Введение к работе
Актуальность темы. Спинтроника - перспективное направление микро- и наноэлектроники, интенсивно развивающееся в самостоятельную область фундаментальных и прикладных исследований. Спинтроника сочетает достоинства металлической и полупроводниковой электроники (управление электрическими и оптическими свойствами электрическим полем) с достоинствами магнитной электроники ( управление магнитным полем, энергонезависимость). Используя последние достижения в области магнетизма и магнитных технологий станет возможным, например, объединить элементы памяти и логики, детектирования и обработки сигнала на одном чипе, который заменит несколько отдельных устройств. Опираясь на платформу динамично развивающейся нанотехнологии, устройства спинтроники формируют эффективную элементную базу, на основе которой появится возможность произвести прорыв в информационных технологиях, микромеханике, биомедицине и технологиях, связанных с высокопрецизионными измерениями. В связи с освоением характерных литографических размеров нанометрового диапазона в магнитной электронике существенную роль приобретают мезоскопические явления. Значительная часть исследований в рамках наномагнетизма посвящена изучению транспортных свойств магнитных нанообъектов, соединяющих микроскопический магнетизм индивидуальных атомов и макроскопический магнетизм кристаллических тел, так называемых мезоскопических магнитов. Эти исследования важны для установления предельных свойств мезообъектов и, значит, определения достижимых границ миниатюризации современных электронных приборов и элементов памяти. Наибольший интерес привлекают к себе эффекты гигантского (туннельного) магнитосопротивления [(1)], эффекты спиновой инжекции и переноса спина [(2), (3)], а также фотоспиновый эффект и спиновый эффект Холла. Изучение процессов полевого и токового перемагничивания слоистых ферромагнитных структур с наноразмерными элементами является актуальной задачей для разработки базовых элементов спинтроники, перспективных для создания энергонезависимой магниторезистивной памяти (magnetic random access memory - MRAM) [(4)], для создания микро- и наноразмерных магниточувствительных сенсоров, предназначенных для
широкого применения в технике, включая микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems - MEMS) [(5)], а также для создания наноразмерных генераторов микроволнового излучения на основе переноса спина (spin torque nanooscilator - STNO) [(6)]. Изучение явления переноса спина, влияющего на динамику намагниченности, является сегодня одним из наиболее многообещающих направлений в спинтронике, в связи с чем возникает ряд различных теоретических задач. Например, нахождение вращательного момента в магнитной системе при переносе спинов в слоистых структурах связано с решением уравнений спинового транспорта и анализа мезоскопических явлений переноса спина, а описание переключения или прецессии намагниченности требует решения задач нелинейной динамики. Следует подчеркнуть, что явления спин-зависимого транспорта с точки зрения кинетической теории, учитывающей влияние обменного смещения на энергетические спектры носителей заряда в зонах проводимости, являются с точностью до параметров материала практически эквивалентными для магнитных полупроводников и проводящих металлов [(7)]. Очень перспективными материалами здесь являются сплавы Гейслера, имеющие металлический и полупроводниковый характер электронного спектра для зарядовых носителей, различающихся спиновой ориентацией [(8)]. Несмотря на большое количество работ, посвященных проблематике спинового транспорта и индуцированной динамике спинов, многие аспекты этой теории остаются недостаточно изученными. Не до конца исследованы, в частности, возможные области устойчивых состояний намагниченности слоистых структур при действии спин-поляризованного тока и внешнего магнитного поля различного направления. Генерация колебаний в микроволновом диапазоне приведет к разработке генераторов на эффекте переноса спина, но еще остается неясной до конца степень влияния тепловых флуктуации на добротность колебаний. Поэтому актуальными вопросами здесь являются особенности магнитодинамики и частотной перестройки микроволновых спиновых автоколебаний при вариации тока, магнитного поля, геометрических и магнитных параметров слоистых структур, а также вопросы влияния на спиновые автоколебания тепловых флуктуации спинов в слоях наноструктуры. Анализ условий получения максимальной мощности и добротности микроволновых колебаний и связанные с ними исследования являются одними из первостепенных при разработке спинтронного микроволнового
наногенератора. Как скажется геометрия магнитных элементов и значения параметров структуры, связанных с физическими свойствами материалов, на магнитных и магниторезистивных характеристиках спин-вентильных структур - также представляет интерес для проектирования сенсоров магнитного поля. Данная диссертация посвящена рассмотрению этих вопросов.
