Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Теория гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах и гранулированных сплавах

Диссертация: Теория гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах и гранулированных сплавах
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Исследования ГМС в магнитных многослойных структурах проводятся в двух геометриях: параллельной (CIP — current in plane) и перпендикулярной (СРР — current perpendicular to plane). Для теоретического описания явления ГМС в магнитных многослойных и гранулированных системах используется два подхода: квазиклассический, основанный на решении кинетического уравнения, и квантовый, базирующийся… Читать ещё >

Содержание

  • 1. Литературный обзор
    • 1. 1. Гигантское магнитосопротивление в магнитных многослойных структурах
      • 1. 1. 1. Эксперимент
      • 1. 1. 2. Теория
    • 1. 2. Квантовые размерные эффекты в системах с гигантским магнит о сопротивлением
    • 1. 3. Гигантское магнитосопротивление в магнитных гранулированных сплавах
  • 2. Обобщенная теория гигантского магнитосопроти-вления в магнитных сэндвичах
    • 2. 1. Постановка задачи
    • 2. 2. Гигантское магнитосопротивление в перпендикулярной геометрии
    • 2. 3. Гигантское магнитосопротивление в параллельной геометрии
    • 2. 4. Выводы
  • 3. Квантовые размерные эффекты в магнитных сэндвичах
  • 4. Квантово-статистическая теория гигантского маг-нитосопротивления в магнитных гранулированных сплавах
    • 4. 1. Модель
    • 4. 2. Расчет
    • 4. 3. Обсуждение и
  • выводы

Теория гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах и гранулированных сплавах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Бурное развитие технологии в последнее время привело к созданию ультратонких пленок с практически совершенной кристаллической структурой, на основе которых стало возможным создание принципиально новых магнитных материалов: магнитных многослойных структур, сверхрешеток и гранулированных сплавов. Открытие эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) в таких системах дало мощный импульс работам по созданию магнит орезистивных датчиков и магнитных считывающих устройств. Эффект ГМС наблюдается во многих многослойных структурах, в которых магнитные слои (Ре, Со, №Ге и др.) разделены немагнитными металлическими слоями (напр., Сг, Си) толщиной порядка нескольких нанометров, а также в гранулированных сплавах, представляющих собой композитную среду, в которой ферромагнитные гранулы распределены в немагнитной матрице. Величина эффекта определяется как ДЯ/Д = (К (Н=0) — Д (Я = Нзаг)/ЩН = Я"*), где Д (Я^) и Я (Я = 0) — сопротивления во внешнем магнитном поле и при отсутствии последнего соответственно. Гигантские значения магнитосопротивления, достигающие более 100% при низких температурах, в сочетании с ультрамалыми толщинами мультислоев и гранулированных пленок обусловливают перспективность таких структур для создания нового поколения магнитных головок и магнитных сенсоров, элементов спиновой электроники и магниторезистивной памяти.

Исследования ГМС в магнитных многослойных структурах проводятся в двух геометриях: параллельной (CIP — current in plane) и перпендикулярной (СРР — current perpendicular to plane). Для теоретического описания явления ГМС в магнитных многослойных и гранулированных системах используется два подхода: квазиклассический, основанный на решении кинетического уравнения, и квантовый, базирующийся на формализме Кубо, позволяющий выявить пределы квазиклассического подхода и учесть квантовые размерные эффекты. Физической основой ГМС является спин-зависящее рассеяние электронов проводимости в объеме ферромагнитных материалов и на поверхности раздела (интерфейсах) слоев или гранул и матрицы. Однако до настоящего времени остается неясным, какой из этих механизмов рассеяния является доминирующим. Значительно прояснить картину может обобщенное теоретическое исследование ГМС в параллельной и перпендикулярной геометриях в рамках единой, унифицированной модели и при одних и тех же микроскопических параметрах, характеризующих процессы объемного и поверхностного рассеяния электронов. В настоящей работе такое исследование проводится с использованием квантового подхода, позволяющего учесть процессы отражения электронов проводимости от потенциальных барьеров в интерфейсах, что приводит к возможности рассмотрения связанных с этим квантовых размерных эффектов. Размерные эффекты играют важную роль при формировании ГМС и в гранулированных сплавах, однако в работах, посвященных теоретическому описанию ГМС в этих системах используются подходы, основанные на концепции самоусреднения, не пригодной в случае реальных магнитно-неоднородных систем. В связи с этим возникает необходимость теоретического исследования ГМС гранулированных сплавов без использования концепции самоусреднения и с учетом классического размерного эффекта.

