Спін-залежні особливості в електропровідності мікроконтактів на основі феромагнітних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна

УДК 538.935, 538.955

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Спін-залежні особливості в електропровідності мікроконтактів на основі феромагнітних матеріалів

01.04.07 - Фізика твердого тіла

Трипутень Лариса Юріївна

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, м. Харків.

Науковий керівник: електропровідність контакт спектроскопія

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Найдюк Юрій Георгійович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, провідний науковий співробітник відділу мікроконтактної спектроскопії

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор, Колесніченко Юрій Олексійович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, завідувач відділу квантових кінетичних явищ в провідних системах

доктор фізико-математичних наук, професор, Оболенський Михайло Олександрович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна МОН України, завідувач кафедри фізики низьких температур

Захист відбудеться «_15_» червня 2010 року о _15_ годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03 при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, проспект Леніна, 47)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, проспект Леніна, 47)

Автореферат розісланий «_14_» травня 2010 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03 доктор фізико-математичних наук, професор Є.С. Сиркін

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одне із завдань фізики твердого тіла складає дослідження механічних, електричних, оптичних, магнітних та інших властивостей речовин з метою отримання нових матеріалів із певними характеристиками.

Дослідження об'єктів із пониженою розмірністю, таких як різноманітні гетероструктури та наноструктури, в даний час становлять значний науковий і прикладний інтерес, тому що подальша мініатюризація вимагає використання елементів з розмірами в кілька нанометрів. Ще в 1959 році відомий фізик Річард Фейнман під час своєї лекції [1] у Каліфорнійському технологічному інституті зазначив, що «навчившись регулювати та контролювати структури на атомному рівні, ми одержимо матеріали із зовсім несподіваними властивостями і абсолютно незвичайними ефектами ... Розвиток техніки маніпуляції на атомарному рівні дозволить вирішити багато проблем». Техніка маніпуляції на атомному рівні характеризується терміном «нанотехнологія». Суть нанотехнології полягає в переході до структур на атомному рівні з метою створення нових матеріалів, систем та використання їх властивостей і функціональних можливостей. Використання наноструктур в електроніці призведе до подальшої мініатюризації електронних елементів і створення різних пристроїв нового покоління.

В даний час великий інтерес з боку світової наукової спільноти викликають дослідження властивостей нанорозмірних структур на основі ефекту гігантського магнітоопору (ГМО, або, як прийнято його називати в англомовній літературі GMR - giant magnetoresistance). У 2007 році «за відкриття ефекту гігантського магнітоопору» двом вченим: Альберту Ферту та Пітеру Грюнбергу (Albert Fert та Peter Grьnberg) була присуджена Нобелівська премія з фізики. Ефект полягає в тому, що опір структури, яка складається із тонких поперемінних шарів магнітного і немагнітного металів, залежить від взаємного напряму намагніченості сусідніх магнітних шарів. Так, при паралельній намагніченості шарів опір нижче, ніж при антипаралельній. Відносна зміна опору системи в магнітному полі становить від 5 до 50% в залежності від матеріалів, кількості шарів і температури. Ця величина на порядок більше, ніж у попередника ефекту ГМО - ефекту анізотропного магнітоопору, чим і пояснюється назва першого. З часів відкриття пройшло майже 20 років, і за цей час пристрої, засновані на ГМО широко застосовуються в сучасних цифрових приладах. Так наприклад, ефект ГМО використовують головки зчитування в жорсткому диску комп'ютера.

Відкриття цього ефекту ініціювало активну роботу у новій області досліджень і технологій - спінтроніці. Термін спінтроніка походить від англомовного словосполучення «spin electronics», що в перекладі означає спінова електроніка або магнітоелектроніка. В основі нового напряму науки і техніки лежить концепція спінового транспорту, спінової інжекції, спінових поляризаторів і аналізаторів. В даний час ця область досліджень значно розвивається в таких нових перспективних напрямах, як напівпровідникова, молекулярна, одноелектронна спінтроніка.

Вивчення ефектів пов'язаних з спіновим транспортом є на сьогодні одним з найбільш перспективних напрямків у спінтроніці, а також важливим напрямком досліджень у відділі «Мікроконтактної спектроскопії» ФТІНТ НАН України. Інтерес обумовлений як фундаментальними аспектами фізики твердого тіла, так і потенційними технічними додатками. До цієї роботи спін-залежні особливості електропровідності мікроконтактів на основі феромагнітних матеріалів залишалися маловивченими. У той же час природа нелінійної електропровідності таких контактів, що пов'язана з процесами спінового транспорту на границі феромагнетик-немагнітний метал при великій густині струму в умовах обмеженої геометрії, становить, у зв'язку з вищесказаним, великий інтерес і вимагає детального експериментального дослідження.

Таким чином, тема даної дисертації актуальна як з фундаментальної точки зору, так з точки зору можливих практичних застосувань одержаних результатів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі «Мікроконтактної спектроскопії» Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Bєркiна HAH України в межах тематичного плану ФТIHT ім. Б.І. Bєркiна HAH України за відомчими тематиками: "Фізика квантових електронних явищ в провідних системах" (номер державної реєстрації 0104U003036, шифр Ф1.4.10.5.7, термін виконання 2002-2006 рр.), "Квантові електронні явища в нових провідних системах", (номер державної реєстрації 0107U000945, шифр Ф1.4.10.5.8, термін виконання 2007 -2011рр.).

Мета і завдання дослідження.