Целью настоящей диссертационной работы является изучение процессов намагничивания, переноса спина и вращательного момента, а также сопутствующих мезоскопических явлений в спин-вентильных структурах с наноразмерными ферромагнитными слоями, перспективными для создания наноразмерных устройств спинтроники. В диссертации были решены следующие конкретные задачи:
исследование устойчивости стационарных состояний незакрепленной намагниченности в слоях наностолбчатой многослойной структуры при действии спин-поляризованного тока и магнитного поля;
сравнительный анализ микромагнитной и макроспиновой моделей при изучении индуцированной током динамики спинов в проводящей магнитной наноструктуре эллиптической формы;
расчет зависимости частоты автоколебаний намагниченности от спин-поляризованного тока в микроволновом наногенераторе;
исследование влияния тепловых флуктуации на автоколебания спинов в микроволновом наногенераторе;
изучение влияния прямоугольной, шестиугольной и кольцевой формы спин-вентильных элементов на их магнитные и магниторезистивные характеристики.
Аналитические исследования поведения модели описывают основные тенденции, но для реальных систем позволяют получить результат лишь в частных случаях. Как правило, возникает задача решения систем дифференциальных уравнений в частных производных с последующей обработкой полученных данных. Поэтому основным инструментом исследования в работе является компьютерное моделирование, основанное на разработке и применении пакетов прикладных программ и вычислительных алгоритмов.
Личный вклад автора определен непосредственным участием в постановке и решении магнитодинамических задач, проведении
численных расчетов как с помощью компьютерного пакета программ SpinPM (ИОФАН им. Прохорова), так и посредством реализации собственных программ; непосредственное участие в аппробации технологического маршрута изготовления спин-вентильных структур.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Проведен детальный бифуркационный анализ токового переключения спин-вентильных структур для разных направлений магнитного поля. Определены граничные области прецессии и стационарных состояний намагниченности, что ранее не проводилось.
Проведен математический анализ токового переключения намагниченности благодаря явлению переноса вращательного момента, позволивший провести сравнение макроспиновой модели с более сложной микроспиновой магнитодинамической моделью. Определены критические значения спин-поляризованного тока, при которых происходит переход от одномодового режима колебаний спинов к много мо довому.
Впервые проанализирована динамика двухподрешеточного ферримагнитного слоя. Показано, что в случае одинаковых намагниченностей насыщения тонких слоев исходное коллинеарное состояние намагниченностей вдоль оси анизотропии при совпадении токовой поляризации и направления намагничивания первого слоя мягко меняется на равновесную прецессию спинов вокруг этой оси, а асимметрия намагниченностей слоев приводит к возникновению области смены статических состояний намагниченности без прецессии. В сравнении с ферромагнитной динамикой наблюдается более сложная бифуркационная картина, вследствие увеличения числа вариантов стационарных состояний равновесия.
Впервые проведены расчеты уширения спектральной линии микроволновых автоколебаний спинов на основе редуцированных уравнений нелинейной магнитодинамики с учетом бифуркационных особенностей поведения магнитной подсистемы в условиях спинового транспорта, позволившие получить аналитическое описание особенностей автоколебаний и уширения резонансной кривой и определить области справедливости этого описания.
Новым результатом является проведенный в диссертации сравнительный анализ зависимости магнитного отклика, определяющего чувствительность спин-вентильных элементов к
магнитному полю, от соотношения геометрических параметров и формы спин-вентильной структуры.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Рассчитанные бифуркационные диаграммы стационарных спиновых состояний в незакрепленном магнитном слое наностолбика при внешнем поле параллельном легкой оси Н11 n, s (где п ось легкого намагничивания, s вектор намагниченности закрепленного слоя) и перпендикулярном легкой оси Н _L n, s на плоскости переменных ток-поле.
Зависимость частоты, амплитуды и добротности автоколебаний намагниченности от спин-поляризованного тока и поля тесно связана с бифуркационным поведением динамической системы и резко меняется вблизи бифуркационных линий, определяющих рождение и исчезновение равновесных состояний системы. Экстремальный характер этих зависимостей показывает принципиальную возможность оптимизации режима генерации микроволновых автоколебаний по мощности и частоте.
Линии потери устойчивости статических состояний описываются одинаково адекватно в рамках макроспиновои и микромагнитной моделей. Пределы применимости макроспиновои модели при описании спиновой прецессии ограничиваются не слишком большими значениями токов, так как неоднородный характер распределения намагниченности в слое приводит к снижению частоты прецессии спинов в условиях возникновения токовой автогенерации вследствие нарушения синхронности автоколебаний в выделяющихся доменах, а затем и к хаотизации колебаний, что невозможно в рамках макроспиновои модели.
