Диссертация (1150502), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Одним из эффективныхметодов решения данных проблем является использование передачи спина электрона дляуправления намагниченностью [167]. Однако для этого необходимо инжектировать в магнитное наноустройство большие токи. Поэтому дальнейшее развитие этой идеи привело киспользованию спин-орбитального торк-эффекта для управления намагниченностью в ферромагнитных металлических наноструктурах (ФМ) приведенных в контакт с низкоразмерными системами с сильным спин-орбитальным взаимодействием Рашбы, как было предложено в теоретических работах [169, 170] и экспериментально подтверждено в [171, 172]. Дляэлектронов, движущихся в квазидвумерной системе с перпендикулярным поверхности градиентом потенциала, обусловленным асимметричным полем в кристалле, спин-орбитальноевзаимодействие приводит к формированию эффективного магнитного поля, которое способнопереключать начальную намагниченность [169, 173, 174].
Спин-орбитальное взаимодействиеРашбы приводит к возникновению неравновесной спиновой плотности пропорциональнойплотности тока, которая взаимодействует с намагниченностью посредством обменного взаимодействия и действует на нее как спиновый торк [169, 170].
Таким образом реверсноеизменение электрического тока, приложенного к системе, будет сопровождаться перемагничиванием ферромагнитной пленки. При этом было показано, что использование спинорбитального торк-эффекта для перемагничивания более эффективно, чем перемагничивание внешним магнитным полем [171]. Поэтому поиск перспективных систем со спиновойструктурой, позволяющей переключать намагниченность спин-орбитальным торк-эффектом,является актуальным направлением области спинтроники для создания наноустройств с малым энергопотреблением.В главе 4 были проведены детальные исследования электронной и спиновой структурыграфена, синтезированного на Pt(111). Показано, что на поверхности Pt(111) формируетсяквазисвободный графен с линейной дисперсией состояний в области точки K ЗБ графена,см.
рисунок 7.3 (а). При этом 5 состояния Pt локализованы непосредственно на уровне134Ферми и их гибридизация с состояниями графена приводит к спин-зависимым разрывамдисперсионных зависимостей состояний, что приводит к расщеплению состояний поспину и величина расщепления достигает 80 мэВ (рисунок 7.3 (б)). Данное расщепление состояний по спину, в комбинации с их пересечением со спин-поляризованными Pt 5 состояниями на уровне Ферми, открывает возможности применения этой системы в спинтроникедля эффективной спиновой инжекции между 5 состояниями Pt и состояниями графена исоответствующего спинового торк-эффекта.Рисунок 7.3: (а) - Конус Дирака состояний с линейной дисперсией, измеренной в перпендикулярном к ΓK направлении ЗБ графена при энергии фотонов 62 эВ.
(б) - Фотоэлектронный спектр со спиновым разрешением, измеренный при значении ‖ =0.05 Å. (в)- Схематичное представление устройства спинтроники на основе контакта графен/Ptдля генерации спиновых токов и перемагничивания ФМ наноточек, расположенных наповерхности системы графен/Pt.Формирование спиновых токов может быть использовано для индуцированного перемагничивания ферромагнитных (ФМ) наноточек, имеющих размеры характерные для устройствспинтроники, и расположенных поверх системы графен/Pt.
Проведя анализ классическойконструкции, предлагаемой в работах [171, 172, 175, 176], было предложено изменить источник формирования спиновых токов и соответствующей спиновой поляризации. В отличиеот идеи создания спиновых токов в пленке Co с последующим влиянием на магнитный момент, перпендикулярный поверхности [171, 172], в усовершенствованной модели предлагается использовать графен-содержащие системы, характеризующиеся не искаженным конусомДирака и спиновой структурой с ориентацией спинов в плоскости поверхности, и приводящие к перемагничиванию ФМ наноточек с магнитным моментом, лежащим в плоскостиповерхности.
