Введение к работе
Актуальность темы. Наноструктуры - это многослойные пленки с толщиной слоя от единиц до сотен ангстрем. Наногетероструктуры -искусственно созданные системы слоев двух (или более) компонентов. Основополагающими здесь являются работы лауреата Нобелевской премии 2000 г. Ж.И. Алферова. Сверхрешетки - частный случай наногетероструктур, образованных периодическим чередованием слоев двух (или более) компонентов. Особый интерес для современной физики магнитных явлений представляют магнитные наногетероструктуры, состоящие из слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов.
Физические свойства наногетероструктур отличаются от свойств однородных тонких пленок, из которых изготовлены отдельные слои. Удельное сопротивление тонких ферромагнитных пленок зависит от их толщины и может быть существенно выше, чем у массивного металла, из-за влияния отражения электронов от поверхности раздела металл - воздух или подложка, то есть размерных эффектов. В тонких магнитных пленках спины поверхностных электронов находятся в состоянии с более низкой симметрией, чем внутренние [1].
Отличия физических свойств металлических магнитных
сверхрешеток от однородных тонких пленок определяются наличием
искусственно созданного одномерного периодического потенциала с
периодом большим, но сравнимым с постоянной решетки кристалла,
связи между соседними слоями ферромагнетика за счет обменного или
магнито-дипольного взаимодействия и особой ролью рассеяния
электронов на границах ферромагнитного и неферромагнитного
металлов (интерфейсах). Главным является гораздо большая величина
магниторезистивного эффекта. Открытие гигантского
магниторезистивного эффекта (ГМРЭ) группами А. Ферта (Париж, Франция) и П.Грюнберга (Юлих, Германия) в 1988г. [2, 3] стало первым шагом в развитии спинтроники - новой области исследований и технологий. В 2007 г. А. Ферт и П. Грюнберг получили Нобелевскую премию по физике за открытие ГМРЭ.
Несмотря на обилие экспериментального материала, к моменту начала данной работы в подавляющем большинстве случаев ГМРЭ исследовался на постоянном токе в геометрии "ток протекает в плоскости слоев" ("current in plane", CIP). На сверхвысоких частотах, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн, были выполнены
лишь единичные работы. Практически все известные на тот период бесконтактные электродинамические методы измерений не позволяли провести прямые количественные исследования микроволнового ГМРЭ [4]. Волноводный метод дал возможность уверенно доказать существование и впрямую определить величину микроволнового ГМРЭ в сантиметровом диапазоне длин волн [5]. Однако почти во всех известных работах измерения выполнялись либо на единичных образцах (и в основном на системе Fe/Cr), либо на отдельных частотах. Таким образом, имелись только отрывочные сведения о том, что ГМРЭ может проявляться на сверхвысоких частотах. Геометрия "ток перпендикулярен плоскости слоев" ("current perpendicular to plane", CPP) была реализована в квазистатической области частот в коаксиальном резонаторе. Ферромагнитный резонанс (ФМР) был использован как метод изучения межслоевого обменного взаимодействия в металлических магнитных сверхрешетках [6].
Таким образом, актуальным являлось систематическое исследование взаимодействия электромагнитных волн (особенно в миллиметровом диапазоне) с такими искусственно созданными системами, как наноструктуры Fe/Cr, Fe/V, FeNi/V и Co/Ag методами прохождения и отражения для идентификации физической природы микроволнового магниторезистивного эффекта и резонансных особенностей. Также необходимо было исследовать взаимосвязь динамических и транспортных свойств многослойных магнитных металлических наноструктур. Решение этих проблем имеет большое значение для создания высокочастотных элементов твердотельной наноэлектроники на основе наногетероструктур и сверхрешеток.
Работа выполнена в Институте физики металлов УрО РАН и на кафедре физико-математического образования Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии по: плановой теме ИФМ УрО РАН "Наноструктурированные проводящие материалы: синтез, исследование атомной и кристаллической структуры компонент и интерфейсов, изучение физической природы электронных и магнитных свойств" (Шифр "' Наногетероструктура" №г.р. 01.200103141); программе фундаментальных научных исследований Президиума РАН "Квантовая макрофизика"; программе ОФН РАН "Спин-зависимые эффекты в твердых телах и спинтроника", проекту "Спин-зависимый транспорт в металлических, полупроводниковых и молекулярных магнетиках"; гранту №00-15-
96745 по поддержке научных школ "Электронная кинетика и спиновая динамика в металлических слоистых наноструктурах, магнитных металлооксидах и низкоразмерных проводниках"; госконтракту №02.445.11.7374 от 09.06.2006 г. "Развитие системы ведущих научных школ как среды генерации знаний и подготовки научно-педагогических кадров высшей квалификации" "Спиновая динамика и транспорт в магнитных металлических наногетероструктурах".
