Исследование спиновых волн в текстурированных ферромагнитных пленочных структурах

Ферромагнитные многослойные системы, а также текстурированные структуры представляют интерес для исследования вследствие многообразия их применений, в частности, в области записи и хранения информации. Одним из новых видов таких структур являются двухслойные металлические текстурированные структуры, состоящие из двух магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой.

Основным достоинством магнитной памяти является высокая скорость считывания и записи информации. Быстрый рост скорости работы процессоров приводит к необходимости записи гигабитов информации в доли секунды. Это означает, что магнитная система возбуждается в гигагерцовом диапазоне, что ведет к неизбежному образованию спиновых волн. Образование спиновых волн может оказывать сильное влияние на свойства магнитной памяти, а также накладывать ограничение на увеличение рабочей частоты и уменьшение размеров элементов памяти. В связи с этим возникает необходимость изучения свойств спиновых волн в магнитных элементах, которые могут быть использованы в системах памяти.

Для минимизации общего размера' магнитной памяти пространственное разделение элементов должно быть как можно меньше. При слишком близком расположении элементов друг к другу из-за их взаимодействия через динамические дипольные поля вместо индивидуальных резонансов могут образовываться коллективные моды спиновых колебаний и волн. В связи с этим необходимо предотвратить влияние соседних магнитных элементов друг на друга, так как такое влияние может играть важную роль в ограничении скорости переключения элемента памяти. Взаимодействие через переменные поля возникает также между слоями многослойной текстурированной структуры. Из сказанного понятен интерес к исследованию явлений взаимодействия между магнитными слоями.

К моменту начала работы над диссертацией были разработаны методы расчета спектра спиновых волн ферромагнитных пленок и многослойных ферромагнитных структур, а также было проведено их экспериментальное изучение. Вместе с тем, анализ литературы показал, что спектр спиновых волн двухслойных текстурированных структур был изучен крайне фрагментарно. Оставался также неисследованным эффект образования коллективных мод в однослойных текстурированных структурах.

Целью диссертационной работы является исследование спектра спиновых волн двухслойных текстурированных структур, а также исследование эффекта формирования коллективных мод в спектре спиновых волн однослойной текстурированной структуры и полосковых пленочных структур.

В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования являются:

1. Разработка методов расчета спектра спиновых волн ферромагнитных металлических текстурированных пленок различной геометрии.

2. Теоретическое исследование дисперсии спиновых волн в двухслойных ферромагнитных металлических текстурированных структурах различной геометрии без обменного взаимодействия между магнитными слоями.

3. Теоретическое исследование дисперсии спиновых волн в двухслойных ферромагнитных металлических текстурированных структурах с обменным взаимодействием между магнитными слоями.

4. Теоретическое исследование эффекта формирования коллективных мод в спектре спиновых волн однослойной текстурированной структуры и полосковых пленочных структур.

5. Экспериментальное исследование спиновых волн в двухслойных ферромагнитных металлических текстурированных структурах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Для случая симметричной двухслойной ферромагнитной металлической системы выведено дисперсионное уравнение, описывающее спектр спиновых волн при одновременном учёте диполь-дипольного и обменного взаимодействий.

2. Разработан численно-аналитический метод расчета спектра спиновых волн ферромагнитных текстурированных структур.

3. На основе разработанного метода теоретически исследована дисперсия спиновых волн двухслойных ферромагнитных текстурированных структур различной геометрии без обменного взаимодействия, а также текстурированных двухслойных структур с учетом диполь-дипольного и обменного взаимодействия между магнитными слоями.

4. Теоретически исследован эффект формирования коллективных мод в спектре спиновых волн однослойной текстурированной структуры, а также полосковых пленочных структур, состоящих из однослойных полосок с разным значением намагниченности насыщения, размещенных чередующимся образом. Изучено влияние анизотропии на спектр спиновых волн полосковых пленочных структур.

5. Получены экспериментальные данные о дисперсии спиновых волн, распространяющихся в двухслойных ферромагнитных металлических текстурированных структурах, подтвердившие правильность развитого теоретического метода.

Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:

1. В спектре спиновых волн текстурированной двухслойной структуры возникает «квантование» симметричной и антисимметричной моды, вызванное ограничением ширины ферромагнитных полосок. Этот эффект экспериментально подтверждается для симметричных структур с характеристическим параметром KL>0.5, в то время как другие структуры показывают «квантование» только симметричной моды.

2. Асимметрия текстурированных двухслойных ферромагнитных структур приводит к гибридизации симметричных и антисимметричных мод спиновых волн при выполнении условия фазового синхронизма. Этот эффект не позволяет экспериментально идентифицировать симметричную и антисимметричную моды.

3. Теоретический анализ распределения динамической намагниченности по ширине ферромагнитных полосок показывает, что «закрепление» мод на краях полосок зависит от природы каждой моды. Динамическая намагниченность антисимметричной моды на краях полосок оказывается практически равной нулюэто означает, что моды «закреплены» на краях структуры. Напротив, для симметричных мод динамическая намагниченность остается ненулевойэто означает, что моды слабо закреплены на краях структуры. Данный эффект наблюдается во всех типах рассматриваемых ферромагнитных структур.

