На правах рукописи

Цикалов Виталий Сергеевич

МАГНИТНЫЕ ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ

НА ОСНОВЕ МАНГАНИТОВ:

МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ,

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ,

СВЧ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

Автореферат Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Волков Никита Валентинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Пудонин Федор Алексеевич кандидат физико-математических наук Великанов Дмитрий Анатольевич

Ведущая организация: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Защита состоится 5 марта 2012 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 003.055.02 при Учреждении Российской академии наук Институт физики им. Л. В. Киренского Сибирского отделения РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок 50, стр. 38, ИФ СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ СО РАН.

Автореферат разослан 25 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук Втюрин А. Н.

Актуальность темы. Исследования последних лет показали, что наличие спиновых степеней свободы у носителей заряда проявляется наиболее ярко и порой неожиданным образом, прежде всего, в наноразмерных магнитных и гибридных структурах. Изучение отклика таких систем на протекание спин-поляризованного тока принесли в последние годы много интересных научных результатов и неожиданных сюрпризов, которые сделали весьма привлекательной идею использования спина электрона в качестве активного элемента для хранения, обработки и передачи информации[1,2]. Сформировалось даже целое самостоятельное направление в физике конденсированного состояния – спинтроника. Спинтроника – это мульти-дисциплинарная область науки и техники, центральной темой которой является явление спинзависимого электронного транспорта в твердых телах и низкомерных структурах. Этот раздел охватывает и интереснейшие фундаментальные вопросы спин-зависимых явлений, и прикладные вопросы, связанные с созданием принципиально новых электронных устройств, построенных на возможности манипулировать спиновыми степенями свободы.

Понятно, что сфера спинтроники весьма обширна, но есть все основания говорить, что на сегодняшний день в сфере внимания исследователей находятся, главным образом, два уникальных явления. Во-первых, это магниторезистивный эффект в многослойных магнитных структурах и, во-вторых, появление вращающего момента, действующего со стороны спинового тока на локальные магнитные моменты в наноструктурах[3]. В первом случае, магнитное поле используется для управления магнитным состоянием многослойной наноструктуры, позволяя тем самым управлять поляризованным током через нее. Во втором случае, появляется возможность манипулировать магнитным состоянием наноструктуры, используя поляризованный по спину транспортный ток. Более того, эффект переноса спина может вызвать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика с частотами, лежащими в СВЧ диапазоне[4]. Такая прецессия служит источником излучения электромагнитных СВЧ волн, частотой которых можно управлять и при помощи тока, и при помощи магнитного поля. По сути, можно вести речь о возможности создания генераторов СВЧ диапазона, работающих на абсолютно новых принципах.

Механизм переноса спина оказывается ответственным и за обратный эффект – генерацию постоянного напряжения на магнитном туннельном переходе при воздействии электромагнитного СВЧ излучения[5]. И опять речь идет о принципиально новом механизме, на этот раз детектирования, в основе которого взаимосвязь спиновой динамики и поляризованного тока в магнитных наноструктурах.

В полной мере все разнообразие спин-зависимых физических эффектов можно наблюдать в магнитных туннельных структурах. Не случайно считается, что исследования в области туннельного магнитосопротивления и магнитных туннельных контактов в целом стали важным этапом развития спинтроники, и интерес к спин-поляризованному транспорту через туннельные структуры только продолжает расти. Именно физическим процессам, имеющим место при протекании тока через магнитные туннельные структуры, посвящена эта работа. Мы остановили свой выбор на магнитных туннельных структурах на основе манганитов. Причины такого выбора следующие. Это, прежде всего, высокая спиновая поляризация электронов проводимости для выделенного семейства манганитов. Кроме того, это относительно высокая температура перехода в ферромагнитное состояние. И, наконец, это достаточно хорошо отработанная технология контролируемого получения тонких пленок этих материалов, в том числе и в составе многослойных структур. На основе экспериментальных и теоретических исследований мы попытаемся проанализировать и оценить преимущества и недостатки использования манганитов в туннельных структурах для решения различных задач спинтроники.