Мета дисертаційної роботи полягає в виявленні, дослідженні та з'ясуванні природи особливостей в нелінійній електропровідності та магнітоопорі точкових нанорозмірних контактів на основі плівкових структур з феромагнітних матеріалів; застосування методу мікроконтактної спектроскопії для характеризації досліджуваних контактів. Для досягнення поставленої мети, у роботі необхідно було вирішити наступні завдання:

1) Створення мікроконтактів, в яких спостерігаються динамічні і статичні спін-вентильні ефекти, детальне вивчення їхньої поведінки у магнітному полі;

2) Вивчення впливу НВЧ-опромінення на динамічну поведінку мікроконтактів із спін-вентильним ефектом;

3) Дослідження особливостей спін-вентильного ефекту в мікроконтактах із обмінно-зміщеною феромагнітною плівкою, що напилена на антиферомагнетик.

Об'єкт дослідження - феромагнітні плівки кобальту різних товщин, а також спеціально створені плівкові структури, що містять обмінний бішар антиферомагнетика та феромагнетика.

Предмет дослідження дисертаційної роботи - нелінійні вольт-амперні характеристики мікроконтактів феромагнетик-немагнітний метал, магнітоопір мікроконтактів феромагнетик-немагнітний метал, мікроконтактні спектри електрон-фононної взаємодії.

Методи дослідження: Усі дослідження виконані методом мікроконтактної спектроскопії.

Наукова новизна отриманих результатів дисертації визначається наступними положеннями:

1) Встановлено, що в провідності мікроконтактів з феромагнітною плівкою кобальту різних товщин спостерігаються динамічні та статичні спін-вентильні ефекти характерні для трьохшарових спін-вентильних наноструктур Ф1-Н-Ф2, (Ф - феромагнетик, Н - немагнітний метал). Запропоновано модель мікроконтактного «поверхневого спінового вентиля».

2) Проведено аналіз парціальних внесків в спектри електрон-фононної взаємодії контактуючих металів, який підтвердив модель мікроконтактного «поверхневого спінового вентиля» та пояснив «інверсію» гістерезиса, що спостерігалась в провідності контактів феромагнетик-немагнітний метал в тонких феромагнітних плівках.

3) Виявлено проміжний рівень опору в петлі гістерезису на залежності диференційного опору та магнітоопору, який пов'язаний з утворенням спін-вихорового стану магнітної структури в «поверхневому спіновому вентилі».

4) Виявлена резонансна стимуляція прецесії вектора намагніченості зовнішнім НВЧ полем в досліджуваних мікроконтактах.

5) Досліджено поверхневий спін-вентильний ефект в структурах антиферомагнетик-феромагнетик. Встановлено, що коерци-тивність поверхневого шару феромагнітної плівки більша ніж її масиву.

Достовірність одержаних результатів забезпечена методично коректною постановкою експериментів, комплексним характером досліджень, логічною незаперечністю одержаних результатів, доброю кореляцією наведених даних із даними, отриманими іншими дослідниками.

Наукове та практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Поширення методу мікроконтактної спектроскопії на дослідження ряду нових раніше не вивчених за її допомогою явищ, що спостерігаються в електропровідності магнітних точкових контактів нанометрового розміру.

2. Експериментально показано, що спін-вентильні ефекти спостерігаються в мікроконтактах, розмір яких порядка десяти нанометрів. Отримані данні можуть бути використані при створенні базових елементів пристроїв спінтроніки, де прогресуюче зменшення розмірів елементів потребує знань властивостей контактів атомарного розміру.

3. Результати мікроконтактних досліджень можуть бути використані для теоретичного моделювання та чисельного аналізу процесів, що обумовлені спіновим транспортом на атомних масштабах.

Особистий внесок здобувача.

Всі роботи, що ввійшли в дисертацію, виконані в співавторстві, однак особистий внесок дисертанта в ці роботи є визначальним. Особистий внесок Трипутень Л.Ю. складається з активної участі у проведенні експериментів, обробці та аналізі отриманих експериментальних даних, обговоренні результатів, формулюванні висновків, написанні статей і тез конференцій. Доповіді на конференціях 3-6, 8, 9, 11, 12 були представлені дисертантом особисто. Результати, що ввійшли в дисертацію, представляються до захисту вперше.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на таких міжнародних та вітчизняних конференціях:

1. International Workshop on Spin Transfer (Nancy, France, 2006).

2. International Conference "Condensed Matter: Theory and Applications" (Харків, Україна, 2006).

3. Конференція молодих вчених "КМВ-ФНТ-2007" (Харків, Україна, 2007).

4. 1-а Всеукраїнська наукова конференція молодих вчених "КМВ-ФНТ-2008" (Харків, Україна, 2008).

5. Международный симпозиум по магнетизму "MISM - 2008" (Москва, Россия, 2008).

6. 5-я Зимняя молодежная школа-конференция "Магнитный резонанс и его приложения" (Санкт-Петербург, Россия, 2008).

7. International Symposium "Trends in Nanoscience 2009" (Irsee, Germany, 2009).

8. 2-а Всеукраїнська наукова конференція молодих вчених "КМВ-ФНТ-2009" (Харків, Україна, 2009).

9. Advanced Workshop: Spin and Charge Properties of Low Dimensional Systems (Sibiu, Romania, 2009).

10. International Conference on Magnetism, "ICM09" (Karlsruhe, Germany, 2009).

11. Mini-Colloquium and International Workshop "Modern Challenges in microwave superconductivity, photonics and electronics" (Харків, Україна, 2009).

