Введение к работе
Актуальность темы. Эффект гигантского магнитосопротнвле-ния (ГМС) наблюдается во многих многослойных структурах, в которых магнитные слои (Fe, Со, NiFe и др.) разделены немагнитными металлическими слоями (напр. Сг, Си) толщиной порядка нескольких нанометров, а также в гранулированных сплавах, представляющих собой композитную среду, в которой ферромагнитные гранулы распределены в немагнитной металлической матрице. Гигантские значения магнитосопротивления, достигающие более 100 % при низких температурах, в сочетании с ультрамалыми толщинами мультисло-ев и гранулированных пленок обусловливают перспективность таких структур для создания нового поколения магнитных головок и магнитных сенсоров, элементов спиновой электроники и магнитореэи-стивной памяти.
Исследования ГМС в магнитных многослойных структурах проводятся в двух геометриях: параллельной (CIP - current in plane) и перпендикулярной (СРР - current perpendicular to plane). Для теоретического описания явления ГМС в магнитных многослойных и гранулированных системах используется два подхода: квазиклассический, основанный на решении кинетического уравнения, и квантовый, базирующийся на формализме Кубо, позволяющий выявить пределы квазиклассического подхода и учесть квантовые размерные эффекты. Физической основой ГМС является спин-зависящее рассеяние электронов проводимости в объеме ферромагнитных материалов и на поверхности раодела (интерфейсах) слоев или гранул и матрицы. Однако до настоящего времени остается неясным, какой из этих механизмов рассеяния является доминирующим. Зна-
чительно прояснить картину может обобщенное теоретическое исследование ГМС в параллельной и перпендикулярной геометриях в рамках единой, унифицированной модели и при одних и тех же микроскопических параметрах, характеризующих процессы объемного и поверхностного рассеяния электронов. В настоящей работе такое исследование проводится с использованием квантового подхода, позволяющего учесть процессы отражения электронов проводимости от потенциальных барьеров в интерфейсах, что приводит к возможности рассмотрения связанных с этим квантовых размерных эффектов. Размерные эффекты играют важную роль при формировании ГМС и в гранулированных сплавах, однако в работах, посвященных теоретическому описанию ГМС в этих системах используются подходы, основанные на концепции самоусреднения, не пригодной в случае реальных магнитно-неоднородных систем. В связи с этим возникает необходимость теоретического исследования ГМС гранулированных сплавов без использования концепции самоусреднения и с учетом классического размерного эффекта.
Такие исследования позволят получить дополнительную информацию об особенностях спин-зависящего рассеяния, а также проверить и дополнить развитые представления о природе ГМС.
Целью данной работы являлось:
-
Построение обобщенной кзантопо-статиетической теории ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах в параллельной и перпендикулярной геометриях и исследование относительной роли спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в объеме ферромагнитных слоев и в интерфейсах.
-
Исследование влияния на ГМС в магнитных спин-вентильных
сэндвичах квантовых размерных эффектов, связанных с процессами отражения электронов от внешних и внутренних границ (интерфейсов).
3. Построение квантово-статистической теории ГМС d магнит-пых гранулированных сплавах с учетом классических размерных эффектов.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:
1. В диссертации впервые в рамках формализма Кубо и мето
да функции Грина разработана обобщенная квантово-статистическая
теория ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах в параллель
ной и перпендіпсупярноп геометриях с использованием одних и тех
же микроскопических параметров рассеяния электронов и определе
ны характерные для каждой геометрии зависимости величины ГМС
от амплитуды сшш-зависящего рассеяния электронов в интерфейсах.
-
Исследована проблема относительной роли объемного и поверхностного сшш-зависящего рассеяния электронов проводимости в параллельной геометрии и выявлены условия, определяющие преобладание того или иного механизма рассеяния при формировании ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах.
-
Исследованы осцилляции ГМС от толщины ферро- и парамагнитных слоев спин-вентильных сэндвичей, обусловленные процессами отражения электронов от потенциальных барьеров в интерфейсах.
-
В рамках формализма Кубо и метода функций Грина разработана квантово-статистическая теория ГМС магнитных гранулированных сплавов с учетом сшш-зависящего размерного эффекта,
позволяющая объяснить экспериментальные данные.
Результаты, полученные в диссертации могут быть использованы в качестве научной основы для оптимизации характеристик магнитных считывающих устройств, основанных на ГМС.
Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:
-
В магнитных спин-вентильных сэндвичах в случае параллельной геометрии зависимость величины ГМС от амплитуды спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в интерфейсах является немонотонной вследствие перенормировки поверхностного спин-зависящего потенциала рассеяния. В случае перпендикулярной геометрии эта зависимость является монотонно возрастающей или убывающей.
-
В магнитных спин-вентильных сэндвичах в случае параллель-нон геометрии процессы сшш-зависящего рассеяния электронов проводимости на поверхности раздела слоев могут давать значительный вклад в ГМС только в случае незначительной спиновой асимметрии рассеяния злетронов в объеме ферромагнитных слоев.
-
Отражение электронов от спин-зависящих потенциальных барьеров в интерфейсах приводит к осцилляциям в зависимости ГМС в параллельной геометрии от толщины ферро- и парамагнитных слоев.
-
Проводимость и ГМС магнитных гранулированных сплавов не может описываться с помощью концепции самоусреднения в случае, когда размеры ферромагнитных гранул и(или) расстояния между ними сравнимы со средней длиной свободного пробега электронов проводимости (что характерно для реальных сплавов с ГМС). Учет размерных эффектов, обусловленных спин-зависящим рассеянием элек-
тропов проводимости в объеме и на поверхности гранул приводит к немонотонной зависимости величны ГМС от среднего размера магнитных частиц. Наличие характерного размера гранул, при котором ГМС достигает максимального значения, обусловлено оптимальным соотношением относительных вкладов объемного и поверхностного сшш-зависящего рассеяния электронов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались п обсуждались на международных конференциях: "International Conference on Magnetism" (ICM-97), Australia, (1997); NATO-ASI "Frontiers in Magnetism of Reduced Dimension Systems", Partenit, Crimea, (1997); NATO Advanced Research Workshop, 2d International Workshop Itinerant Electron Magnetism: "Fluctuation Effects and Critical Phenomena", Moscow, (1997).
Публикации.
Основное содержание диссертации изложено в 5 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Стуктура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех гнав, заключения, приложения и списка литературы. Полный объем работы -3 страницы машинописного текста, включая 14 рисунков и библиографию из 84 наименований.