Диссертация (Физические принципы магниторезистивной памяти с записью электрическим полем на основе нанослоя феррита висмута)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА)На правах рукописиВинокуров Дмитрий ЛеонидовичФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОЙПАМЯТИ С ЗАПИСЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НАОСНОВЕ НАНОСЛОЯ ФЕРРИТА ВИСМУТАСпециальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронныекомпоненты, микро- и нано- электроника, приборы на квантовых эффектахдиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Морозов Александр Игоревич,доктор физико-математических наук,профессор кафедры общей физикиМосковского физико-технического института(государственного университета)Научный консультант:Фетисов Юрий Константиновичдоктор физико-математических наук, директорНОЦ «Магнитоэлектрические материалы и устройства»Московского технологического университета (МИРЭА)Москва – 20162СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4ГлаваI.СУЩЕСТВУЮЩИЕПРЕДСТАВЛЕНИЯОМАГНИТОРЕЗИСТИВНОЙ ПАМЯТИ (обзор) ................................................11ГлаваII.БИСТАБИЛЬНОЕСОСТОЯНИЕВМАГНИТНЫХНАНОСТРУКТУРАХ...........................................................................................422.1.

Две легкие оси в плоскости слоя........................................................422.2. Переход намагниченности между положением в плоскости слоя иперпендикулярным к слою направлением..........................................................492.3. Итоги второй главы..............................................................................53Глава III. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ПАРАМЕТРА ПОРЯДКА ВМУЛЬТИФЕРРОИКЕ – СЛАБОМ ФЕРРОМАГНЕТИКЕ................................543.1.

Гладкая некомпенсированная поверхность полубесконечногообразца....................................................................................................................543.2.Гладкаякомпенсированнаяповерхностьполубесконечногообразца....................................................................................................................593.3. Итоги третьей главы.............................................................................61ГлаваIV.ДВУХСЛОЙНАЯНАНОСТРУКТУРАФЕРРОМАГНЕТИК-МУЛЬТИФЕРРОИК..............................................................................................634.1.

Поверхностные искажения и энергия взаимодействия магнитныхпараметров порядка в системе ферромагнетик-мультиферроик......................644.2.Численноемоделированиемагнитнойструктурыкомпенсированной границы раздела ферромагнетик-мультиферроик…........724.3. Магнитоупругое взаимодействие в системе ферромагнетикмультиферроик......................................................................................................794.4.ПринципустройстваMERAMнаосновеобменноговзаимодействия со слоем мультиферроика.........................................................8534.5.Условиенанослояпереключенияэлектрическимнамагниченностиполем,приложеннымферромагнитногокнанослоюмультиферроика.....................................................................................................874.6.

Оценка минимального латерального размера бита...........................884.7. Итоги четвертой главы.........................................................................88Глава V. ОБМЕННАЯ СВЯЗЬ НАНОСЛОЯ МУЛЬТИФЕРРОИКА BiFeO3 СНАНОСЛОЕМ ФЕРРОМАГНЕТИКА Co0,9Fe0,1................................................905.1. Магнитная структура границы раздела..............................................915.2.

Энергия взаимодействия слоев...........................................................945.3. Численное моделирование параметров порядка вблизи границыраздела слоев..........................................................................................................965.4. Обменный и магнитоупругий вклад в энергию взаимодействияслоев........................................................................................................................995.5. Итоги пятой главы..............................................................................101ГлаваVI.ЭВОЛЮЦИЯВЕКТОРААНТИФЕРРОМАГНЕТИЗМАМУЛЬТИФЕРРОИКА BiFeO3 В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЕГОСЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ............................................1026.1.

Модель для энергии магнитной анизотропии.................................1036.2.Численноемоделированиеврамкахфеноменологическоймодели...................................................................................................................1046.3.Теоретическиерекомендациидлясозданияпрототиповмагниторезистивной памяти нового поколения..............................................112ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................113ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................1164ВВЕДЕНИЕАктуальность темыБлагодарясвоимуникальнымособенностям,многослойныенаноструктуры нашли широкое применение в устройствах магнитногохранения информации.