12. International Conference on Advances in Magnetic Nanostructures (Vail, USA, 2009).

13. 11-th Joint MMM - Intermag Conreference (Washington, USA, 2010).

Публікації.

Основні результати дисертації опубліковані в 7 статтях у вітчизняних та закордонних рецензованих журналах [1-7] і в 13 збірниках матеріалів вітчизняних і міжнародних конференцій [8-20].

Структура та об'єм дисертації.

Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку цитованої літератури, що містить 109 найменувань. Загальний обсяг дисертації 105 сторінок, що включають 46 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначені її мета й методи досягнення, наукова новизна отриманих результатів, а також структура дисертації. Крім цього, охарактеризований особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію та публікацію результатів досліджень і структуру дисертації.

Перший розділ містить огляд наукової літератури з методу мікроконтактної спектроскопії [2], а також з ефекту ГМО. В якості основного елемента на основі ефекту ГМО використовується наноструктура - спіновий вентиль Ф1 - Н - Ф2, що складається із двох шарів феромагнетика (магнітожорсткого Ф1 та магнітом'якого Ф2), які розділяються шаром немагнітного металу (Н). Передача спінового обертального моменту спін-поляризованими електронами при протіканні струму високої густини (107 - 109 А/см2) крізь такий спіновий вентиль в присутності зовнішнього магнітного поля викликає стаціонарну прецесію вектора намагніченості Ф2 з різними просторовими модами. Це в свою чергу призводить до зростання (або зменшення) опору вентиля і спостерігається при певній полярності транспортного струму, коли потік електронів направлений з Ф1 в Ф2. Така поведінка відображає динамічну характеристику спінового вентиля. Передача спінового обертального моменту спін-поляризованими електронами у разі відсутності зовнішнього магнітного поля обумовлює зміну взаємної орієнтації намагніченості шарів спінового вентиля, що приводить до стрибкоподібної гістерезисної зміни його опору і називається статичним спін-вентильним ефектом. У разі відсутності струму через спіновий вентиль при розгортанні зовнішнього магнітного поля залежність магнітоопору має вигляд двох меандрів, інтенсивність яких корелює з величиною гістерезису.

В кінці розділу формулюються висновки з огляду літератури і обґрунтована необхідність вирішення ряду раніше не вивчених проблем, пов'язаних із спін-залежними особливостями електропровідності в мікроконтактах на основі феромагнітних матеріалів.

У другому розділі «Методика експеримента» міститься опис методу дослідження та експериментального обладнання. Спектрометр складається з двох конструктивних частин: кріогенної частини і мікроконтактного спектрометра. Кріогенна частина включає гелієвий кріостат і спеціальний пристрій, що дозволяє створювати мікроконтакти безпосередньо всередині нього. В основі мікроконтактного спектрометра лежить принцип синхронного детектування модулюючої напруги для дослідження нелінійної ВАХ мікроконтактів. Мікроконтакти створювалися безпосередньо перед їх вимірюванням у рідкому гелії (Т = 4.2 К) між голкою з немагнітного металу з діаметром вістря близько 10 мкм та феромагнітними плівками кобальту завтовшки t = 2 - 100 нм, напиленими в надвисокому вакуумі на підкладку з окисленого кремнію, покриту плівкою міді товщиною 100 нм, яка служила буферним шаром.

У деяких експериментах використовувалися плівки кобальту, покриті зверху захисним шаром міді або золота завтовшки 2 - 3 нм, який перешкоджав природному окисленню кобальта.

Для вивчення впливу обмінного зсуву на ВАХ мікроконтактів досліджені плівкові структури з обмінним бішаром антиферомагнетик-феромагнетик АФ/Ф (Fe50Mn50/Co).

Електричний опір вивчених мікроконтактів знаходився в інтервалі 3 - 80 Щ. Відповідно до формули Шарвіна типовий діаметр контакту d, опір якого R = 10 Щ, повинен бути ~ 10 нм [3].

У третьому розділі наведено результати досліджень нелінійної провідності мікроконтактів між одиночною феромагнітною плівкою кобальта різних товщин та голкою з немагнітного металу. Показано, що в таких мікроконтактах спостерігаються спін-вентильні ефекти. Для пояснення запропонована модель поверхневого спінового вентиля (ПСВ), на основі наступних експериментальних результатів.

Демонструє залежність диференціального опору мікроконтакта dV/dI(V), на якій спостерігається особливість у вигляді піка dV/dI(V) при негативній полярності напруги (тут і далі така полярність відповідає напрямку руху електронів з голки в плівку) в присутності магнітного поля, що пов'язана з ефектом передачі спінового обертального моменту електронами провідності в Ф1 - Н - Ф2 структурах. Пік dV/dI(V) відповідає згладженій сходинці на ВАХ I(V) і обумовлений зростанням опору мікроконтакта при характерному значенні струму.

Поява цього піку має магнітну природу. Про це свідчить той факт, що зростання напруженості зовнішнього поля, як видно з призводить до зсунення піку в область більших зміщень. Виявлена лінійна залежність значення напруги в максимумі піка від магнітного поля, як показано на вставці, де коефіцієнт кута нахилу характеризує структуру мікроконтакта.

Показана залежність dV/dI(V) мікроконтакта, на якій за відсутності зовнішнього магнітного поля, спостерігається статичний спін-вентильний ефект у вигляді гістерезису. При зміні струму від негативних значень до позитивних відбувається стрибкоподібне зменшення опору, а потім зміна напрямку розгортки струму на протилежний викликає стрибкоподібне відновлення стану з високим опором. Залежність магнітоопору такого мікроконтакта має вигляд двох меандрів, висота яких відповідає величині гістерезису.