Цель работы заключалась в исследовании явлений, определяемых взаимодействием электромагнитного излучения в широком диапазоне частот с многослойными магнитными наноструктурами и выявлении их взаимосвязи с электрическими и магнитными явлениями, обуславливающими свойства этих структур на постоянном токе, в получении информации об особенностях обменного взаимодействия ферромагнитных слоев в микроволновом диапазоне.
Задачи работы:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование в геометрии "ток протекает в плоскости слоев" ("current in plane", CIP) взаимодействия (прохождения и отражения) электромагнитных волн в широком диапазоне частот и постоянных магнитных полей с многослойными магнитными наноструктурами, размещенными в поперечном сечении прямоугольного волновода.
-
Получение экспериментальных спектров магнитного резонанса и сравнение их с расчетными, найденными из кривых намагничивания. Оценка констант обменного взаимодействия в модели биквадратичного обмена, параметра затухания Гильберта.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование в геометрии "ток перпендикулярен плоскости слоев" ("current perpendicular to plane", CPP) взаимодействия (прохождения и отражения) электромагнитных волн в режиме бегущих волн с наноструктурой конечных размеров, расположенной вдоль оси прямоугольного волновода параллельно его широкой стенке.
-
Развитие методик измерения коэффициентов прохождения и отражения от магнитных наноструктур для миллиметрового диапазона длин волн.
-
Исследование взаимодействия электромагнитных волн с периодическими системами, содержащими магнитные многослойные наноструктуры, в режиме бегущих волн.
Научная новизна результатов, выносимых на защиту:
-
Установлено, что в миллиметровом диапазоне длин волн изменения коэффициентов прохождения через сверхрешетки и отражения от них определяются одновременным действием двух физических явлений: высокочастотного гигантского магниторезистивного эффекта и магнитного резонанса.
-
Обнаружено, что в миллиметровом диапазоне длин волн гигантский магниторезистивный эффект приводит к монотонному уменьшению модуля коэффициента прохождения и увеличению модуля коэффициента отражения. Зависимости коэффициента прохождения от напряженности магнитного поля вне условий магнитного резонанса подобны зависимостям магнитосопротивления на постоянном токе. Теоретически показано, что в миллиметровом диапазоне длин волн существует взаимнооднозначное соответствие между ГМРЭ, измеренным на постоянном токе и на сверхвысоких частотах вне условий магнитного резонанса. Частотная дисперсия ГМРЭ слаба во всем исследованном диапазоне частот.
-
Установлено, что минимумы на полевых зависимостях коэффициентов прохождения и отражения, обнаруженные на частотах выше 30 ГГц при использовании методики проникновения электромагнитных волн, обусловлены магнитным резонансом. В кластерно-слоистых наноструктурах резонансные изменения микроволнового коэффициента прохождения отсутствуют. Сопоставление кривых намагничивания и спектров магнитного резонанса позволило оценить константы билинейного J\ и биквадратичного J2 обменного взаимодействия сверхрешеток со сплошными слоями в модели биквадратичного обмена, что важно для расчета магнитной структуры при наложении магнитного поля. Полученные оценки приводят к хорошему согласию расчетных спектров однородной моды магнитного резонанса с экспериментальными. Выполнены оценки параметра затухания Гильберта.
-
Теоретически изучено взаимодействие электромагнитных волн с гиротропной пластиной из многослойной магнитной наноструктуры, расположенной параллельно широкой стенке прямоугольного волновода вдоль его оси. Установлена структура электромагнитных полей для случая толщин металла наноструктуры, существенно меньших глубины скин-слоя. Показано, что реализуется геометрия СРР. Получены формулы для комплексных добавок к продольному волновому числу при отсутствии магнитного поля и во внешнем
постоянном магнитном поле, и комплексных коэффициентов прохождения и отражения.
-
Исследовано распространение электромагнитных волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов через отрезок волновода с наноструктурой конечных размеров, расположенной параллельно его широкой стенке, на наборе образцов сверхрешеток (Fe/Cr)n. Установлено, что частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения являются функциями осцилляционного типа в соответствии с результатами расчета. Показано, что зависимость между магнитосопротивлением на постоянном токе и изменением модуля коэффициента прохождения микроволн в магнитном поле является прямо пропорциональной.
