WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 6 Гистерезис тока в магнитных туннельных переходах © А.М. Баранов, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Крикунов, В.В. Кудрявцев, Ю.Ф. Огрин, В.П. Склизкова, Н.Д. Степина, Л.А. Фейгин, К. Хайде, А.И. Чмиль, Р. Эллиотт Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 141120 Фрязино, Московская обл., Россия E-mail: pez253@ire216.msk.su (Поступила в Редакцию 26 октября 2000 г.) В магнитных туннельных переходах типа ферромагнитный металл–немагнитный диэлектрик–ферромагнитный металл обнаружен гистерезис тока, который проявляется в возникновении петель на зависимостях тока через переход от приложенного напряжения, а также в невоспроизводимости самих указанных зависимостей. Гистерезис вызван влиянием поляризованного по спину тока на магнитное состояние металлических слоев: ток приводит к перестройке доменной структуры в этих условиях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 00-02-16384) и НАТО(грант № PST, CLG 975312).

Известны два механизма влияния поляризованного Ni толщиной около 0.05 µm. Пленки диэлектриков по спину тока на магнитное состояние металлических наносились затем на поверхность Ni и имели толщины пленок магнитных переходов. Первый из них связан порядка 3–30 nm, что обеспечивало возможность тунс рассеянием спина электронов проводимости на гра- нельного просачивания электронов. Изготавливались, в ничных поверхностях переходов. Сохранение углового основном, два типа диэлектрических пленок.

момента приводит при таком рассеянии к повороту век- 1) Пленки алмазоподобного углерода (DLC). Они торов намагниченности в слоях [1,2]. Второй механизм получились в плазме, возбуждаемой высокочастотным отличается тем, что носит объемный характер и связан с разрядом. В качестве рабочего газа использовались пары нарушением спинового равновесия в слоях (с инжекцией C6H12. Контроль толщины, скорости роста, плотности спинов) и обменным взаимодействием инжектированных и шероховатости поверхности алмазоподобных углероди собственных спинов слоев [3]. ных слоев осуществлялся непосредственно в процессе их Экспериментально наблюдались: 1) эффект ”переклю- выращивания с помощью in-situ рентгеновского мониточения”, т. е. инверсия знака намагниченности в одном из ринга [12].

металлических слоев, при плотностях тока 109 A/cm2 2) Органические пленки на основе жесткоцепного и при определенном знаке тока [4,5]; 2) петли на зависи- полиимида. Они получались в две стадии [13]. На мостях тока от напряжения [5–7]. Кроме того, в ряде первой стадии методом Лэнгмюра–Блоджетт формироэкспериментов отмечалось существование в переходах валась пленка амфифильного производного полиимдомагнитной доменной структуры (ДС), которая менялась кислоты. На второй в процессе термической обработки во внешнем магнитном поле [8–11]. получался конечный продукт — полиимид (LBP).

Настоящая работа является развитием работы [7], в На поверхность пленки диэлектрика напылялась втокоторой впервые сообщалось о наблюдении петель ги- рая металлическая пленка, а именно пленка Fe или стерезиса тока, связанных с влиянием тока на магнитное пленка Fe91Zr9, для уменьшения магнитной анизотропии.

состояние перехода. Представлен дополнительный экспе- В контрольных образцах вместо пленки Fe напылялась риментальный материал, подтверждающий магнитную немагнитная пленка Al. Толщина второй металлической природу петель: они существуют независимо от типа пленки была того же порядка (0.05 µm). Сплошность диэлектрика, используемого в структуре для разделения диэлектрической пленки проверялась по сопротивлению ферромагнитных металлических слоев, но всегда исчеза- перехода, которое составляло единицы G при токах ют при замене ферромагнитной металлической пленки 1 nA, и по форме зависимости I(V ). Толщина дина пленку нормального металла. Кроме того, показано, электрика определялась технологией и дополнительно что петли зависят от истории изменения во времени контролировалась по емкости перехода. Рабочая поверхприложенного к переходу напряжения и исчезают в ность перехода составляла 60 120 µm.

достаточно сильных магнитных полях. Сделано предпо- Исследовались зависимости I(V ) для тока, текущего ложение, что ток перестраивает магнитную ДС, а петли перпендикулярно границам раздела слоев в переходе. На гистерезиса возникают вследствие пиннинга доменных рис. 1 показаны типичные кривые, полученные для переграниц, приводящего к эффекту коэрцитивности.

ходов (Ni/Fe) с различными диэлектрическими слоями.

Были изготовлены трехслойные магнитные туннель- Можно видеть, что показанные кривые имеют некоторые ные переходы (МТП). На подложки термически оки- общие особенности, которые сохраняются при любом сленного кремния методом магнетронного распыления применяемом диэлектрике. Первая особенность состоит на постоянном токе в атмосфере Ar наносились пленки в том, что кривые I(V) необратимы, поскольку 7 1058 А.М. Баранов, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Крикунов, В.В. Кудрявцев, Ю.Ф. Огрин...

ные петли принципиально отличаются от описанных в работе [6], где они были вызваны пробоем в диэлектрике и потому возникали только при Vm > Vth, где Vth — некоторое пороговое для пробоя напряжение. Данные петли по своей природе отличаются и от полученных при исследовании эффекта переключения в работе [5]:

в отличие от [5] петли наблюдались при любом знаке тока (см. рис. 1). Данные петли нельзя связать также и с процессами в диэлектрическом разделяющем нанослое, поскольку они наблюдались при любых использованных диэлектриках. Однако петли всегда исчезали при замене пленок FeAl.

Вторую особенность кривых I(V ) лучше всего иллюстрирует рис. 2. На этом рисунке представлены результаты измерений с помощью самописца. На рис. 2, a показаны четыре проходимые последовательно петли. Максимальное напряжение Vm выбрано настолько большим, что наблюдается значительный рост тока: на рисунке ток показан только ниже линии L-L. На рис. 2, b показаны две последовательные петли при другом, значительно меньшем, значении Vm. Видно, что петли возникают при любых Vm, они невоспроизводимы и располагаются бесРис. 1. Петли на кривых I(V ) для структур типа Ni/LBP/Fe (a) порядочно. При этом площадь петель имеет тенденцию и Ni/DLC/Fe (b). Стрелки указывают направления изменения увеличиваться с ростом Vm.

тока и напряжения. Толщины пленок LBP и DLC порядка 10 nm.

Мы считаем, что сам факт возникновения петель в описанных экспериментах и их невоспроизводимость объясняются влиянием тока на магнитное состояние ток зависит от направления изменения напряжения. перехода. Возможны как поверхностный, так и объемный В результате при изменении напряжения по замкнутому механизм такого влияния. Вместе с тем следует пути на плоскости (I, V) образуется петля. Петля отметить, что петли на зависимостях I(V ) наблюдаются возникает всякий раз, когда мы меняем направление нами при плотностях тока, значительно меньших, чем то изменения V на обратное, каково бы ни было значение пороговое значение плотности тока, которое необходимо максимального достигнутого напряжения Vm. Этим дан- для наблюдения эффекта переключения [1,2,4,5]. Даже Рис. 2. Зависимости петель на кривых I(V ) от истории изменения во времени приложенного к переходу напряжения. Стрелки указывают направления изменения тока и напряжения во времени. Цифрами пронумерованы последовательно проходимые петли.

Горизонтальная линия L-L соответствует 100 nA и отмечает уровень максимального регистрируемого тока.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Гистерезис тока в магнитных туннельных переходах Рис. 3. Влияние смещающего магнитного поля H, ориентированного в плоскости перехода, на вид зависимости I(V ) для образца Ni/LBP/Fe. H, Oe: a —0, b — 40, c — 150.

если предположить, что весь ток течет через один-един- Коэрцитивность магнитных пленок должна приводить ственный канал с минимальными возможными линейны- к необратимости и невоспроизводимости описанной пеми размерами порядка 1 nm, то и в этом случае при рестройки ДС. Вследствие этого ДС не будет опредеполном токе 100 nA (рис. 1) плотность тока получится ляться только напряжением V в данный момент времени на один–два порядка меньше упомянутого порогового t, но должна существенно зависеть от значений V в предзначения. шествующие моменты, т. е. от истории возникновения данной конфигурации доменов. Поскольку полный ток Беспорядочное расположение петель на плоскости через переход, как уже отмечалось, определяется ДС, (I, V) может указывать на влияние нерегулярной ДС в металлических ферромагнитных пленках и на ее взаи- понятно, что петли тока, их необратимость и невоспроизмодействие с поляризованным по спину током. Экспе- водимость могут быть интерпретированы как отражение аналогичных свойств ДС.

рименты [14] показывают, что каждый электрон может проникать из домена одной пленки в домен другой Изложенная точка зрения подтверждается двумя допленки через разделяющий их немагнитный слой. Можно полнительными экспериментами. В первом из них испредположить, что при таком проникновении остаются следовался эффект памяти, т. е. зависимость тока I от справедливыми, хотя бы качественно, известные выво- истории изменения напряжения V во времени t. Чтобы ды [15] о зависимости тока от взаимной ориентации понять, как это делалось, отметим следующее. В экспенамагниченностей. Теперь, однако, речь должна идти риментах, которые до сих пор здесь обсуждались, приоб ориентации намагниченностей в указанных доменах: менялись импульсы напряжения с достаточно малой при параллельной ориентации ток, видимо, будет мак- частотой повторения. В этих импульсах напряжение симальным, а при антипараллельной — минимальным. вначале увеличивалось от нуля до Vm, а затем убывало от В результате ток не может оставаться однородным по Vm до нуля с постоянной скоростью, равной 40 mV/s.

сечению перехода и должны формироваться пути легкого Например, кривые на рис. 1, 2 были получены именно и затрудненного протекания тока. При этом полный ток для таких импульсов напряжения. При этом на рис. 1, через переход будет складываться из парциальных токов четко рисовались петли тока, т. е., согласно нашим предмежду доменами. ставлениям, ДС успевала изменяться под влиянием тока Аналогично можно предположить, что останутся ка- и при обратном ходе напряжения проявлял себя эффект чественно справедливыми и выводы о влиянии поляри- коэрцитивности. В отличие от этого при проведении дополнительного эксперимента напряжение V менялось зованного тока на магнитное состояние металлических во времени с существенно различными по величине пленок, полученные в [1–3] без учета разбиения на скоростями.

