Диссертация (1091595), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Два равновесных состояниянамагниченности,обеспечивающиебистабильностьферромагнетика,создаются за счет использования внешнего магнитного поля, приложенногоперпендикулярно легкой оси. Их положение определяется конкуренциейэнергии одноосной анизотропии и энергии намагниченности ферромагнетикаво внешнем поле. Процесс переключения между двумя состояниями спомощью пьезоэлектрической деформации описан выше.Однако необходимость создания внешнего магнитного поля напостояннойосновенетолькозначительноусложняетконструкциюустройства памяти, но и противоречит общей концепции энергоэффективнойпамяти нового поколения, суть которой состоит в отказе от использованияэлектрических токов.
Кроме того данный вид памяти не относится кэнергонезависимым, поскольку снятие внешнего магнитного поля приведет крелаксации состояния в слое ферромагнетика и потере информации.38Если же при отсутствии взаимодействия с электрочувствительнымслоем бистабильное состояние не имеет места, то стабильность одного издвух возможных направлений намагниченности, задающих «ноль» и«единицу», обеспечивается остаточной упругой деформацией. То естьдолжениметьместогистерезис.Следует,однако,отметитьмакроскопические (миллиметровые) размеры пьезоэлектрических пластин,при которых наблюдался эффект. Эти пластины, как правило, играли рольподложки. Но при создании памяти электрочувствительный слой долженбыть индивидуален у каждого бита и иметь латеральные размерынанометрового масштаба, а общая подложка должна быть пассивнымэлементом [86].При этом мы сталкиваемся с двумя проблемами: первая – этодостижение необходимого для переключения намагниченности уровняупругойдеформации.Дляэтогоотносительныйобъемэлектрочувствительного слоя должен быть существенным.
В противномслучае, при наличии массивной подложки, деформации ослабевают [87].Вторая–этосуперпарамагнитногосохранениепороганеобходимогоуровняупругогодляпревышениягистерезисапримасштабировании размеров электрочувствительного слоя на нанометровыйдиапазон.В недавней работе [86] предложена конструкция памяти «на длиннойноге», в основе которой лежит упругое взаимодействие между слоемсегнетоэлектрика-сегнетоэластика и ферромагнитным слоем с существенныммагнитоупругимвзаимодействием.Предложеннаяпамятьпозволяетмаштабировать биты в латеральном направлении и исключает негативноевлияние подложки.Помимо двух основных механизмов взаимодействия слоев, существуюти другие более тонкие эффекты, которые будут рассмотрены далее.391.9.Другие механизмы связиЕще одним механизмом взаимодействия слоев является изменениеанизотропии ферромагнитного слоя вследствие изменения концентрациизарядов в нем вблизи границы раздела ферромагнетик-сегнетоэлектрик [8891].
Зарядовый эффект в ферромагнитном слое возникает вследствие спинзависимогоэкранированияносителямизарядасвязанныхзарядоввсегнетоэлектрике. Переполяризация сегнетоэлектрика ведет к изменениюзнака связанного электрического заряда на границе с ферромагнетиком.Противоположным направлениям вектора поляризации сегнетоэлектрикаотвечает соответственно избыток и недостаток спин-поляризованныхэлектронов ферромагнетика вблизи границы раздела с сегнетоэлектриком.Магнитные свойства ферромагнетика вблизи границы в этих двух состоянияхразличны. Эффект приводит к появлению дополнительноговклада,связанного с индуцированной зарядами анизотропией, в полную объемнуюплотностьэнергиинаправлениямферромагнитногополяризациислоя.Двумпротивоположнымсегнетоэлектрикасоответствуютпротивоположные знаки анизотропии системы{где(результирующаяферромагнитногонамагниченностьслоя,ферромагнетика,)}поверхностнаяизменениеиндуцированное зарядовым эффектом,сегнетоэлектрика, аслоя,толщинаанизотропияповерхностнойслояанизотропии,напряжение, приложенное к слоюугол между намагниченностью слоя и нормалью кслою.Приодномнаправлениисегнетоэлектрическойполяризациинамагниченность ферромагнетика лежит в плоскости слоя, а при другом –перпендикулярна слою.40Как только толщина ферромагнитного слоя достигает значенийпорядка одного нанометра эффект изменения знака анизотропии исчезает(рис.
1.14). Аналитическое выражение для длины экранирования дано вработе [88], а типичные значения составляют величину менее 0,2 нм [88-90].На сегодняшний день механизм изменения анизотропии, связанный сизменениемконцентрациизарядов,продемонстрированвомногихгетероструктурах мультиферроиков [92-96]. Важно отметить, что данныйэффект, в отличие от упругого взаимодействия, не зависит от деформации,связанной с негативным влиянием подложки, и требует приложения малогоэлектрического напряжения (<10В) для того, чтобы вызвать существенноеизменение поверхностной анизотропии – все это свидетельствует оперспективности данного направления для технических применений. Однако,тот факт, что данный эффект может наблюдаться только в очень тонкихслоях (менее 1нм), затрудняет создание устройств памяти на данномпринципе.
