Диссертация (Физические принципы магниторезистивной памяти с записью электрическим полем на основе нанослоя феррита висмута), страница 11

На вставке показано направлениеспонтанной поляризации. MTJ - магнитный туннельный переход874.5. Условие переключения намагниченности ферромагнитногонанослояэлектрическимполем,приложеннымкнанослоюмультиферроикаСравним энергию взаимодействия слоев с потенциальным барьером,создаваемым энергией анизотропии ферромагнетика для разворота егонамагниченности в плоскости (001) на угол 90º. Энергия анизотропии имеетвидСгде С– константа анизотропии,ферромагнетика, а– число плоскостей в слое– угол между намагниченностью и легкой осью.Оси трудного намагничивания ориентированы вдоль направлений типа[100].Величинапотенциальногобарьера,создаваемогоэнергиейанизотропии, равнаОтсюдаследуетферромагнитногослояусловиевпереключенияплоскости(001)магнитногоэлектрическиммоментаполем,приложенным к слою мультиферроика:||(|√)|{||}При подстановке констант из таблицы 1 в неравенство (4.43) получимограничение сверху на максимальное количество атомных плоскостей:Уточненное с помощью численного счета неравенство имеет вид260.Полученное условие соответствует максимально допустимой толщине слояCoFe, при которой еще возможно переключение, в 100 нм.88Данная оценка показывает, что создание прототипов MERAM на основеслоя мультиферроика является вполне осуществимой задачей для технологов.4.6.

Оценка минимального латерального размера битаСуществует принципиальное ограничение на размер бита, связанное сналичием суперпарамагнитного предела: величина энергетического барьерамежду двумя состояниями, используемыми для записи «нуля» и «единицы»должна превосходить 70kBT~2 eV (здесь kB – постоянная Больцмана, а T –абсолютная температура). Данное ограничение определяет перспективностьсоздания магниторезистивной памяти на том или ином принципе, посколькуот него напрямую зависит возможность дальнейшей миниатюризации иувеличения плотности записи информации.Величина модуля полной энергии взаимодействия слоев, котораяопределяется выражениями (4.21)-(4.26), превосходит 70kBT при количествеячеек в плоскости разделаОтсюда получаем оценку для латерального размера устройства√Таким образом, MERAM на основе обменного взаимодействии междуслоем ферромагнетика и компенсированным срезом BiFeO3 имеет большиеперспективы дальнейшей миниатюризации, чем память с использованиемупругого взаимодействия слоев.4.7.

Итоги четвертой главыЗначения углов разворота спинов на компенсированной границераздела ферромагнетик-мультиферроик при сравнимых значениях обменных89интегралов межслойного и внутрислойного взаимодействий не малы, каксчиталось ранее, а составляют величину порядка π/2.Изученвкладупругоговзаимодействиявполнуюэнергиювзаимодействия ферромагнитного нанослоя с нанослоем мультиферроикаBiFeO3 и показано, что он составляет менее 10%, а основной вклад в энергиюобусловлен обменным взаимодействием.Продемонстрировано, что наличие магнитоэлектрического эффекта ислабого ферромагнетизма не являются необходимыми условиями длясоздания магниторезистивной памяти, переключаемой электрическим полемСформулированоусловиепереключениянамагниченностиферромагнитного слоя электрическим полем, приложенным к слоюмультиферроика.Предложена принципиальная схема ячейки MERAM на основеэлектрочувствительного слоя феррита висмута.

Показано, что если записьоснована на обменном взаимодействии между слоем ферромагнетика иэлектрочувствительным слоем, то минимальный латеральный размер битатакой памяти составляет 7 нм, что позволяет говорить о перспективностиданного вида MERAM.90Глава V. ОБМЕННАЯ СВЯЗЬ НАНОСЛОЯ МУЛЬТИФЕРРОИКАBiFeO3 С НАНОСЛОЕМ ФЕРРОМАГНЕТИКА Co0,9Fe0,1Данная глава посвящена исследованию наноструктуры CoFe/BiFeO3,которая перспективна для устройств с энергоэффективным переключениемнамагниченности электрическим полем. Такая структура может являтьсяосновой устройства магниторезистивной памяти нового поколения с записьюэлектрическим полем (MERAM).

Предполагается, что запись информацииосуществляетсявслоевзаимодействиясмультиферроикаBiFeO3.мягкогоферромагнетикасоседствующимНесмотряCoFeпосредствомэлектрочувствительнымнасуществованиеслоемдостаточногоколичества экспериментальных подтверждений возможности переключениянамагниченности в данной наноструктуре [32, 62, 65, 68], механизмвзаимодействия слоев и характер магнитного упорядочения вблизи границыраздела слоев в этих работах не были рассмотрены.Ранее рассматривалась граница раздела мультифеероика BiFeO3 игипотетического ферромагнетика в предположении, что его кристаллическаярешеткапродолжаетрешеткумультиферроикаиявляетсяпростойкубической. Было показано, что перемагничивание слоя ферромагнетикаопределяется обменным взаимодействием.

