Явление гигантского магнитосопротивления

ГМС — квантовомеханический эффект, наблюдаемый в тонких металлических плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных (ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля) и проводящих немагнитных слоёв. Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления такой структуры при изменении взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоёв. Направлением намагниченности можно управлять, например, приложением внешнего магнитного поля. В основе эффекта лежит рассеяние электронов, зависящее от направления спина.

Магнетосопротивлением называют зависимость электрического сопротивления образца от величины внешнего магнитного поля. Численно его характеризуют величиной

где — сопротивление образца в отсутствие магнитного поля, а — его сопротивление в магнитном поле с напряжённостью . На практике также применяются альтернативные формы записи, отличающиеся знаком выражения и использующие удельное электрическое сопротивление. Иногда используют отношение изменения сопротивления к его значению в нулевом поле.

Термин «гигантское магнетосопротивление» указывает на то, что величина для многослойных структур значительно превосходит анизотропное магнитное сопротивление, как правило, составляющее не более нескольких процентов.

В основе эффекта ГМС лежат два важных явления. Первое состоит в том, что в ферромагнетике электроны с одним направлением спина (или одной спиновой поляризации, как принято говорить) рассеиваются гораздо сильнее, чем электроны противоположной поляризации (выделенное направление задает намагниченность образца). Второе явление состоит в том, что электроны, выходя из одного ферромагнитного слоя, попадают в другой, сохраняя свою поляризацию. Таким образом, в случае параллельной конфигурации слоев те из носителей, которые рассеваются меньше, проходят все структуру без рассеяния; а носители противоположной поляризации испытывают сильное рассеяние в каждом из магнитных слоев. В случае же антипараллельной конфигурации системы, носители обоих поляризаций испытывают сильное рассеяние в одних слоях и слабое в других.

5. Зависимость ГМС от толщины слоёв в плёнках Co/Cu/Co.

В пленках Co/(1 нм)Cu/Co существует АФМ косвенная обменная связь между слоями Со, которая подавляет магнитную анизотропию и увеличивает диссипативное рассеяние электронов проводимости, что сопровождается увеличением магнитосопротивления этих пленок. Пленки с толщиной медной прослойки 0,7 и 1,4 нм, в которых смежные слои Со связаны ФМ, анизотропны в плоскости образца.

При уменьшении dCo от 12.5 до 7.5 нм, т.е. в диапазоне достаточно больших толщин, увеличение ГМС эффекта очень мало, от 0.6 % до 0.69 %. При дальнейшем уменьшении толщины ферромагнитных слоев от 7.5 до 2 5 нм значение (∆R/R)max увеличивается от 0.69 до 1.46 %, т.е. примерно в 2.1 раза.

Рис. 20. Зависимость магнетосопротивления (∆R/R)max плёнок Со/Сu/Со от толщины ферромагнитных слоёв dCо, dCu=2.2 нм. [4, стр. 86]

6. Влияние отжига на эффект ГМС в плёнках Co/Cu/Co.

Для изучения влияния термической обработки на магниторезистивный эффект трехслойных пленок Co/Cu/Co была исследована серия образцов с толщиной медной прослойки dCu = 2.2 нм, соответствующей второму антиферромагнитному максимуму. Суммарная толщина ферромагнитных слоев составляла 25 нм. [4]

Пленки отжигались в вакууме 1∙ Торр в магнитном поле 16 кА/м, приложенном в плоскости пленки в направлении о.л.н. Отжиг проводили в интервале температур 20 ÷ 450°С. Время отжига при каждой температуре составляло 30 минут.

На рис. 30 (кривая 1) представлена зависимость величины ГМР эффекта (∆R/R)max от температуры отжига. Магнетосопротивление пленок Co/Cu/Co с dCu = 2.2 мм возрастает при увеличении температуры отжига до 240°С.

Рис. 30. Зависимость магнетосопротивления (∆R/R)max (1) и поля насыщения Hs (2) плёнок 12.5 нм Со/2.2 нм Cu/12.5 нм Со от температуры отжига Тотж. [4, стр. 93].

При Тотж = 240°С (∆R/R)max достигает максимальной величины, равной 1.4 %, которая больше первоначального значения в 2.3 раза. Дальнейшее увеличение температуры отжига ведет к уменьшению величины магнетосопротивления. При Тотж = 380°С величина (∆R/R)max становится меньше исходной величины.

Увеличение величины ГМР при низкотемпературном отжиге, Тотж → 240°С, может быть связано с расслоением Со и Сu на границе раздела. Расслоение ведёт к образованию более гладкой границы раздела слоев и к уменьшению величины флуктуаций толщины медной прослойки, что, с одной стороны, сопровождается уменьшением магнитостатической связи между слоями Со, и с другой стороны, увеличением антиферромагнитной связи, поскольку последняя чрезвычайно чувствительна к изменению расстояния между ферромагнитными слоями.

Уменьшение (∆R/R)max, при высокотемпературном отжиге, Тотж > 250°С, обусловлено увеличением размера зерна, что сопровождается, как отмечалось выше, образованием структурно несплошной прослойки меди и ведет к прямой обменной сняли между слоями Со. Увеличение размера зерна при термомагнитной обработке приводит и к увеличению амплитуды короткопол новой шероховатости слоев, что также влечет за собой уменьшение величины магитосопротивления.

Возрастание (∆R/R)max при Тотж = 240°С обусловлено снятием внутренних напряжений и расслоением Со и Сu с выравниванием слоя Сu по толщине. Уменьшение (∆R/R)max при Тотж = 385°С обусловлено ростом размера зерна и нарушением сплошности медной прослойки.

Основы метода АСМ.

Атомно-силовая микроскопия — один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на использовании сил атомных связей, действующих между атомами исследуемого вещества и атома на острие иглы. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие, диаметром в 1 атом.