Электрическое управление микромагнитными неоднородностями как новый принцип работы устройств магнитной электроники

На правах рукописиМЕШКОВ Георгий АлександровичЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕМИКРОМАГНИТНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИКАК НОВЫЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВМАГНИТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИСпециальности 01.04.03 – радиофизикаи 05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМГУ.Научный руководитель:к.ф.-.м.н.,доцент,Пятаков Александр ПавловичОфициальные оппоненты:д.ф.-м.н.,профессор,Лисовский Федор Викторовичк.ф.-м.н.,доцент,Лукашева Екатерина ВикентьевнаВедущая организация:Московский государственный техниче­ский университет радиотехники, элек­троники и автоматикиЗащита состоится22 декабря 2011 г.в 16 часов на заседании диссертацион­ного совета Д 501.001.67 при физическом факультете Московского Государ­ственного Университета им.

М. В. Ломоносова, по адресу: 119991, Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, ЦФАим. Р. В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан 21 ноября 2011 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,к.ф.-м.н., доцентКоролев А.Ф.2Общая характеристика работыАктуальность работы.Потребность в энергонезависимой компьютерной памяти, которая быпозволяла хранить информацию в отсутствие источников питания и харак­теризовалась бы низким энергопотреблением при работе, явилась главнымстимулом развития магнитной памяти и одной из предпосылок рождения но­вой области электроники — спиновой электроники (спинтроники), котораяоперирует не с электрическим зарядом электрона, а с его механическим мо­ментом – спином, и, как следствие, с магнитным моментом электрона.В 2007 году Альберу Ферту и Петеру Грюнбергу была вручена Нобелев­ская премия за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления, заклю­чавшегося в значительном изменении сопротивления структуры из несколь­ких магнитных и немагнитных слоев в зависимости от взаимной ориентациинамагниченностей в магнитных слоях.

Это достижение, явившееся одним изважнейших успехов спинтроники, позволило на протяжении последнего де­сятилетия поддерживать устойчивый рост плотности записи информации нажестких дисках [1].В настоящее время дальнейшее развитие магнитной памяти и спинтро­ники связывают [2] с MRAM — магниторезистивной памятью произвольногодоступа (Magnetoresistive Random Access Memory), которая будет сочетатьбыстродействие оперативной памяти и энергонезависимость постоянной па­мяти. Однако традиционный способ записи информации на магнитные но­сители, основанный на создании магнитного поля электрическим током, яв­ляется существенным препятствием увеличению плотности записи в MRAM:при уменьшении размеров элементов и токовых шин возрастает плотностьпротекающего через них тока вплоть до значений 107 –108 А/см2 , что вле­чет за собой увеличение омических потерь, а также электромиграцию (яв­ление переноса вещества в проводнике за счет постепенного дрейфа ионов),приводящих к деградации устройств.

Существует альтернативный механизммагнитной записи — перенос спина, индуцированный спин-поляризованнымтоком, однако перенос спина также требует высокой плотности тока, порядка3106 –107 А/см2 [2].Возникает необходимость разработки стабильного метода записи магнит­ной информации при комнатной температуре с помощью только статическо­го электрического поля без использования токов1 . Открытие и применениетакого метода в устройствах магнитной памяти позволило бы кардинальноуменьшить плотности токов — основное препятствие на пути к повышениюплотности записи информации.В этой связи большие надежды возлагаются на использование магнито­электрических (МЭ) эффектов.

Они являются следствием взаимодействияэлектрической и магнитной подсистем в твердом теле и проявляются в видевоздействия статического, т.е. не изменяющегося со временем, электрическо­го поля на намагниченность и — обратно — магнитного поля на электриче­скую поляризацию вещества.Одной из разновидностей этих эффектов является неоднородный МЭэффект. Он проявляется при наличии пространственной модуляции намагни­ченности в веществе.

Например, в спиральных мультиферроиках с простран­ственно модулированными спиновыми структурами (ПМСС) неоднородныйМЭ эффект вызывает электрическую поляризацию [3]. В связи с этим возни­кает вопрос, порождают ли электрическую поляризациюмикромагнитныеструктуры [4] (например, доменные стенки, линии Блоха, магнитные вихрив наночастицах и др.) и можно ли воздействовать на них электрическим по­лем. Действительно, в них, как и в ПМСС, существует пространственнаямодуляция намагниченности (хотя она и обусловлена другими причинами),и в 1983 году В. Г.

Барьяхтаром и др. было теоретически показано, что домен­ные стенки могут обладать магнитоэлектрическими свойствами [5]. При этомэлектрическая поляризация отлична от нуля только для стенок типа Нееля,где разворот намагниченности происходит в плоскости, перпендикулярнойдоменной стенке, в отличие от стенок Блоха, где разворот намагниченности1Здесь и далее под фразой «без использования токов» понимается отсутствие в системе большихпостоянных токов, которые приводят к сильному тепловыделению, т.е.

