спин-зависимыи электронный транспорт в манганитных бикристаллических контактах
А. М. Петржика* В. В. Демидова, Г. А. Овсянникова Ь, И. В. Борисенкоа, А. В. ШадринаЬ
"Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельншова Российской академии наук
125009, Москва, Россия
ь Chalmers University of Technology SE-41296, Gothenburg, Sweden
Поступила в редакцию 31 декабря 2011 г.
Исследованы магнитные бикристаллические пленки и контакты манганитных пленок Ьао.отЗго.ззМпОз (LSMO) и Ьао.отСао.ззМпОз (LCMO), эпитаксиально выращенных на подложках КсЮаОз, плоскости (110) двух частей которых были разориентированы (наклонены) на углы 12°, 22°, 28° и 38°. Для сравнения были изготовлены бикристаллические границы с разориентацией осей плоскостей (ИО)КсЮаОз на 90°. Направления осей и величины констант магнитной анизотропии пленок по обе стороны от границы определены двумя независимыми методиками магниторезонансной спектроскопии. Получено, что магнитная разориентация осей в плоскости подложки значительно меньше кристаллографической ра-зориентации для наклонных бикристаллических границ, а для границ с разворотом осей наблюдается совпадение кристаллографических и магнитных углов разориентации. Экспериментально наблюдалось увеличение магнитосопротивления и характерного сопротивления бикристаллических контактов с увеличением угла разориентации. Проведен расчет магнитосопротивления бикристаллических контактов с учетом одноосной анизотропии, который позволил разделить вклад туннельного и анизотропного маг-нитосопротивлений. Наибольшее туннельное магнитосопротивление наблюдалось на бикристаллических контактах из LCMO, в которых характерное сопротивление границы выше, чем в границах из LSMO.
1. ВВЕДЕНИЕ
Магнитные контакты являются основным элементом устройств спинтроники, где манипуляции производятся не с зарядовым, а со спиновым состоянием системы [1]. Наиболее привлекательными материалами для использования в магнитных контактах являются ферромагнетики со спиновой поляризацией носителей, близкой к 100%. При использовании таких материалов в магнитных контактах можно ожидать рекордных значений магнитосопротивления, а также наблюдать наиболее сильные эффекты, вызванные сильной спиновой инжекцией (см., например, [2]).
Допироваииые манганиты типа Ьа1_3.А3.МпОз (где А Бг, Са, Ва, ... ) при оптимальном уровне допирования х « 0.33 являются ферромагиитиы-
E-mail: petrzhik'öhitech.cplire.ru
ми материалами с высокой поляризацией носителей, близкой к 100% (см., например, [3]). При этом в ферромагнитном состоянии эти материалы являются полуметаллическими ферромагнетиками, в которых электронная плотность состояний на уровне Ферми полностью поляризована по спину, так что проводимость в основном обусловлена спин-поляризованными носителями [4]. Наиболее привлекательными, с прикладной точки зрения, являются пленки, изготовленные из таких материалов. Известно большое число работ по исследованию магнитосопротивления в манганитных пленках, как правило выращенных на подложках из титаната стронция БгТЮз (БТО) [5 15]. Наряду с исследованием низкополевой анизотропии пленок, в ряде работ изучаются магнитные контакты в таких пленках. Создание магнитных контактов из манганитов осложняется их высокой чувствительностью как к деградации химического состава, так и к изменению элек-
тронного состояния вблизи бикристалличсской границы. Одним из способов получения магнитных контактов является создание бикристалличсской границы в тонкой эпитаксиалыгой пленке путем эпитак-сиального выращивания пленки на подложке, состоящей из двух разориентированных монокристалли-чсских частей. Большое внимание в последнее время было уделено исследованию манганитных контактов на бикристалличсских границах, полученных в эпитаксиальных пленках, выращенных на бикристалличсских подложках из БТО с разориентацией кристаллографических осей манганитов вокруг нормали к плоскости подложки (разориентированные бикристалличсскис контакты, РБК) [16 18].
Магнитосопротивлснис традиционно определяется как МТ1 = (/?1 — Д0)/Д(ъ где Но сопротивление в нулевом поле (Н = 0), а Я± сопротивление при Н ф 0. Величина магнитосопротивлсния зависит от магнитного поля. Но в ряде случаев, например для туннельного и анизотропного магни-тосопротивлсний, чтобы оперировать но функцией, а определенным значением, низкополсвос туннель-нос магнитосопротивлснис удобно определять как МИ. = (Д таг ~ -йо)/Н-о- Здесь Нтах максималь-иос значение сопротивления. Известно большое число работ по исследованию магнитосопротивлсния в манганитных пленках, как правило, выращенных на подложках из БТО [5 15]. Полученные бикристалличсскис контакты обладали туннельным магнитосо-противлением в несколько десятков процентов при полях меньше 1 кЭ и характерным сопротивлением, изменяющимся в широком диапазоне в зависимости от качества бикристалличсской границы подложки (Ю-' Ю-5 Ом-см2). При отжиге туннельное магнитосопротивлснис увеличивалось до 300% [19]. Его величина росла также с увеличением угла разорисн-тации от нуля до 45° [20]. При таком высоком значении туннельного магнитосопротивлсния, вкладами колоссального и анизотропного магнитосопротивлс-ний подводящих манганитных пленок можно пренебречь из-за их малости по отношению к туннельному. Как показало исследование бикристалличсских границ из купратных сверхпроводников [18,19], использование разориентации базовых плоскостей вокруг линии бикристалличсской границы (наклонные бикристалличсскис контакты, НБК) позволяет существенно улучшить, по сравнению с РБК, микроструктуру границы и уменьшить ее фасстированис. Данный тип бикристалличсской границы обладает низкой концентрацией дислокаций в плоскости границы и имеет лучшую морфологию границы [21]. Первые эксперименты, проведенные на НБК, пока-
зали высокие значения туннельного магнитосопротивлсния (до 150%) для НБК из Ьао.етСао.зз^пОз с довольно большим значением сопротивления бикристалличсской границы ((3 5) • Ю-5 Ом-см2) [22]. В то же время для НБК из Lai_3.Sr3.MnÜ3 величина туннельного магнитосопротивлсния составляла единицы процентов и была сравнима с вкладом от анизотропного магнитосопротивлсния [23].
