Диссертация (Влияние интерфейсных напряжений на свойства наноразмерных мультислойных структур на основе сложных оксидов и полупроводников при создании устройств микро- и наноэлектроники), страница 5

В общем формализме теории Ландау [51]свободнаяэнергияоднороднонамагниченногои/илиэлектрическиполяризованного однофазного материала может быть выражена как111F =F0 − PS E − µ0 M S H − ε Sσ − ε 0 χ E E 2 − µ0 χ M H 2 − sσ 2 − α EH − dEσ − qH σ − ...222(1)где F0 -свободная энергия в отсутствии магнитного и электрического поля, PS-спонтанная электрическая поляризация, E - напряженность электрическогополя, µ0 - магнитная проницаемость, M S - спонтанная намагниченность, H напряженность магнитного поля, ε S - коэффициент упругой деформации, σ тензор напряжений, ε 0 -диэлектрическая проницаемость, χ E - электрическаявосприимчивость, χ M - магнитная восприимчивость, s - упругий тензор, α 28магнитоэлектрический (МЭ) коэффициент взаимодействия [52], зависящий отэлектрической поляризации и приложенного магнитного поля.

Параметрмагнитного порядка из уравнения (1) можно записать в виде:∂F=µ0 M S + µ0 χ M H + α E + qd + ...∂Hµ0 M =−(2)Из уравнения (2) видно, что намагниченность материала зависит как отэлектрического поля, так и от магнитного поля через обратный МЭкоэффициент, который можно определить следующей формулой:α = µ0∂M∂E(3)Большинство материалов не имеют МЭ коэффициента потому, чтосимметрия кристалла накладывает ограничение на свободную энергию вуравнении (1).

Дело в том, что свободная энергия должна быть инвариантнаотносительно инверсии пространства и операции обращения времени.Например, материалы с симметрией обращения в пространстве не имеют вуравнении (1) слагаемых с нечетными порядками E , и поэтому спонтаннаяэлектрическая поляризация не проявляется [53]. Аналогично, материалы ссимметрией обращения времени не обладают намагниченностью. Этот примернаглядноиллюстрируетутверждениеобограниченномколичествематериалов, которые могут проявлять МЭ взаимодействие.В целом, все типы многокомпонентных мультиферроидных материаловдемонстрируют значение МЭ коэффициента, как минимум, на порядок выше,чем в однофазных мультиферроиках.

Эффективность МЭ взаимодействияможет быть улучшена с помощью напряжений на границе раздела слоевпленок. В настоящее время граница раздела считается основным источникоммагнитоэлектрическогомикроскопическомвзаимодействия(атомном)уровне,[54],либовозникающегоспомощьюлибонаэлектро-магнитоупругих взаимодействий. В последнем случае магнитострикционные29деформации в магнитном поле воздействуют на пьезоэлектрический слой ивызывают электрическую поляризацию.Кроме того, гетероструктуры не требуют ограничения по материалам наосновесимметрии.Некоторыетипичныепримерыискусственныхмультиферроиков приведены в таблице 1.Таблица 1. Мультиферроидные гетероструктуры, МЭ- свойства и механизмысвязи [50].СтруктурыCo2MnGe/BaTiO3Тип МЭМеханизмРезультатуправлениявзаимодействияУправлениеДеформацияПоказаноэл.

полем(эпитаксиальныеэкспериментальномагнитнойнапряжения)анизотропиейNi/PZTПереключениеДеформацияперпендикуляр (эпитаксиальныенымПоказанотеоретическинапряжения)импульсомэл. поляCo40Fe40B20/Pb(MМагнитнаяДеформацияПоказаноg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3анизотропия(эпитаксиальныеэкспериментальнонапряжения)FeGaB/PZN-ФерромагнитнДеформацияПоказаноPT(011)ый резонанс(эпитаксиальныеэкспериментальнонапряжения)(Cu/Ni)/BaTiO3ПерпендикулярДеформацияПоказаноная магнитная(эпитаксиальныеэкспериментальноанизотропиянапряжения)30Наряду с быстрым прогрессом в понимании физики мультиферроидныхгетероструктур,являетсяуправлениеперспективнымнамагниченностьюдляразвитияэлектрическимновыхпутейкполемсозданиюэнергоэффективных устройств памяти с высокой плотностью записи.

Какописано в работе [50], управление намагниченностью электрическим полемпосредством магнитоупругогоэффекта, эффектамодуляциизарядки,эффектов связи и ионной модуляции в мультиферроиках демонстрируютзначительное преимущество по сравнению с существующими механизмамиуправления магнитным состоянием.1.2.2. Магнитоэлектрические пленки и сверхрешетки как материалдля устройств микро- и наноэлектроники.Итак, основным свойством сверхрешеток, необходимым для созданияустройств на их основе, является магнитоэлектрическое взаимодействие.Объединив свойства намагничивания и спонтанной поляризации, можносоздать мультиферроидный туннельный переход с магнитоэлектрическойпленкой, в которой намагниченность управляется электрическим полем [55].Расчеты, проведенные в работе [55] и отражающие функционал Грина,показывают, что магнитная поляризация может включаться и выключатьсяэлектрическим полем из-за эффекта магнитострикции.Используя модель, включающую эффект спин-фильтра и экранированиеполяризационных зарядов, в работе [51] было создано восемь логическихсостояний туннельного сопротивления в туннельном переходе.

