Теория гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах и гранулированных сплавах

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

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

Grunberg P., Shreiber R., Pang Y., Brodsky M. B. and Sowers H. //Phys. Rev. Lett. — 1986. — V. 57. — P. 2442
Fert A. and Campbell I. A. //J. Phys. — 1976. — F6. — P. 849
Jaoul O., Campbell I. A. and Fert A. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1977. — V. 5 — P. 23
Binash G., Grunberg P., Saurenbach F. and Zinn W. //Phys. Rev. B — 1989. — V. 39. — P. 4828
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
Parkin S.S.P., More N. and Roche K. P. //Phys. Rev. Lett. —1990. — V. 64. — P. 2304
Parkin S.S.P., Bhadra R. and Roche K. P. //Phys. Rev. Lett. — 1991. —V. 66.— P. 2152
Mosca D., Petroff F., Fert A., Schroeder P. A., Pratt W. P. and Loloee R. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — LI. — P. 94
Parkin S.S.P., Li Z. G. and Smith D. J. //Appl. Phys. Lett. —1991. — V. 58. — P. 2710
Fullerton E.E., Conover M. J., Mattson J. E., Sowers C. H. and Bader S. P. //Appl. Phys. Lett. — 1993. — V. 63. — P. 1699
Shinjo T. and Yamamoto H. //J. Phys. Soc. Japan — 1990. — V. 59. — P. 3061
Chaiken A., Lubitz P., Krebs J. J., Prinz G. A. and Harford M. Z. //Appl. Phys. Lett. — 1991. — V. 59. — P. 240
Yamamoto H., Okuyama T., Dohnomae H. and Shinjo T. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — V. 99. — P. 243
Shinjo T., Yamamoto H., Anno T. and Okuyama T. //Appl. Surf. Sci. — 1992. — V. 60−61. — P. 792
Yamamoto H., Motomura Y., Anno T. and Shinjo T. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 126. — P. 437
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
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
Plenum Press, New York, 1993. — V. 309.
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
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
Dieny B., Speriosu V. S. and Metin S. //Europhys. Lett. — 1991. —V. 15.— P. 227
Dieny B., Humbert P., Speriosu V. S., and Gurney B. A. //Phys. Rev. B — 1992. — V. 45. — P. 806
Speriosu V. S., Dieny B., Humbert P., Gurney B. A. and Lefakis H. //Phys. Rev. B — 1991. — V. 44. — P. 5358
Huang T. C., Nozieres J. P., Speriosu V. S., Gurney B. A. and Lefakis H. //Appl. Phys. Lett. — 1993. — V. 62. — P. 1478
Parkin S.S.P. //Phys. Rev. Lett. — 1993. — V. 71. — P. 1641
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
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
Gijs M. A. M. and Okada M. //Phys. Rev. B — 1992. — V. 46.1. P. 2908
Dieny B. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1994. — V. 136. — P. 335
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
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
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
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
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
Gurney B. A., Baumgart P., Wilhoit D. R., Dieny B. and Spe-riosu V. S. //Journ. Appl. Phys. — 1991. — V. 70. — P. 5867
Wellock K. P., Hickey B. J., Greig D., Walker M. J., Xu J. and Wiser N. //Journ. Appl. Phys. — 1994. — V. 75. — P. 7055
Fullerton E. E., Kelly D. M., Guimpel J., Schuller I. K. and Bruynseraede Y. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 68. — P. 859
Rensing N. M., Payne A. P. and Clemens B. M. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 121. — P. 436
Takanashi K., Obi Y., Mitani Y. and Fujimore H. //J. Phys. Soc. Japan — 1992. — V. 61. — P. 1169
Fert A. and Bruno P. //Ultrathin Magnetic Structures, eds. B. Heinrich and A. Bland — Springer-Verlag, Berlin, 1992
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
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
Hsu S. Y., Barthelemy A., Holody P., Loloee R., Schroeder P. A. and Fert A. //Phys. Rev. Lett. — 1997. — V. 78. — P. 2652
Camley R. E. and Barnas J. //Phys. Rev. Lett. — 1989. — V. 63. — P. 664
Levy P. M., Zhang S. and Fert A. //Phys. Rev. Lett. — 1990.1. V. 65. — P. 1643
Zhang S., Levy P. M. and Fert A. //Phys. Rev. В — 1992. — V. 45. — P. 8689
Vedyayev A., Dieny B. and Ryzhanova N. //Europhys. Lett. — 1992. — V. 19. — P. 329
Vedyayev A., Cowache C., Ryzhanova N. and Dieny B. //J. Phys.: Cond. Matt. — 1993. — V. 5. — P. 8289
Fuchs K. //Proc. Cambridge Philos. Soc. — 1938. — V. 34. —P. 100
Sondheimer H. //Adv. Phys. — 1952. — V. 1. — P. 1
Barthelemy A. and Fert A. //Phys. Rev. В — 1991. — V. 43.1. P. 13 124
Hood R. Q. and Falicov L. M. //Phys. Rev. В — 1992. — V. 46.1. P. 8287
Johnson B. L. and Camley R. E. //Phys. Rev. В — 1991. — V. 44. — P. 9997
Duvail J. L., Fert A., Pereira L. G. and Lottis D. K. //Journ. Appl. Phys. — 1994. — V. 75. — P. 7070
Tezanovic Z., Saric M. V. and Maekawa S. //Phys. Rev. Lett.1991. —V. 44.— P. 9997
Эренрейх Г., Шварц JI. Электронная структура сплавов. — М.: Мир, 1979. — 200 с.
Рыжанова Н. В., Устинов В. В., Ведяев А. В., Котельнико-ва О. А. //ФММ — 1992. — N 3. — С. 38
Asano Y., Oguri A. and Maekawa S. //Phys. Rev. B — 1993.1. V. 48. — P. 6192
Hood R. Q., Falicov L. M. and Penn D. R. //Phys. Rev. B —1994. — V. 49. — P. 368
Barnas J. and Bruynseraede Y. //Europhys. Lett. — 1995. — V. 32. — P. 167
Barnas J. and Bruynseraede Y. //Phys. Rev. B — 1996. — V. 53.1. P. 5449
Litvinov V. I., Dugaev V. K., Willekens M. M. H. and Swagten H. J. M. //Phys. Rev. B — 1997. — V. 55. — P. 8374
Johnson M. //Phys. Rev. Lett. — 1991. — V. 67. — P. 3594
Zhang S. and Levy P. M. //Journ. Appl. Phys. — 1991. — V. 69.1. P. 4786
Bauer G. E. W. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 69. — P. 1676
Ustinov V. V. and Kravtsov E. A. //J. Phys.: Cond. Matt. —1995. — V. 7. — P. 3471
CaHffOMnpcKHH B. B. //5K3T
Moruzzi V. L., Janak J. F. and Williams A. R. Calculated Electronic Properties of Metals. — Pergamon press, New York, 1978
Brouers F., Vedyayev A. and Giorgino M. //Phys. Rev. B — 1973. — V. 7. — P. 380
Okuno S. N. and Inomata K. //Phys. Rev. Lett. — 1994. — V. 72. — P. 1553
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
Xiao J. Q., Jiang J. S. and Chien C. L. //Phys. Rev. B — 1992.1. V. 46. — P. 9266
Wang J. Q. and Xiao G. //Phys. Rev. B — 1994. — V. 49.
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
Xiao G., Wang J. Q. and Xiong P. //Appl. Phys. Lett. — 1993.1. V. 62. — P. 420
Zhang S. and Levy P. M. //Journ. Appl. Phys. — 1993. — V. 73.1. P. 5315
Camblong H. E., Levy P. M. and Zhang S. //Phys. Rev. B — 1995. — V. 51. — P. 16 052
Sheng L., Wang Z. D., Xing D. J. and Jian-Xin Zhu //Z. Phys. B — 1996. — V. 100. — P. 469
C.L.Kane, R.A.Serota and P.A.Lee // Phys. Rev. B — 1988. — V. 37. — P. 6701
Zhang S. and Levy P. M. //Phys. Rev. Lett. — 1996. — V. 77.1. P. 916
Brouers F. //J. Phys. C — 1986. — V. 19. — P. 7183
Vedyayev A., Dieny B., Ryzhanova N., Genin J. B. and Cow-ache C. //Europhys. Lett. — 1994. — V. 25. — P. 465
Asano Y., Oguri A. and Maekawa S. //Phys. Rev. B — 1994.1. V. 49. — P. 12 381

Заполнить форму текущей работой