Диссертация (1091595), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Быстрота убывания искажений определяется типомкристаллической структуры и видом среза поверхности, их разделяющей.Для создания магниторезистивной памяти с записью электрическимполем наиболее перспективны слои BiFeO3 на подложке SrTiO3, вырезанныепараллельноскомпенсированнымперовскитоподобнойкристаллическойатомнымструктурыплоскостям[51].(001)Именнодлякомпенсированного среза (001) был достигнут эффект 900 переключениянамагниченности ферромагнитного слоя путем приложения электрическогополя к слою BiFeO3 в двухслойной системе ферромагнетик-мультиферроик.Возможность перемагничивания ферромагнитного слоя Co0,9Fe0,1 слоеммультиферроикасоскомпенсированнымсрезомвпервыепродемонстрирована в работе [32] еще в 2008 году.
Электрическое полеприложено параллельно плоскости среза (001). В плоскости пленкипроисходит поворот средней намагниченности на 90º, что соответствуетизменению контраста с темного на светлый и наоборот (рис. 1.13). Однакоможно видеть, что полного контроля не удается добиться и здесь: слойферромагнетика разбит на мелкие домены неправильной формы, и можноговорить лишь о переключении средней намагниченности.
Авторами былоотмечено, что многие факторы, такие как толщина слоя ферромагнетика ивеличина энергии взаимодействия между слоями по отношению к другимэнергетическимвеличинамсистемы,требуютдальнейшегоэкспериментального и теоретического исследования. Кроме того, поляпереключения достаточно велики (порядка 10 В/мкм).33Рисунок 1.13 – Изображения ферромагнитной доменной структуры CoFe,полученные комбинацией рентгеновского магнитного кругового дихроизмаи фотоэмиссионной электронной микроскопии. Начальное состояние пленкиCoFe (a), первое переключение электрическим полем намагниченности вплоскости пленки на 90º (b) и второе переключение возвращающеенамагниченность в исходное состояние (c).Группа ученых Национальной лаборатории им.
Лоуренса в Беркли(США) предложили новый способ использования пленок BFO для устройствспинтроники [64]. Им удалось создать особые пленки BFO, являющиесясмесью сильно искаженной ромбоэдрической и тетрагональной фазы, вкоторой ромбоэдрическая фаза находится в окружении тетрагональной фазы.Пленки феррита висмута в таком особом смешанном фазовом состоянииобладают большей в 6 раз спонтанной намагниченностью (до 40 ед/).Увеличенной спонтанной намагниченностью можно управлять с помощьювнешнего электрического поля, при этом не пропуская заметных токов черезпленку. Однако, как показано в основной части работы, где будет описанмеханизмпереключенияустройствпамятиновогопоколения,самапостановка такой задачи крайне некорректна.
Борьба за увеличение слабогоферромагнитного момента бессмысленна ввиду того, что не он являетсяпричиной переключения устройства, более того его наличие вообщенеобязательно.После успешного эксперимента [32] было опубликовано еще несколькоработ по переключению намагниченности электрическим полем [55, 62, 65-3469]. Однако их глобальным недостатком является отсутствие адекватныхтеоретических моделей при создании прототипа устройства, что приводило ксложной и неоднозначной интерпретации экспериментов.При создании MERAM одним из важнейших вопросов являетсяэволюция векторов L и M в процессе изменения направления вектораполяризации P под действием электрического поля, что, в конечном счете,определяет возможность переключения намагниченности ферромагнитногослоя.
Такая задача не решена должным образом ни в одной извышеперечисленных работ, кроме работы [69], где было проведеночисленное моделирование для среза (110), но осталось немало открытыхвопросов.В работе [56]было справедливо отмечено, что феррит висмутаявляется также ферроэластиком, поэтому при изменении направленияспонтанной поляризации под действием электрического поля происходитизменение спонтанной деформации слоя (сегнетоэластические доменыпереориентируются совместно с сегнетоэлектрическими). Эта деформацияпередается слою ферромагнетика.
В последнем, вследствие магнитоупругоговзаимодействия, происходит изменение энергии анизотропии, что можетвызвать изменение ориентации легкой оси и, как следствие, векторанамагниченности. Поэтому в рамках данной работы будет проведеносравнение обменных и упругих вкладов в полную энергию взаимодействияслоев.Несмотря на наличие обширного теоретического и экспериментальногоматериала [70, 71], многие вопросы межслойного взаимодействия остаютсядо сих пор открытыми. В частности, ни в одной из известных автору работ нерассматриваютсяповерхностныеизмененияугласкосаподрешеток.Поскольку в нанослоях поверхностные явления играют первостепеннуюроль, их исследование наряду с фундаментальным представляет исущественный прикладной интерес.351.8.Упругое взаимодействие между слоямиОдним из возможных механизмов взаимодействия слоев для записиинформации является взаимодействие за счет упругих деформаций,передаваемых от слоя слою.