домены. При наличии ДС речь, очевидно, должна идти об обменном взаимодействии инжектированных в домен Применялись две серии импульсов. В импульсах перспинов с собственными спинами. Результатами такого вой серии напряжение вначале плавно (с обычной сковзаимодействия должны стать вращение намагниченно- ростью 40 mV/s) увеличивалось от нуля до максистей в доменах, движение доменных границ и, наконец, мального значения Vm, а затем скачком (за миллисекунизменение топологии ДС в целом. ды) уменьшалось до нуля. В импульсах второй серии 7 Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1060 А.М. Баранов, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Крикунов, В.В. Кудрявцев, Ю.Ф. Огрин...

напряжение вначале скачком увеличивалось от нуля Второе замечание связано с тем, что механизм проводо значения Vm, а затем плавно с обычной скоростью димости через переход может оказаться не столь важным уменьшалось до нуля. Особенность опыта заключалась для образования петель, если только этот механизм не в том, что перестройка ДС, которая могла происходить приводит к сильной деполяризации тока и не препятствует обменному взаимодействию между слоями. Поэтому при плавном увеличении напряжения, не влияла на вид следует ожидать, что аналогичный эффект гистерезиса зависимости I(V ) при плавном уменьшении напряжения.

Тогда оказалось, что названные зависимости почти на- тока мог бы существовать и в некоторых магнитных переходах с металлическим разделяющим слоем.

кладываются друг на друга — петли не возникают.

Во втором дополнительном эксперименте исследоваАвторы благодарны А. Ведяеву и А. Грановскому за лось влияние внешнего магнитного поля H. Достаточно обсуждение работы и ценные замечания.

сильное поле H должно приводить к насыщению ферромагнитных металлических слоев и к подавлению ДС.

Список литературы Если петли тока возникают вследствие перестройки ДС, то они так же должны быть существенно подавлены.

[1] J.C. Slonczewski. J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996).

Образцы переходов помещались в поле H, параллель[2] L. Berger. Phys. Rev. B54, 13, 9353 (1996).

ное плоскости перехода. После установки определенного [3] C. Heide, R.J. Elliott, N.S. Wingreen. Phys. Rev. B59, значения поля H напряжение постепенно увеличивалось (1999).

и измерялся ток. Напряжение менялось достаточно ме[4] M. Tsoi, A.G.M. Jansen, J. Bass, W.C. Chiang, M. Seck, дленно, чтобы реализовался установившийся стационар- V. Tsoi, P. Wyder. Phys. Rev. Lett. 80, 19, 4281 (1998).

[5] E.B. Myers, D.C. Ralph, J.A. Katine, R.N. Louie, R.A. Buhrный режим протекания тока. При H = 0 наблюдалась man. Science 285, 867 (1999).

петля, подобная показанным на рис. 1, 2. При H = 40 Oe [6] C.L. Pratt, B. Dieny, A.E. Berkowitz. J. Appl. Phys. 81, 8, петля становилась значительно меньше и полностью (1997).

исчезала при H = 150 Oe в интервале напряжений [7] C. Heide, A.I. Krikunov, Yu.F. Ogrin, P.E. Zilberman, V = 0-3V (рис. 3). При этом точность измерения тока R. Elliott. J. Appl. Phys. 87, 9, 5221 (2000).

составляла 10% от величины тока.

[8] T. Miyazaki, N. Tezuka. J. Magn. Magn. Mater. 139, LЗаметим, что если поле H включалось при V = (1995).

и I = 0, то влияние его на вид зависимости I(V) [9] V.S. Gornakov, V.I. Nikitenko, L.H. Bennett, H.J. Brown, оказывалось значительно более слабым. Для того чтобы M.J. Donahue, W.F. Egelhoff, R.D. McMichael, A.J. Shapiro.

J. Appl. Phys. 81, 8, 5215 (1997).

убрать петлю на зависимости I(V ), могло потребоваться [10] X. Portier, A.K. Petford-Long. J. Phys. D: Appl. Phys. 32, поле H 2-4 KOe. По-видимому, указанный факт (1999).

свидетельствует о том, что ДС при протекании тока [11] Yu. Lu, P.L. Trouilloud, D.W. Abraham, R. Koch, J. Slonczewспособна жестко фиксироваться вследствие обменного ski, S. Brown, J. Bucchiguano, E. O’Sillivan, R.A. Wanner, взаимодействия между ферромагнитными слоями через W.J. Gallagher, S.S.P. Parkin. J. Appl. Phys. 85, 8, 5267 (1999).

электроны проводимости.

[12] A.M. Baranov, I.F. Mikhailov. Thin Solid Films 324, 1–2, Таким образом, в МТП наблюдались петли на кри(1998).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.