Встановлено, що наявність спін-вентильних ефектів в мікроконтактах на плівках кобальта не залежить від їх товщин. Для плівок кобальта гранично малих товщин (2 нм) вперше виявлено, що гістерезис на dV/dI(V)-характеристиках деяких контактів змінює знак. Для того, щоб визначити природу цього явища, було проведено аналіз фононних особливостей на МК спектрах.

Метод МКС дозволяє визначити на якій границі між голкою і плівкою, досягається максимальна густина струму, виходячи з інтенсивності спектральних фононних особливостей електродів в МК спектрі. В якості немагнітних контрелектродів голки, щоб розділити головні фононні особливості, було застосовано цілий ряд металів таких як Cu, Ag, Au, W, Mo. Нижче представлені дані для мікроконтактів з золотою голкою (рис. 1), фононні особливості золота і міді знаходяться при ~10 і 17 мВ відповідно. На рис. 1 (панелі a,б) показані dV/dI(V) та МК спектр для випадку нормального гістерезису, на рис. 1 (панелі в,г) для випадку інверсного гістерезису. На МК спектрі (рис. 1,б) домінує фононний максимум золота (Au електрод). Це означає, що контакт утворений між голкою та верхньою поверхнею кобальтової плівки (чиї фононні спектральні лінії мають слабку інтенсивність із-за малої товщини плівки) і отже верхня границя Ф-Н грає головну роль у механізмі утворення гістерезису.

У разі інверсного гістерезису домінуючий максимум міді на МК спектрі (рис. 1,б) на відміну від рис. 1,г вказує на те, що головну роль у електронному та спіновому транспорті для цього мікроконтакта грає границя між нижньою поверхнею кобальту та підшаром міді. Такий гістерезис є аномальним або інверсним, тобто стан з високим опором відповідає напрямку руху електронів з плівки в голку. У випадку малих товщин (2 - 3 нм) поверхня плівки кобальту неоднорідна і на її поверхні можуть перебувати, як виступи так і западини, тобто область максимальної концентрації струму може бути зосереджена як на границі кобальт-голка (Au), так і на границі кобальт-плівка (Cu) підшару.

Рис. 5,б відповідає наявності западини в області нижнього електрода з міді внаслідок нерівностей поверхні розділу, (г) - виступу. Таким чином зроблено висновок, що у механізмі формування спін-вентильного ефекту в тонких плівках визначальну роль може грати як верхня, так і нижня поверхні плівки кобальту і на основі цього запропонована модель поверхневого спінового вентиля (рис. 2).

Було припущено, що кілька атомних шарів поблизу поверхні плівки кобальту грає роль другого феромагнетика, що утворює спіновий вентиль в одиночній плівці кобальту. Цей атомарно тонкий поверхневий шар відокремлений від масиву плівки доменною стінкою атомної товщини і спіни в ньому мають ослаблену обмінну взаємодію із спінами масиву плівки, за рахунок зниженого координаційного числа та можливої взаємодифузії Н і Ф металів, що призводить до зміни його магнітних властивостей.

Рис. 1. Гістерезис на диференційному опорі для мікроконтактів Co-Сu. Справа - схематичне положення границь розділу між феро-магнітною плівкою і немагнітними електродами в мікроконтактах з тонкою феромагнітною плівкою (2 нм).

Рис. 2. Модель поверхневого спінового вентиля в мікроконтакті між немагнітним металом Cu (зверху) та феромагнітною плівкою Со (внизу). Масив малих горизонтальних стрілок (вправо) показує напрям намагніченості в Со. Стрілки (вліво) показують орієнтацію спінів в поверхневому шарі, кружечками показана доменна стінка. Довгі вертикальні та похилі стрілки вказують напрям струму в області електричного контакту, а затемнена частина показує область максимальної концентрації струму.

Це підтверджується дослідженнями тонких плівок кобальта та заліза у роботах [4,5], де експериментально було показано відмінність магнітних властивостей (обмінної взаємодії і анізотропії ) поверхні та масиву.

В підрозділі 3.3. «Спін-вихоровий стан спінового вентиля в мікроконтактах» представлені результати експерименту, де на залежностях диференційного опору деяких контактів окрім двох станів спостерігається третій проміжний стан, який розташований приблизно посередині між рівнем низького і високого опору. Це можливо якщо рівно половина спінів поверхневого шару, які визначають магнітоопір цього контакту, знаходиться в антипаралельному стані, а інша - в паралельному. Така конфігурація, відповідає спін-вихоровому стану спінового вентиля, схематично, який утворюється внаслідок дії ерстедівського магнітного поля струму та кругової геометрії контакту. Утворення стійкого вихорового стану спінів поверхневого шару в області контакту призводить також до наявності сходинки опору в магнітоопорі, що і показано на вставці. Аналогічний ефект спостерігався для трьохшарової спін-вентильної структури у вигляді циліндричних кілець діаметром ~ 200 нм [6], де автори пояснювали цей стан утворенням вихорового стану намагніченості в кільцевих спінових вентилях.

Таким чином утворення спін-вихорової структури в ПСВ на одиночній феромагнітній плівці відбувається на масштабі порядка діаметра контакта (10 нм), тобто на порядок меншому ніж у випадку із спеціально створеними феромагнітними кільцями [6].

