Диссертация (1145326), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Эффект IMR имеет положительные значения и обладает температурно-пиковымхарактером. Температурная локализация эффекта зависит от концентрации Co и можетсдвигатьсяприложеннымэлектрическимполем.ДлягетероструктурSiO2 (Co)/GaAs с 71 at.% Co при лавинном процессе значение IMR достигает 1000(105 %) при комнатной температуре, что на два-три порядка выше максимальных значений GMR в магнитных металлических мультислойных структурах и TMR в структурах на основе магнитных туннельных контактов. С другой стороны, для гетероструктурTiO2 (Co)/GaAs, SiO2 (Co)/Si магнитосопротивление очень мало (4% для SiO2 (Co)/Si), адля пленок SiO2 (Co) оно имеет отрицательные величины.(6) Эффект IMR объясняется формированием спин-зависимого потенциального барьера в полупроводнике. Спин-зависимый барьер формируется в обогащенном электронномслое в полупроводнике вблизи интерфейса, благодаря обменному взаимодействию между336электронами обогащенного слоя в полупроводнике и d-электронами Co.
Действие спинзависимого потенциального барьера усиливается рассеянием электронов назад на обменнорасщепленных уровнях квантовой ямы (обогащенного слоя), образованной в интерфейснойобласти полупроводника, и накоплением заряда в яме. Приложенное магнитное поле увеличивает высоту барьера и понижает его прозрачность. Развитая модель объясняет наблюдаемые экспериментальные результаты.
Наличие локализованных электронных состоянийв обогащенном слое приводит к его температурно-пиковой зависимости в SiO2 (Co)/GaAs.Это проявляется в температурно-пиковом характере эффекта IMR. Максимумы IMR пиков соответствуют одиночному обменно-расщепленному уровню в обогащенном слое.
Ширина температурных пиков обратно пропорциональна поверхностному распределению частиц Co на интерфейсе. В противоположность этому, в структурах SiO2 (Co)/Si обогащенный слой имеет малую толщину без локализованных состояний, является туннельнопрозрачным и не влияет на протекающий ток.(7)БольшиезначениямагнитосопротивлениявгетероструктурахSiO2 (Co)/GaAs при лавинном процессе в GaAs могут быть объяснены процессом ударной ионизации, на развитие которого влияет спин-зависимый потенциальный барьер. Врезультате процесса ударной ионизации, индуцированной инжектированными электронами, образуются дырки, которые движутся к барьеру и аккумулируются в его области.Наличие дырок в области барьера понижает его высоту, увеличивает ток, протекающийчерез барьер, и приводит к усилению лавинного процесса.
Благодаря сформированной положительной обратной связи, малые изменения высоты барьера приводят к значительнымизменениям тока.(8) Гетероструктуры ферромагнетик/полупроводник с квантовыми ямами, содержащимиспин-поляризованные локализованные электроны в полупроводнике около интерфейса, могут рассматриваться как перспективные комнатно-температурные спиновые инжекторы.При развитии лавинного процесса эти гетероструктуры, содержащие дырочные ловушкив области спин-зависимого потенциального барьера в квантовых ямах, могут применятьсякак эффективные магнитные сенсоры.337Заключение. Основные результаты работы(1) Построены диаграммные разложения для квантовых систем с внутренней Ли-групповой динамикой.
Диаграммная техника основана на разложении производящего функционала для температурных функций Грина, определяемого через дифференциальныефункциональные уравнения. Решения дифференциальных функциональных уравненийнайдены в форме рядов, члены которых соответствуют диаграммам. Преимуществом развитой диаграммной техники является возможность нахождения эффективных кластерныхаппроксимаций для моделей с сильными локальными взаимодействиями. Диаграммнаятехника обобщена на квантовые модели на топологически нетривиальных многообразиях.Топологическая нетривиальность многообразия, на котором действует квантовая система и выражающаяся в нетривиальных когомологиях, приводит к существованию новыхквазичастиц и дополнительных возбуждений системы.(2) На основе развитой диаграммной техники получено диаграммное разложение для спиновой системы, описываемой моделью Гейзенберга с обменным и магнитным дипольнымвзаимодействиями с внутренней динамической группой Ли Spin(3).
Выведены обобщенные уравнения Ландау-Лифшица, которые имеют псевдодифференциальную форму. Благодаря дальнодействующему характеру, относительно слабое магнитное дипольное взаимодействие трансформирует спинволновой спектр в спектр дискретных мод, зависящийот размерности и формы ферромагнитного образца.(3) Установлено, что в рамках рассматриваемой модели Гейзенберга с обменным и магнитным дипольным взаимодействиями магнитное дипольное взаимодействие дает главныйвклад в релаксацию длинноволновых спиновых волн и однородной прецессии в ферромагнитном образце по сравнению с обменным взаимодействием. Благодаря магнитному дипольному взаимодействию, затухание спиновых волн определяется диаграммами в однокольцевом приближении, которое соответствует распаду и слиянию двух спиновых волн.Обменное взаимодействие дает нетривиальный вклад в затухание только в двухкольцевом приближении и этот вклад является малым.
Найдено, что затухание уменьшается сувеличением величины магнитного поля и растет пропорционально увеличению температуры. Обнаружено, что в ферромагнитных пленках наноразмерной толщины при толщинепленки меньшей определенного значения запрещен процесс слияния спинволновых мод идолжны наблюдаться слабозатухающие спиновые волны. Наличие таких волн открываетвозможность построения спинволновых приборов наноразмерного масштаба (фильтров,линий задержек), работающих в СВЧ диапазоне и обладающих малыми потерями.(4) Спиновые возбуждения в гранулированных структурах с ферромагнитными наночастицами в диэлектрической матрице значительно отличаются от спиновых возбуждений338объемных ферромагнитных образцов.
