Электрическое управление микромагнитными неоднородностями как новый принцип работы устройств магнитной электроники (1105264), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Этот вкладописывается следующим выражением: [︂ (︂)︂(︂)︂]︂ 2 − − −.=(2)Основываясь на этом, автор провел микромагнитное моделирование жизненного цикла (зарождения, стабилизации и уничтожения) магнитных вихрей в субмикронной частице в статическом электрическом поле. Расчет проводился в микромагнитном пакете SpinPM [21].
Автор разработал дополнительный модуль, учитывающий вклад неоднородного МЭ взаимодействия (2).В качестве объекта была выбрана цилиндрическая частица магнитного диэлектрика диаметром около 100 нм с анизотропией типа «легкая плос12кость». Намагниченность насыщения в частицы варьировалась в пределах5 ∝ 50 Э, обменная константа — 3 · 10−7 эрг/см, а константа анизотропии1 = −105 эрг/см3 . Эти параметры типичны для магнитных диэлектриковс высокой температурой магнитного упорядочения, к примеру, феррита висмута.Геометрия численного эксперимента показана на рис. 1.
К частице прикладывалось электрическое поле, моделирующее поле заряженной нити, проходящей перпендикулярно частице через ее центр. Радиус частицы R составлял 120 нм, высота H — 10 нм, диаметр нити d — 5 нм. Шаг расчетной схемыпо осям x и y составлял 2 нм, по оси z разбиение на элементарные интервалыне производилось.Отметим, что, как видно из формулы 2, при полностью однородном состоянии намагниченности в частице будет равно нулю: первый член вскобках будет равен нулю из-за однородности m, а второй член в потенциальном электрическом поле также будет равен нулю. Поэтому в частицу былавведена небольшая область с дефектом намагниченности, чтобы избавитьсяот такой «патовой» ситуации.
Этот прием физически оправдан из-за наличиябольшого числа дефектов в кристаллической решетке магнетиков.Моделирование показало, что напряжения в 150 В позволяют зарождатьвихри в частице, в свободном состоянии имеющей квазиоднородное распределение намагниченности. При приложении напряжения противоположногознака в частице зарождается антивихрь — топологический антипод вихря(рис. 2). Он имеет противоположный топологический заряд : полное изменение полярного угла наклона намагниченности по контуру, окружающемуцентр вихря (для однородного состояния = 0).Зависимость топологического заряда частицы от электрического поляимеет гистерезисный вид (рис.
3), причем зависимость асимметрична тембольше, чем больше влияние полей размагничивания. В материале с большойнамагниченностью насыщения можно добиться существования двух метастабильных состояний при нулевом электрическом поле, что может служитьосновой для устройств энергонезависимой магнитной памяти.В процессе переключения намагниченности в частице наблюдаются ос13а)б)Рис. 1.
Геометрия численного эксперимента по электрическому управлению вихрем в магнитной частице. R и H — радиус и высота частицы, d — диаметр электрода, подводящегонапряжение (нити). (а) Геометрия эксперимента, состояние частицы в отсутствие потенциала на игле. (б) Зарождение вихревого состояния частицы при положительном потенциалена электроде. Радиальными стрелками показано направление электрического поля.цилляторные движения ядра вихря в частотами порядка 1–10 ГГц, частота которых зависит от напряженности приложенного электрического поля,что делает возможным электрическую модуляцию частоты генераторов СВЧизлучения, основанных на движении магнитных вихрей.Во второй главе содержится описание и результаты экспериментов поперемещению доменных границ и вертикальных блоховских линий статическим электрическим полем в эпитаксиальных пленках ферритов гранатов.Как показано в первой главе, эти структуры в веществе с неоднороднымМЭ взаимодействием должны обладать электрической поляризацией и бытьподвержены действию электрического поля.
В качестве образцов были выбраны эпитаксиальные пленки феррита граната (BiLu)3 (FeGa)5 O12 (толщинапорядка 10 мкм), выращенные на подложках из гадолиний-галлиевого грана14а)б)в)Рис. 2. Состояние намагниченности в частице: (а) при отсутствии напряжения на электроде, (б) при положительном напряжении, (в) при отрицательном напряжении.
Стрелкамипоказаны направления намагниченности, усредненные по четырем соседним расчетнымячейкам. В правой части частицы видны искажения, вызванные дефектом.Рис. 3. Гистерезисная зависимость топологического заряда частицы S от электрическогонапряжения, приложенного к электроду, при двух значениях намагниченности насыщенияматериала.та Gd3 Ga5 O12 с различной кристаллографической ориентацией [22]. Толщинаподложки составляла ∼ 0,5 мм.
