Магніторезистивний ефект в тонких феромагнітних плівках

Феромагнітні речовини, їх загальна характеристика та властивості. Магнітна доменна структура, динаміка стінок. Аналіз впливу магнітного поля на електричні і магнітні властивості феромагнетиків. Магніторезистивні властивості багатошарових плівок.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Курсова робота

Магніторезистивний ефект в тонких феромагнітних плівках

Вступ

Тонкі феромагнітні плівки останнім часом викликають значний інтерес фізиків і техніків. Це зумовлено наступними причинами. Перша з них полягає в тому, що плівка, особливо монокристалічна, товщиною в кілька десятків або сотень атомних шарів, має ряд цікавих особливостей, відсутніх або слабко виражених у масивних феромагнетиків. Сюди в першу чергу треба віднести залежність спонтанної намагніченості і точки Кюрі від товщини плівки, що представляє істотний інтерес для теорії феромагнетизму. Доменна структура тонких плівок значно різноманітніше доменної структури масивних феромагнетиків. При малих товщинах, порядку декількох сотень і тисяч ангстрем, міждоменні стінки наскрізні, структура однакова при спостереженні з двох сторін плівки, що сильно полегшує вивчення цієї структури. Застосування методів електронної мікроскопії дозволило виявити та дослідити тонку структуру доменів і стінок. Анізотропія тонких плівок також різноманітніше анізотропії масивних матеріалів.

Другою причиною підвищеного інтересу до тонким феромагнітним плівкам є їх дуже перспективні практичні застосування. Найважливішим із цих застосувань є використання плівок як елементів пам'яті запам'ятовуючих пристроїв електронних цифрових машин. В цьому випадку важливу роль грає швидкість перемагнічування тонких пермалоєвих плівок. Якщо електроніка інших вузлів машини дозволить використовувати такі великі швидкості перемагнічування елементів.

В різноманітних тонких феромагнітних плівках при внесенні їх у магнітне поле виникає магнітоопір, що викликаний перебудовою структури плівок. В мультишарах на основі феромагнетику і немагнітного металу спостерігається доволі перспективний ефект з точки зору магнітних носіїв пам'яті, що називається гігантським магнітоопором.

1. Феромагнетизм. Феромагнетик. Основні поняття

1.1 Феромагнітні речовини

Першопричиною магнітних властивостей речовини є внутрішні приховані форми руху електричних зарядів, що представляють собою елементарні кругові струми, які володіють магнітними моментами. Такими струмами є електронні спіни і орбітальне обертання електронів в атомах. Макроскопічне проявлення магнітних властивостей матеріалу стає помітним при узгодженій орієнтації елементарних магнітних моментів, яка спостерігається у магнетиків [1].

Передбачається, що майже весь магнітний момент феромагнітних речовин виникає завдяки руху електронних спінів, а не внаслідок орбітального руху електронів навколо ядра. Такий висновок грунтується на результатах вимірювання магнітомеханічного (гіромагнітного) відношення. Магнітомеханічне відношення є відношення магнітного моменту до механічного, яке теоретично повинно бути рівним е/mc для руху спіна і е/2mc - для орбітального руху. Результати експериментальних спостережень, як було показано Барнеттом, близькі до значення е/mc з невеликими, але, очевидно, принциповими відхиленнями; з величини цих відхилень ми можемо наближено припустити, що орбітальний рух обумовлює близько 10%, а спіновий рух - близько 90% намагніченості насичення. Цей висновок підтверджується результатами експериментів з мікрохвильовим резонансом. Однак у більшості випадків орбітальної частиною магнітного моменту можна знехтувати [2].

Феромагнетизм - магнітовпорядкований стан речовини, в якому більшість атомних магнітних моментів паралельні один одному, так що речовина володіє мимовільною (спонтанної) намагніченістю. Феромагнетизм встановлюється при температурі Т нижче точки Кюрі Т_с при відсутності зовнішнього магнітного поля Н. У більш широкому сенсі феромагнетизмом називають сукупність фізичних властивостей речовини у вказаному стані. Речовини, в яких виникає феромагнітне упорядкування магнітних моментів (рис. 1.1), називаються феромагнетиками, до них відносяться як тверді кристалічні речовини, так та деякі аморфні магнетики і металеві стекла, а також магнітні рідини. Відповідальним за феромагнетизм є обмінна взаємодія в магнетизмі, що прагне встановити спіни (а отже, і магнітні моменти) сусідніх атомів або іонів паралельно один одному [3].

