WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1 Особенности перемагничивания трехслойных наноструктур © К.А. Звездин Институт общей физики Российской академии наук, 117942 Москва, Россия E-mail: zvezdin@hotmail.com (Поступила в Редакцию 1 февраля 1999 г.

В окончательной редакции 10 июня 1999 г.) Проанализирован процесс перемагничивания трехслойной ультратонкой магнитной пленки. Показана существенная зависимость вида гистерезисных петель намагниченности и эффекта гигантского магнитосопротивления от соотношения магнитных параметров верхнего и нижнего магнитных слоев. Получены гистерезисные петли для характерных сочетаний параметров. Проанализирована зависимость вида гистерезисных петель от величины межслойного обмена. Построена фазовая диаграмма, определяющая области существования характерных петель гистерезиса при различных сочетаниях констант одноосной анизотропии и константы обмена J1.

Магнитные свойства поверхности, тонких пленок и ре. Толщина немагнитного слоя (spacer) предполагается многослойных структур привлекают к себе большое достаточно малой (1–5 nm), так что при исследовании внимание. В последние годы были обнаружены многие необходимо принимать во внимание межслойное обменнеожиданные и нетривиальные эффекты, связанные со ное взаимодействие. Исследование проводилось путем свойствами магнитных поверхностей и интерфейсов: ги- численного решения уравнения Ландау–Лифшица гантское магнитосопротивление, значительная поверх = [M Hef f ] - M [M Hef f ], (1) ностная анизотропия, отличие магнитных моментов на Ms поверхности от их объемных значений, осциллирующее где — гиромагнитное отношение, M — намагниченобменное взаимодействие между соседними магнитными ность, — безразмерная константа диссипации, Hef f — слоями и большой биквадратный обмен в многослойных эффективное поле, равное структурах [1–3]. Кроме несомненной фундаментальной значимости эти системы представляют большой приF(r) Hef f (r) =- = H0 + HM(r) кладной интерес для конструирования магнитной паM мяти, сенсоров и т. д. [4,5]. Исследование процессов + HA(r) +Hin-exch(r) +Hinter-exch(r), перемагничивания таких систем представляется важной задачей. Было обнаружено, что существовавшие ранее где F — свободная энергия, H0 — внешнее магнитное упрощенные модели перемагничивания не позволяют поле, HA — поле анизотропии, Hin-exch и Hinter-exch —поля адекватно описывать процессы перемагничивания. Для внутрислойного и межслойного обмена соответственно.

более корректного описания этих процессов в настояНаиболее сложным для компьютерного моделироващее время активно используется компьютерное модения является магнитостатическое взаимодействие лирование [6,7]. В данной работе исследован процесс r - r перемагничивания трехслойной наноструктуры (рис. 1) Hm(r) = div Ml(rl) drl, при различном сочетании параметров верхнего и ниж- |r - r |l V него магнитных слоев. Показано, что это соотношение существенно влияет на характер процесса перемагничи- где r и r — координаты точек, между которыми вычивания структуры и, следовательно, на вид гистерезисных сляется взаимодействие; суммирование производится по петель намагниченности и магнитосопротивления. Исследованная наноструктура часто называется спиновым переключателем (spin-valve).

1. Теоретическая модель трехслойной структуры и основные уравнения Типичная трехслойная структура изображена на рис. 1.

Предполагается, что толщина магнитных слоев мала по сравнению с длиной и шириной, так что изменением намагниченности вдоль толщины можно пренебречь. Поэтому распределение намагниченности зависит только от координат x и y. Ось z направлена по нормали к структу- Рис. 1. Трехслойная spin-valve-структура.

Особенности перемагничивания трехслойных наноструктур Рис. 2. Кривая гистерезиса намагниченности симметричной структуры, по оси абсцисс — магнитное поле, по оси ординат — средняя намагниченность структуры (a); кривая гистерезиса намагниченности, по оси абсцисс — магнитное поле, по оси ординат — величина эффекта гигантского магнитосопротивления (GMR) (b).

всем l слоям. Здесь следует отметить, что магнитостати- (рис. 2, b). На рис. 3 приведены распределения наческое поле зависит от всех трех координат (x, y, z). Та- магниченности, полученные для характерных значений ким образом, необходимо вычислить это взаимодействие внешнего поля. По указанным рисункам можно проследля всего объема V [8], что является очень трудоемкой дить синхронность процесса перемагничивания. Верхний вычислительной задачей, поэтому создание эффективных и нижний магнитные слои переключаются одновременчисленных методов микромагнетизма является важной но, при одном значении внешнего магнитного поля.

