Диссертация (Физические принципы магниторезистивной памяти с записью электрическим полем на основе нанослоя феррита висмута), страница 13

Суммарная энергия Гиббса мультиферроика,таким образом, равна6.2.Численноечисленноемоделированиеврамкахфеноменологической моделиБудем предполагать, что разворот вектора поляризации происходитквазистатически, и положение векторанаправлению векторапри заданных векторах, соответствующее текущему, можно найти путем минимизации выражения (6.4)и[115, 116].Как показано в работах [51, 52], для осуществления поворотанамагниченности ферромагнитного слоя на угол порядка π атомныеплоскостиBFO,граничащиесферромагнетиком,должныбытьскомпенсированными, то есть содержать одинаковое число атомов двухантиферромагнитных подрешеток.Моделированиепроводилосьдлясрезов(001)и(110)псевдокубической решетки BFO. Задание направления приложенного к слоюэлектрического поля и начального положения вектораопределялотраекторию разворота данного вектора и его конечное положение, чтопозволяло найти траекторию конца векторана единичной сфере впространстве направлений вектора антиферромагнетизма.

Направление105вектора слабого ферромагнетизма определяется векторным произведением. Вычисления проводились с помощью пакета Wolfram Mathematica длязначений,и.Срез (001)Будем прикладывать электрическое поле либо параллельно ребрупсевдокубической ячейки BFO (параллельно и перпендикулярно срезу), либовдоль диагонали грани этой ячейки в плоскости среза. Если электрическоеполе образует острый угол с начальным положением вектора поляризации, вкотором он параллелен одному из направлений типа [111], то ориентациявектораявляется оптимальной. В противном случае происходит разворотвектора поляризации под действием электрического поля.

Пусть луч ОА,проведенныйизцентранаправлении вектораЕсливекторячейкивдольисходного, проходит через вершину А этой ячейки (рис. 6.1).напряженностипараллелен направлениювекторапсевдокубическойприложенного, то луч Oэлектрическогополязадает конечное направление(имеет место его разворот на 71°), а его эволюция в процессепереполяризации происходит таким образом, чтобы луч, задающий егомгновенное направление, последовательно пересекал точки отрезка(рис. 6.1).Если же векторнаправление векторапараллелен направлениюсоответствует лучу O, то конечное(происходит его разворот на109°), а его эволюцию в процессе переполяризации можно представить какпоследовательные развороты из положения ОА в положение OB, а затем изположения OB в положение OC (рис.

6.2).Результаты расчетов для данного среза приведены в таблице 6.1.106ECBDAOC’D’B’A’Рисунок 6.1 – Разворот вектора поляризации под действием электрическогополя, приложенного параллельно ребру псевдокубической решетки BFO107Рисунок 6.2 – Разворот вектора поляризации под действием электрическогополя, приложенного параллельно диагонали грани псевдокубическойрешетки BFOТаблица 6.1 – Срез (001)№ Виддеформации1 Сжатие2Сжатие3Сжатие4Растяжение5Растяжение6РастяжениеНаправление эл.поляИсходноенаправление вектора PВ плоскости слоя,[111]параллельно [ ̅ 00]В плоскости слоя,[111]параллельно [ ̅ ̅ 0]Перпендикулярно[111]слою, параллельно[ ̅]В плоскости слоя,[111]параллельно [ ̅ 00]Конечноенаправление вектора P[ ̅ 11]Исходноенаправление вектора L[ ̅ ̅ 2]Конечноенаправление вектора L[ ̅ 2]ИсходноеКонечноенаправлени направление вектора M е вектора M[110][1 ̅ 0][ ̅ ̅ 1][ ̅ ̅ 2][2][1 ̅ 0][ ̅ 10][11 ̅ ][ ̅ ̅ 2][112][1 ̅ 0][1 ̅ 0][ ̅ 11][ ̅ 10][ ̅ ̅ 0][ ̅ ̅ 2][ ̅ 2]В плоскости слоя,параллельно [ ̅ ̅ 0][111][ ̅ ̅ 1][ ̅ 10][ ̅ 0][ ̅ ̅ 2][Перпендикулярнослою, параллельно[ ̅][111][11 ̅ ][1 ̅ 0][1 ̅ 0][11 ̅ ][̅ ̅ ̅]2]108109Легко видеть, что в случае упруго сжатого слоя приложениеперпендикулярного поля не сопровождается разворотом вектора M.

Аименно параллельно ему направлена поверхностная намагниченность BFO,обусловленная обменным взаимодействием с ферромагнетиком при спинфлоп ориентации магнитных параметров порядка на границе раздела [53,117]. Из этого следует, что такое сочетание «срез-деформация-направлениеполя» не приведет к переключению намагниченности ферромагнитного слоя.Прикладывая электрическое поле параллельно ребру и диагонали гранив плоскости упруго сжатого слоя, можно развернуть вектор M, лежащий вплоскости слоя, на 90° и 180° соответственно.

Именно такая ориентация былапредложена для создания MERAM в работе [51]. Типичная траектория концавекторана единичной сфере для случая 90° разворота вектора Mизображена на рис. 6.3. Поскольку в крайних положениях векторавыражение, стоящее в скобках в правой части формулы (2), равно ½ и независит от ориентации вектора , то значениевлияет на форму траектории,но не на положение ее концов.В случае упруго растянутого слоя приложение электрического поля вплоскости слоя также переключает латеральную составляющую вектора M на90° и 180°, однако составляющая, перпендикулярная слою, остается при этомнеизменной.Этонаправлениеполя»делаетнетакуюсамойконфигурациюперспективной.«срез-деформацияПриложениеполяперпендикулярно слою, как видно из таблицы, оставляет неизменным векторL, переключает на 180° латеральную составляющую вектора M, но оставляетнеизменной перпендикулярную слою компоненту этого вектора.

Последнийнедостатоккомпенсируетсяперпендикулярного слою напряжения.возможностьюиспользования110Рисунок 6.3 – Траектория конца вектора на единичной сфере.Конфигурация, соответствующая первой строке таблицы 6.1 и α=1; β=γ=0.01Срез (110)В данном случае электрическое поле прикладывалось перпендикулярнослою параллельно направлению [ ̅ ̅ ] и в плоскости слоя параллельнонаправлениям [00 ̅ ] и [ ̅ ]. Результаты моделирования приведены в таблице6.2.

В случаях, соответствующих строкам таблицы 1, 2, 7 и 8, не происходитповорота вектора M, и они не представляют интереса для созданиямагнитной памяти.Таблица 6.2 – Срез (110)№ ВидНаправлениедеформаци поля1Сжатие2Сжатие3Сжатие4Сжатие5Растяжение6Растяжение7Растяжение8Растяжениеэл. ИсходноеКонечноеИсходноеКонечноеИсходноеКонечноенаправление направление направление направление направление направлениевектора Pвектора Pвектора Lвектора Lвектора M вектора MВ плоскости слоя,[111][11 ̅ ][11 ̅ ][̅ ̅ ̅][ ̅ 10][ ̅ 10]̅параллельно [00 ]Перпендикулярно[111][112][̅ ̅ ][11 ̅ ][ ̅ 10][ ̅ 10]слою, параллельно[̅ ̅ ]В плоскости слоя,[110][110][ ̅ 11][̅1̅][̅ ̅][ ̅ ̅]параллельно [00 ̅ ]В плоскости слоя,[110][110][ ̅ 11][1 ̅ 1][̅ ̅][̅̅параллельно []В плоскости слоя,[111][11 ̅ ][ ̅ ][ ̅ ][11 ̅ ][̅ ̅ ̅]̅параллельно [00 ]Перпендикулярно[111][112][̅ ̅ ][1 ̅ 0][1 ̅ 0][11 ̅ ]слою, параллельно[̅ ̅ ]В плоскости слоя,[ ̅ 11][̅1̅][̅ ̅][ ̅ ̅][̅ ̅ ][̅ ̅ ]̅параллельно [00 ]В плоскости слоя,[ ̅ 11][1 ̅ 1][̅ ̅][̅ ][̅ ̅ ][̅ ̅ ]̅параллельно []111112В случае упруго сжатого слоя и поля, приложенного в плоскости слоя,вектор L остается неизменным и перпендикулярным слою, а вектор M,лежащий в плоскости слоя, разворачивается на 71° или 109° в зависимости отнаправления поля.В случае упруго растянутого слоя приложение поля в плоскости слоявдоль направления [00 ̅ ] изменяет знак перпендикулярной составляющейвектора M, оставляя латеральную составляющую неизменной.