Данная модель дает правильнуюкачественную картину взаимодействия слоев и искажений магнитныхпараметровпорядкавблизиграницыихраздела.ГраницаразделаCoFe/BiFeO3 имеет более сложную структуру. Из эксперимента [32] следует,что слой CoFe является аморфно-нанокристаллическим. Упорядоченноесоединение Co0,9Fe0,1 имеет объемноцентрированную кристаллическуюрешетку [113] с параметром ячейки 2,81 Å, при этом псевдокубическаяячейка перовскита BiFeO3 [35] характеризуется параметром решетки 3,965 Åи углом, описывающим ромбоэдрические искажения вдоль направления[111], равным 89,4º.91В этой главе проведен расчет величин искажений магнитныхпараметров порядка вблизи границы раздела и энергии обменноговзаимодействия слоев для двух возможных вариантов роста нанослоя CoFeна BiFeO3 с учетом согласования параметров решеток этих материалов.5.1 Магнитная структура границы разделаРассмотрим дискретную решетку спинов для системы ферромагнетикмультиферроикпритемпературеTиT,когдамодулилокализованных спинов можно считать неизменными.

Пронумеруем атомныеплоскости,параллельныеграницераздела,индексамиiиjдлямультиферроика и ферромагнетика соответственно, начиная с поверхности.Возможны два варианта согласования кристаллических решетокмультиферроика BiFeO3 и ферромагнетика Co0,9Fe0,1, обеспечивающихквазиэпитаксиальный рост ферромагнитного слоя. В обоих случаях ребраграни (001) ОЦК решетки CoFe параллельны диагоналям грани (001)псевдокубической решетки BiFeO3.

Именно такая ориентация обеспечиваетминимальноесоединений,рассогласованиеравное0,2%.псевдокубическихАтомыжелеза,решетокуказанныхпринадлежащиедвумантиферромагнитным подрешеткам BiFeO3, обозначены белым и чернымцветом (рис. 5.1).Вариант 1В первом случае одна из диагоналей грани (001) ОЦК решетки CoFeрасположена строго над ребром грани (001) псевдокубической подрешеткижелеза в BiFeO3 (рис.5.1). В первой атомной плоскости CoFe можновыделить три подрешетки. Атомы первых двух из них расположены строгонад атомами соответствующих антиферромагнитных подрешеток BiFeO3 иизображены кружками белого и черного цвета меньшего, чем атомы BiFeO3,диаметра.92Рисунок 5.1 – Изображение границы раздела нанослоев CoFe/BiFeO3 дляпервого варианта согласования кристаллических решетокОбменноевзаимодействиеантиферромагнетикаприводитмеждукспинамидополнительномуферроскосуиспиновантиферромагнетика и возникновению в антиферромагнетике вблизиграницы раздела наведенного ферромагнитного момента.

Аналогично вферромагнетике в результате отклонений спинов возникает наведенныйантиферромагнитный момент. Отклонения магнитных моментов атомовмультиферроика от направлений [ 1 12 ] и [112 ] и магнитных моментов93атомов ферромагнетика от направления [ 1 10 ] происходят в плоскостях (111)и задаются угламиисоответственно.Атомы третей подрешетки ферромагнетика изображены серым цветом.Они, а также атомы атомной плоскости ферромагнетика с j=2 имеют в своемокружении одинаковое число соседей, принадлежащих к первой и второйподрешетке ферромагнетика (либо мультиферроика).Поэтому минимумуобменной энергии будет отвечать направление их магнитных моментов,отвечающее биссектрисе угла между векторами намагниченностей первой ивторой подрешеток первой атомной плоскости CoFe, то есть направление[1 10 ].

Такое же направление будут иметь магнитные моменты последующихатомныхплоскостейферромагнетика.Такимобразом,искаженияферромагнитного параметра порядка имеют место только в первой атомнойплоскости.Вариант 2Во втором случае проекция нижней грани элементарной ячейки CoFeна плоскость (001) вписывается в верхнюю грань псевдокубическойподрешетки железа в BiFeO3 (рис. 5.2).

При этом каждый атом первойатомной плоскости CoFe имеет в своем окружении одинаковое число атомов,принадлежащих к первой и второй антиферромагнитной подрешеткемультиферроика BiFeO3. Поэтому магнитные моменты всех атомов CoFeпараллельны направлению [1 10 ], магнитных искажений в ферромагнетикене возникает, и антиферромагнитный параметр порядка в нем не наводится.При этом обменное поле ферромагнитного слоя приводит к дополнительномускосу намагниченностей антиферромагнитных подрешеток мультиферроика,в котором возникает наведенный ферромагнитный параметр порядка, как и впредыдущем случае.94Рисунок 5.2 – Изображение границы раздела нанослоев CoFe/BiFeO3 длявторого варианта согласования кристаллических решеток5.2 Энергия взаимодействия слоевВариант 1Пусть обменные интегралы,иописывают обменныевзаимодействия соседних спинов ферромагнетика, мультиферроика и спиновразных слоев на границе раздела соответственно.95Выражение для энергии обменного взаимодействия на границеферромагнетик-мультиферроик имеет вид (4.1), где.Энергия обменного взаимодействия в слое ферромагнетика равна:гдеИзбыточная энергия антиферромагнетика, связанная с разворотомспинов, при малых углах разворота была рассчитана в работе [58]:||√ .