Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Фомин Лев Александрович

МИКРОМАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР Fe (001) И Fe (011)

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН)

Научный консультант:

доктор физико-математических наук Михайлов Геннадий Михайлович

Официальные оппоненты:

Морозов Александр Игоревич, доктор физико-математических наук, профессор, МГТУ МИРЭА/проректор по научной работе, Березин Всеволод Авенирович, кандидат физико-математических наук, ИПТМ РАН/лаборатория спектроскопии магнитных материалов (№ 20), старший научный сотрудник.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физикотехнологический институт Российской академии наук (ФТИАН)

Защита состоится У___Ф ____ 2012 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 002.081.01 при Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН по адресу: 142432, Московская область, г. Черноголовка, ул.

Академика Осипьяна, 6, ИПТМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН.

Автореферат разослан У___Ф _________ 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.081.01, кандидат химических наук Панченко Людмила Алексеевна.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы За последние десятилетия возникла и интенсивно развивается спинтроника - новое направление электроники, связанное с изучением спин-поляризованного электронного транспорта. Это направление имеет большое практическое значение.

Считывающие головки современных магнитных дисков уже используют гигантский магниторезистивный и туннельный магниторезистивный эффекты. В недалеком будущем появится магниторезистивная оперативная память нового поколения. Более сложные устройства, например спиновые транзисторы, находятся на стадии исследований. Микро- и наноструктуры из ферромагнитных металлов широко используются в спинтронике в качестве спиновых инжекторов и детекторов. На основе магнитных многотерминальных (в частности крестообразных) микро- и наноструктур может быть реализована многоуровневая логика, которая является удобным аппаратом для обработки сложноструктурированной информации.

Перспективным является использование эпитаксиальных структур, так как их свойства в большей степени контролируемы и воспроизводимы за счет совершенного кристаллического строения. Появляется возможность использовать определенное расположение структур относительно кристаллографических осей для создания нужных микромагнитных состояний. В устройствах на их основе электроны (и спины) могут пробегать большие расстояния без рассеяния, проявлять баллистические эффекты, которые способствуют увеличению магнитосопротивления. Сравнительно недавно обнаружено, что гетероэпитаксиальные туннельные структуры на основе ферромагнитного металла, например, железа, демонстрируют гигантское магнитосопротивление за счет нового явления - когерентного туннелирования электронов.

Для практических применений микро- и наноструктур необходимо уметь контролировать их магнитное строение, которое зависит от их формы, размеров, и магнитной анизотропии. В свою очередь, коэрцитивные поля, магнитное взаимодействие между частями структуры и, тем самым, магнитные и магнитотранспортные свойства структур определяются их магнитным строением.

Однако, несмотря на большой практический и научный интерес, магнитное строение эпитаксиальных планарных микро- и наноструктур, в частности из железа, и влияние на него геометрических размеров и кристаллографической ориентации в области размеров структур порядка 10 - 1000 нм исследовано недостаточно. Отсюда следует актуальность темы диссертации.

Цель диссертационной работы заключается в изучении и выявлении закономерностей формирования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур, изготовленных из пленок Fe (001) и Fe (011) высокого качества, прямоугольной и крестообразной формы, в зависимости от их размеров и ориентации относительно кристаллографических осей, а также способов реализации определенных микромагнитных состояний. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Развить экспериментальные подходы и методики получения эпитаксиальных пленок Fe (001) и Fe (011) на подложках Al2O3 методом импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме и последующего изготовления на основе полученных пленок эпитаксиальных микро- и наноструктур высокого качества с использованием субтрактивной технологии микроструктурирования.

2. Развить методы экспериментального исследования магнитного строения микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) с использованием магнитосилового микроскопа во внешнем управляемом магнитном поле.

3. Адаптировать методы микромагнитного расчета к исследуемым объектам и провести исследования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) с использованием расчета и сопоставить с результатами эксперимента.

4. Выявить закономерности формирования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) прямоугольной и крестообразной формы в зависимости от их размеров, аспектного отношения и ориентации относительно осей легкого намагничивания.

5. Исследовать влияние спин-поляризованного тока на реализацию микромагнитных состояний в эпитаксиальных квадратных микроструктурах из железа.

Выбор объектов исследований Железо - один из основных ферромагнитных материалов, используемых в магнитоэлектронике. Известно, что эпитаксиальные пленки Fe (001) могут быть выращены на практически значимых полупроводниковых подложках Si и GaAs (001) и диэлектрических подложках MgO и Al2O3, что позволяет создавать на их поверхностях функциональные эпитаксиальные микро- и наноструктуры. Это определяет важность выбора объекта исследования.

Основные положения, выносимые, на защиту:

1. Основные микромагнитные состояния микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) высокого качества, изготовленных из эпитаксиальных пленок, характеризуются регулярностью и определяются размерами структур, их формой и ориентацией относительно осей легкого намагничивания.

