Магнитосопротивление и особенности электронного транспорта в никелевых наноконтактах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

004603735

На правах рукописи

Гатиятов Руслан Гумарович

Магнитосопротивление и особенности электронного транспорта в никелевых наноконтактах

01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 О ИЮН 2010

Казань - 2010

004603735

Работа выполнена в лаборатории физики и химии поверхности Учреждения Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится <•< №

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Бухараев Анастас Ахметович доктор физико-математических наук, профессор Тагиров Ленар Рафгатович

доктор физико-математических наук, профессор Матухин Вадим Леонидович Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН

2010 г. в 14^ часов на заседании

диссертационного совета Д 002.191.01 при Учреждении Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН, расположенном по адресу: 420029, Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7.

Отзывы на автореферат (два заверенных экземпляра) просим отправить по адресу: 420029, Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН.

Автореферат разослан <-< $ * 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Шакирзянов М.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Сравнительно недавно в физике магнетизма появилась новая обширная ветвь исследований, посвященная изучению магнитных свойств наноразмерных объектов. Интерес к ним, с одной стороны, стимулируется существенным прогрессом экспериментальных методов создания наноструктур и способов их характеризации, а с другой стороны - возможностью использования магнитных наноструктур в прикладных целях в устройствах хранения и обработки информации или в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров.

В последнее десятилетие повышенный интерес стали проявлять к изучению электронного транспорта в ферромагнитных наноконтактах (НК) с поперечным размером от нескольких ангстрем до десятков нанометров. В таких контактах разными экспериментальными группами было зарегистрировано аномально большое изменение сопротивления при наложении магнитного поля величиной всего в 100 -г 200 Э. В ряде работ величина магнито-сопротивления превышала 1000%. На базе этих исследований была создана теория баллистического магнитосопротивления (ВМС) [1, 2], которая не только объясняла величину обнаруженного эффекта магнитосопротивления, но и предсказывала его размерную зависимость.

В течение нескольких лет появилось большое количество публикаций экспериментальных и теоретических исследований эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) в НК различных магнетиков. Экспериментальные исследования различных авторов показали, что во многих случаях при использовании близких методик формирования НК получаются сильно отличающиеся результаты. Их теоретическая интерпретация также часто не совпадает. Несмотря на достаточно большое количество экспериментальных данных об эффекте ГМС в НК магнетиков, на сегодняшний день во многих случаях не

удается установить реальный механизм ГМС. Конкуренция между структурными, магнитными и электрическими свойствами НК значительно усложняет как получение воспроизводимых результатов, так и их правильную интерпретацию. Влияние магнитомеханических эффектов на электронный транспорт является главной проблемой при интерпретации результатов, несмотря на то, что предпринимаются попытки их минимизации. Дополнительные исследования в этой области помогут разобраться в имеющихся противоречиях и неоднозначности в интерпретации экспериментальных результатов.

При изучении электронного транспорта в НК металлов очень важной задачей является исследование специфики нагрева приконтактной области протекающим током. В НК металлов, в силу малости их размера, возможна реализация баллистического режима транспорта электронов как при низких температурах, так и при температурах существенно выше комнатной. В ряде экспериментальных работ было показано, что протекание тока через НК с баллистическим режимом транспорта электронов сопровождается их нагревом [3, 4]. Согласно теоретическим исследованиям нагрев может осуществляться либо косвенным образом за счет диффузии тепла из прилегающих к контакту областей, где происходит релаксация энергии электронов [5], либо непосредственно в контакте за счет неупругого рассеивания электронов на атомах или дефектах [6]. Результаты экспериментальных исследований нагрева баллистических НК на данный момент не дают однозначного ответа на то, в каком случае будет преобладать конкретный из этих механизмов, что подчеркивает актуальность исследований в этом направлении.

Цель диссертационной работы заключалась в исследовании влияния магнитного поля, а также нагрева приконтактной области протекающим током на электронный транспорт в наноконтактах №.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Создание установки для in-situ проведения экспериментов по формированию НК металлов различными методами и изучения протекания через них тока при наличии внешнего магнитного поля заданной величины.

2. Экспериментальное исследование магнитосопротивления НК Ni, изготовленных электрохимическим методом.

3. Изучение эффектов, обусловленных нагревом НК металлов протекающим током.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведены высокопрсцизионные измерения магнитострикционных смещений в микропроволоках Ni с рекордной точностью в2нм.

2. Впервые экспериментально зарегистрирован и исследован локальный магнитный фазовый переход в приконтактной области баллистических наноконтактов на примере Ni.

3. Создана теория, учитывающая релаксационные процессы в приконтактной области и описывающая особенности нагрева до температуры магнитного фазового перехода баллистических наноконтактов магнетиков.

4. Найдено значение произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов для Ni, которое позволяет оценить длины свободного пробега при рассеянии электронов на примесях, фоноиах и магнонах при различных температурах.

5. Впервые экспериментально зарегистрирован переход от баллистического режима транспорта электронов к диффузному при температуре магнитного упорядочения при изменении размера наноконтактов Ni.

Научная и практическая значимость:

1. Экспериментально достигнутая точность измерения магнитострикционных смещений в микропроволоках Ni с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ) открывает возможность прецизионного исследования магнитострикции в различных магнитных материалах.

5

2. Метод электрохимического анализа для контроля состава рабочего электролита в процессе роста наноконтакта и определения оптимальных режимов получения наноконтактов позволяет улучшить качество нано-контактов, изготовляемых электрохимическим методом.

3. Проведенные исследования влияния нагрева наноконтактов магнетиков на электронный транспорт в них имеют важное значение с прикладной точки зрения, т.к. они устанавливают связь между характером нагрева и режимом электронного транспорта. Экспериментально обнаруженное уменьшение нагрева приконтактной области (для одной и той же разности потенциалов) при переходе в баллистический режим транспорта электронов свидетельствует о важности уменьшения размера устройств, основанных на протекании тока высокой плотности.

Достоверность результатов работы определяется использованием современного оборудования для регистрации ВАХ, проводимости и магнито-сопротивления исследуемых образцов, использованием различных методик изготовления наноконтактов, а также анализом полученных результатов на основании имеющихся теоретических моделей.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. С помощью атомно-силового микроскопа, изготовленного из немагнитных материалов и совмещенного с электромагнитом, возможно измерение индуцированных магнитным полем изменений размеров образцов вследствие магнитострикции с точностью в 2нм.

2. Подавление магнитострикционных смещений электродов, между которыми электрохимическим методом формируются наноконтакты, позволяет в отдельных случаях сформировать наноконтакты N1 с ГМС величиной до 210%.

3. В приконтактной области баллистических наноконтактов N1 происходит фазовый переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние

вследствие нагрева протекающим током выше температуры магнитного упорядочения.

4. Теоретическое описание экспериментально зарегистрированного возрастания величины напряжения, необходимого для нагрева приконтактной области до температуры магнитного фазового перехода, при уменьшении размера баллистических нанокоптактов.

5. Величина произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов может быть найдена при исследовании перехода от баллистического режима транспорта электронов к диффузному в наноконтактах металлов.

Личный вклад автора:

1. Создание компьютеризованной экспериментальной установки для формирования наноконтактов металлов различными методами и ш-в^и измерения вольтамперных характеристик, проводимости и кривых магни-тосопротивления.

2. Изготовление наноконтактов металлов различными методами и регистрация их магнитосопротивления, проводимости и ВАХ.

3. Регистрация магнитострикционных смещений в образцах с использованием атомно-силового микроскопа.

4. Равнозначный вклад в разработку теоретической модели, описывающей особенности нагрева до температуры фазового перехода в баллистических наноконтактах №.

5. Обработка, анализ и интерпретация полученных экспериментальных результатов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: X, XII и XIV Международный симпозиум «Нанофизика и ианоэлектроника» (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2010), конференция Молодых ученых Казанского физико-технического института им.

E.K. Завойского КазНЦ РАН (Казань, 2006), Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (Kazan, Russia, 2007), Moscow International Symposium on Magnetism, MISM-2008 (Moscow, Russia, 2008), International Symposium "Spin waves 2009" (Saint Petersburg, Russia, 2009).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них 6 статей - в рецензируемых журналах [AI, А2, A3, A4, А5, А6], включенных в перечень ВАК, 4 статьи - в сборниках трудов конференций и 3 - в сборниках тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторской литературы и списка цитируемой литературы, содержащего 100 наименований. Работа изложена на 114 страницах, включая 32 рисунка и список условных обозначений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследования, показана научная и практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе приведен обзор представленных в литературе теоретических и экспериментальных исследований нескольких последних десятилетий по изучению влияния магнитного поля, нагрева приконтактной области протекающим током, а также размера контакта на электронный транспорт в наноконтактах металлов. Рассмотрены режимы электронного транспорта в наноконтактах и теоретические модели, описывающие проводимость контактов в различных режимах. Дано описание теории эффекта баллистического магнитосопротивления и баллистического анизотропного магнитосопротивле-ния в наноконтактах магнетиков. Приведен подробный обзор представленных

в литературе экспериментальных данных по изучению эффекта гигантского магнитосопротивления в наноконтактах, изготовленных различными методами, а также нагрева наноконтактов протекающим током.

