Дисертації (КЗФ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Термомагнітні ефекти в багатошарових наноструктурах на основі сильних і розбавлених феромагнетиків та антиферомагнетиків(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Козлов, Олексій Анатолійович; Решетняк, Сергій Олекандрович; Кравець, Анатолій ФедоровичКозлов О. А. Термомагнітні ефекти в багатошарових наноструктурах на основі сильних і розбавлених феромагнетиків та антиферомагнетиків. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 10 Природничі науки за спеціальністю 104 Фізика та астрономія. — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційні дослідження присвячені встановленню фізичних механізмів термічно індукованого перемикання міжшарового обмінного зв'язку у п'ятишарових магнітних наноструктурах Fe/Cr/Fe17,5Cr82,5/Cr/Fe (Кюріперемикачах), систематизації режимів їхньої роботи та розробці теоретичних моделей, що кількісно описують поведінку цих структур у широкому діапазоні температур. Актуальність теми зумовлена потребою у створенні спінтронних пристроїв із зовнішнім керуванням міжшаровим обмінним зв'язком. У класичних металевих багатошарових структурах Fe/Cr взаємодія Рудермана--Кіттеля--Касуя-- Йосіди (РККІ) визначається товщиною немагнітного спейсера і слабко піддається зовнішньому впливу після виготовлення. Концепція Кюрі-перемикача усуває це обмеження: введення розбавленого феромагнітного прошарку FexCr1−x з температурою Кюрі поблизу кімнатної температури забезпечує повністю оборотний перехід між феромагнітним та антиферомагнітним типами міжшарового зв'язку при незначному нагріванні. Реалізація такого перемикання виключно електричним способом (через джоулеве нагрівання постійним струмом) відкриває перспективи застосування у термічно активованій магніторезистивній пам'яті (MRAM) та наноосциляторах. Об'єктом дослідження є п'ятишарові магнітні наноструктури Fe(2)/Cr(0,4)/FexCr100−x(0,9)/Cr(0,4)/Fe(2) (товщини в нм) з трьома концентраціями заліза в розбавленому прошарку: x = 17,5 ат.% (зразок NFC17), x = 20 ат.% (NFC20) та x = 21 ат.% (NFC21), виготовлені методом DCмагнетронного розпилення на підкладках Si(100). Від кожного зразка відділено два фрагменти: для магнітометричних вимірювань (VSM, SQUID-VSM) та для літографічного формування мікросмужок та магнетотранспортних досліджень. Предметом дослідження є температурозалежний міжшаровий обмінний зв'язок, магнітна анізотропія, магнітні фазові переходи та магнетотранспортні ефекти у зазначених структурах, а також вплив концентрації заліза та морфології розбавленого прошарку на параметри Кюрі-перемикача. Методи дослідження Для синтезу зразків використовувався метод DC-магнетронного розпилення . Шари розбавленого сплаву FexCr100−x осаджувались методом спільного розпилення з окремих мішеней Fe та Cr із роздільним керуванням потужністю. Статичні магнітні характеристики вивчались методами VSM та SQUID-VSM (Quantum Design MPMS 3 ). Транспортні властивості досліджувалися шляхом вимірювання магнетоопору двопровідним методом на мікросмужках, сформованих УФ-літографією та реактивним іонним травленням . Теоретичний аналіз здійснювався в рамках макроспінових моделей міжшарового обмінного зв'язку, а саме: векторної моделі когерентного обертання, яка враховує білінійний та біквадратичний внесок у міжшаровий обмін, та колінеарної моделі метамагнетика, яка враховує обертальну анізотропію . Вплив просторового розподілу заліза на властивості розбавленого спейсера досліджувався методом Монте-Карло з використанням алгоритму Метрополіса . Дисертація складається із чотирьох розділів: Перший розділ містить огляд фундаментальних фізичних принципів, що лежать в основі роботи Кюрі-перемикача. Розглянуто механізми формування магнітного моменту атомів, класифікацію магнітних матеріалів та їх температурні залежності. Розглянуто теорію феромагнетизму, антиферомагнетизму та