2. Реализуемые микромагнитные состояния в прямоугольных микро- и нано- структурах Fe (001) и Fe (011), полученные из экспериментальных и расчетных данных, в зависимости от их ширины в диапазоне латеральных размеров 100 - 10нм и аспектного отношения (отношения длины к ширине) при значениях 1 - 8, могут быть представлены в виде 2d диаграмм. В построенных диаграммах показано, что:

в прямоугольных микроструктурах Fe (001), ориентированных вдоль осей трудного намагничивания, реализуются микромагнитные состояния двух типов:

меандр и последовательность вихрей и гиперболических вихрей.

Микромагнитное состояние в виде вихрей и гиперболических вихрей реализуется при аспектных отношениях, близких к 4. При меньших аспектных отношениях реализуются вихри, а при больших - меандры. При увеличении ширины микроструктуры до 600 нм эти микромагнитные состояния переходят в доменные структуры типа "cross-tie" и "concertina";

переход от многодоменного состояния к квазивихревому при уменьшении размеров структур происходит плавно за счет увеличения доли объема с неколлинеарным распределением намагниченности.

3. В крестообразных микроструктурах Fe (001) и Fe (011) магнитное строение плеч креста аналогично строению прямоугольников таких же размеров. Магнитное строение в перекрестии не является суперпозицией магнитных структур плеч, и зависит от ориентации структуры относительно осей легкого намагничивания. При уменьшении ширины плеч крестообразной микроструктуры Fe (001), ориентированной под углом 45o к одной из осей легкого намагничивания в плоскости пленки, до 500 нм и менее перекрестие переходит в квазиоднодоменное состояние с направлением намагниченности под углом 45o к плечам.

4. В прямоугольных микроструктурах Fe (011), ориентированных вдоль оси трудного намагничивания, наблюдается корневая зависимость размера полоскового домена от ширины микроструктуры. При этом ширина домена не зависит от аспектного отношения.

5. Для пленок Fe (001), выращенных на R- плоскости сапфира с подслоем Mo, с использованием комплементарного анализа для оптимизации технологии их выращивания установлено, что:

имеет место обратная корреляция остаточной длины свободного пробега, шероховатости и коэрцитивной силы, свидетельствующая о прямой связи центров рассеяния электронов и центров пиннинга доменных стенок, определяемой морфологией поверхности;

оптимальная температура роста составляет 280 oC, при которой остаточная длина свободного пробега максимальна и составляет leff =320 нм, коэрцитивная сила и шероховатость малы, на уровне Hc 5 Гс и Sq 0,6 нм.

6. В эпитаксиальных пленках Fe (011), выращенных методом импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме при оптимальных условиях, максимальное значение эффективной остаточной длины свободного пробега электронов составляет leff=540 нм, что близко к рекордным результатам для эпитаксиальных пленок железа и может быть использовано для создания планарных баллистических устройств.

7. При пропускании через квадратную эпитаксиальную микроструктуру Fe (001) спин-поляризованного тока плотностью больше или равной 107 А/см2 во внешнем магнитном поле 300 Э, направление намагниченности микроструктуры при выключении поля меняется на противоположное и определяется спиновой поляризацией тока.

ичный вклад автора в опубликованных с соавторами работах:

1. Участие в постановке задач проектирования магнитоэлектронных устройств на основе эпитаксиальных микроструктур из железа и формулировке экспериментальных и теоретических методов их решения.

2. Совместное с Михайловым Г.М. и Калачом К.М. участие в создании электромагнитной приставки и адаптера для 4-х точечного измерения сопротивления образца к магнитосиловому микроскопу.

3. Совместное с Маликовым И.В. и Пяткиным С.В. участие в технологическом процессе изготовления микро- и наноструктур из эпитаксиальных пленок.

4. Самостоятельное проведение измерений на магнитосиловом микроскопе и проведение компьютерных расчетов.

5. Совместное с Маликовым И.В и Винниченко В.Ю. участие в обработке и интерпретации данных измерений магнитосопротивления, рентгеновской дифрактометрии и атомносиловой микроскопии эпитаксиальных пленок железа.

Научная новизна работы:

1. Обнаружена обратная корреляция зависимостей коэрцитивной силы и остаточной длины свободного пробега от температуры роста пленок Fe (001) высокого качества, впервые выращенных на R-плоскости сапфира с подслоем Mo (001).

2. Впервые построены диаграммы двумерных микромагнитных состояний, реализуемых в микро- и наноструктурах Fe (001) и Fe (011), от размеров и аспектного отношения при разной ориентации структур относительно осей легкого намагничивания.

3. Впервые интерпретирована структура намагниченности в перекрестии крестообразных микроструктур Fe (001), ориентированных вдоль осей трудного намагничивания в плоскости пленки.

4. Обнаружено переключение направленности круговой намагниченности в квадратных эпитаксиальных микроструктурах Fe (001) спин-поляризованным током.