Цель работы. Цель настоящей работы заключается в изучении явлений спин-поляризованного электронного транспорта в системах с магнитными туннельными контактами на основе манганитов. Можно выделить две главные задачи, которые решались при проведении исследований:

1. Исследовать явления спин-зависимого электронного транспорта в магнитной туннельной структуре на основе материала манганита с использованием планарной геометрии, когда ток течет вдоль интерфейсов структуры (геометрия «ток в плоскости структуры»).

2. Провести изучение отклика кооперативной системы магнитных туннельных контактов гранулированного манганита на воздействие СВЧ излучения в комбинации с действием статического магнитного поля и постоянного тока.

Научная новизна.

Впервые проведено исследование магнитной туннельной структуры ферромагнитный метал/диэлектрик/ферромагнитный металл (LSMO/LSM1-O/MnSi/SiO2) в геометрии «ток в плоскости». Показано, что особенности транспортных свойств определяются эффектом переключения токовых каналов между слоями структуры. Эффект переключения управляется током смещения через структуру и магнитным полем.

Установлено, что механизм влияния магнитного поля – зависимость сопротивления туннельных переходов под токовыми контактами от взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных электродов.

Управляемое магнитным полем переключение токовых контактов определяет эффект положительного магнитосопротивления. Величина магнитосопротивления зависит от тока смещения. В отличие от стандартной ситуации, когда смещение подавляет туннельный магниторезистивный эффект, в данном случае смещение приводит к увеличению магнитосопротивления.

Впервые обнаружен и исследован фотоэлектрический эффект в магнитной туннельной структуре LSMO/LSM1-O/MnSi/SiO2. Эффект обусловлен генерацией электрон-дырочных пар при межзонном поглощении света в диэлектрическом слое туннельной структуры.

Впервые обнаружен эффект СВЧ детектирования, управляемый магнитным полем в поликристаллическом образце La0.7Ca0.3MnO3, представляющим собой кооперативную систему магнитных туннельных контактов.

Проведено исследование эффекта в зависимости от температуры, тока смещения, мощности СВЧ излучения.

Предложена модель, объясняющая магнитозависимый вклад в детектируемое напряжение и поведение этого вклада в зависимости от температуры, тока смещения и мощности СВЧ излучения. В основе модели взаимосвязь спин-поляризованного тока через магнитные туннельные контакты и спиновой динамикой, индуцированной в ферромагнитных гранулах, формирующих магнитные туннельные контакты в образце.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований позволяют получить дополнительную информацию о процессах, имеющих место в туннельных структурах при протекании спин-поляризованного тока, открыть новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления ими.

Это может найти применение в получении новых многофункциональных материалов и структур, перспективных для создания устройств микроэлектроники, работающих на новых принципах. Следует отметить, что по результатам исследований, выполненных в данной работе, был получен патент РФ «Магнитоуправляемый детектор СВЧ излучения».

Достоверность результатов обеспечивается комплексным характером выполненных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами.

Защищаемые положения.

Результаты исследования транспортных, магнитотранспортных и оптических свойств магнитной туннельной структуры LSMO/LSM1-O/MnSi/SiO2 в геометрии ток в плоскости. Выявление механизмов, ответственных за эффект переключения токовых каналов магнитным полем, током смещения и оптическим облучением.

Исследование эффекта СВЧ детектирования, управляемого магнитным полем в поликристаллическом образце La0.7Ca0.3MnO3 в зависимости от температуры, тока смещения и мощности СВЧ излучения. Построение модели, объясняющей магнитозависимый вклад в детектируемое напряжение.

Апробация работы. Основные результаты диссертационой работы докладывались на: Евразийском симпозиуме по магнетизму «Magnetism on Nanoscale» (EASTMAG), 2007, Казань; на 8-м международном семинаре: «Radiation Damage Physics of Metal and Alloys», 2009 Снежинск; на 11-ом международном симпозиуме «Порядок, Беспорядок и Свойства Оксидов», 2008, Ростов-на-Дону; на 13-ом международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2009; на Московском международном симпозиуме по магнетизму (MISM), 2008, Москва.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 111-х страницах машинописного текста, включая 32 рисунка. Библиографический список содержит 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы задачи и цели исследований. Приведены положения, выносимые на защиту, отражены их научная новизна и практическая ценность.

