Диссертация (Магнитоэлектрические свойства доменных границ в пленках ферритов гранатов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиСЕЧИН ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ПЛЕНКАХ ФЕРРИТОВ ГРАНАТОВСпециальность 01.04.11 —Физика магнитных явленийДиссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д.ф.-м.н. Пятаков А. П.Москва – 2014СодержаниеПеречень условных обозначений и сокращений4Введение5Глава 1 Обзор литературы111.1 Магнитоэлектрики . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111.2 Неоднородный магнитоэлектрический эффект . . . . . . . . . .141.3 Эпитаксиальные пленки ферритов гранатов . . . . . . . . . . . .201.4 Доменные границы и возможности их применения . . . . . . .221.5 Выводы из главы 1 . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42Глава 2 Экспериментальные исследования электрической поляризации магнитных доменных границ442.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .442.2 Описание экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . .452.3 Направление вектора поляризации в исследуемых доменныхграницах . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .502.4 Действие электрического поля полоскового электрода на доменную границу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .522.5 Управление поляризацией доменных границ при помощи магнитного поля . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.5.156Статические смещения ДГ в образцахс кристаллографической ориентацией (210) . . . . . . . .2562.5.2Статические смещения ДГ в образцахс кристаллографической ориентацией (110) . . . . . . . .64Измерение скорости движения доменных границ .

. . .672.6 Выводы из главы 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .712.5.3Глава 3 Численное моделирование доменных границ в магнитоэлектрическом материале733.1 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .733.2 Модель . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .753.2.1Проверка модели: одноосная анизотропия . . . . . . . .763.2.2Модель реальной пленки феррита граната . . . . . . . .773.3 Магнитоэлектрическая ДГ во внешнем магнитном поле . . . . .863.4 Модель магнитной ячейки памяти, управляемой электрическимполем . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .923.4.1Результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .933.4.2Оценка характеристик устройства . . . . . . . . . . . . .943.5 Выводы из главы 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95Заключение98Список литературы1003ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ИСОКРАЩЕНИЙ∙ МЭ – магнитоэлектрический (эффект)∙ ФГ – ферриты гранаты∙ ДГ – доменная граница (доменная стенка)∙ ЦМД – цилиндрический магнитный домен∙ ЭМО – электромагнитооптический (эффект)∙ ОЛН – ось легкого намагничивания∙ GMR — гигантское магнитосопротивление (giant magnetoresistance)∙ RAM – память с произвольным доступом (random access memory)∙ DRAM – динамическая память с произвольным доступом (dynamicrandom access memory)∙ MRAM – магниторезистивная (magnetoresistive) RAM∙ STT – перенос спинового момента (spin-transfer torque)4ВВЕДЕНИЕАктуальность работы. Электронные устройства невероятно изменили облик нашей цивилизации.

Однако последние несколько десятков лет вниманиеисследователей занимает не только традиционная электроника, но и новые еёответвления, такие как спинтроника. Спинтроника (от словосочетания spin”electronics“) изучает возможность использования не заряда электрона, а егомеханического момента — спина и магнитного момента, связанного со спином.Самым значительным достижением спинтроники на данный момент является эффект гигантского магнитосопротивления (Giant magnetoresistance,GMR), за который в 2007 году Альберу Ферту и Петеру Грюнбергу была вручена Нобелевская премия [1].

Суть открытого эффекта заключается в том, чтосопротивление структуры, состоящей из нескольких магнитных и немагнитных слоев, существенно зависит от взаимной ориентации намагниченности вмагнитных слоях. Эффект GMR позволил значительно увеличить плотностьзаписи информации на жестких дисках (в настоящее время в таких устройствах применяются считывающие головки, основанные на сходном эффектетуннельного магнитосопротивления), он также используется сейчас и в датчиках магнитного поля и других сенсорах [2].В рамках спиновой электроники разрабатывается концепция магниторезистивной памяти произвольного доступа (Magnetoresistive Random AccessMemory, MRAM [3, 4]), которая предполагает хранение информации при помощи магнитных моментов.

Важной проблемой при такой постановке задачистановится механизм считывания/записи, поскольку использование внешнегомагнитного поля на практике малоэффективно. Во-первых, при создании магнитного поля электрическим током значительная часть энергии расходуется5на нагрев проводников (джоулево тепло), во-вторых, создать сильное поле вограниченной области пространства – нетривиальная техническая задача. Возможен альтернативный механизм магнитной записи, основанный на использовании спин-поляризованного тока [3] (тока, в котором преобладают электроныс положительной проекцией спина на заданную ось), но и он требует высокихплотностей тока ( ∼ 106 − 107 A/cм2 ), а значит, также приводит к излишнейдиссипации энергии.

