Диссертация (Физические принципы магниторезистивной памяти с записью электрическим полем на основе нанослоя феррита висмута), страница 7

То есть для слоятолщиной 2 нм его размеры в плоскости слоя должны превосходить 100 нм.Это неудобно по двум причинам: во-первых, существует принципиальноеограничение на уменьшение размеров бита, а, во-вторых, указанныелатеральные размеры уже выходят за границы области существованиямонодоменного состояния в отдельном бите.Рассмотрим возможные пути увеличения энергетического барьерамежду двумя состояниями в плоскости слоя.а) Одноосная анизотропияПредположим, что для слоя ферромагнетика помимо кубическойанизотропии существует также одноосная анизотропия, связанная либо санизотропией формы, либо с деформацией подложки.Выражениедлясуммарнойферромагнитного слоя имеет видудельнойэнергиианизотропии46гдеи– константы одноосной и кубической анизотропиисоответственно, а- угол между намагниченностью и первой легкой осью вплоскости слоя.Сильная одноосная анизотропия вообще устраняет вторую легкую ось,соответствующуюона возникает только в случаеБудем считать, что условие (2.2) выполнено.

В присутствии однооснойанизотропии минимум энергии, отвечающей одной легкой осистановится более глубоким, чем в отсутствие одноосного вклада, в то времякак минимум, отвечающий второй легкой оси, - менее глубоким.Разность энергий анизотропии между максимумом и менее глубокимминимумом равнаВ случае отсутствия одноосного вклада (Таким образом, одноосный вклад в энергию анизотропии не можетуменьшить минимальную величину объема слоя, которая находится изусловияВеличиныминимальныхобъемов,рассчитанныедлярядаперспективных материалов, приведены в таблице 2.1. В качестве параметровматериалов использованы значения приведенные в работах [72, 76].b) Учет магнитоупругого взаимодействияВ предшествующем разделе мы рассматривали ферромагнитный слойна жесткой подложке, препятствующей его деформации вследствиемагнитоупругого взаимодействия.

Сейчас мы рассмотрим свободный слой,понимая,чтореальноминимальныйобъемотвечаетзначению,расположенному между значениями для зажатого и свободного слоев.47Таблица 2.1 – Параметры различных магнитных материаловМатериалПараметрFeCoFe2O4NiFe3O4, ГПа229286246,5273, ГПа134173147,3106, ГПа11597124,797,⁄–3,431009,24,88,⁄7,831010,25173,54,854,782450–2,3–52,41,225122482–2,2–52,40,702712⁄,,⁄, 104,̃⁄, 104В общем виде энергия анизотропии кубического кристалла имеет вид[99]где– направляющие косинусы вектора намагниченности.Магнитоупругая энергия и упругая энергия кристалла имеют вид [100,101])где– компоненты тензора деформации,магнитоупругие коэффициенты.– упругие модули, а Bi –48Выражение для полной энергии ферромагнитного слоя можно записатькакБудем считать, что за счет влияния размагничивающего полямагнитный момент не выходит из плоскости слоя икомпонента вектора намагниченности,аТогда.Все компоненты тензора деформации можно найти из условияминимума энергииНайденные ненулевые компоненты тензора деформацииПосле подстановкив выражении (2.8), последнее принимает вид(Константа)кубическойанизотропиисучетоммагнитоупругоговзаимодействия равна выражению в первых скобках в правой частивыражения(2.14).Значенияминимального объема ̃приведены в таблице 2.1.константыкубическойанизотропиии, полученные с учетом упругой релаксации,49Легко видеть, что существенное изменение минимального объемавследствие учета магнитоупругого взаимодействия происходит только вферрите кобальта.

Следует отметить, что имеющий наименьшее значениеминимального объема феррит кобальта, вследствие его неметаллическогохарактера, не используется в качестве составной части магнитноготуннельного соединения.2.2. Переход намагниченности между положением в плоскости слояи перпендикулярным к слою направлениемa) Зажатый слойВработах[72, 76]рассмотреноявлениепереориентациинамагниченности магнитоупругого ферромагнитного слоя от направления,лежащего в плоскости слоя, к направлению, перпендикулярному плоскостислоя, под действием электрического поля, которое прикладывалось ксоседнему электрочувствительному слою пьезоэлектрика.