Их разработка является предметом дальнейших исследований вобласти многослойных наноструктур.Рисунок 1.14 Схематическое изображение характерных толщин для трехмеханизмов межслойного взаимодействияНесмотря на большой интерес к памяти нового поколения, какотмечено в одном из последних обзоров [12], механизмы, которые играютопределяющую роль в процессе переключения прототипов устройств памяти41нового поколения, до сих пор до конца не ясны.
Их выявление позволитсоздатьтехнологиюмагниторезистивнойпамяти,переключаемойэлектрическим полем, то есть решить проблему высокой плотности токов,препятствующей уменьшению размеров ячейки и увеличению емкостимагниторезистивной памяти.42Глава II. БИСТАБИЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ В МАГНИТНЫХНАНОСТРУКТУРАХКак уже отмечалось ранее, для переключения намагниченности одногоизферромагнитныхслоевиспользуетсядополнительныйэлектрочувствительный слой, соседствующий с выбранным ферромагнитнымслоем. Данная глава посвящена механизму межслойного взаимодействия,прикоторомдеформация,электрочувствительномслое,созданнаяэлектрическимпередаетсяслоюполемвферромагнетика,характеризующегося наличием бистабильного состояния.
В отсутствиевзаимодействия с электрочувствительным слоем в ферромагнитном слоеимеетсядвавзаимодействияположениясравновесия.Вследствиеэлектрочувствительныммагнитоупругогослоем,происходитпереориентация вектора намагниченности ферромагнетика между двумяположениями равновесия, которые определяют “ноль” и “единицу” дляданного типа энергонезависимой памяти.В данной главе будет рассмотрена природа бистабильности ивозможные пути увеличения удельной энергии барьера между двумястабильными состояниями с целью уменьшения размера бита [97, 98]. Стоитнапомнить, что ограничения на этот размер диктуются существованиемсуперпарамагнитного предела, то есть требованием, чтобы величинаэнергетического барьера превосходила 70kBT~2 эВ (здесь kB – постояннаяБольцмана, а T – абсолютная температура).2.1.
Две легкие оси в плоскости слояРассмотрим сначала простейший случай бистабильности, описанный вработе [11]. В качестве ферромагнитного слоя можно выбрать слойкубического или тетрагонального кристалла с ориентацией (001) и двумявзаимно-перпендикулярными легкими осями, лежащими в плоскости слоя43(срез (001) кубической или тетрагональной решетки). В отсутствиеэлектрического поля, приложенного к слою пьезоэлектрика, то есть вотсутствие деформации, обе легкие оси эквивалентны в том смысле, чтоэнергия двух взаимно-перпендикулярных направлений намагниченности,соответствующих этим легким осям, одинакова (рис. 2.1; взаимодействием совторым ферромагнитным слоем мы пренебрегаем).Рисунок.
2.1 – Зависимость энергии анизотропии от направления векторанамагниченности в плоскости слоя в отсутствие деформацииПриложение электрического напряжения к пьезоэлектрическому слоювызывает деформацию растяжения или сжатия в зависимости от знакаприкладываемогонапряжения.Возникшаядеформацияделаетнеэквивалентными вышеуказанные легкие направления намагниченности:одно из них будет обладать меньшей энергией анизотропии, чем другое (рис.2.2). С ростом электрического поля один из минимумов этой энергии можетвообще исчезнуть (рис. 2.3).44Рисунок. 2.2 – Зависимость энергии анизотропии от направления векторанамагниченности в плоскости слоя при допороговой упругой деформацииРисунок.
2.3 – Зависимость энергии анизотропии от направления векторанамагниченности в плоскости слоя при пороговой упругой деформации45Таким образом, намагниченность станет коллинеарной оставшейсялегкой оси. После снятия напряжения она не изменит своей ориентации.Смена знака напряжения приводит к замене растяжения сжатием и меняетминимумы энергии анизотропии местами: более выгодной становитсяориентация, перпендикулярная той, которая реализовалась при растяжении.Прикладываянапряженияпротивоположногознака,можноориентировать намагниченность ферромагнитного слоя в двух взаимноперпендикулярныхнаправлениях,отвечающихзаписи«нуля»или«единицы».Недостатком описанной памяти является малое значение константыкубическойанизотропии,суперпарамагнитногопереключаемогочтопорога,приводит,кферромагнитноговследствиеограничениюслоя.Длясуществованияснизуслучаянажелеза,объемобъемферромагнитного слоя должен превосходить 2·104 нм3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
