Квантовая теория туннельного и гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах Багрец, Дмитрий Александрович

Введение к работе

Актуальность темы.

Эффект туннельного магнитосопротивления (ТМС) наблюдается в магнитных туннельных наноструктурах, в которых ферромагнитные металлические слои разделены слоем диэлектрика порядка нескольких десятков нанометров, а также в туннельных гранулированных системах, где разделяющий слой представляет диэлектрическую матрицу с распределенными в ней ферромагнитными гранулами. Родственный ТМС эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) проявляется в металлических мультислойных наноструктурах и сверхрешетках, в которых чередуются ферромагнитные и немагнитные слои. Наиболее общей чертой упомянутых структур является тот факт, что ферро - или антиферромагнитный порядок оказывает существенное влияние на электронные транспортные свойства в этих системах и приводит к эффекту спиновой поляризации электрического тока. В результате этого,¹ сопротивление структуры зависит от параллельной или антипараллельной конфигурации намагниченностей ферромагнитных слоев, которая может изменяется под воздействием внешнего магнитного ПОЛЯ

Актуальность исследования спин-поляризованного электронного транспорта в этих гетероструктурах имеет одновременно прикладной и фундаментальный аспекты Первый из них связан с широкими перспективами использования наноструктур с ГМС и ТМС в качестве наноэлементов спиновой электорники в MRAM (Magnetic Random Access Memory) компьютерных технологиях. Другую область применения составляют одно-электронные и спин-вентильные транзисторы, а также датчики слабого магнитного поля С фундаментальной точки зрения, можно выделить следующие аспекты, которые представляют самостоятельный научный интерес.

1. Использование сверхпроводящих контактов в экспериментах по измерению ГМС в поперечной геометрии соотносится с общей проблемой эффектов близости в гибридных структурах ферромагнетик/сверхпроводник и их влияния на электронные транспортные свойства

2. Особенность вольт-амперной зависимости тока при низких напряжениях в туннельных наноконтактах связана с возбуждением коллектив-

ных неупругих мод на границе раздела металл / диэлектрик и позволяет получать информацию о поверхностном магнонном спектре в ферромагнетиках.

3. Нерешенной до конца научной проблемой остается выяснение роли тонкой структуры электронного спектра вблизи интерфейса ферромагнитный металл/диэлектрик на формирование поляризации туннельного тока.

4. Изучение прыжковой проводимости через промежуточные квантовые состояния в гранулированных туннельных структурах при низких температурах тесно взаимодействует с эффектом кулоновской блокады в случае наноразмерных масштабов ферромагнитных гранул.

Рассмотренные в диссертации вопросы в той или иной степени коррелируют с этими проблемами.

Целью данной работы является:

1. Исследование влияния s — d и магнонного механизма рассеяния на интерфейсах на сопротивление туннельных контактов.

2. Исследование магнитосопротивления туннельных контактов в присутствии парамагнитных примесей в барьере.

3. Выяснение роли андреевского отражения на интерфейсе металл/ сверхпроводник в подавлении экспериментально измеряемой величины ГМС в поперечной геометрии с помощью сверхпроводящих контактов.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

4. Предложена s—d модель спин-поляризованного электронного транспорта в туннельных наноструктурах, которая предполагает механизмы случайной межзонной гибридизации и магнонного рассеяния на интерфейсе металл/изолятор.

5. Проведен квантовостатистический расчет зависимостей проводимости и ТМС спин-вентильных наноструктур от температуры и среднеквадратичной случайной гибридизации на интерфейсе, которые объясняют большой ряд экспериментальных данных.

6. Предложена модель резонансного туннелирования в наноструктурах с неоднородно распределенными примесями внутри слоя изолятора, которая учитывает обменное взаимодействие между спином примеси и

электронами проводимости в ферромагнетике. Теоретически предсказано, что вольт-амперная характеристика туннельного тока в такой системе является асимметричной, а ТМС может иметь большую амплитуду, чем в"аналогичной структуре в отсутствии парамагнитных примесей.

4 Исследованы транспортные свойства наноструктуры, состоящей из одно- или двухдоменного ферромагнитного металла в контакте со сверхпроводником. Показано, что эффект ГМС, определяемый как относительное изменение проводимости для одно- и двухдоменного образцов, имеет различное качественное поведение для баллистического и диффузного режимов проводимости в системе.

Результаты, полученные в диссертации, могут привести к новой интерпретации экспериментальных данных по магнитосопротивлению в на-ноконтактах, а также использованы в качестве научной основы для оптимизации магнитных считывающих устройств, основанных на эффекте ТМС.

Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1 В рамках предложенной s - d модели с помощью формализма Кубо для линейного отклика и метода функций Грина проведен квантово-статистический расчет транспортных характеристик в туннельной наноструктуре типа F/ЛІгОз/Р, где F — 3d переходный ферромагнитный металл. При этом эффекты поверхностного рассеяния на интерфейсах учитываются в приближении когерентного потенциала (ПКП) и вычислением "вершинной" поправки з проводимость в "лестничном¹¹ приближении

2. Показано, что эффект ТМС является монотонно убывающей функцией параметра случайной s- d гибридизации j на интерфейсе и уменьшается вплоть до нулевого значения при 7 ~ 0.16 e.V, что согласуется с сильной зависимостью амплитуды ТМС от качества интерфейса, наблюдаемой экспериментально. Теоретически рассчитанное туннельное сопротивление уменьшается с ростом температуры для обеих конфигураций (параллельной и антипараллельной) намагниченностей в структуре, что является следствием неупругого магнонного механизма рассеяния и качественно согласуется с экспериментальными данными При этом температурная зависимость эффекта, ТМС также является убывающей во

всем интервале температур от 4.2 до 300 К.

3. При учете обменного s - d взаимодействия резонансная туннельная проводимость в структуре с парамагнитными примесями зависит от направления спина туннелирующего электрона и квантового состояния локализованного спина примеси. Этот эффект приводит к относительному увеличению амплитуды ТМС в системе. Предсказано, что в случае асимметрии пространственного распределения примесей возбуждение неупругих процессов с переворотом спина и сдвиг резонансных уровней внутри барьера под действием приложенного напряжения могут приводить к асимметричной вольт-амперной характеристике туннельного тока.

4. Рассмотрен эффект ГМС в поперечной геометрии в двухслойной ферромагнитной структуре (Fi/Fj) в контакте со сверхпроводником (S). Проводимость рассчитана в рамках метода Кубо с использованием функций Грина, найденных как реШения уравнений Горькова. Показано, что в баллистическом режиме андреевское отражение на интерфесе F2/S и обычное квантомеханическое отражение на интерфейсе (Рд/Рг) при антипараллельной конфигурации намагниченностей приводит к возникновению ненулевого значения ГМС, амплитуда которого осциллирует с изменением толщины металлического слоя F2. Эффект ГМС полностью подавляется в диффузном режиме в пределе сильного электронного s — d рассеяния в ферромагнетике.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: "Moscow International Symposium on Magnetism"(MISM'99), Moscow, 1999; XXVII Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники "(Н ММ М-17), Москва, 2000; 8th European Magnetic Materials and Applications Conference (EMMA-2000), Kyev, Ukraine, 2000, "Symposium on Spin-Electronics^,l(SSE'2000), Halle, Germany, 2000, "International Conference on Magnetism 2000"(ICM'2000), Recife, Brazil.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 10 печатных работах, список которых приведен к конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений и списка литерату-

ры. Общий объем работы составляет z^-5* страница/включая 27 рисунков

и библиографический список из наименований.