Диссертация (1103648), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Поэтому в следующей части обзора особое внимание будет обращено на условияобразования, физические свойства ДГ и их возможные применения.1.4Доменные границы и возможности их примененияВ материалах, имеющих сегнетоэлектрическое или магнитное упорядоче⃗ или ⃗ ) можно изменять,ние, направление вектора параметра порядка (прикладывая внешнее поле. В отсутствие поля разные направления являютсяэнергетически эквивалентными, поэтому в образце конечных размеров появляются домены – области, где вектор параметра порядка направлен одинаково– и доменные границы, их разделяющие. Такое самопроизвольное разбиениепризвано уменьшить энергию полей размагничивания/деполяризации.22Доменные границы имеют свойства, отличные от свойств доменов, а ихконцентрация растет с уменьшением размеров образца (закон Киттеля [56]),поэтому в определенных случаях характеристики материала существенно зависят от свойств ДГ.
Например, сегнетоэлектрические границы могут значительно повлиять на диэлектрическую проницаемость [57], пьезоэффект [58]и фотогальванический эффект [59] вещества. Отметим, что доменные границы являются подвижными структурами – приложение внешнего поля сдвигает их, увеличивая размеры доменов, которые энергетически более выгодныи уменьшая размеры остальных. Эта особенность границ делает их весьмапривлекательными для практических приложений.Внутренняя структура магнитной доменной границы впервые была установлена Ландау и Лифшицем в 1935 году на примере системы с однооснойанизотропией [60].
Полученное ими распределение вектора намагниченностиназывается доменной границей Блоха, ее изображение приведено в разделе1.2. Более поздние исследования показали, что в реальных системах структура ДГ сложнее – отличие от чисто блоховской или чисто неелевской структурыможет быть обусловлено полями размагничивания и более сложным характером магнитной анизотропии.Важно отметить, что скорость движения магнитных ДГ внутри материала может быть очень высокой – от десятков до тысяч метров в секунду [61].Это связано с тем, что такое движение является переориентацией спинов, а неперемещением массы.
Кроме того, магнитные доменные границы представляют собой естественный барьер между двумя противоположными (для 180градусных границ) направлениями вектора намагниченности, которые можно принять за представление логических 0 и 1. Эти обстоятельства делаютмагнитные ДГ перспективными кандидатами на роль тех структур, управление которыми может лежать в основе следующего поколения спинтрон-23ных устройств.
Рассмотрим подробнее несколько публикаций, посвященныхуправлению магнитными доменными границами.Авторами [62] предложена концепция создания целого набора элементов логических цепей из пермаллоевых проволок субмикронного размера(рис. 1.8). Если поместить схему из таких элементов во вращающееся магнитное поле, перпендикулярное плоскости схемы, доменные границы в нейприходят в движение.
Двум логическим состояниям соответствуют два направления намагниченности, а требуемое поведение границ достигается подбором геометрии проволок. Внешнее магнитное поле выполняет роли элемента питания и генератора тактовой частоты. Приведенные в работе цепи“ (см.”рис. 1.9) требуют сравнительно малых управляющих полей (∼ 80 Э), поэтомуэнергетические затраты на одну операцию составляют ∼ 10−5 пДж. Последняя величина на несколько порядков меньше, чем энергия, которая необходима для современных устройств, основанных на кремниевой технологии.
Болеетого, предложенные схемы полностью сохраняют свое состояние в отсутствиепитания, что весьма привлекательно с практической точки зрения.Недостатком предложенных схем является возрастание анизотропии формыпри уменьшении размеров проволок, что влечет за собой пропорциональноеувеличение управляющего магнитного поля. Также часть узлов в этих схемахвключает в себя элементы, где проволока расщепляется надвое или две проволоки пересекаются, прохождение подобных узлов будет связано со снижением скорости границы. Тем не менее, авторы дают оценку времени прохождения одного узла в 0.1-2 нс, подобные времена характерны для современныхзапоминающих устройств.
Еще одним недостатком является необходимостьдополнительных исследований по сопряжению представленных схем с традиционными полупроводниковыми устройствами.24Рисунок 1.8: Таблица соответствия между логическими элементами электрических схем,их реализацией в традиционной электронике и реализациейна основе логики доменных границ“ [62]”Упомянутых выше максимальных скоростей движения ДГ удается достичьв единичных случаях.
Ряд исследований направлен на поиск механизмов, позволяющих ускорить движение границ в тех веществах или тех геометриях,которые интересны для практического применения. В качестве примера можно отметить работу [63]. В ней авторам удалось предотвратить трансформа-25(а)(б)Рисунок 1.9: Пример схемы на доменных границах, содержащей элементы И и НЕ (а) инаправление намагниченности (сигнал) в разных точках схемы, полученное при помощимагнитооптического эффекта Керра (б).ции во внутренней структуры ДГ и достигнуть высоких скоростей движенияв продвигающем поле, большем, чем поле Уокера.
В исходном экспериментеграница двигалась внутри дорожки из пермаллоя шириной в 100 нм, нанесенной на подложку из кремния. В такой дорожке граница представляет собойтреугольную область, с намагниченностью, лежащей в плоскости подложкиперпендикулярно оси дорожки (легкой оси). При напряженности продвигающего магнитного поля, большей поля Уокера, в границе возникает магнитныйантивихрь, который переключает направление разворота намагниченности вгранице. Такой процесс происходит периодически и приводит к колебанияммгновенной скорости ДГ и резкому уменьшению ее средней скорости.