Такие исследования позволят получить дополнительную информацию об особенностях спин-зависящего рассеяния, а также проверить и дополнить развитые представления о природе ГМС.

Целью данной диссертационной работы явилось:

1. Построение обобщенной квантово-статистической теории ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах в параллельной и перпендикулярной геометриях и исследование относительной роли спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в объеме ферромагнитных слоев и в интерфейсах.

2. Исследование влияния на ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах квантовых размерных эффектов, связанных с процессами отражения электронов от внешних и внутренних границ (интерфейсов).

3. Построение квантово-статистической теории ГМС в магнитных гранулированных сплавах с учетом классических размерных эффектов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.

Заключение

.

В заключение приведем основные результаты диссертации.

1. В диссертации впервые в рамках формализма Кубо и метода функций Грина разработана обобщенная квантово-статистическая теория ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах в параллельной и перпендикулярной геометриях с использованием одних и тех же микроскопических параметров рассеяния электронов и определены характерные для каждой геометрии зависимости величины ГМС от амплитуды спин-зависящего рассеяния электронов в интерфейсах. А именно, в случае параллельной геометрии зависимость величины ГМС от амплитуды спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в интерфейсах является немонотонной вследствие перенормировки поверхностного спин-зависящего потенциала рассеяния. В случае перпендикулярной геометрии эта зависимость является монотонно возрастающей или убывающей.

2. Исследована проблема относительной роли объемного и поверхностного спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в параллельной геометрии и показано, что процессы спин-зависящего рассеяния электронов проводимости на поверхности раздела слоев могут давать значительный вклад в ГМС только в случае незначительной спиновой асимметрии рассеяния элетронов в объеме ферромагнитных слоев.

3. Отражение электронов от спин-зависящих потенциальных барьеров в интерфейсах приводит к осцилляциям в зависимости ГМС в параллельной геометрии от толщины феррои парамагнитных слоев. Эти осцилляции могут иметь сложный вид, связанный с различными процессами интерференции, возникающими из-за отражения электронов как от внутренних, так и внешних границ.

4. В рамках формализма Кубо и метода функций Грина разработана квантово-статистическая теория ГМС магнитных гранулированных сплавов с учетом спин-зависящего размерного эффекта, позволяющая объяснить экспериментальные данные. Показано, что проводимость и ГМС магнитных гранулированных сплавов не может описываться с помощью концепции самоусреднения в случае, когда размеры ферромагнитных гранул и (или) расстояния между ними сравнимы со средней длиной свободного пробега электронов проводимости (что характерно для реальных сплавов с ГМС). Учет размерных эффектов, обусловленных спин-зависящим рассеянием электронов проводимости в объеме и на поверхности гранул приводит к немонотонной зависимости величны ГМС от среднего размера магнитных частиц. Наличие характерного размера гранул, при котором ГМС достигает максимального значения, обусловлено оптимальным соотношением относительных вкладов объемного и поверхностного спин-зависящего рассеяния электронов.

Результаты, полученные в диссертации могут быть использованы в качестве научной основы для оптимизации характеристик магнитных считывающих устройств, основанных на ГМС.

Результаты диссертации изложены в следующих работах:

1*. Уес1уауеу А., Меуе! В., КугЬапоуа ТвЫеу М., Б1епу В.,.

Chamberaux A., Brouers F. Quantum statistical theory of giant magnetoresistance in magnetic heterogeneous alloys // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 1996. — V .164. — P. 91−98.

2*. Vedyayev A., Chshiev M., Ryzhanova N., Dieny В., Cowache C., Brouers F. A unified theory of current in plane and current perpendicular to the plane magnetoresistance in magnetic sandwiches // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 1997. — V. 172. — P. 53−60.

3*. Vedyayev A., Ryzhanova N., Chshiev M., Dieny B. The Influence of Interface Scattering on Giant Magnetoresistance in Magnetic Multilayers // Book of Abstracts of NATO ASI «Frontiers in Magnetism of Reduced Dimension Systems». — Sanatorium «Frunzenskoe», Partenit, Crimea, Ukraine, 25 May — 3 June 1997. — Abstract 0−2.