Первая глава является обзорной. В ней приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований спин-поляризованного электронного транспорта в магнитных туннельных переходах на основе манганитов. Рассматриваются как одиночные в планарном исполнении, так и кооперативные системы в гранулярном исполнении магнитных туннельных контактов. Кроме того рассматриваются некоторые аспекты спиновой динамики, а именно детектирующие свойства магнитного туннельного перехода на основе манганитов.

Во второй главе приведены экспериментальные методы исследования туннельных структур.

Для исследования транспортных и магнитных свойств материалов и структур была создана установка для прецизионных исследований. Процесс исследований на установке полностью автоматизирован. Основные характеристики установки: диапазон токов: ±1.05 A; диапазон измеряемых напряжений: ±200 V; диапазон температур: 4.2-300 К; диапазон магнитных полей:

±15kOe.

Для исследования детектирующих свойств образцов в СВЧ диапазоне создана универсальная установка со следующими характеристиками: диапазон токов: ±1.05 A; диапазон температур: 4.2-300 К; диапазон магнитных полей: ±15kOe; частота, используемая в настоящей работе: 10 ГГц.

Также описаны методики приготовления двух типов туннельных магнитных систем. Первая система – это слоистая структура типа ферромагнитный металл/диэлектрик/ферромагнитный металл для исследования спинзависимых транспортных свойств в геометрии «ток в плоскости» структуры.

Образцы для исследования структуры ферромагнетик/диэлектрик/ферромагнетик синтезировались в Changwon National University, School of Nano &Advanced Materials Engineering, Changwon, Korea. В результате выбранного технологического процесса состав структуры оказывался следующим: нижний слой – моносилицид марганца (MnSi) c Tc=30 K, который имеет металлический тип проводимости; верхний слой – пленка манганита c Tc=320 K, которая имеет проводимость полупроводникового типа; на границе раздела – обедненный слой манганита с недостатком марганца, который является диэлектриком и немагнитным. Образующуюся структуру ниже 30 К можно представить как два ферромагнитных металла разделенные изолятором, т. е.

магнитную туннельную структуру.

Вторая система – гранулированный ферромагнитный материал, представляющий собой кооперативный ансамбль магнитных туннельных контактов. Представлены основные принципиальные схемы для исследования проявлений спин-поляризованного транспорта в магнитных туннельных структурах. Поликристаллические образцы La0.7Sr0.3MnO3 (LСMO) с гранулированной микроструктурой синтезировались в лаборатории Сильных магнитных полей ИФ СО РАН М.И. Петровым.

В третьей главе представлены результаты исследования эффекта управляемого переключения токовых контактов в магнитной структуре ферромагнитный металл/диэлектрик/ферромагнитный LSMO(100 nm)/LSM1- O(5 nm)/MnSi(10 nm) с использованием геометрии «ток в плоскости» структуры (Рис. 1а). На Рис. 1б приведены ВАХи структуры при разных температурах в отсутствии внешнего магнитного поля. При некотором критическом токе I th наблюдается резкая нелинейность ВАХ.

Это можно объяснить следующим образом: поскольку токовые контакты нанесены на верхний проводящий слой (FM1), а нижний проводящий слой (FM2) отделен потенциальным барьером (Insulator), естественно предположить, что при малых токах I I th ток будет течь по верхнему электроду, и все транспортные свойства будут определяться свойствами верхней пленки.

Увеличение тока I приводит к возникновению напряжения смещения VT V ) на туннельных переходах под токовыми контактами и связанного с ним увеличения туннельного тока IT через потенциальный барьер, разделяющий верхний и нижний слои структуры. В результате при I I th ток начинает преимущественно течь по нижнему слою (MnSi), сопротивление которого RS мало по сравнению с сопротивлением пленки манганита RM.

Исследование ВАХ структуры в магнитном поле H показало, что при