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу НВЧ- опромінення на характеристики ПСВ в мікроконтактах між голкою із немагнітного металу (мідь) та феромагнітними плівками кобальту товщиною 5, 10 та 100 нм. Показано, що на монотонних залежностях dV/dI(V) контактів в магнітному полі під впливом зовнішнього НВЧ- опромінення виникає пік в диференційному опорі при негативній полярності зміщення, подібній описаному в розділі 3. Після виключення мікрохвильового опромінення залежність dV/dI(V) знову ставала монотонною, тобто ефект оборотний. Іноді на вихідній кривій, без опромінення, спостерігалися невеликі нерегулярності («провісники» піку) у зазначеній області зміщень. Амплітуда стимульованого піка та його поява залежать від частоти. Як видно із вставки до рис. 8, спостерігається три максимуми на частотах 3.9, 7.8 та 10.3 ГГц, які можна класифікувати як збудження прецесії вектора намагніченості на основній частоті та її гармоніках.

Невідповідність положення третього піка може бути зумовлена збудженням іншої моди прецесії намагніченості. Доказом резонансного характеру ефекту (стимуляції прецесії намагніченості) служить той факт, що стимульовані НВЧ полем піки dV/dI(V) виникають при специфічних значеннях частоти. Інтерпретація виявленого резонансного ефекту полягає в наступному. Коли частота змінного НВЧ поля накачування f виявляється близькою до частоти прецесії вектора намагніченості f0, відбувається резонансне зростання амплітуди її осциляцій, які були відсутні у разі дії тільки спін-поляризованого струму, тобто відбувається перехід від стохастичних коливань до стаціонарної прецесії.

Таким чином вперше виявлено резонансне збудження зовнішнім НВЧ полем прецесії вектора намагніченості в мікроконтактному спіновому вентилі.

У п'ятому розділі вивчені спін-вентильні ефекти на плівкових структурах із бішаром (АФ/Ф). Метою дослідження було з'ясування того, як піннінгуючий шар АФ впливає на формування залежності магнітоопору ПСВ, а також вивчення впливу транспортного струму на ефект обмінного зсуву. Суть ефекту обмінного зсуву [7] полягає в тому, що петля гістерезису перемагнічування шаруватих матеріалів АФ/Ф зсувається відносно осі ординат. Зсув гістерезису пояснюється тим, що магнітом'яка компонента відчуває піннінг однієї з магнітних підграток АФ. Дане явище характеризується величиною обмінного поля зсуву HОЗ. Завдяки міжшаровій обмінній взаємодії між АФ і Ф металами існує можливість зафіксувати орієнтацію намагніченості одного із шарів спінового вентиля, що є важливим для отримання максимальної зміни його опору.

Досліджені характеристики dV/dI(V) і R(H) мікроконтактів між плівковою структурою, яка містить обмінний бішар, та немагнітною голкою для різної взаємної орієнтації піннінгу M та зовнішнього магнітного поля H. Показані залежності R(H) у разі паралельної, перпендикулярної та антипаралельної орієнтації M і H. Для випадку H перпендикулярно M меандри розташовані приблизно симетричні відносно Н = 0, що вказує на відсутність впливу обмінного зсуву. У разі орієнтації M і H 0 (а) та 1800 (в) відповідно, характерні поля перемагнічування на панелях (а) та (в) для внутрішніх границь меандрів зсуваються під впливом поля обмінного зсуву HОЗ на ? ± 0.5 кЕ уздовж осі H, а також збільшується коерцитивне поле. Причому напрям зсуву вздовж осі Н залежить від орієнтації прикладеного магнітного поля Н відносно M. Величина поля перемагнічування внутрішніх границь меандрів залишається незмінною, а змінюються значення при яких це відбувається, при цьому поля для зовнішніх границь змінюються для різних мікроконтактів. Внаслідок того, що плівка кобальту запіннінгована АФ, то зміна орієнтації М і Н на 1800 призводить до чіткої зміни значень поля перемагнічування внутрішніх границь. Отже, вони відповідають намагніченості масиву плівки, тобто її перемагнічування відбувається в менших полях.

Таким чином, зовнішні границі меандрів, що знаходяться при більших полях (НП), відповідальні за перемагнічування поверхневого шару плівки.

В процесі циклічної протяжки зовнішнього поля спостерігаються незначні зміни значень HП для одного й того ж контакту. Це може бути наслідком морфологічних недоско-налостей чи дефектів у механічно створюваних мікроконтактах.

Отримані результати підтвер-джують модель поверхневого спінового вентиля на одиночній феромагнітній плівці.

Встановлено, що перемагнічу-вання масиву плівки кобальта відбувається в менших полях ніж перемагнічування поверхневого шару. Крім цього зроблено висновок, що поле перемагнічування масиву Ф плівки практично не залежить від величини транспортного струму, що свідчить про слабку залежність обмінного зсуву від струму через контакт. Це може бути пов'язано з тим, що через розтікання струму вдалині від контакту його густина поблизу границі АФ/Ф недостатньо велика, щоб справити значний вплив на структуру спінів на границі.

У висновках викладені основні наукові результати дисертації.

Висновки

В дисертації досліджена та з'ясована природа особливостей в нелінійній електропровідності та магнітоопорі точкових нанорозмірних контактів на одиночних феромагнітних плівках, яка пов'язується з утворення поверхневої спін-вентильної структури. Результати, отримані в дисертаційній роботі сформульовані у вигляді коротких тез.

[1] Виявлено спін-вентильний ефект в мікроконтактах між одиночними феромагнітними (Ф) плівками різних товщин та голкою із немагнітного (Н) металу. Показано, що на dV/dI(V) характеристиках таких мікроконтактів спостерігаються статичні та динамічні ефекти, характерні для спеціально створених трьохшарових спінових вентилей Ф1 - Н - Ф2.

