Введение к работе
Актуальность темы. Уменьшение ферромагнитного объекта до субмикронного размера приводит к формированию устойчивых магнитных конфигураций, не свойственных массивным магнитам. Наиболее примечательными из них являются однодоменная и вихревая спиновые конфигурации. В случае формирования вихря намагниченность вращается в плоскости объекта вокруг центральной области, в которой она выворачивается перпендикулярно, образуя ядро вихря [1]. Практически полное отсутствие магнитных полюсов делает вихревую конфигурацию энергетически выгодной. Вихрь характеризуется хиральностью направлением вращения намагниченности (по-/против часовой стрелке) и полярностью - направлением намагниченности в ядре вихря относительно плоскости (вверх/вниз). Эти параметры независимы, поэтому магнитный вихрь может принимать четыре устойчивых состояния. При этом состояния вихря с разной хиральностью или полярностью являются энергетически тождественными. Внешним воздействием можно добиться, например, переключения хиральности, но без применения сложных экспериментальных методов нельзя определить ее значение.
Распространенным объектом для изучения свойств вихревой магнитной конфигурации является субмикронный ферромагнитный диск. Состояние магнитного равновесия соответствует положению ядра вихря в центре диска. Под действием спин-поляризованного тока или внешнего магнитного поля ядро вихря отклоняется от положения равновесия. В зависимости от скорости изменения внешнего возбуждающего воздействия могут наблюдаться следующие явления: упругое отклонение ядра вихря от состояния равновесия [1,2], переключение полярности [3], переключение хиральности [4], прецессия ядра вихря [3], которая может сопровождаться переключением полярности и испусканием магнона [3,5-7]. Показано, что используя данные особенности, на основе дисков могут быть реализованы элементы памяти [8], элементы логики [9], сенсоры магнитного поля [10], высокочастотные генераторы спиновых волн [11] и противораковые медицинские препараты [12] и т.д. При этом, задачей важной как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, является выявление механизмов, позволяющих надежно контролировать параметры процесса перемагничивания и формируемого вихревого состояния.
Можно выделить несколько основных групп методов, позволяющих контролировать процесс перемагничивания дисков: создание магнитоактивных дефектов в диске [13-15]; создание асимметрии магнитных свойств [16,17] и неоднородного магнитостатического взаимодействия между дисками [18-20].
Целью диссертационной работы является исследование особенностей
процессов перемагничивания, магнитных конфигураций и
магниторезистивных свойств наноразмерных дисков при упорядочении их в плотноупакованные структуры.
Основные задачи работы.
-
Получить набор опытных образцов содержащих одномерные и двумерные массивы с различным числом дисков, а также набор массивов дисков упорядоченных в узлах решеток с различной симметрией.
-
Изучить влияния размера массива на процессы перемагничивания дисков. Интерпретировать экспериментальные результаты на основе полуэмпирической модели, оценивающей влияние междискового магнитостатического взаимодействия на величину поля зарождения вихря.
-
Экспериментально исследовать влияние симметрии массива на процессы перемагничивания дисков.
-
Получить набор опытных образцов содержащих многослойные диски с различными параметрами геометрии и состава, в том числе структуры «диск на диске».
-
Исследовать магнитные и магниторезистивные свойства структуры «диск на диске». Создать автоматизированную установку для измерения магниторезистивных свойств с помощью зондовой станции. Используя микромагнитное моделирование, интерпретировать данные экспериментальных измерений магнитных и магниторезистивных свойств.
Научная новизна работы.
-
Обнаружены осцилляции поля зарождения вихрей с увеличением числа дисков в двумерном массиве. Установлено, что в случае одномерных массивов величина критических полей изменяется монотонно, а ход зависимости определяется направлением внешнего перемагничивающего поля. С увеличением размера массива значение критических полей перемагничивания дисков может изменяться в два раза по сравнению с изолированным диском.
-
Экспериментально установлено, что угловые зависимости критических полей перемагничивания отражают симметрию упорядочения дисков в массиве только в том случае, если диски равноудалены друг от друга во всех направлениях. При изменении расстояния между дисками на 30% в одном из направлений двумерный массив ведет себя, как набор параллельных цепочек дисков.
-
Разработан новый способ контроля хиральности и полярности магнитного вихря в диске, реализуемый с помощью наноструктуры «диск на диске». Экспериментально подтверждено, что направлением внешнего магнитного поля можно надежно задавать четыре различных магнитных состояний системы.
4. Установлено, что при перемагничивании структура «диск на диске» ведет себя как спин-вентиль, вследствие того, что в дисках реализуются вихревое и однодоменное состояния намагниченности.
Практическая значимость работы. На основе структуры типа «диск на диске» могут быть созданы ячейки магниторезистивной памяти с четырьмя устойчивыми состояниями. Это позволит хранить в одной ячейке два бита информация и увеличить плотность ее записи. Результаты, полученные при исследовании влияния размера и симметрии массива на процессы перемагничивания дисков, могут представлять практическую ценность при проектировании магниторезистивной памяти, а также массивов спиновых осцилляторов.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Осциллирующий характер зависимости поля зарождения вихря от размера массива связан с асинхронностью переключения дисков в массиве из однодоменного в вихревое состояние.
-
Размер и симметрия массива оказывают влияние на поведение критических полей перемагничивания дисков.
-
В структуре «диск на диске» в большом диске реализуется магнитный вихрь, а в маленьком диске возможно формирование как устойчивого вихревого, так и однодоменного состояния.
-
В структуре «диск на диске» возможны четыре устойчивые магнитные конфигурации, которые можно задать ориентацией внешнего магнитного поля в процессе перемагничивания.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2009, 2010, 2011, 2012); The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces, RJSSS-9 (Владивосток, 2010); Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2011); IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012 (Ванкувер, 2012); Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2012 (Парма, 2012); IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2013 (Детройт, 2013).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей в рецензируемых научных журналах, 8 тезисов докладов и получено 2 авторских свидетельства.
Личное участие автора в получении результатов состоит в следующем:
- формирование шаблонов наноструктур методом электронно-лучевой
литографии;
-осаждение поликристаллических пленок Со и NigoF^o (Ру) методом
магнетронного распыления;
измерение петель магнитного гистерезиса наноструктур методом магнитооптического эффекта Керра;
исследование магниторезистивных свойств многослойных пленок и структур «диск на диске» на программно-аппаратном комплексе «AutoMagTrans» собранном автором;
моделирование процессов перемагничивания и магнитной структуры нанодисков с использованием программного пакета OOMMF;
расчет магнитосопротивления на основе результатов микромагнитного моделирования.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из ПО наименований. Общий объем диссертации 130 страниц, включая 70 рисунков.