Цслыо данной работы являлось изучение магнитных параметров манганитных бикристалличсских пленок и магнитосопротивлсний бикристалличсских контактов из Lao.eTSi'o.ssMnüs (LSMO) и Ьао.етСао.зз^пОз (LCMO) на бикристалличсской подложке из галата ниодима с НБК-разориснтацисй и сравнение с результатами для РБК-разориснта-ции. Также исследовались вклады колоссального и анизотропного магнитосопротивлсний пленок в полное магнитосопротивлснис бикристалличсских контактов.
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эпитаксиальныс пленки LSMO и LCMO толщиной 50 70 нм выращивались методом лазерной абляции на симметричных бикристалличсских подложках из NdGaOs (NGO) с поворотом плоскостей (llO)NGO вокруг направления [110]NGü на углы 20 = 12°, 22°, 28°, 38° (НБК, см. рис. 1). Бикристалличсскис подложки с разориентацией 90° получались поворотом осей плоскости (llO)NGO вокруг нормали к подложке (РБК).
Рост пленок проводился в атмосфере кислорода с давлением Р = 0.2 мбар при температуре подложки Т = 750 °С с последующим охлаждением в кислороде при давлении 1 бар [23,24]. При росте манганитных пленок на подложках из NGO выполнялись одинаковые эпитаксиальныс соотношения для пленок как LSMO, так и LCMO. Например, для пленок LSMO имеем
(OOl)LSMO || (llO)NGO, [lOOjLSMO || [HO]NGO.
Постоянная пссвдокубичсской решетки ul = = 0.388 нм для LSMO (uL = 0.3858 нм для LCMO), в то время как постоянная решетки (llO)NGO (орторомбичсская ячейка, и = 0.5426 нм, Ь = 0.5502 нм, с = 0.7706 нм) равна «д- = 0.3853 нм вдоль направления [001] и бдг = 0.3863 нм вдоль направления [110] [25,26]. При эпитаксиальном росте в пленках LSMO наблюдается неравномерное сжатие в плоскости подложки [24,25]. В пленках
995
11*
г
БГ
Рис. 1. а) Схематичное изображение наклонной би-кристаллической границы (БГ) в манганитной пленке 2 и в подложке КсЮаОз 1. Кристаллографические направления [001] двух половинок манганитной пленки для НБК указаны стрелками. Для РБК также стрелками указаны разориентирован-ные плоскости (010). Отмечены углы разориента-ции для НБК (20) и РБК {20'). Изображены углы а и (}. определяющие направление внешнего магнитного поля. Ось х совпадает с направлением тока, а у — с бикристаллической границей, б) Фото бикри-сталлического контакта, включенного в логоперио-дическую антенну. Схематично изображены подводящие линии для четырехточечного измерения сопротивления контакта
ГСМО возникают разнополярные механические напряжения сжимающие вдоль направления [001]Ж40 и растягивающие вдоль [110]Ж40 поскольку «¡у < «£ < Ъм- При эпитаксиальном росте кристаллическая структура бикристаллической подложки повторяется в манганитной пленке и образуется бикристаллическая граница в пленке.
Пересекающие бикристаллическую границу мостики формировались ионно-лучевым травлением с использованием маски из фоторезиста и имели ширину 6 8 мкм (см. центральную часть рис. 1 б). Все электрофизические измерения проводились по четырехточечному методу с использованием платиновых или золотых контактных площадок. Постоянный ток протекал в плоскости пленки перпендикулярно границе, а направление внешнего магнитного поля варьировалось и определялось двумя углами: полярным а: и азимутальным 0 (см. рис. 1«).
Для определения параметров магнитной анизотропии в данной работе были применены две независимые методики, основанные на резонансном поглощении ферромагнитными пленками электромагнитного излучения. Во-первых, использовался стандартный ЭПР-спектрометр А'-диапазона (частота около 10 ГГц) ЕТ1-200 фирмы Вшкег, на котором снимались угловые зависимости спектров ферромагнитного резонанса (ФМР) в так называемой параллельной ориентации. В этом случае образцы вращались на 360° вокруг оси, перпендикулярной плоскости подложки, а постоянное магнитное поле и магнитная составляющая СВЧ-поля все время были взаимно перпендикулярны и оставались в плоскости пленки. Такая методика позволяет с хорошей точностью оп
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.