчета магнитногто поля создаваемого диском в точке (у).

Расчеты показали, что при ориентации поля вдоль цепочки I [1П, принимает минимальное значение в координатах соответствующих положению крайних дисков, а в случае ориентации поперек цепочки -центральному диску, рис.4. Процесс размагничивания массива при разной ориентации поля рассмотрен на примере случая N=5. Уменьшение внешнего поля до величины, соответствующей выполнению условия (1), приведет к зарождению вихря в дисках с минимальным значением Н,т. Величину Н(1ст можно определить из эксперимента, приняв ее равной полю зарождения вихря в изолированном диске, - 24 Э (N=1). Так же из экспериментальных данных следует, что зарождение вихря приводит к уменьшению намагниченности диска на 35%, рис.1б. С учетом этого производится перерасчет Нш,. Величина поля зарождения определяется минимальным значением внутреннего поля (Н1П,)тт.

А*

min(Hint): 28 ,Э 44 .Э

@ ® • @ @ - О©®®© © © © © ©

28,00 33,40 38.80 44,20 49,60 55,00 ,Э

(а)

min(Hlnt): -32.Э -22.Э -12,Э

®т о®@ 0§# -> ®000§ Ч00О0©

-33.00 -24,20 -15,40 -11,00

(б)

Рис.4, (а) Схема распределения Н;п1 при уменьшении внешнего поля направленного вдоль цепочки, (б) Схема распределения Н|„, при уменьшении внешнего поля направленного перпендикулярно цепочки.

С возрастанием длины цепочки минимальная величина Нш, увеличивается, когда поле ориентировано вдоль цепочки, рис. 4а. В случае ориентации поля перпендикулярно цепочке Н|П, уменьшается. В такой конфигурации намагниченность в дисках ориентирована перпендикулярно цепочке. и поле, созданное соседними дисками, направленно антипараллельно Нех, рис.4б. В первом случае магнитостатическое взаимодействие способствовало стабилизации однодоменной конфигурации и уменьшению критических полей перемагничивания. Во втором случае взаимодействие дестабилизирует однодоменное состояние, и вихри зарождаются в больших полях. Результаты численного расчета находятся в хорошем качественном согласии с результатами эксперимента.

Рис.5. Зависимость поля Нп от длины цепочки, полученная на основе численных расчетов для случая ориентации внешнего поля вдоль (а) и поперек (б) цепочки. На вставках представлена зависимость H;nt от размера массива.

Более сложно происходит перемагничивание двухмерного массива. Можно выделить два качественно различных случая, когда поле Нех направленно вдоль грани массива и под углом 45° к ней. Экспериментально установлено, что с ростом размера массива критические поля уменьшаются

при всех ориентациях внешнего поля. Зависимость поля Н„=Г(М) может проявлять нетривиальный осциллирующий характер при ориентации Нех вдоль грани массива, рис.5а. Количественное изменение критических полей с ростом размера массива более выражено для Н„. Изменение может достигать 90% по сравнению с изолированным диском.

N N

Рис.6. Зависимость поля зарождения (а,б) и аннигиляции (в,г) вихря от числа дисков в грани массива для ориентации внешнего поля вдоль грани и по диагонали массива.

Из анализа карт распределения внутреннего поля в массиве было установлено, что процесс перехода дисков в вихревое состояние начинается с центральных дисков граней при ориентации Нех вдоль ребра массива и с угловых дисков при ориентации вдоль диагонали, рис.6. Расчет показал, что характер поведения величины поля (Hint)mln в отличие от предыдущего случая не совпадает с экспериментальными результатами. Это связанно с тем, что магнетометр на основе оптического эффекта Керра, с помощью которого были получены экспериментальные данные, регистрирует некоторое усредненное значение поля зарождения вихрей в дисках массива. Таким образом, в соответствии с аналитической оценкой, значение внешнего поля, при котором начнется процесс переключения дисков, определяется величиной (Hi„,)mjn. На экспериментальной зависимости Hn=f(N) соответствует значению поля, при котором происходит переключение основного числа дисков.

Каждому этапу размагничивания массива соответствует некоторый набор значений Hlnt. Конкретное значение Hinl может действовать на несколько дисков, которые в дальнейшем переключатся одновременно. Для каждого этапа размагничивания было определено значение Hjnt, под действием которого находится максимальное число непереключившихся дисков.

шт|НЦ: 113 15,Э

••О** ©•••О

О • • • О О • • • О • ••••-> о • с •

о ©••о ••о

••о** ©•••о

(а) 2

гзЗ 25 .э 25 3 36 3

• •••• ' • • • ' • • • • • • • © - © © (5 ©

©•••© ©•••© ©•••© © © © © © О © © © © • ©•••©-> © • • •©-> ©©©© ©->©©©©©_>© 0 © ©©

©•••© ©•••©

••••• ©•••© ©••••

4 4 3

©©©©© О©©©© © • • • © © © © © ©

0° -*■ Н 0 13 19 29 37 43 ,'

тш(Жм): 6,4 3 22 3 26 3 29 3 33 з

• • ® © © © О ® • • © © • • • © © © • • © © © © © © © © © ©

• • • • в О • • • • © 9 • • • © • • • • а © • • © © © © © ©

• а о • • • • • © • • • © © • • • •© © ф © © © © © © ©

ООО « • • • • О © • © • •©©© ©©©©© ©©©©О

(б) »-,К 2 4 4 зГ 8 7

Н 45°^—

0 11 15 28 37 42 46 3

Рис.7. Схема распределения Н„„ в массиве при уменьшении внешнего поля направленного под углом О" (а) и 45° (б). Цифрой под схемой указанно число дисков переключившихся при уменьшении внешнего поля до соответствующего значения.