Найдено, что спектр спиновых возбуждений гранулированной структуры с ферромагнитными металлическими наночастицами в аморфнойматрице состоит из спинволновых возбуждений гранул и спин-поляризационных возбуждений. При спин-поляризационных возбуждениях изменение направления спина гранулысопровождается переходом электрона между двумя подуровнями расщепленного локализованного состояния в матрице и изменением поляризации этого локализованного состояния. Благодаря этому механизму, названному спин-поляризационной релаксацией, гранулированные структуры обладают аномально большим коэффициентом затухания спиновых возбуждений и большой шириной линии ФМР. Спин-поляризационная релаксациязначительно превышает собственную релаксацию модели Гейзенберга с обменным и магнитным дипольным взаимодействиями.(5) Спин-поляризационная релаксация зависит от числа локализованных электронныхсостояний в матрице.
В СВЧ диапазоне обменно расщепленные уровни электронов локализованных состояний в матрице, участвующие в спин-поляризационной релаксации,имеют величину расщепления равную энергии СВЧ кванта и расположены далеко от гранул. При увеличении концентрации гранул увеличивается обменное расщепление уровнейлокализованных состояний, проистекающее от соседних гранул, что приводит к уменьшению магнитно активных уровней с расщеплением равным энергии СВЧ кванта и куменьшению коэффициента затухания с ростом концентрации магнитных гранул.
Экспериментальное подтверждение уменьшения коэффициента затухания спиновых возбуждений с ростом концентрации магнитных гранул наблюдалось на гранулированных пленкахa-SiO2 с наночастицами сплава (Co0.4 Fe0.4 B0.2 ) и с наночастицами Co. На структурах aSiO2 (Co0.4 Fe0.4 B0.2 ) наблюдалось уменьшение коэффициента затухания, связанное с уменьшением числа локализованных электронных состояний в матрице после отжига.(6) Спиновая разупорядоченность в гранулированных структурах с ферромагнитныминаночастицами приводит к существенному изменению дисперсионных кривых спиновыхволн и к появлению дополнительных ветвей. В рамках модели Гейзенберга с магнитнымдипольным и обменным взаимодействиями между спинами развита теория длинноволновых спиновых волн и найдены дисперсионные кривые спиновых волн в зависимости отпараметров порядка в неупорядоченных магнитных системах.
Найдено, что в неупорядоченных магнитных системах появляются продольные спинволновые моды. Продольныемоды характеризуются изменением плотности магнитного момента. В ферромагнитно упорядоченных структурах продольные моды вырождены и не наблюдаются.(7) Установлено, что главными факторами, влияющими на дисперсию спиновых волн вгранулированных наноструктурах, являются проводимость и магнитные параметры структуры. Эти факторы по-разному изменяют форму дисперсионных кривых, что дает воз339можность определения их магнитных и электрических характеристик. Решение задачиопределения этих характеристик из дисперсионных зависимостей спиновых волн позволило развить метод спинволновой спектроскопии. Методом спинволновой спектроскопииисследованы структуры a-C:H(Cu), SiO2 с наночастицами Co, ZnO(Co), BaTiO3 с наночастицами Ni, a-C:H с наночастицами Co и структуры SiO2 с гранулами Co86 Nb12 Ta2 .
Обнаружено влияние подложки GaAs, приводящее к ферромагнитному упорядочению спиновнаночастиц Co вблизи интерфейса в структурах SiO2 (Co)/GaAs.(8) В гранулированных структурах с металлическими наночастицами при достаточнобольшой прозрачности туннельных барьеров между наночастицами образуются кластерные электронные состояния (КЭС). КЭС формируются из волновых функций s-, p-электронов оболочек атомов металлических частиц, когда волновые функции электронов, находящихся на уровне Ферми, расплываются и локализуются на группе (кластере) частиц.Ниже порога перколяции КЭС имеют ограниченные размеры и определяют области проводимости.
Выше порога перколяции размеры КЭС становятся неограниченными и КЭСобразует бесконечный проводящий кластер. Формирование КЭС влияет на электронныйтранспорт в гранулированных структурах. Обнаружены экспериментальные факты, которые объясняются образованием КЭС: пики проводимости на температурной зависимоститока при понижении температуры в сильных электрических полях, переходы из изолирующего состояния в проводящее при действии электрического поля, обратные переходыпри снятии поля, гистерезис вольт-амперных характеристик и релаксация проводимости.(9) Для гранулированных структур с металлическими наночастицами, находящимися ниже порога перколяции, из температурных зависимостей проводимости найдено число локализованных состояний в матрице, через которые проходит туннелирование между КЭС.Существенную роль в механизме проводимости играют процессы неупругого резонансноготуннелирования через цепочку локализованных состояний в аморфном слое между КЭСвблизи уровня Ферми с разбросом энергий порядка kT .
Источниками локализованныхсостояний являются дефекты матрицы и границ раздела гранула - матрица.(10) Образование КЭС приводит к изменениям диэлектрической проницаемости ε в гранулированных структурах, что было экспериментально подтверждено исследованиями напленках a-SiO2 с наночастицами сплава (Co40 Fe40 B20 ) и пленках a-C:H с наночастицамиCu. В области перколяционного порога, где КЭС образует бесконечный проводящий кластер, наблюдается резкое повышение диэлектрической проницаемости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
