Введение к работе
Актуальность темы. Изучение процессов перемагничивания и доменной структуры магнитных нанополосок на сегодняшний день представляет особый интерес. В настоящее время предложены новые типы энергонезависимой магнитной памяти (памяти на беговых дорожках или Racetrack memory [1]) и логических устройств [2], основанных на движении доменных границ в нанополосках. Битами информации в памяти на беговых дорожках служат домены в нанополосках. В первоначальном варианте памяти на беговых дорожках, основанной на поликристаллических магнитных нанополосках, вектор намагниченности в доменах был ориентирован вдоль полосок за счет сильной анизотропии формы. Рядом с каждой нанополоской были установлены считывающий и записывающий элементы, способные производить чтение и запись с участка, равного по размерам длине домена и расположенного непосредственно вблизи элементов. Смещение доменных границ и, соответственно, битов информации по полоске осуществлялось под действием импульсов спин-поляризованного тока, пропускаемых вдоль нанополоски.
Процессы перемагничивания поликристаллических нанополосок, в которых, как правило, главную роль играет анизотропия формы, достаточно хорошо изучены. Гораздо интереснее случай полосок, в которых помимо анизотропии формы присутствует магнитная анизотропия другой природы с осью легкого намагничивания, направленной перпендикулярно длинной стороне полосок [3]. Сочетание магнитных анизотропий может приводить к различным доменным конфигурациям в нанополосках. Например, в нанополосках с перпендикулярной анизотропией (ось легкого намагничивания направлена вдоль нормали к плоскости полосок) может возникать полосовая доменная структура, образованная доменами, антипараллельно намагниченными перпендикулярно плоскости полоски. В нанополосках с поперечной анизотропией (ось легкого намагничивания направлена поперек длинной стороны полоски в ее плоскости) индуцируется ламинарная доменная структура. Вектор намагниченности в ламинарных доменах нанополоски направлен перпендикулярно длинной стороне и лежит в плоскости полоски. Изменяя относительную ориентацию и энергии наведенных магнитных анизотропий, можно управлять процессами перемагничивания и изменять доменную структуру нанополосок. Использование нанополосок с наведенной поперечной или перпендикулярной магнитной анизотропией в магнитной памяти на беговых дорожках позволит значительно увеличить плотность записи информации за счет уменьшения размеров доменов и доменных границ. Существуют теоретические и экспериментальные работы, в которых показано уменьшение критической плотности тока для движения доменных границ током в нанопроволоках с наведенной перпендикулярной анизотропией [4]. Очевидно, что использование нанополосок с поперечной полосовой или ламинарной доменной структурой в памяти на беговых дорожках существенно улучшит характеристики данной памяти, поэтому сегодня большое внимание уделяется исследованию процессов перемагничивания и доменной структуры нанополосок с наведенной анизотропией.
Целью диссертационной работы является исследование влияния конкуренции магнитных анизотропий, обусловленных формой и ступенями подложки, на процессы перемагничивания и доменную структуру нанополосок Со и Co/Cu/Co и установление влияния ступенчатой структуры поверхности подложки Si(111) на ростовые процессы, магнитные и магниторезистивные свойства эпитаксиальных пленок Co/Cu/Si(111) и Co/Cu/Co/Cu/Si(111).
Основные задачи работы.
-
Исследовать ростовые процессы Co и Cu на ступенчатой поверхности Si(111).
-
Вырастить магнитные пленки Со и Co/Cu/Co на ступенчатой поверхности Si(111).
-
Исследовать магнитные свойства пленок Со и Co/Cu/Co с одноосной магнитной анизотропией, наведенной ступенями подложки Si.
-
Измерить магниторезистивные свойства пленок Co и Сo/Cu/Co во внешнем магнитном поле, приложенном параллельно и перпендикулярно оси легкого намагничивания, c помощью четырехзондового метода измерения сопротивления и объяснить полученные данные, исходя из ростовых процессов и структуры пленок.
-
Приготовить из пленок Со и Со/Cu/Со нанополоски различной ширины так, чтобы в нанополосках реализовывалось различное соотношение энергий магнитных анизотропий, обусловленных формой и ступенями подложки.
-
Исследовать процессы перемагничивания и доменную структуру эпитаксиальных нанополосок Со и Со/Cu/Со.
Научная новизна.
-
Впервые экспериментально установлен и подтвержден микромагнитным моделированием механизм разворота вектора намагниченности в Неелевских доменных границах в нанополосках Co с наведенной вдоль короткой стороны магнитной анизотропией.
-
Установлены процессы перемагничивания и доменная структура нанополосок Co и Co/Cu/Co, в которых реализованы различные соотношения энергий конкурирующих магнитных анизотропий, наведенных ступенями подложки и формой нанополосок.
-
Впервые исследованы особенности ростовых процессов Co и Cu на ступенчатых подложках Si(111) и объяснена связь магнитных и магниторезистивных свойств пленок Co/Cu/Co/Cu/Si(111) со структурой пленок и ростовыми процессами в данной системе.
-
Исследовано влияние одноосной наведенной анизотропии на магнитную структуру трехслойных нанополосок Co/Cu/Co. Показано, что в трехслойных нанополосках, в которых преобладает анизотропия, наведенная ступенями, реализуется антипараллельное выстраивание вектора намагниченности в смежных слоях Со.
Практическая значимость работы. Полученные данные о процессах перемагничивания и доменной структуре нанополосок с магнитной анизотропией, наведенной ступенями подложки, могут пригодиться в разработке и совершенствовании устройств записи информации и магнитной логики, основанных на движении доменных границ в магнитных нанополосках.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Под действием магнитного поля, перпендикулярного Неелевским доменным границам в нанополосках Со с ламинарной доменной структурой, полярность Неелевских доменных границ изменяется путем зарождения вихря на краю каждой границы и продвижения его через всю доменную стенку.
-
Изменяя соотношение между энергиями магнитных анизотропий, наведенных ступенями подложки и формой нанополосок Со и Co/Cu/Co, можно управлять магнитной структурой и процессами перемагничивания в нанополосках Со и Co/Cu/Co.
-
Диполь-дипольное взаимодействие между слоями Со в трехслойных нанополосках Со/Cu/Co с преобладающей магнитной анизотропией, наведенной ступенями, приводит к антипараллельной ориентации намагниченности в ламинарных доменах смежных слоев Со.
-
Антиферромагнитная связь между смежными ферромагнитными слоями Со и величина гигантского магнитосопротивления в Co/Cu/Co/Cu/Si(111) структурах зависят от кинетики роста Cu прослойки на ступенчатой поверхности Со.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:
Всероссийской 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), Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2011), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2011), Десятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (Владивосток, 2011), IEEE International Magnetics Conference, Intermag 2012 (Ванкувер, 2012), Joint European Symposium on Magnetism, JEMS-2012 (Парма, 2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 5 статей в рецензируемых научных журналах, 1 статья в сборнике трудов конференции, 10 тезисов докладов и 1 патент РФ.
Личный вклад автора. Основные экспериментальные результаты были получены лично автором. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем, а также с соавторами публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 150 страниц, включая 68 рисунков и библиографию из 132 наименований.
