Магнитосопротивление наногетероструктур различной геометрии

Бурное развитие в области нанотехнологий привело к созданию новой области в физике твердого тела — спинтроники, основная идея которой состоит в том, чтобы использовать не только заряд электрона, но его спин. Наличие такой дополнительной «степени свободы», а также возможность управлять устройствами спинтроники с помощью внешнего магнитного поля, может позволить подобным устройствам расширить функциональные возможности уже существующих и будущих устройств микроэлектроники.

Спинтроника имеет хорошие перспективы в таких областях как запись и считывание информации, создание магнитной памяти. Более того, открываются фантастические возможности в новых областях физики, а именно, в квантовых вычислениях и для квантовой передачи информации [1, 2].

Основой для создания элементов спинтроники являются — эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС), наблюдающийся в слоистых структурах, в которых магнитные слои (Fe, Со, Ni и др.) разделены немагнитными металлическими слоями (например Си, Сг). Эффект магнитосопротивления заключается в изменении электрического сопротивления образцов во внешнем магнитном поле. Физической основой ГМС является спин-зависящее рассеяние электронов проводимости в объеме ферромагнитного материала и на поверхности раздела слоев (интерфейсе).

Эффект ГМС был открыт сравнительно недавно в 1988 году [3, 4]. За этим открытием последовали многочисленные экспериментальные и теоретические исследования. К настоящему моменту основные особенности эффекта исследованы экспериментально и уже созданы устройства на их основе. Имеется обширная литература по теоретической интерпретации этого эффекта. Однако дальнейшее развитие устройств на его основе, требует создания новых структур, сочетающих высокую величину эффекта и удовлетворяющих дополнительным требованиям (минимальный размер, низкие поля, хорошая воспроизводимость). Возникают новые задачи корректного описания эффекта в таких усложненных структурах.

Кроме того, важной проблемой является возможность совмещения новых элементов спинтроники и традиционных полупроводниковых компонентов в одном устройстве, что позволило бы значительно расширить возможности спинтроники. Одной из важнейших задач в этом направлении является инжекция спин-поляризованного тока в полупроводник, что позволит совместить магнитное накопление информации и электрическое считывание в одном полупроводниковом устройстве.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется не только перспективами практического использования исследуемых эффектов, но и немаловажным фундаментальным аспектом этих исследований. Данная диссертация и посвящена теоретическому исследованию этих проблем.

В главе 1 дан обзор теоретических и экспериментальных работ, относящихся к теме диссертации.

Вторая оригинальная глава посвящена развитию метода Кубо и функций Грина для расчета проводимости многослойных наноструктур. Обосновывается использование понятия «эффективного поля» вместо вычисления «вершинной поправки», а также возможность применения данного метода для учета рассеяния с переворотом спина.

В третьей главе проводится расчет зависимости проводимости ламинированной многослойной структуры от величины ее параметров.

Четвертая глава посвящена теоретическому обоснованию возможности инжекции спина из ферромагнитного металла в полупроводник через потенциальный и барьеры Шоттки. Представлены результаты численного расчета коэффициента инжекции спин-поляризованного тока при наличии потенциального и барьера Шоттки.

В связи со сказанным выше, все эти проблемы являются актуальными, и их решение может помочь и в совершенствовании современных электронных устройств.

Целью данной работы является:

1. Обоснование использования представления «эффективного поля» для расчета кинетических эффектов в многослойных структурах.

2. Исследование гигантского магнитосопротивления (ГМС) ламинированных структур.

3. Расчет эффективности инжекции спин-поляризованного тока из ферромагнитного метала в полупроводник через потенциальный барьер в присутствии барьера Шоттки.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

1. В диссертации впервые в рамках формализма Кубо и метода функций Грина показана эквивалентность вычисления «вершинной поправки» и нахождения «эффективного поля» при расчете проводимости гетероструктур.

2. Разработана методика расчета проводимости многослойных структур методом Кубо при наличии процессов рассеяния электронов с переворотом спина (спин-флипа).

3. Проведен квантовомеханический расчет гигантского магнитосопро-тивления ламинированной многослойной структуры. Данные материалы перспективны для создания датчиков и магнитных считывающих устройств. Впервые в расчете в рамкахформализма Кубо и метода функций Грина учтены процессы рассеяния электронов с переворотом спина.

