Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Теоретическая физика

Диссертационная работа:

Хвальковский Алексей Васильевич. Магнитные свойства и транспорт спин-поляризованных электронов в магнитных наноструктурах с доменными границами : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.02.- Москва, 2006.- 148 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-1/571

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность темы. Нанотехнология - это довольно новая, но чрезвычайно динамично развивающаяся область знаний, основным интересом которой является манипуляция материалами, структурами и процессами на нанометровой шкале длин. Как ожидается, развитие нанотехнологии позволит сделать прорыв в целом ряде общественно значимых областей, в том числе в материаловедении, информационных и коммуникационных технологиях, биомедицине и технологиях, связанных с экологией. Предполагается, что ее воздействие на технологию и общество в целом по своим масштабам будет сравнимо с новой промышленной революцией.

Наномагнетизм является частью нанотехнологии и имеет дело с магнитными явлениями на нанометровых расстояниях. Значительная часть исследований в рамках наномагнетизма посвящена изучению транспортных свойств магнитных нанообъектов. Наибольший интерес привлекли к себе так называемые эффекты магнитосопротивления, которые состоят в изменении сопротивления объекта под действием магнитного поля. В настоящее время эти эффекты уже активно используются в промышленности при создании сенсоров магнитного поля; к примеру, датчики на основе гигантского магнитосопротавления применяются с 1997 года в качестве считывающих головок в жестких дисках. Еще одним перспективным приложением эффектов магнитосопротивления является магнитная оперативная память MRAM. Бит информации в ячейке MRAM содержится в виде направления намагниченности одного из слоев магнитной многослойной структуры; считывание производится путем измерения сопротивления структуры. Большую часть эффектов магнитосопротивления можно охарактеризовать как локальное воздействие магнитной структуры на электрический ток. Не так давно был предсказан и обнаружен обратный эффект - локальное воздействие поляризованного по спину тока на магнитную структуру. Это воздействие имеет квантовую природу; одним из механизмов, лежащих в его основе, является передача неравновесного момента количества движения от тока к решетке. Данный эффект имеет большое фундаментальное значение: до недавнего времени считалось, что единственным способом переключения магнитной структуры является действие магнитного поля. Он также является чрезвычайно перспективным для приложений. Ожидается, что данный эффект будет использоваться для переключения магнитного состояния в ячейках MRAM; это позволит значительно упростить конструкцию памяти.

Последнее время появилось особенно много работ, посвященных изучению наноразмерных систем с доменными стенками (ДС). Это вызвано несколькими факторами.

ДС имеют высокую подвижность и могут быть довольно легко созданы или уничтожены. Они представляют собой логическую единицу или могут являться разделителем между логическими состояниями, представленными направлением намагниченности в непрерывной магнитной среде. ДС обладают заметным сопротивлением; в ряде теоретических и экспериментальных работ было показано, что сопротивление ДС может значительно увеличиться, если она «заперта» в объеме размера порядка десятков нанометров. В свою очередь, оказалось, что ток может привести к движению ДС. Данные эффекты делают наноразмерные устройства с ДС чрезвычайно перспективными как с фундаментальной точки зрения, так и для приложений; так, недавно появилось несколько многообещающих предложений по созданию магнитной памяти и логических элементов, существенно основанных на манипуляциях с ДС. С другой стороны, поскольку в любых магнитных наноустройствах присутствуют неоднородности распределения намагниченности (например, вызванные краевыми эффектами), то отсюда следует, что наличие таких неоднородностей может привести к появлению новых эффектов, которые необходимо учитывать.

Несмотря на большое количество работ, посвященных данной проблематике, остается еще много белых пятен и необходимо создание новых подходов и техник. Важной является задача определения магнитной структуры нанообъектов, нахождения устойчивых состояний для доменной стенки в наноконтактах различной формы, расчета процессов перемагничивания. В последних определяющую роль начинают играть дефекты, вызванные как неидеальностью геометрии наноструктур, так и разбросом от точки к точке физических параметров материала; учет этих дефектов становится необходимым для получения адекватного описания поведения реальных систем. В ряде экспериментов было показано, что сопротивление доменной стенки в нанобластях может описываться в рамках модели спиновой аккумуляции. Последняя имеет нелокальную природу, однако возможное влияние этой нелокальности на резистивные свойства наноконтактов до сих пор нигде не обсуждалось. Как было показано в ряде работ, перемагничивание спин-вентильных структур током происходит с образованием доменной структуры, однако задача индуцированного током движения доменных стенок в таких системах остается не до конца выясненной. Не выявлены возможные аналитические решения для предложенных недавно уравнений индуцированного током движения доменной стенки (например, в случае, когда ДС находится в магнитной нанопроволоке, нанокольце и др.).