Однако вопрос осуществованиипотенциала,двухлокальныхсоответствующихминимумовданнымтермодинамическогонаправлениям,вотсутствиеэлектрического поля в статьях [72, 76] не рассматривался. Изучимвозможность существования бистабильного состояния в данной геометрии.Учтем влияние размагничивающего поля путем введения в выражениедля полной энергии ферромагнитного слоя (2.8) энергии анизотропии формыв виде [99]где– магнитная постоянная,– намагниченность насыщения.Будем считать, что угол отклонения вектора намагниченности отлегкого направления лежит в плоскости (xz) ивектора намагниченности,аТогда компонента.50Пусть слой ферромагнетика граничит с жесткой подложкой икомпоненты вектора смещения.

Тогда из шести различныхкомпонент тензора деформации только две оказываются не равными нулю.Выражение для полной энергии ферромагнитного слоя принимает видОставшиеся две компоненты тензора деформации можно найти из условияминимума энергии (2.9) применительно к выражению (2.16).Найденные ненулевые компоненты тензора деформацииПослеподстановкидеформации вполученныхзначенийкомпоненттензоралегко получаем условие существования двух указанныхминимумов:| ||⁄⁄⁄|Зависимость полной энергии ферромагнитного слоя (2.16) от направлениявектора намагниченности для различных значенийПри приближении значенияизображена на рис.

2.4.к нулю, величина удельного энергетическогобарьера стремится к своему максимальному значению.Результат вычисления параметрадля наиболее распространенныхферромагнитных материалов представлен в таблице 2.2.Условие (2.19) выполняется только для феррита кобальта, что означаетсуществование бистабильного состояния в данном материале. При этомзначение удельного энергетического барьера в слое CoFe2O4 составляет7,1·103⁄, а минимальный объем равен 4·104 нм3.51Рисунок 2.4 – Зависимость полной энергии ферромагнитного слоя отнаправления вектора намагниченности для различных значений : = 0.5 (a),= 0.25 (b), = 0 (c), = –0.25 (d) и = –0.5 (e).

Введено обозначение:[( )]⁄⁄52Таблица 2.2 – Значение параметра, определяющего наличие бистабильности,для различных магнитных материаловМатериалFeCoFe2O4Ni190,25–16–7,0190,2–18–7,2̃a) Свободный слойВ случае свободного слоя все шесть различных компонент тензорадеформации находятся из условия минимума энергии (2.9). Найденныененулевые компоненты тензора деформацииВыражение для полной энергии ферромагнитного слоя представляетсяаналогично предыдущему случаю какПосле подстановки компонент тензора деформации влегкополучаем условие существования двух указанных минимумов| ̃||Значения параметра⁄⁄|̃ приведены в таблице 2.2. Величина удельногоэнергетического барьера в свободном слое CoFe2O4 составляет 1,6·104⁄, а минимальный объем равен 1,8·104 нм3.532.3. Итоги второй главыОценкаминимальногообъема,соответствующегосуперпарамагнитному пределу, для ферромагнетиков с бистабильнымсостоянием в плоскости слоя показало, что вследствие малой величиныкубической анизотропии минимальный объем ферромагнитного слоя,входящего в MERAM, составляет величину порядка 104ограничению, что приводит кснизу на латеральный размер бита порядка 100 нм.

Учетмагнитоупругого взаимодействия не изменяет ситуацию, а введениеодноосной составляющей анизотропии только ухудшает ее.Условиюсуществованиябистабильностисоднимсостояниемнамагниченности в плоскости слоя, а вторым - перпендикулярным слою,удовлетворяеттолькосоединениеCoFe2O4,котороенеобладаетметаллическими свойствами и минимальный объем для которого такжепорядка 104.Необходимпоискновыхмеханизмоввзаимодействиясэлектрочувствительным слоем, обеспечивающих ограничение снизу налатеральный размерах бита порядка десятка нанометров.54Глава III. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ПАРАМЕТРАПОРЯДКА В МУЛЬТИФЕРРОИКЕ – СЛАБОМ ФЕРРОМАГНЕТИКЕКак известно, феррит висмута не только является мультиферроиком, нои может проявлять свойства слабого ферромагнетика.

Перед тем как перейтик рассмотрению многослойных наноструктур, содержащих слой ферритависмута, которые будут являться основой энергонезависимой памяти новогопоколения MERAM, имеет смысл рассмотреть свойства уединенного слояслабого ферромагнетика. Тем более что, несмотря на наличие обширноготеоретического и экспериментального материала по данной тематике, вопросповерхностных изменений угла скоса подрешеток не рассматривался. Внанослоях поверхностные явления играют первостепенную роль, поэтому ихисследование наряду с фундаментальным представляет и существенныйприкладной интерес.В данной главе впервые проведен расчет поверхностных искаженийпараметрапорядкавуединенномслоемультиферроика–слабогоферромагнетика.