критерій Стонера для зонного магнетизму. Детально описано пряму (гайзенбергську) та непряму (РККІ) обмінні взаємодії, феноменологію міжшарового обмінного зв'язку з білінійною та біквадратичною складовими, а також ефект гігантського магнетоопору (ГМО) у планарних багатошарових, гранульованих та гібридних системах. Проаналізовані кристалографічні та магнітні властивості об'ємного хрому та заліза. Проаналізовано магнітну фазову діаграму об'ємних сплавів FexCr1−x за даними двох незалежних експериментальних підходів (Бурка та Такзея--Дорофеєва), зокрема детально проаналізовані магнітні властивості Fe17,5Cr82,5 і особливості концентраційного фазового переходу в ньому. Розглянуто концентраційний перехід у багатошарових плівках; з'ясовано, що введення тонких шарів Cr у композитну архітектуру Cr/FexCr1−x/Cr ефективно пригнічує прямий обмін і зберігає канал непрямого РККІ-обміну у значно ширшому діапазоні концентрацій, що є перевагою конструкції Кюрі-перемикача. У другому розділі описано методи фабрикації та експериментальних вимірювань. Наведено технологічні параметри виготовлення п'ятишарових структур методом DC-магнетронного розпилення, включаючи особливості спільного розпилення розбавленого сплаву Fe17,5Cr82,5 з двох незалежних мішеней. Описано методи контролю якості зразків (XRR, XRD, ФМР). Детально розглянуто принципи роботи вібраційної магнітометрії та магнітометрії на основі надпровідного квантового інтерферометра (SQUID-VSM), а також технічні характеристики установки Quantum Design MPMS 3. Описано процес літографічного формування мікросмужок для транспортних вимірювань та конфігурацію установки для вимірювання магнетоопору. У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень. Досліджено три серії зразків з різним вмістом заліза у розбавленому прошарку (x = 17,5; 20 та 21 ат.%). Для кожного складу визначено температуру орієнтаційного фазового переходу в зразках: TC ≈ 325, 360 та 380 К відповідно. Встановлено відсутність вираженого напрямку одновісної внутрішньоплощинної анізотропії, що узгоджується з моделлю обертальної анізотропії. Температурозалежні SQUIDVSM вимірювання виявили поступовий оборотний перехід від феромагнітного до антиферомагнітного типу міжшарового зв'язку. Магнетотранспортні вимірювання на мікросмужках шириною 9, 7 та 4 мкм підтвердили можливість електричного перемикання при кімнатній температурі. Встановлено параболічний закон T(j 2), що однозначно підтверджує джоулевий механізм перемикання з критичною густиною струму jc = 1,39 × 1011 А/м2 . Максимальний ефект ГМО становить ≈ 0,2%. Аналіз кутової залежності магнетоопору виявив, що внесок анізотропного магнетоопору (АМО) у паралельному стані (≈ 0,12%) порівнянний з ГМО, що обґрунтовує вибір геометрії H ∥ I для коректних вимірювань. У четвертому розділі проведено комплексне теоретичне моделювання в рамках трьох взаємодоповнюючих підходів. У рамках векторної моделі когерентного обертання для синтетичного антиферомагнетика (САФ) у макроспіновому наближенні відновлено температурні залежності білінійної та біквадратичної констант міжшарового зв'язку J1 та J2 шляхом апроксимації експериментальних петель гістерезису. Встановлено, що |J1|зростає від ∼ 0 при 200 К до ∼ 100 мкДж/м2 вище TC, тоді як J2 зменшується на ≈ 40 %, що відповідає покращенню якості інтерфейсу. У рамках колінеарної моделі метамагнетика у макроспіновому наближенні систематизовано чотири характерні режими роботи Кюрі-перемикача (A, B, C, D), що відрізняються кількістю та симетрією піків похідної dM/dH. Отримано аналітичні вирази для критичних полів перемикання та встановлено їх зв'язок з магнітною сприйнятливістю розбавленого шару: Jeff 12 (T) = −χ(T)J 2. Мікроскопічне моделювання прошарку Fe17,5Cr82,5 методом Монте-Карло на тривимірній ґратці ∼ 104 вузлів з гамільтоніаном Ізінга та алгоритмом Метрополіса дозволило дослідити вплив ступеня кластеризації