На диаграмме, рис.8, приведен соответствующий набор значений Н^, для случаев размагничивания массивов с размерами 7x7. 8x8 и 10x10, при ориентации внешнего поля вдоль грани и вдоль диагонали массива.

Н|„1.Э

0 5 10 15

Н|г».3

Рис.8. На диаграммах отмечено количество дисков в массиве с одинаковым значением H„lt. Приведены статистические данные для массивов с семью, восемью и десятью дисками в грани, при ориентации внешнего поля вдоль (а) и поперек грани (б) массива. Вертикальными пунктирными линиями отмечено значение Hi,,,

Положение максимума огибающей соответствует значению внутреннего магнитостатического поля, при котором произойдет переключение максимального числа дисков в процессе размагничивания массива. Подобный расчет был проведен для всех значений N. Важно отметить, что в случае ориентации Нех вдоль диагонали массива, значение поля, соответствующего синхронному переключению максимального числа дисков, монотонно растет: Hint(7)<Hint(8)<Hmt (10), рис.7б. В случае, когда Нех направленно вдоль грани значение Hint немонотонно зависит от N: для Hint(7)>Hmt(8)<Hint(I0).

Используя полученные данные, была построена зависимость Hn=f(N), рис.9. Результаты такой оценки находятся в качественном соответствии с экспериментальными данными. Осциллирующий характер зависимости Hn=f(N) объясняется асинхронностью переключений дисков в массиве в ходе процесса размагничивания.

40 1 -расчеты

\ --эксперимент

30 \ "

vSr

1 ' V

20 • }—■....., Ь

10 . (а)

100

ГТ\ 60

X 40

- расчет

--эксперимент

•Г

О 5 10 15 20 0 5 10

N N

Рис.9. Экспериментальные и полученные на основе численных расчетов зависимости Н„ от размера массива при ориентации внешнего поля вдоль грани (а) и вдоль диагонали (б) массива.

Помимо размера, важным параметром массива является симметрия решетки, в узлах которой расположены диски 15,6]. Для систематического исследования влияния симметрии массива на процесс перемагничивания дисков был получен набор массивов, диски в которых располагались в узлах следующих решеток: квадратной, примитивной прямоугольной, косоугольной, центрированной прямоугольной и «сотовой», рис.10.

В качестве характеристического поля для оценки влияния симметрии структуры на процесс перемагничивания было выбрано поле аннигиляции вихря На, так как поле зарождения вихря Н„ может демонстрировать нетривиальную зависимость от параметров массива, как было установлено в предыдущей части работы.

¡1 =Ь ф=

- о

а п41

ь о

а Ь ф=90

а Ь №=90

а Ь ф-90

а V»

о о

ООО ООО ООО ООО ООО ООО

Рис.10. Типы упорядочения дисков в решетке: а) квадратная, б) примитивная прямоугольная, в) косоугольная, г) центрированная прямоугольная, д) «сотовая».

При исследовании также было учтено, что пленка, из которой были сформированы диски, была не изотропна. Зависимость коэрцитивной силы пленки от ориентации внешнего поля представлена на сводном графике. рис.11. Видно, что в пленке присутствует одноосная анизотропия, поле анизотропии равно Нап=18 Э.

В случае упорядочения дисков в узлах квадратной решетки, с расстоянием между краями дисков а=Ь=200 нм. угловая зависимость поля На является двухосной, что совпадает с симметрией массива. Направление о.л.н. пленки совпадает с направлением а. В случае прямоугольной решетки междисковые расстояния изменяются: а=150 нм. Ь=200 нм. Установлено, что при сближении дисков на 50 нм зависимость На=А;ф) становится одноосной. Минимальное значение поля, необходимое для аннигиляции вихря, ориентировано вдоль направления плотной упаковки. При смещении рядов дисков друг относительно друга по оси Ь получается косоугольная решетка. Расстояния а и Ь остались прежними, но угол стал отличным от предыдущего случая на ф=10°. Такое изменение приводит к тому, что пик на зависимости На(ф) смещается на соответствующий угол относительно случая прямоугольной решетки. При этом количественных изменений не наблюдается.

Для прямоугольной центрированной решетки: а=300 нм. Ь=200 нм направление плотной упаковки перпендикулярно направлению анизотропии пленки. По сравнению с квадратной решеткой расстояние а было увеличено на 100 нм. Из графика, рис.106, видно, что структура одноосна и минимум На лежит строго в направление Ь.

-90 0 90 180 270

Рис.11. Угловая зависимость поля аннигиляции массива для разных типов решеток. (1) квадратная, (2) примитивная прямоугольная, (3) косоугольная. (4) центрированная прямоугольная, (5) «сотовая».

По сравнению со случаями примитивной прямоугольной и косоугольной решеток максимум На сместился на 90°. Это свидетельствует о том, что симметрия массива и анизотропия пленки, из которой они сформированы, вносят незначительный вклад в процесс перемагничивания по сравнению с магнитостатическим взаимодействием между ближайшими дисками. Таким образом, если в различных направлениях расстояние между дисками отличается, то массив можно рассматривать как набор параллельных цепочек дисков.

Для уменьшения внутреннего магнитостатического поля, расстояние между краями соседних дисков было увеличено до 300 нм. Экспериментально полученная зависимость На(ф) имеет трехосную симметрию, что соответствует симметрии структуры. Так как междисковое взаимодействие уменьшилось, величина поля аннигиляции увеличилась по сравнению со всеми остальными случаями.