Для того, чтобы подавить изменение структуры границы, исследователи добавили кисходной дорожке гребенку из пермаллоевых полосок такой же ширины, перпендикулярных ей (рис. 1.10а). Намагниченность в зубцах“ гребенки лежит”в плоскости структуры и направлена перпендикулярно дорожке.26(а)(б)Рисунок 1.10: (а) – изображение исходной дорожки (сверху) и гребенчатой структуры спериодом 150 нм (снизу) [63].
(б) – графики средней скорости движения ДГ в исходнойдорожке и гребенчатых структурах с разным периодом между зубцамиВ эксперименте наблюдается значительное увеличение скорости движенияграницы при прохождении гребенки по сравнению со скоростью движенияв голой“ дорожке. Влияние гребенчатой структуры двояко. Во-первых, ча”стое расположение зубцов приводит к наклону векторов намагниченности вдорожке в направлении, перпендикулярном ее оси, что уменьшает угол разворота намагниченности внутри границы.
Моделирование показывает, что этоприводит к росту максимальной скорости границы выше уокеровского предела. Также моделирование показывает, что воздействие одной пары зубцовгребенки на границу сходно с действием дефектов (шероховатостей) в тонкойпермаллоевой дорожке, изученных в [64]: при прохождении границей зубцовобласти, в которых велика компонента вектора намагниченности, перпендикулярная рассматриваемой структуре, являющиеся зародышами антивихрей,изменяющих киральность ДГ, уменьшаются в размерах за счет испусканияспиновых волн в зубцы гребенки. Периодическое прохождение ДГ через пары зубцов полностью исключает образование антивихрей, что и приводит кнаблюдаемому росту средней скорости границы (рис.
1.10б).27Пропускание спин-поляризованного тока через магнитный материал такжеприводит доменные границы в движение – механизм этого явления называется переносом спинового момента (spin-torque-transfer, STT). Действие этогомеханизма на ДГ можно разделить на две компоненты: первая компонента (неадиабатическая) действует как магнитное поле, направленное вдоль оси легкого намагничивания. Вторую компоненту (адиабатическую) можно описать, какполе, направленное вдоль оси трудного намагничивания, перпендикулярнойнаправлению вектора намагниченности внутри границы (рис. 1.11а). Несмотря на более сложный, по сравнению с внешним магнитным полем, характервоздействия переноса спинового момента на ДГ, ее движение имеет те жеособенности, в первую очередь, падение скорости выше уокеровского предела.
Скорость движения границы ниже уокеровского предела пропорциональнастепени неадиабатичности STT (), но в материалах с большим значением уменьшается величина силы тока, при которой наступает турбулентный режимдвижения ДГ ( ∝ |1 − /|−1 ).Авторы [65] демонстрируют возможность избежать перехода к этому режиму путем использования композитного материала со структурной асимметрией. В изложенном в работе эксперименте была исследована подобнаяструктура, состоящая из трех слоев (Pt(3 нм)/Co(0.6 нм)/)AlOx (2 нм)); доменная граница двигалась внутри среднего слоя. Было показано, что для выбранного материала характерна высокая неадиабатичность переноса спинового момента ≈ 1, а структурная асимметрия гетероструктуры приводит к тому, что пропускание спин-поляризованного тока через нее порождаетэффективное магнитное поле, обусловленное эффектом Рашбы (снятие вырождения по спину, возникающее из-за сильного спин-орбитального взаимодействия).
Это магнитное поле направлено перпендикулярно оси проволоки(в плоскости структуры) и удерживает структуру границы от периодическойсмены киральности при движении (рис. 1.11а). В эксперименте подвижность28(а)(б)(в)Рисунок 1.11: Движение ДГ под действием спин-поляризованного тока [65].(a) –магнитооптическое изображение гетероструктуры Pt(3 нм)/Co(0.6 нм)/)AlOx (2 нм) (слева;черные и белые участки соответствуют доменам с противоположным направлениемнамагниченности), структура ДГ (справа вверху). Справа внизу – направление моментовсилы, действующих на ДГ (тонкие красные стрелки), и эффективное магнитное поле,обусловленное эффектом Рашбы ( ). (б) – зависимость смещения ДГ от длины импульсатока.
(в) – зависимость скорости ДГ от плотности тока.ДГ выходит на насыщение с ростом плотности спин-поляризованного тока,но значение скорости при этом примерно вдвое выше, чем при использовании внешнего магнитного поля (рис. 1.11в). Наиболее контролируемо границысмещаются при использовании коротких импульсов тока высокой плотности( ∼ 3 × 1012 А/м2 ). Авторами [66] также были исследованы условия для наи29более быстрого перемещения доменных границ, обусловленного передачейспинового момента. При помощи численного моделирования были найденынаиболее эффективные сочетания типа доменной границы и геометрии структуры, в которой, благодаря спиновому эффекту Холла или эффекту Рашбы,удается избежать перехода к турбулентному режиму движения границы.Иной подход к управлению скоростью доменных границ изложен в [67].В данной работе исследовались тонкие магнитные пленки со структуройPt/ AlOx/ Co, имеющие анизотропию, перпендикулярную плоскости пленки.Пленки располагались на подложках из SiOx (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