Практическая ценность результатов работы:

Развитые экспериментальные подходы получения эпитаксиальных структур железа высокого качества, закономерности образования определенных микромагнитных состояний и влияние на них геометрических размеров и кристаллографической ориентации, а также методики диагностики таких структур с применением магнитосиловой микроскопии и микромагнитного расчета могут найти практическое применение при разработке и создании устройств на основе эпитаксиальных микро- и наноструктур из железа. Это могут быть компактные датчики магнитного поля, ячейки энергонезависимой памяти для вычислительной техники, магнитные вентили, эффективные источники микроволнового и терагерцевого излучений и т.д.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были доложены:

На Международных конференциях и совещаниях: "Scanning Probe Microscopy" - International Workshop (Russia, Nizhny Novgorod 2003, 2005);

International Conference "Micro- and Nanoelectronics" (Russia, Zvenigorod 2007, 2009, 2012); International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Russia, St.

Peterburg 2003, Belarus, Minsk 2009); Международный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", (Россия, Нижний Новгород, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); IV Euro-Asian Symposium "Trends in magnetism" EASTMAG-2010 (Russia, Ekaterinburg, 2010).

Материалы выступлений опубликованы в тезисах и трудах вышеперечисленных конференций.

Публикации.

Основные результаты диссертации отражены в 8 статьях, опубликованных в российских и зарубежных журналах. Список статей приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы по теме диссертации, трех оригинальных глав, заключения, списка публикаций автора по результатам диссертационной работы, списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 174 страницы, в том числе 90 рисунков, одну таблицу и 1литературных ссылки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 носит обзорный характер. Здесь излагаются известные на начало выполнения диссертационной работы результаты экспериментальных и теоретических исследований ферромагнитных структур, главным образом из железа, и их применения, отмечается ряд принципиальных моментов, касающихся магнитного строения изучаемых образцов.

Магнитное строение ферромагнитных микро- и наноструктур отличается от строения массивных ферромагнетиков. Если латеральные размеры наноструктуры меньше или сравнимы с шириной доменной стенки, то она будет находиться в квазиоднодоменном состоянии, а если они на один или более порядков превышают ее, то структура разбивается на домены, и ее магнитное строение определяется минимизацией магнитостатической энергии. В области размеров от сотни до нескольких сотен нанометров появляются новые микромагнитные состояния, которые не являются ни однодоменными, ни многодоменными. К ним относятся вихри, гиперболические вихри, меандры и др. Именно эти состояния, а также их переходы к многодоменным и к квазиоднодоменному состоянию, являются предметом исследования. Для изучения магнитного строения ферромагнитных микро- и наноструктур в настоящее время используется множество различных методик, но в большей степени применяется магнитосиловая микроскопия (МСМ).

Интерпретация результатов, получаемых с помощью МСМ, довольно сложна и может быть неоднозначной. Поэтому для правильной интерпретации экспериментальных результатов часто применяют микромагнитные расчеты.

Наиболее исследованными с помощью МСМ и микромагнитных расчетов являются прямоугольные микроструктуры из пермаллоя. В них выявлено большинство характерных микромагнитных состояний.

Для реализации тех или иных микромагнитных состояний наряду с приложением внешних магнитных полей можно пропускать через структуру спинполяризованный ток. Согласно теории Слончевского-Берже [1, 2], а также модели релаксации продольной намагниченности, при пропускании спинполяризованного тока высокой плотности ~ 107 - 108 A/см2 через ферромагнитную микроструктуру, ее магнитное строение меняется. В настоящее время проведено множество экспериментальных исследований по управляемому током движению доменных стенок, главным образом, в нанопроводах из пермаллоя.

Эпитаксиальные микроструктуры из железа в меньшей степени исследованы, чем поликристаллические. В работах, опубликованных за последнее десятилетие, с помощью МСМ были исследованы эпитаксиальные прямоугольные микроструктуры из пленок Fe (011) с длинной стороной, перпендикулярной оси легкого намагничивания (ОЛН). Наблюдались полосковые домены с направлением намагниченности вдоль ОЛН. Также методами МСМ и микромагнитных расчетов исследовалось магнитное строение прямоугольных эпитаксиальных микроструктур Fe (001) с латеральными размерами меньше микрона в диапазоне толщин 10 - 50 нм, ориентированных вдоль ОЛН и под углом 45 к ОЛН 1. Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers//J. Magn. Magn. Mater. - 1996 - V. 159 - P. L1 - L3.

2. Berger L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current//Phys. Rev. B - 1996 - V. 54 - P. 9353 - 9358.

(вдоль оси трудного намагничивания, ОТН). Для прямоугольников, ориентированных вдоль ОЛН, при толщине 50 нм формировалась структура типа "diamond", состоящая из трех замкнутых вихревых подструктур. При уменьшении толщины структуры количество вихрей уменьшалось и при толщине 10 нм наблюдался переход в квазиоднодоменное состояние. Магнитное строение прямоугольников, ориентированных под 45 к ОЛН, не интерпретировалось.

Экспериментальных исследований по управляемому током движению доменных стенок и изменению намагниченности магнитных состояний в эпитаксиальных микро- и наноструктурах как Fe (001), так и Fe (011) не проводилось.