4. Исследовано влияние туннельного и Шоттки барьеров на инжекцию спин-поляризованного тока из ферромагнитного металла в полупроводник.

Результаты, полученные в диссертации, могут послужить стимулом для создания наногетероструктур с повышенным значением ГМС, а также к дальнейшему развитию теории туннелирования через неоднородные изолирующие барьеры.

Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Усовершенствована методика расчета проводимости многослойных структур методом Кубо. Это позволило корректно учесть вклад от так называемой «вершинной поправки» в проводимость. Получено явное выражение эффективного поля через вершинную поправку. Также была получена возможность учесть процессы рассеяния электронов с переворотом спина.

2. Теоретически показана возможность получения большой величины гигантского магнитосопротивления в ламинированной наногетероструктуре вида (M/F)n/Mbu//er/(F/M)OT, где F — слои ферромагнитного металла, а М — немагнитного металла, n, m — число повторяющихся бислоев. Толщины F слоев в наборах (M/F)n выбираются достаточно малыми бА) так, чтобы соседние F слои имели ферромагнитную связь, а толщина (Мег слоя — большая 20А), для того чтобы общие намагниченности (M/F)n и (F/M)m могли меняться от параллельной до антипараллельной ориентации внешним магнитным полем порядка нескольких эрстед. В такой структуре свойства спин-вентильных структур с гигантским магнитосопротивле-нием усиливаются из-за наличия дополнительного спин-зависящего рассеяния и отражения электронов от интерфейсов M/F, поэтому в них можно ожидать значительного увеличения величины ГМС. Это связано с тем, что ввиду обменного расщепления зон для электронов со спинами «вверх» и «вниз» условия отражения от интерфейсов для них различны. В диссертации с помощью численных методов расчета с использованием формализма Кубо и метода функций Грина была найдена нелокальная проводимость системы при двух взаимных ориентациях намагниченностей и при различных толщинах М — слоев в наборах (M/F)n. Расчет показал, что действительно наблюдается усиление эффекта гигантского магнитосопротивления, хотя и не такое значительное, как можно было ожидать, если учесть наличие процессов спин-флипа.

3. Теоретически исследована возможность достижения значительной величины инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник с использованием структуры ферромагнетик/туннельный контакт/барьер Шоттки/полупроводник. Расчет производился численно с использованием той же техники функций Грина, что и для ламинированных структур, с соответствующими модификациями, для учета непрерывного изменения потенциала в барьере Шоттки. С помощью перечисленных методов исследована зависимость коэффициента инжекции тока от параметров структуры. Расчет показал, что в подобной системе коэффициент инжекции спин-поляризованного тока может достигать значительной величины. Полученные результаты могут служить стимулом для создания устройств спиновой электроники на базе обычных полупроводников, например, магнитной оперативной памяти.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ведяев А. В., Жуков И. В., Котельникова О. А., Пугач Н. Г. Баллистическое контактное магнетосопротивление в магнитных сэндвичах // Школа-Семинар новые магнитные материалы микроэлектроники НМММ XVII, МГУ им. М. В. Ломоносова физический факультет. — Москва, 20 июня — 23 июня 2000. — С. 638.

2. Жуков И. В., Ведяев А. В. Формализм Кубо в теории электронного транспорта в наногетероструктрах // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. — 2003. — N. 2. — С. 46−50.

3. Vedyayev А. V., Zhukov I. V. Formalism Kybo in theory of electronic transport in nanogeterostructures // Moscow International Symposium on Magnetism. — Moscow, 2002. — P. 63.

4. Vedyayev A. V., Dieny В., Ryzhanova N. V., Zhukov I. V., Zhuravlev M. Ye., Lutz H. O. Injection of spin-polarized current into semiconductor // Moscow International Symposium on Magnetism. — Moscow, 2002. — P. 11.

5. Vedyayev A. V., Dieny В., Ryzhanova N. V., Zhukov I. V., Zhuravlev M. Ye., Lutz H. O. Injection of spin-polarized current into semiconductor // J. Magn. Magn. Mater. — 2003. — Vol. 258. — P. 77−79.

6. Vedyayev A.V., Zhukov I., Dieny B. Giant magnetoresistance in magnetic bi-multilayers // XVIII International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces. — July 22 to 25 2003, Madrid. — P. 18.

7. Ведяев А. В., Жуков И. В. Гигантское магнитосопротивление ламинированных наногетероструктур // XXX Международная зимняя школа физиков-теоретиков. — «Коуровка-2004». — 2004. — С. 137.

8. Ведяев А. В., Жуков И. В. Гигантское магнитосопротивление ламинированных наногетероструктур // Школа-Семинар новые магнитные материалы микроэлектроники НМММ XIX, МГУ им. М. В. Ломоносова физический факультет. — Москва, 28июня — 2 июля 2004. — Р. 880.

9. Vedyayev A., Zhukov I., Dieny В. Current perpendicular to plane Giant Magnetoresistance (GMR) in laminated nanostructures // Joint European.

Magnetic Symposia. — Dresden, 2004. — P. 67.

10. Vedyayev A., Zhukov I., Dieny B. Current perpendicular to plane Giant Magnetoresistance (GMR) in laminated nanostructures. // Arxiv. -2004. — cond-matt/411 571.

В заключение я искренне благодарю своего научного руководителя профессора А. В. Ведяева за руководство, всестороннюю помощь и внимание при выполнении данной работы. Я хочу также искренне поблагодарить Котельникову О. А. за постоянную поддержку во время моего обучения в аспирантуре на кафедре магнетизма, неизменный интерес к работе и всестороннюю помощь.

Заключение

.

В заключение работы суммируем основные результаты работы.

1.Усовершенствована методика расчета проводимости многослойных структур методом Кубо. Это позволило корректно учесть вклад от так называемой «вершинной поправки» в проводимость. Получено явное выражение эффективного поля через вершинную поправку. Также была получена возможность учесть процессы рассеяния электронов с переворотом спина.

2.Теоретически показана возможность получения большой величины гигантского магнитосопротивления в ламинированной наногетерострук-туре вида (M/F)n/Mbu//er/(F/M)m, где F — слои ферромагнитного металла, а М — немагнитного металла, n, m — число повторяющихся бисло-ев. Толщины F слоев в наборах (M/F)n выбираются достаточно малыми.

5А) так, чтобы соседние F слои имели ферромагнитную связь, а толщина (М)би//ег слоя — большой (~20А), для того чтобы общие намагниченности (M/F)n и (F/M)m могли меняться от параллельной до антипараллельной ориентаций внешним магнитным полем порядка нескольких эрстед. В такой структуре свойства спин-вентильных структур с гигантским магнитосопротивлением усиливаются из-за наличия дополнительного спин-зависящего рассеяния и отражения электронов от интерфейсов M/F, поэтому в них можно ожидать значительного увеличения величины ГМС. Это связано с тем, что ввиду обменного расщепления зон для электронов со спинами «вверх» и «вниз» условия отражения от интерфейсов для них различны. В диссертации с помощью численных методов расчета с использованием формализма Кубо и метода функций Грина была найдена нелокальная проводимость системы при двух взаимных ориентациях намагниченностей и при различных толщинах Мслоев в наборах (M/F)n. Расчет показал, что действительно наблюдается усиление эффекта гигантского магнитосопротивления, хотя и не такое значительное, как можно было ожидать, если учесть наличие процессов спин-флипа.

3.Теоретически исследована возможность достижения значительной величины инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник с использованием структуры ферромагнетик/туннельный контакт/барьер Шотт-ки/полупроводник. Расчет производился численно с использованием той же техники функций Грина, что и для ламинированных структур, с соответствующими модификациями, для учета непрерывного изменения потенциала в барьере Шоттки. С помощью перечисленных методов исследована зависимость коэффициента инжекции тока от параметров структуры. Расчет показал, что в подобной системе коэффициент инжекции спин-поляризованного тока может достигать значительной величины. Полученные результаты могут служить стимулом для создания устройств спиновой электроники на базе обычных полупроводников, например, магнитной оперативной памяти.