4*. Vedyayev A., Chshiev M., Tsidaeva N. Influence of interfaces on giant magnetoresistance in magnetic multilayers // NATO Advanced Research Workshop, 2 International Workshop «Itinerant Electron Magnetism: Fluctuation Effects and Critical Phenomena». — Moscow, 15−19 September, 1997. — P. 34.

5*. Vedyayev A., Chshiev M., Ryzhanova N., Dieny В., Cowache C., Brouers F. The unified theory of giant magnetoresistance in magnetic multilayers // Programme and Abstract Booklet of International Conference on Magnetism «The Symposium on Strongly Correlated Electron Systems». — Cairns Convention Centre Australia, 27 July — 1 August, 1997. — Abstract E2−1.

В заключение хочу выразить глубокую признательность Анатолию Владимировичу Ведяеву за руководство, всестороннюю помощь и внимание при выполнении данной работы. Искренне благодарю Александра Борисовича Грановского за ценные консультации во время работы.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Grunberg P., Shreiber R., Pang Y., Brodsky M. B. and Sowers H. //Phys. Rev. Lett. — 1986. — V. 57. — P. 2442
  2. Fert A. and Campbell I. A. //J. Phys. — 1976. — F6. — P. 849
  3. Jaoul O., Campbell I. A. and Fert A. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1977. — V. 5 — P. 23
  4. Binash G., Grunberg P., Saurenbach F. and Zinn W. //Phys. Rev. B — 1989. — V. 39. — P. 4828
  5. Baibich M. N., Broto J. M., Fert A., Nguyen Van Dau F., Petroff F., Eitenne P., Creuzet G., Friederich A. and Chazelas J. //Phys. Rev. Lett. — 1988. — V. 61. — P. 2472
  6. Parkin S.S.P., More N. and Roche K. P. //Phys. Rev. Lett. —1990. — V. 64. — P. 2304
  7. Parkin S.S.P., Bhadra R. and Roche K. P. //Phys. Rev. Lett. — 1991. —V. 66.— P. 2152
  8. Mosca D., Petroff F., Fert A., Schroeder P. A., Pratt W. P. and Loloee R. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — LI. — P. 94
  9. Parkin S.S.P., Li Z. G. and Smith D. J. //Appl. Phys. Lett. —1991. — V. 58. — P. 2710
  10. Fullerton E.E., Conover M. J., Mattson J. E., Sowers C. H. and Bader S. P. //Appl. Phys. Lett. — 1993. — V. 63. — P. 1699
  11. Shinjo T. and Yamamoto H. //J. Phys. Soc. Japan — 1990. — V. 59. — P. 3061
  12. Chaiken A., Lubitz P., Krebs J. J., Prinz G. A. and Harford M. Z. //Appl. Phys. Lett. — 1991. — V. 59. — P. 240
  13. Yamamoto H., Okuyama T., Dohnomae H. and Shinjo T. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — V. 99. — P. 243
  14. Shinjo T., Yamamoto H., Anno T. and Okuyama T. //Appl. Surf. Sci. — 1992. — V. 60−61. — P. 792
  15. Yamamoto H., Motomura Y., Anno T. and Shinjo T. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 126. — P. 437
  16. Dieny B., Speriosu V. S., Parkin S. S. P., Gurney B. A., Wil-hoit D. R. and Mauri D. //Phys. Rev. B — 1991. — V. 43. — P. 1297
  17. Dieny B., Speriosu V. S., Nozieres J. P., Gurney B. A., Vedyayev A. and Ryzhanova N. //Magnetism and Structure in Systems of Reduced Dimension, NATO ASI Ser. B: Physics
  18. Plenum Press, New York, 1993. — V. 309.
  19. Dieny B., Speriosu V. S., Gurney B. A., Parkin S. S. P., Wil-hoit D. R., Roche K. P., Metin S., Peterson D. T. and Nadimi S. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — V. 93. — P. 101
  20. Dieny B., Speriosu V. S., Metin S., Parkin S. S. P., Gurney B. A., Baumgart P. and Wilhoit D. R. //Journ. Appl. Phys. — 1991.1. V. 69. — P. 4792
