Теория транспортных свойств реальных многослойных систем

Институт общей и неорганической химии им. Н.С.КурнаковаРоссийская Академия НаукНа правах рукописиЖуравлев Михаил ЕвгеньевичТеория транспортных свойств реальныхмногослойных систем(01.04.11 - физика магнитных явлений)Автореферат диссертациина соискание учёной степенидоктора физико-математических наукМОСКВА – 2007Работа выполнена в Институте общей и неорганическойН.С.Курнакова Российской Академии наук, г.Москвахимииим.Научный консультант:доктор физико-математических наук, профессорВедяев Анатолий ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорГрановский Александр Борисовичдоктор физико-математических наук, профессорРудой Юрий Григорьевичдоктор физико-математических наук, профессорТагиров Ленар РафгатовичВедущая организация:Московский государственный институт радиотехники, электроники иавтоматики (технический университет), МоскваЗащита состоится «_11__»_октября__2007г. в _________ на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 физического факультета МосковскогоГосударственного Университета им.

М. В. Ломоносовапо адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова,дом 1, строение 2, Физический факультетС диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физического факультетаМосковского Государственного Университета им. М. В. ЛомоносоваАвтореферат диссертации разослан «______» ___________2007г.Ученый секретарьдиссертационного советадоктор физико-математических наук, профессорПлотников Г. С.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы.

Магнитные многослойные системыинтенсивно исследуются в последние пятнадцать лет как объекты уженашедшие применение в микроэлектронике и обещающие еще большие иразнообразные приложения. Эти приложения, к которым относятсяэнергонезависимые запоминающие устройства, сенсоры, полупроводниковыесхемы, связаны, прежде всего, с магнитными и транспортными свойствамимногослойных наносистем, существенно отличающимися от свойстводнородных систем макроразмеров.Помимо прикладного интереса, магнитные многослойные системы, втом числе наносистемы, представляют большой интерес с точки зренияанализа механизмов проводимости и механизмов межслойного обмена.

Под«наносистемами» здесь понимаются как многослойные системы, толщинаслоев которых может составлять от нескольких ангстрем до несколькихнанометров, так и системы, чьи поперечные размеры укладываются в этиграницы.Интенсивное исследование транспортных свойств магнитных слоистыхсистем началось после открытия в 1988 явления гигантскогомагнетосопротивления (ГМС) в системах [(001)Fe/(001)Cr]n [1,2].

ЯвлениеГМС, наблюдающееся в слоистых структурах (простейшая структура такоготипа -ферромагнетик/немагнитный слой/ферромагнетик) заключается в том,что сопротивление системы значительно (на десятки и, в отдельных случаях,сотни процентов) меняется в слабом магнитном поле. Немагнтный слойможет быть как проводником, так и диэлектриком [3]. В последнем случаеговорят о туннельном магнитном сопротивлении (ТМС). Причиной ГМСявляется разница в сопротивлении спиновых подзон ферромагнитных слоев,так что полное сопротивление многослойной структуры зависит от взаимнойориентации намагниченности ферромагнитных слоев. Внешнее магнитноеполе меняет взаимную ориентацию намагниченностей слоев (междукоторыми существует эффективное межслойное взаимодействие) и темсамым меняет общее сопротивление системы.

В общих чертах зависящий отспина электронный транспорт в магнитных многослойных системах иобусловленные им явления (ГМС, межслойное обменное взаимодействие)были описаны в полуклассических и квантово-статистических теориях [4,5].Между тем, реальные многослойные системы, как правило, нельзяописать как идеальные слои, где электрон движется в прямоугольном3потенциале. Проводимость реальных систем определяется множествомфакторов - такими, как примеси, неидеальность межслойных и внешнихграниц, детали потенциального профиля, квантование движения электронов вопределенных направлениях в случае наносистем, рассеяние электронов набоковых границах. Существует ряд наблюдаемых явлений, которые неудавалось описать в рамках существующих теорий, как, например,межслойный обмен в слоистых системах с диэлектрическим барьером.Механизм ряда наблюдающихся явлений в слоистых системах не был описантеоретически (переключение электросопротивления в магнитных системах ссегнетоэлектрическими слоями).

Не менее актуальным, чем создание теорииуже известных явлений является поиск систем представляющихпотенциальный интерес для устройств микроэлектроники. Особый интерес, сточки зрения возможных приложений, представляют системы, допускающиепереключение магнитной конфигурации, проводимости, спиновойполяризации тока.После того, как в общих чертах был описан зависящий от спинаэлектронный транспорт в «идеальных» трехслойных системах, началосьисследование магнитных многослойных систем с учетом перечисленныхвыше факторов. Во многих случаях эти факторы существенно меняюттранспортные свойства многослойных систем и приводят к новым эффектам.Среди таких систем необходимо назвать сегментированные нанопровода,многослойные системы с дефектами в слоях, многослойные системы ссегнетоэлектрическими барьерными слоями, допускающими изменениепотенциального профиля.

Исследование новых явлений и эффектов удобнопроводить в рамках сравнительно простых моделей, позволяющих описатьих физическую суть. Модельный подход интенсивно используется приисследовании магнитных многослойных систем несмотря на развитие впоследние годы первопринципных методов расчета.Цель работы. Целью работы является создание квантовостатистической теории транспортных явлений в реальных (неидеальных)магнитных многослойных наносистемах и исследование транспортных имагнитных свойств слоистых наносистем. Магнитное взаимодействие,электронный транспорт в слоистых наносистемах определяютсясовокупностью разнородных факторов, которые должны учитываться вравной мере при описании таких систем.

Развиваемая теория должнаучитывать геометрический фактор, обуславливающий квантование движения4электронов и дополнительное рассеяние на внешних и межслойныхграницах, возможное и в баллистическом режиме. Должны приниматься вовнимание детали потенциального профиля в тех случаях, когда они могутсущественно влиять на электронный транспорт. Должны быть объясненынаблюдающиеся характерные черты зависящего от спина электронноготранспорта в слоистых системах. Для решения этих задач необходимо- построить функции Грина рассмотренных систем – магнитныхмногослойныхсистемспроизвольнойвзаимнойориентациейнамагниченности магнитных слоев и сегментированных нанопроводов ссегментами разного радиуса и коллинеарной намагниченностью магнитныхсегментов;- в рамках единого подхода учесть влияние на проводимостьнанопроводов следующих факторов:-- рассеяния на примесях в объеме нанопровода;-- рассеяния (возможно, зависящего от спина) на боковыхповерхностях нанопровода;-- рассеяния на границах между сегментами;- построить теорию межслойного обменного взаимодействия всистеме ферромагнетик/диэлектрик/ферромагнетик сучетом возможного туннелирования электронов междуслоями через уровни дефектов в барьере;- объяснить, каким образом и при каких условияхпереключение поляризации сегнетоэлектрического барьераприводит к большому (в несколько раз) изменению проводимостимногослойной системы металл/сегнетоэлектрик/металл.Выполненный анализ позволяет предложить принципиальныемеханизмы ряда новых устройств для микроэлектроники, допускающиеманипулирование их проводимостью, магнитной конфигурацией, спиновойполяризацией тока.Научная новизна.

В то время как квантово-статистические иквазиклассические теории транспортных явлений в идеальных магнитныхмногослойных структурах успешно развивались с самого началаинтенсивного исследования слоистых наноструктур, теория электронноготранспорта в наносистемах сложной геометрии, учитывающая рассеяние5электронов на примесях и неидеальных границах потребовало созданияновых методов исследования.В работе впервые развита теория электронного транспорта всегментированных нанопроводах с спин-зависящим рассеянием наповерхности провода, была исследована проводимость в нанопроводах ссегментами различного радиуса и предложен способ манипуляциипроводимостью и спиновой поляризацией тока с помощью изменениямагнитной конфигурации сегментированного нанопровода.Впервыеразвитатеориямежслойногообменамеждунамагниченностями ферромагнитных слоев через барьерный слой сдефектами.

В рамках этой теории было предложено объяснение известным изэкспериментов характеристикам межслойного обмена в магнитныхтуннельных функциях в предположении, что туннелирование электроновпроисходит через одноэлектронные уровни примеси/дефекта барьера.Впервые развита теория транспортных явлений в асимметричныхмногослойных системах с сегнетоэлектрическими слоями. Предложенообъяснение весьма значительному - в несколько раз - наблюдающемусяизменению сопротивления при изменении направления поляризациисегнетоэлектрика. На основе выполненного анализа предложена магнитнаямногослойная система, в которой возможно изменение спиновойполяризации тока.Научная и практическая ценность.