Во второй главе приводится описание созданной экспериментальной установки, которая использовалась как для формирования наноконтактов различных металлов, так и для изучения протекания тока в них при наличии магнитного поля заданной величины. Дается описание экспериментальных методик формирования наноконтактов металлов, методики измерения магнитострикционных смещений в образцах с использованием сканирующего зондового микроскопа, а также процедуры подготовки рабочих электролитов, применяемых при изготовлении наноконтактов электрохимическим методом.

В третьей главе представлены оригинальные экспериментальные результаты по изучению магнитосопротивления наноконтактов N1, изготовленных электрохимическим мегодом. Приведены исследования влияния магнитострикционных смещений в контактирующих проводниках на магнитосопротивления наноконтактов. Продемонстрировано применение метода электрохимического анализа для контроля состава рабочего электролита в процессе роста наноконтакта и определения оптимальных режимов получения наноконтактов электрохимическим методом.

Наноконтакты N1 формировались электрохимическим методом в трех различных структурах. В первом случае формирование НК осуществлялось между двумя никелевыми микропроволоками диаметром около 120 мкм. Длина незакрепленных концов микропроволок составляла 0.2 -г 1 мм. При этом использовались две различные геометрии. В первом случае одна из микропроволок располагалась перпендикулярно второй (Т-образная геометрия), во втором случае микропроволоки фиксировались на подложке напротив друг друга (параллельная геометрия). Второй тип заготовок представлял собой две жестко закрепленные на подложке микропроволоки, для которых длина

свободного конца не превышала 100 мкм. Третий тип структур представлял собой две пленки N1, электроосажденные иа Си, Аи или N1 пленки, жестко закрепленные относительно подложки.

На рис. 1 приведены зарегистрированные кривые магнитосопротивления наноконтактов N1, полученных в вышеописанных структурах. Для образцов первого типа при наложении магнитного поля сопротивление контактов резко возрастает и в полях около 300Э выходит на плато (рис. 1а,б). Прямая и обратная ветки кривых магнитосопротивления не совпадают (имеется небольшой гистерезис). Максимальная величина магнитосопротивления для таких контактов, рассчитанная по формуле МЯ = (Я{Н) — Я(0))/Я(0) • 100%, составила 925% (сопротивление Я изменялось от 80м до 820м (рис. 1а), т.е. наноконтакт обладал положительным магнитосопротивлением, величина которого составила 925%).

В образцах первого типа изменение сопротивления может быть связано с изменением размера контакта при смещении относительно друг друга контактирующих проводников вследствие магиитострикции [7]. В образцах второго типа были предприняты попытки минимизации вклада магнитострик-ционных смещений. Для этого исходные микропроволоки фиксировались на подложке эпоксидной смолой или оловянным припоем таким образом, чтобы длина свободного конца составляла не более 100 мкм. Для наноконтактов N1, сформированных в образцах второго типа, также были зарегистрированы кривые магнитосопротивления. Величина магнитосопротивления не превышала 50%. При этом было обнаружено два типа кривых магнитосопротивления, которые представлены на рис. 1в,г. Для части образцов при увеличении магнитного поля происходило увеличение сопротивления с последующим выходом на плато (рис. 1в). Прямая и обратная ветки кривых магнитосопротивления не совпадают (имеется гистерезис). Для некоторых образцов увеличение магнитного поля сопровождалось сначала возрастанием сопротивле-

-600 -зоо о зоо боо НО)

(а)

-600 -300 О 300 600

н(э) (б)

3

о и,

850 800 ■

1 1 г

н (э) н (э) н (э)

(д) (е) (ж)

Рис. 1. Кривые магнитосопротивления для наноконтактов №, сформированных в различных структурах: (а), (6) - между двумя микропроволоками № длиной около 1мм в Т-образной (а) и параллельной (6) геометриях, (в), (г) - между микропроволоками N1 длиной не более 100мкм, (д), (е), (ж) - в зазоре между двумя пленками N1, электрооса-жденными на Си площадками

ния с последующим резким (ступенчатым) возвратом к начальному значению (рис. 1г).

Третий тип структур, в которых вклад магнитострикции минимален, представлял собой разделенные непроводящим зазором в 2 -г 30 мкм пленки N1 толщиной 15 — 25 мкм, электроосаждениые на медные площадки. С

использованием видоизмененной нами схемы формирования контактов атомарных размеров в подобных структурах удалось получить контакты атомарного размера с квантованной проводимостью. В таких наноконтактах в ряде случаев было зарегистрировано сильное изменение сопротивления при наложении магнитного поля. На рис. 1д,е,ж приведены полные циклы кривых магиитосопротивления для наноконтактов N1 различных размеров с проводимостью, соответствующей всего нескольким квантам проводимости во, сформированных в структурах третьего типа. При увеличении магнитного поля происходит возрастание сопротивления контакта, которое затем резко уменьшается до исходного значения. Прямая и обратная ветки не совпадают (имеется гистерезис). Максимальная величина магиитосопротивления составила 210% для контакта с проводимостью 4е2/к (рис. 1д), что соответствует размеру контакта в 0.6 нм. Однако воспроизводимость получения наноконтактов с ГМС была очень низкой.

В образцах первого типа изменение сопротивления наноконтактов при наложении магнитного поля может быть связано со смещением относительно друг друга контактирующих электродов вследствие магнитострикции. Для регистрации магнитострикционных смещений контактирующих электродов в данной работе использовался специально изготовленный из немагнитных материалов атомно-силовой микроскоп Бшепа В (фирма НТ-МДТ), обладающий высоким пространственным разрешением - около 1 нм, который был совмещен с электромагнитом.

В качестве образцов использовались разрезанная приблизительно пополам микропроволока N5 диаметром 120 мкм, закрепленная оловянным припоем к неконтактирующим между собой медным площадкам, и пленки N4 толщиной от 40 до 350 нм, разделенные непроводящим зазором шириной около 20 мкм, которые были получены методом электрохимического осаждения на медную подложку или методом термического испарения в вакууме на по-

верхность кристалла MgO.

о

о m

о -г

о 10 20 30 40 1IM

0.....10.....20 '30 ""40

нм

0 100 200 300 400 500

(а)

(б)

Рис. 2. (а) - АСМ изображение участка поверхности, полученное на краю микропроволоки Ni длиной около 100 мкм с периодическим включением и выключением магнитного поля в 50 Э; (б) - профили поверхностей АСМ изображения {АВ - в отсутствии поля, CD - после включения магнитного поля); (в) - экспериментальные значения коэффициента магнитострикции, полученные для разных значений приложенного магнитного поля (точки), и зависимость коэффициента магнитострикции от поля (сплошная линия) по данным [8]

За счет взаимной стабилизации образца и кантилевера АСМ удалось достичь рекордной точности в измерении магнитострикционных смещений, величина которых составила всего 2 нм. Ранее с использованием данной методики минимальная величина смещений, которые удавалось зарегистрировать, составляла 50 нм [9].

На рис. 2а приведено изображение поверхности образца, к которому периодически прикладывалось внешнее магнитное поле. При изменении поля происходил сдвиг образца относительно кантилевера АСМ, который отражался на АСМ изображении в виде характерного смещения изображения поверхности вдоль направления изменения поля (рис. 26). Находя усредненное значение смещений для разных значений магнитного поля и зная длину незакрепленной припоем части микропроволоки, получили полевую зависимость коэффициента магнитострикции микропроволоки Ni (рис. 2в). Полученные нами экспериментальные значения хорошо совпадают с известной зависимостью коэффициента магнитострикции никеля от магнитного поля [8], приведенной

в виде сплошной линии также на рис. 2в. Это означает, что в наноконтактах, сформированных в образцах первого типа, при увеличении магнитного поля от 0 до 70 Э величина смещений может составить 30 нм (при длине свободного конца порядка 1мм), что может существенно отразиться на величине сопротивления НК.

На образцах второго типа смещения края пленок при изменении магнитного поля от 0 до 500 Э не наблюдались. Если смещение и было, то оно не превышало величины предельной чувствительности нашей установки, составляющей 2нм. Отсутствие смещений мы связываем с высокой адгезией пленок к поверхности подложки и их малой толщиной. Из этого следует, что в таких структурах влияние магнитострикционных смещений на величину магнитосопротивления НК будет минимальным.

Одной из возможных причин отсутствия эффекта ГМС в наноконтактах №, сформированных в структурах третьего типа, может быть формирование немагнитного контакта вследствие неконтролируемого попадания ионов меди в рабочий электролит в процессе электролиза. Проведенные электрохимические исследования подтвердили этот довод, а также позволили подобрать оптимальные режимы формирования беспримесных наноконтактов №. Именно эти режимы использовались в дальнейшем для получения наноконтактов №.

Анализ формы зарегистрированных кривых магнитосопротивления позволил установить, что для наноконтактов N1, сформированных между двумя электродами, в которых возможны магнитострикциоштые смещения, магни-тосопротивление обязано изменению поперечного сечения контакта, что подтвердило ранее сделанные выводы ряда авторов [7]. Максимально жесткая фиксация никелевых электродов к подложке позволяет в значительной степени подавить магнитострикционные смещения и вызванное ими изменение сопротивления наноконтактов. В этом случае удается сформировать баллистические наноконтакты с квантованной проводимостью, в которых в отдельных

случаях удалось зарегистрировать ГМС величиной до 210%. Форма кривых магнитосопротивления и знак магнитосопротивления таких наноконтактов могут быть описаны в рамках теории баллистического магнитосопротивления. Однако при электрохимическом методе формирования наноконтактов трудно контролировать форму и микрокристаллическую структуру контактирующих электродов. Этим может быть обусловлена плохая воспроизводимость получения наноконтактов с ВМС. Скорее всего, в большинстве образцов в наноконтакте не формируется доменная стенка, поэтому их сопротивление не зависит от магнитного поля.

Результаты третьей главы опубликованы в работах [А1, А2, АЗ, А4].

В четвертой главе представлены оригинальные экспериментальные и теоретические результаты исследований влияния нагрева наноконтактов магнетиков протекающим током на электронный транспорт в них. Изучение магнитного фазового перехода вблизи наноконтактов N1 позволило выявить особенности нагрева приконтактной области в случае баллистического режима транспорта электронов, а также экспериментально обнаружить переход от баллистического режима транспорта электронов к диффузному.

Нагрев приконтактной области протекающим током должен приводить к нелинейной проводимости НК, исследование которой позволило выявить особенности электронного транспорта в наноконтактах №.

Для сформированных электрохимическим методом НК N1 с различным сопротивлением (13 -г 400 Ом) были зарегистрированы ВАХ. По нашим оценкам, поперечный размер наноконтактов лежал в диапазоне с? = 1.5 -г 12 нм. На рис. 3 представлены зарегистрированные ВАХ и зависимости сопротивления Я = 1//1 и производной сопротивления по напряжению ¿Д/<#У нанокон-такта N1 от величины приложенной разности потенциалов II. Производная сопротивления по напряжению сШ/«#7 находилась путем численного дифференцирования экспериментальной зависимости Л(и). Установлено, что ВАХ

наноконтактов N1 нелинейные. С увеличением приложенного напряжения сопротивление НК возрастает. Более того, на зависимостях производной сопротивления по напряжению НК N1 имеется максимум при [/ = {/с и симметрично расположенный минимум при V = —11с (рис. За). При исследовании зависимостей <1К/(Ш от и для наноконтактов № различных размеров было обнаружено, что положение максимума (минимума) зависит от размера контакта (рис. 36). При увеличении сопротивления НК (с уменьшением его диаметра) величина Щ немонотонно возрастает.

0.8

2

< 1

Й 0 « -1

Б500 о 400

300

___

-0.5 0.0 0.5

и (В)

(а)

1.0

500 и

н

о 3

-500> -о

о эксперимент — фнттинг

0 100 200 300 400 500 600

Кс (Ом)

(б)

Рис. 3. (а) - ВАХ и зависимости сопротивления Я = и/1 и производной сопротивления по напряжению ¿Я/йи наноконтактов М от величины приложенной разности потенциалов £/, (б) - зависимость положения максимума Ус на зависимостях <Ш1<Ю{и) от сопротивления Я(11с) наноконтактов №

На основании проведенных исследований было установлено, что увеличение сопротивления связано с уменьшением транспортной длины свободного пробега электронов вследствие нагрева протекающим током, а обнаруженный максимум (минимум) на зависимостях сШ/<Я/ от V с локальным фазовым переходом из ферромагнитного в парамагнитное состояние в приконтактной области.

Для объяснения полученной экспериментальной зависимости величины приложенного напряжения 1/с, необходимого для нагрева до точки фазово-

го перехода, была разработана теоретическая модель, учитывающая релаксационные процессы в приконтактной области для случая баллистического режима транспорта электронов. В этом режиме прошедшие через нанокон-такт электроны получают энергию, приблизительно равную е1/, где е - заряд электрона, а II - приложенное к контакту напряжение. Показано, что время энергетической релаксации для электронов с энергией, существенно превышающей энергию фононов с частотой Дебая и обменную энергию, линейно зависит от приложенной разности потенциалов. Это, в свою очередь, приводит к зависимости от энергии электронов размера области, в которой выделяется приложенная от источника напряжения мощность. Путем решения стационарного уравнения теплопроводности, была найдена связь величины ис и сопротивления контакта Лс при этом напряжении:

ис = Л4> (!)

где постоянная величина А определяется только характеристиками материала контактирующих проводников.

На основании сделанных оценок размера наноконтактов и длины свободного пробега было показано, что для наноконтактов с сопротивлением Яс, превосходящем 100 Ом, возможна реализация баллистического режима транспорта электронов даже при температуре магнитного фазового перехода. Это означает, что полученное соотношение (1) может быть применено для описания экспериментальной зависимости 1/с от Яс (рис. 36). На рис. 36 сплошной линией представлен результат фитинга методом наименьших квадратов экспериментальной зависимости 1/с от Не функцией 1/с = Путем фитинга были извлечены показатель степени а = 0.67 ± 0.02, величина которого очень хорошо согласуется с показателем степени в выражении (1), а также коэффициент А = (0.95 ± 0.12) • 10~2 В/Ом*. Видно, что степенной закон (1) хорошо описывает экспериментальную зависимость 11с от Не

17

в широком диапазоне сопротивлений НК. Оцененное значение величины А составляет 2.2 • М~2В/Омз, что по порядку величины совпадает с экспериментальным значением.

При увеличении размера наноконтакта возможен переход от баллистического режима транспорта электронов к диффузному. На рис. 4а представлены зависимости производной сопротивления наноконтактов N1 различного размера от величины приложенной разности потенциалов II. Видно, что при увеличении размера НК № (уменьшении сопротивления Не — Я(11с)) величина и с уменьшается и выходит на плато для Пс < 100 Ом (рис. 46).

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Яс' (Ом1) (б)

Рис. 4. (а) - зависимости производной сопротивления НК N1 различного размера от величины приложенной разности потенциалов и (цифрам соответствуют следующие значения сопротивления НК при пулевой разности потенциалов: 1 - 363 Ом, 2-254 Ом, 3-165 Ом, 4 - 100 Ом, 5 - 53 0м, 6 - 260м, 7 - 140м), (б) - зависимость напряжения 11с, необходимого для нагрева НК до критической температуры, от сопротивления НК при этом напряжении (сплошная линия - рассчитанная зависимость согласно уравнению (1), штриховая линия соответствует 11с = 0.21 В)

Для области сопротивлений Дс > 100 Ом реализуется баллистический режим транспорта электронов; при котором величина Не увеличивается при уменьшении размера контакта. В области Не < 100 Ом в пределах разброса экспериментальных значений величина II,с перестает зависеть от размера

контакта (рис. 46), что хорошо согласуется с представлениями о нагреве при-контактной области в диффузном режиме транспорта электронов.

На основании вышеизложенного был сделан вывод о том, что экспериментальные данные (рис. 46) свидетельствуют о переходе от баллистического режима транспорта электронов в НК N1 к диффузному при температуре магнитного фазового перехода Тс.

На основании проведенных исследований была продемонстрирована важность учета уменьшения транспортной длины свободного пробега электронов вследствие нагрева НК при определении режима электронного транспорта через НК. Это уменьшение длины свободного пробега может привести к переходу от баллистического режима транспорта электронов к диффузному, вследствие чего величина напряжения, необходимая для нагрева НК до критической температуры, перестает зависеть от размера НК.

Из анализа экспериментальных данных (рис. 46) было найдено значение произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов для N1, которое составило С = 5 • Ю-16 Ом-м2.

Результаты четвертой главы опубликованы в работах [А5, А6]. В заключении сформулированы следующие выводы работы:

1. Высокопрецизиопные измерения магнитострикционных смещений в микропроволоках № с рекордной точностью в 2 нм и анализ кривых магни-тосопротивления подтвердили, что гигантское магнитосопротивление наноконтактов, изготовленных электрохимическим методом в зазоре между двумя микропроволоками №, связано с изменением поперечного размера контакта за счет эффекта магнитострикции (при условии отсутствия жесткого крепления микропроволоок к подложке).

2. Максимально жесткая фиксация никелевых электродов к подложке позволяет в значительной степени подавить магнитострикционные смещения и вызванное ими изменение сопротивления наноконтактов. В этом

случае удается сформировать баллистические нанокоптакты с квантованной проводимостью, в которых в отдельных случаях удалось зарегистрировать ГМС величиной до 210%.

3. Обнаруженная нелинейность ВАХ наноконтактов № связана с изменением транспортной длины свободного пробега электронов вследствие нагрева приконтактной области протекающим током. Нагрев может приводить к магнитному фазовому переходу вблизи контакта.

4. Теоретическое описание нагрева наноконтакта протекающим током, учитывающее релаксационные процессы в приконтактной области для электронов с энергией, существенно превышающей энергию фононов с частотой Дебая и обменную энергию, позволяет объяснить экспериментальную зависимость величины приложенного напряжения, необходимого для нагрева наноконтакта до точки фазового перехода, от сопротивления контакта при этом напряжении.

5. Теоретический анализ экспериментальных данных позволяет найти значение произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов для N1 и оценить длины свободного пробега при рассеянии электронов на примесях, фононах и магнонах при различных температурах.

6. Точка перехода от баллистического режима транспорта электронов к диффузному в наноконтактах может быть найдена из анализа экспериментальной зависимости величины приложенного напряжения, необходимого для нагрева наноконтактов различного размера до точки фазового перехода, от сопротивления контакта. При этом продемонстрирована важность учета уменьшения транспортной длины свободного пробега электронов вследствие нагрева приконтактной области.

Цитируемая литература

1. Conductance quantization and magnetoresistance in magnetic point contacts / H. Imamura, N. Kobayashi, S. Takahashi, S. Maekawa // Phys. Rev. Lett.— 2000. - V. 84, № 5. - P. 1003-1006.

2. Tagirov L. R. Giant magnetoresistance in quantum magnetic contacts / L. R. Tagirov, B. P. Vodopyanov, В. M. Garipov // J. Magn. Magn. Mater.— 2003. - V. 258-259. - P. 61-66.

3. Effective temperature of Au nanocontacts under high biases / M. Tsutsui, Y.-K. Taninouchi, S. Kurokawa, A. Sakai // Jpn. J. Appl. Phys.- 2005,-V. 44, JV® 7A. — P. 5188-5190.

4. Tsutsui M. Bias-induced local heating in au atom-sized contacts / M. Tsutsui, S. Kurokawa, A. Sakai // Nanotechnol. - 2006. - V. 17. - P. 5334-5338.

5. Rokni M. Joule heat in point contacts / M. Rokni, Y. Levinson // Phys. Rev. B. - 1995. - V. 52, № 3. - P. 1882-1889.

6. Todorov T. N. Local heating in ballistic atomic-scale contacts / T. N. Todor-ov // Phil. Mag. - 1998. - V. 77, № 4. - P. 965-973.

7. Artifacts in ballistic magnetoresistance measurements (invited) / J. W. F. Egelhoff, L. Gan, H. Ettedgui et al. // J. Appl. Phys. - 2004.- V. 95, № 11.-P. 7554-7559.

8. Вонсовский С. В. Магнетизм / С. В. Вонсовский. — М.: Наука, 1971. — 1032 с.

9. Magnetostriction measurements with atomic force microscopy: A novel approach / A. Papageorgopoulos, H, Wang, C. Guerrero, N. Garcia //J. Magn. Magn. Mater. - 2004,- V. 268,- P. 198-204.

Список публикаций

А1. Гигантское магпитосопротивление никелевых наноконтактов, полученных электрохимическим методом / П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. А. Бизяев, Р. Г. Гатиятов // Поверхность. Рентгеновские, синхро-тронные и нейтронные исследования. — 2006. — Т. 2. — С. 24-28.

А2. Высокопрецизионные измерения магнитострикции в никелевых структурах с помощью атомно-силового микроскопа / Р. Г. Гатиятов, П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. А. Бизяев // Ученые записки Казанского государственного университета. Серия: Физико-математические науки. - 2006. - Т. 148, № 1. - С. 109-115.

A3. Прецизионные измерения магнитострикции в никелевых структурах, используемых для получения магниторезистивных наноконтактов / Р. Г. Гатиятов, П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. А. Бизяев // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32, № 19. - С. 72-78.

А4. Гатиятов Р. Г. Магпитосопротивление электрохимически изготовленных никелевых наноконтактов с квантованной проводимостью / Р. Г. Гатиятов, С. А. Зиганшина, А. А. Бухараев // Письма в ЖЭТФ. — 2007. — Т. 86, № 6. - С. 470-474.

А5. Gatiyatov R. G. Current-induced phase transition in ballistic Ni nanocon-tacts / R. G. Gatiyatov, V. N. Lisin, A. A. Bukharaev // Appl. Phys. Lett. — 2010. - V. 96. - P. 093108.

A6. Гатиятов P. Г. Баллистический и диффузный режимы транспорта электронов в наноконтактах магнетиков / Р. Г. Гатиятов, В. Н. Лисин, А. А. Бухараев // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - Т. 91, № 8. - С. 461-463.

А7. Магнитомеханические эффекты и магнитосопротивление никелевых наноструктур / Р. Г. Гатиятов, П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. А. Бизяев // Сборник трудов X международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород. — 2006. — Т. 2. — С. 259-260.

А8. ACM измерения магнитострикции в никелевых структурах / Р. Г. Гати-ятов, П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. А. Бизяев // Сборник трудов конференции Молодых ученых КФТИ КазНЦ РАН, Казань. — 2006. — С. 16-21.

А9. Gatiyatov R. G. Magnetoresistance of electrodeposited Ni point contacts with quantized conductance / R. G. Gatiyatov, S. A. Ziganshina, A. A. Bukharaev // Abstract book of Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale", Kazan, Russia. — 2007. — P. 45.

A10. Гатиятов P. Г. Гигантское магнитосопротивление в ферромагнитных на-ноконтактах с квантованной проводимостью / Р. Г. Гатиятов, С. А. Зи-ганшина, А. А. Бухараев // Сборник трудов XII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород. — 2008.-Т. 1.-С. 100-103.

All. Gatiyatov R. G. Giant magnetoresistance of Ni nanocontacts / R. G. Gatiyatov, A. A. Bukharaev, S. A. Ziganshina // Book of Abstracts of Moscow International Symposium on Magnetism, MISM-2008, Moscow, Russia. — 2008. - P. 324-325.

A12. Gatiyatov R. G. Volt-ampere characteristics of magnetic nickel nanocontacts under high-density currents / R. G. Gatiyatov, A. A. Bukharaev // Abstracts Book International Symposium "Spin waves 2009", Saint Petersburg, Russia. - 2009. - P. 19.

A13. Гатиятов P. Г. Исследование нелинейной проводимости наноконтактов Ni и Си при комнатной температуре / Р. Г. Гатиятов, В. Н. Лисин, А. А. Бухараев // Сборник трудов XIV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород. — 2010. — Т. 1. — С. 152-153.

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 1/16, оф.207

Тел: 272-74-59, 541-76-41, 541-76-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г Выдана Поволжским межрегиональны» территориальным управлением МПТРРФ. Подписано в печать 11.05.2010 г. Печ.л. 1,0 Заказ МК-6884. Тираж 120 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать -ризография.

Список условных обозначений

Введение

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Методы изготовления наноконтактов металлов

1.2. Режимы электронного транспорта.

1.3. Сопротивление наноконтактов.

1.4. Эффекты гигантского магнитосопротивления в наноконтактах магнетиков.

1.5. Доменная стенка в наносужении.

1.6. Экспериментальные исследования эффекта ГМС в наноконтактах магнетиков.

1.7. Нагрев наноконтактов протекающим током .

Глава 2. Методика и техника эксперимента.

2.1. Описание экспериментальной установки и программного обеспечения для управления экспериментом.

2.2. Методика электрохимического формирования наноконтактов металлов.

2.3. Методика формирования наноконтактов металлов между проводящей подложкой и иглой туннельного микроскопа.

2.4. Методика измерения магнитострикционных смещений с помощью атомно-силового микроскопа.

2.5. Подготовка рабочих электролитов.

Глава 3. Влияние магнитного поля на электронный транспорт в наноконтактах N1.

3.1. Экспериментальное исследование магнитосопротивления нано-контактов N1, изготовленных электрохимическим методом

3.2. Исследование влияния магнитострикционных смещений на величину магнитосопротивления наноконтактов.

3.3. Электрохимические исследования процесса формирования наноконтактов

3.4. Природа магнитосопротивления наноконтактов N

3.5. Выводы к главе.

Глава 4. Нагрев баллистических наноконтактов магнетиков

4.1. Экспериментальное обнаружение проявления магнитного фазового перехода в баллистических наноконтактах N1.

4.2. Влияние нагрева приконтактной области на электронный транспорт в баллистических наноконтактах.

4.3. Сравнение теории и эксперимента.

4.4. Режимы электронного транспорта в наноконтактах магнетиков

4.5. Оценки транспортной длины свободного пробега и диаметров наноконтактов

4.6. Выводы к главе.

Актуальность работы. Сравнительно недавно в физике магнетизма появилась новая обширная ветвь исследований, посвященная изучению магнитных свойств наноразмерных объектов. Интерес к ним, с одной стороны, стимулируется существенным прогрессом экспериментальных методов создания наноструктур и способов их характеризации, а с другой стороны - возможностью использования магнитных наноструктур в прикладных целях в устройствах хранения и обработки информации или в качестве высокочувствительных магнитных сенсоров.

В последнее десятилетие повышенный интерес стали проявлять к изучению электронного транспорта в ферромагнитных наноконтактах (НК) с поперечным размером от нескольких ангстрем до десятков нанометров. В таких контактах разными экспериментальными группами было зарегистрировано аномально большое изменение сопротивления при наложении магнитного поля величиной всего в 100 -т- 200 Э. В ряде работ величина магнито-сопротивления превышала 1000%. На базе этих исследований была создана теория баллистического магнитосопротивления (ВМС) [1, 2], которая не только объясняла величину обнаруженного эффекта магнитосопротивления, но и предсказывала его размерную зависимость.

В течение нескольких лет появилось большое количество публикаций экспериментальных и теоретических исследований эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) в НК различных магнетиков. Экспериментальные исследования различных авторов показали, что во многих случаях при использовании близких методик формирования НК получаются сильно отличающиеся результаты. Их теоретическая интерпретация также часто не совпадает. Несмотря на достаточно большое количество экспериментальных данных об эффекте ГМС в НК магнетиков, на сегодняшний день во многих случаях не удается установить реальный механизм ГМС. Конкуренция между структурными, магнитными и электрическими свойствами НК значительно усложняет как получение воспроизводимых результатов, так и их правильную интерпретацию. Влияние магнитомеханических эффектов на электронный транспорт является главной проблемой при интерпретации результатов, несмотря на то, что предпринимаются попытки их минимизации. Дополнительные исследования в этой области помогут разобраться в имеющихся противоречиях и неоднозначности в интерпретации экспериментальных результатов.

При изучении электронного транспорта в НК металлов очень важной задачей является исследование специфики нагрева приконтактной области протекающим током. В НК металлов, в силу малости их размера, возможна реализация баллистического режима транспорта электронов как при низких температурах, так и при температурах существенно выше комнатной. В ряде экспериментальных работ было показано, что протекание тока через НК с баллистическим режимом транспорта электронов сопровождается их нагревом [3, 4]. Согласно теоретическим исследованиям нагрев может осуществляться либо косвенным образом за счет диффузии тепла из прилегающих к контакту областей, где происходит релаксация энергии электронов [5], либо непосредственно в контакте за счет неупругого рассеивания электронов на атомах или дефектах [6]. Результаты экспериментальных исследований нагрева баллистических НК на данный момент не дают однозначного ответа на то, в каком случае будет преобладать конкретный из этих механизмов, что подчеркивает актуальность исследований в этом направлении.

Цель диссертационной работы заключалась в исследовании влияния магнитного поля, а также нагрева приконтактной области протекающим током на электронный транспорт в наиоконтактах N1.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Создание установки для in-situ проведения экспериментов по формированию НК металлов различными методами и изучения протекания через них тока при наличии внешнего магнитного поля заданной величины.

2. Экспериментальное исследование магнитосопротивления НК Ni, изготовленных электрохимическим методом.

3. Изучение эффектов, обусловленных нагревом НК металлов протекающим током.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведены высокопрецизионные измерения магнитострикционных смещений в микропроволоках Ni с рекордной точностью в 2нм.

2. Впервые экспериментально зарегистрирован и исследован локальный магнитный фазовый переход в приконтактной области баллистических наноконтактов на примере Ni.

3. Создана теория, учитывающая релаксационные процессы в приконтактной области и описывающая особенности нагрева до температуры магнитного фазового перехода баллистических наноконтактов магнетиков.

4. Найдено значение произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов для Ni, которое позволяет оценить длины свободного пробега при рассеянии электронов на примесях, фононах и магнонах при различных температурах.

5. Впервые экспериментально зарегистрирован переход от баллистического режима транспорта электронов к диффузному при температуре магнитного упорядочения при изменении размера наноконтактов Ni.

Научная и практическая значимость:

1. Экспериментально достигнутая точность измерения магнитострикционных смещений в микропроволоках Ni с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ) открывает возможность прецизионного исследования магнитострикции в различных магнитных материалах. 7

2. Метод электрохимического анализа для контроля состава рабочего электролита в процессе роста нанокоитакта и определения оптимальных режимов получения наноконтактов позволяет улучшить качество наноконтактов, изготовляемых электрохимическим методом.

3. Проведенные исследования влияния нагрева наноконтактов магнетиков на электронный транспорт в них имеют важное значение с прикладной точки зрения, т.к. они устанавливают связь между характером нагрева и режимом электронного транспорта. Экспериментально обнаруженное уменьшение нагрева приконтактной области (для одной и той же разности потенциалов) при переходе в баллистический режим транспорта электронов свидетельствует о важности уменьшения размера устройств, основанных на протекании тока высокой плотности.

Достоверность результатов работы определяется использованием современного оборудования для регистрации В АХ, проводимости и магнито-сопротивления исследуемых образцов, использованием различных методик изготовления наноконтактов, а также анализом полученных результатов на основании имеющихся теоретических моделей.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. С помощью атомно-силового микроскопа, изготовленного из немагнитных материалов и совмещенного с электромагнитом, возможно измерение индуцированных магнитным полем изменений размеров образцов вследствие магнитострикции с точностью в 2нм.

2. Подавление магнитострикционных смещений электродов, между которыми электрохимическим методом формируются наноконтакты, позволяет в отдельных случаях сформировать наноконтакты N1 с ГМС величиной до 210%.

3. В приконтактной области баллистических наноконтактов N1 происходит фазовый переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние вследствие нагрева протекающим током выше температуры магнитного упорядочения.

4. Теоретическое описание экспериментально зарегистрированного возрастания величины напряжения, необходимого для нагрева приконтактной области до температуры магнитного фазового перехода, при уменьшении размера баллистических наноконтактов.

5. Величина произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов может быть найдена при исследовании перехода от баллистического режима транспорта электронов к диффузному в наноконтактах металлов.

Личный вклад автора:

1. Создание компьютеризованной экспериментальной установки для формирования наноконтактов металлов различными методами и т-в^и измерения вольтамперных характеристик, проводимости и кривых магни-тосопротивления.

2. Изготовление наноконтактов металлов различными методами и регистрация их магнитосопротивления, проводимости и ВАХ.

3. Регистрация магнитострикционных смещений в образцах с использованием атомно-силового микроскопа.

4. Равнозначный вклад в разработку теоретической модели, описывающей особенности нагрева до температуры фазового перехода в баллистических наноконтактах N1.

5. Обработка, анализ и интерпретация полученных экспериментальных результатов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: X, XII и XIV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2010), конференция Молодых ученых Казанского физико-технического института им. E.K. Завойского КазНЦ РАН (Казань, 2006), Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (Kazan, Russia, 2007), Moscow International Symposium on Magnetism, MISM-2008 (Moscow, Russia, 2008), International Symposium "Spin waves 2009" (Saint Petersburg, Russia, 2009).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, из них 6 статей - в рецензируемых журналах [AI, А2, A3, A4, А5, А6], включенных в перечень ВАК, 4 статьи - в сборниках трудов конференций и 3 - в сборниках тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторской литературы и списка цитируемой литературы, содержащего 100 наименований. Работа изложена на 114 страницах, включая 32 рисунка и список условных обозначений.

4.6. Выводы к главе

На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований нагрева НК протекающим током были получены следующие результаты:

1. Впервые экспериментально зарегистрирован и исследован локальный магнитный фазовый переход в приконтактной области баллистических наноконтактов N1 различного размера при нагреве протекающим током выше температуры магнитного упорядочения.

2. Разработана теоретическая модель, учитывающая влияние релаксационных процессов в приконтактной области на электронный транспорт, которая позволяет объяснить экспериментально зарегистрированное возрастание величины напряжения, необходимого для нагрева этой области до температуры фазового перехода, при уменьшении размера баллистических наноконтактов. Показано, что время энергетической релаксации для электронов с энергией существенно превышающей энергию фононов с частотой Дебая и обменную энергию линейно зависит от приложенной разности потенциалов.

3. Экспериментально обнаружен переход от баллистического режима транспорта электронов к диффузному при температуре фазового перехода в наноконтактах N1. Продемонстрирована важность учета уменьшения транспортной длины свободного пробега электронов вследствие нагрева приконтактной области при определении режима электронного транспорта в наноконтактах.

4. Показано, что величина произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов может быть найдена при исследовании перехода от баллистического режима транспорта электронов к диффузному в наноконтактах металлов.

Заключение

В настоящей работе изложены результаты исследования влияния магнитного поля, а также нагрева приконтактной области протекающим током на электронный транспорт в наноконтактах N1, изготовленных электрохимическим методом.

На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований были сделаны следующие выводы:

1. Высокопрецизионные измерения магнитострикционных смещений в микропроволоках N1 с рекордной точностью в 2нм и анализ кривых магнитосонротивления подтвердили, что гигантское магнитосопротив-ление наноконтактов, изготовленных электрохимическим методом в зазоре между двумя микропроволоками N1, связано с изменением поперечного размера контакта за счет эффекта магнитострикции (при условии отсутствия жесткого крепления микропроволок к подложке).

2. Максимально жесткая фиксация никелевых электродов к подложке позволяет в значительной степени подавить магнитострикционные смещения и вызванное ими изменение сопротивления наноконтактов. В этом случае удается сформировать баллистические наноконтакты с квантованной проводимостью, в которых в отдельных случаях удалось зарегистрировать ГМС величиной до 210%.

3. Обнаруженная нелинейность В АХ наноконтактов N1 связана с изменением транспортной длины свободного пробега электронов вследствие нагрева приконтактной области протекающим током. Нагрев может приводить к магнитному фазовому переходу вблизи контакта.

4. Теоретическое описание нагрева наноконтакта протекающим током, учитывающее релаксационные процессы в приконтактной области для электронов с энергией, существенно превышающей энергию фононов с частотой Дебая и обменную энергию, позволяет объяснить экспериментальную зависимость величины приложенного напряжения, необходимого для нагрева наноконтакта до точки фазового перехода, от сопротивления контакта при этом напряжении.

5. Теоретический анализ экспериментальных данных позволяет найти значение произведения удельного сопротивления на длину свободного пробега электронов для N1 и оценить длины свободного пробега при рассеянии электронов на примесях, фононах и магнонах при различных температурах.

6. Точка перехода от баллистического режима транспорта электронов к диффузному в наноконтактах может быть найдена из анализа экспериментальной зависимости величины приложенного напряжения, необходимого для нагрева наноконтактов различного размера до точки фазового перехода, от сопротивления контакта. При этом продемонстрирована важность учета уменьшения транспортной длины свободного пробега электронов вследствие нагрева приконтактной области.

Благодарности

Данная диссертационная работа была выполнена в стенах Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН. В ходе выполнения работы возникали задачи, которые требовали непрерывного приобретения навыков и повышения квалификации для их успешного решения. Часть задач было бы очень трудно решить без помощи людей, которые окружали меня на протяжении всего времени прибывания в институте. Этим людям я выражаю свою благодарность и признательность. Особенно хочу подчеркнуть своего научного руководителя A.A. Бухараева за четкую постановку задач, многочисленные дискуссии о полученных результатах, за помощь в написании научных статей и подготовке научных докладов; с.н.с. лаб. физики и химии поверхности (ФХП) С.А. Зиганшиной за помощь в проведении электрохимических исследований и подборе параметров рабочих электролитов; м.и.с лаб. ФХП П.А. Бородину, который помог спроектировать электрическую схему усилителя мощности, давал советы по работе с измерительной аппаратурой и заложил основы написания программ для управления экспериментальным оборудованием; м.н.с. лаб. ФХП Бизяеву Д.А. за помощь в освоении работы на атомно-силовых микроскопах, а также с.н.с. лаб нелинейной оптики В.Н. Лисину за совместную работу над теорией нагрева на-ноконтактов протекающим током и советы по оформлению и представлению результатов на научных конференциях.

Отдельные слова благодарности я выражаю супруге Юлиане и дочке Иларии, а также всем своим близким и родственникам за оказанную помощь и поддержку на протяжении всего обучения в университете и в аспирантуре.

Большое всем Вам спасибо!

1. Conductance quantization and magnetoresistance in magnetic point contacts / H. 1.amura, N. Kobayashi, S. Takahashi, S. Maekawa // Phys. Rev. Lett. - 2000. - V. 84, № 5. - P. 1003-1006.

2. Tagirov L. R. Giant magnetoresistance in quantum magnetic contacts / L. R, Tagirov, B. P. Vodopyanov, B. M. Garipov //J. Magn. Magn. Mater. — 2003. V. 258-259. - P. 61-66.

3. Effective temperature of Au nanocontacts under high biases / M. Tsutsui, Y.-K. Taninouchi, S. Kurokawa, A. Sakai // Jpn. J. Appl. Phys. — 2005.— V. 44, № 7A. P. 5188-5190.

4. Tsutsui M. Bias-induced local heating in au atom-sized contacts / M. Tsutsui, S. Kurokawa, A. Sakai // Nanotechnol. — 2006. — V. 17. — P. 5334-5338.

5. Rokni M. Joule heat in point contacts / M. Rokni, Y. Levinson // Phys. Rev. B. 1995. - V. 52, № 3. - P. 1882-1889.

6. Todorov T. N. Local heating in ballistic atomic-scale contacts / T. N. Todor-ov // Phil. Mag. 1998. - V. 77, № 4. - P. 965-973.

7. Agrait N. Quantum properties of atomic-sized conductors / N. Agrait, A. L. Yeyati, J. M. van Ruitenbeek // Phys. Rep.— 2003.— V. 377,— P. 81-279.

8. Maxwell and Sharvin conductance in gold point contacts investigated using TEM-STM / D. Erts, H. Olin, L. Ryen et al. // Phys. Rev. B. 2000.-V. 61, № 19. - P. 12725-12727.

9. Halbritter A. Investigation of atomic-sized conductors with the mechanicallycontrollable break junction technique: Thesis / A. Halbritter; University of Technology and Economics, Budapest, 2003. — 104 pp.

10. Boussaad S. Atom-size gaps and contacts between electrodes fabricated with a self-terminated electrochemical method / S. Boussaad, N. J. Tao // Appl. Phys. Lett. 2002. - V. 80, № 13. - P. 2398-2400.

11. Li J. Electrochemical fabrication of Pd-Au heterogeneous nanocontact showing stable conductance quantization under applying high bias voltage / J. Li, Y. Nakato, K. Murakoshi // Chem. Lett. 2005. - V. 34, № 3. - P. 374-375.

12. Fabrication of metallic electrodes with nanometer separation by electromi-gration / H. Park, A. K. L. Lim, A. P. Alivisatosa et al. // Appl. Phys. Lett. 1999. - V. 75, № 2. - P. 301-303.

13. Ашкрофт H. Физика твердого тела. T.l / H. Ашкрофт, Н. Мермин. — М.: Мир, 1979.- 399 с.

14. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель. — М.: Наука, 1978.- 792 с.

15. Maxwell J. С. A Treatise on Electricity and Magnetism, V. 1 / J. C. Maxwell. — New York: Dover Publ., inc., 1954. — 552 pp.

16. MacDonald A. H. Influence of elastic scattering on the cur rent-volt age characteristics of small metallic contacts / A. H. MacDonald, C. R. Leavens // J. Phys. F. 1983. - V. 13. - P. 665-673.

17. Hansen K. Electrical properties of atomic-sized metal contacts: Thesis / K. Hansen; University of Aarhus, Denmark, 2000. — 231 pp.

18. Шарвин Ю. В. Об одном возможном методе исследования поверхности Ферми / Ю. В. Шарвин // ЖЭТФ. 1965. - V. 48, № 3. - Р. 984-985.103

19. Wexler G. The size effect and the non-local boltzmann transport equation in orifice and disk geometry / G. Wexler // Proc. Phys. Soc. — 1966. — V. 89. — P. 927.

20. Landauer R. Electrical resistance of disordered one-dimensional lattices / R. Landauer // Phil. Mag. 1970.- V. 21, № 172. - P. 863-867.

21. Datta S. Electronic transport in mesascopic systems / S. Datta. — Cambridge: Cambridge University Press, 1995.— 377 pp.

22. Brandbyge M. Scattering and conductance quantization in three-dimensional metal nanocontacts / M. Brandbyge, K. W. Jacobsen, J. K. Norskov // Phys. Rev. B. 1997. - V. 55, № 4. - P. 2637-2650.

23. Domain wall scattering explains 300% ballistic magnetoconductance of nanocontacts / G. Tatara, Y.-W. Zhao, M. Munoz, N. Garcia // Phys. Rev.- Lett. 1999. - V. 83, № 10. - P. 2030-2033.

24. Effect of the quantum domain wall on conductance quantization and magnetoresistance in magnetic point contacts / H. Imarnura, N. Kobayashi, S. Takahashi, S. Maekawa // Mater. Sci. Eng. B. — 2001. V. 84, № 1-2. -P. 107-113.

25. Tagirov L. R. Ballistic versus diffusive magnetoresistance of a magnetic point contact / L. R. Tagirov, B. P. Vodopyanov, K. B. Efetov // Phys. Rev. B. — 2001. V. 63, № 10. - P. 104428.

26. Tagirov L. R. Multivalued dependence of the magnetoresistance on the quantized conductance in nanosize magnetic contacts / L. R. Tagirov, B. P. Vodopyanov, K. B. Efetov // Phys. Rev. B. 2002. - V. 65, № 21. -P. 214419.

27. Ballistic anisotropic magnetoresistance / J. Velev, R. F. Sabirianov, S. S. Jaswal, E. Y. Tsymbal // Phys. Rev. Lett. 2005.- V. 94, № 12.— P. 127203.

28. The defining length scales of mesomagnetism: A review / C. L. Dennis, R. P. Borges, L. D. Buda et al. // J. Phys. Condens. Matter. 2002.-V. 14. — P. R1175-R1262.

29. Bruno P. Geometrically constrained magnetic wall / P. Bruno // Phys. Rev. Lett. 1999. - V. 83, № 12. - P. 2425-2428.

30. Labaye Y. Domain walls in ferromagnetic nanoconstriction / Y. Labaye, L. Berger, J. M. D. Coey // J. Appl. Phys.- 2002.- V. 91, № 8.— P. 5341-5346.

31. Atomically sharp magnetic domain wall in thin film Fe(110): A first principles noncollinear magnetism study / K. Nakamura, Y. Takeda, T. Akiyama et al. // Phys. Rev. Lett. 2004. - V. 93, № 5. - P. 057202.

32. Jubert P.-O. Modifying bloch walls by constrictions / P.-O. Jubert, R. Al-lenspach // J. Magn. Magn. Mater. — 2005. — V. 290-291. — P. 758-760.

33. Kazantseva N. Transition to linear domain walls in nanoconstrictions / N. Kazantseva, R. Wieser, U. Nowak // Phys. Rev. Lett. — 2005.— V. 94, № 3. P. 037206.

34. Czerner M. Magnetic order in geometrically constrained domain walls / M. Czerner, B. Y. Yavorsky, I. Mertig // J. Appl. Phys. — 2008.— V. 103, № 7. P. 07F304.

35. Czerner M. Fully relaxed magnetic structure of transition metal nanowires:

36. First-principles calculations / M. Czerner, B. Y. Yavorsky, I. Mertig // Phys. Rev. B. 2008. - V. 77, № 10. - P. 104411.

37. Numerical investigation of domain walls in constrained geometries / H. Fangohr, J. P. Zimmermann, R. P. Boardman et al. // J .Appl. Phys. — 2008. — V. 103, m 7. P. 07D926.

38. Jubert P.-O. Magnetic domain walls in constrained geometries / P.-O. Ju-bert, R. Allenspach, A. Bischof // Phys. Rev. B.- 2004. V. 69, № 22.-P. 220410.

39. Magnetic domain walls in T-shaped permalloy microstructures / T. Haug, C. H. Back, J. Raabe et al. // Appl. Phys. Lett. — 2005.- V. 86, № 15. -P. 152503.

40. Transverse domain walls in nanoconstrictions / D. Backes, C. Schieback, M. Klaui et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. - V. 91, № 11. - P. 112502.

41. Garcia N. Magnetoresistance in excess of 200% in ballistic Ni nanocontacts at room temperature and 100 Oe / N. Garcia, M. Munoz, Y.-W. Zhao // Phys. Rev. Lett. 1999. - V. 82, № 14. - P. 2923-2926.

42. Negative and positive magnetoresistance manipulation in an electrode-posited nanometer Ni contact / N. Garcia, H. Rohrer, I. G. Saveliev, Y.-W. Zhao // Phys. Rev. Lett. 2000. - V. 85, № 14. - P. 3053-3056.

43. Ballistic magnetoresistance in a magnetic nanometer sized contact: An effective gate for spintronics / N. Garcia, M. Munoz, G. G. Qian et al. // Appl. Phys. Lett. 2001. - V. 79, № 27. - P. 4550-4552.

44. Ballistic magnetoresistance in a nanocontact between a Ni cluster and amagnetic thin film / M. Munoz, G. G. Qian, N. Karar et al. // Appl. Phys. Lett. 2001. - V. 79, № 18. - P. 2946-2948.

45. Chopra H. D. Ballistic magnetoresistance over 3000% in Ni nanocontacts at room temperature / H. D. Chopra, S. Z. Hua // Phys. Rev. B.— 2002,— V. 66, № 2. P. 020403.

46. Garcia N. Balistic magnetoresistance in nanocontacts electrochemically grown between macro- and microscopic ferromagnetic electrodes / N. Garcia, G. G. Qiang, I. G. Saveliev // Appl. Phys. Lett. 2002,- V. 80, № 10.— P. 1785-1787.

47. Quantum conductance in electrodeposited nanocontacts and magnetoresistance measurements / F. Elhoussine, A. Encinas, S. Matefi-Tempfli, L. Pi-raux //J. Appl. Phys. 2003. - V. 93, № 10. - P. 8567-8569.

48. Hua S. Z. 100.000% ballistic magnetoresistance in stable Ni nanocontacts at room temperature / S. Z. Hua, H. D. Chopra // Phys. Rev. B. — 2003.— V. 67, № 6. P. 060401.

49. I-V asymmetry and magnetoresistance in nickel nanoconstrictions / O. Cespedes, A. R. Rocha, S. Lioret et al. // J. Magn. Magn. Mater. — 2004.— V. 272-276, № 2. P. 1571-1572.

50. Ballistic magnetoresistance in nickel single-atom conductors without magnetostriction / M. R. Sullivan, D. A.Boehm, D. A. Ateya et al. // Phys. Rev.

51. B. 2005. - V. 71, № 2. - P. 024412.

52. Anisotropy magnetoresistance of quantum ballistic nickel nanocontacts /

53. C.-S. Yang, C. Zhang, J. Redepenning, B. Doudin // J. Magn. Magn. Mater. 2005. - V. 286. - P. 186-190.

54. In situ magnetoresistance of Ni nanocontacts / C.-S. Yang, C. Zhang, J. Redepenning, B. Doudin // Appl. Phys. Lett.- 2004.- V. 84, № 15.-P. 2865-2867.

55. Universal scaling of magnetoconductance in magnetic nanocontacts (invited) / S. H. Chung, M. Munoz, N. Garcia et al. // J. Appl. Phys. 2003. — V. 93, 10. - P. 7939-7944.

56. Ballistic magnetoresistance in different nanocontact configurations: A basis for future magnetoresistance sensors / N. Garcia, M. Munoz, V. V. Osipov et al. //J. Magn. Magn. Mater. 2002.- V. 240, № 1-3,- P. 92-99.

57. Ballistic magnetoresistance of electrodeposited nanocontacts in thin film and micrometer wire gaps / N. Garcia, H. Cheng, H. Wang et al. //J. Magn. Magn. Mater. 2004. - V. 272-276, № 3. - P. 1722-1729.

58. The quantum spin-valve in cobalt atomic point contacts / H. D. Chopra, M. R. Sullivan, J. N. Armstrong, S. Z. Hua // Nat. Mater. — 2005. — V. 4, № 11.- P. 832-837.

59. Garcia N. Ballistic magnetoresistance in transition-metal nanocontacts: The case of iron / N. Garcia, M. Munoz, Y.-W. Zhao // Appl. Phys. Lett.— 2000. V. 76, № 18. - P. 2586-2587.

60. Artifacts in ballistic magnetoresistance measurements (invited) / J. W. F. Egelhoff, L. Gan, H. Ettedgui et al. // J. Appl. Phys. 2004. - V. 95, № 11.- P. 7554-7559.

61. Magnetoresistance in nanocontacts induced by magnetostrictive effects / M. Gabureac, M. Viret, F. Ott, C. Fermon // Phys. Rev. B.— 2004.— V. 69, № 10.- P. 100401.

62. Magnetostriction measurements with atomic force microscopy: A novel approach / A. Papageorgopoulos, H. Wang, C. Guerrero, N. Garcia //J. Magn. Magn. Mater. 2004. - V. 268. - P. 198-204.

63. Resistance changes similar to ballistic magnetoresistance in electrodeposited nanocontacts / E. B. Svedberg, J. J. Mallett, H. Ettedgui et al. // Appl. Phys. Lett. 2004. - V. 84, № 2. - P. 236-238.

64. Zhu Y. Magnetostriction and magnetoresistance in nanocontacts / Y. Zhu, G. Di // J. Magn. Magn. Mater. 2006. - V. 302. - P. 82-85.

65. Doudin B. Ballistic magnetoresistance? / B. Doudin, M. Viret //J. Phys. Gondens. Matter. 2008. - V. 20, № 8. - P. 083201.

66. Yi G. Ballistic magnetoresistance of electroplated nickel devices / G. Yi // Phys. Rev. B. 2004. - V. 69, № 13. - P. 132405.

67. Komori F. Quantized conductance through iron point contacts / F. Komori, K. Nakatsuji // Mater. Sci. Eng. B. 2001. - V. 84, № 1-2. - P. 102-106.

