Диссертация (1091595), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Это слишком мало для технических применений.Чтобы обменное взаимодействие между слоями имело заметнуювеличину,электрочувствительныймагнитоупорядоченным.Адляслойуправлениядолженэлектрическимбытьполемнеобходимо, чтобы магнитный параметр был связан с электрическойполяризацией. Таким образом, в данном случае электрочувствительный слойдолжен быть слоем мультиферроика с магнитным и сегнетоэлектрическимупорядочением.Нескольколетназадмагнитоэлектрикиимультиферроикипредставляли интерес для сравнительно узкого круга ученых специалистов,так как малые величины магнитоэлектрических эффектов и низкиетемпературы, при которых они возникали, не позволяли говорить об ихпрактическом применении. Сегодня можно смело заявить, что в связи сразвитием спинтроники магнитоэлектрическая тематика выходит на первыйплан [14-22].
Внимание ученых привлекают материалы и наноструктуры, в24которых наблюдается более одного типа упорядочения, в значительнойстепени из-за интереса к корреляции двух или более параметров порядка,являющейся основой новых электронных устройств [23-26]. Одним изключевых моментов для решения задач спинтроники является поископтимальногоклассамультиферроиковдляиспользованиявтакихустройствах.
Материал может обладать объемными свойствами или бытькомпозитной структурой. Уже создано немало различных композитныхструктур [27-30] включающих сегнетоэлектрические фазы такие как BaTiO3(BTO), PbZr1-xTixO3 (PZT), PbTiO3 (PT) и ферромагнитные фазы такие какCoFe2O4 (CFO), Tb1-xDyxFe2-Terfenol-D, NiFe2O4 (NFO), CuFe2O4 (CuFO),LaMnO3 (LMO). При использовании композитного материала электрическаяи магнитная подсистемы пространственно разделены, а их взаимодействиеопределяетсякачествомповерхностейразделаслоев.Шероховатаяповерхность приводит к сложной конфигурации магнитных полей рассеяния[31]. Этого недостатка можно избежать при изготовлении гетероструктур наоснове мультиферроика с объемными свойствами [32].Для создания новых устройств спинтроники, рассчитанных на широкоеприменение,необходимматериал,обладающиймультиферроиднымисвойствами при комнатной температуре [33, 34].
Среди широко известныхматериалов этому требованию отвечают только феррит висмута (BiFeO3) исоединения на его основе [35, 36]. Казалось бы, критическим недостатком,ограничивающим применение феррита висмута в устройствах памяти,является небольшая величина его магнитоэлектрических коэффициентов.Однако, как будет показано в основной части данной диссертационнойработы, достаточным критерием материала для создания памяти новогопоколенияявляетсяналичиемагнитногоисегнетоэлектрическогоупорядочений при комнатной температуре. Этому условию удовлетворяет нетолькоферритальтернативныйвисмутаBiFeO3мультиферроик(BFO),ноинедавноPb(Fe0.5Ta0.5)0.4(Zr0.53Ti0.47)0.6O3открытый[37].Ксожалению, в отличие от BiFeO3, его свойства и ориентации параметров25порядка на данный момент недостаточно изучены. Поэтому ограничимсярассмотрением широко известного, ввиду больших экспериментальныхуспехов в росте тонких эпитаксиальных пленок, мультиферроика BiFeO3 [32].Онотличаетсярекордновысокимитемпературамисегнетоэлектрического (Tc=1083 K) и антиферромагнитного (TN=643 K)упорядочений.Ферритвисмутаявляетсяантиферромагнетикомисегнетоэлектриком, благодаря чему относится к классу мультиферроиков.