проблемой [6,7,9]. При моделировании предполагалось, Механизм переключения аналогичен механизму перекак отмечено выше, что распределение вектора намагни- ключения однослойной магнитной пластинки [9] —на ченности M(x, y, z) однородно по толщине каждого слоя, краях элемента зарождаются области перемагничивания, при этом вектор M имеет z-составляющую. Подобную которые при увеличении внешнего поля расширяются в модель можно назвать квазитрехмерной. глубь элемента с образованием 180-градусной стенки, после чего при достижении внешним полем критического значения происходит ”пробой” — быстрое перемаг2. Симметричная spin-valve-структура ничивание центральных областей.

Рассмотрим сначала симметричную spin-valve-структуру, т. е. структуру, состоящую из двух одинаковых 3. Несимметричные магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой.

spin-valve-структуры Исследования проводились при следующих параметрах:

на рис. 2 приведены кривые гистрезиса намагничен- Рассмотрим более сложные несимметричные spinности (рис. 2, a) и эффекта магнитного переключения valve-структуры, т. е. структуры, состоящие из слоев с разными магнитными и геометрическими параметрами.

Как будет показано далее, различные соотношения параметров верхнего и нижнего слоев могут существенно влиять на вид гистерезисных петель и характер процесса перемагничивания. Рассмотрим три основных случая: (1) Ms1d1 = Ms2d2, K1 > K2; (2) Ms1d1 > Ms2d2, K1 > K2 и (3) Ms1d1 > Ms2d2, K1 < K2, где K1 и K2 —константы одноосной анизотропии верхнего и нижнего магнитных слоев. Ось анизотропии направлена по оси x.

3.1. С л у ч а й M d = M d, K1 > K2. На s1 1 s2 рис. 4, a, b приведены кривые гистерезиса намагниченности и эффекта магнитного переключения, а также распределения намагниченности, полученные для характерных значений внешнего поля. Мы видим, что гистерезисная кривая намагниченности состоит из двух ступенек, соответствующих переключению Рис. 3. Распределения намагниченности для характерных точек петли гистерезиса. магнитомягкого и магнитожесткого слоев (рис. 4, a).

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 118 К.А. Звездин Рис. 4. Кривая гистерезиса намагниченности (a) и эффекта гигантского магнитосопротивления (b) несимметричной структуры вида Ms1d1 = Ms2 d2, K1 > K2.

Кривая гистерезиса эффекта магнитного переключения сти (a) и эффекта магнитного переключения (b). В этом показывает, что существует устойчивое антиферро- случае мы наблюдаем существенную неоднородность магнитное распределение в определенном интервале перемагничивания как магнитомягкого, так и магнитовнешнего магнитного поля (рис. 4, b). При жесткого слоев. Мы видим, что оба скачка существенмоделировании задавались следующие магнитные но сглажены. Кривая гистерезиса эффекта магнитного параметры: K1 = 1000 erg/cm3, K2 = 30 000 erg/cm3, переключения показывает, что устойчивого антиферроMs = 1000 emu/cm3, d1 = d2 = 40. магнитного распределения в этом случае нет (рис. 6, b).

Гистерезисная кривая для подобной структуры экспериИз приведенных распределений намагниченности ментально наблюдалась в работе [10].

(рис. 5) видно, что перемагничивание магнитомягкоПри моделировании мы задавали следующие магнитго слоя протекает существенно более неоднородно, чем магнитожесткого. Намагниченность магнитожестко- ные параметры: K1 = 1000 erg/cm3, K2 = 30000 erg/cm3, Ms1 = 1200 emu/cm3, Ms2 = 800 emu/cm3, d1 = dго слоя меняется скачкообразно, без сильного нарушения = 40.

однородного распределения перед перемагничиванием.

Магнитомягкий слой, напротив, перемагничивается су- 3.3. С л у ч а й M d > M d, K1 < K2. Для s1 1 s2 этого случая исследовано влияние соотношения велищественно неоднородно, с постепенным расширением чин константы одноосной анизотропии магнитожесткого областей неоднородности с краев слоя к его центру.

На кривой гистерезиса намагниченности это видно по слоя и константы межслойного антиферромагнитного обмена J1. Получены четыре характерные петли гисте”сглаженности” первого скачка и ”угловатости” второго.

резиса, определяющие четыре различных характера пе3.2. С л у ч а й M d1 > M d, K1 > K2. На s1 s2 ремагничивания (рис. 7). При моделировании задавались рис. 6, a, b приведены кривые гистерезиса намагниченноследующие магнитные параметры: Ms1 = 1200 emu/cm3, Ms2 = 800 emu/cm3, d1 = d2 = 40.

Также получена диаграмма, определяющая области существования этих типов перемагничивания в зависимости от соотношения величины анизотропии и межслойного обмена (рис. 8).

