ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР
УДК 537.624.4
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ НАПРАВЛЕННОСТИ КРУГОВОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ КВАДРАТНЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ МИКРОСТРУКТУР Fe (001) СПИН-ПОЛЯРИЗОВАННЫМ ТОКОМ
© 2013 г. Л. А. Фомин*, И. В. Маликов*, К. М. Калач*, С. В. Пяткин*, П. Е. Зильберман**, Г. М. Михайлов*
*Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской АН
E-mail: mikhailo@iptm.ru **Фрязинский филиал ИРЭ им. В.А. Котельникова Российской АН Поступила в редакцию 08.02.2013 г.
Методом магнитно-силовой микроскопии обнаружено, что для эпитаксиальных квадратных микроструктур Fe (001) с круговой решеточной намагниченностью в основном состоянии возможно изменение ее направленности при воздействии спин-поляризованного тока. Такое изменение намагниченности возникает при подаче магнитного поля насыщения на структуру и последующим его выключении при одновременном пропускании через структуру тока с плотностью выше некоторого порогового значения порядка 1012 А/м2. Изменение намагниченности в основном состоянии структуры зависит не только от величины плотности тока, но также и от его спиновой поляризации и области протекания. Обсуждается механизм воздействия спин-поляризованного тока на круговую намагниченность структуры, связанный с инжекцией спинов током.
DOI: 10.7868/S0544126913050049
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время представляют большой интерес исследования по управляемому спин-поляризованным током движению доменных стенок в ферромагнитных наноструктурах. Пропусканием спин-поляризованного тока высокой плотности ~ 1011—1012 А/м2 через ферромагнитную наноструктуру, согласно теории Слончев-ского—Берже [1, 2], можно изменять ее намагниченность, вызывая движение доменных стенок. Уже проведено множество экспериментальных исследований по управляемому током движению доменных стенок, главным образом, в нанопро-водах из пермаллоя [3]. Однако перемагнитить структуру больших размеров путем воздействия спин- поляризованного тока еще не удавалось. Большие плотности тока не способствуют широкому использовании эффекта на практике, поскольку при таких переключениях выделяется большое количество джоулева тепла, и возникают проблемы с устойчивостью структур по отношению к разогреву, окислению и электромиграции. Один из путей их решения — использовать импульсный ток с малой длительностью импульсов. Эксперименты по управляемому током движению доменных стенок в пермаллоевых нанопроволоках показали, что наносекундного импульса спин-по-ляризованного тока плотностью ~1012 А/м2 вполне
достаточно, чтобы заставить двигаться доменную стенку. Однако использование импульсов тока — еще не решение проблемы устойчивости структур. Представляет интерес найти другие механизмы перемагничивания ферромагнитных микро- и наноструктур спин-поляризованным током при, желательно, меньших пороговых плотностях тока. Один из таких механизмов был предложен в работе [4]. Он состоит в том, что избыток спина, инжектированного током, релаксирует не путем рассеяния с переворотом спина, а путем изменения направления намагниченности решетки. Тем самым, подзоны со спином вверх и со спином вниз меняются местами. Ясно, что эффективность такого механизма зависит от зонной структуры ферромагнетика, в который инжектируется избыток спина. Представляет интерес попытаться экспериментально обнаружить эффект пере-магничивания током в ферромагнитных материалах, отличных от тех, на которых такие эксперименты проводились, например, с использованием эпитаксиальных структур из железа с круговой намагниченностью. Реализация этого могло бы способствовать разработке электронных устройств с магнито-чувствительным электронным транспортом, одним из магнитных электродов которых может быть эпитаксиальная микроструктура из железа. Примером таких устройств может слу-
мкм
0 20 40 мкм
Рис. 1. АСМ изображение микроструктуры.
Fe (001) с квадратом 8 х 8 мкм. Цифрами обозначены номера контактов. Стрелками показаны направление тока через контакты 1—4 и направление прилагаемого магнитного поля.
жить, в частности, гетероэпитаксиальный магни-тотуннельный контакт.
В этой работе было экспериментально исследовано воздействие импульсов спин-поляризо-ванного тока на магнитное строение эпитакси-альных микроструктур Бе (001) в форме квадратов. Обсуждается механизма влияния спин-поляризованного тока за счет инжекции спинов в микроструктуру.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ МИКРОСТРУКТУР
Из эпитаксиальных пленок Бе (001), выращенных на Я-плоскости сапфира с подслоем Мо [6] методом импульсного лазерного испарения в сверхвысоком вакууме, по субтрактивной технологии были изготовлены микроструктуры в форме квадратов с длиной стороны 4 и 8 мкм, по четырем углам которых были сделаны полоски шириной 0.5 мкм и длиной 20 мкм из того же материала (Бе (001)), что и квадрат. К внешним концам полосок присоединялись подводящие контакты (рис. 1). Субтрактивная технология микроструктурирования, включала электронную литографию для изготовления наномасок и последующее ионное травление [7]. Толщина микроструктур со-
ставляла 50 нм. Квадрат и полоски были ориентированы вдоль одной из двух осей ([100], [010]) легкого намагничивания (ОЛН) в плоскости пленки. Пример структуры показан на рис. 1.
МИКРОМАГНИТНЫЕ РАСЧЕТЫ
Для интерпретации данных эксперимента нами были предварительно проведены микромагнитные расчеты с использованием пакета программ [8] с полуэмпирическими начальными условиями. Они показали, что полоски, после поляризации в магнитном поле, находятся в одно-доменном состоянии, и сохраняют свою поляризацию в нулевом магнитном поле. Квадрат, после поляризации в магнитном поле, переходит в микромагнитное состояние, состоящее из четырех треугольных доменов с 90 градусными стенками Нееля. На рис. 2а, 2б показаны просимулирован-ные по результатам микромагнитного расчета МСМ изображения квадратов с двумя возможными конфигурациями доменов при отсутствии магнитного поля. Стрелками показано направление вектора намагниченности решетки. В нулевом поле есть два варианта расположения доменов эквивалентных по энергии — с закручивани-
(в)
(г)
s ^ >г — —
_ V»
Рис. 2. Рассчитанные МСМ изображения квадратной микроструктуры Бе (001) с размерами 8 х 8 мкм (а, б). Стрелками показано направление вектора намагниченности решетки. Рассчитанные распределения тока в виде стрелок (плотность тока) по квадрату при его пропускании через контакты 1—4 (в) и 2—3 (г).
ем намагниченности по часовой стрелке (рис. 2а) и против часовой стрелки (рис. 2б). Направления намагниченности влияет на МСМ контраст доменных стенок, который представлен в виде светлой и черной полосы. Изменение направленности намагниченности приводит к смене контрастности доменной стенки — черная и белая полосы меняются местами. В данном случае, при интерпретации МСМ контраста, намагниченность считается направленной от белой к черной части контраста. Если через два противоположных контакта, например 1 и 4 или 2 и 3 на рис. 1, пропустить ток, то он неравномерно растекается по квадрату. Рассчитанное распределение тока, текущего в диффузном режиме, показано на рис. 2в, 2г в виде стрелок, длина которых пропорциональна плотности тока [9]. Видно, что ток протекает преимущественно в области домена, примыкающего к подводящим ток дорожкам. Можно предположить, что это может вызвать неэквивалентность микромагнитных состояний с закрученностью намагниченности по и против часовой стрелки под влиянием спин-поляризо-
ванного тока в той области квадрата, где он преимущественно.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ
Измерения магнитного строения исследуемых микроструктур проводились с помощью атомно-силового микроскопа P47 Solver НТ-МДТ, к которому была разработана магнитная приставка и использованы магнитные кантилеверы. К прибору был изготовлен специальный держатель образца с электрическими контактами, позволяющий подавать на него ток к определенным дорожкам чипа. Кроме того, изготовленная электромагнитная приставка, позволяла управлять магнитным полем в плоскости образца до 2000 Э в противоположных направлениях. Ток на образец подавался от высокочастотного генератора прямоугольных импульсов. Напряжение в импульсе и его длительность контролировалось с помощью осциллографа.
В эксперименте на микроструктуру подавалось магнитное поле напряженностью 300 Э, на-
4-
(а)
(б)
12
12 мкм
12 мкм
8 12 мкм
Рис. 3. МСМ изображения квадратной микроструктуры Бе (001) с размерами 8 х 8мкм: (а) начальное, цифрами показаны номера контактов; (б) после пропускания тока по контактам 1—4; (в) после пропускания тока по контактам 2—3. Черными стрелками показано направление тока, белыми — направление намагниченности.
0
4
8
0
4
8
0
4
правленное всегда в одну сторону вдоль дорожек. Затем подавалась серия прямоугольных импульсов длительностью 1 мкс с частотой повторения 100 Гц (например, через контакты 1—4). Амплитуда в импульсе составляла 6—9 В. После этого магнитное поле сбрасывалось до нуля и ток выключался. Проводилось измерение МСМ контраста образца. Затем снова подавалось магнитное поле той же напряженности и направленности, и снова подавался ток, только по другим дорожкам (например, 2—3) и т.д. Измеренное сопротивление образца между двумя противоположными контактами (1—4 или 2—3) составило около 160 Ом. Соответственно, максимальная плотность тока в импульсе, вычисленная для подводящих дорожек, составила 2 х 1012 А/м2.
В серии экспериментов постепенно повышалось напряжение в импульсе тока до тех пор, пока не происходило переключение круговой намагниченности квадрата, детектируемое по изменению контраста доменных стенок при нулевом магнитном поле. Плотность тока, при которой
было обнаружено такое переключение, составила 2 х 1012 A/см2. На рис. 3 показаны МСМ изображения квадратной микроструктуры Fe (001) с размерами 8 х 8 мкм в начале эксперимента, после пропускания тока по контактам 1—4 и после пропускания тока по контактам 2—3. Видно, что направление закручивания намагниченности квадрата в нулевом магнитном поле меняется на противоположное.
Была собрана статистика таких изменений, которая показала, что при значении тока,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.