Таким образом, проведенные ранее исследования эпитаксиальных микроструктур из железа были малочисленными. Структуры не в достаточной степени охарактеризованы и изучены. Слабо исследована связь магнитных свойств со строением эпитаксиальных пленок и структур. Не в достаточной степени оптимизирована технология их изготовления. Как следствие, часто наблюдались нерегулярные магнитные структуры. Это снижало достоверность полученных данных, а также не позволяло выявить закономерности влияния аспектного отношения, размеров, магнитной анизотропии на магнитное строение. В результате не построены диаграммы микромагнитных состояний от размеров и аспектного отношения. Надежность определения магнитной структуры и ее интерпретация была недостаточной, часть наблюдаемых микромагнитных состояний не была интерпретирована. Не исследовано влияние спинполяризованного тока на магнитное строение эпитаксиальных структур из железа.

Это стимулировало дальнейшее развитие методов получения и исследования эпитаксиальных микро- и наноструктур из железа в данной диссертационной работе.

Требовалось развить методы получения эпитаксиальных пленок, микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) высокого качества, а также методы экспериментального исследования их магнитного строения; применить и адаптировать методы микромагнитного расчета к исследуемым объектам для интерпретации микромагнитных состояний. Далее требовалось провести исследования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011), выявить закономерности его формирования в зависимости от размеров, кристаллического строения, геометрической формы, ориентации относительно подложки.

В главе 2 описаны методы выращивания эпитаксиальных пленок из ферромагнитных металлов, микроструктурирования и характеризации образцов.

Подробно описан метод магнитосиловой микроскопии. Описаны сделанные усовершенствования имеющегося оборудования, необходимые для выполнения данной работы, разработанные экспериментальные методики, а также методы проведенных в этой работе расчетов.

В диссертационной работе в качестве ростового метода использовали метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО) в сверхвысоком вакууме. Подложки использовались из пластин монокристаллического сапфира A- и R- ориентаций. R- плоскость сапфира имеет больший интерес для практического применения, поскольку симметрия поверхности аналогична поверхности практически значимых подложек Si (001) и GaAs (001). Для изготовления эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) применялась субтрактивная технология с использованием метода электронной литографии и последующего ионного травления. Объемное строение пленок изучалось методом рентгеновской дифракции. Измерения магнитосопротивления проводились по стандартной четырехточечной методике на переменном токе при комнатной температуре и при температуре жидкого гелия. Рельеф поверхности пленок и микроструктур исследовался с помощью атомносилового микроскопа (АСМ) P47 Solver NTMDT.

Этот прибор работал также в режиме МСМ. К прибору была разработана и введена в действие электромагнитная приставка, позволяющая создавать магнитные поля до 2000 Э. Для управления электромагнитом непосредственно от АСМ была разработана специальная программа. Также был сконструирован и изготовлен адаптер для 4-х точечного измерения сопротивления образца с возможностью внешней коммутации электрических подводов к образцу. Все это в целом позволяло проводить измерения магнитосопротивления образца, не меняя его положение в АСМ. Эта же приставка позволяла пропускать импульсные токи определенной направленности для изменения магнитного строения образцов спинполяризованным током. В качестве МСМ зондов использовались стандартные кремниевые кантилеверы с нанесенным на их поверхность ферромагнитным материалом. В качестве материалов для магнитных покрытий были опробованы Fe, Ni, Co, SmCo и пермаллой. Меняя состав и толщину покрытия, удалось повысить чувствительность и разрешение зондов. В частности, было получено МСМ изображение доменной стенки в микроструктуре Fe (011) с разрешением 30 нм. Для микромагнитных расчетов была использована программа OOMMF. Она позволяла рассчитывать распределение намагниченности микроструктур любой формы. Из рассчитанного распределения намагниченности с помощью дополнительно написанной программы моделировалось МСМ изображение, которое сравнивалось с экспериментальным.

В главе 3 представлены результаты экспериментов по выращиванию эпитаксиальных пленок Fe (001) и Fe (011), влияния подслоя Mo, температуры роста и толщины пленки на ее шероховатость, электрон-транспортные и магнитные свойства.

а б в o Рис. 1. Пленки Fe (001), выращенные при температурах: 20 C (a), 270 oC (б) и 410 oC (в).

С целью оптимизации технологии выращивания эпитаксиальных пленок Fe на А- и R- плоскостях сапфира был проведен ряд экспериментов, в которых контролировалось отношение сопротивлений при комнатной температуре и при температуре жидкого гелия (RRR). Из этой величины рассчитывалась эффективная остаточная длина свободного пробега электронов leff, чувствительная к плотности 31150 3110 2210 32240 321L R = 5,2 Ом RRR=15,eff 300 K H 1c R = 0,34 Ом 4,2 K S q 0,10 10 100 200 300 400 500 600 7T, K o T, C Рис. 2. Зависимость сопротивления g пленки Fe (001) от температуры и Рис. 3. Зависимости leff, Hc и Sq полюсная фигура, полученная для от температуры роста пленки.

этой пленки.