В частности, многослойные пленки с эффектамигигантского и туннельного магнетосопротивления используются в качествесенсоров в считывающих головках жестких магнитных носителей (дисков).Использование таких сенсоров позволило увеличить плотность записиинформации до 740 Гбит на квадратный дюйм и создать устройства памятиемкостью до 4 Тбайт. Одним из основных факторов, определяющихмагнитные свойства многослойной наноструктуры, является модификациямагнитного упорядочения слоев, обусловленная межслойным магнитнымвзаимодействием.Повышенный интерес к наноструктуре с электрочувствительным слоемферрита висмута обусловлен перспективой создания устройства памятиновогопоколения,функционирующегоприкомнатнойтемпературе:магниторезистивной памяти с записью электрическим полем (MERAM).Основная идея MERAM состоит в отказе от использования электрическихтоков в процессе записи и переход на запись электрическим полем. Такоеустройство сможет заменить большинство существующих устройств памятиввиду его явных преимуществ: быстродействия, энергонезависимости,малогопотребленияинформации,энергии,радиационнойнеограниченногостойкостиивременивозможностихранениядальнейшейминиатюризации.Создание прототипов устройств MERAM, рассчитанных на широкоеприменение, осложнено рядом нерешенных вопросов теории многослойныхмагнитных наноструктур.

Они связаны с усложнением задач о механизмевзаимодействия параметров порядка в многослойных наноструктурах приучете влияния границ раздела слоев и поверхностных свойств отдельных5материалов. Именно механизм взаимодействия, в конечном счете, определяетфункциональность таких устройств памяти. Часто информация о структуреграниц раздела очень ограничена, что может привести к неправильнойинтерпретации экспериментальных данных о свойствах многослойныхструктур.Посколькувнанослояхповерхностныеявленияиграютпервостепенную роль, их исследование, наряду с фундаментальным,представляет и существенный прикладной интерес.В литературе присутствует информация о ряде попыток созданияMERAM, однако систематизированная информация по данному вопросуотсутствует. Это, в конечном счете, приводит к тому, что экспериментальныепрототипы не выходят за рамки исследовательских лабораторий, ни о какойкоммерциализации и внедрении технологий говорить не приходится.Цель и задачи работыПеречисленные проблемы, возникающие при создании MERAM,определили направление исследований данной работы.

Оно нацелено нарасширениетеоретическихпредставленийомагнитоэлектрическихвзаимодействиях в магнитных наноструктурах. Целью работы являетсятеоретическое исследование механизма взаимодействия между слоем длязаписи информации и электрочувствительным слоем, а также теоретическоеобоснование путей создания магниторезистивной памяти с записьюэлектрическим полем.Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:рассмотреть влияние поверхности на магнитную структуру тонкихпленок мультиферроика со слабым ферромагнетизмом;найти конфигурацию магнитных параметров вблизи границы разделавзаимодействующих слоев;получить выражение для энергии межслойного взаимодействия;определить относительную и абсолютную величину вкладов обменного иупругого взаимодействий в энергию межслойного взаимодействия;6провестианализнамагниченностиисформулироватьферромагнитногослояусловияпереключенияэлектрическимполем,приложенным к слою феррита висмута;получить ограничения на размеры ячейки магниторезистивной памяти,связанные с существованием суперпарамагнитного предела;исследовать условия существования бистабильного состояния вферромагнитном слое записи информации;исследовать эволюцию магнитных параметров порядка в процессепереключениясегнетоэлектрическойполяризацииферритависмутаэлектрическим полем;сформулировать теоретические рекомендации для разработчиковтехнологииустройствMERAM:оптимальныевариантысрезаэлектрочувствительного слоя феррита висмута, деформации, созданнойподложкой, и направления приложения электрического поля.Методы исследованияРешение поставленных задач осуществлялось с использованиемсовременных методов теоретической физики.

В линейном приближениирасчет искажений магнитных параметров порядка слоев, вызванныхмежслойным обменным взаимодействием на границе раздела феррит висмута– ферромагнитный слой, а также расчет энергии взаимодействия слоевпроводились аналитическими методами в рамках теории среднего поля. Привыходезарамкилинейногоприближенияиспользоваласьсистемасимвольных вычислений Maplesoft Maple 15, в которой проводилосьчисленное моделирование. Методом численного моделирования в рамкахпредложеннойанизотропиифеноменологическойисследованамультиферроикавэволюцияпроцессеполяризации электрическим полем.моделидлямагнитныхпереключенияэнергиимагнитнойпараметровпорядкасегнетоэлектрической7Научная новизнаНаучная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:Исследовановлияниеповерхностинаскосподрешетокдвухподрешеточного антиферромагнетика, обусловленный взаимодействиемДзялошинского-Мория.