Рисунок 1.1 - Феромагнітна колінеарна атомна структура в гранецентрованій кубічній решітці нижче точки Кюрі Т_с; стрілками позначено напрями атомних магнітних моментів [3]

Найбільш важливими характеристиками феромагнетика є точка Кюрі Т_с, атомний магнітний момент М_ат при О К, питома спонтанна намагніченість M₀ (на 1 г) при О К і питома намагніченість насичення М_? (на 1 см³) при О К. Серед чистих хімічних елементів до феромагнетиків відносяться тільки 3 перехідних 3d-метала-Fe, Со, Ni - і 6 рідкісноземельних металів (РЗМ) - Gd, Tb, Dy, Ho, Еr і Тm (табл. 1). У 3d-металах і РЗМ Gd реалізується колінеарна феромагнітна атомна структура, а в інших РЗМ - не колінеарна (спіральна, циклоїдальна, синусоїдальна) [3].

Таблиця 1.1-Феромагнітні метали (хімічні елементи) [3]

Метали	Тс, К	Мат, ма	М0, Гс/г	М?, Гс/см3
Fe (ОЦК)	1044	2,217	221,7	1735,2
Co (ГЦК)	1388	1,753	166,1	1471
Co (ГЩУ)	1360	1,721	163,1	1445
Ni (ГЦК)	627,4	0,6157	58,57	508,8
Gd (ГЩУ)	293,4	7,56	268,4	1980
Tb (ГЩУ)	219	9,34	328	2713
Dy (ГЩУ)	90	10,65	350,5	1991,8
Ho (ГЩУ)	20	10,34	347	3054,6
Er (ГЩУ)	19,6	8,3	206,9	1872,6
Tm (ГЩУ)	22	7,14	-	-

Спонтанна намагніченість 3d-елементів в основному утворюється з спінових моментів гібридизованої системи колективізованих 3d+4s-електронів, а в РЗМ 4f-елементах - з локалізованих 4f-шарів і підмагніченних 6s - та 5d-електронів.

Крім цих 9 феромагнетиків (чистих елементів) є величезна кількість феромагнітних сплавів і з'єднань, як біпарних, так і більш складних (багатокомпонентних) металевих і неметалевих (напівпровідникових, напівметалевих, діелектричних, надпровідних), кристалічних та аморфних. Класифікацію феромагнітних сплавів і з'єднань металевого типу можна провести, наприклад, по електронній структурі атомів (іонів) їх компонент.

Сплави перехідних d- і f-елементів між собою: а) сплави 9 феромагнітних елементів (Fe-Ni, Fe-Co, Co-Ni, Fe-Co-Ni, Fe-Gd, Gd-Dy і т.д.); б) сплави перехідних феромагнітних металів з антиферомагнітними (Mn і Cr) і парамагнітними неперехідними металами (Fe-Cr, Fe-Mn, Co-V, Ni-Ti, Fc-Pd, Со-Рt, Gd-V, Eu-Ti і т. п.); в) сплави перехідних антиферомагнітних металів (Mn і Cr) з парамагнітними перехідними металами (Cr-Pt, Mn-Pd, Cr-Pd і т. п.).

Сплави перехідних металів з нормальними елементами: а) сплави перехідних феромагнітних металів з нормальними елементами (Ni-Cu, Со - Ag, Ni-Al, Ni-Si, Fe-Si, Fe-Al, Ni-N і т. п.); б) сплави перехідних антиферомагнітних d-металів (Mn і Cr) з нормальними елементами (гейлерові сплави): Cu₂МnМ (де М-А1, Ge, Zn, Sn, As, In, Sb, Bi, Ga та ін.), а також Mn₄N, ZnCMn₃, AlCMn₃, CuCMn₃, Mn-Au, Mn-P, Mn-As, Mn-Sb, Mn-Bi, Mn-S, Mn-Se, Mn-Te, Mn-C, Mn-Sn, Mn-H, Mn-B і т. п.; в) сплави перехідних парамагнітних металів з нормальними елементами: ZrZn₂, Sc₃In (точніше в інтервалі складів Sc_0,762In_0,239 - Sc_0,753In_0,242) та Au₄V (в інтервалі складів...