В четвертой главе представлены результаты исследования структуры «диск на диске». Известно, что при упорядочении дисков в вертикальные структуры - колоны, в зависимости от их параметров, возможно сосуществование в слоях различных конфигураций магнитной структуры [12-15]. Было предположено, что междисковое взаимодействие в таком случае может быть использовано для контроля параметров магнитного вихря. Рассматриваемая структура состоит из двух дисков Ру толщиной 35 нм и диаметрами 600 нм и 200 нм расположенных один на другом, рис.12. Прослойка Си(Знм) создана для исключения обменного взаимодействия между дисками. Исследование дисков по отдельности показало, что для них характерен процесс перемагничивания через формирование магнитного

вихря, о чем свидетельствуют характерные петли гистерезиса, рис.126. При совмещении дисков петля, соответствующая перемагничиванию структуры, качественно изменяется, что свидетельствует об изменении механизма перемагничивания.

М.Ц1ЫИ диск

й ■ 200 пт

Большом диск Р - 600 пт

Рис.12. Схема и СЭМ изображение структуры «диск на диске». Петли магнитного гистерезиса для случаев изолированных и объеденных дисков.

Исследование влияния ориентации внешнего магнитного поля относительно оси центр-центр дисков (в) на процесс перемагничивания системы показало, что петля гистерезиса изменяется от инверсной до раскрытой, рис.13.

-100 О 100 200 300

Рис.13. Угловые зависимости приведенной остаточной намагниченности структуры «диск на диске» для случаев разного положения малого диска. Стрелками показана схема приложения внешнего магнитного поля (синяя стрелка) и соответствующая петля магнитного гистерезиса.

Такое изменение удобно характеризовать, исследуя зависимость Mr/Ms = Г(ф). Можно отметить, что магнитные свойства системы имеют ярко выраженную одноосность. Ход зависимости качественно не изменяется при уменьшении расстояния между центрами дисков. В широком диапазоне углов остаточная намагниченность принимает отрицательное значение, что является нехарактерным для вихревой магнитной конфигурации. Для исследования процесса перемагничивания было рассмотрено два случая: Нех направлено под углами 10° и 90° к оси центр-центр дисков, s=l 70 нм.

При всех ориентациях внешнего магнитного поля петля гистерезиса структуры «диск на диске» имеет характерные признаки формирования магнитного вихря, что видно из сравнения с петлей для случая изолированного диска, рис.14, 15. Отличием, связанным с появлением малого диска, является более сложный, двухэтапный процесс перехода системы из состояния насыщения, в состояние остаточной намагниченности, соответствующее Н=0. Магнитная структура исследовалась методом магнитной силовой микроскопии МСМ совместно с микромагнитным моделированием. Было установлено, что в процессе перемагничивания в малом диске сохраняется квазиоднородная конфигурация намагниченности, а в большом диске формируется магнитный вихрь.

Когда внешнее поле ориентировано под углом 10° к оси s, процессу перемагничивания соответствует инверсная петля. При выходе системы из состояния насыщения (точка 1 на рис.14) намагниченность в малом диске разворачивается антипараллельно намагниченности в большем диске, точка 2. С этим разворотом связан первый скачок намагниченности. Дальнейшее уменьшение внешнего поля приводит к следующему скачкообразному уменьшению намагниченности, что связанно с зарождением ядра вихря в большом диске, на краю свободном от малого диска. В поле Н=0 ядро вихря находится в центре, что соответствует размагниченному состоянию большого диска. Малый диск находится в однодоменном состоянии, что и обуславливает инверсный характер петли, точка 3.

Если к нулевому значению поля прийти из области отрицательных полей, то состояние системы качественно не изменится, но все параметры магнитной структуры изменятся на противоположные. Намагниченность в малом диске выстроится в положительном направлении, о чем свидетельствует изменение МСМ контраста. Направление вращения намагниченности в большом диске станет по часовой стрелке, тогда как в предыдущем случае было против часовой стрелки.

<л

1 1 -0*0 1 ->--1-- 1

ер 2 —

6Г) 4 /Г

/Уз 2.

Г 4.

Е 3

1 1 750 0 7» Нк (Ое)

500(0е) 230(0е) О(Ое)

-500

500

Нх (Ое)

Рис.14. Экспериментально полученные петли магнитного гистерезиса для структуры «диск на диске» (цветные линии) и единичного диска (пунктирная линия). На вставке приведена петля, полученная методом микромагнитного моделирования для данного случая. Схема иллюстрирует ориентацию структуры относительно внешнего поля (черная стрелка) и предполагаемую траекторию движения ядра вихря (красная стрелка). Под цифрами приведены изображения МСМ магнитной структуры и спиновые конфигурации, полученные моделированием.

Микромагнитное моделирование показывает изменение хиральности вихря в большом диске тем, что не зависимо от направления внешнего магнитного поля ядро вихря зарождается в одном и том же месте — на краю большого диска, максимально отдаленного от малого диска. Метод МСМ позволяет подтвердить изменение намагниченности в малом диске при изменении направления поля, однако не способен зарегистрировать изменение хиральности. Для подтверждения этого был проведен следующий эксперимент.

