Диссертация (1103648)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