Такаяконфигурация«срез-деформация-направление поля» перспективна длясоздания памяти с перпендикулярной записью, то есть с намагниченностямиферромагнитных слоев туннельного соединения, перпендикулярными слоям.Если же поле приложено перпендикулярно слою, то, как и в случае среза(001), при неизменных векторе L и перпендикулярной составляющей вектораM, происходит разворот на 180° латеральной составляющей вектора M. Наперспективность данной конфигурации было обращено внимание в недавнейработе [69].6.3.Теоретическиерекомендациидлясозданияпрототиповмагниторезистивной памяти нового поколенияКонфигурации«срез-деформация-направлениеполя»,наиболееперспективные для создания MERAM:дляпродольнойзаписисприложениемэлектрическогонапряжения в плоскости слоя наиболее предпочтительны конфигурацииуказанные в строках 1 и 2 таблицы 6.1;длянапряженияпродольнойзаписиперпендикулярносприложениемэлектрическогослоюперспективныконфигурации,соответствующие строкам 6 в таблицах 6.1 и 6.2;для перпендикулярной записи с приложением электрическогонапряжения в плоскости слоя оптимальна конфигурация, приведенная встроке 5 таблицы 6.2.113ЗАКЛЮЧЕНИЕПроведенодетальноетеоретическоеисследованиеразличныхмеханизмов переключения ферромагнитных слоев, входящих в составмагниторезистивной памяти нового поколения с записью электрическимполем.

Прогресс в создании таких устройств идет по несколькимнаправлениям. В рамках данной работы были определены наиболееперспективные пути для создания реальных прототипов устройств, а такжеотмечены существенные недостатки популярных подходов.Одним из примеров являются устройства памяти с двумя легкимиосями в плоскости слоя, наличие которых обусловлено кристаллическойсимметрией.

Они имеют ограничение снизу на размер бита порядка 100 нм,что позволяет отнести это направление к менее перспективным. Введениедополнительного одноосного вклада в энергию анизотропии не приводит кувеличению энергетического барьера между двумя состояниями, а наоборотуменьшает его.Значение минимального объема для единственного из рассмотренныхматериалов (CoFe2O4), который удовлетворяет условию существованиябистабильности в случае выхода намагниченности из плоскости слоя, несильно отличается от такового для железа в случае двух легких осей вплоскости слоя. С учетом неметаллического поведения феррита кобальта ивозникающих вследствие этого технологических трудностей, можно сделатьвывод о неперспективности устройств памяти на основе бистабильности свыходом намагниченности из плоскости слоя.К перспективным направлениям для создания магниторезистивнойпамяти, переключаемой электрическим полем, можно отнести память,основанную на обменном взаимодействии между ферромагнитным слоем ислоем мультиферроика BiFeO3 [11, 52, 53], а также память, основанную наупругом взаимодействии между ферромагнетиком и слоем сегнетоэлектрика-114сегнетоэластика (память «на длинной ноге» [86]), в которой направлениенамагниченностиферромагнитногослояопределяетсянаправлениемдеформации электрочувствительного слоя в отсутствие электрического поля.В диссертационной работе впервые показано, что угол скосанамагниченностейподрешеток,обусловленныйвзаимодействиемДзялошинского-Мория, вблизи поверхности кристалла отличается от своегообъемного значения.

Отличия максимальны на поверхности и, осциллируя,экспоненциальноспадаюткомпенсированноговсрезаглубьониобразца.убываютбыстрее,некомпенсированного.ХарактерныйискаженийнекомпенсированноговслучаеПричемчемпространственныйсрезавслучаевслучаеразмерпорядкаспадатолщиныблоховской доменной стенки в данном материале, а для компенсированногосрезапорядка межатомного расстояния.Важнейшимрезультатомдиссертацииявляетсяпредставленнаявпервые теория, описывающая механизм межслойного взаимодействия, вустройствахнаПеремагничиваниеосновеслояслоямультиферроикаферромагнетикавферритасистемевисмута.ферромагнетик-мультиферроик определяется обменным взаимодействием. Электрическоеполе приводит к развороту вектора поляризации и связанного с ним вектораантиферромагнетизма в слое мультиферроика, что, в свою очередь, приводитк развороту намагниченности ферромагнитного слоя на 90º за счет обменноговзаимодействия на границе раздела ферромагнетик-мультиферроик.Наличиеслабогоферромагнетизмаилинейногомагнитоэлектрического эффекта не является необходимым для реализациимагниторезистивнойпамятинаосновенанослоямультиферроика,переключаемой электрическим полем.