  21. Dieny B., Speriosu V. S. and Metin S. //Europhys. Lett. — 1991. —V. 15.— P. 227
  22. Dieny B., Humbert P., Speriosu V. S., and Gurney B. A. //Phys. Rev. B — 1992. — V. 45. — P. 806
  23. Speriosu V. S., Dieny B., Humbert P., Gurney B. A. and Lefakis H. //Phys. Rev. B — 1991. — V. 44. — P. 5358
  24. Huang T. C., Nozieres J. P., Speriosu V. S., Gurney B. A. and Lefakis H. //Appl. Phys. Lett. — 1993. — V. 62. — P. 1478
  25. Parkin S.S.P. //Phys. Rev. Lett. — 1993. — V. 71. — P. 1641
  26. Petroff F., Barthelemy A., Hamzich A., Fert A., Eitenne P., Lequien S. and Creuzet G. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991.1. V. 93. — P. 95
  27. Mattson J. E., Brubaker M. E., Sowers C. H., Conover M. J., Qui Z. and Bader S. P. //Phys. Rev. B — 1991. — V. 44. — P. 9378
  28. Gijs M. A. M. and Okada M. //Phys. Rev. B — 1992. — V. 46.1. P. 2908
  29. B. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1994. — V. 136. — P. 335
  30. Pratt W. P. Jr., Lee S.- F., Slaughter J. M., Loloee R., Schroed-er P. A. and Bass J. //Phys. Rev. Lett. — 1991. — V. 66. — P. 3060
  31. Pratt W. P. Jr., Lee S.- F., Yang Q., Holody D., Loloee R., Schroeder P. A. and Bass J. //Journ. Appl. Phys. — 1993. — V. 73. — P. 5326
  32. Schroeder P. A., Bass J., Holody D., Lee S.- F., Loloee R., Pratt W. P. Jr. and Yang Q. //Magnetism and Structure in Systems of Reduced Dimension, NATO ASI Ser. B: Physics — Plenum Press, New York, 1993. — V. 309. — P. 129
  33. Pratt W. P. Jr., Lee S.- F., Holody D., Yang Q., Loloee R., Bass J. and Schroeder P. A. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 126. — P. 406
  34. Gijs M. A. M., Lenczowski S. K. J. and Giesbers J. B. //Phys. Rev. Lett. — 1993. — V. 70. — P. 33 431. vy P. M. //Solid State Physics — 1994. — V. 47. — P. 367
  35. Gurney B. A., Baumgart P., Wilhoit D. R., Dieny B. and Spe-riosu V. S. //Journ. Appl. Phys. — 1991. — V. 70. — P. 5867
  36. Wellock K. P., Hickey B. J., Greig D., Walker M. J., Xu J. and Wiser N. //Journ. Appl. Phys. — 1994. — V. 75. — P. 7055
  37. Fullerton E. E., Kelly D. M., Guimpel J., Schuller I. K. and Bruynseraede Y. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 68. — P. 859
  38. Rensing N. M., Payne A. P. and Clemens B. M. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 121. — P. 436
  39. Takanashi K., Obi Y., Mitani Y. and Fujimore H. //J. Phys. Soc. Japan — 1992. — V. 61. — P. 1169
  40. Fert A. and Bruno P. //Ultrathin Magnetic Structures, eds. B. Heinrich and A. Bland — Springer-Verlag, Berlin, 1992
  41. Speriosu V. S., Nozieres J. P., Gurney B. A., Dieny B., Huang T. C. and Lefakis H. //Phys. Rev. B — 1993. — V. 47. — P. 11 579
  42. Valet T. and Fert A. //Phys. Rev. B — 1993. — V. 48. — P. 701. e S.- F., Pratt W. P. Jr., Yang Q., Holody D., Loloee R., Schroeder P. A. and Bass J. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — LI — P. 118
  43. Hsu S. Y., Barthelemy A., Holody P., Loloee R., Schroeder P. A. and Fert A. //Phys. Rev. Lett. — 1997. — V. 78. — P. 2652
  44. Camley R. E. and Barnas J. //Phys. Rev. Lett. — 1989. — V. 63. — P. 664
  45. Levy P. M., Zhang S. and Fert A. //Phys. Rev. Lett. — 1990.1. V. 65. — P. 1643
  46. Zhang S., Levy P. M. and Fert A. //Phys. Rev. В — 1992. — V. 45. — P. 8689