Кроме того, высокие плотности тока приводят к деградации проводников, поскольку являются причиной дрейфа ионов [5].С другой стороны, еще в 19 веке Пьером Кюри была высказана идея о существовании магнитоэлектриков – веществ, в которых магнитная и электрическая подсистемы взаимодействуют друг с другом [6]. Такое взаимодействиеприводит, в частности, к возникновению в веществе намагниченности поддействием электростатического поля и, наоборот, возникновению электрической поляризации под действием магнитного поля – так называемому магнитоэлектрическому (МЭ) эффекту.

Следовательно, возможен механизм управления магнитными моментами вещества при помощи постоянного электрического поля, создание и переключение полярности которого требует существенноменьших расходов энергии. Поиск и исследование такого механизма можетпривести к значительному улучшению существующих устройств памяти.Наличие магнитоэлектрического взаимодействия обнаружено в широкомряде веществ, но наиболее сильно проявляется (при нормальных условиях)в композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонент [7].

Однако создание композитных структур сложнее,чем работа с однофазными материалами; более того, свойства МЭ взаимодействия в композитах существенно зависят от граничного слоя между компонентами, который также сложно контролировать при изготовлении [8].Другим направлением для исследований является изучение неоднородного магнитоэлектрического эффекта; он проявляет себя в том, что микромаг6нитные неоднородности могут обладать электрической поляризацией [9].

Например, поляризацией обладает спиновая циклоида“ в спиральных магнети”ках [10], а в 1983 году В.Г. Барьяхтаром и др. было теоретически показано,что неоднородный МЭ эффект может иметь место и в доменных границах [11].При этом из двух классических типов 180-градусных доменных границ – границы Блоха и границы Нееля – только последняя обладает отличной от нуляполяризацией.В 2007 году впервые экспериментально наблюдалось смещение доменныхграниц в эпитаксиальных пленках ферритов гранатов под действием статического электрического поля [12]. Особенности наблюдаемого явления (сменанаправления движения границы при смене полярности электрического поляи зависимость силы эффекта от кристаллографической ориентации подложки пленки) позволили предположить, что механизмом, лежащим в его основе, служит неоднородный магнитоэлектрический эффект.

Однако имеющиесяэкспериментальные данные не дают возможности полностью исключить альтернативные интерпретации. Данная работа представляет дополнительные аргументы в пользу неоднородного МЭ эффекта и демонстрирует возможностьуправления величиной и знаком электрической поляризации доменной границы путем перестройки её внутренней структуры.Целью данной диссертационной работы было исследование возможности управления электрической поляризацией магнитных доменных границ.Для достиженияэтой цели были экспериментально исследованы доменные границы в пленках ферритов гранатов, микромагнитная структура которых перестраивалась врезультате действия внешнего магнитного поля.

Также были проведены численные расчеты электрической поляризации доменной границы, возникающейвследствие неоднородного МЭ эффекта, и разработана процедура компьютер-7ного моделирования динамики электроиндуцированного движения такой границы.Научная новизна работы заключается в следующем:∙ Впервые получены экспериментальные зависимости электроиндуцированного смещения ДГ от величины внешнего магнитного поля, перпендикулярного плоскости доменных границ.

Данные результаты доказывают возможность изменения модуля и направления электрической поляризации границы путем перестройки ее магнитной структуры. Впервые продемонстрировано значительное (на порядок величины) усилениеэлектроиндуцированного смещения доменной границы (при той же напряженности электрического поля, вызывающего смещение границы).∙ Исследована динамика электроиндуцированного движения доменныхграниц, структура которых изменена постоянным внешним магнитнымполем.∙ На основе результатов микромагнитного моделирования показано, чтоизменение направления электроиндуцированного движения доменныхграниц, структура которых изменена внешним магнитным полем, связано с изменением направления вращения вектора намагниченности вгранице, а рост модуля поляризации границы по мере увеличения напряженности магнитного поля происходит в результате роста неелевскойкомпоненты в структуре границы.∙ При помощи микромагнитного моделирования показано, что существуетвозможность создания элементов памяти на основе эффекта движениямагнитных доменных границ в электрическом поле.Практическая значимость работы заключается в том, что исследуемыйэффект электроиндуцированного движения магнитных доменных границ мо8жет быть использован для создания устройств памяти, запись информации вкоторых будет осуществляться не перемагничиванием элемента памяти какцелого, а смещением доменной границы.В более широком смысле подход к решению задачи взаимного превращения электрического и магнитного полей, основанный на магнитоэлектрическом эффекте, может быть использован при проектировании различных логических элементов электрических цепей.