атомів заліза на магнітну сприйнятливість та температуру перемикання. Показано, що при T > 325 К обидві макроспінові аналітичні моделі однаково добре описують поведінку структури, тоді як при T < 325 К необхідно враховувати гранулярну морфологію прошарку. Встановлено, що ступінь кластеризації є додатковим параметром оптимізації, який дозволяє одночасно керувати температурою перемикання та амплітудою ГМО-сигналу. Наукова новизна одержаних результатів На основі комплексного дослідження структур Fe(2)/Cr(0,4)/FexCr1−x(0,9)/Cr(0,4)/Fe(2) методами температурної магнетометрії (SQUID/VSM), магнетотранспортних вимірювань, моделюванням в наближенні макроспіна і методом Монте-Карло встановлено наступне. 1. Вперше експериментально визначено критичну температуру орієнтаційного фазового переходу для x = 17,5%: TC ≈ 325 К . Нижче TC прошарок зумовлює феромагнітноподібне непряме зв'язування між шарами Fe; вище — система переходить до непрямого обмінного зв'язку (РКKІ) антиферомагнітного типу. 2. Вперше підтверджено повністю електричне безпольове ФМ↔АФМ перемикання через джоулеве нагрівання. Зіставлення mr(T) і MR(j) з параболічним законом T = T0 + α · j 2 dc підтверджує еквівалентність електричного та температурного перемикання; критична густина струму jc = 1,39 × 1011 А/м2 відповідає нагріванню до TC ≈ 325 К . 3. Вперше продемонстровано ефект ГМО у Кюрі-перемикачі на мікросмужках шириною 9, 7 та 4 мкм; величина ефекту ≈ 0,2%. Показано оборотне P↔AP перемикання при нульовому полі . 4. Вперше продемонстровано якісну зміну механізму перемагнічування: при T = 200 К структура поводиться як одновісний феромагнетик, тоді як при T ≥ 340 К намагніченість при H = 0 зникає . Початок формування АФМ плато при ∼ 240 К проявляється у розщепленні піку похідної; з ростом температури плато зміщується до H = 0 . 5. Встановлено ізотропність петель гістерезису відносно напрямку поля в площині зразка та наявність польово-індукованої одновісної анізотропії, вісь якої орієнтується вздовж останнього поля насичення . Запропоновано метод відновлення поля анізотропії та обмінного поля через похідну 1 Ms dM dH : Ha = 1 2 [H1(T) + H2(T)], Hex = 1 2 [H1(T) − H2(T)]. 6. Побудовано дві макроспінові моделі для відновлення обмінних параметрів системи: векторну модель когерентного обертання з урахуванням біквадратичного обміну та колінеарну модель метамагнетика, що враховує виключно колінеарні стани, проте аналітично описує конкуренцію непрямої ФМ та прямої АФМ компонент міжшарового зв'язку. Обидві моделі відтворюють температурні залежності обмінних параметрів . 7. Вперше показано методом Монте-Карло, що кластеризація прошарку Fe17,5Cr82,5 спричиняє появу малої петлі гістерезису та зміщення температури фазового переходу. Кластерні неоднорідності можуть призвести до виникнення додаткових каналів прямої обмінної взаємодії, а також впливають на величину непрямого міжшарового обміну завдяки появі суперпарамагнітних частинок. Показано, що розміри кластерів Fe є додатковим параметром оптимізації Кюрі-перемикача. Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертації демонструють принципову можливість неруйнівного безпольового перемикання магнітного стану спінового вентиля при кімнатній температурі через інжекцію постійного струму. Запропонований підхід оптимізації архітектури спейсера Cr/Fe17,5Cr82,5/Cr може бути застосований при проектуванні Кюрі-перемикачів з наперед заданими температурами та полями перемикання для термічно активованої MRAM і спін-торк наноосциляторів. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 2 статтях у фахових наукових журналах (1 стаття у виданні першого квартилю міжнародних наукометричних баз Scopus та Web of Science; 1 стаття у фаховому вітчизняному виданні) та 4 тезах доповідей на конференціях.Документ Відкритий доступ Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Тюкавкiна, Iрина Миколаївна; Горобець, Оксана ЮрiївнаТюкавкiна I. М. Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя. — Квалiфiкацiйна наукова праця на правах рукопису. Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора фiлософiї за спецiальнiстю 104 — Фiзика та астрономiя. — Нацiональний технiчний унiверситет України «Київський полiтехнiчний iнститут iменi Iгоря Сiкорського», Київ, 2023. Дисертацiя присвячена спiновим хвилям, якi є перспективними для iмплiкацiї пристроїв спiн-хвильової логiки в електронiцi, завдяки їх потенцiйно великiй енергiї, короткiй довжинi хвилi та високiй швидкостi розповсюдження. Розглядається проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї, структурованi спецiальним чином при їх виготовленнi, а саме з модульованими параметрами власної магнiтної анiзотропiї, обмiнної константи та взаємодiї Дзялошинського-Морiя. На основi точних лiнiйних та аналiтичних розв’язкiв рiвняння Ландау-Лiфшиця було побудовано аналiтичну модель взаємодiї лiнiйних та нелiнiйних спiнових хвиль iз метаповерхнями iз врахуванням рiзного типу граничних умов для рiвняння Ландау-Лiфшиця. Дисертацiйна робота складається iз п’яти роздiлiв, у яких описано проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї в феромагнiтних матерiалах. Основну частину дисертацiї доповнено таблицею iз матерiальними параметрами, що використаннi для комп’ютерного моделювання розповсюдження спiнових хвиль, що зiбранi iз вiдповiдних джерел для феромагнетикiв. Також, у додатках приведено програми, що виконанi в середовищi Python, для кожної iз задач, включених у дану дисертацiйну роботу. У першому роздiлi дисертацiйної роботи розглядається загальний вигляд повної енергiї феромагнетика, зокрема, доданок, що описує взаємодiю Дзялошинського-Морiя, та граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшиця на метаповерхнi мiж двома феромагнетиками. Огляд теоретичних та експериментальних спостережень ефекту невзаємностi спiнових хвиль включено в перший роздiл, оскiльки, створення нових магнонних пристроїв на базi невзаємного поширення спiнових хвиль є перспективним напрямком розвитку магнонiки. Експериментальне спостереження дифракцiї та iнтерференцiї спiнових хвиль i спiн-хвильовi ефекти в наноелектронiцi докладно описано в цьому роздiлi для розумiння сьогоденної парадигми в областi спiнтронiки та магнонiки та видiлено основнi напрями їх майбутнього розвитку. Другий роздiл присвячено аналiтичнiй моделi для опису поширення спiнової хвилi через систему, що складається з двох феромагнетикiв без та iз взаємодiєю Дзялошинського-Морiя, роздiлених плоским iнтерфейсом. Знайдено залежностi коефiцiєнтiв проходження та вiдбиття спiнової хвилi як функцiю частоти спiнової хвилi та константи Дзялошинського-Морiя, яка, як вiдомо, сильно залежить вiд температури та має тенденцiю до значного зростання при низькiй температурi порiвняно з кiмнатною. Взаємодiя Дзялошинського-Морiя дозволяє описати численнi магнiтнi властивостi сполук iз порушеною симетрiєю. Дослiдження систем з неколiнеарними спiновими текстурами, таких як хiральнi доменнi стiнки, скiрмiони, скiрмiоннi ґратки, магнiтнi спiралi у феромагнiтних матерiалах мають широкий спектр застосувань, наприклад, у пристроях спiн-хвильової логiки, кодування бiтiв для рейс-трекової пам’ятi. В третьому роздiлi дисертацiйної роботи виведено граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшица на межi роздiлу двох феромагнетикiв з рiзними значеннями взаємодiї Дзялошинського-Морiя. Аналiтичний вираз для умови неперервностi густини потоку енергiї при поширеннi спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя розраховано з урахуванням зазначених граничних умов. Дослiдження такого роду систем не тiльки вiдкриють новi можливостi для наведення та манiпулювання спiновими хвилями в надтонких магнiтних наноструктурах, а й сприятимуть розвитку променевої магнонiки. Аналiтичнi вирази для коефiцiєнтiв