Данная диссертация посвящена рассмотрению этих вопросов.

Целью настоящей диссертационной работы является изучение обозначенного выше круга проблем теории магнитных свойств, процессов перемагничивания и взаимного

влияния магнитной структуры и электрического тока в магнитных наноструктурах,

содержащих доменные границы.

В частности, в диссертации были решены следующие конкретные задачи:

  1. исследование устойчивых магнитных состояний наноразмерного контакта в форме наномостика, содержащего доменную стенку;

  2. характеризация структурных дефектов и анализ их влияния на процесс перемагничивания плоского магнитного наноконтакта, изготовленного на пленке магнитного оксида Ьаг/зЗгі/зМпОз, на основе экспериментальных данных по мапштосопротивлению данного устройства;

  3. расчет сопротивления доменной стенки для различных ее положений внутри контакта в виде наномостика в рамках модели спиновой аккумуляции для различных параметров системы;

  4. исследование индуцированного током движения доменной стенки в свободном слое спин-вентильной структуры при токе, текущем перпендикулярно слоям структуры;

  5. исследование индуцированного током движения доменной стенки в цилиндрической магнитной нанопроволоке эллиптического сечения.

При решении подобных задач одним из основных инструментов является численное моделирование. В первую очередь это относится к расчету магнитной структуры нанообъектов: данная задача требует самосогласованного решения нелинейных дифференциальных уравнений для всех элементарных объемов, на которое разбивается тело, и очень редко допускает аналитическое решение. Полномасштабное моделирование необходимо также для расчета процессов перемагничивания полем, в особенности при учете влияния на него дефектной структуры, для исследования процессов перемагничивания электрическим током и других связанных эффектов. В то же время для многих эффектов, имеющих место в наноустройствах, необходимо выяснить их физический механизм; в этом случае необходимо создание новых аналитических подходов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые детально исследованы устойчивые магнитные состояния наноразмерного контакта в форме наномостика, содержащего доменную стенку, получено аналитическое описание механизма образования различных устойчивых состояний для доменной стенки.

Впервые проведена характеризация структурных дефектов и анализ их влияния на процесс перемагничивания плоского магнитного наноконтакта, изготовленного на

пленке магнитного оксида Ьа2/38гі/зМпОз, на основе экспериментальных данных по магнитосопротивлению данного устройства. Показано, что данные структурные дефекты были внесены в систему при процессе литографии, и, таким образом, они будут образовываться в других схожих системах - наноустройствах, изготовленных методом литографии на пленках магнитных оксидов.

Впервые в рамках модели спиновой аккумуляции проведен расчет сопротивления доменной стенки для различных ее положений внутри контакта в виде наномостика для различных параметров системы.

Впервые проведено комплексное исследование индуцированного током движения доменной стенки в свободном слое спин-вентильной структуры при токе, текущем перпендикулярно слоям структуры, с учетом взаимодействия продольной (в рамках модели зонного ферромагнетизма) и поперечной (в рамках модели переноса спина) составляющих поляризации инжектируемого тока с намагниченностью слоя.

Впервые проведено исследование индуцированного током движения доменной стенки в цилиндрической магнитной нанопроволоке эллиптического сечения.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

Фазовые диаграммы устойчивых магнитных состояний для доменной стенки внутри канала плоского наноразмерного контакта в форме наномостика для различных параметров материалов и геометрий. Аналитическое описание механизмов образования устойчивых состояний магнитной структуры.

Описание влияния дефектов различного типа на процесс перемагничивания плоского магнитного наноконтакта, изготовленного на пленке магнитного оксида Ьа2/з8гі/зМпОз. Параметры структурных дефектов и картина перемагничивания данного устройства, восстановленные из экспериментальных данных по его магнитосопротивлению.

Зависимости сопротивления доменной стенки, расположенной внутри контакта в виде наномостика, от положения доменной стенки и различных параметров системы, полученные в рамках модели спиновой аккумуляции.

Зависимости динамических параметров (давления на доменную стенку, ее смещения и скорости) от физических параметров системы и времени, описывающие индуцированное током движение доменной стенки, расположенной в свободном слое спин-вентильной структуры, при токе, текущем перпендикулярно слоям структуры.

Уравнения, описывающие установившееся движение доменной стенки, расположенной в цилиндрической магнитной нанопроволоке сечения, при воздействии на доменную стенку внешнего магнитного поля и тока (в рамках модели переноса спина).

Практическая значимость результатов

Исследуемые в работе магнитные наноконтакты с контролируемой геометрией, содержащие доменную стенку, представляют большой практический интерес, в первую очередь как сенсоры магнитного поля. Как было показано в настоящей работе, специфика сенсоров, основанных на таких наноконтактах, состоит в том, что

они являются чрезвычайно малыми (размер чувствительного элемента составляет десятки - сотни нанометров);

обладают регулируемой (путем подбора геометрии и параметров материалов) чувствительностью;

способны детектировать магнитное поле, локализованное в чрезвычайно малой области (десятки - сотни нанометров).

Таким образом, они представляют интерес для различных приложений, в том числе в качестве магниточувствительных элементов в сенсорах сверхмалых перемещений (например, для механических систем), сенсорах сверхмалых концентраций (для систем биологического мониторинга), и т.д. Кроме того, наноконтакт может представлять собой бистабильный элемент; в этом случае он может служить элементарной единицей магнитной памяти сверхвысокой плотности упаковки. Таким образом, полученные в работе результаты исследований магнитных и транспортных свойств таких наноконтактов имеют несомненное практическое значение.

Результаты, полученные при исследовании процессов перемагничивания с помощью электрического тока, также имеют большое практическое значение. С помощью данного эффекта, как предполагается, можно будет значительно упростить конструкцию магнитной памяти типа MRAM, магнитных логических элементов и др., в которых большую сложность вызывает создание управляющего локального магнитного поля.

Апробация результатов.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на следующих конференциях:

Новые магнитные материалы микроэлектроники (НМММ 2006, Москва, 2006);

Третьем Европейском Симпозиуме по магнетизму (III Joint European Magnetic Symposia, JEMS'Об, Сан Себастьян, Испания, 2006);

Московский Международный Симпозиум по Магнетизму (MISM-2005, Москва);

Второй летней научной школе фонда «Династия» (Москва, 2005);

Международной конференции Nano and Giga Challenges in Microelectronics - 2004, (Краков, Польша, 2004 г);

«Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ-19, Москва, 2004 г.);

Международной конференции «Функциональные материалы» (Партенит, Крым, Украина, 2003 г).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 9 статьях в рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, шести приложений, выводов и списка цитируемой литературы. Работа составляет 148 страниц, включает 50 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список насчитывает 206 наименований.

Подобные работы
Димитрова Ольга Венциславовна
Сверхпроводимость и спиновый транспорт в двумерных электронных системах со спин-орбитальным взаимодействием
Ким Наталья Енчуновна
Коллективные явления в магнитоактивных плазменных средах с учетом спина электронов
Искандарова Инна Марсовна
Моделирование роста диэлектрической пленки ZrO2 (HfO2) и изучение электрических свойств границы раздела диэлектрик-металл
Герцман Валерий Юрьевич
Изменения структуры и свойств границ зерен при взаимодействии с дислокациями
Дуников Дмитрий Олегович
Исследование влияния неоднородностей полевых переменных при фазовых превращениях на свойства межфазной границы раздела жидкость-газ
Полянский Анатолий Алексеевич
Исследование динамических свойств доменных границ и фотомагнитного эффекта в монокристаллах иттриевого феррограната
Лескова Светлана Сергеевна
Диагностика свойств жидкости на границах раздела гетерогенных сред
Ковальчук Елена Юрьевна
Равновесные свойства полярных жидкостей вблизи границы раздела жидкость-газ
Шпенёв Алексей Геннадьевич
Влияние слабой границы раздела волокно/матрица на свойства волокнистого композита из хрупких компонентов
Широков Николай Алексеевич
Мультипликативные свойства аналитических функций, гладких вплоть до границы

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net