  47. Vedyayev A., Dieny B. and Ryzhanova N. //Europhys. Lett. — 1992. — V. 19. — P. 329
  48. Vedyayev A., Cowache C., Ryzhanova N. and Dieny B. //J. Phys.: Cond. Matt. — 1993. — V. 5. — P. 8289
  49. K. //Proc. Cambridge Philos. Soc. — 1938. — V. 34. —P. 100
  50. H. //Adv. Phys. — 1952. — V. 1. — P. 1
  51. Barthelemy A. and Fert A. //Phys. Rev. В — 1991. — V. 43.1. P. 13 124
  52. Hood R. Q. and Falicov L. M. //Phys. Rev. В — 1992. — V. 46.1. P. 8287
  53. Johnson B. L. and Camley R. E. //Phys. Rev. В — 1991. — V. 44. — P. 9997
  54. Duvail J. L., Fert A., Pereira L. G. and Lottis D. K. //Journ. Appl. Phys. — 1994. — V. 75. — P. 7070
  55. Tezanovic Z., Saric M. V. and Maekawa S. //Phys. Rev. Lett.1991. —V. 44.— P. 9997
  56. Г., Шварц JI. Электронная структура сплавов. — М.: Мир, 1979. — 200 с.
  57. Н. В., Устинов В. В., Ведяев А. В., Котельнико-ва О. А. //ФММ — 1992. — N 3. — С. 38
  58. Asano Y., Oguri A. and Maekawa S. //Phys. Rev. B — 1993.1. V. 48. — P. 6192
  59. Hood R. Q., Falicov L. M. and Penn D. R. //Phys. Rev. B —1994. — V. 49. — P. 368
  60. Barnas J. and Bruynseraede Y. //Europhys. Lett. — 1995. — V. 32. — P. 167
  61. Barnas J. and Bruynseraede Y. //Phys. Rev. B — 1996. — V. 53.1. P. 5449
  62. Litvinov V. I., Dugaev V. K., Willekens M. M. H. and Swagten H. J. M. //Phys. Rev. B — 1997. — V. 55. — P. 8374
  63. M. //Phys. Rev. Lett. — 1991. — V. 67. — P. 3594
  64. Zhang S. and Levy P. M. //Journ. Appl. Phys. — 1991. — V. 69.1. P. 4786
  65. Bauer G. E. W. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 69. — P. 1676
  66. Ustinov V. V. and Kravtsov E. A. //J. Phys.: Cond. Matt. —1995. — V. 7. — P. 3471
  67. CaHffOMnpcKHH B. B. //5K3T
  68. Moruzzi V. L., Janak J. F. and Williams A. R. Calculated Electronic Properties of Metals. — Pergamon press, New York, 1978
  69. Brouers F., Vedyayev A. and Giorgino M. //Phys. Rev. B — 1973. — V. 7. — P. 380
  70. Okuno S. N. and Inomata K. //Phys. Rev. Lett. — 1994. — V. 72. — P. 1553
  71. Berkowitz A. E., Mitchell J. R., Carey M. J., Young A. P., Zhang S., Spada F.E., Parker F. T., Hutten A. and Thomas G. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 68. — P. 3745
  72. Xiao J. Q., Jiang J. S. and Chien C. L. //Phys. Rev. B — 1992.1. V. 46. — P. 9266
  73. Wang J. Q. and Xiao G. //Phys. Rev. B — 1994. — V. 49.
  74. Parkin S. S. P., Farrow R. F. C., Rabedeau T. A., Marks R. F., Harp G. R., Lam Q., Chappert C., Toney M. F., Savoy R. and Geiss R. //Europhys. Lett. — 1993. — V. 22. — P. 455
  75. Xiao G., Wang J. Q. and Xiong P. //Appl. Phys. Lett. — 1993.1. V. 62. — P. 420
  76. Zhang S. and Levy P. M. //Journ. Appl. Phys. — 1993. — V. 73.1. P. 5315
  77. Camblong H. E., Levy P. M. and Zhang S. //Phys. Rev. B — 1995. — V. 51. — P. 16 052
  78. Sheng L., Wang Z. D., Xing D. J. and Jian-Xin Zhu //Z. Phys. B — 1996. — V. 100. — P. 469
  79. C.L.Kane, R.A.Serota and P.A.Lee // Phys. Rev. B — 1988. — V. 37. — P. 6701
  80. Zhang S. and Levy P. M. //Phys. Rev. Lett. — 1996. — V. 77.1. P. 916
  81. F. //J. Phys. C — 1986. — V. 19. — P. 7183
  82. Vedyayev A., Dieny B., Ryzhanova N., Genin J. B. and Cow-ache C. //Europhys. Lett. — 1994. — V. 25. — P. 465
  83. Asano Y., Oguri A. and Maekawa S. //Phys. Rev. B — 1994.1. V. 49. — P. 12 381
Заполнить форму текущей работой

На отлично!