Редуцированная модель спектральной интенсивности сигнала основной гармоники спинового автогенератора с учетом тепловых шумов в спиновой подсистеме: модель позволяет описывать особенности автогенерации спинов с учетом флуктуации в окрестности бифуркационных линий рождения циклов спиновой прецессии. Вдали от бифуркационных линий для учета тепловых флуктуации необходимо применять модель нелинейной магнитной динамики. Характер изменения спектральной линии микроволновых колебаний тесно связан с особенностями бифуркационных изменений в магнитодинамике спинов при вариации тока и магнитного поля, как в области малых, так и больших токов.
Двухподрешеточная модель динамики: модель отличается от одноподрешеточной наличием новых стационарных состояний прецессии и переходных процессов. В двухподрешеточной модели в случае одинаковых намагниченностеи насыщения тонких слоев исходное коллинеарное состояние намагниченностеи вдоль оси анизотропии при совпадении токовой поляризации и направления намагничивания первого слоя мягко меняется на равновесную прецессию спинов вокруг этой оси, а асимметрия намагниченностеи слоев приводит к возникновению области смены статических состояний намагниченности без прецессии.
При вариации формы и соотношения толщин элементов изменяется наклон гистерезисной кривой намагниченности и магнитосопротивления от магнитного поля, размер области линейности намагничивания и задержка в антипараллельном состоянии. Кольцевые структуры обладают большей изотропией характеристик намагничивания, и большим диапазоном линейности по сравнению с вытянутыми структурами, но обладают меньшей чувствительностью к магнитному полю.
Практическая значимость результатов:
Исследуемые в работе структуры с наноразмерными ферромагнитными слоями представляют значимый практический интерес. В зависимости от выбора немагнитной прослойки - диэлектрик или проводник, подобные структуры можно применять для создания следующих спинтронных устройств:
Генератор микроволновых колебаний. Устройство обеспечивает возможность поддержания током прецессии спинов и может использоваться для создания спинтронных наноразмерных генераторов напряжения в сверхвысокочастотном диапазоне, перестраиваемых по частоте не только магнитным полем, но и током. Используя рассчитанные в работе фазовые диаграммы, можно выбирать оптимальные режимы генерации автоколебаний. Апробирован технологический маршрут изготовления подобных автогенераторов на основе наноконтактов.
Элемент памяти. Возможность сохранять два стабильных состояния равновесия в зависимости от ориентации намагниченности перспективна для создания энергонезависимой магниторезистивной памяти. Проведенное исследование бифуркаций в динамической системе магнитной ячейки памяти показывает возможность снижения
токов переключения логических состояний при вариации физических параметров структуры.
3. Сенсор магнитного поля. Устройство обеспечивает детектирование малых магнитных полей и предназначено для широкого применения в технике, включая микромеханику: акселерометры, датчики вращения перемещения, трения, давления; а также в качестве датчиков магнитных наночастиц, био- и молекулярных сенсоров. Проведенное исследование влияния формы и соотношения толщин элементов показало, что можно управлять наклоном гистерезиснои кривой намагничивания путем изменения формы и толщин образующих слоев, тем самым изменяя чувствительность и область линейности магнитного сенсора. Проработан технологический маршрут изготовления подобных структур.
Следует отметить, что важным прикладным аспектом функциональных элементов являются нанометровые размеры, что имеет особо важное значение при проектировании устройств наноэлектроники. Приведенные в диссертационной работе результаты использованы в отчетных материалах фундаментальных и прикладных НИР, проводившихся на кафедре общей физики МИЭТ и в ФГУП «НИИФП им. Ф.В.Лукина», по разработке физических принципов конструирования и технологии формирования интегральных магниторезистивных элементов туннельного типа для магнито-сенсорных устройств повышенной чувствительности, а также внедрены в программу специализированного курса лекций учебной дисциплины по спинтронике для студентов старших курсов базовой кафедры МФТИ.
Апробация результатов:
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих конференциях:
XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ-21, Москва, 2009)
Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009» (Москва, 2009)
Moscow International Symposium on Magnetism (MISM'2008, Москва, 2008)
Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008» (Москва, 2008)
XII Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н.Новгород, 2008)
International Conference «Functional Materials» (ICFM' 2007, Крым, 2007)
XVI Международная Конференция по Постоянным Магнитам (МКПМ-XVI, Суздаль, 2007)
Euro-Asian Symposium "Magnetism on a Nanoscale" (EASTMAG-2007, Казань, 2007)
Всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007» (Москва, 2007)
XI Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н. Новгород, 2007)
Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника 2006» (Москва, 2006)
XX международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-20, Москва, 2006)
XV Международная Конференция по Постоянным Магнитам (МКПМ-XV, Суздаль, 2005)
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, а также в 2 статьях, вошедших в сборники научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Работа составляет 139 страниц, включает 60 рисунков и 5 таблиц. Библиографический список насчитывает 185 наименований.