-
Развитые для миллиметрового диапазона волн волноводные методики измерения коэффициентов прохождения и отражения в режимах проникновения и бегущих волн дали возможность впрямую получать информацию о микроволновом ГМРЭ и магнитном резонансе. Измерения, проведенные по этим методикам на большом наборе частот из выбранного диапазона в геометриях CIP и СРР и большом числе образцов наноструктур разного типа, позволили доказать влияние исходного магнитного упорядочения и характера межслойного обменного взаимодействия на тип и величину возникающих микроволновых эффектов и дали возможность обнаружить микроволновой ГМРЭ в наноструктурах разного состава, обладающих спин-зависимым рассеянием.
-
Обнаружено, что в миллиметровом диапазоне длин волн у периодической системы типа "гребенка в волноводе" с пластинами гребенки, выполненными из образцов сверхрешетки Fe/Cr, под действием внешнего магнитного поля модуль коэффициента прохождения электромагнитных волн увеличивается до 50%.
Научная и практическая значимость заключается в том, что: 1. Результаты, полученные в диссертации, дополняют и развивают существующие представления о физической природе эффектов, определяемых взаимодействием электромагнитного излучения с искусственно созданными многослойными металлическими магнитными наноструктурами в широком диапазоне частот, а также о взаимосвязи динамических и транспортных свойств этих наноструктур.
-
Закономерности взаимодействия электромагнитных волн со сверхрешетками в широком диапазоне частот, полученные в работе, позволяют наметить пути целенаправленного создания новых магнитных наноматериалов и быстродействующих, управляемых магнитным полем наноустройств сверхвысокочастотной техники на основе таких материалов. В частности, изменения модулей коэффициентов прохождения и отражения при взаимодействии электромагнитных волн с многослойной магнитной наноструктурой в режиме бегущих волн и с периодической структурой типа "гребенка в волноводе", превышающие 30%, указывают на возможность применения эффекта микроволнового ГМРЭ в управляемых устройствах сверхвысокочастотной техники. Исследования на миллиметровых волнах важны в связи с необходимостью предусмотреть возможное наложение магнитного резонанса и магниторезистивного эффекта, которое может стать серьезной проблемой в работе магнитных устройств хранения и считывания информации при дальнейшем увеличении их тактовой частоты.
-
Методики измерения коэффициентов прохождения и отражения от многослойных магнитных наноструктур в режимах проникновения и бегущих волн, развитые для миллиметрового диапазона волн, позволяют изучать различные механизмы высокочастотного отклика на падающее электромагнитное излучение, впрямую получая информацию о микроволновом ГМРЭ и магнитном резонансе из результатов измерений на большом наборе частот из широкого диапазона в геометриях CIP и СРР и большом числе образцов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Установлено, что в миллиметровом диапазоне длин волн нерезонансные изменения коэффициентов прохождения электромагнитных волн через многослойные магнитные наноструктуры и отражения от них обусловлены высокочастотным ГМРЭ и определяются джоулевыми потерями микроволновых вихревых токов в наноструктуре.
-
Доказано путем сравнения спектров минимумов коэффициентов прохождения в режиме проникновения, восстановленных из экспериментальных данных, со спектрами однородной моды магнитного резонанса, полученных из кривых намагничивания, что возникновение этих минимумов обусловлено явлением магнитного резонанса при совместном действии двух магнитных полей -постоянного и высокочастотного поля волны. Сделаны оценки
констант обменного взаимодействия в модели биквадратичного обмена и параметра затухания Гильберта.
-
В миллиметровом диапазоне длин волн на прохождение и отражение электромагнитных волн от многослойных магнитных наноструктур одновременно влияют явления микроволнового ГМРЭ и магнитного резонанса. Вне условий магнитного резонанса независимо от вида начального магнитного упорядочения выполняется взаимнооднозначное соответствие между зависимостями относительного изменения коэффициента прохождения от напряженности магнитного поля и магнитосопротивления на постоянном токе.
-
Результаты теоретического исследования взаимодействия (прохождения и отражения) электромагнитных волн в режиме бегущих волн (геометрия СРР) с тонкой гиротропной металлической пластиной конечных размеров- многослойной магнитной наноструктурой, расположенной вдоль оси прямоугольного волновода параллельно его широкой стенке: структура электромагнитных полей; выражения для продольного волнового числа основной моды Ню и его изменений в постоянном магнитном поле, полученные методами теории возмущений для случаев нормального и касательного намагничивания наноструктуры.