вiдбиття, проходження та фактори невзаємностi, що обчисленi iз врахуванням взаємодiї Дзялошинського-Морiя, дозволять поглибити знання про керування поширенням спiнової хвилi в магнонних пристроях. Аналiтична модель показує, що iснує два типи ефектiв невзаємностi для поширення спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя для протилежних орiєнтацiй вектора Дзялошинського-Морiя. У сприятливих ситуацiях це може збiльшити довжину загасання спiнової хвилi. Знайдено матерiальнi параметри феромагнетика та схiдчастої взаємодiї Дзялошинського-Морiя, для яких за результатами розрахункiв очiкується надзвичайно високий коефiцiєнт невзаємностi (> 10). Результати даної роботи дозволять реалiзувати керування поширення спiнової хвилi в магнонних пристроях. У четвертому роздiлi поставлено задачу розрахувати параметри рiзних феромагнiтних матерiалiв для створення метаповерхневої спiн-хвильової зонної пластинки Френеля, яка здiйснюватиме управлiння амплiтудою та фазою спiнової хвилi i матиме покращену функцiональнiсть фокусування. Проводячи аналогiю з оптикою, в магнонiцi за допомогою системи отворiв реалiзовано тiльки найпростiший тип зонної пластинки Френеля, яка є дифракцiйною лiнзою та складається з серiї концентричних кiлець, що чергуються. Спiн-хвильовий-аналог метаповерхневої зонної пластинки Френеля може бути створено за допомогою перiодичної модуляцiї iзотропного обмiну та власної магнiтної анiзотропiї iнтерфейсу мiж двома феромагнетиками. Така фазово-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля може бути використана для бiльш ефективного фокусування як спiнових хвиль, що пройшли, нiж традицiйна амплiтудно-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля. Позаяк метаповерхня може iндивiдуально керувати амплiтудою, фазою та поляризацiєю електромагнiтної хвилi, то метаповерхнева зонна пластинка забезпечує бiльше ступенiв свободи для покращення функцiональностi, нiж звичайна зонна пластинка Френеля. Очевидно, що в магнонiцi, запозичуючи вiдповiднi iдеї фотонiки, перспективною є розробка метаповерхневих зонних пластинок для спiнових хвиль, якi б замiсть блокування амплiтуди хвилi в непрозорих зонах забезпечували б вiдповiдний зсув фаз для конструктивної iнтерференцiї зi спiновою хвилею, збiльшуючи ефективнiсть фокусування в порiвняннi з амплiтудною зонною пластинкою Френеля. П’ятий роздiл дисертацiї демонструє аналiтичну модель для опису руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками за допомогою спiн-поляризованого струму. Залежнiсть швидкостi руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками, керовану спiн-поляризованим струмом, вiд сили спiн-поляризованого струму i напруженостi зовнiшнього магнiтного поля обраховано у даному роздiлi. Переважна бiльшiсть теоретичних дослiджень внутрiшньої структури доменних стiнок у феро- та антиферомагнетиках базується на чисельному мiкромагнiтному моделюваннi. Факт наявностi нескiнченної кiлькостi магнiтних текстур за однакових граничних умов для вектора намагнiченостi представляє нетривiальну задачу для чисельного мiкромагнiтного моделювання. Точний динамiчний розв’язок рiвняння Ландау-ЛiфшицяГiлберта-Слончевського у феромагнетику з одновiсною магнiтною анiзотропiєю, який описує рух доменної стiнки зi скiрмiонами у внутрiшнiй структурi пiд дiєю зовнiшнього магнiтного поля та спiнового струму дозволяє розв’язати цю задачу аналiтично. На додаток, отриманий розв’язок застосовний не тiльки для нескiнченного феромагнетика, а й до вiльного шару шаруватої системи феромагнетик/немагнiтний метал/феромагнетик за умови, що характерний масштаб скiрмiон-подiбного будiвельного блоку, як компоненти внутрiшньої структури доменної стiнки, є набагато меншим, нiж товщина вiльного шару. Остання умова добре виконується для скiрмiонiв розмiром порядку кiлькох нм, якi особливо популярнi як носiї iнформацiї у галузi спiнтронiки.