[2] Запропоновано модель «поверхневого спінового вентиля» (ПСВ), в якій атомарно тонкий поверхневий шар феромагнетика в мікроконтакті виконує роль одного із шарів, що утворюють спіновий вентиль, орієнтація намагніченості якого може змінюватися відносно орієнтації намагніченості масиву плівки.

[3] Для гранично малих товщин феромагнітних плівок кобальту виявлена зміна знака гістерезису на dV/dI(V) мікроконтактів. На основі аналізу парціальних вкладів в спектри електрон-фононної взаємодії фононних особливостей контактуючих електродів, встановлено, що головна роль у формуванні ПСВ належить тій поверхні феромагнетика, яка розташована в серцевині мікроконтакту.

[4] Виявлено проміжний рівень опору в петлі гістерезису на залежностях dV/dI(V) або сходинка на залежностях R(H), що пов'язується з утворенням спін-вихорового стану магнітної структури в ПСВ в результаті дії магнітного поля струму та кругової геометрії звуження.

[5] Вперше виявлена частотно-залежна стимуляція прецесії вектора намагніченості в ПСВ під впливом НВЧ-опромінення.

[6] Досліджено ПСВ ефект в мікроконтактах на структурах феромагнетик - антиферомагнетик Co/Fe50Mn50 з обмінним зсувом. Встановлено, що коерцитивність поверхневого шару більша ніж масиву феромагнітної плівки.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Yanson I.K. Surface spin-valve effect / I.K. Yanson, Yu.G. Naidyuk, V.V. Fisun, A. Konovalenko, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen,

V. Korenivski // Nano Letters. - 2007. - Vol. 7, № 4. - P. 927-931.

2. Konovalenko A. On the mechanism of hysteresis in conductance of point contacts to single ferromagnetic films / А. Konovalenko, V. Korenivski, I.K. Yanson, Yu.G. Naidyuk, V.V. Fisun, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen // J. Appl. Phys. - 2007. - Vol. 101. - P. 09A513-1- 09A513-3.

3. Naidyuk Yu.G. Magnetic unipolar features in conductivity of point contacts between normal and ferromagnetic d-metals (Co, Ni, Fe) /

Yu.G. Naidyuk, I.K. Yanson, D.L. Bashlakov, V.V. Fisun, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski, R.I. Shekhter. // “Electron Correlation in New Materials and Nanosystems” (Springer, 2007) NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry. - Vol. 241. - 2007. - P. 59-69.

4. Балкашин О.П. Нестационарная динамика намагниченности микроконтактов с одиночной ферромагнитной пленкой /

О.П. Балкашин, В.В. Фисун, И.К. Янсон, Л.Ю. Трипутень, А. Konovаlenko, V. Korenivski // ФНТ. - 2009. - Т. 35, № 8-9. - С. 879-890.

5. Balkashin O.P. Spin dynamics in point contacts to single ferromagnetic films / O.P. Balkashin, V.V. Fisun, I.K. Yanson, L.Yu. Triputen,

A. Konovalenko, V. Korenivski // Phys. Rev. B. - 2009. - Vol. 79. - Р. 092419-1- 092419-4.

6. Yanson I.K. Current driven tri-stable resistance states in magnetic point contacts / I.K. Yanson, V.V. Fisun, Yu.G. Naidyuk, O.P. Balkashin,

L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // J. Phys.: Condens. Matter. - 2009. - Vol. 21. - Р. 355004-1 - 355004-4.

7. Yanson I.K. Vortex-like state observed in ferromagnetic contacts /

I.K. Yanson, V.V. Fisun, Yu.G. Naidyuk, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // J. Phys.: Conference Series. - 2010. - Vol. 200. - P. 052033-1 - 052033-4.

8. Yanson I.K. Phonon spectroscopy and spin transfer torques in point contacts to thin ferromagnetic films / I.K. Yanson, Yu.G. Naidyuk,

V.V. Fisun, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko,

V. Korenivski // International Workshop on Spin Transfer. Proceedings. - Nancy (France). - 2006. - P.128-129.

9. Yanson I.K. Phonon spectroscopy and spin transfer torques in point contacts to thin ferromagnetic films / I.K. Yanson, Yu.G. Naidyuk,

V.V. Fisun, O.P. Balkashin, A. Konovalenko, L.Yu. Triputen,

V. Korenivski // International Conference on Condensed Matter: Theory and Applications. - Харків (Україна). - 2006.

10. Фисун В.В. Обнаружение эффекта поверхностного спинового вентиля методом микроконтактной спектроскопи / В.В. Фисун,

И.К. Янсон, Л.Ю. Трипутень // Конференція молодих вчених "Фізика низьких температур КМВ-ФНТ-2007": тези доп. - Харків (Україна). - 2007. - C.27.

11. Балкашин О.П. Динамика намагниченности микроконтактов ферромагнетик-немагнитный металл при микроволновом облучении / О.П. Балкашин, И.К. Янсон, В.В. Фисун, Л.Ю. Трипутень // 1-а Всеукраїнська наукова конференція молодих вчених "КМВ-ФНТ-2008": тези доп. - Харків (Україна). - 2008. - C.37.

12. Balkashin O.P. Magnetization dynamics in point contacts to single Co films under the high-frequency irradiation / O.P. Balkashin, I.K. Yanson, V.V. Fisun, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // Moscow International Symposium on Magnetism "MISM-2008". Proceedings. - Москва (Россия). - 2008. - P. 495.