1) При слабом антиферромагнитном обмене гистерезисная кривая имеет вид (рис. 7, a). При определенном положительном значении внешнего поля перемагничивается магнитомягкий слой с большой остаточной намагниченностью, затем при дальнейшем увеличении внешнего поля перемагничивается магнитожесткий слой с меньшей остаточной намагниченностью.

2) При увеличении межслойного обмена гистерезисная кривая принимает вид ”тройной” петли (рис. 7, b).

Особенностью данного случая является то, что структура переходит в состояние с намагниченностью, наРис. 5. Распределения намагниченности для характерных точек петли гистерезиса. правленной против внешнего поля, т. е. из состояния с Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Особенности перемагничивания трехслойных наноструктур Рис. 6. Кривая гистерезиса намагниченности (a) и эффекта гигантского магнитосопротивления (b) несимметричной структуры вида Ms1d1 > Ms2 d2, K1 > K2.

Рис. 7. Четыре характерные петли гистерезиса намагниченности для случая Ms1 d1 > Ms2d2, K1 < K2 при различной величине константы антиферромагнитного обмена J1. Схематически показана очередность переключения слоев.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 120 К.А. Звездин соотношений параметров магнитных слоев. Исследована зависимость характера процессе перемагничивания от величины межслойного обмена и соотношения констант анизотропии в магнитных слоях. Получена фазовая диаграмма, определяющая области существования характерных петель гистерезиса в зависимости от межслойного обмена и соотношения констант анизотропии.

Список литературы [1] P. Grndberg, R. Shreiber, Y. Pang, M.B. Brodsky, H. Sowers.

Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986).

[2] J.C. Slonczewski. J. Appl. Phys. 73, 10, 5957 (1993).

[3] В.В. Добровицкий, А.К. Звездин, А.Ф. Попков. УФН. 166, 4, 439 (1996).

[4] D.D. Tang, P.K. Wang, V.S. Speriosu, S. Le, K.K. Kung. IEEE Рис. 8. Диаграмма, определяющая области существования Trans. Magn. 31, 6, 3206 (1995).

характерных петель гистерезиса в зависимости от константы [5] L.V. Golubev, D.V. Kirin, A.Yu. Polozov, A.F. Popkov, анизотропии K и величины межслойного обмена.

V.G. Red’ko, N.V. Vorotnikova, K.A. Zvezdin. Proceedings of ITP 13, 2, 9 (1997).

[6] С.Г. Осипов. Моделирование микромагнитных структур.

Докт. дис. МГУ (1993).

отрицательной намагниченностью в состояние с положи[7] L. Greenhard, V.A. Rokhlin. J. Comp. Phys. 73, 325 (1987).

тельной намагниченностью при отрицательном внешнем [8] W.F. Brown. jr. Micromagnetics. Interscience Publishers, Wiмагнитном поле. Это можно объяснить тем, что обменley, N.Y.–London (1963).

ное поле со стороны магнитожесткого слоя превышает [9] К.А. Звездин. Моделирование физических процессов в магвнешнее магнитное поле и поле анизотропии, препятнитных наноструктурах. Дипломная работа, МГУ (1997).

ствующие перемагничиванию. Это явление эксперимен[10] T. Zhu, J. Shi, K. Nordquist, S. Tehrani, M. Duram, E. Chen, тально наблюдалось в работе [11] (см. также [3]).

H. Goronkin. IEEE Trans. Magn. 33, 3601 (1997).

[11] K. Takanashi, H. Kurokawa, H. Fujimori. Appl. Phys. Lett. 63, 3) При дальнейшем увеличении антиферромагнитного 11, 1585 (1993).

межслойного обмена меняется очередность перемагничивания слоев, т. е. сначала перемагничивается слой с большей константой анизотропии, а потом магнитомягкий слой (рис. 7, c). Это можно объяснить тем, что поле обмена со стороны слоя с большей намагниченностью (и малой константой анизотропии) намного превосходит поле обмена со стороны слоя с малой намагниченностью (и большой константой анизотропии). При некоторой величине J1 это поле становится больше, чем внешнее поле и поле анизотропии, препятствующие перемагничиванию. В магнитомягком же слое обменное поле меньше, чем поля, препятствующие перемагниченности (так как действует оно со стороны слоя с малой намагниченностью).

4) И, наконец, при дальнейшем увеличении J1 гистерезисная кривая переходит в кривую, изображенную на рис. 7, d. Внешне эта кривая напоминает кривую для случая 2, однако процесс перемагничивания здесь совершенно иной. Сначала перемагничивается магнитожесткий слой, затем при увеличении внешнего поля перемагничивается магнитомягкий слой, а магнитожесткий перемагничивается еще раз, и, наконец, перемагничиваются оба слоя. В этом случае антиферромагнитный обмен настолько велик, что при перемагничивании слоя с большей намагниченностью он перемагничивает еще раз слой с малой намагниченностью.




© 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.