На рисунке 7.3 (в) представлена схематично модель такого устройства в виде135полоски графен/Pt и расположенной сверху ФМ наноточки. Монослой Au введен междуФМ наноточкой и графеном для восстановления структуры конуса Дирака в графене приконтакте с ферромагнетиком (см. подробнее Главу 4). Электрическое поле, приложенное кполоске графен/Pt создает спиновый ток, который может привести к обратному намагничиванию ФМ благодаря спин-орбитальному торк-эффекту на границе между графеном и ФМ.Вследствие обменного взаимодействия, индуцированный магнитный момент будет распространяться по всему объему наноточки.
Дополнительно электрический ток, протекающийчерез Pt параллельно поверхности будет создавать спиновый ток, проникающий в ФМ посредством спинового эффекта Холла, что также будет приводить к перемагничиванию ФМнаноточки [114, 171, 175, 176].На основании экспериментальных результатов и анализа электронной и спиновой структуры графен/Pt(111) были проведены теоретические исследования и теоретические оценкина основе микромагнитного моделирования научной группой проф.
А.К. Звездина (Институтобщей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва) в рамках совместных научных исследований. Была рассмотрена система со спин-орбитальным взаимодействием типа Рашбы иГамильтонианом = ( ) − ~ ( − ), где ( ) = ~ - закон дисперсии дляэлектронов в графене. Приложенное к полоске графен/Pt электрическое поле вдоль оси (рисунок 7.3 (в)) будет приводить к формированию спинового тока вдоль оси =2 2 =~ ~(7.1)где - проводимость в графене, - постоянная Рашбы спин-орбитального взаимодействия( =80 мэВ согласно экспериментальным результатам). Спиновый ток приводит к спиновойаккумуляции, проявляющейся в виде нескомпенсированной спиновой плотности со спиновойполяризацией вдоль оси .
При этом изменение направления приложенного электрическогополя будет приводить к изменению направления спинового тока и спиновой поляризации(противоположные направления приложенного электрического поля обозначены на рисунке 7.3 (в) красной и синей стрелкой вдоль полоски графен/Pt). Учитывая, что групповаяскорость электронов на уровне Ферми составляет = 106 м/сек и проводимость графена ∼ 2 × 103 См/см, можно оценить величину электрического тока, протекающего в системе [13] и показать, что величина электрического тока, а соответственно и величина спинового тока, возникающего на поверхности системы графен/Pt не меньше, чем в случае спиновоготока, возникающего в Pt в результате спинового эффекта Холла [114, 175, 176]. Таким образом, система графен/Pt, характеризующаяся уникальной спиновой структурой может быть136эффективно использована для возбуждения спиновых токов с ориентацией спинов строгоперпендикулярно импульсу движущегося электрона.При этом спиновая аккумуляция на поверхности графен/Pt, индуцированная эффектомРашбы может рассматриваться как эффективное внутреннее магнитное поле, которое может приводить к перемагничиванию ФМ наноточек, размещенных на графене.
Для анализаданного эффекта было рассмотрено возникновение эффективного магнитного поля ( ) вмагнитной Ni-Fe пленке, индуцированного спиновым током, вследствие обменного взаимодействия состояний графена в системе графен/Pt и локального магнитного момента магнитного слоя. И это эффективное магнитное поле будет приводить к спиновому торк-эффекту⃗ × ⃗ ], влияющему на намагниченность Ni-Fe слоя [13]. Для демонстрации воз⃗ = [можности эффективного перемагничивания была проведена серия микромагнитных моделирований с использованием экспериментально обнаруженной величины спин-орбитальногорасщепления в графене и результаты представлены на рисунке 7.4. Детали теоретическогомоделирования описаны в [13].
Петли магнитного гистерезиса для Fe-Ni наноточек с размерами 50 × 50 × 20 нм3 показаны на рисунке 7.4 (а) для различных значений константыанизотропии (анизотр. ).Рисунок 7.4: (а) - Теоретические петли магнитного гистерезиса для Ni-Fe наноточекдля различных величин константы анизотропии. (б) - Критическое эффективное поле,необходимое для перемагничивания наноточек в зависимости от размеров этих наноточек для случаев магнитожесткого (сплошная линия) и магнитомягкого материала(пунктирная линия).137Как можно видеть на рисунке 7.4, даже в случае дополнительной анизотропии (для магнитожесткого материала - сплошная линия с точками на рисунке), критическое эффективноемагнитное поле для перемагничивания составляет менее 90 Эрстед, что соответствует плотности тока 1.8 ×107 А/см2 ).