-
Результаты изучения распространения волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов через отрезок волновода с многослойной магнитной наноструктурой конечных размеров, расположенной параллельно его широкой стенке. Между полевыми зависимостями изменения модуля коэффициента прохождения и магнитосопротивлением на постоянном токе наблюдается прямо пропорциональная зависимость. Частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения являются функциями осцилляционного типа в соответствии с результатами расчета.
-
Применение периодических систем типа "гребенка в волноводе" резко увеличивает эффективность взаимодействия электромагнитных волн с многослойными магнитными наноструктурами, из которых выполнены пластины гребенки.
Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается большим количеством хорошо аттестованных образцов; обоснованной методикой выполнения измерений на аттестованных экспериментальных установках; неоднократным повторением измерений; сопоставлением полученных данных с известными из литературных источников, с теоретическими моделями исследуемых явлений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XVIII, XIX и XX Международных школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (НМММ) (Москва, 2002, 2004, 2006 гг.); XXI Международной конференции "Новое в магнетизме и магнитных материалах" (HMMM-XXI) (Москва, 2009 г.); Международном Евро-Азиатском симпозиуме "Trends in magnetism" (EASTMAG-2004) (Красноярск, 2004 г.); 15-ой международной конференции "Soft Magnetic Materials" (Испания, г. Бильбао, 2001 г.); 35* and 36th European Microwave Conference (EuMC) (Франция, г. Париж,
-
г.; Великобритания, г. Манчестер, 2006 г.); 4-ом, 5-ом и 6-ом Международных симпозиумах "Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves" (MSMW) (Украина, г. Харьков, 2001, 2004, 2007 гг.); 15-м Международном симпозиуме "Тонкие пленки в оптике и электронике" Харьковской научной ассамблее (ISTFE-15) (Украина, г. Харьков, 2003 г.); XVI Международном симпозиуме "Тонкие пленки в электронике" (Москва, 2004 г.); XII Международной научно-технической конференции "Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники" (Москва, 2006 г.); ГХ и X Международных семинарах "Нанотехнология и физика функциональных нанокристаллических материалов" (ДСМСМС) (Екатеринбург-Кьшггым, 2002 г.; Екатеринбург-Новоуральск, 2005 г.); VI Bilateral Russian-German Symposium "Physics and Chemistry of advanced materials. Advanced materials with collective electronic phenomena" (Новосибирск, 2002 г.); XI International summer school "Nicolas Cabrera. Frontiers in Science and Technology: Magnetic Nanostructueres" (Испания, г. Мадрид, 2004 г.); 378th WE-Heraeus-Seminar "Spin Torque in Magnetic Nanostructures" (Германия, г. Бад-Хоннеф,
-
г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 34 научных работах, в том числе в 10 статьях в российских и зарубежных научных журналах, включенных в перечень ВАК, 16 статьях в сборниках трудов и 8 тезисах докладов международных конференций.
Личный вклад автора. Автор совместно с научным руководителем участвовал в постановке задач исследования и их реализации. Лично развил методики измерений в режимах проникновения и бегущих волн для диапазона миллиметровых волн. Создал три оригинальные экспериментальные установки для проведения измерений амплитудно-частотных характеристик образцов, полевых и частотных зависимостей коэффициентов
прохождения и отражения в диапазонах частот от 26 до 38 ГГц, от 12 до 17 ГГц и от 17 до 26 ГГц, провел аттестацию установок. На всех стадиях работы соискатель активно участвовал в проведении экспериментов, обработке, анализе полученных результатов и оформлении публикаций.
Образцы сверхрешеток Fe/Cr были получены сотрудниками лаборатории электрических явлений ИФМ УрО РАН к.ф.-м.н. Ромашевым Л.Н. и к.ф.-м.н. Миляевым М.А. Остальные системы изготовлены в университете г. Уппсала (Швеция) и в Аристотелевском университете г. Салоники (Греция). Аттестация образцов сверхрешеток и измерение их магнитных и магниторезистивных характеристик выполнены Л.Н. Ромашевым и М.А. Миляевым.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 187 наименований. Содержание диссертации изложено на 153 страницах, включая 4 таблицы и 62 рисунка.