Под действием электрического поля происходитдеформацияслояпьезоэлектрикасегнетоэлектрика-сегнетоэластикаилиизменениевследствиедеформациипереориентациислоявектораспонтанной поляризации. Деформация передается слою ферромагнетика. Впоследнем,вследствиемагнитоупругоговзаимодействия,происходитпереориентация легкой оси и, следовательно, вектора намагниченности [13,72-74]. Вопрос переориентации легкой оси под действием деформациихорошо исследован как теоретически [75-77], так и экспериментально [7883].
Существенно, чтобы переориентация имела место только в ближайшемслое ферромагнетика, а не в обоих слоях. Для этого второй ферромагнитныйслой должен обладать высоким значением одноосной анизотропии,превосходящиманизотропию,индуцируемуюмагнитоупругимвзаимодействием.При этом, возможны два случая [11]:- Переориентация происходит между двумя положениями равновесия,существовавшимивэлектрочувствительнымотсутствиеслоемвзаимодействия(существование[73]такихсположенийравновесия будем называть бистабильностью).- Направление намагниченности ферромагнитного слоя определяетсяостаточнойдеформациейпьезоэлектрикаилиориентациейсегнетоэластических доменов [74];Впервомпредставляетизприродарассматриваемыхуказанныхслучаевположенийнаибольшийравновесияинтерес(природабистабильности).
Лучше всего для ее создания подходит область гистерезисапри ориентационном фазовом переходе первого рода, для этого нужно36синтезировать ферромагнетикс широкой областью ориентационногоперехода первого рода, лежащей при комнатной температуре, что на данныймомент не реализовано на практике.Самое простое, что можно сделать, в качестве ферромагнитного слоявыбрать слой кубического или тетрагонального кристалла с ориентацией(001) и двумя взаимно-перпендикулярными легкими осями, лежащими вплоскости слоя (срез (001) кубической или тетрагональной решетки).Приложение электрического напряжения к пьезоэлектрическому слоювызывает деформацию растяжения или сжатия в определенном направлениив зависимости от знака прикладываемого напряжения.
Смена знаканапряжения приводит к замене растяжения сжатием и меняет минимумыэнергии анизотропии местами: более выгодной становится ориентация,перпендикулярная той, которая реализовалась при растяжении. Такимобразом, прикладывая напряжение разного знака, можно ориентироватьнамагниченность ферромагнитного слоя в двух взаимно-перпендикулярныхнаправлениях, отвечающих записи «нуля» или «единицы».Недостатком описанной памяти является малое значение константыкубическойанизотропии,чтоприводитвследствиесуществованиясуперпарамагнитного порога к ограничению снизу на объем переключаемогоферромагнитного слоя. Для случая железа, объем ферромагнитного слоядолжен превосходить 2·104 нм3 [11].
Ограничения на этот размер диктуютсясуществованием суперпарамагнитного предела, то есть требованием, чтобывеличина энергетического барьера превосходила 70kBT~2 эВ (здесь kB –постоянная Больцмана, а T – абсолютная температура). То есть для слоятолщиной 2 нм его латеральные размеры должны превосходить 100 нм. Этонеудобно 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.37Таким образом, проблема состоит в создании двух стабильныхнаправлений намагниченности (бистабильности) ферромагнитного слоя,разделенныхбарьером,высотакоторогообеспечитпревышениесуперпарамагнитного порога при уменьшении размеров ячейки памяти.Имели место попытки увеличения барьера между состояниями за счетдобавления линейного по намагниченности члена (обменный сдвиг) [72],которые оказались безуспешными.
Тем не менее, определенный прогресс всфере создания бистабильных состояний в ферромагнитном слое ужедостигнут. Достаточно интересным решением является добавление вэнергию анизотропии анизотропию формы, что на практике выражается всоздании ферромагнитного слоя заранее заданной геометрической формы[84],чтопозволяетпроводить180-градусноепереключениеегонамагниченности с помощью пьезоэлектрика.В работе [85] предложен прототип памяти на основе слоевферромагнетика и пьезоэлектрика, где информация записывается в слоеферромагнетика с одноосной анизотропией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