дефектов структуры пленки как в объеме, так и на поверхности. Рентгеновские дифрактометрические исследования показали, что на А-плоскости сапфира эпитаксиально растут пленки Fe (011). Характерная величина leff для пленок Fe (011), выращиваемых на А- плоскости сапфира при оптимальной температуре (2о С), составила 540 нм, что близко к рекордным результатам, полученным в других работах. Шероховатость пленок, измеренная с помощью АСМ, описывалась среднеквадратичной амплитудой Sq и корреляционной длиной lc, которая характеризует средний размер кристаллита с малоугловыми границами. При оптимальной температуре роста пленки Fe (011) имели малую Sq1 нм и большую lc130 нм по сравнению с пленками, выращенными при температурах, далеких от оптимальной. Результаты экспериментов по выращиванию эпитаксиальных пленок Fe (001) на R-плоскости сапфира без буферного слоя не показали больших значений leff. Температура роста пленок существенно влияла на морфологию их поверхности q Ом eff R, L, нм c H, Э S, нм (рис.1). Использование подслоя Mo (001) толщиной 10 нм позволило впервые эпитаксиально вырастить на R-плоскости сапфира пленки Fe (001) обладающие большими значениями leff. С целью оптимизации пленок был применен комплементарный анализ, то есть были использованы разные методики диагностики, дополняющие друг друга: дифрактометрия, электрические измерения (рис. 2) и измерения магнитосопротивления. Из этих измерений были определены коэрцитивная сила Hc и резкость перемагничивания H, равная ширине отдельного пика на кривой магнитосопротивления на его полувысоте. Максимальное значение o leff=320 нм достигалось для пленок, выращенных при 280 C, при этом остаточная длина пробега электронов существенно превосходила толщину пленок. Наблюдалась обратная корреляция между Hc и leff (рис. 3). Положение минимума Hc и максимума leff совпали. Рентгеновская дифрактометрия пленок Fe, выращенных при o температуре 280 C и имеющих максимальные значения leff, показала рост высококачественной монокристаллической пленки вдоль направления [001]. Для пленок, выращенных в разных условиях, зависимость Hc от Sq2/lc при малых Sq была линейной, а при больших Sq выходила на насыщение. Было найдено, что при малых Sq справедлива формула, Sq AHc , (1) 2d LcM s где - энергия доменной стенки на единицу ее площади, A - масштабный множитель, появляющийся из разницы между средними значениями амплитуды и корреляционной длины шероховатости и максимальной амплитуды и латеральных размеров, при которых происходит пиннинг доменной стенки, d - толщина пленки и Ms - намагниченность насыщения. Согласно известной модели роста пленок, с увеличением температуры роста кристаллиты укрупняются, и их внутренняя кристаллическая структура улучшается. По этой причине можно исключить пиннинг доменных стенок в объеме кристаллита. С увеличением температуры роста возрастает шероховатость поверхности, что ведет к усилению пиннинга доменных стенок на поверхностных дефектах и увеличению Hc.

Оптимизированные по своим свойствам пленки использовались для изготовления нано- и микроструктур по субтрактивной технологии.

В главе 4 представлены результаты исследований магнитных свойств мкм мкм а б мкм мкм Рис. 4. АСМ изображения эпитаксиальных микроструктур Fe.

микроструктур из эпитаксиальных пленок железа, влияние аспектного отношения, размерных эффектов, магнитной анизотропии. Приведены результаты сравнения экспериментальных данных, полученных для микроструктур Fe (001) и Fe (011), с микромагнитными расчетами. Построены диаграммы микромагнитных состояний.

Приведены результаты экспериментов по влиянию спинполяризованного тока на магнитное строение квадратной микроструктуры Fe (001).

мкм ОЛН ОЛН 4 мкм мкм Рис. 5. МСМ изображения эпитаксиальных микроструктур Fe (011).

Направление ОЛН показано стрелкой.

Микроструктуры Fe (011) изготавливались из пленок с толщинами 60 и 1нм. Ширины прямоугольных микроструктур изменялись в диапазоне 0,3 - 8 мкм.

Аспектные отношения (АО) составляли 1, 2, 4, 6 и 8 (рис. 4а). Прямоугольники были ориентированы относительно ОЛН двумя способами. Длинная сторона мкм мкм мкм б a в г Рис. 6. Экспериментальные (а, б) и рассчитанные (в, г) МСМ изображения микроструктур Fe (001) ориентированных вдоль ОЛН. Размеры структур: а) 432 мкм и 424 мкм; б) 14 мкм; в) 18 мкм и г) 14 мкм.

мкм мкм мкм мкм а б в г Рис. 7. Экспериментальные (а, б) и рассчитанные (в, г) МСМ изображения микроструктур Fe (001) ориентированных под углом 45о к ОЛН. Размеры структур: 1 8мкм (а, в) и 14 мкм, (б, г).

прямоугольника была параллельна или перпендикулярна ОЛН. У крестообразных структур ширина плеч креста составляла 0,5 - 4 мкм, а длина плеча была 1 - 8 мкм (рис. 4б). Было установлено, что в данном диапазоне толщин магнитное строение микроструктур слабо зависит от толщины пленки. Для прямоугольников и крестов, ориентированных перпендикулярно ОЛН, во всем диапазоне латеральных размеров формируется полосковая магнитная структура (рис. 5). Было найдено, что характер расположения доменов не зависит от ширины микроструктуры и АО.

Имела место корневая зависимость ширины полоскового домена от ширины микроструктуры. При этом ширина домена также не зависела от АО. Эта зависимость качественно согласуется с теоретическими моделями. Для микроструктур, ориентированных параллельно ОЛН, в зависимости от АО и длины структуры, имели место три типа магнитных структур: два многодоменных состояния (полосковые домены и структура Ландау) и квазиоднодоменное. При увеличении АО происходил переход от полосковых доменов к структуре Ландау и далее к квазиоднодоменному состоянию. Было обнаружено, что значения ширин прямоугольников, при которых происходят эти переходы, зависят от АО.

Микроструктуры Fe (001) были изготовлены из пленок с толщинами 50 и 1нм и имели такие же латеральные размеры, как и микроструктуры Fe (011). Длинные оси прямоугольников и плечи крестов Fe (001) были ориентированы параллельно ОЛН и под углом 45o к направлению ОЛН, то есть вдоль ОТН в плоскости пленки.

Для обеих толщин пленок магнитное строение микроструктур было одинаковым и определялось размерами, формой и ориентацией относительно ОЛН. В прямоугольных микроструктурах при ширине 1,5 мкм происходил переход от многодоменных состояний (структур Ландау и "diamond") к вихревым и квазивихревым (рис. 6). В прямоугольниках, ориентированных вдоль ОЛН при ширинах менее 0,6 мкм и больших АО (6, 8) появлялись также квазиоднодоменные состояния. При увеличении ширины эти микромагнитные состояния переходили в доменные. В прямоугольных микроструктурах Fe (001), ориентированных вдоль ОТН в плоскости пленки, реализовались микромагнитные состояния двух типов:

меандр и последовательность вихрей и гиперболических вихрей (рис. 7).

Микромагнитное состояние в виде вихрей и гиперболических вихрей реализовалось при АО, близких к 4. При меньших АО реализовались вихри, а при больших - меандры. При увеличении ширины эти микромагнитные состояния переходили в доменные структуры "cross-tie" и "concertina". На основании полученных 4.4.область область а б 3.3.перехода перехода cross-tie 3.3.concertina diamond структура 2.5 2.Ландау 2.2.гиперболические 1.1.вихри меандр вихри квази- 1.1.однодоменное вихри вихри 0.0.2468 24L/W L/W Рис. 8. Диаграммы микромагнитных состояний для микроструктур, ориентированных вдоль ОЛН (а) и вдоль ОТН (б).

экспериментальных и расчетных данных были построены диаграммы микромагнитных состояний от ширины структуры и АО (рис. 8). Магнитное строение плеч крестообразных эпитаксиальных микроструктур Fe (001) было таким же, как и у прямоугольных микроструктур тех же размеров и ориентации по отношению к ОЛН (рис. 9). В плечах крестов, ориентированных параллельно ОЛН, Рис. 9. МСМ изображение (а) и результат микромагнитного расчета (б) крестообразных микроструктур, ориентированных вдоль ОТН. Ширина плеча мкм и длина 4 мкм (а) и 2 мкм (б).

W, m W, m мкм ОЛН I Н мкм Рис. 10. АСМ изображение структуры Рис. 11. Рассчитанное МСМ с квадратом 88 мкм. Цифрами изображение квадратной структуры обозначены номера контактов.

Fe (001) с размерами 88 мкм.

Стрелками показаны направление тока, Стрелками показано направление магнитного поля и ОЛН.

вектора намагниченности.

Рис. 12. МСМ изображения квадратной микроструктуры с размерами 88мкм: а) начальное, цифрами показаны номера контактов; б) после пропускания тока по контактам 1 - 4; в) после пропускания тока по контактам 2 - 3. Черными стрелками показано направление тока, белыми - направление намагниченности.

наблюдались структуры вихревого типа или "diamond", в то время как структуры типа "concertina" и вихрь - гиперболический вихрь наблюдались в плечах крестов, ориентированных параллельно ОТН. Магнитное строение в центральной части креста является более сложным, чем суперпозиция магнитных строений его плеч, поскольку зависит от ориентации креста относительно ОЛН. Микромагнитные расчеты показали, что при малой ширине плеч (500 нм и менее) магнитное строение перекрестия близко к однодоменному с намагниченностью, направленной вдоль одной из ОЛН. Расчеты подтвердили результаты эксперимента. Есть четыре варианта направления намагниченности в перекрестии, которые можно задавать внешним магнитным полем, что может быть использовано для создания элементов с четырехуровневой логикой.

Так как спинполяризованный ток, протекающий через ферромагнитные микроструктуры, влияет на их магнитное строение, например, по механизму Слончевского-Берже [1, 2], был проведен эксперимент по пропусканию серии импульсов спин-поляризованного тока плотностью j 108 А/см2 с длительностью импульса = 1 мкс через микроструктуру Fe (001) в форме квадрата с подводящими контактами в виде полосок (рис. 10) с целью формирования определенных микромагнитных состояний. Структура была ориентирована вдоль ОЛН. Вдоль полосок подавалось внешнее поле напряженностью 300 Э, достаточное для того, чтобы вся структура намагнитилась однородно. Затем подавались импульсы тока через два противоположных контакта, например 1 и 4 на рис. 10. Ток, протекая через полоску, поляризовался в ней по спину. Попадая в квадрат, он воздействовал на магнитные моменты атомов так, что в области протекания тока они выстраивались преимущественно вдоль спиновой поляризации тока. После этого поле сбрасывалось до нуля. В нулевом поле есть два варианта расположения доменов - с закручиванием намагниченности по и против часовой стрелки (рис. 11). Было экспериментально обнаружено, что магнитное строение квадрата в нулевом поле определялось направлением намагниченности в домене, через который прошла большая часть инжектированных спин-поляризованных электронов (рис. 12). Это направление задавало магнитное строение во всей микроструктуре.

Заключение. C целью изучения магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) высокого качества прямоугольной и крестообразной формы, в зависимости от их размеров и ориентации относительно кристаллографических осей, а также способов формирования определенных микромагнитных состояний проведены исследования на основе которых можно сделать следующие основные выводы:

1. Впервые эпитаксиально выращены пленки Fe (001) на R- плоскости сапфира с подслоем Mo с одновременно улучшенными магнитными и электронтранспортными свойствами. Выращенные в оптимальных условиях (Троста = 280 oС) пленки Fe (001) обладают малой шероховатостью поверхности (Sq0,6 нм), большой длиной свободного пробега (leff=320 нм), малой величиной коэрцитивной силы (HcГс). В эпитаксиальных пленках Fe (011) максимальное значение эффективной остаточной длины свободного пробега составляет leff=540 нм, что близко к рекордным результатам для эпитаксиальных пленок железа.

2. В пленках Fe (001) впервые наблюдалась обратная корреляция зависимостей длины свободного пробега и коэрцитивной силы от температуры роста пленок, что определяет прямую связь между центрами рассеяния электронов на флуктуациях поверхности и пиннинга доменных стенок на границах раздела. Экспериментально подтверждена зависимость коэрцитивной силы от квадрата среднеквадратичной амплитуды шероховатости поверхности, при этом, при малый значениях Sq она линейна, а при больших Sq выходит на насыщение.

3. Установлены типы микромагнитных состояний, реализующихся в эпитаксиальных микро- и наноструктурах Fe (001) и Fe (011) прямоугольной и крестообразной формы, и их трансформация в зависимости от размеров и ориентации структуры относительно осей легкого намагничивания. Переход от многодоменного состояния к квазивихревому при уменьшении размеров структур происходит плавно, за счет увеличения доли объема с неколлинеарным распределением намагниченности.

4. На основе выявленных размерных, ориентационных и геометрических закономерностей построены диаграммы двумерных микромагнитных состояний, реализуемых в прямоугольных микро- и нано- структурах Fe (001) и Fe (011), в зависимости от ширины и аспектного отношения при разных ориентациях структур относительно осей легкого намагничивания в диапазонах ширин 100 - 1000 нм и аспектных отношений 4 - 8.

5. В крестообразных микроструктурах Fe (001) и Fe (011) магнитное строение плеч креста аналогично строению прямоугольников таких же размеров. В перекрестии реализуется сложная магнитная структура, не являющаяся суперпозицией магнитных структур плеч, поскольку зависит от ориентации относительно осей легкого намагничивания. При уменьшении ширины плеч креста Fe (001) до размеров меньших 500 нм перекрестие переходит в квазиоднодоменное состояние с направлением намагниченности под углом 45o к плечам.

6. Обнаружено, что при пропускании через квадратную микроструктуру Fe (001) спин-поляризованного тока плотностью больше или равной 108 А/см2 во внешнем магнитном поле, направление намагниченности микроструктуры при выключении поля меняется на противоположное и определяется спиновой поляризацией и областью протекания тока.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Magnetic epitaxial nanostructures from iron and nickel//International Journal of Nanoscience. - 2004 - V. 3. - № 1 & 2.- P. 51 - 57.

2. Фомин Л.А., Маликов И.В., Винниченко В.Ю., Калач К.М., Пяткин С.В., Михайлов Г.М. Исследование морфологии и магнитного контраста поверхности эпитаксиальных ферромагнитных структур//Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2008 -№ 2 - C. 1 - 6.

3. Фомин Л.А., Маликов И.В., Винниченко В.Ю., Михайлов Г.М. Магнитное строение и магнетосопротивление эпитаксиальных микроструктур из железа:

влияние формы и магнитной кристаллографической анизотропии, //Микроэлектроника - 2008 - Т. 37 - № 5 - С. 1 - 14.

4. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial Fe films and structures//Proc. SPIE -2008- V. 7025 - P. 70250U-1 Ц70250U-11.

5. Чигарев С.Г., Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г. М., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М. Анизотропное магнитосопротивление эпитаксиальной монокристаллической пленки Fe (001) наноразмерной толщины//Радиотехника и электроника - 2010 - Т. 55 - № 1 - С. 120 - 126.

6. Fomin L.A., Malikov I.V., Pyatkin S.V., Mikhailov G.M. The micromagnetic ground states in epitaxial Fe (001) microstructures//J. Magn. Magn. Mater. - 2010 - V. 322 - P. 8 - 857.

7. Mikhailov G.M., Fomin L.A, Vinnichenko V.Yu., Malikov I.V., Pyatkin S.V., Chernykh A.V., Complementary Anallysis of Epitaxial Fe (001) Films with Improved Electronic Transport and Magnetic Properties//Solid State Phenomena - 2011 - V. 168Ц169 - P. 300 - 302.

8. Маликов И.В., Фомин Л.А., Михайлов Г.М. Влияние ультратонких покрытий на величину магнитного контраста в пленках ферромагнитных материалов//Материалы Межд. симп. "Нанофизика и наноэлектроника" Нижний Новгород - 2005- Т. 1 - С.

186-187.

9. Маликов И.В., Винниченко В.Ю., Фомин Л.А., Калач К.М., Михайлов Г.М.

Развитие нанотехнологии и методов исследования магнитных и электроннотранспортных свойств планарных наноструктур из ферромагнитных металлов// Материалы Межд. симп. "Нанофизика и наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2006 - Т. 2 - С. 289-290.

10. Fomin L.A., Malikov I.V., Chernykh A.V., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M.

Epitaxial metallic nanostructures: nanotechnology, characterization and electron transpotr properties//New Nanotechnology Research - NovaScience Publishers, Inc. - 2006- P. 95115.

11. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial Fe films and nanostructures for magnetoelectronics//Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics" book of abstracts - Zvenigorod - 2007 - P. p2-15.

12. Fomin L.A., Malikov I.V., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Маgnetic structure and magnetoresistance of epitaxial iron microstructures: effects of shape and easy axis of magnetization// Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics" book of abstracts - Zvenigorod - 2007 - P. p2-17.

13. Винниченко В.Ю., Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Исследование размерной зависимости магнитных доменов в наноструктурах из железа методом магнитной силовой микроскопии//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2007 - C.465-466.

14. Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Тонкая структура доменных границ в МСМ измерениях//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2008 - Т. 2 - С. 289-290.

15. Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Магнитосиловая микроскопия и микромагнитные расчеты эпитаксиальных микроструктур из железа во внешнем магнитном поле//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2008 - Т. 2 - С. 287-288.

16. Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Магнитное строение эпитаксиальных структур из Fe(001) в переходной области размеров//Труды Межд. симп.

"Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2009 - Т. 2 - С. 517-518.

17 Mikhailov G.M., Fomin L.A., Malikov I.V., Pyatkin S.V., Vinnichenko V.Yu.

Application of complementary analysis for nanotechnology optimization of epitaxial Fe(001) structures with improved electron transport and magnetic properties//Int. Symp.

"Nanostructures: Physics and Technology" proceedings - Minsk, Belarus - 2009-, P. 198 - 199.

18. Mikhailov G.M., Vinnichenko V.Yu., Fomin L.A., Kalach K.M., Malikov I.V.

Investigation of domain wall pinning and nanostructures remagnetization of epitaxial Fe structures with use of magnetic force contrast and magnetoresistance measurements//, Труды Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics" book of abstracts - Zvenigorod - 2009 - P.

P1-47.

19. Mikhailov G.M., Malikov I.V., Vinnichenko V.Yu., Fomin L.A. Correlation of magnetic and electronic transport properties of epitaxial Fe(001) films and it's dependence on a surface roughness//Euro-Asian symp. "Trends in magnetism" proceedings - Ekaterinburg - 2010 - P. 223.

20. Фомин Л.А., Винниченко В.Ю., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Влияние магнитной анизотропии и аспектного отношения на микромагнитные состояния в прямоугольных микроструктурах Fe(001)//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2011 - Т. 2 - С. 369-370.

21. Фомин Л.А., Михайлов Г.М., Маликов И.В., Калач К.М., Пяткин С.В. Изменение магнитного строения микроструктур Fe (001) под воздействием спинполяризованного тока//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2012 - Т. 1 - С. 173-174.

22. Фомин Л.А., Михайлов Г.М. Расчет магнитного строения МСМ зонда и его влияния на разрешение//Рос. конф. по электронной микроскопии, тезисы докладов - Черноголовка - 2012 - С. 253.

23. Fomin L.A., Vinnichenko V. Yu., Malikov I.V., Mikhailov G.M. Micromagnetic states in Fe (001) rectangular epitaxial microstructures: the effect of magnetic anisotropy and aspect ratio//J. Magn. Magn. Mater. - 2012 - URL:

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям