1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 84, № 2, 2020

Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 2, стр. 251-253

Равновесное распределение намагниченности и процессы перемагничивания в магнитоупругих наноструктурах

М. В. Логунов 1, *, С. А. Никитов 1,  2, А. Г. Темирязев 3, М. П. Темирязева 3, С. Джордано 4, Т. Матурин 4, Я. Душч 4, Н. Тиерцелин 4, Ф. Перно 4

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова Российской академии наук
Москва, Россия

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)”
Долгопрудный, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова Российской академии наук, Фрязинский филиал
Фрязино, Россия

4 Университет Лилля, Институт электроники, микроэлектроники и нанотехнологий
Лилль, Франция

* E-mail: logunov@cplire.ru

Поступила в редакцию 26.08.2019
После доработки 13.09.2019
Принята к публикации 28.10.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Экспериментально исследованы равновесное распределение намагниченности и процессы перемагничивания магнитоупругих наноструктур в виде полосок постоянной или переменной ширины. Показано, что нарушение симметрии устойчивых состояний намагниченности в нанополоске может быть реализовано с помощью статического магнитного поля, приложенного перпендикулярно легкой оси ферромагнетика. Дальнейшее изменение состояний намагниченности допускает их манипуляцию (например, передвижение доменной границы) посредством однородных механических воздействий, индуцированных приложением электрического поля к пьезоэлектрической подложке.

В ряде недавних работ было показано, что состоянием намагниченности магнитных пленок и пластин можно управлять с очень малыми затратами энергии [1–3]. Эти результаты позволяют прогнозировать возможность создания наноустройств спинтроники с рекордно низкими затратами энергии – на уровне десятков и даже единиц аттоджоуля на одну операцию по переключению состояния намагниченности [1–4], что на несколько порядков меньше, чем в устройствах традиционной электроники. Одно из перспективных направлений создания энергоэффективных устройств хранения и обработки информации отражено в работах по исследованию процессов в магнитных наноструктурах с управляемыми магнитоупругими свойствами [1, 5–7]. При этом для переключения состояния элементов используются упругие напряжения, индуцируемые слоем пьезоэлектрика.

Недавно теоретически продемонстрирована возможность манипулирования доменными границами в магнитоупругих нанополосках с помощью однородных механических напряжений [8, 9]. Интерес к исследованию движения доменов и доменных границ в значительной степени обусловлен разработкой устройств спинтроники с нанометровыми размерами элементов. Доменные границы рассматриваются как ключевые элементы устройств обработки информации, включая устройства энергонезависимой твердотельной памяти [4, 9–15]. Такая память потенциально обеспечит значительно большую плотность записи, чем современные жесткие диски, что совместно с высокой скоростью чтения/записи позволяет рассматривать ее как возможную универсальную память.

Управление положением или скоростью доменной границы в нанополосках определенной формы на пьезоэлектрических подложках возможно при нарушении симметрии магнитных состояний в одномерных ферромагнетиках. Такой подход дает необычные конфигурации доменных границ и скорости доменных границ того же порядка величины [9], как и при воздействии магнитными полями или спин-поляризованными токами, а потребление энергии, необходимой для перемещения доменной границы, значительно уменьшается.

В данной работе проведено экспериментальное изучение равновесного распределения намагниченности и процессов перемагничивания магнитоупругих наноструктур в виде нанополосок постоянной или переменной ширины (рис. 1). Многослойные магнитострикционные пленки состава TbCo2/FeCo толщиной ~20 нм получены распылением на пьезоэлектрических подложках PMN-PT с помощью установки Leybold Z550 [16]. Синтез пленок проведен в присутствии магнитного поля для формирования нужной величины анизотропии и направления оси легкого намагничивания в плоскости многослойной пленки. Затем для экспериментального изучения распределения намагниченности, процессов перемагничивания, формирования и движения доменных границ в пленках с помощью литографии сформированы микро- и наноструктуры различной формы; на рис. 2, 3 представлены нанополоски параболического профиля.

Рис. 1.

Модель доменной структуры в магнитоупругой нанополоске переменной ширины.

Рис. 2.

а – Топография магнитоупругой нанополоски параболического профиля (атомно-силовая микроскопия) и б – массив таких нанополосок на пьезоподложке (магнитно-силовая микроскопия).

Рис. 3.

Магнитная нанополоска параболического профиля в присутствии внешнего магнитного поля, направленного в плоскости пленки перпендикулярно длинной стороне структуры (магнитно-силовая микроскопия, напряженность магнитного поля указана на сканах).

В исследованных нанополосках ось легкого намагничивания направлена вдоль длинной стороны полоски. С помощью математического моделирования ранее показано [9], что доменная граница в нанополоске параболического профиля в равновесном состоянии находится в центре полоски. При приложении механического напряжения (в результате приложения электрического поля к пьезоподложке) доменная граница смещается в новое равновесное положение, что и может быть использовано в логических и запоминающих устройствах наноспинтроники.

На рис. 3 приведены данные о магнитной структуре нанополоски параболической формы, полученные методом магнитно-силовой микроскопии (МСМ). Исследование доменной структуры нанополосок проводилось с помощью атомно-силового микроскопа Smart-SPM (AIST-NT). Данный прибор имеет встроенный магнит с программной механической перестройкой магнитного поля в диапазоне –2000…+2000 Э. Для регистрации магнитного состояния использовалась методика, подобная описанной в работе [17]: с малым шагом изменения магнитного поля (1–10 Э) снималось несколько сотен МСМ-сканов, охватывающих весь цикл перемагничивания образца. Далее из полученных изображений формировали фильм, позволяющий последовательно наблюдать различные стадии процесса изменения доменной структуры нанополоски. На рис. 3 представлены несколько МСМ-сканов, иллюстрирующих наиболее важные изменения намагниченности магнитоупругой нанополоски.

При проведении МСМ-измерений использовались зонды PPP-LM-MFMR (Nanosensors) с пониженным магнитным моментом. Все эксперименты были выполнены на воздухе при комнатной температуре. Для стабилизации работы прибора в течение длительного времени снятия серии изображений после каждого сканирования автоматически проводилась операция по коррекции амплитуды и резонансной частоты колебаний зонда, а также компенсации дрейфа образца. Измерения проводились как на отдельных нанополосках, чтобы детально рассмотреть их доменную структуру, так и на массивах подобных нанополосок (рис. 2б), для выявления разброса полей перемагничивания.

При приложении магнитного поля H вдоль оси легкого намагничивания нанополоска обычно намагничивается до насыщения и находится в монодоменном состоянии. При приложении перпендикулярно оси легкого намагничивания магнитного поля H, значительно превышающего коэрцитивную силу пленки (рис. 3, H = ±680 Э), вектор намагниченности в наноструктуре ориентируется вдоль приложенного магнитного поля. В меньших магнитных полях, в зависимости от предыстории процесса намагничивания/размагничивания нанополоски, возможны два варианта формирования равновесной магнитной структуры – с несимметричным (рис. 3, H = 140 Э) или симметричным (рис. 3, H = 40 Э) направлением векторов намагниченности на краях нанополоски. Отметим, что второй вариант близок к предложенной в [9] модели доменной структуры в магнитоупругой нанополоске переменной ширины (рис. 1).

Таким образом, экспериментально изучены квазистатические процессы перемагничивания магнитоупругих нанополосок параболической формы. Показано, что нарушение симметрии устойчивых состояний намагниченности в нанополоске может быть реализовано с помощью статического магнитного поля, приложенного перпендикулярно легкой оси ферромагнетика. При этом возможно разбиение нанополоски параболической формы на два домена; доменная граница в равновесном состоянии находится в центре нанополоски, в узкой ее части. Дальнейшее изменение состояний намагниченности допускает их манипуляцию (например, передвижение доменной границы) посредством однородных механических воздействий, индуцированных приложением электрического поля к пьезоэлектрической подложке.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 18-52-16006, 18-29-27020) и РНФ (проект 19-19-00607).

Список литературы

  1. Giordano S., Dusch Y., Tiercelin N. et al. // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. Art. № 155321.

  2. Stupakiewicz A., Szerenos K., Afanasiev D. et al. // Nature. 2017. V. 542. P. 71.

  3. Schlauderer S., Lange C., Baierl S. et al. // Nature. 2019. V. 569. P. 383.

  4. Fernandez-Pacheco A., Streubel R., Fruchart O. et al. // Nature Commun. 2017. V. 8. P. 15756.

  5. Морозов А.И. // ФТТ. 2014. Т. 56. С. 833; Moro-zov A.I. // Phys. Sol. St. 2014. V. 56. P. 865.

  6. Biswas A.K., AtulasimhaJ., Bandyopadhyay S. // Nanotechnology. 2015. V. 26. Art. № 285201.

  7. Si C., Suna Z., Liu F. // Nanoscale. 2016. V. 8. P. 3207.

  8. Mathurin T., Giordano S., Dusch Y. et al. // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108. Art. № 082401.

  9. MathurinT., GiordanoS., Dusch Y. et al. // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. Art. № 140405(R).

  10. Parkin S., Yang S.-H. // Nature Nanotech. 2015. V. 10. P. 195.

  11. Van de Wiele B., Hämäläinen S.J., Baláž P. et al. // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 21330.

  12. Buijnsters F. J. et al. // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. P. 147204.

  13. Gerasimov M.V., Logunov M.V., Spirin A. V. et al. // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. Art. № 014434.

  14. Moretti S., Raposo V., Martinez E. et al. // Phys. Rev. B. 2017.V. 95. Art. № 064419.

  15. Quessab Y., Medapalli R., El Hadri M.S. et al. // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. Art. № 054419.

  16. Dusch Y., Tiercelin N., Klimov A. et al. // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. P. 17C719.

  17. Темирязев А.Г., Саунин С.А., Сизов В.Е. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2014. Т. 78. С. 78; Temiryazev A.G., Saunin S.A., Sizov V.E. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2014. V. 78. P. 49.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал