Процессы намагничивания, спинового транспорта и спиновой динамики в наноразмерных планарных структурах с ферромагнитными слоями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

10-1

376

На правах рукописи

Чиненков Максим Юрьевну

ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ, СПИНОВОГО ТРАНСПОРТА И СПИНОВОЙ ДИНАМИКИ В НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУРАХ С ФЕРРОМАГНИТНЫМИ СЛОЯМИ

01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2009

Работа выполнена на кафедре Общей Физики Московского Государственного Института Электронной Техники (ТУ)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Попков Анатолий Федорович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Зильберман Петр Ефимович доктор физико-математических наук, профессор Неволин Владимир Кириллович

Ведущая организация: Институт Общей Физики им. A.M.

Прохорова РАН

Защита состоится « 0 » QCkiX ¿t>i С 2009 г. в 'А/' l" на заседании диссертационного совета Д^12.134.01 в ауд. 3103 по адресу Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан «j>

,27 » Okl d fjs L{ 2009 :

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Крупкина Т. Ю.

2 0 10

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Спинтроника - перспективное направление микро- и наноэлектроники, интенсивно развивающееся в самостоятельную область фундаментальных и прикладных исследований. Спинтроника сочетает достоинства металлической и полупроводниковой электроники (управление электрическими и оптическими свойствами электрическим полем) с достоинствами магнитной электроники ( управление магнитным полем, энергонезависимость). Используя последние достижения в области магнетизма и магнитных технологий станет возможным, например, объединить элементы памяти и логики, детектирования и обработки сигнала на одном чипе, который заменит несколько отдельных устройств. Опираясь на платформу динамично развивающейся нанотехнологии, устройства спинтроники формируют эффективную элементную базу, на основе которой появится возможность произвести прорыв в информационных технологиях, микромеханике, биомедицине и технологиях, связанных с высокопрецизионными измерениями. В связи с освоением характерных литографических размеров нанометрового диапазона в магнитной электронике существенную роль приобретают мезоскопические явления. Значительная часть исследований в рамках наномагнетизма посвящена изучению транспортных свойств магнитных нанообъектов, соединяющих микроскопический магнетизм индивидуальных атомов и макроскопический магнетизм кристаллических тел, так называемых мезоскопических магнитов. Эти исследования важны для установления предельных свойств мезообъектов и, значит, определения достижимых границ миниатюризации современных электронных приборов и элементов памяти. Наибольший интерес привлекают к себе эффекты гигантского (туннельного) магнитосопротивления [(1)], эффекты спиновой инжекции и переноса спина [(2), (3)], а также фотоспиновый эффект и спиновый эффект Холла. Изучение процессов полевого и токового перемагничивания слоистых ферромагнитных структур с наноразмерными элементами является актуальной задачей для разработки базовых элементов спинтроники, перспективных для создания энергонезависимой магниторезистивной памяти (magnetic random access memory - MRAM) [(4)], для создания микро- и наноразмерных магниточувствительных сенсоров, предназначенных для

широкого применения в технике, включая микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems - MEMS) [(5)], а также для создания наноразмерных генераторов микроволнового излучения на основе переноса спина (spin torque nanooscilator - STNO) [(6)]. Изучение явления переноса спина, влияющего на динамику намагниченности, является сегодня одним из наиболее многообещающих направлений в спинтронике, в связи с чем возникает ряд различных теоретических задач. Например, нахождение вращательного момента в магнитной системе при переносе спинов в слоистых структурах связано с решением уравнений спинового транспорта и анализа мезоскопических явлений переноса спина, а описание переключения или прецессии намагниченности требует решения задач нелинейной динамики. Следует подчеркнуть, что явления спин-зависимого транспорта с точки зрения кинетической теории, учитывающей влияние обменного смещения на энергетические спектры носителей заряда в зонах проводимости, являются с точностью до параметров материала практически эквивалентными для магнитных полупроводников и проводящих металлов [(7)]. Очень перспективными материалами здесь являются сплавы Гейслера, имеющие металлический и полупроводниковый характер электронного спектра для зарядовых носителей, различающихся спиновой ориентацией [(8)]. Несмотря на большое количество работ, посвященных проблематике спинового транспорта и индуцированной динамике спинов, многие аспекты этой теории остаются недостаточно изученными. Не до конца исследованы, в частности, возможные области устойчивых состояний намагниченности слоистых структур при действии спин-поляризованного тока и внешнего магнитного поля различного направления. Генерация колебаний в микроволновом диапазоне приведет к разработке генераторов на эффекте переноса спина, но еще остается неясной до конца степень влияния тепловых флуктуаций на добротность колебаний. Поэтому актуальными вопросами здесь являются особенности магнитодинамики и частотной перестройки микроволновых спиновых автоколебаний при вариации тока, магнитного поля, геометрических и магнитных параметров слоистых структур, а также вопросы влияния на спиновые автоколебания тепловых флуктуаций спинов в слоях наноструктуры. Анализ условий получения максимальной мощности и добротности микроволновых колебаний и связанные с ними исследования являются одними из первостепенных при разработке спинтронного микроволнового

наногенератора. Как скажется геометрия магнитных элементов и значения параметров структуры, связанных с физическими свойствами материалов, на магнитных и магниторезистивных характеристиках спин-вентильных структур - также представляет интерес для проектирования сенсоров магнитного поля. Данная диссертация посвящена рассмотрению этих вопросов.

Целью настоящей диссертационной работы является изучение процессов намагничивания, переноса спина и вращательного момента, а также сопутствующих мезоскопических явлений в спин-вентильных структурах с наноразмерными ферромагнитными слоями, перспективными для создания наноразмерных устройств спинтроники. В диссертации были решены следующие конкретные задачи:

1. исследование устойчивости стационарных состояний незакрепленной намагниченности в слоях наностолбчатой многослойной структуры при действии спин-поляризованного тока и магнитного поля;

2. сравнительный анализ микромагнитной и макроспиновой моделей при изучении индуцированной током динамики спинов в проводящей магнитной наноструктуре эллиптической формы;

3. расчет зависимости частоты автоколебаний намагниченности от спин-поляризованного тока в микроволновом наногенераторе;

4. исследование влияния тепловых флуктуаций на автоколебания спинов в микроволновом наногенераторе;

5. изучение влияния прямоугольной, шестиугольной и кольцевой формы спин-вентильных элементов на их магнитные и магниторезистивные характеристики.

Аналитические исследования поведения модели описывают основные тенденции, но для реальных систем позволяют получить результат лишь в частных случаях. Как правило, возникает задача решения систем дифференциальных уравнений в частных производных с последующей обработкой полученных данных. Поэтому основным инструментом исследования в работе является компьютерное моделирование, основанное на разработке и применении пакетов прикладных программ и вычислительных алгоритмов.

Личный вклад автора определен непосредственным участием в постановке и решении магнитодинамических задач, проведении

численных расчетов как с помощью компьютерного пакета программ БртРМ (ИОФАН им. Прохорова), так и посредством реализации собственных программ; непосредственное участие в аппробации технологического маршрута изготовления спин-вентильных структур.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведен детальный бифуркационный анализ токового переключения спин-вентильных структур для разных направлений магнитного поля. Определены граничные области прецессии и стационарных состояний намагниченности, что ранее не проводилось.

2. Проведен математический анализ токового переключения намагниченности благодаря явлению переноса вращательного момента, позволивший провести сравнение макроспиновой модели с более сложной микроспиновой магнитодинамической моделью. Определены критические значения спин-поляризованного тока, при которых происходит переход от одномодового режима колебаний спинов к миогомодовому.

3. Впервые проанализирована динамика двухподрешеточного ферримагнитного слоя. Показано, что в случае одинаковых намагниченностей насыщения тонких слоев исходное коллинеарное состояние намагниченностей вдоль оси анизотропии при совпадении токовой поляризации и направления намагничивания первого слоя мягко меняется на равновесную прецессию спинов вокруг этой оси, а асимметрия намагниченностей слоев приводит к возникновению области смены статических состояний намагниченности без прецессии. В сравнении с ферромагнитной динамикой наблюдается более сложная бифуркационная картина, вследствие увеличения числа вариантов стационарных состояний равновесия.

4. Впервые проведены расчеты уширения спектральной линии микроволновых автоколебаний спинов на основе редуцированных уравнений нелинейной магнитодинамики с учетом бифуркационных особенностей поведения магнитной подсистемы в условиях спинового транспорта, позволившие получить аналитическое описание особенностей автоколебаний и уширения резонансной кривой и определить области справедливости этого описания.

5. Новым результатом является проведенный в диссертации сравнительный анализ зависимости магнитного отклика, определяющего чувствительность спин-вентильных элементов к

магнитному полю, от соотношения геометрических параметров и формы спин-вентильной структуры.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Рассчитанные бифуркационные диаграммы стационарных спиновых состояний в незакрепленном магнитном слое наностолбика при внешнем поле параллельном легкой оси Н|| п,в (где п ось легкого намагничивания, в вектор намагниченности закрепленного слоя) и перпендикулярном легкой оси Н-1п,$ на плоскости переменных ток-поле.

2. Зависимость частоты, амплитуды и добротности автоколебаний намагниченности от спин-поляризованного тока и поля тесно связана с бифуркационным поведением динамической системы и резко меняется вблизи бифуркационных линий, определяющих рождение и исчезновение равновесных состояний системы. Экстремальный характер этих зависимостей показывает принципиальную возможность оптимизации режима генерации микроволновых автоколебаний по мощности и частоте.

3. Линии потери устойчивости статических состояний описываются одинаково адекватно в рамках макроспиновой и микромагнитной моделей. Пределы применимости макроспиновой модели при описании спиновой прецессии ограничиваются не слишком большими значениями токов, так как неоднородный характер распределения намагниченности в слое приводит к снижению частоты прецессии спинов в условиях возникновения токовой автогенерации вследствие нарушения синхронности автоколебаний в выделяющихся доменах, а затем и к хаотизации колебаний, что невозможно в рамках макроспиновой модели.

4. Редуцированная модель спектральной интенсивности сигнала основной гармоники спинового автогенератора с учетом тепловых шумов в спиновой подсистеме: модель позволяет описывать особенности автогенерации спинов с учетом флуктуаций в окрестности бифуркационных линий рождения циклов спиновой прецессии. Вдали от бифуркационных линий для учета тепловых флуктуаций необходимо применять модель нелинейной магнитной динамики. Характер изменения спектральной линии микроволновых колебаний тесно связан с особенностями бифуркационных изменений в магнитодинамике спинов при вариации тока и магнитного поля, как в области малых, так и больших токов.

5. Двухподрешеточная модель динамики: модель отличается от однонодрешеточной наличием новых стационарных состояний прецессии и переходных процессов. В двухподрешеточной модели в случае одинаковых намагниченностей насыщения тонких слоев исходное коллинеарное состояние намагниченностей вдоль оси анизотропии при совпадении токовой поляризации и направления намагничивания первого слоя мягко меняется на равновесную прецессию спинов вокруг этой оси, а асимметрия намагниченностей слоев приводит к возникновению области смены статических состояний намагниченности без прецессии.

6. При вариации формы и соотношения толщин элементов изменяется наклон гистерезисной кривой намагниченности и магнитосопротивления от магнитного поля, размер области линейности намагничивания и задержка в антипараллельном состоянии. Кольцевые структуры обладают большей изотропией характеристик намагничивания, и большим диапазоном линейности по сравнению с вытянутыми структурами, но обладают меньшей чувствительностью к магнитному полю.

Практическая значимость результатов:

Исследуемые в работе структуры с наноразмерными ферромагнитными слоями представляют значимый практический интерес. В зависимости от выбора немагнитной прослойки - диэлектрик или проводник, подобные структуры можно применять для создания следующих спинтронных устройств:

1. Генератор микроволновых колебаний. Устройство обеспечивает возможность поддержания током прецессии спинов и может использоваться для создания спинтронных наноразмерных генераторов напряжения в сверхвысокочастотном диапазоне, перестраиваемых по частоте не только магнитным полем, но и током. Используя рассчитанные в работе фазовые диаграммы, можно выбирать оптимальные режимы генерации автоколебаний. Апробирован технологический маршрут изготовления подобных автогенераторов на основе наноконтактов.

2. Элемент памяти. Возможность сохранять два стабильных состояния равновесия в зависимости от ориентации намагниченности перспективна для создания энергонезависимой магниторезистивной памяти. Проведенное исследование бифуркаций в динамической системе магнитной ячейки памяти показывает возможность снижения

токов переключения логических состояний при вариации физических параметров структуры.

3. Сенсор магнитного поля. Устройство обеспечивает детектирование малых магнитных полей и предназначено для широкого применения в технике, включая микромеханику: акселерометры, датчики вращения перемещения, трения, давления; а также в качестве датчиков магнитных наночастиц, био- и молекулярных сенсоров. Проведенное исследование влияния формы и соотношения толщин элементов показало, что можно управлять наклоном гистерезисной кривой намагничивания путем изменения формы и толщин образующих слоев, тем самым изменяя чувствительность и область линейности магнитного сенсора. Проработан технологический маршрут изготовления подобных структур.

Следует отметить, что важным прикладным аспектом функциональных элементов являются нанометровые размеры, что имеет особо важное значение при проектировании устройств наноэлектроиики. Приведенные в диссертационной работе результаты использованы в отчетных материалах фундаментальных и прикладных НИР, проводившихся на кафедре общей физики МИЭТ и в ФГУП «НИИФП им. Ф.В.Лукина», по разработке физических принципов конструирования и технологии формирования интегральных магниторезистивных элементов туннельного типа для магнито-сенсорных устройств повышенной чувствительности, а также внедрены в программу специализированного курса лекций учебной дисциплины по спинтронике для студентов старших курсов базовой кафедры МФТИ.

Апробация результатов:

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих конференциях:

• XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ-21, Москва, 2009)

• Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009» (Москва, 2009)

• Moscow International Symposium on Magnetism (MISM'2008, Москва, 2008)

• Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008» (Москва, 2008)

• XII Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н.Новгород, 2008)

• International Conference «Functional Materials» (ICFM' 2007, Крым, 2007)

• XVI Международная Конференция по Постоянным Магнитам (МКПМ-XVI, Суздаль, 2007)

• Euro-Asian Symposium "Magnetism on aNanoscale" (EASTMAG-2007, Казань, 2007)

• Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007» (Москва, 2007)

« XI Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н. Новгород, 2007)

• Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника 2006» (Москва, 2006)

• XX международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (ИМММ-20, Москва, 2006)

• XV Международная Конференция по Постоянным Магнитам (МКПМ-XV, Суздаль, 2005)

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, а также в 2 статьях, вошедших в сборники научных трудов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Работа составляет 139 страниц, включает 60 рисунков и 5 таблиц. Библиографический список насчитывает 185 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведено краткое описание состояния проблемы, сформулирована цель работы, научная новизна, описана структура диссертации, изложены основные научные положен™, выносимые на защиту,

Первая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, в которых рассмотрены основные физические эффекты спинтроники. Основной акцент делается на обсуждении работ,

связанных с магнитной динамикой под действием спин-поляризованного тока (1).

^ = ЯМхНс(т]-^[мх[мхНе//1-^[Мх[МхтгеГ] 0)

Где М намагниченность незакрепленного слоя, Нейг эффективное поле, тгеГ единичный вектор намагниченности закрепленного слоя, I нормированный ток электронов, а константа затухания Гильберта, у гиромагнитное отношение. Обсуждаются магнитные материалы спинтроники: металлы, сплавы Гейслера, полупроводники, особенности зонной структуры и способы их получения. Описаны эффекты спинового транспорта и спиновой аккумуляции в магнитных гетероструктурах (Рис.1).

РМ1 N РМ2

Рис.1

Профиль исследуемой структуры: N - промежуточный слой го немагнитного металла, РМ[ - ферромагнитный слой с закрепленной намагниченностью Мь РМ2 - ферромагнитный слой с незакрепленной намагниченностью М2.

Для рассмотрения задачи спинового транспорта используется диффузионный и баллистический подход. Как основные явления, являющиеся следствием переноса спина, рассмотрены - магнитное переключение, генерация микроволн и движение доменных границ. Детально рассматриваются условия и границы существования данных явлений. Наболее практически значимые способы наблюдения спинтранспортных процессов - это измерение магнитосопротивления

спин-вентильных структур. Поэтому в главе приведен краткий обзор магниторезистивных эффектов: анизотропное магнитосопротивление (AMC), гигантское магнитосопротивление (ГМС), а также туннельное магнитосопротивление (ТМС).

Вторая глава посвящена полевому перемагничиванию спин-вентильных структур. Проводится моделирование гистерезисных кривых трехслойного магниточувствительного элемента, согласующееся с данными эксперимента (Рис.2).

м/м„

м/м„

н,э

Рис.2

а) теоретическая кривая зависимости намагниченности от поля спин-вентильного элемента кольцевой формы, 1 - область с противонаправленной конфигурацией, 2 - область с возникновением баркгаузеновских скачков. На врезке - кривая гистерезиса магнитосопротивления в зависимости от поля

б) экспериментальная кривая зависимости намагниченности от поля.

Численные расчеты, моделирующие процессы перемагничивания элементов прямоугольной формы, показали, что форма составляющих элементов туннельных магнитных структур, их геометрические размеры существенно влияют на их гистерезисные свойства и термостабильность их работы. Наличие близких по энергии остаточных магнитных состояний может приводить к термоактивационной нестабильности порогов переключения, особенно в элементах больших размеров. Уменьшение размеров структур, особенно толщины составляющих

слоев существенно снижает характерные поля перемагничирания. В главе описывается технологический маршрут изготовления спин-вентильных гетероструктур. Методом магнетронного напыления и ионмо-лучевого травления были сформированы тестовые матричные структуры многослойных элементов спин-вентильного типа. Путем измерения магнитооптического эффекта Керра наблюдались петли магнитного гистерезиса. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных кривых намагничивания, которое показало их качественное согласие, а также возможность изменять наклон гистерезиснои кривой, размер области линейности намагничивания и задержки в антипараллельном стоянии путем вариации формы и соотношения толщин элементов.

Также в главе проведены теоретические и экспериментальные исследования магнитных свойств спин-вентильных туннельных мапштопленочных структур и сделан расчет чувствительности мостовой схемы Уитстона на основе магниторезистивных элементов с учетом собственных шумов и шумов предусилителя. В режиме постоянного тока сигнал зависит только от магнитосопротивления, а от сопротивления образца не зависит, что означает меньшую температурную нестабильность датчика, связанную с тепловым дрейфом. Минимальное обнаружимое поле для туннельного спинового

вентиля Нтп] =3-Ю"50е.

Третья глава посвящена анализу уравнений статики и динамики намагниченности. Проводится теоретический анализ состояний статического и динамического равновесия спинов в тонком слое проводящего наностолбика с двумя магнитными слоями, один из которых имеет закрепление намагниченности. Анализ проводится в рамках модели макроспина при учете эффекта передачи вращательного момента Слончевского-Берже. Рассматриваются магнитные состояния при отсутствии магнитного поля. Спиновая динамика системы определяется ее фазовым портретом, который показывает области влияния стационарных точек и предельных циклов прецессии на ее фазовой сфере | М |= const . Анализ показывает, что на фазовой плоскости существует до шести особых точек в зависимости от значений тока, величины и ориентации магнитного поля. Так, при нулевом токе в отсутствие магнитного поля имеются два устойчивых фокуса в точках М = ±Ms, соответствующих координатам ( в = /т/2 ,i/7 = 0) и (в = njl ,<р = л), «северный» и «южный»

неустойчивые фокусы в точках (0 = 0) и (6 = я) и два седла на «экваторе» сферы в точках (в = тг/2 , <р = ±я/2 ).

Диаграмма стационарных спиновых состояний в незакрепленном магнитном слое наностолбика на плоскости нормированных переменных ток-поле при внешнем поле а) параллельном легкой оси Н К n,s б) перпендикулярном легкой оси H±n,s. J„ -пороговые токи бифуркаций.

Рассчитаны бифуркационные диаграммы устойчивости магнитных состояний в зависимости от тока и поля в наиболее актуальной области их изменения как для случая НЦп.в (Рис.За ), так и для Н±п,з

(Рис.36). Параметры нормировки: У0 =1.52-101А/ст2, Нй=\ООООе. Сплошные и прерывистые линии определяют границы, где происходят бифуркационные изменения равновесных состояний в фазовом пространстве спиновой динамической системы: сплошные линии определяют критические токи потери устойчивости равновесных стационарных состояний, штриховыми линиями ограничены области существования устойчивых прецессионных циклов, пунктирными -неустойчивых циклов. Обсуждается токовая зависимость частоты прецессии для параллельного и перпендикулярного направления поля (Рис.4).

Рис.4

Токовая зависимость изменения частоты прецессии спинов вдоль штрих-пунктирной линии АА' бифуркационной диаграммы а) при параллельном поле б) при перпендикулярном поле.

Параметры нормировки: У0 = 52 Л01 Л!ст2, ю0 =17.54СНг.1„-пороговые токи бифуркаций.

Приводятся результаты микромагнитного моделирования с учетом неоднородного распределения намагниченности в образце в сравнении с моделью однородного распределения - макроспина (Рис.5).

Показано, что в магнитном слое конечных размеров, начиная с некоторого критического тока, возникают сильно неоднородные осцилляторные моды, вихревые и доменоподобные состояния.

Фазовая диаграмма: сплошная линия - с учетом неоднородного распределения намагниченности, пунктирная - однородное распределение. Состояния равновесия: Рб - параллельное, АРэ -антипараллельное, Уб - вертикальное, О - слабоамплитудная прецессия, 00 - сильноамплитудная прецессия, Мс1о -мультидоменная прецессия. ^(±1) - пороговые токи многомодовых возбуждений.

Также анализируется динамика двухподрешеточного ферримагнитного слоя. Проводится теоретический анализ стационарных состояний равновесия для слоистой магнитной структуры, состоящей из трех проводящих магнитных слоев, разделенных немагнитными проводящими прослойками и переходы между ними при прохождении спин-поляризованного тока с учетом эффекта переноса вращательного момента в модели Слончевского-Берже. Показано, что в случае одинаковых иамагниченностей насыщения тонких слоев (антиферромагнитное поведение) исходное коллинеарное состояние

намагниченностей вдоль оси анизотропии при совпадении токовой поляризации и направления намагничивания первого слоя мягко меняется на равновесную прецессию спинов вокруг этой оси. Асимметрия намагниченностей слоев (ферримагнитная динамика) приводит к возникновению области смены статических состояний намагничивания без прецессии. Проделанный сравнительный анализ показывает, что антиферромагнитное подключение второй намагниченности кардинальным образом изменяет как пороги переключения состояний, так и перехода в состояние спиновой прецессии.

Четвертая глава посвящена влиянию шумов и флуктуаций на спиновую динамику. Обсуждаются полученные редуцированные уравнения медленной эволюции фазы и огибающей амплитуды колебаний спинов, возникающих в незакрепленном магнитном слое спинтронного наногенератора при протекании через него спин-поляризованного тока выше порогового значения. На основании полученных уравнений проведен анализ характера рождения циклических колебаний в критической точке в зависимости от магнитного поля.

Также обсуждаются особенности спектральной интенсивности сигнала основной гармоники спинового автогенератора, обусловленного изменением магнитосопротивления слоистой структуры с учетом тепловых шумов (вставка на Рис.6). Показано, что из-за неизохронности автоколебаний возникает асимметрия формы спектральной линии, характер которой может меняться при приближении к точке рождения цикла. Спектральная линия при этом уширяется, а добротность колебаний падает. Под влиянием шума линии бифуркации, ограничивающие область автоколебаний, могут сдвигаться, а также может происходить тепловое смешивание стационарных спиновых состояний и возникать эффекты межмодового переброса. В главе обсуждаются наиболее часто используемые гетероструктуры, в которых наблюдается микроволновая генерация, такие как Со/Си/Со, Со/Си/РеЬИ и т.д. При этом предложен собственный технологический маршрут изготовления наноразмерного спинтронного генератора (НСТГ). В качестве основных рабочих характеристик НСТГ рассматриваются частота, мощность и добротность колебаний. Особенностью НСТГ является возможность токовой перестройки частоты. Под действием теплового шума также изменяется поведение спин-вентильной динамической системы, а это в свою очередь

отражается на токовой зависимости частоты осцилляций НСТГ. Происходит смещение частоты в сторону уменьшения. Но также можно наблюдать и повышение частоты. Это связано с тем, что под действием шумов намагниченность выбивается из метастабильного состояния равновесия.

Зависимость добротности НСТГ от спин-поляризованного тока. На вставках зависимость: мощности от частоты автоколебаний; частоты автоколебаний от спин-поляризованного тока.

Рассчитана мощность и ширина спектральной линии колебаний НСТГ при заданных значениях тока и поля. Значение мощности составляет нескольких сотен пВт (вставка на Рис.6). Если рассматривать НСТГ в идеальных условиях, то есть без учета шумов и флуктуаций, то спектральная функция будет иметь острый пик бесконечно малой толщины. Но в реальных условиях окружающей среды спектральная линия изменяется, происходит ее уширение. О качестве генератора можно судить по параметру добротности = Для НСТГ значение С2 может достигать 600. При этом значение добротности в зависимости от тока имеет экстремальный характер (Рис.6). Главным недостатком

НСТГ является низкая мощность излучения. Решением этой проблемы является синхронизация нескольких осцилляторов, которая позволит усилить эмиссию на заданной частоте.

Также в главе рассмотрены основные практические приложения НСТГ: мобильная связь и беспроводные соединения. Мощность синтезаторов опорной частоты используемых в современных мобильных устройствах на основе ЬС-контуров составляет доли мВт, а добротность 100-200. При синхронизации массива спинтронных генераторов можно получить такого же порядка значение мощности на заданной частоте. В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации.

Основные результаты и выводы диссертации:

1. Проведенный бифуркационный анализ уравнений магнитодинамики спиновой системы слоистой магнитной структуры с одним незакрепленным слоем и токо-полевых диаграмм состояний равновесия показал, что при заданном закреплении намагниченности нижнего слоя диаграмма состояний равновесия намагниченности на плоскости ток-поле в случае поля параллельного оси анизотропии полностью асимметрична относительно направления магнитного поля. Симметрия восстанавливается путем переполяризации толстого слоя с закрепленной намагниченностью. При перпендикулярном направлении магнитного поля в плоскости слоя подобная диаграмма симметрична относительно изменения знака поля. Как в случае Н||п,8, так и при Н _1_ п,з на диаграмме ток-поле имеются области, где отсутствуют равновесные особые точки и существуют только прецессионные равновесные состояния. С ростом магнитного поля прецессионные состояния, в конце концов, исчезают в обоих случаях. На форму кривых токового гистерезиса намагниченности при Шп^ влияют не только переходы между особыми точками и прецессионными циклами, но и дрейф особых точек в магнитном поле. Вариация параметра затухания может приводить к исчезновению области прецессии спинов при отрицательных токах.

2. Имеются несколько различных типов бифуркаций в системе, определяющих механизмы мягкого и жесткого рождения-исчезновения, а также слипания циклов прецессии. При этом мягкое рождение характеризуется конечной частотой прецессии в цикле, а жесткое рождение и слипание циклов сопровождаются обращением частоты прецессии в нуль. В случае Н || п,з имеется область прецессии, в

которой происходит рождение двух циклов прецессии из одного. В этой области происходит немонотонное изменение частоты прецессии с ростом тока. При НХп.э в области не слишком малых полей этого явления не возникает и изменение частоты носит монотонный характер. Увеличение магнитного поля в обоих случаях приводит к падению частоты прецессии. Основная особенность перпендикулярного намагничивания полем заключается в отсутствии возникновения двухмодовой прецессии вокруг северного и южного полюсов при положительных токах и наличие подобной прецессии в области отрицательных токов. В случае параллельного намагничивания в области полей, превышающих поле анизотропии подобная прецессия возможна только при положительных токах.

3. Найденное выражение для ширины спектральной линии показывает ее уширение из-за эффекта неизохронности колебаний. При приближении к пороговому току генерации из-за падения параметра "прочности" цикла до нуля в точке бифуркации ширина линии резко возрастает. При этом в случае жесткого рождения цикла параметр "неизохронности" колебаний остается конечным, и поэтому форма линии асимметрична также и при пороговом значении тока. Ширина линии автогенератора обратно пропорциональна мощности спиновых колебаний и корню из мощности снимаемого сигнала. При приближении к точке рождения цикла добротность автоколебаний падает. Величина добротности пропорциональна объему незакрепленного магнитного слоя наностолбика. Рост толщины слоя увеличивает пороговое значение тока генерации. Увеличение магнитного объема наногенератора за счет поперечных размеров приводит к нарушению монодоменности и возникновению многомодовости и пространственной неоднородности колебаний. Возникновение пространственной неоднородности и многомодовости влечет за собой падение синхронности и добротности колебаний и появление других нелинейных явлений, таких как конкуренция мод, биения колебаний и динамическая стохастизация.

4. Вариация формы и соотношения размеров элементов влияют на характеристики намагничивания. Проведенные микромагнитные расчеты показали, что в случае больших размеров магнитных элементов процессы перемагничивания характеризуются формированием и исчезновением квазидоменных структур путем перемещения вихревых образований на их стыке. Расчеты для структур малых размеров показали, что на гистерезисной кривой намагничивания вдоль легкого

направления проявляются два эффекта - образование промежуточной противонаправленной конфигурации намагничивания в слоях и краевое закрепление спинов на протяженных участках элементов вытянутой формы (прямоугольники и шестиугольники), проявляющиеся в возникновении баркгаузеновских скачков на гистерезисной кривой. При уменьшении планарных размеров элементов (до 0.5х0.2мкм) уменьшается число баркгаузеновских скачков, и возрастают критические поля полного перемагничивания из-за увеличения форм-фактора. Знак и величина минимального критического поля перехода в антинаправленное состояние зависят от соотношения поля анизотропии магнитомягкого слоя и магнитостатического поля смещения, создаваемого магнитожестким слоем. Последнее существенно зависит от относительной толщины магнитожесткого слоя и толщины немагнитной прослойки, что важно при выборе рабочей точки магнитного датчика при его использовании как детектора наночастиц. Проведенные магнитооптические измерения гистерезиса намагничивания спин-вентильных элементов вытянутой и кольцевой формы показали, что кольцевые структуры обладают большей изотропией характеристик намагничивания, и большим диапазоном линейности по сравнению с вытянутыми структурами, но обладают меньшей чувствительностью к магнитному полю. Путем вариации формы и соотношения толщин элементов можно менять наклон гистерезисной кривой, размер области линейности намагничивания и задержки в антипараллельном стоянии, что важно при проектировании как магниточувствительных преобразователей в датчиках магнитного поля, так и магниторезистивных элементов, предназначенных для запоминающих и логических устройств.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. В.И.Корнеев, А.Ф.Попков, М.Ю.Чиненков. Стационарные состояния намагниченности тонкого магнитного слоя наностолбчатой многослойной структуры при действии спин поляризованного тока и магнитного поля. // Физика Твердого Тела, т. 51, вып. 1, с. 118-128 (2009).

2. А.В.Горячев, Н.А.Дюжев, А.М.Медников, А.Ф.Попков, Ф.А.Пудонин, М.Ю.Чиненков. Влияние формы спин-вентильных

элементов на их магнитные и магниторезистивные характеристики. // Известия Вузов. Электроника, вып. 1, с. 33-39 (2009).

3. А.Ф.Попков, М.Ю.Чиненков. "Влияние тепловых флуктуаций на автоколебания спинов в микроволновом наногенераторе". // Письма в ЖЭТФ, том 88, вып. 8, с. 624-628. (2008).

4. А.Ф.Попков, М.Ю.Чиненков. Особенности спиновой динамики в наностолбчатой проводящей структуре под действием спин-поляризованного тока. II Межвузовский сборник научных статей «Структурные и динамические эффекты в упорядоченных средах», Уфа: РИЦ БашГУ, 2009г. стр. 84-93.

5. М.Ю. Чиненков, А.Ф. Попков, Н.В. Островская. Расчет токово-полевых диаграмм микромагнитных состояний слоистой магнитной структуры спин-вентильного типа. // Сборник научных трудов «Нанотехнологии в электронике», Москва, МИЭТ, 2007г. стр. 11-18.

6. А.Ф. Попков, В.И. Корнеев, М. Ю. Чиненков. Особенности уширения спектральной линии спиновых автоколебаний в наностолбчатой магнитной структуре при вариации магнитного поля и тока. // XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ-21), 28 июня - 4 июля 2009 г., Москва, стр. 171-173.

7. М.Ю.Чиненков, Особенности полевой и токовой перестройки частоты и ширины линии автоколебаний в микроволновом наногенераторе при учете теплового шума. // Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009», 22-24 апреля 2009г., Москва, МИЭТ. стр. 26.

8. В.И. Корнеев, А.Ф. Попков, М.Ю. Чиненков. Токовое переключение магнитных состояний и возбуждение автоколебания спинов в наностолбчатой спин-вентильной структуре в магнитном поле. // Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008», 25-27 ноября 2008г., Москва, МИЭТ, стр. 21-22.

9. M.Yu. Chinenkov, A.V. Khvallcovskiy, A.F. Popkov, K.A. Zvezdin, A.K. Zvezdin. Macrospin and micromagnetic approaches for simulation of magnetic dynamics exited by the spin torque effects in layered magnetic nanostructures. // Moscow International Symposium on Magnetism "MISM 2008", Moscow, June 20-25, 2008. Book of Abstracts p. 491-492.

10. М.Ю.Чиненков, Зависимость магнитных и магниторезистивных характеристик спин-вентильных элементов от формы и размеров. // Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008», 23-25 апреля 2008г., Москва, МИЭТ. стр. 27.

11. М.Ю.Чиненков, А.В.Хвальковский, К.А.Звездин, А.К.Звездин, А.Ф. Попков, Индуцированная током динамика спинов в проводящей магнитной наноструктуре. // XII международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 10-14 марта 2008 г, Н.Новгород, стр. 293-294.

12. Н.Е. Кулагин, А. Ф. Попков, Д.А. Попов, М. Ю. Чиненков. Токовый перенос вращательного момента и стационарные состояния в ферро и антиферро-магнитной структуре. // XI международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 10-14 марта 2007г., Н.Новгород. Стр. 142-146.

13. М.Ю. Чиненков. Моделирование токового переключения наностолбчатых спин-вентильных магнитных структур. // Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», 18-20 апреля 2007г., Москва, МИЭТ. стр.23.

14. V.I.Korneev, N.E.Kulagin, A.F.Popkov, D.A.Popov, M.Yu.Chinenkov. Features of spin dynamics induced by spin-polarized current in ferro- and antiferromagnetic multilayered structure in the model of macrospin. // Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007), august 23- 26, 2007, Kazan. P. 39.

15. A.V. Khvalkovskii, K.A. Zvezdin, M.Yu. Chinenkov. Current-induced magnetization dynamics of nanopillars: macrospin vs. micromagnetic approaches. // Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007), august 23- 26, 2007, Kazan. P. 33.

16. M.Yu. Chinenkov, A.F.Popkov, A.V. Khvalkovskii, A.V. Goryachev. Influence of the shape of spin-valve patterns on their magnetic and magnetoresistive properties. // Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007), august 23- 26, 2007, Kazan. P. 44.

17. В.И. Корнеев, А.Ф. Попков, М.Ю. Чиненков. Особенности индуцированной током динамики спинов в проводящей планарной структуре с магнитными слоями. // XVI Международная конференция по постоянным магнитам (МКПМ-2007), 17-21 сентября 2007 г., Суздаль. Стр. 90-91.

18. М.Ю. Чиненков, А.В. Горячев, A.M. Медников, А.Ф. Попков. Влияние формы спин-вентильных элементов на их магнитные характеристики. // XVI Международная конференция по постоянным магнитам (МКПМ-2007), 17-21 сентября 2007 г., Суздаль. Стр. 88-89.

19. V.I.Korneev, N.E.Kulagin, A.F.Popkov, D.A.Popov, M.Yu.Chinenkov. Magnetodynamics features in spin-valve structure under torque transfer. // International Conference "Functional Materials" (ICFM-2007), october 16, 2007, Ukraine, Crimea. P. 316.

20. H.E. Кулагин, А. Ф. Попков, Д.А. Попов, M. Ю. Чиненков. Влияние спин-поляризованного тока на стационарные состояния намагничивания слоистой структуры: ферро- и антиферромагнитная динамика. // Новые магнитные материалы микроэлектроники (НМММ-20) 12 июня - 16 июня 2006 г., Москва. Стр 168-169.

21. М. Ю. Чиненков. Разработка магниторезистивных сенсоров для датчика магнитного поля. // Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника 2006», 30 ноября 2006 г., Москва, МИЭТ. Стр. 35.

22. М.Ю. Чиненков, А.Ф. Попков. Неоднородное перемагничивание спин-вентильной магнитной структуры током. // XV Международная конференция по постоянным магнитам (МКПМ-2005), 19-23 сентября 2005 г. Суздаль. Стр. 184-185.

Цитируемая литература

1. Swagten, H.J.M. Spin-dependent tunneling in magnetic junctions. Handbook of magnetic materials: Book, Amsterdam : Elservier, 2008 - P. 1121.

2. Current-driven excitation of magnetic multilayers / Slonczewski, J. / J. Magn. Magn. Mat. - 1996 - V. 159, P. L1-L7.

3. Emission of spin waves by magnetic multilayer traversed by a current / Berger, L. / Phys.Rev.B - 1996 - V. 54, P. 9353-9358.

4. Magnetically engineered spintronics sensors and memory. Parkin, S., Jiang, X. и Kaiser, C. / Proceeding of the IEEE - 2003 - V. 91, № 5 - P. 661680.

5. Design and performance of GMR sensors for the detection of magnetic microbeads in biosensors. Rife, J. C. et al / Sensors and Actuators A: Physical - 2003 - V. 107, №3 - P.209-218

6. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники. Ферт, А. У Успехи физических наук-2008 -Т. 178, №12 - стр. 1336-1348.

7. Spintronics: Fundamentals and applications. Zutic, I., Fabian, J. и Sarma, S. D. / Reviews of modem physics - 2004 - V. 76 - P. 323-410.

8. New magnetic compounds with Heusler and Heusler-related structures. Suits, I. C. / Phys. Rev. B- 1976 -V. 14,№9-P. 4131.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л.^й Тираж/0 0 экз. Заказал?

Отпечатано в типографии ИПКМИЭТ.

124498, Москва, г.Зеленоград, проезд480б, д.5, МЙЭТ.

2007246111

2007246111

Содержание.

Введение.

1. Глава 1. Магнетизм и спиновый транспорт в металлических и полупроводниковых гетероструктурах.

1.1 Природа магнетизма твердых тел.

1.2 Перенос спина в металлических и полупроводниковых материалах.

1.3 Магнитодинамика и передача вращательного момента в спин-вентильных структурах.

1.4 Баллистический механизм передачи вращательного момента: рассеяние спипов на интерфейсе слоев.

1.5 Диффузионный механизм передачи вращательного момента: спиновая аккумуляция.

1.6 Магниторезистивный эффект.

1.7 Переключение магнитных состояний.

1.8 Генерация микроволн в результате переноса спина.

1.9 Динамика доменных границ.

1.10 Ферромагнитные полупроводники.

2. Глава 2. Особенности полевого перемагничивания.

2.1 Влияние формы спин-вентильной структуры на ее магниторезистивные свойства.

2.2 Технология изготовления спин-вентильных структур.

2.3 Предельная чувствительность магниторезистивного датчика на основе спин-вентильных элементов.

2.4 Выводы.

3. Глава 3. Анализ уравнений статики и динамики намагниченности наностолбчатой многослойной структуры при протекании тока.

3.1 Исходные уравнения и модельные предположения.

3.2 Магнитные состояния в отсутствие магнитного поля.

3.3 Магнитные состояния при параллельном легкой оси поле.

3.4 Магнитные состояния при перпендикулярном легкой оси поле.

3.5 Спиновая динамика с учетом неоднородного распределения намагниченности.

3.6 Динамика двухподрешеточного ферримагнитного слоя при протекании спин-поляризованного тока.

3.7 Выводы.

4. Глава 4. Влияние шумов и флуктуаций на спиновую динамику.

4.1 Токовая перестройка частоты спинтронного микроволнового автогенератора.

4.2 Редуцированные уравнения описания слабоамплитудных автоколебаний спинов.

4.3 Спектральная функция сигнала спиновых автоколебаний.

4.4 Наноразмерный спинтронный генератор электромагнитного излучения.

4.5 Выводы.

Спинтроника - перспективное направление микро- и наноэлектроники, интенсивно развивающееся в самостоятельную область фундаментальных и прикладных исследований, где за основу берется эффект спинового транспорта в ферромагнитных гетер оструктур ах. Спинтроника сочетает достоинства металлической и полупроводниковой электроники (управление электрическими и оптическими свойствами электрическим полем) с достоинствами магнитной электроники [(1)] ( управление магнитным полем, энергонезависимость). Используя последние достижения в области магнетизма и магнитных технологий станет возможным, например, объединить элементы памяти и логики, детектирования и обработки сигнала на одном чипе, который заменит несколько отдельных устройств. Опираясь на платформу динамично развивающейся нанотехнологии, устройства спинтроники формируют эффективную элементную базу, на основе которой появится возможность произвести прорыв в информационных технологиях, микромеханике, биомедицине и технологиях, связанных с высокопрецизионными измерениями.

В связи с освоением характерных литографических размеров наиометрового диапазона в магнитной электронике существенную роль приобретают мезоскопические явления. Значительная часть исследований в рамках наномагнетизма посвящена изучению транспортных свойств магнитных нанообъектов с учетом особенностей микроскопического магнетизма индивидуальных атомов и макроскопического магнетизма кристаллических тел, так называемых мезоскопических магнитов. Эти исследования важны для установления предельных свойств мезоскопических магнитов и, значит, определения достижимых границ миниатюризации современных электронных приборов и элементов памяти. Наибольший интерес привлекают к себе эффекты гигантского (туннельного) магнитосопротивления [(2), эффекты спиновой инжещии и переноса спина [(3), (4), (5)], а также фотоспиновый эффект и спиновый эффект Холла [(6)]. Изучение процессов полевого и токового перемагничивания [(7)] слоистых ферромагнитных структур с наноразмерными элементами является актуальной задачей для разработки базовых элементов спинтроники, перспективных для создания энергонезависимой 4 магниторезистивной памяти (magnetic random access memory - MRAM) [(8)], для создания микро- и наноразмерных магниточувствительных сенсоров, предназначенных для широкого применения в технике, включая микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems - MEMS) [(9)], а также для создания наноразмерных генераторов микроволнового излучения на основе переноса спина (spin torque nanooscilator - STNO) [(10)]. Изучение явления переноса спина, влияющего на динамику намагниченности, является сегодня одним из наиболее многообещающих направлений в спинтронике, ввиду оптимизации параметров спинтронных устройств, в связи с чем возникает ряд различных теоретических задач. Например, задача расчета вращательного момента в магнитной системе при переносе спинов в слоистых структурах связана с решением уравнений спинового транспорта и анализа мезоскопических явлений переноса спина, а описание переключения или прецессии намагниченности требует решения задач нелинейной динамики. Следует подчеркнуть, что явления спин-зависимого транспорта с точки зрения кинетической теории, учитывающей влияние обменного смещения на энергетические спектры носителей заряда в зонах проводимости, являются с точностью до параметров материала практически эквивалентными для магнитных полупроводников и проводящих металлов [(11)]. Очень перспективными материалами здесь являются сплавы Гейслера, имеющие металлический и полупроводниковый характер электронного спектра для зарядовых носителей, различающихся спиновой ориентацией [(12), (13)]. Несмотря на большое количество работ, посвященных проблематике спинового транспорта и индуцированной динамике спинов, многие аспекты этой теории остаются недостаточно неизученными. Не до конца исследованы, в частности, возможные области устойчивых состояний намагниченности слоистых структур при действии спин-поляризованного тока и внешнего магнитного поля различного направления. Генерация колебаний в микроволновом диапазоне приведет к разработке генераторов на эффекте переноса спина, но еще остается неясной до конца степень влияния тепловых флуктуаций на добротность колебаний. Актуальными вопросами здесь являются особенности магнитодинамики и частотной перестройки микроволновых спиновых автоколебаний при вариации тока, магнитного поля, геометрических и магнитных параметров слоистых структур, а также вопросы влияния на спиновые автоколебания тепловых флуктуации спинов в слоях наноструктуры. Анализ условий получения максимальной мощности и добротности микроволновых колебаний и связанные с ними исследования являются одними из первостепенных при разработке спинтронного микроволнового наногенератора. Как скажется геометрия магнитных элементов и значения параметров структуры, связанных с физическими свойствами материалов, на магнитных и магниторезистивных характеристиках спин-вентильных структур -также представляет интерес для проектирования сенсоров магнитного поля. Все вышесказанное определяет актуальность темы данной работы, а таюке цель, которая заключается в изучении процессов намагничивания, переноса спина и вращательного момента, а также сопутствующих мезоскопических явлений в спин-вентильных структурах с наноразмерными ферромагнитными слоями, перспективными для создания наноразмерных устройств спинтроники.

В диссертации были решены следующие конкретные задачи:

1. исследование устойчивости стационарных состояний незакрепленной намагниченности в слоях наностолбчатой многослойной структуры при действии спин-поляризованного тока и магнитного поля;

2. сравнительный анализ микромагнитной и макроспиновой моделей при изучении индуцированной током динамики спинов в проводящей магнитной наноструктуре эллиптической формы;

3. расчет зависимости частоты автоколебаний намагниченности от спин-поляризованиого тока в микроволновом наногенераторе;

4. исследование влияния тепловых флуктуаций на автоколебания спинов в микроволновом наногенераторе;

5. изучение влияния прямоугольной, шестиугольной и кольцевой формы спин-вентильных элементов на их магнитные и магниторезистивные характеристики.

Аналитические исследования поведения модели описывают основные тенденции, но для реальных систем позволяют получить результат лишь в частных случаях.

Как правило, возникает задача решения систем дифференциальных уравнений в частных производных с последующей обработкой полученных данных. Поэтому 6 основным инструментом исследования в работе является компьютерное моделирование, основанное на разработке и применении пакетов прикладных программ и вычислительных алгоритмов.

Личный вклад автора определен непосредственным участием в постановке и решении магнитодинамических задач, проведении численных расчетов как с помощью компьютерного пакета программ SpinPM (ИОФАН им. Прохорова), так и посредством реализации собственных программ; непосредственное участие в апробации технологического маршрута изготовления спин-вентильных структур.

В диссертационной работе впервые:

1. Проведен детальный бифуркационный анализ токового переключения спин-вентильных структур для разных направлений магнитного поля. Определены граничные области прецессии и стационарных состояний намагниченности, что ранее не проводилось.

2. Проведен математический анализ токового переключения намагниченности благодаря явлению переноса вращательного момента, позволивший провести сравнение макроспиновой модели с более сложной микроспиновой магнитодинамической моделью. Определены критические значения спин-поляризованного тока, при которых происходит переход от одномодового режима колебаний спинов к многомодовому.

3. Впервые проанализирована динамика двухподрешеточного ферримагнитного слоя. Показано, что в случае одинаковых намагниченностей насыщения тонких слоев исходное коллинеарное состояние намагниченностей вдоль оси анизотропии при совпадении токовой поляризации и направления намагничивания первого слоя мягко меняется на равновесную прецессию спинов вокруг этой оси, а асимметрия намагниченностей слоев приводит к возникновению области смены статических состояний намагниченности без прецессии. В сравнении с ферромагнитной динамикой наблюдается более сложная бифуркационная картина, вследствие увеличения числа вариантов стационарных состояний равновесия.

4. Впервые проведены расчеты уширения спектральной линии микроволновых автоколебаний спинов на основе редуцированных уравнений нелинейной магнитодинамики с учетом бифуркационных особенностей поведения магнитной подсистемы в условиях спинового транспорта, позволившие получить аналитическое описание особенностей автоколебаний и уширения резонансной кривой и определить области справедливости этого описания.

5. Новым результатом является проведенный в диссертации сравнительный анализ зависимости магнитного отклика, определяющего чувствительность спин-вентильных элементов к магнитному полю, от соотношения геометрических параметров и формы спин-вентильной структуры.

Практическая значимость результатов:

Исследуемые в работе структуры с наноразмерными ферромагнитными слоями представляют значимый практический интерес. В зависимости от выбора немагнитной прослойки - диэлектрик или проводник, подобные структуры можно применять для создания следующих спинтронных устройств:

1. Генератор микроволновых колебаний. Устройство обеспечивает возможность поддержания током прецессии спинов и может использоваться для создания спинтронных наноразмерных генераторов напряжения в сверхвысокочастотном диапазоне, перестраиваемых по частоте не только магнитным полем, но и током. Используя рассчитанные в работе фазовые диаграммы, можно выбирать оптимальные режимы генерации автоколебаний. Апробирован технологический маршрут изготовления подобных автогенераторов на основе наноконтактов.

2. Элемент памяти. Возможность сохранять два стабильных состояния равновесия в зависимости от ориентации намагниченности перспективна для создания энергонезависимой магниторезистивной памяти. Проведенное исследование бифуркаций в динамической системе магнитной ячейки памяти показывает возможность снижения токов переключения логических состояний при вариации физических параметров структуры.

3. Сенсор магнитного поля. Устройство обеспечивает детектирование малых магнитных полей и предназначено для широкого применения в технике, включая микромеханику: акселерометры, датчики вращения перемещения, трения, давления; а также в качестве датчиков магнитных наночастиц, био- и молекулярных сенсоров. Проведенное исследование влияния формы и соотношения толщин элементов показало, что можно управлять наклоном гистерезисной кривой намагничивания путем изменения формы и толщин образующих слоев, тем самым изменяя чувствительность и область линейности магнитного сенсора. Проработан технологический маршрут изготовления подобных структур.

Следует отметить, что важным прикладным аспектом функциональных элементов являются нанометровые размеры, что имеет особо важное значение при проектировании устройств наноэлектроники. Проведенные в диссертационной работе результаты использованы в отчетных материалах фундаментальных и прикладных НИР, проводившихся в ФГУП «НИИФП им. Ф.В.Лукина» по разработке физических принципов конструирования и технологии формирования интегральных магниторезистивных элементов туннельного типа для магнито-сенсорных устройств повышенной чувствительности, а также внедрены в программу специализированного курса лекций учебной дисциплины по спинтронике для студентов старших курсов базовой кафедры МФТИ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Работа составляет 137 страниц, включает 60 рисунков и 5 таблиц. Библиографический список насчитывает 185 наименований.

4.5 Выводы

Впервые проведены расчеты уширения спектральной линии микроволновых автоколебаний спинов на основе редуцированных уравнений нелинейной магнитодинамики с учетом бифуркационных особенностей поведения магнитной подсистемы в условиях спинового транспорта, позволившие получить аналитическое описание особенностей автоколебаний и уширения резонансной кривой и определить области справедливости этого описания. Проработана Редуцированная модель спектральной интенсивности сигнала основной гармоники спинового автогенератора с учетом тепловых шумов в спиновой подсистеме и особенности уширения спектральной линии микроволновых колебаний, связанные с бифуркационными изменениями в магнитодинамике спинов при вариации тока и магнитного поля при приближении к точке рождения цикла. В зависимости частоты, амплитуды и добротности автоколебаний намагниченности от спин-поляризованного тока наблюдается экстремальный характер поведения, который показывает принципиальную возможность оптимизации режима генерации микроволновых автоколебаний по мощности и частоте.

Заключение

Проведенные в диссертационной работе исследования процессов намагничивания, спинового транспорта и явлений магнитодинамики в наноразмерных планарных структурах е ферромагнитными слоями позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведенный бифуркационный анализ уравнений магнитодинамики спиновой системы слоистой магнитной структуры с одним незакрепленным слоем и токо-полевых диаграмм состояний равновесия показал, что при заданном закреплении намагниченности нижнего слоя диаграмма состояний равновесия намагниченности на плоскости ток-поле в случае поля параллельного оси анизотропии полностью асимметрична относительно направления магнитного поля. Симметрия восстанавливается путем переполяризации толстого слоя с закрепленной намагниченностью. При перпендикулярном направлении магнитного поля в плоскости слоя подобная диаграмма симметрична относительно изменения знака поля. Как в случае Н || s, так и при His на диаграмме ток-поле имеются области, где отсутствуют равновесные особые точки и существуют только прецессионные равновесные состояния. С ростом магнитного поля прецессионные состояния, в конце концов, исчезают в обоих случаях. На форму кривых токового гистерезиса намагниченности при Н ± s влияют не только переходы между особыми точками и прецессионными циклами, но и дрейф особых точек в магнитном поле. Вариация параметра затухания может приводить к исчезновению области прецессии спинов при отрицательных токах.

2. Имеются несколько различных типов бифуркаций в системе, определяющих механизмы мягкого и жесткого рождения-исчезновения, а также слипания циклов прецессии. При этом мягкое рождение характеризуется конечной частотой прецессии в цикле, а жесткое рождение и слипание циклов сопровождаются обращением частоты прецессии в нуль. В случае Н || s имеется область прецессии, в которой происходит рождение двух циклов прецессии из одного. В этой области происходит немонотонное изменение частоты прецессии с ростом тока. При HLs в области не слишком малых полей этого явления не возникает и изменение частоты носит монотонный характер. Увеличение магнитного поля в обоих случаях приводит к падению частоты прецессии. Основная особенность перпендикулярного намагничивания полем заключается в отсутствии возникновения двухмодовой прецессии вокруг северного и южного полюсов при положительных токах и наличие подобной прецессии в области отрицательных токов. В случае параллельного намагничивания в области полей, превышающих поле анизотропии подобная прецессия возможна только при положительных токах.

3. Найденное выражение для ширины спектральной линии показывает ее уширенис из-за эффекта неизохронности колебаний. При приближении к пороговому току генерации из-за падения параметра "прочности" цикла до нуля в точке бифуркации ширина линии резко возрастает. При этом в случае жесткого рождения цикла параметр "неизохронности" колебаний остается конечным, и поэтому форма линии асимметрична также и при пороговом значении тока. Ширина линии автогенератора обратно пропорциональна мощности спиновых колебаний и корню из мощности снимаемого сигнала. При приближении к точке рождения цикла добротность автоколебаний падает. Величина добротности пропорциональна объему незакрепленного магнитного слоя наностолбика. Рост толщины слоя увеличивает пороговое значение тока генерации. Увеличение магнитного объема наногенератора за счет поперечных размеров приводит к нарушению монодоменности и возникновению многомодовости и пространственной неоднородности колебаний. Возникновение пространственной неоднородности и многомодовости влечет за собой падение синхронности и добротности колебаний и появление других нелинейных явлений, таких как конкуренция мод, биения колебаний и динамическая стохастизация.

4. Вариация формы и соотношения размеров элементов влияют на характеристики намагничивания. Проведенные микромагнитные расчеты показали, что в случае больших размеров магнитных элементов процессы перемагничивания характеризуются формированием и исчезновением квазидоменных структур путем перемещения вихревых образований на их стыке. Расчеты для структур малых размеров показали, что на гистерезисной кривой намагничивания вдоль легкого направления проявляются два эффекта

- образование промежуточной противонаправленной конфигурации намагничивания в слоях и краевое закрепление спинов на протяженных участках элементов вытянутой формы (прямоугольники и шестиугольники), проявляющиеся в возникновении баркгаузеновских скачков на гистерезисной кривой. При уменьшении планарных размеров элементов (до 0.5х0.2мкм) уменьшается число баркгаузеновских скачков, и возрастают критические поля полного перемагпичивания из-за увеличения форм-фактора. Знак и величина минимального критического поля перехода в антинаправленное состояние зависят от соотношения поля анизотропии магнитомягкого слоя и магнитостатического поля смещения, создаваемого магнитожестким слоем. Последнее существенно зависит от относительной толщины магнитожесткого слоя и толщины немагнитной прослойки, что важно при выборе рабочей точки магнитного датчика при его использовании как детектора наночастиц. Проведенные магнитооптические измерения гистерезиса намагничивания спин-вентильных элементов вытянутой и кольцевой формы показали, что кольцевые структуры обладают большей изотропией характеристик намагничивания, и большим диапазоном линейности по сравнению с вытянутыми структурами, но обладают меньшей чувствительностью к магнитному полю. Путем вариации формы и соотношения толщин элементов можно менять наклон гистерезисной кривой, размер области линейности намагничивания и задержки в антипараллельном стоянии, что важно при проектировании как магниточувствительных преобразователей в датчиках магнитного поля, так и магниторезистивных элементов, предназначенных для запоминающих и логических устройств.

1. Кравченко, А. Ф. Магнитная электроника. Новосибирск : СО РАН, 2002. с. 400.

2. Swagten, H.J. М. Spin-dependent tunneling in magnetic junctions. Handbook of magnetic materials. Amsterdam : Elservier, 2008, pp. 1-121.

3. Current-driven excitation of magnetic multilayers. Slonczewski, J. 1996, J. Magn. Magn. Mat., Vol. 159, pp. L1-L7.

4. Emission of spin waves by magnetic multilayer traversed by a current. Berger, L. 1996, Phys.Rev.B, Vol. 54, pp. 9353-9358.

5. Excitation of a magnetic multilayer by an electric current. Tsoi, M., et al. 4281, 1998, Phys.Rev.Lett., Vol. 80.

6. Observation of the spin Hall effect in semiconductors. Kato, Y. K., et al. 2004, Science, Vol. 306, p. 1910.

7. Spin-polarized current induced switching in Co/Cu/Co pillars. Grollier, J., et al. 23, 2001, Appl. Phys. Lett., Vol. 78, pp. 3663-3665.

8. Magnetically engineered spintronics sensors and memory. Parkin, S., Jiang, X. and Kaiser, C. 5, 2003, Proceeding of the IEEE, Vol. 91, pp. 661-680.

9. Design and performance of GMR sensors for the detection of magnetic microbeads in biosensors. Rife, J. C., et al. 2003, Sensors and Actuators A.

10. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники. Ферт, А. 12, 2008, Успехи физических наук, Т. 178, с. 1336-1348.

11. Spintronics: Fundamentals and applications. Zutic, I., Fabian, J. and Sarma, S. D. 2004, Reviews of modern physics, Vol. 76, pp. 323-410.

12. New magnetic compounds with Heusler and Heusler-related structures. Suits, J. C. ed. 4131. 9, 1976, Phys. Rev. B, Vol. 14.

13. Исследование границ раздела сплав Гейслера-полупроводник. Еремеев, С. В., Кульков, С. С. and Кулькова, С. Е. 2, 2008, Физика твердого тела, Т. 50, с. 250-260.

14. Semiconductor spintronics. Fabian, J., et al. 4, 2007, Acta physica clovaca, Vol. 57, pp. 565-907.

15. Theoretical perspective on spintronics and spin-polarized transport. Sarma, S. D., et al. 5, 2000, IEEE Trans. Magn., Vol. 36, pp. 2821-2826.

16. The emergence of spin elecrtonics in data srorage. Chappert, C., Fert, A. and Van

17. Dau, F. N. 2007, NATURE, Vol. 6, pp. 813-823.125

18. Bipolar spintronics: from spin injection to spin-controlled logic. Zutic, I., Fabian, J. and Erwin, S. C. 165219, 2007, J. Physics: Cond. Matt., Vol. 19, pp. 1-23.

19. The emergence of spin elecrtonics in data srorage. C. Chappert, A. Fert, F.N. Van Dau. 2007, NATURE, Vol. 6, pp. 813-823.

20. Савельев, И.В. Курс общей физики, Электричество. 1983.

21. Ландау, Л. Д. and Лифшиц, Е. М. Теоретическая физика. Москва : Физматлит, 2002. с. 808. Т. III. Квантовая механика.

22. Вонсовский, С. В. Магнетизм. Москва : Наука, 1971. с. 1032.

23. Ашкрофт, IT. and Мермин, М. Физика твердого тела. 1975. Т. 1.

24. Иродов, И. Е. Квантовая физика. Основные законы. Москва : Бином, 2007. с. 256.

25. Киттель. Введение в физику твердого тела. 1978.

26. Крипчик, Г. С. Физика магнитных явлений. Москва : МГУ, 1976. с. 367.

27. Weiss, Р. 667 , 1907, J. Phys., Vol. 6.

28. Ландау, Л. Д. and Лифшиц, Е. М. Теоретическая физика. Москва : Физматлит, 2005. р. 650. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред.

29. Воротникова, Н. В. Кандидатская диссертация. Особенности перемагничивания однослойных и многослойных субмикронных тонкопленочных частиц. Москва, 1999.

30. Хвальковский, А. В. Кандидатская диссертация. Магнитные свойства и транспорт спин-поляризованных электронов в магнитных наноструктурах с доменными границами. Москва, 2006.

31. Чиненков, М. Ю. Компьютерное моделирование процессов перемагничивания в ферромагнитном образце. Бакалаврская работа. Москва, 2004.

32. Чиненков, М.Ю. Моделирование процессов полевого намагничивания и токового переключения микромагнитных состояний в проводящих микро- и нано-гетероструктурах. Магистерская работа. Москва, 2006.

33. Обобщенное уравнение Ландау-Лифшица и процессы переноса спинового момента в магнитных наноструктурах. Звездин, А. К., Звездин, К. A. and Хвальковский, А. В. 4, 2008, Успехи физических наук, Т. 178, pp. 436-442.

34. Spin torques in ferromagnetic / normal-metal structures. Xia, K., et al. 220401, 2001, Phys. Rev. B, Vol. 65.

35. Katine, J. A., et al. 2000, Phys. Rev. Lett., Vol. 84, p. 3149.

36. Spin-polarized current switching of a Co thin film nanomagnet. Albert, F. J., et al. 23, 2000, J. Appl. Phys. Lett, Vol. 77.

37. Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current. Kiselev, S. I., et al. 2003, Nature, Vol. 425, pp. 380-383.

38. Wegrowe, J. E., et al. 626, 1999, Europhys. Lett., Vol. 45.

39. Anatomy of spin-transfer torque. Stiles, M. D. and Zangwill, A. 014407, 2002, Phys.Rev. B, Vol. 66, pp. 1-14.

40. Self-consistent treatment of nonequilibrium spin torques in magnetic multilayers. Shpiro, A., Levy, P. M. and Zhang, S. 104430, 2003, Physical Review B, Vol. 67.

41. Current driven switching of magnetic layers. Heide, C., Zilberman, P. E. and Elliott, R. J. 064424, 2001, Phys.Rev.B, Vol. 63.

42. Possibility of increasing the efficiency of spin injection by current in magnetic junctions. Epshtein, E. M., et al. 9, 2007, J. Technical Physics, Vol. 52.

43. Индуцированное током давление на доменную стенку в спин-вентильной структуре: модель стонеровского ферромагнетика. Звездин, А. К. and Хвальковский, А. В. 4, 2007, ФТТ, Т. 49.

44. Magnetization dynamics with spin-transfer torque. Li, Z. and Zhang, S. 024404, 2003, Phys. Rev. B, Vol. 68.

45. Stiles, M. D. and Miltat, J. Spin transfer torque and dynamics, in Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III: Topics in Applied Physics 101. Berlin: Springer, 2006, pp. 225-308.

46. Phenomenological theory of current driven exchange switching in ferromagnetic nanojunctions. Epshtein, E. M., Gulyaev, Yu. V. and Zilberman, P. E. 2006.

47. Disturbance of spin equilibrium by current through the interface of noncollinear ferromagnets. Epshtein, E. M., Gulyaev, Yu. V. and Zilberman, P. E. 1, 2006, J. Magn. Magn. Mat., Vol. 312, pp. 200-204.

48. Создаваемая током инверсная заселенность спиновых подзон в магнитных переходах. Гуляев, Ю. В., et al. 3, 2007, Письма в ЖЭТФ, Т. 85, с. 192-196.

49. Current induced spin injection and surface torque in ferromagnetic metallic junctions. Elliott, R. J., et al. 5, 2005, J. Exp. and Theor. Phys., Vol. 100, pp. 1005-1017.

50. Surface spin-transfer torque and spin-injection effective field in ferromagnetic junctions: Unified theory. Elliott, R. J., et al. 1, 2006, J. Magn. Magn. Mat, Vol. 300, pp. 122-126.

51. Возможность увеличения уровня инжекции спинов током в магнитных переходах. Гуляев, Ю. В., et al. 9, 2007, Журнал технической физики, Т. 77, с. 67-70.

52. Эффекты необратимого переключения намагниченности и бистабильности в ферромагнитных переходах. Гуляев, Ю. В., et al. 5, 2007, Т. 86, с. 381-385.

53. Переключение спинового вентиля с тремя магнитными слоями. Гуляев, Ю. В., et al. 5, 2009, Журнал технической физики, Т. 79, с. 80-86.

54. Phenomenological theory of current-induced magnetization precession. Stiles, M. D., Xiao, J. and Zangwill, A. 5, 2003, Phys. Rev. B, Vol. 69, p. 054408.

55. Эффект переключения в ферромагнитных металлических переходах. Гуляев, Ю. В., Зильберман, П. Е. and Эпштейн, Э. М. 5, 2005, Письма в ЖЭТФ, Т. 82.

56. Механизм обменного переключения спиновых вентилей обратным током. Гуляев, Ю. В., Зильберман, П. Е. and Эпштейн, Э. М. 6, 2006, Письма в ЖЭТФ, Т. 84, с. 407-410.

57. Modification of the Landau-Lifshitz equation in the presence of a spin-polarized current in colossal- and giant-magnetoresistive materials. Bazaliy, Ya. В., Jones, B. A. and Zhang, S.-C. 6, 1998, Phys. Rev. B, Vol. 57, pp. R3216-R3216.

58. Current perpendicular to plane giant magnetoresistance in laminated nanostructures. Vedyayev, A., Zhukov, I. and Dieny, B. 2, 2005, J. Magn. Magn. Mat., Vols. 290-291, pp. 1050-1052.

59. Угловая зависимость гигантского магнетосопротивления для тока, перпендикулярного плоскости слоев магнитного сэндвича. Ведяев, А. В., et al. 10, 1999, Физика твердого тела, Т. 41, с. 1814-1818.

60. Spin-current-induced magnetotransport in Co-Cu-Co nanostructures. Mancoff, F. B. and Russek, S. E. 5, 2002, IEEE Trans. Magn., Vol. 38, pp. 2853-2855.

61. Quantitative studies of spin-momentum-transfer-induced excitations in Co/Cu multilayer films using point-contact spectroscopy. Rippard, W. П., Pufall, M. R. and Silva, T. J. 8, 2003, Appl. Phys. Lett., Vol. 82, pp. 1260-1262.

62. Resonant spin-dependent tunneling in spin-valve junctions in the presence of paramagnetic impurities. Vedyayev, A., et al. 6, 2000, Phys. Rev. B, Vol. 63, p. 064429.

63. Influence of s-d interfacial scattering on the magnetoresistance of magnetic tunnel junctions. Bagrets, D., et al. 6, 2002, Phys. Rev. B, Vol. 65, p. 064430.

64. Diode effect in magnetic tunnel junctions with impurities. Kanjouri, F., et al. 2005, J. Appl. Phys., Vol. 98, p. 083901.

65. Spin-transfer effects in nanoscale magnetic tunnel junctions. Funchs, G. D., et al. 7, 2004, Appl. Phys. Lett., Vol. 85.

66. Currents, torques, and polarization factors in magnetic tunnel junctions. Slonczewski, J. C. 024411, 2005, Phys. Rev. B, Vol. 71.

67. Effects of current on nanoscale ring-shaped magnetic tunnel junctions. Wei, H.-X., et al. 13, 2008, Phys. Rev. B, Vol. 77, p. 134432.

68. Influence of particle size distribution in cermet nanocomposites on magnetoresistance sensitivity. O'Connor, C. J., et al. 5, 2002, IEEE Trans. Magn., Vol. 38, pp. 2631-2633.

69. Spin torque, tunnel-current spin polarization and magnetoresistance in MgO magnetic tunnel junctions. Funchs, G. D., et al. 18, 2006, Phys. Rev. Lett., Vol. 96, p. 186603.

70. Magnetic and electrical transport properties of LaCaMn03(LCM0): xSiCN composites. Das, D., et al. 11, 2004, J. Appl. Phys., Vol. 95.

71. Гигантское магнитосопротивление. Никитин, С. А. 2004, Соросовский образовательный журнал, с. 92-98.

72. Spin transfer effects in exchange-biased spin-valves for current-perpendicular-to-plane magnetoresistive heads. Deac, A., et al. 1, 2005, J. Magn. Magn. Mat., Vols. 290291, pp. 42-47.

73. Magnetization reversal by injection and transfer of spin: experiments and theory. Fert, A., et al. 3, 2003, J. Magn. Magn. Mat., Vols. 272-276, pp. 1706-1711.

74. Спин-инжекционный механизм перемагничивания и гистерезис тока в магнитных переходах. Гуляев, Ю. В., et al, 3, 2002, Письма в ЖЭТФ, Т. 76, с. 189193.

75. Spin-transfer-induced precessional magnetization reversal. Kent, A. D., Ozylimaz, B. and Barco, E. del. 19, 2004, Appl. Phys. Lett, Vol. 84, p. 3897.

76. Low-field current-hysteretic oscillations in spin-transfer nanocontacts. Pufall, M. R., et al. 140404, 2007, Vol. 75.

77. Spin transfer switching of spin valve nanopillars using nanosecond pulsed currents. Kaka, S., et al. 2005, J. Magn. Magn. Mater., Vol. 286, pp. 375-380.

78. Current-induced effective magnetic fields in Co/Cu/Co nanopillars. Zimmler, M. A., et al. 18, 2004, Phys. Rev. B, Vol. 70, p. 184438.

79. Current-induced switching domains in magnetic multilayer devices. Myers, E. В., et al. 867, 1999, Science, Vol. 285.

80. Macroscopic description of current induced switching due to spin-transfer. Barnaas, J„ et al. 1, 2006, Physica Status Solidi C, Vol. 3, pp. 97-100.

81. Bazaliy, Ya. В., Jones, B. A. and Zhang, S. C. 6793, 2001, J. Appl. Phys., Vol. 89.

82. Generalization of circuit theory for current perpendicular to plane magnetoresistance and current-driven torque. Manchon, A. and Slonczewski, J. C. 184419, 2006, Phys. Rev.1. B, Vol. 83.

83. Current-induced magnetization dynamics in nanomagnets. Bertotti, G., et al. 2007, J. Magn.Magn. Mater., Vol. 316, pp. 285-290.

84. Field dependence of magnetization reversal by spin transfer. Grollier, J., et al. 174402, 2003, Phys. Rev. B, Vol. 67.

85. Spin-transfer effects in nanoscale magnetic tunnel junctions. Katine, J. A.; Funchs, G. D.; Emley, N. C.; Krivorotov, I. N.; Braganca, P. M. 7, 2004, Applied Physics Letters, Vol. 85, p. 1205.

86. Current-induced nanomagnet dynamics for magnetic fields perpendicular to the sample plane. Kiselev, S. I., et al. 3, 2004, Phys.Rev.Lett., Vol. 93.

87. Spin-transfer excitation of permalloy nanopillars for large applied currents. Kiselev, S. I., et al. 064430, 2005, Phys.Rev.B, Vol. 72.

88. Mechanisms limiting the coherence time of spontaneous magnetic oscillations driven by dc spin-polarized currents. Sankey, J. C., et al. 224427, 2005, Phys.Rev.B, Vol. 72.

89. Spin-transfer-driven ferromagnetic resonance of individual nanomagnets. Sankey, J.

90. C., et al. 22, 2006, Phys. Rev. Lett., Vol. 96, p. 227601.

91. Direct-Current Induced Dynamics in CoFe/ NiFe Point Contacts. Rippard, W. H., et al. 2, 2004, Phys.Rev.Lett., Vol. 92.

92. Mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators. Kaka, S., et al. 2005, Nature, Vol. 437, p. 389.

93. Injection locking and phase control of spin transfer nano-oscillators. Rippard, W. H., et al. 067203, 2005, Physical Review Letters, Vol. 95.

94. Magnetic vortex oscillator driven by d.c. spin-polarized current. Pribiag, V. S., et al. 2007, Nature physics, Vol. 3, pp. 498-503.

95. Dieny. Патент. WO 2007/052240 A2 USA, 10 05, 2007.

96. Mechanisms limiting the coherence time of spontaneous magnetic oscillations driven by dc spin-polarized currents. Sankey, J. C., et al. 224427, 2005, Physical Review B, Vol. 72.

97. Approximate Theory of Microwave Generation in a Current-Driven Magnetic Nanocontact Magnetized in a Arbitrary Direction. Slavin, A. N. and Kabos, P. 4, 2005, IEEE Transactions on magnetics, Vol. 41, p. 1264.

98. Формирование доменов током в магнитных переходах. Гуляев, Ю. В., et al. 9, 2004, Письма в ЖЭТФ, Т. 79, с. 507-511.

99. Динамика доменной стенки в ферромагнетиках. Волков, В. В. and Боков, В. А. 2, 2008, Физика твердого тела, Т. 50, с. 193-221.

100. Excitations of incoherent spin-waves due to spin-transfer torque. Lee, K. J., et al. 2004, Nature Materials, Vol. 3, pp. 877-881.

101. Microwave spectroscopy on magnetization reversal dynamics of nanomagnets with electronic detection. Grollier, J., et al. 2, 2006, J. Appl. Phys., Vol. 100, p. 024316.

102. Effects of spin currents on ferromagnets. Li, Z., He, J. and Zhang, S. 8, 2006, J. Appl. Phys., Vol. 99, p. 08Q702.

103. Domain wall motion by spin-polarized current: a micromagnetic study. Thiaville, A., Nakatani, Y. and Miltat, J. 2004, J. Appl. Phys., Vol. 95, pp. 7049-7051.

104. Switching the magnetic configuration of a spin valve by current induced domain wall motion. Grollier, J., et al. 2002, J. Appl. Phys., Vol. 92, p. 4825.

105. Движение доменных границ под влиянием поляризованного по спину тока в магнитном переходе. Гуляев, Ю. В., et al. 7, 2002, Журнал технической физики, Т. 72, с. 79-85.

106. High Domain Wall Velocities due to Spin Currents Perpendicular to the Plane. Khvalkovskiy, A. V., et al. 067206, 2009, Physical Review Letters, Vol. 102.

107. Spin-torque-driven magnetization dynamics in nanomagnets subject to magnetic fieds perpendicular to the sample plane. Bonin, R., et al. 08G508, 2006, J. Appl. Phys., Vol. 99.

108. Theory of magnetodynamics induced by spin torque in perpendicularly magnetized thin films. Hoefer, M. A., et al. 267206, 2005, Phys. Rev. Lett., Vol. 95.

109. Current-induced spin torques in III-V ferromagnetic semiconductors. Culcer, D., et al. 15, 2009, Phys. Rev. B, Vol. 79, p. 155208.

110. Магнитные полупроводники. Остин, И. and Илуэлл, Д. 2, 1972, Успехи физических наук, Т. 106, с. 337-364.

111. Magneto-optical and micromagnetic simulation study the current driven domain wall motion in ferromagnetic (Ga,Mn)As. Wang, K. Y., et al. 8, 2009, J. Magn. Magn. Mat., Vol. 321, pp. 971-973.

112. Данилов, Ю А., Демидов, E. C. and Ежевский, А. А. Основы спинтроники. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Физико-химические основы нанотехнологий». Нижний Новгород, 2007.

113. Giant magnetoresistive of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices. Baibich, M. N., Broto, J. M. and Fert, A. 1988, Phys.Rev.Letters, Vol. 61, pp. 2472-2475.

114. Magnetoresistive sensors. Freitas, P. P., Ferreira, R. and Cardoso, S. 165221, 2007, J. Physics: Cond. Matt., Vol. 19, pp. 1-21.

115. Тонкопленочные многослойные датчики магнитного поля на основе анизотропного магниторезистивного эффекта. Касаткин, С. И., Муравьев, А. М. and Васильева, Н. П. 2, 2000, Микроэлектроника, Т. 29, с. 149-160.

116. Variation of magnetization and the Lande g factor with thickness in Ni-Fe films. Nibarger, J. P., et al. 1, 2003, Appl. Phys. Lett., Vol. 83, pp. 93-95.

117. Магнитные конфигурации в области наноконтакта между ферромагнитными берегами. Савченко, Л. Л., et al. 8, 2001, Физика твердого тела, Т. 43, с. 1449-1454.

118. Analytical investigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to-plane polarizer. Lee, K. J., Redon, O. and Dieny, B. 022505, 2005, Appl. Phys. Lett., Vol. 86, pp. 1-3.

119. Boundary conditions for magnetization in magnetic nanoelements. Guslienko, K. Yu. and Slavin, A. N. 014463, 2005, Phys. Rev. B, Vol. 72.

120. Иванов, P. Д. Магнитные металлические пленки в микроэлектронике. Москва : Советское радио, 1980. р. 192.

121. Звездин, А. К. and Котов, В. А. Магнитооптика тонких пленок. Москва : Наука, 1988. с. 192.

122. ICMTD-2005. Devolder, Т., et al. 2005. Switching speed in high density MRAM based on precessional or spin-transfer switching, pp. 117-119.

123. Foldover, quazi-periodicity, and spin-wave instabilities in ultra-thin magnetic films. D'Aquino, M., et al. 10, 2006, IEEE Trans. Magn., Vol. 42, pp. 3195-3197.

124. Materials dependence of the spin-momentum transfer efficiency and critical current in ferromagnetic metal/Cu multilayers. Pufall, M. R., Rippard, W. H. and Silva, T. J. 2, 2003, Appl. Phys. Lett., Vol. 83, pp. 323-325.

125. Size dependence of intrinsic spin transfer switching current density in elliptical spin valves. Heindl, R., et al. 262504, 2008, Appl. Phys. Lett., Vol. 92.

126. Bifurcation analysis of magnetization dynamics driven by spin transfer. Bertotti, G., et al. 2005, JMMM, Vols. 290-291, pp. 522-525.

127. Determination of the magnetic damping constant in NiFe films. Sandler, G. M., et al. 8, 1999, J. Appl. Phys., Vol. 85, pp. 5080-5082.

128. Nonlinear phenomenological model of magnetic dissipation for large precession angles: generalization of the Gilbert model. Tiberkevich, V. and Slavin, A. 014440, 2007, Phys. Rev. B, Vol. 75.

129. Малоземов, A. and Слонзуски, Дж. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами. Москва : Мир, 1982. с. 384.

130. Macrospin model of spin transfer dynamics. Xiao, J., Zangwill, A. and Stiles, M. D. 014446, 2005, Phys. Rev. B, Vol. 72.

131. Fert, A., et al. 1706, 2004, J. Magn. Magn. Mat., Vols. 272-276.

132. Shilnikov, L. P., et al. Methods of qualitative theory in nonlinear dynamics. Singapore : World Scientific Series on Nonlinear Science, 1998. p. 415.

133. Guckemheimer, J. and Holmes, Ph. Nonlinear oscillations dynamical systems and bifurcations of vector fields, s.l. : Springer-Verlag, 1983. p. 559.

134. Элементарное введение в качественную теорию и теорию бифуркаций динамических систем. Белых, В. Н. 1, 1997, Соросовский образовательный журнал, с. 115-121.

135. Magnetization switching and microwave oscillations in nanomagnets driven by spin-polarized currents. Bertotti, G., et al. 127206, 2005, Phys. Rev. Lett., Vol. 94.

136. Magnetization self-oscillations induced by spin-polarized currents. Bertotti, G., et al. 10, 2005, IEEE Trans. Magn, Vol. 41, pp. 2574-2576.

137. Transient dynamics leading to self-oscillations in nanomagnets driven by spin-polarized currents. Serpico, C., et al. 10, 2005, IEEE Trans. Magn., Vol. 41, pp. 31003102.

138. Transition from the macrospin to chaotic behavior by a spin-torque driven magnetization precession of a square nanoelement. Berkov, D. and Gorn, N. 052403, 2005, Phys. Rev. B, Vol. 71.

139. Foldover, quasi-periodicily, spin-wave instabilities in ultra-thin films subject to RF fields. D'Aquino, M., et al. 2007, J. Magn. Magn. Mater., Vol. 316, pp. e523-e525.

140. Spin wave mode excited by spin-polarized current in a magnetic nanocontact is a standing self-localized wave bullet. Slavin, A. and Tiberkevich, V. 237201, 2005, Phys. Rev. Lett., Vol. 95.

141. Micromagnetic study of the above-threshold generation regime in a spin-torque oscillator based on a magnetic nanocontact magnetized at an arbitrary angle. Consolo, G., et al. 1, 2008, Phys. Rev. B, Vol. 78, p. 014420.

142. Non-linear magnetization dynamics in nanodevices induced by a spin-polarized current: micromagnetic simulation. Consolo, G., et al. 16, 2008, J. Phys. D, Vol. 41, p. 164013.

143. Dynamic origin of azimuthal modes splitting in vortex-state magnetic dots. Guslienko, К. Y, et al. 24, 2008, Phys. Rev. Lett., Vol. 101, p. 247203.

144. Moscow International Symposium on Magnetism. Chinenkov, M. Yu., et al. Moscow : s.n., 2008. pp. 491-492.

145. Miltat, J., et al. 6982, 2001, J. Appl. Phys., Vol. 89.

146. Coherent control of nanomagnet dynamics via ultrafast spin torque pulses. Garzon, S., et al. 18, 2008, Phys. Rev. B, Vol. 78, p. 180401(R).

147. Классические и квантовые эффекты в динамике мезоскопического магнита индуцированные спиновым током. Звездин, А. К. and Звездин, К. А. 4, 2002, ЖЭТФ, Т. 122, с. 879-885.

148. Exchange-driven magnetic excitations and integrated magnetoelectronics. Slonczewski, J. C. 1999, J. Magn. Magn. Mat, Vol. 195, pp. L261-L268.

149. Tserkovnyak, Y, Brataas, A. and Bauer, G.E. W. 224403, 2002, Phys. Rev. B, Vol. 66.

150. Stiles, M. D., Xiao, J. and Zangwill, A. 054408, 2004, Phys. Rev. B, Vol. 69.

151. Звездин, А. К. and Звездин, К. А. 4(10), 2002, ЖЭТФ, Т. 122, с. 879-885.

152. Гуляев, Ю. В., Зильберман, П. Е. and Эпштейн, Э. М. 6, 2006, Письма в ЖЭТФ, Т. 84, с. 407-410.

153. Current-induced testability and dynamic range of microwave generation in magnetic nanostructures. Slavin, A. N. and Tiberkevich, V. S. 094428, 2005, Phys.Rev.B, Vol. 72.

154. Theory of generalization linewidth in spin-torque nano-sized auto-oscillators. Kim, Joo-Von, Tiberkevich, V. and Slavin, A. N. 2, 2007, J. of Magnetics, Vol. 12, pp. 53-58.

155. Microwave power generated by a spin-torque oscillator in the presence of noise. Tiberkevich, V., Slavin, A. and Kim, Joo-Von. 192506, 2007, Appl. Phys. Lett., Vol. 91.

156. Generation linewidth of an auto-oscillator with a nonlinear frequency shift: spin-torque nano-oscillator. Kim, Joo-Von, Tiberkevich, V. and Slavin, A. 017207, 2008, Phys. Rev. Lett., Vol. 100.

157. Line shape distortion in a nonlinear auto-oscillator near generation threshold: application to spin-torque nano-oscillator. Kim, Joo-Von, et al. 167201, 2008, Phys. Rev. Lett, Vol. 100.

158. Generation linewidth of an auto-oscillator with a nonlinear frequency shift: spin-torque nano-oscillator. Kim, Joo-Von, Tiberkevich, V. and Slavin, A. N. 1, 2008, Phys. Rev. Lett, Vol. 100, p. 017207.

159. Horley, P. P, et al. 094427, 2008, Phys. Rev. B, Vol. 77.

160. Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale". Korneev, V. I, et al. Kazan : s.n, 2007. p. 39.

161. Корнеев, В. И, Попков, А. Ф. and Чиненков, М. Ю. 1, 2009, ФТТ, Т. 51, с. 118128.

162. Thermal stability in spin-torque-driven magnetization dynamics. Serpico, C, et al. 08G505, 2006, J. Appl. Phys, Vol. 99.

163. Time domain measurement of phase noise in a spin torque oscillator. Keller, M. W, et al. 19, 2009, Appl. Phys. Lett, Vol. 94.

164. Power spectrum of current-induced magnetization dynamics in uniaxial nanomagnets. Serpico, C„ et al. 09A507, 2007, J. Appl. Phys, Vol. 101.

165. Thermal stability in uniaxial nanomagnets driven by spin-polarized currents. Serpico, C, et al. 10, 2006, IEEE Trans. Magn, Vol. 42, pp. 2679-2681.

166. Effect of thermal fluctuations in spin-torque driven magnetization dynamics. Bonin, R., et al. 2007, J. Magn. Magn. Mater., Vol. 316, pp. 919-922.

167. Temperature study of the spin-transfer switching speed from dc to 100 ps. Devolder, Т., et al. 053904, 2005, J. Appl. Phys., Vol. 98.

168. Temperature and field dependence of high-frequency magnetic noise in spin valve devices. Stutzke, N., Burkett, S. L. and Russek, S. E. 1, 2003, Appl. Phys. Lett., Vol. 82, pp. 91-93.

169. Thermal effects on the critical current of spin torque switching in valve nanopillars. Schneider, M. L., et al. 092504, 2007, Appl. Phys. Lett., Vol. 90.

170. Finite-temperature modeling of nanoscale spin-transfer oscillators. Russek, S. E., et al. 104425, 2005, Phys. Rev. B, Vol. 71.

171. Midpoint numerical technique for stochastic Landau-Lifshitz-Gilbert dynamics. DAquino, M., et al. 08B905, 2006, J. Appl. Phys., Vol. 99.

172. Андронов, A. A., et al. Качественная теория динамических систем второго порядка. Москва : Наука, 1966.

173. Малахов, А. Н. Флуктуации в автоколебательных системах. Москва : Наука, 1968. р. 660.

174. Origin of the spectral linewidth in non linear oscillators based on MgO tunnel junctions. Georges, В., et al. 2009, ARXIV.

175. Synchronization of spin-transfer oscillators driven by stimulated microwave currents. Grollier, J., Cros, V. and Fert, A. 060409, 2006, Phys. Rev. B, Vol. 73.

176. Рабинович, M. И. and Трубецков, Д. И. Введение в теорию колебаний и волн. Москва : Наука, 1984. р. 432.

177. Comparison of frequency, linewidth, and output power in measurements of spin-transfer nanocontact oscillators. Rippard, W. H., Pufall, M. R. and Russek, S. E. 224409, 2006, Phys. Rev. B, Vol. 74.

178. Developments in nano-oscillators based upon spin-transfer point-contact devices. Silva, T. J. and Rippard, W. H. 2007, J. Magn. Magn. Mater., Vol. 320, pp. 1260-1271.

179. Electrical measurement of spin-wave interactions of proximate spin transfer nanooscillators. Pufall, M. R., et al. 087206, 2006, Phys. Rev. Lett., Vol. 97.

180. Spin angular momentum transfer in current-perpendicular nanomagnetic junctions. Sun, J. Z. 1, 2006, IBM J. RES. & DEV., Vol. 50, pp. 81-100.

181. Angular dependence of the microwave-generation threshold in a nanoscale spin-torque oscillator. Gerhart, G., et al. 024437, 2007, Phys. Rev. B, Vol. 76.

182. Current-driven microwave dynamics in magnetic point contacts as a function of applied field angle. Rippard, W. H., et al. 100406, 2004, Phys. Rev. B, Vol. 70.

183. Current density limitations of spin valves. Gafron, T. J., Burkett, S. L. and Russek, S. E. 5, 2000, IEEE Trans. Magn., Vol. 36, pp. 2611-2613.

184. Model of phase locking in spin-transfer-driven magnetization dynamics. Bonin, R., et al. 09A506, 2007, J. Appl. Phys., Vol. 101.

185. Nonlinear self-phase-locking effect in an array of current-driven magnetic nanocontacts. Slavin, A. N. and Tiberkevich, V. S. 092407, 2005, Phys. Rev. B, Vol. 72.

186. Theory of mutual phase locking of spin-torque nanosized oscillators. Slavin, A. N. and Tiberkevich, V. S. 104401, 2006, Phys. Rev. B, Vol. 74.

187. Phase-locking in double-point-contact spin-transfer devices. Mancoff, F. В., et al. 2005, Nature, Vol. 437, p. 393.