Для создания электрического поля большойнапряженности в диэлектрической пленке феррита граната использоваласьмедная проволока толщиной ∼ 50 мкм с заостренным концом, касающаяся15поверхности образца (рис. 4). Диаметр острия получаемой «иглы» составлял∼ 20 мкм.Рис. 4. Схематическое изображение геометрии эксперимента, конфигураций электрического поля и намагниченности.
Электрическое поле (силовые линии показаны штриховымистрелками) формируется в диэлектрической среде образца между иглой (1) и диафрагмой из металлической фольги (2), выполняющей роль заземляющего электрода; максимальной напряженности (свыше 1 МВ/см) поле достигает в магнитной пленке (3) вблизииглы, быстро спадая в толще подложки (4), и у заземленного электрода (2) не превышает600 В/см. Широкими стрелками показано распределение намагниченности в пленке: доменная стенка разделяет два домена с противоположным направлением намагниченности.Острие иглы касается поверхности феррит-граната вблизи места расположения доменнойграницы.
Волнистыми стрелками показана лазерная подсветка, 5 — объектив микроскопа.Для наблюдения доменной структуры был использован магнитооптический поляризационный метод, основанный на эффекте Фарадея. Для наблюдения в проходящем свете в заземляющем электроде было сделано отверстиедиаметром ∼ 0.3 мм. Изображение магнитной структуры через микроскопфокусировалось на фотокатод электронно-оптического усилителя яркости исчитывалось с его экрана ПЗС-камерой, соединенной с персональным компьютером.В эксперименте фиксировалось статическое распределение намагниченности до и после включения электрического поля. В результате измерений16были получены пары изображений (кадров), снятые при различной полярности электрического напряжения и положении иглы.
При подаче постоянногонапряжения величиной в 100–1500 В между иглой и подложкой наблюдалосьлокальное смещение доменной стенки в месте расположения иглы (рис. 5).Наблюдались обратимые (исчезающие при снятии напряжения) смещениястенки на расстояния вплоть до 5 мкм, а также необратимые смещения.Рис. 5. Смещение доменной стенки под действием электрического поля. 1 — игла, 2 —доменная стенка, светлые области — однородно намагниченные домены. Штриховой линией (зеленой в цветной версии) показано исходное положение стенки (при напряжении = 0).
Левое положение (красным в цветной версии) — положение при = +500 В,правое положение (синим) — при = −500 В.Было проведено исследование динамики движения доменных границ вполе электрического импульса с коротким фронтом при помощи метода высокоскоростной фотографии с синхронизованной лазерной подсветкой, котороепозволило определить скорость движения доменных границ: 14 ± 3, 29 ± 5 и44 ± 4 м/с при напряжениях в 200, 300 и 400 вольт соответственно (рис.
6).Константа неоднородного МЭ взаимодействия для пленок феррита граната(210), рассчитанная на основе полученных данных, составила 10−6√︀эрг/см.Качественные особенности эффекта дают дополнительные сведения об17Рис. 6. Зависимость положения доменной границы, движущейся под действием импульса электрического поля, от времени.
а) Фотографии положения доменной границы (2) вмомент включения электрического импульса, через 50 и 100 нс после включения импульса. 1 — игла. б) Графики движения стенок (зависимости смещения от времени) при трехзначениях амплитуды электрического импульса: 200, 300 и 400 В.исследуемой системе. Наличие эффекта в пленках с ориентацией подложки(210) и (110) при отсутствии в пленках (111) подтверждает влияние анизотропии на доменные стенки в пленках ферритов гранатов: они не являютсяни чисто блоховскими, ни чисто неелевскими, поскольку намагниченность вдоменах наклонена под углом к нормали пленки [23]. Четность эффекта понамагниченности и нечетность по электрическому полю позволяет отличитьнеоднородный МЭ эффект от других эффектов, которые могли бы вызыватьсмещения доменных границ.Также было продемонстрировано влияние электрического поля на ВБЛ.В главах 1 и 2 были описаны эффекты, дающие возможность изменятьнамагниченность в веществе статическим электрическим полем.
Такая возможность привлекательна для создания устройств магнитной электроники,таких как ячейки MRAM (магнитной памяти произвольного доступа). Однако к подобным устройствам предъявляются такие требования, как быстродействие, малая диссипация энергии, малые размеры, низкие управляющиенапряжения.
Для прогноза успешности и пригодности устройств, основанных18на неоднородном магнитоэлектрическом эффекте, для задач магнитной электроники, необходимо оценить их соответствие этим требованиям.В третьей главе были представлены схемы работы устройств, которыемогут быть основаны на эффектах, описанных в главах 1 и 2, и сделаныоценки их свойств.а)б)Рис. 7. Ячейка памяти, управляемая электрическим полем. В слое магнитного диэлектрика с большим неоднородным МЭ эффектом созданы 2 дефекта, задающие два метастабильных положения доменной стенки, между которыми ее можно перемещать электрическимполем. Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