Онимеет относительно простую ромбоэдрически искаженную структуруперовскита с пространственной группой R3c (рис. 1.8). В ромбоэдрическойэлементарной ячейке содержатся две формульные единицы, спонтаннаяполяризация связана, в основном, с относительными смещениями ионов Bi иFe.Рисунок 1.8 – Схематическое изображение R3c структуры состоящей из двухкубических ячеек перовскита. Катионы смещены вдоль направления [111]относительно анионов, и кислородный октаэдр поворачивается вокруг оси[111]26Можно заключить, что феррит висмута, благодаря своей относительнопростой химической и кристаллической структуре, удобен для теоретиковкак объект для проверки теоретических моделей.По данным работы [38] существуют 8 типов сегнетоэлектрическихдоменов псевдокубического кристалла BiFeO3. Эти домены, в первуюочередь, различаются между собой направлением спонтанной поляризацииотносительно псевдокубической структуры кристалла: вектор поляризацииможет быть направлен вдоль одной из главных диагоналей куба, чтодиктуется минимумом свободной энергии кристалла (всего 8 направлений).
Вработеэкспериментальноанализировалсяпроцесспереключенияэлектрическим полем, направленным перпендикулярно срезу (001). Припереключении происходит изменение направления вектора поляризации. Заначальное состояние вектора поляризации можно принять направлениеоднойизглавныхдиагоналей[111].Изпростыхгеометрическихсоображений можно заключить, что всего существует три различных типапереключения вектора поляризации (рис.1.9). Для них конечное направлениевектора поляризации составляет с начальным направлением углы в 71°,109° и180° соответственно.Экспериментпроводилсясиспользованиемпьезоэлектрическойсиловой микроскопии (PFM). За тип домена, соответствующего одному изтрех возможных направлений поляризации (71°, 109°, 180°) относительнонаправления [111], отвечает цвет полученного изображения (рис.1.10).
Дляопределенияориентациифотоэлектроннаявектораэмиссионнаяантиферромагнетизмамикроскопия(РЕЕМ),применяласьоснованнаяналинейном дихроизме рентгеновских лучей (XLD).В работе [38] найдено экспериментальное подтверждение наличиявзаимодействия между сегнетоэлектричеством и антиферромагнетизмом, онасталапервымшагомисследованиявозможностейуправленияпереключения магнитных свойств с помощью электрического поля.и27Рисунок 1.9 – Три типа переключения поляризации BiFeO3. Изображеноa) начальное положение вектора поляризации; b) при переключении на 180°антиферромагнитная плоскость (изображена оранжевым) не меняется; вслучае c) и d) меняется на зеленую и синюю соответственноРисунок 1.10 – PFM изображение доменной структуры BiFeO3. Тривозможных направления поляризации, составляющих угол 71°, 109° и 180° снаправлением [111]28На основе слоев магнитоэлектрика можно создавать устройствахранения информации с переключением электрическим полем (рис.
1.11).Рисунок 1.11 – Магниторезистивная память на основе нанослоя ферритависмута с переключением электрическим полем (MERAM). Два состоянияустройства памяти организуются переключением магнитного моментаферромагнитного слоя обменно-связанного со слоем магнитоэлектрикаВ объемном BiFeO3 присутствует пространственно-модулированнаяструктура [39, 40], что приводит к исчезновению магнитоэлектрическогоэффекта вследствие его усреднения. Однако в тонких (<500 нм) пленкахферрита висмута пространственно-модулированная структура подавляется[41], и реализуется антиферромагнитное упорядочение G-типа со слабымферромагнетизмом(рис. 1.12),Дзялошинского-Мориа [42, 43].обусловленнымвзаимодействием29Рисунок 1.12 – Слабый ферромагнитный момент в BFO.
Результатантисимметричного обменаАналогичного эффекта можно достичь путем замещения висмута стронцием[44] или редкоземельными элементами [45 – 47].Магнитныемоментыжелезалежат вплоскостяхтипа(111),перпендикулярных направлению спонтанной поляризации [48]. Спиныатомов, принадлежащих такой плоскости, направлены параллельно другдругу, то есть принадлежат одной антиферромагнитной подрешетке. Атомысоседних плоскостей принадлежат разным подрешеткам [49].Взаимодействие Дзялошинского-Мория приводит к возникновениюслабого ферромагнетизма, то есть вызывает слабый (порядка 1º) скоснамагниченностейантиферромагнитныхподрешеток(вотсутствиевзаимодействия с ферромагнитным слоем) [50].
Суммарная намагниченностьBFO невелика (~5Гс) [39].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. Поскольку в случае скомпенсированного30среза мультиферроика фрустрация имеет место уже для гладкой границыраздела, наличие на ней атомных ступеней не изменяет существенноситуацию.
Поэтому можно ограничиться рассмотрением атомно-гладкойскомпенсированной поверхности мультиферроика.В работе [10] в качестве среза был предложен нескомпенсированныйсрез (111), перпендикулярный вектору поляризации Р. Приложениемсоответствующего электрического поля вектор P можно переполяризовать впротивоположномнаправлении.Всилумагнитоэлектрическоговзаимодействия типа Дзялошинского-Мориа:W=α (P,[L, M]),(1.2)где L - вектор антиферромагнетизма, M - вектор слабого ферромагнитногомомента, α =const, это вызовет изменение знака M.По идее авторов статьи это приведет к перемагничиванию иобменно-связанного с магнитоэлектриком ферромагнитного слоя, но в силумалости угла скоса антиферромагнитных подрешеток это не так.
Изменениезнака M, то есть изменение направления скоса подрешеток феррита висмутаможет вызвать поворот спинов ферромагнетика лишь на малый угол, равныйудвоенному углу скоса подрешеток.В главе IV данной диссертационной работы будет показано [53, 54, 55],что взаимодействие с ферромагнитным слоем возникает, в основном, не засчет существования в мультиферроике слабого ферромагнитного момента,обусловленногополемДзялошинского,какошибочнополагаютвбольшинстве современных работ по данной тематике (смотри, например [10,56]), а за счет межслойного гейзенберговского обмена в условиях спин-флопориентации магнитных параметров порядка вблизи границы разделаферромагнетик – компенсированная поверхность антиферромагнетика [57,58].31В работе [59] на основании данных экспериментов по рентгеновскомулинейному дихроизму – фотоэмиссионной электронной микроскопии (XLDPEEM)сделанвывод,чтовупруго-сжатомслоеBFOвекторантиферромагнетизма L, лежащий в плоскости типа [111], ортогональнойнаправлению P, ориентирован так, что его проекция на плоскость слояминимальна.
Вектор слабого ферромагнетизма M лежит в той же плоскости иортогонален вектору L, то есть параллелен кристаллографическомунаправлению типа [ 1 1 0 ] и образует с векторами P и L правую тройкувекторов. В случае растянутого слоя указанная проекция вектора Lмаксимальна. Сжимающими являются подложки (LaAlO3)0.3-(Sr2AlTaO6)0.7 иSrTiO3, а растягивающими - подложки NdScO3 или PrScO3 [60].Существуетальтернативнаяточказрения,основаннаянаэкспериментальном наблюдении корреляции между проекцией векторов M иP на плоскость среза [32, 38, 61, 62], согласно которой приведенные вышеориентации вектора L для сжимающей и растягивающей подложекнеобходимо поменять местами. В дальнейшем изложение будет основано наориентации векторов L и M, предложенной в работе [59], в которойприсутствуютболеевесомыетеоретическиеиэкспериментальныедоказательства.Последовательнаякартинаобменноговзаимодействияиобусловленного им обменного сдвига на границе ферромагнетика скомпенсированнойповерхностьюколлинеарногодвухподрешеточногоантиферромагнетика была предложена Кооном [57].
С выходом за рамкиобменного приближения и учетом энергии одноионной анизотропии этотвопрос исследован в работе [63]. Согласно теории Коона обменноевзаимодействие между спинами ферро- и антиферромагнетика приводит кскосу спинов антиферромагнетика и возникновению в антиферромагнетикевблизи границы раздела наведенного ферромагнитного момента. Аналогичнов ферромагнетике в результате отклонений спинов возникает наведенный32антиферромагнитный момент. Вектор антиферромагнетизма ортогоналенвектору намагниченности ферромагнетика (спин-флоп ориентация).Искажения параметров порядка слоев вблизи границы раздела убываютнаатомныхмасштабах.Аналитическизаконубываниянаведенныхмагнитных параметров порядка в глубь соответствующих слоев длякомпенсированнойграницыразделаферромагнетик-антиферромагнетикнайден в работе [58].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
