Термомагнітні ефекти в багатошарових наноструктурах на основі сильних і розбавлених феромагнетиків та антиферомагнетиків
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Козлов 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.
Опис
Ключові слова
спінтроніка, міжшаровий обмінний зв'язок, РККІвзаємодія, Кюрі-перемикач, синтетичні антиферомагнетики, гігантський магнетоопір, анізотропний магнетоопір, обертальна анізотропія, магнітні багатошарові структури, магнітне поле, магнітна анізотропія, гетероструктури, spintronics, interlayer exchange coupling, RKKY interaction, Curie switch, synthetic antiferromagnets, giant magnetoresistance, anisotropic magnetoresistance, rotatable anisotropy, magnetic multilayer structures, magnetic field, magnetic anisotropy, heterostructures
Бібліографічний опис
Козлов, О. А. Термомагнітні ефекти в багатошарових наноструктурах на основі сильних і розбавлених феромагнетиків та антиферомагнетиків : дис. ... доктора філософії : 104 Фiзика та астрономiя / Козлов Олексій Анатолійович. – Київ, 2026. – 147 с.