4. В бипериодических пленочных структурах, состоящих из двух изотропных материалов с разной намагниченностью насыщения (например,' железа и пермаллоя), спектр спиновых волн представляет собой два вида локализованных мод. При наличии анизотропии одного из материалов (например, кобальта в структуре пермаллой-кобальт) возникают коллективные моды за счет диполыюй связи между полосками.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

1. Получены расчетные соотношения и разработана программа вычислений спектра спиновых волн текструрированных структур, которые могут быть использованы для проектирования элементов магнитной памяти.

2. Теоретически предложенный численно-аналитический метод позволяет рассчитывать спектр поверхностных спиновых волн двухслойных ферромагнитных текстурированных пленок с касательной намагниченностью различной геометрии. При использовании разработанного метода время расчета сокращается до нескольких минут, тогда как из литературных данных следует, что для расчета искомых характеристик такого рода структур при помощи существующих численных методоп время расчета составляет десятки часов.

Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в частности, «Third International Conference on Magnetic and Superconducting Materials» (Monastir, Тунис, 2003), на конференции «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2004), на конференции «9eme Colloque Louis Neel» (Autrans, Франция, 2004), на конференции «International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena» (Санкт-Петербург, 2004), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (2004 и 2005), на ежегодных молодежных конференциях «Политехнический симпозиум» (Санкт-Петербург 2003 и 2005). Кроме того, результаты работы были представлены в Университете «Париж 13» (Франция, 2005).

По теме диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 3-х приложений и списка литературы, включающего 54 наименования. Основная часть.

Выводы по главе 4.

Наиболее существенные результаты, полученные в четвертой главе, следующие:

1. Проведено экспериментальное изучение двухслойной магнитной структуры типа Fe/Au/Fe. Структуры были исследованы при помощи спектроскопии Бриллюэна. При этом эксперименты были проведены на двухслойных структурах и текстурированных двухслойных структурах с различной толщиной немагнитного слоя. Таким образом, были исследованы спектры спиновых волн в структурах как с дипольным, так и с ^ обменным взаимодействием между магнитными слоями. Результаты исследования показали, что спектр спиновых волн в таких структурах имеет два типа дисперсионных кривых, отвечающих симметричной и антисимметричной модам.

2. Проведено сопоставление экспериментальных результатов, полученных на сплошных и текстурированных двухслойных структурах, с теоретическими расчетами. Данные экспериментальных измерений, полученные как в случае только дипольного взаимодействия, так и в случае сильного обменного взаимодействия между магнитными слоями, находятся в хорошем соответствии с результатами расчетов, проведенных в главе 2.

3. Вид дисперсионных кривых, отвечающих симметричной и антисисимметричной модам, полученный теоретически, подтверждается экспериментально. Симметричная мода обладает сильной дисперсией, а антисимметричная имеет слабую дисперсию.

4. Экспериментально показано, что в случае обменного взаимодействия между магнитными слоями в спектре двухслойной структуры при значениях волнового вектора АГН=2.98 * 104 см" 1 дисперсионные кривые пересекаются, тем самым образуя зону расталкивания" мод. В этой зоне симметричная и антисимметричная моды имеют «смешанные» характеристики. Данный эффект также подтверждается теоретически численными расчетами для двухслойной структуры и расчетами, проведенными в главе 2 для текстурированной двухслойной структуры.

5. Экспериментально установлено, что в случае обменного взаимодействия между магнитными слоями частоты симметричной моды практически совпадают с частотами симметричной моды для случая, обусловленного только дипольным взаимодействием, тогда как значения частоты антисимметричной моды значительно увеличиваются. Этот вывод подтверждается теоретическими расчетами, проведенными в главе 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Наиболее важные результаты, полученные в диссертационном исследовании, следующие:

1. Выведена система интегро-дифференциальных уравнений, описывающих спектр спиновых волн двухслойных текстурированных структур. Проведен численный расчет спектров поверхностных спиновых волн двухслойных магнитных текстурированных структур с касательной намагниченностью. Расчет основан на предложенном методе решения интегро-дифференциальных уравнений с применением метода Нистрома.

2. Получено интегральное уравнение для ферромагнитных текстурированных пленок с учетом диполыюго взаимодействия между полосками. Проведен анализ влияния расстояния между полосками с одинаковой намагниченностью насыщения на дипольное взаимодействие между ними в текстурированной пленке.

3. Выведена система интегрально-дифференциальных уравнений для случая полосковой пленочной структуры связанных полосок с разной намагниченностью насыщения. Полученные уравнения позволяют произвести численный расчет спектра спиновых волн полосковой пленочной структуры, состоящей из однослойных полосок различной намагниченности.

4. Проведен теоретический анализ спектра спиновых волн полосковых пленочных структур, состоящих из изотропных полосок с разной намагниченностью насыщения.

5. Исследовано влияние анизотропии на спектр спиновых волн полосковых пленочных структур, имеющих разную намагниченность насыщения.

6. Проведены экспериментальные исследования ферромагнитных двухслойных и текстурированных двухслойных структур. Данные экспериментальных исследований находятся в хорошем соответствии с результатами расчетов, выполненных на основе разработанной теории.