Былапредложена модель устройства (изображенная на рисунке 8), представляющаякомбинациюмультиферроидноготуннельногопереходасмагнитоэлектрической пленкой, в которой электрическое поле используется вкачестве альтернативного средства для управления магнитной конфигурациейМЭ пленки [56,57]. Расчеты показали, что большая магнитная поляризацияможет включаться и выключаться электрическим полем в мультиферроидныхнаноструктурах из-за эффекта магнитострикции. При рассмотрении общей31спинтронной модели MFTJs [58], был исследован эффект туннельногомагнитоэлектросопротивления между верхним и нижним электродами.Восемь логических состояний (проводимости) были получены с учетомэффектаспин-фильтра(СФ)[59,60]иэлектрическойполяризации(экранирование поляризационных зарядов между двумя электродами) [61].Длятого,чтобыполучитьвосемьлогическихсостоянийвмультиферроидном соединении (как показано на рисунке 8(а,б)), FM1 долженбыть фиксированным слоем (с фиксированной намагниченностью), а MF1должен включать сегнетоэлектрические и ферромагнитные доменныеструктуры и слабую связь между ними, в которых и намагниченность, иполяризациямогутнезависимокодироватьинформациюводноммультиферроидном бите.

Напротив, FM2 должен быть свободным слоем. Дляструктуры,изображеннойнарисунке8(а)MF2долженвключатьсегнетоэлектрическую и антиферромагнитную доменные структуры, и оченьсильную связь между ними, где антиферромагнитный порядок слабо зависитот умеренных внешних магнитных полей, но обеспечивает управлениемагнитной конфигурацией устройств спинтроники, посредством сильногообменного взаимодействия с соседней ферромагнитной пленкой (FM2).Однако в структуре, изображенной на рисунке 8(б) MF2 включаетсегнетоэлектрические и ферромагнитные доменные структуры и сильнуюсвязь между ними.

Магнитная конфигурация тонкой пленки FM2 (рисунок8(а)) или MF2 (рисунке 8(б)) может управляться электрическим полем черезслой ME материала MF2. Электрическое поле E индуцирует магнитныймомент M = βE, где β - тензор обратной восприимчивости МЭ.32Рисунок 8. Эскиз ячейки памяти с восемью логическими значениями.Информация, сохраняемая направлениями намагниченности (синяягоризонтальная стрелка) и поляризации (красная вертикальная стрелка)мультиферроидного слоя MF1 и ферромагнитного слоя FM2 (a), а такжемультиферроидного слоя MF1 и композитного слоя MF2 (b), считанногоСопротивление магнитного три слоя (R), записанного в MF1приложенным внешним полем и записанного в FM2 (a) или MF2 (b)путем приложения напряжения через слой MF2 (V) [55].Примером обратного МЭ эффекта являются антиферромагнитный Cr2O3имультиферроикBiFeO3[62].Доказательстваиндуцированногоэлектрическим полем ферромагнитного упорядочения были обнаружены вряде других материалов и структур: в столбчатых наноструктурах BiFeO3CoFe2O4 [62], La0,67Sr0,33MnO3/BaTiO3 [63], гексагональном HoMnO3[64],ErMn2O5.Вэтихмультиферроидныхматериалахсегнетоэлектрическаяполяризация возникает из-за относительных сдвигов отрицательных и33положительных ионов, а магнетизм связан с упорядочением спиновэлектронов в неполных ионных оболочках [55].

Физический механизмэффекта туннельного магнитоэлектросопротивления или восьми логическихсостоянийявляетсяследствиемкомбинацииспиновойфильтрациимультиферроидным барьером и влияния сегнетоэлектричества на туннельныесвойства.Расчеты, проведённые в работе [55], показали, что большая магнитнаяполяризацияможетпереключатьсяэлектрическимполемвмультиферроидных наноструктурах благодаря упругому взаимодействию.Рассматривая общую модель спинтронного туннелирования для MFTJ, былисследован эффект туннельного магнитоэлектрорезистивного взаимодействиямежду верхним и нижним электродами. Исследуя зависимость проводимостиот расщепления барьерного обмена, электрической поляризации и напряжениясмещения, можно утверждать, что эти модели устройств могут использоватьсявкачественосителейданныхвэнергонезависимыхзапоминающихустройствах с произвольным доступом.В работе [65] был показан концепт транзистора на основе квазисверхрешетки (рис.

9). Тонкопленочные транзисторы на основе прозрачныхоксидных полупроводников представляют собой новую технологию, котораяобещает революцию в электронике большой площади благодаря высокойподвижности носителей, оптической прозрачности, механической гибкости ивозможности низкотемпературной обработки. Подвижность электроновявляется наиболее важным показателем достоинства любой транзисторнойтехнологии и обычно зависит от внутренних свойств применяемогополупроводниковогоматериала.Этиквази-сверхрешеткисостоятизчередующихся слоев In2O3, Ga2O3 и ZnO. При этом было обнаружено, что,когда квази-сверхрешетки включены как активные каналы в транзистор,подвижность электронов повышается примерно на порядок, и перенос зарядастановится независимым от температуры. Уникальное сочетание недорогой34низкотемпературной обработки с исключительно высокой подвижностьюэлектроновпотребностьможетвпотенциальноудовлетворитьвысокоэффективныхвсевозрастающуютонкопленочныхтранзисторныхтехнологиях в широком спектре приложений, включающем также технологииоптических дисплеев сверхвысокого разрешения нового поколения.Рисунок 9.

Принципиальная схема транзистора со структурой металлдиэлектрик-полупроводник для анализа емкости и напряжения [65].1.3. Эпитаксиально напряженные полупроводниковые пленки итерагерцевые генераторы/антенны на их основе.Спектральныйдиапазонтерагерцевого(ТГц)электромагнитногоизлучения (0,1-10 ТГц), лежащий между микроволновой и оптическойобластями, представляет большой интерес, прежде всего, из-за того, что в этойполосеэлектромагнитногоспектранаходятсячастотынекоторыхэлементарных возбуждений в полупроводниках и диэлектриках [66–68], атакже вращательные и колебательные резонансы сложных, в том числебиологических, молекул [69–71].