68. Sekiguchi K. Conductance quantization by the application of magnetic fields in ballistic Ni nanocontacts / K. Sekiguchi, E. Saitoh, H. Miyajima //J. Appl. Phys. 2005. - V. 97, № 10. - P. 10B312.

69. Sekiguchi K. Nanocontact magnetoresistance and quantized conductance / K. Sekiguchi, E. Saitoh, H. Miyajima // IEEE Trans. Magn. — 2005. — V. 41, № 10. P. 2565-2567.

70. Giant anisotropic magneto-resistance in ferromagnetic atomic contacts / M. Viret, M. Gabureac, F. Ott et al. // Eur. Phys. J. B.— 2006.— V. 51, № 1. — P. 1-4.

71. Quantized magnetoresistance in atomic-size contacts / A. Sokolov, C. Zhang, E. Y. Tsymbal et al. // Nat. Nanotechnol. 2007. - V. 2. - P. 171-175.

72. Shi S.-F. Atomic motion in ferromagnetic break junctions / S.-F. Shi, D. C. Ralph // Nat. Nanotechnol. 2007. - V. 2. - P. 522-523.

73. Controlled fabrication of nickel perpendicular nanocontacts using focused ion beam milling / H.-X. Wei, R. M. Langford, X. Han, J. M. D. Coey // J. Appl. Phys. 2006. - V. 99, № 8. - P. 08C501.

74. An approach to fabricate pure metallic Ni-Ni and metallic oxide Ni-Nio-Ni nanocontacts by repeatable microfabrication method / H. Wei, T. Wang, H. Wang et al. // Int. J. Nanotechnol. 2007. - V. 4, № 1-2. - P. 21-31.

75. Geometrical confinement of a domain wall in a nanocontact between two NiFe wires / K. Miyake, K. Shigeto, K. Mibu et al. // J. Appl. Phys.— 2002. V. 91, № 5. - P. 3468-3470.

76. Magnetoresistance of mechanically stable co nanoconstrictions / M. I. Montero, R. K. Dumas, G. Liu et al. // Phys. Rev. B. 2004. - V. 70, № 18. -P. 184418.

77. Exchange biasing of a Neel wall in the nanocontact between NiFe wires / K. Miyake, K. Shigeto, Y. Yokoyama et al. // J. Appl. Phys.— 2005.— V. 97, № 1. P. 014309.

78. From ballistic transport to tunneling in electromigrated ferromagnetic breakjunctions / K. I. Bolotin, F. Kuemmeth, A. N. Pasupathy, D. C. Ralph // Nano Lett. 2006. - V. 6, № 1. - P. 123-127.

79. Keane Z. K. Magnetoresistance of atomic-scale electromigrated nickelnanocontacts / Z. К. Keane, L. H. Yu, D. Natelson // Appl. Phys. Lett.— 2006. V. 88, № 6. - P. 062514.

80. Focused-ion-beam-fabricated nanoscale magnetoresistive ballistic sensors / S. Khizroev, Y. Hijazi, R. Chomko et al. // Appl. Phys. Lett.— 2005.— V. 86, № 4. P. 042502.

81. Khizroev S. Focused-ion-beam-based rapid prototyping of nanoscale magnetic devices / S. Khizroev, D. Litvinov // Nanotechnol. — 2005. — V. 15; № 3. P. R7-15.

82. Krzysteczko P. Magnetoresistance of Co nanoconstrictions fabricated by means of electron beam lithography / P. Krzysteczko, G. Dumpich // Phys. Rev. B. 2008. - V. 77, № 14. - P. 144422.

83. Хольм P. Электрические контакты / P. Хольм. — M.: Изд-во иностр. лит., 1961.- 464 с.

84. Gurevich V. L. Heat generation by electric current in nanostructures / V. L. Gurevich // Phys. Rev. B. 1997. - V. 55, № 7. - P. 4522-4529.

85. Todorov T. N. Current-induced embrittlement of atomic wires / T. N. Todor-ov, J. Hoekstra, A. P. Sutton // Phys. Rev. Lett. — 2001. — V. 86, № 16. — P. 3606-3609.

86. Montgomery M. J. Power dissipation in nanoscale conductors / M. J. Montgomery, T. N. Todorov, A. P. Sutton //J. Phys. Condens. Matter. — 2002. — V. 14. P. 5377-5389.

87. Power dissipation in nanoscale conductors: classical, semi-classical and quantum dynamics / A. P. Horsfield, D. R. Bowler, A. J. Fisher et al. //J. Phys. Condens. Matter. — 2004. V. 16. - P. 3609-3622.

88. D'Agosta R. Local electron heating in nanoscale conductors / R. D'Agosta, N. Sai, M. D. Ventra // Nano Lett. 2006. - V. 6, № 12. - R 2935-2938.

89. Gurevich V. L. Spatial distribution of Joule heat in nanostructures / V. L. Gurevich, M. I. Muradov // J. Phys. Condens. Matter.- 2006.— V. 18.- P. 11217-11232.

90. Joule heating and current-induced instabilities in magnetic nanocontacts / A. Kadigrobov, S. I. Kulinich, R. I. Shekhter et al. // Phys. Rev. В.— 2006. V. 74, № 19. - P. 195307.

91. Local heating in noble metal nanocontacts under high biases at 77 к / M. Tsutsui, Y. Teramae, S. Kurokawa, A. A. Sakai // Appl. Surf. Sci.— 2006. V. 252, № 24. - P. 8677 - 8682.

92. Tsutsui M. Bias-induced local heating in atom-sized metal contacts at 77 к / M. Tsutsui, S. Kurokawa, A. Sakai // Appl. Phys. Lett. — 2007. — V. 90, № 13.- P. 133121.

93. Squire P. T. Magnetomechanical measurements of magnetically soft amorphous materials / P. T. Squire // Meas. Sci. Technol. — 1994.— V. 5.— P. 67-81.

94. Вонсовский С. В. Магнетизм / С. В. Вонсовский. — М.: Наука, 1971. — 1032 с.

95. Ponte Н. A. Porosity determination of nickel coatings on copper by anodic voltammetry / H. A. Ponte, A. M. Maul // J. Appl. Electrochemistry.— 2002. V. 32. - P. 641-646.

96. Electrodeposition of Ni on Cu (100): An in-situ STM study / A. Lachenwitzer, M. R. Vogt, О. M. Magnussen, R. J. Behm // Surf. Sei. — 1997. — V. 382.- P. 107-115.

97. Effect of magnetic doping on the electronic states of Ni / K. N. Altmann, N. Gilman, J. Hayoz et al. // Phys. Rev. Lett. 2001.- V. 87, № 13.— P. 137201.

98. Singularities in d2V/dI2 dependences of point contacts between ferromagnetic metals / В. I. Verkin, I. K. Yanson, I. O. Kulik et al. // Solid State Commun. 1979. - V. 30, № 4. - P. 215-218.

99. Гантмахер В. Ф. Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках / В. Ф. Гантмахер, И. Б. Левинсон. — М.: Наука, 1984. 352 с.

100. Lide D. R. Handbook of chemistry and physics 84-th edition / D. R. Lide. — Boca Raton: CRC press, 2003. 2475 pp.

101. Jansen A. G. M. Point-contact spectroscopy in metals / A. G. M. Jansen, A. P. van Gelder, P. Wyder // J. Phys. C: Solid State Phys.- 1980. — V. 13.- P. 6073-6118.

102. Current-voltage curves of gold quantum point contacts revisited / K. Hansen, S. K. Nielsen, M. Brandbyge et al. // Appl. Phys. Lett. — 2000.— V. 77, № 5. P. 708-710.

103. Ballistic heat transport in nanocontacts / T. Y. Chen, C. L. Chien, M. Man-no et al. // Phys. Rev. B. 2010. - V. 81, № 2. - P. 020301.1. Список публикаций автора

104. A3. Прецизионные измерения магнитострикции в никелевых структурах, используемых для получения магниторезистивпых наноконтактов / Р. Г. Гатиятов, П. А. Бородин, А. А. Бухараев, Д. А. Бизяев // Письма в ЖТФ. 2006. - Т. 32, № 19. - С. 72-78.

105. А4. Гатиятов Р. Г. Магнитосопротивление электрохимически изготовленных никелевых наноконтактов с квантованной проводимостью / Р. Г. Гатиятов, С. А. Зиганшина, А. А. Бухараев // Письма в ЖЭТФ.— 2007.— Т. 86, № 6. С. 470-474.

106. А5. Gatiyatov R. G. Current-induced phase transition in ballistic Ni nanocon-tacts / R. G. Gatiyatov, V. N. Lisin, A. A. Bukharaev // Appl. Phys. Lett. — 2010.- V. 96.- P. 093108.

107. A6. Гатиятов P. Г. Баллистический и диффузный режимы транспорта электронов в наноконтактах магнетиков / Р. Г. Гатиятов, В. Н. Лисин, А. А. Бухараев // Письма в ЖЭТФ. — 2010. — Т. 91, № 8. С. 461-463.