Под действием магнитного поля ядро вихря смещается так, чтобы увеличилась область магнитных моментов сонаправленных с полем. В процессе рассмотренного перемагничивания ядро вихря двигалось по траектории, не проходящей под малым диском, рис.15а. Во вспомогательном эксперименте было создано небольшое постоянное поле Ну направленное перпендикулярно перемагничивающему полю Нх. Действие такого поля приводит к тому, что в зависимости от хиральности вихря ядро сместится влево или вправо, и траектория движения станет изогнутой. Направление изгиба будет определяться хиральностью вихря. Подбирая величину смещающего поля, удалось добиться того, что ядро, двигаясь по одной из траекторий, проходило под малым диском, что отражается на ходе петли магнитного гистерезиса, рис.156. Петля становится ассиметричной, а ход кривой перед аннигиляцией изменяется при изменении направления перемагничивающего поля. Из зависимости с!М/ёН=1"(Н) видно, что в одном случае происходит резкое замедление процесса перемагничивания. Замедление связно с взаимодействием ядра вихря большого диска с малым диском. В другом направлении скорость остается постоянной, то есть ядро вихря не проходит под малым диском.

зарождение

Рис.15, (а) Схематическое изображение траекторий движения ядра вихря при перемагничивание в отсутствие смещающего поля (черная) и в присутствие смещающего поля (цветные).

Когда перемагничивающее поле ориентировано перпендикулярно оси е. ядро зарождается под малым диском независимо от ориентации внешнего поля. Магнитостатическое взаимодействие ядра вихря с полюсом однодоменного диска приводит к тому, что ядро закрепляется под ним в отсутствии поля, рис.16. Для выхода из этого положения необходимо приложить поле в противоположном направлении. Данная особенность обуславливает качественные отличия хода переманивания от предыдущего случая. Если к нулевому значению поля прийти из области отрицательных полей, то состояние системы качественно не изменится, но все параметры поменяются на противоположные. Микромагнитное моделирование объясняет изменение хиральности вихря в большом диске тем, что в не зависимости от направления внешнего магнитного поля ядро зарождается под малым диском. Для экспериментального подтверждения этого факта был проведен следующий эксперимент.

5. Экспериментально полученные петли магнитного гистерезиса для структуры на диске» (цветные линии) и единичного диска (пунктирная линия). На вставке

приведена петля, полученная методом микромагнитного моделирования для данного случая. Схема иллюстрирует ориентацию структуры относительно внешнего поля (черная стрелка) и предполагаемую траекторию движения ядра вихря (красная стрелка). Под цифрами приведены изображения МСМ магнитной структуры и спиновые конфигурации, полученные моделированием.

Если зарождение вихря всегда происходит под малым диском, то под действием внешнего поля ядро выходит из-под него и, пересекая весь основной диск, аннигилирует на противоположном краю. Таким образом, независимо от направления поля, после зарождения вихрь больше не попадает под малый диск, рис. 17а. Это можно сделать искусственно, перемагничивая структуру в несимметричном диапазоне полей. При значении внешнего поля 500 Э система находится в однодоменном состоянии. Уменьшение поля до нуля приведет к тому, что под малым диском зарождается вихрь. Увеличение поля в противоположном направлении приведет к тому, что вихрь выйдет из-под малого диска, Н=-50 Э. Так как вихрь не изменил свою хиральность, увеличение поля обратно до +500 Э заставит его смещаться в исходное положение. При этом ядро пройдет под малым диском, что должно отразиться на петле гистерезиса. На рис. 176. сопоставлены петли для случаев перемагничивания в симметричном и не симметричном диапазоне полей. Видно, что в случае полной петли гистерезиса аннигиляции вихря соответствует линейное уменьшение намагниченности с последующим резким скачком. В случае же половины петли гистерезиса процесс аннигиляции искажается, появляется ступень обусловленная взаимодействием ядра вихря с малым диском. Таким образом, можно заключить, что при перемагничивании системы в симметричном диапазоне полей ядро не проходит под малым диском. Это значит, что зарождаясь под малым диском, вихрь меняет хиральность в соответствии с направлением внешнего магнитного поля.

Нх (Ое)

Рис.17, (а) Схема эксперимента подтверждающего, что ядро вихря всегда зарождается под малым диском (красная точка) в независимости от направления перемагничивающего поля Нх (красная или синяя стрелка), (б). Петли магнитного гистерезиса полученные при перемагничивании структуры в симметричном (черная) и в несимметричном диапазоне полей (цветная).

Таким образом, ориентацией внешнего магнитного поля можно контролировать хиральность вихря и направление намагниченности в малом диске, рис. 18а. На основе результатов микромагнитного моделирования установлено, что однородное состояние намагниченности в малом диске является метастабильным, рис.186. Минимум магнитной энергии системы соответствует формированию вихря, но этому препятствует энергетический барьер, связанный с магнитостатическим взаимодействием между слоями. Экспериментально доказано. что в процессе квазистатического перемагничивания можно искусственно создать в малом диске вихрь, прикладывая поле перпендикулярно плоскости системы.

(а) (б)

0.2 0.1

Е 0.0

-0.2

Рис.18, (а) Схематично показаны направления намагниченности в малом диске и хиральность в большом диске в зависимости от ориентации внешнего поля, (б) Энергия системы «Б-Ю» в зависимости от магнитной конфигурации в малом диске.

Система «диск на диске» в вертикальной проекции представляет собой спиновый вентиль, сопротивление которого зависит от взаимной ориентации намагниченности в слоях. Для экспериментального изучения магнитоэлектрических свойств объекта «диск на диске» была получена структура, представленная на рис. 19а. Слой фоторезиста выполнял функцию диэлектрической прослойки между электродами. Сопротивление принимает минимальное значение, если намагниченность в слоях параллельна и максимальное - если антипараллельна. Для объяснения поведения сопротивления структуры достаточно рассмотреть малый диск и область большого диска под ним - трехслойный диск, рис.196.

Рис.19. (а) Схема структуры полученной для измерения магнитосопротивления объекта «диск на диске», (б) На схеме выделено изменение намагниченности в слоях, которое обуславливает изменение сопротивления структуры.

Для объяснения экспериментальных зависимостей, кривые магнитосопротивления были рассчитаны на основе результатов микромагнитного моделирования. Зная направление намагниченности в каждой единице объема дисков можно рассчитать сопротивление перехода, которое будет прямо пропорционально суммарной разориентации спинов в слоях:

ЛКг = |;лЯ0ш(1-«н(в,_,-*,))•

В случае ориентации перемагничивающего поля вдоль оси центр-центр дисков ход зависимость ДЯЖ=Г(Н) объясняется следующим образом. В больших полях намагниченность в слоях ориентирована вдоль поля, магнитные моменты сонаправлены, что соответствует минимальному сопротивлению. При уменьшении поля намагниченность в слоях выстроится антипараллельно, что приведет к резкому увеличению сопротивления. Последующее зарождение вихря в большом диске приводит к уменьшению сопротивления. В отсутствие поля ядро вихря в основном диске расположено в центре, при этом результирующая намагниченность в малом диске и в области под ним сонаправлены, как показано на сноске. При увеличении поля в обратном направлении, намагниченность в области под малым диском становится все более однородной по мере приближения ядра вихря к краю большого диска. Этот процесс сопровождается плавным уменьшением сопротивления.

(100 пт) Ру(35 пт)

Си (3 пт) РЬоюге^ (100 пт) Ру(35 пт) Си (100 пт) йиЬ&1га1е

0,1S

S? 0,10 К £

< 0,05 0.00

-1000 о юоо -1000 о юоо

н.Э н.Э

Рис.20, (а) - Экспериментально полученная петля магнитосопротивления структуры «диск на диске» во внешнем поле, ориентированном вдоль оси центр-центр дисков. (Ь)- Петля, рассчитанная на основе результатов микромагнитного моделирования.

Из экспериментальных данных можно оценить величину изменения сопротивления. В случае, когда поле ориентировано вдоль оси центр-центр дисков, изменение сопротивления составляет ~ 0.15%. Разница между максимальным сопротивлением и сопротивлением структуры в остаточном состоянии составляет -0,1%.

В случае ориентации внешнего поля перпендикулярно оси центр- центр небольшое отличие петли магнитосопротивления обусловлено тем. что ядро вихря находится под малым диском в широком диапазоне полей. Изменение сопротивления в этом случае составляет -0,1%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлено, что при упорядочении дисков в плотно упакованные массивы величина критических полей перемагничивания зависит от размера массива. Характер зависимости полей перемагничивания качественно изменяется при изменении ориентации перемагничивающего поля относительно массива.

2. Показано, что из-за неоднородности магнитостатического поля в массиве, переход дисков из квазиоднородного в вихревое состояние происходит несинхронно, что может приводить к осциллирующему характеру зависимости величины Н„ от размера массива.

3. Установлено, что симметрия решетки, в узлах которой упорядочены диски, отражается на угловых зависимостях критических поле только в том случае, если диски равноудалены по всем базисным направлениям.

4. Показано, что в структуре «диск на диске» возможно устойчивое сосуществование однодоменной и вихревой конфигурации намагниченности, что позволяет использовать структуру в качестве спин-вентиля.

5. Экспериментально установлено, что в структуре «диск на диске» возможны четыре магнитные конфигурации, переход между которыми можно осуществлять посредством воздействия внешнего магнитного поля.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

[1] A.V. Ognev, A.S. Samardak, L A. Chebotkevich, E.V. Sukovatitsina, M E. Stebliy, E.B. Modin, E.V. Pustovalov, V S. Plotnikov, F. Nasirpouri, An influence of mechanical deformations on crystal structure and spin configuration in magnetic nanowires, Journal of Applied Physics. 2013. V. ИЗ, 17A334.

[2] M.E. Stebliy, A.V. Ognev, A.S. Samardak, and L.A. Chebotkevich, Magnetoresistive properties of the "small disk on a big disk" nanostructure, Journal of Applied Physics. 2013. V. 113,17B527.

[3] M.E. Стеблий, А.Г. Колесников, A.B. Огнев, A C. Самардак, Jl.A. Чеботкевич, Влияние числа нанодисков в двумерных массивах на процессы перемагничивания, Физика Твердого Тела. 2013. Т.55, Вып.4 ,705.

[4] Ognev, A., Stebliy, М., Samardak, A S.,Chebotkevich, L., An influence of boundary effects and spatial symmetry on magnetization reversal of nanodisk arrays. IEEE Transactions on Magnetics. 2012. 48 (U) , art. no. 6332871 , p. 3651.

[5] Stebliy, M.E., Ognev, A.V., Samardak, A.S., Diga, K.S., Chebotkevich, L.A., 3-D architectural approach for manipulation of the micromagnetic configuration in nanodisks, IEEE Transactions on Magnetics. 2012., 48 (11), art. no. 6332941, p. 4406.

[6] Samardak A S., Sukovatitsina E.V., Ognev A.V., Stebliy M.E., Plotnikov V.S., Pustovalov E.V., Wahlstrom E., Chebotkevich L.A., MTJ spin-valves based on thin films and nanowires, Physics Procedia. 2012., 23, 123.