полевой принцип управления.Токи, возникающие при включении или переключении полярности статического электрического полягораздо меньше токов, необходимых для традиционной записи, вплоть до частот в десятки/сотни ГГц.4происходит в плоскости доменной стенки.Позднее появились другие теоретические работы, посвященные МЭ свой­ствам доменных границ [3, 6–9], но экспериментальные свидетельства их МЭсвойств носили косвенный характер [10, 11]. В данной работе впервые демон­стрируется прямое наблюдение поведения доменных границ в электрическомполе.Неоднородный магнитоэлектрический эффект может применяться не толь­ко в ячейках памяти, но и в других устройствах магнитной электроники, та­ких как спиновые клапаны (устройства, позволяющие управлять спиновойполяризацией протекающего через них тока).

Он перспективен также длязаписи состояний элементов программируемой логики — логических элемен­тов, функциональность которых можно изменять в режиме реального време­ни, используя одни и те же физические устройства для выполнения разныхлогических операций.К настоящему времени был сделан ряд попыток разработать электриче­ские методы контроля намагниченности [12–14], но, как правило, они пред­полагают работу при низких температурах. Использование композитных ма­териалов, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компо­нент, позволяет осуществлять магнитоэлектрическое преобразование при ком­натной температуре [15, 16], однако приготовление наноструктурированныхкомпозитов методами гетероэпитаксии пока не позволяет решить проблемунадежного контроля границ раздела фаз [17].Миниатюризацию устройств памяти также связывают со структуриро­ванными магнитными средами, состоящими из наноточек, в которых основ­ным состоянием намагниченности зачастую является вихревое.

Управлениесвойствами вихря при помощи спин-поляризованного тока позволяет записы­вать информацию в такой частице. Неожиданным развитием идей спинтрони­ки оказались явления, связанные с динамикой движения вихрей. Например,импульсами спин-поляризованного тока в частице могут быть возбужденыосцилляции вихря с частотами порядка 1 ГГц [18], что позволяет рассматри­вать ее как миниатюрный источник СВЧ излучения большой для устройствтакого размера мощности [19]. Однако возможность управления магнитным5вихрем при помощи электрического поля ранее не исследовалась.Целью данной диссертационной работы являлось разработка мето­да электрического управления микромагнитными структурами, на котороммогли бы быть основаны новые устройства магнитной электроники.Для достижения поставленных целей было проведено исследование наи­более часто встречающихся видов микромагнитных структур в двух основ­ных типах магнитных материалов: с анизотропией типа легкая ось и легкаяплоскость.

Были решены следующие задачи.∙ Исследовать проявления неоднородного магнитоэлектрического эффек­та в легкоосных магнетиках, а именно:– рассчитать электрические свойства доменных границ блоховскоготипа с магнитными неоднородностями — вертикальными линиямиБлоха (ВБЛ);– экспериментально исследовать действие статического электриче­ского поля на доменные границы блоховского и неелевского типа,а также вертикальные линии Блоха в пленках ферритов гранатов,в том числе установить факт влияния электрического поля на этиструктуры, определить величины управляющего напряжения,– Разработать метод исследования динамики движения микромаг­нитных структур в импульсе электрического поля.∙ Исследовать возможность переключения состояния вихря намагничен­ности в субмикронной частице легкоплоскостного магнитного диэлек­трика:– разработать способ учета неоднородного магнитоэлектрическогоэффекта в программах микромагнитного моделирования;– рассчитать влияние радиально направленного электрического по­ля на намагниченность в частице, изучить процессы зарождения иуничтожения различных микромагнитных конфигураций в части­це.6∙ Оценить важные для спинтроники параметры устройств, основанныхна неоднородном МЭ эффекте.Научная новизна работы заключается в следующем:∙ Рассчитано распределение поверхностной и объемной плотности элек­трических зарядов в типичных микромагнитных структурах, наблюда­емых в легкоосных ферромагнетиках: доменных стенках Блоха с ВБЛ.∙ Впервые проведено экспериментальное наблюдение смещения домен­ных стенок и ВБЛ под действием статического поля заряженной иглы,определены управляющие поля и напряжения.∙ Исследована динамика движения доменных границ в статическом элек­трическом поле: зависимость скорости и конечного положения домен­ной границы от величины приложенного напряжения, исходя из кото­рой рассчитан магнитоэлектрический коэффициент в пленках ферритаграната.∙ Разработан метод учета неоднородного МЭ взаимодействия в програм­ме микромагнитного моделирования.∙ Впервые показана возможность зарождения, стабилизации и уничтоже­ния вихревого и антивихревого распределения намагниченности в суб­микронной частице магнитного диэлектрика электрическим полем, атакже возможность переключения из антивихревого в вихревое состоя­ние и обратно.∙ По результатам микромагнитного моделирования построена гистерезис­ная зависимость топологического заряда частицы от напряжения науправляющем электроде и показана возможность существования мета­стабильного состояния при нулевом электрическом поле, позволяющаясоздать переключаемую электрическим полем ячейку памяти на основетакой частицы.7∙ Оценены характеристики устройств, основанных на неоднородном МЭэффекте.Практическая значимость.