13. Балкашин О.П.. Резонансная стимуляция прецессии намагниченности в микроконтактах Co-Cu / О.П. Балкашин,

И.К. Янсон, В.В. Фисун, Л.Ю. Трипутень, A. Konovalenko, V. Korenivski // 5-я Зимняя молодежная школа-конференция "Магнитный резонанс и его приложения": тезисы докл. - Санкт-Петербург (Россия). - 2008. - C. 101-102.

14. Naidyuk Yu.G. Surface spin-valve effects in normal metal-ferromagnet nanocontacts / Yu.G. Naidyuk, I.K. Yanson, V.V. Fisun, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // International Symposium "Trends in Nanoscience 2009". Proceedings. - Irsee (Germany). - 2009. - P.97.

15. Трипутень Л.Ю. Обнаружение спин-вихревой структуры в микроконтактах ферромагнетик-немагнитный металл /

Л.Ю. Трипутень // 2-а Всеукраїнська наукова конференція молодих вчених "КМВ-ФНТ-2009":тези доп. - Харків (Україна). - 2009. - C. 99.

16. Balkashin O.P. Microwave response of Co-Cu nanocontacts /

O.P. Balkashin, I.K. Yanson, V.V. Fisun, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // Mini-Colloquium and International Workshop "Modern Challenges in microwave superconductivity, photonics and electronics". - Харків (Україна). - 2009.

17. Yanson I.K. Spin-vortex-like states in Co-Cu point contacts /

I.K. Yanson, V.V. Fisun, Yu.G. Naidyuk, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // Advanced Workshop: Spin and Charge Properties of Low Dimensional Systems. Proceedings. - Sibiu (Romania). - 2009. - P. 45.

18. Naidyuk Yu.G. Vortex-like state observed in ferromagnetic nanocontats / Yu.G. Naidyuk, I.K. Yanson, V.V. Fisun, O.P. Balkashin,

L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // International Conference on Magnetism - ICM 2009. Proceedings. - Karlsruhe (Germany). - 2009. - P.47.

19. Yanson I.K. Spin-vortex-like state in magnetic point contacts / I.K. Yanson, V.V. Fisun, Yu.G. Naidyuk, O.P. Balkashin, L.Yu. Triputen, A. Konovalenko, V. Korenivski // International Conference on Advances in Magnetic Nanostructures. Proceedings. - Vail (USA). - 2009. - P. 10.

20. Yanson I.K. Spin Torques in Point Contacts to Exchange-Biased Ferromagnetic Films / I.K. Yanson, Yu.G. Naidyuk, O.P. Balkashin,

V.V. Fisun, L.Yu. Triputen, S. Andersson, V. Korenivski, Yu.I. Yanson,

H. Zabel //11-th Joint MMM-Intermag Conreference. Proceedings. - Washington (USA). - 2010. - P.161.

Анотація

Трипутень Л.Ю. Спін-залежні особливості в електропровідності мікроконтактів на основі феромагнітних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна HAH України, Харків, 2010.

Дисертація присвячена вивченню спін-вентильних ефектів в мікроконтактах феромагнетик (Ф)-немагнітний метал (Н). Метою роботи було з'ясування природи особливостей в електропровідності і магнітоопорі мікроконтактів на основі феромагнітних матеріалів, обумовленої передачею спінового моменту.

Виявлено спін-вентильний ефект у мікроконтактах між феромагнітними плівками кобальту різної товщини та голкою з немагнітного металу. Показано, що у Ф-Н мікроконтактах спостерігаються всі спін-вентильні ефекти, характерні для стандартних трьохшарових спінових вентилів. На основі отриманих результатів запропоновано модель «поверхневого спінового вентиля» в мікроконтактах, в основі якої лежить припущення, що атомарно тонкий поверхневий шар феромагнітної плівки має ослаблену обмінну взаємодію з внутрішніми шарами. Внаслідок цього, намагніченість поверхневого шару може бути антипаралельною (або під кутом) до внутрішніх шарів плівки, утворюючи спін-вентильну структуру на атомному масштабі.

Вперше виявлена зміна знака гістерезису на диференціальному опорі Ф-Н мікроконтактів для плівок кобальту малих товщин (2-3 нм). Встановлено, що знак гістерезису визначається місцем розташування максимальної концентрації струму в мікроконтактах, яке може перебувати як на границі розділу голка-феромагнетик, так і на границі феромагнетик-підшар. Підтвердження цьому дав аналіз парціальних внесків фононних особливостей голки та підшару у відповідні спектри ЕФВ.

Виявлений проміжний рівень опору в петлі гістерезису в ПСВ на одиночній феромагнітній плівці, що пов'язується з утворенням спін-вихорової структури на масштабі діаметра контакту (~10 нм) в результаті дії магнітного поля транспортного струму і кругової геометрії мікроконтактів.

Вперше виявлена резонансна стимуляція прецесії вектора намагніченості в ПСВ зовнішнім НВЧ полем. Резонансне зростання амплітуди осциляцій намагніченості (поява піка на залежності dV/dI (V)) відбувається при характерному значенні зміщення, для якого виконується резонансна рівність частот змінного НВЧ поля та частоти прецесії вектора намагніченості.

Досліджено особливості спін-вентильного ефекту в мікроконтактах з обмінно-зміщеною феромагнітної плівкою Co, напиленою на антиферомагнетик Fe50Mn50. Встановлено, що перемагнічування масиву плівки Co відбувається в полях менших в порівнянні з полями перемагнічування поверхневого шару в мікроконтактному ПСВ.