[7] Ulrichs H„ Demidov V.E., Demokritov S.O., Ognev A.V., Stebliy M.E., Chebotkevich L.A., Samardak A.S., Linear and nonlinear collective modes in coupled-discs magnetic microstructures, Physical Review B. 2011. 83 , 184403.

[8] Ognev A.V., Stebliy M.E., Samardak A.S., Nogaret A., Chebotkevich L.A., The Remagnetization Process Feature of Trilayer Nanodisks, Solid State Phenomena. 2011. 168-169 ,249.

[9] Samardak A.S., Ognev A.V., Stebliy M.E., Chebotkevich L.A., Magnetic structure of nanodisk arrays possessing of a crown, Bulletin of the Russian Academy, of Sciences. Physics , 2011.75,193.

[10] M. E. Стеблий, А. В. Огнев, Ю. П. Иванов, E. В. Пустовалов, В С. Плотников, Л. А. Чеботкевич.Особенности магнитных свойств пленок и наноточек Pd/Fe/Pd // Известия РАН. Серия физическая, 2010, том 74, № 10, с. 1468-1470.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1] К. Yu. Guslienko, V. Novosad, К. Fukamichi. A model for vortex formation in magnetic nanodots // Phys. Rev. B. 2001. V. 65. P. 024414.

[2] T. Ishida,l T. Kimura, Y. Otani. Current-induced vortex displacement and annihilation in a single permalloy disk // Phys. Rev. B. 2006. V. 74. P. 014424.

[3] Yu. Guslienko, Ki-Suk Lee, Sang-Koog Kim. Dynamic Origin of Vortex Core Switching in Soft Magnetic Nanodots // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. P. 027203.

[4] N. Locatelli, V. V. Naletov, G. de Loubens. Dynamics of two coupled vortices in a spin valve nanopillar excited by spin transfer torque // Phys. Rev. Lett. 2011. 98,062501.

[5] K. Yamada, S. Kasai. Switching magnetic vortex core by a single nanosecond current pulse // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. P. 152502.

[6] J. Shibata, Y. Nakatani. Current-induced magnetic vortex motion by spin-transfer torque // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 020403.

[7] S. Choi, K. Yu. Guslienko, Sang-Koog Kim. Strong Radiation of Spin Waves by Core Reversal of a Magnetic Vortex and Their Wave Behaviors in Magnetic Nanowire Waveguides // Phys. Rev. Lett. 2007. 98, 087205.

[8] K. Bussmann, G. A. Prinz, and D.Wang. Switching of vertical giant magnetoresistance devices by current through the device // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75, P. 2476.

[9] D. A. Allwood, С. C. Faulkner, D. Atkinson, and R. P. Cowburn. MAGNETIC DOMAINWALL LOGIC // Science. 2005. V. 309. P. 1688.

[10] D. A. Allwood, G. Xiong, M. D. Cooke, and R. P. Cowburn. Submicrometer Ferromagnetic NOT Gate and Shift Register // Science. 2002. V. 296. P. 2003.

[11] V. S. Pribiag, I. N. Krivorotov, and R. A. Buhrman. Magnetic vortex oscillator driven by d.c. spin-polarized current // Nature Phys. 2007. V. 3. P. 498.

[12] E. A. Rozhkova, V. Novosad, and S. D. Bader. Ferromagnetic microdisks as carriers for biomedical applications //J. Appl. Phys. 2009. V.105. P. 07B306.

[13] M. Rahma and J. Biberger and G. Karapetrov. Control of vortex chirality and polarity in magnetic nanodots with broken rotational symmetry // Phys. Rev. B. 2011. V.84. P. 014424.

[14] Randy K. Dumas, and Kai Liu. Chirality control via double vortices in asymmetric Co dots //Phys. Rev. B. 2011. V. 83. P. 060415.

[15] M. Rahma and J. Biberger. Vortex pinning at individual defects in magnetic nanodisks // // J. Appl. Phys. 2003. V. 93, P. 10.

[16] Z. Zhong, H. Zhang, X. Tang, Y. Jing. Vortex chirality control in magnetic submicron dots with asymmetrical magnetic properties in lateral direction //JMMM. 2009. V. 321 P.2345-2349.

[17] G. Shimon, A. O. Adeyeye, and C. A. Ross. Reversal mechanisms of coupled bi-component magnetic nanostructures // Phys. Rev. Lett. 2012. V.101 P. 083112.

[18] S. Jain, Y. Ren, and A. O. Adeyeye. Configurational anisotropy and control of magnetic vortex chirality in arrays of circular Ni80Fe20 nanoscale dots // Phys. Rev. B. 2009. V.80

P. 132401.

[19] T. Kimuraa_ and Y. Otani. Determination of magnetic vortex chirality using lateral spin-valve geometry Hi. Appl. Phys. 2005. V. 87. P. 172506.

[20] A. Kumari, S. Sarkar, D and S. Bhanja. Study of magnetization state transition in closely spaced nanomagnet two-dimensional array for computation // J. Appl. Phys. 2011. V.109. P. 07E513.

[21] M. J. Donahue and D. G. Porter, OOMMF.

Подписано в печать 7.06.2013 Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Стеблий, Максим Евгеньевич, Владивосток

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201362149

Стеблий Максим Евгеньевич

Магнитные и магниторезистивные свойства плотноупакованных

нанодисков

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Л.А. Чеботкевич

Владивосток - 2013

Содержание

Введение............................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы.........................................................................................10

1.1 Фундаментальные аспекты магнетизма........................................................10

1.1.1 Магнитные энергии......................................................................................10

1.1.2 Характеристические длины.......................................................................13

1.1.3 Вихревая структура намагниченности....................................................14

1.2 Наноразмерный ферромагнитный диск.........................................................16

1.2.1 Характерные конфигурации намагниченности.....................................16

1.2.2 Квазистатическое перемагничивание диска в вихревой конфигурации намагниченности........................................................................20

1.2.3 Высокочастотное перемагничивание диска в вихревой конфигурации намагниченности...................................................................................................24

1.2.4 Переключение полярности и генерация спиновых волн.....................26

1.3 Влияние магнитостатического взаимодействия на магнитные свойства диска.............................................................................................................................30

1.3.1 Горизонтальное упорядочение дисков.....................................................31

1.3.2 Вертикальное упорядочение.......................................................................36

1.4 Контроль магнитной конфигурации нанодиска...........................................41

1.4.1 Деформация профиля диска......................................................................42

1.4.2 Внесение дефекта в плоскость диска.......................................................43

1.4.3 Создание неоднородных магнитных свойств.........................................43

1.4.4 Неоднородное магнитостатическое взаимодействие............................44

1.4.5 Внешнее воздействие...................................................................................45

1.5 Выводы..................................................................................................................45

Глава 2. Методы получения и исследования наноразмерных объектов...........47

2.1. Метод магнетронного распыления.................................................................47

2.2 Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ)........................................................50

2.3. Магнетометр на основе эффекта Керра (МОКЕ).........................................55

2.4 Метод магнитной силовой микроскопии (МСМ).........................................59

2.5 Измерение магниторезистивных свойств.......................................................61

2.6 Микромагнитное моделирование....................................................................62

Глава 3. Влияние магнитостатического взаимодействия на процессы перемагничивания дисков в плотноупакованных массивах...............................67

3.1 Структура плотноупакованных массивов lxN и NxN.................................67

3.2 Особенности перемагничивания дисков в массиве lxN..............................70

3.3 Полуэмпирическая модель оценки поля зарождения вихря Н„................72

3.4 Расчет поля зарождения вихря в дисках массива lxN.................................75

3.50собенности перемагничивания дисков в массиве NxN..............................78

3.6 Влияние симметрии массива на процесс перемагничивания дисков ...... 86

3.7 Выводы..................................................................................................................89

Глава 4. Магнитные и магниторезистивные свойства структуры «Диск на Диске» 91

4.1 Структура «диск на диске»................................................................................91

4.2 Исследование процесса перемагничивания структуры «диск на диске», соответствующего случаю М,УМ8<0.......................................................................95

4.3 Исследование процесса перемагничивания структуры «диск на диске», соответствующего случаю M,/Ms>0.....................................................................100

4.4 Перемагничивание структуры при симметричном расположении дисков 104

4.5 Особенности магнитной структуры «диск на диске»................................106

4.6 Магниторезистивные свойства структуры «диск на диске»....................109

4.7 Выводы................................................................................................................115

Заключение...................................................................................................................117

Приложение 1...............................................................................................................118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................122

Введение

Уменьшение ферромагнитного объекта до субмикронного размера приводит к формированию устойчивых магнитных конфигураций, не свойственных массивным магнитам. Наиболее примечательными из них являются однодоменная и вихревая спиновые конфигурации. В случае формирования вихря намагниченность вращается в плоскости объекта вокруг центральной области, в которой она выворачивается перпендикулярно, образуя ядро вихря [1]. Практически полное отсутствие магнитных полюсов делает вихревую конфигурацию энергетически выгодной. Вихрь характеризуется топологическими зарядами двух типов: хиральностью - направлением вращение намагниченности (по-/против часовой стрелке) и полярностью - направлением намагниченности в ядре вихря относительно плоскости (вверх/вниз). Эти параметры независимы, поэтому магнитный вихрь может принимать четыре устойчивых состояния. При этом состояния вихря с разной хиральностью или полярностью являются энергетически тождественными. Внешним воздействием можно добиться, например, переключения хиральности, но без применения сложных экспериментальных методов нельзя сказать, какое именно значение она примет.

Распространенным объектом для изучения свойств вихревой магнитной конфигурации является субмикронный ферромагнитный диск. Состояние магнитного равновесия соответствует положению ядра вихря в центре диска. Под действием спин-поляризованного тока или внешнего магнитного поля ядро вихря отклоняется от положения равновесия. В зависимости от скорости изменения внешнего возбуждающего воздействия могут наблюдаться следующие явления: упругое отклонение ядра вихря от состояния равновесия [1,2], переключение полярности [3], переключение хиральности [4], прецессия ядра вихря [3], которая может сопровождаться переключением полярности и испусканием магнона [3,5-7]. Показано, что на основе дисков могут быть реализованы элементы памяти [8], элементы логики [9], сенсоры магнитного поля [10], высокочастотные генераторы спиновых волн [11], медицинские препараты [12] и т.д. При этом, задачей важной как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, является выявление

механизмов, позволяющих надежно контролировать параметры процесса перемагничивания и формируемого вихревого состояния.

Целью диссертационной работы является исследование особенностей процессов перемагничивания, магнитных конфигураций и магниторезистивных свойств наноразмерных дисков при упорядочении их в плотноупакованные структуры.

Основные задачи работы

3. Экспериментально исследовать влияние симметрии массива на процессы перемагничивания дисков.