В случае магнитомягкого материала (K=0) критическое эффективное магнитное поле для перемагничивания будет не более 20 Эрстед (соответствует плотности тока 4 ×106 А/см2 ). Для создания такого эффективного поля достаточно приложить кполоске графен/Pt напряжение 0.2 мВ/нм. В то же время эффективное поле перемагничивания практически не зависит от размеров наноточки для магнитожесткого материала (K̸=0)и слегка увеличивается с увеличением размеров наноточки из магнитомягкого материала(рис.7.4 (б)).Таким образом, результаты теоретического моделирования подтверждают возможностьэффективного перемагничивания ФМ наноточек различного размера и с различной анизотропией посредством эффективного магнитного поля, формируемого спиновыми токами наповерхности графен/Pt вследствие спин-орбитального взаимодействия типа Рашбы.7.3Выводы к главе 71. Показано, что классическая модель графенового спинового фильтра не может быть использована вследствие искажения электронной структуры конуса Дирака состояний графенавблизи уровня Ферми и потери уникальных транспортных характеристик графена при этом.Однако интеркаляция атомов Au под графен на Ni(111) приводит к восстановлению линейнойдисперсионной зависимости электронных состояний в графене.
В связи с этим предложенаусовершенствованная модель графенового спинового фильтра состоящая из двух электродов в виде контактов графен/Au/Ni(111) и монослоя графена, используемого для транспортаспин-поляризованных токов от одного электрода к другому.2. Показана возможность использования контакта графен/Pt для генерации спиновых токов и перемагничивания ФМ наноточек, расположенных сверху на графене. Спин-зависимыеэффекты гибридизации состояний графена и 5 состояний Pt на уровне Ферми в области точки K ЗБ графена приводят к спиновой инжекции между этими состояниями и эффективному спиновому транспорту. Благодаря формированию квазисвободного графена наповерхности Pt(111) с не искаженным конусом Дирака на уровне Ферми, предполагаетсяформирование спиновых токов в системе. Вследствие спин-орбитального торк-эффекта награнице между графеном и Ni-Fe наноточкой, формируемые спиновые токи могут привестик индуцированному перемагничиванию ФМ наноточек с магнитным моментом, направлен-138ным в плоскости поверхности.
Проведенные теоретические оценки и микромагнитное моделирование показали, что для наблюдаемой экспериментально величины спин-орбитальногорасщепления состояний 80 мэВ, создаваемого эффективного магнитного моля достаточно,чтобы перемагнитить ФМ наноточки.3. Представленные модели спиновых устройств на основе графена могут быть успешноиспользованы в спинтронике.ЗаключениеВ ходе проведенных исследований были изучены особенности электронной и спиновойструктуры низкоразмерных систем на основе графена и тонких слоев металлов с различнойструктурой валентной зоны и атомным номером. Основные результаты работы заключаютсяв следующем:1.
Обнаружено, что формируемые квантовые электронные состояния и характера впленках 3 монослоя Au/W(110) и 3 монослоя Au/Mo(110) имеют различную спиновуюструктуру, обусловленную спин-орбитальным взаимодействием. Спиновая структураквантовых электронных состояний характера описывается моделью Рашбы-Бычковадля двумерного электронного газа с расщеплением состояний с противоположнымипроекциями спина по энергии, а спиновая структура квантовых электронных состояний характера описывается моделью Красовского-Чулкова и имеет спиновую поляризациюбез расщепления состояний по энергии.2. Показано, что для монослоя Au или Cu на поверхности W(110), формируемые гибридизованные состояния в локальной запрещенной зоне подложки вольфрама расщепленыпо спину вследствие индуцированного подложкой спин-орбитального взаимодействия.При этом величина расщепления в случае Cu/W(110) больше, чем в случае Au/W(110),что определяется влиянием спин-орбитального взаимодействия в подложке и зависитот взаимно компенсирующих вкладов в спин-орбитальное взаимодействие от атомовподложки и напыленного металла.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