Ключові слова: мікроконтакт, спіновий вентиль, передача спінового обертального момента, обмінний зсув.

Аннотация

Трипутень Л.Ю. Спин-зависимые особенности в электропроводности микроконтактов на основе ферромагнитных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2010.

Диссертация посвящена изучению спин-вентильных эффектов в микроконтактах ферромагнетик(Ф)-немагнитный металл (Н). Целью работы было выяснение природы особенностей в электропроводности и магнитосопротивлении микроконтактов на основе ферромагнитных материалов, обусловленной передачей спинового вращательного момента.

Обнаружен спин-вентильный эффект в микроконтактах между ферромагнитными пленками кобальта различной толщины и иглой из немагнитного металла. Показано, что в Ф-Н микроконтактах наблюдаются все спин-вентильные эффекты, характерные для стандартных трёхслойных спиновых вентилей. На основании полученных результатов предложена модель «поверхностного спинового вентиля» в микроконтакте. Модель базируется на предположении, что атомарно тонкий поверхностный слой ферромагнитной пленки имеет ослабленное обменное взаимодействие с внутренними слоями пленки. Вследствие этого, намагниченность поверхностного слоя может быть антипараллельна (или под углом) к внутренним слоям пленки, образуя спин-вентильную структуру на атомном масштабе.

Впервые обнаружена смена знака гистерезиса на дифференциальном сопротивлении Ф-Н микроконтактов для пленок кобальта малых толщин (2-3 нм). Установлено, что знак гистерезиса определяется местоположением максимальной концентрации тока в микроконтакте, которое может находиться как на границе раздела игла-ферромагнетик, так и на границе ферромагнетик-подслой. Подтверждение этому дал анализ парциальных вкладов фононных особенностей электродов, образующих микроконтакт, в соответствующие спектры ЭФВ.

Обнаружен промежуточный уровень сопротивления в петле гистерезиса в ПСВ на одиночной ферромагнитной пленке, что связывается с образованием спин-вихревой структуры на масштабе диаметра контакта (10 нм) в результате действия магнитного поля транспортного тока и круговой геометрии микроконтакта.

Впервые обнаружена резонансная стимуляция прецессии вектора намагниченности в ПСВ внешним СВЧ полем. Резонансное возрастание амплитуды осцилляций намагниченности (появление пика хна зависимости dV/dI(V)) происходит при характерном значении смещения, для которого выполняется резонансное равенство частот, переменного СВЧ поля и частоты прецессии вектора намагниченности.

Исследованы особенности спин-вентильного эффекта в микроконтактах с обменно-смещенной ферромагнитной пленкой (Co), напыленной на антиферромагнетик (FeMn). Установлено, что перемагничивание массива пленки Co происходит в полях меньших в сравнении с полями перемагничивания поверхностного слоя в микроконтактном ПСВ.

Ключевые слова: микроконтакт, спиновый вентиль, передача спинового вращательного момента, обменное смещение.

Abstract

Triputen L.Yu. Spin-dependent features in electroconductivity of pointcontacts based on ferromagnetic materials. - The manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of science in physics and mathematics. Speciality 01.04.07 - solid state physics. - B.I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering, NAS of Ukraine, Kharkiv, 2010.

The thesis considers the spin valve effects in ferromagnetic-nonmagnetic metal point contacts. The goal of the study was to clear up the nature of the features observed in the electroconductivity and magnetoresistance of point contact based on ferromagnetic materials which are caused by spin transfer torque.

The spin valve effects in point contacts between ferromagnetic Co films of varying thicknesses and nonmagnetic tips have been detected. It is shown that all the spin valve effects which are typical to the standard three-layered spin valves have been observed in such point contacts. The model of the “surface spin valve” (SSV) in a point contact has been proposed proceeding from the results obtained. The model assumes that the atomically thin surface layer of the Co film is weakly coupled to the interior spins. As a result the surface layer magnetization can be either parallel or antiparallel to interior spins of the film and form surface spin-valve within a single ferromagnetic film.

A change of the sign of the hysteresis in the differential resistance of the F-N poincontacts to small-thickness Co films (2-3 nm) has been detected for the first time. It has been found that the sign of the hysteresis depends on the location of maximum of the concentration of the current in the point contact, which can be at the interface of either the tip-ferromagnet or ferromagnet-border sublayer. This is supported by the partial contributions to the corresponding EPI spectra that are made by the phonon features of the electrodes forming the point contact.

It has been revealed that a spin-vortex structure is formed in the SSV in a single ferromagnetic film on the scale of the contact diameter (10 nm). It shows up as an intermediate resistance level in the hysteresis loop on dV/dI(V). The spin vortex structure is formed due to the magnetic field of the transport current and the circular contact geometry.

Resonant simulation of magnetization precession in the SSV external microwave field has been detected for the first time. A resonant increase in the precession amplitude (a peak in the dependence dV/dI(V)) occurs at the typical bias value meeting the resonance condition of the frequency of the rf field being equal the frequency of the magnetization precession.

The features of the spin-valve effect in point contacts to an exchange-biased ferromagnetic film (Co), deposited on antiferromagnet (FeMn) has been investigated. It has been detected that the magnetization reversal of the bulk Co film occurs in fields lower than those of magnetization reversal in the surface layer in the point contact SSV.

Key words: pointcontact, spin valve, spin transfer torque, exchange bias.

Размещено на Allbest.ru

...