Научная новизна работы

Практическая значимость работы

На основе структуры типа «диск на диске» могут быть созданы ячейки магниторезистивной памяти с четырьмя устойчивыми состояниями. Это позволяет хранить в одной ячейке два бита информации и увеличить плотность ее записи. Результаты, полученные при исследовании влияния размера и симметрии массива на процессы перемагничивания дисков, могут представлять практическую ценность при проектировании магниторезистивной памяти, а также массивов спиновых осцилляторов.

На защиту выносятся следующие результаты:

2. Размер и симметрия массива оказывают влияние на поведение критических полей перемагничивания дисков.

3. В структуре «диск на диске» в большом диске реализуется магнитный вихрь, тогда как в маленьком диске возможно формирование как устойчивого вихревого, так и однодоменного состояния.

4. В структуре «диск на диске» возможны четыре устойчивые магнитные конфигурации, которые можно задать ориентацией внешнего магнитного поля в процессе перемагничивания

Личное участие автора в получении результатов состоит в следующем:

- формирование шаблонов наноструктур методом электронно-лучевой литографии; -осаждение поликристаллических пленок Со и Ni80Fe2o методом магнетронного распыления;

измерение петель магнитного гистерезиса наноструктур методом магнитооптического эффекта Керра;

- расчет магнитосопротивления на основе результатов микромагнитного моделирования.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2009, 2010, 2011, 2012); The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9 (Владивосток, 2010); Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2011); IEEE International Magnetics Conference,

Intermag 2012 (Ванкувер, 2012); Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2012 (Парма, 2012); IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2013 (Детройт, 2013).

В первой главе приведен литературный обзор. Литературный обзор разбит на четыре параграфа. В первом параграфе рассмотрены основные магнитные энергии и критерии формирования в наноструктуре магнитного вихря. Второй параграф посвящен наноразмерным дискам с вихревой конфигурацией намагниченности. Рассмотрены механизмы перемагничивания диска под действием квазистатического и динамического возбуждения внешним магнитным полем. Подробно рассмотрены процессы зарождения перемещения, аннигиляции, прецессии и переключения полярности ядра магнитного вихря. В третьем параграфе рассмотрено влияние магнитостатического взаимодействия между дисками, упорядоченными в вертикальные и горизонтальные структуры, на процессы перемагничивания и магнитные состояния. В четвертой главе рассмотрены обобщенные способы контроля параметров магнитного вихря в диске предложенные на сегодняшний день.

Во второй главе описаны методы получения магнитных наноструктур с помощью последовательности процедур электронно-лучевой литографии, нанесение пленки методом магнетронного распыления и процедуры lift-off. Описаны методы исследования магнитных свойств наноструктур с помощью магнетометра на основе магнитооптического эффекта Керра, магнитно-силовой микроскопии и автоматизированного комплекса "AutoMagTrans" по измерению магнитосопротивления. Описаны особенности реализации микромагнитного моделирования в программном пакете OOMMF [21].

В третьей главе приведено экспериментальное исследование и аналитическая оценка влияния размера массива на процессы перемагничивания дисков с вихревой магнитной конфигурацией. Исследовано влияние симметрии массива на угловые зависимости критических полей перемагничивания дисков.

В четвертой главе экспериментально и методами микромагнитного моделирования исследованы особенности магнитной структуры и процессов перемагничивания объекта «диск на диске». Приведено экспериментальное доказательство возможности контроля параметров вихря направлением внешнего магнитного поля. Подтверждено, что однодоменное состояние является метастабильным для малого диска. Исследованы магниторезистивные свойства структуры «диск на диске».

Основные результаты диссертационной работы выделены в виде итогового заключения.

Глава 1. Обзор литературы

В данной главе приведен обзор литературы посвященной ферромагнитным наноразмерным дискам. Представлены результаты исследования характерных магнитных конфигураций и основных механизмов контроля параметров намагниченности в дисках. Рассмотрено влияние магнитостатического взаимодействия между дисками на процессы перемагничивания.

1.1 Фундаментальные аспекты магнетизма

Исследуя магнитные состояния объекта или процессы перемагничивания, проходящие в нем, рассматривают систему элементарных взаимодействующих магнитных моментов. Каждому элементу объема ферромагнетика соответствует постоянный магнитный момент рт, величина которого зависит от материала. Ориентация магнитного момента в каждой точке описывается функцией распределения M(x,y,z). Задача определения устойчивой конфигурации сводится к определению направления магнитных моментов в каждой точке, при которых свободная энергия системы минимальна. Магнитная энергия ферромагнетика зависит от следующих слагаемых.

1.1.1 Магнитные энергии

а) Энергия обменного взаимодействия

Взаимодействие тождественных частиц в квантовой механике, приводит к зависимости значения энергии системы от перекрытия волновых функций, при ненулевом значении полного спина. В случае непосредственного перекрытия двух волновых функций говорят о прямом обмене. Энергия обменного взаимодействия пропорциональна скалярному произведению операторов спинов sx и s2

Л /V

Еех = —27]25'15'2,

где J12 — обменный интеграл. Обменное взаимодействие является короткодействующим и проявляется только между соседними атомами. Величина

энергии этого взаимодействия минимальна при параллельном упорядочении спинов и максимальна при антипараллельном. Величина энергии обменного

б) Энергия магнитостатического взаимодействия

Магнитостатическая энергия также зависит от взаимной ориентации магнитных моментов, но в отличие от обменной энергии принимает минимальное значение при антипараллельном упорядочение двух соседних магнитных моментов и максимальное при параллельном [22]. Энергия взаимодействия двух магнитных моментов:

где |10 - магнитная проницаемость в вакууме, г - вектор, соединяющий взаимодейст