CC BY
10
УДК 539.2
DOI 10.24147/1812-3996.2021.26(1)33-37
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ГИСТЕРЕЗИСА И ОБМЕННОГО СДВИГА В МАГНИТНЫХ СТРУКТУРАХ С ДЕФЕКТАМИ
Р. С. Шакиров, М. В. Мамонова, В. В. Прудников, П. В. Прудников
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия
Информация о статье Аннотация. Исследовано влияние дефектов структуры на протекание процессов ги-
Дата поступления стерезиса в мультислойных структурах. Получена зависимость влияния дефектов на
04.12.2020 разные модели мультислойных структур с различными типами дефектов.
Дата принятия в печать 11.12.2020
Дата онлайн-размещения
26.04.2021
Ключевые слова
Метод Монте-Карло, мультислойные магнитные структуры, неравновесное поведение, начальные состояния,
магнитосопротивление
Финансирование
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-32-70189, госзадания Минобрнауки РФ (№ 0741-20200002) и гранта Президента РФ МД-2229.2020.2
STUDY OF THE EFFECT OF HYSTERESIS AND EXCHANGE SHIFT IN MAGNETIC STRUCTURES WITH DEFECT
R. S. Shakirov, M. V. Mamonova, V. V. Prudnikov, P. V. Prudnikov
Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia
Article info Abstract. The influence of structural defects on the course of hysteresis processes in multi-
Received layer structures is investigated. The dependence of defects on different models of multilayer
04.12.2020 structures with different types of defects is obtained
Accepted 11.12.2020
Available online
26.04.2021
Keywords
Monte Carlo method, multilayer magnetic structures, non-equilibrium behavior, initial states, magnetoresistance
Вестник Омского университета 2021. Т. 26, № 1. С. 33-37
-ISSN 1812-3996
Acknowledgements
The reported study was funded by the RFBR according to the research project 20-32-70189, by the Ministry of Education and Science of Russian Federation in the framework of the state assignment (№ 0741-2020-0002), and grant of the President of the Russia MD-2229.2020.2
В данной работе реализуется исследование влияние дефектов структур на эффекты гистерезиса [1; 2] и обменного сдвига в мультислойных наноструктурах. Нами были рассмотрены двухпленочные магнитные структуры с толщинами ферромагнитных пленок N = 3 в единицах моноатомных слоев (МС).
Моделирование проводилось для структур (рис. 1-3) с ферромагнитными пленками размером £ х £ х N и с наложенными периодическими граничными условиями в плоскости пленки. Значения интегралов внутрислойного [3] взаимодействия принимают значения Jl / квТ = 1, а межслоевого взаимодействия J2 / Jl = -0,5, -1,0, -1,5.
-J X [(s~s + s~$
ар а
<aeW1 ,fieN2
Рис. 1. Модель мультислойной структуры, состоящей из двух ферромагнитных пленок, разделенных пленкой немагнитного металла. N, £ - линейные размеры пленок; зависимость параметра анизотропии ДМ от толщины пленки N в МС [4; 5]
Температура Т системы измеряется в единицах обменного интеграла Jl / кв. Отрицательные значения обменный интеграл принимает вследствие антиферромагнитной направленности ферромагнитных пленок относительно друг друга, что реализуется подбором толщины немагнитной прослойки.
Поведение магнитной структуры описывается анизотропной моделью Гейзенберга [4; 5]:
Н = -Л X [(+ ^ ) + (1 + А^ ) Э?В?)] -
) + (1 + A(N ) sa Sjf)] +h X S,
Рис. 2. Модель мультислойной структуры, состоящей из двух ферромагнитных пленок, в которой искусственно воссозданы сколы в виде ступенек, разделенных пленкой немагнитного металла. N, £ - линейные размеры пленок; зависимость параметра анизотропии от толщины пленки N в МС
Рис. 3. Модель мультислойной структуры, состоящей из двух ферромагнитных пленок, в которых
в первых слоях концентрация дефектов р(№) = 0,5, а во вторых слоях концентрация дефектов р(№) = 0,25, разделенных пленкой немагнитного металла. N, £ - линейные размеры пленок; зависимость параметра анизотропии от толщины пленки N в МС
ISSN 1812-3996-
В уравнении (1) 5/ = (5,* 5у, 5?) - трехмерный единичный вектор спина, зафиксированный в ,-м узле ГЦК решетки ферромагнитной пленки, Д(М) - параметр, учитывающий эффективное влияние магнитной анизотропии, создаваемой межфазным взаимодействием пленок, в зависимости от ее толщины N (рис. 1).
Для моделирования влияния дефектов на ги-стерезисные явления был применен алгоритм Мет-рополиса. Были выявлены закономерности влияния дефектов в магнитные наноструктуры при помещении модели во внешнее магнитное поле.
Для выявления влияния дефектов на магнитную наноструктуру рассматривались времена ожидания: tr = 20000 MCS/s (шаги Монте-Карло на спин). Время наблюдения порядка 5000 MCS/s.
На рис. 1-3 представлены графики поляризации трехмерной пленочной структуры без дефектов (рис. 1), с дефектами в виде скола первых слоев в пленке и появления взаимодействия между вторыми слоями Н (рис. 2) и модели со случайно заполненными дефектами по всей поверхности первого и второго слоя в обеих пленках с концентрацией дефектов р(М0 = 0,5 и р(№) = 0,25 соответственно (рис. 3).
На рис. 4 мы видим, что модель "Р50,25" пере-магничивается при гораздо меньшем диапазоне напряженности магнитного поля, чем модель без дефектов, что касается и модели с искусственно созданной ступеньки.
Перемагничивание первой модели происходит в диапазоне от -0,7 до 0,7, вторая модель перемагни-чивается от -0,45 до 0,45, третья модель перемагни-чивается от -0,25 до 0,25. Можно сделать вывод о том, что концентрация дефектов влияет на то, при каком диапазоне напряженности внешнего магнитного поля происходит перемагничивание пленок. В модели, где был искусственно создан скол, образовалась дополнительная ступенька, что говорит об изменении порядка переворачивания слоев в пленке.
На рис. 5 при увеличении антиферромагнитного взаимодействия между пленками ступенька, возникшая во второй модели, исчезла, что говорит об изменении порядка переворачиваемых слоев.
На рис. 6 при еще большем увеличении антиферромагнитного взаимодействия в первой и во второй моделях появилась дополнительная ступенька.
На рис. 7 при разных значениях обменного интеграла взаимодействия между вторыми слоями двух пленок перемагничивание происходит при разных диапазонах внешнего магнитного поля. Модель, где Н = 0,25, перемагничивание происходит в меньшем диапазоне внешнего магнитного поля, чем при Н = 0,75 и Н = -0,25.
Рис. 4. Результаты моделирования трехмерной пленочной структуры без дефектов с наличием дефектов
разной структуры в рамках модели Гейзенберга с линейным размером I = 32, количеством пленок N = 3 при температуре Т = 0,8 и константе обменного взаимодействия Л = 1,0 и межслойным взаимодействием Н2 = -0,5
Рис. 5. Результаты моделирования трехмерной пленочной структуры без дефектов с наличием дефектов
разной структуры в рамках модели Гейзенберга с линейным размером I = 32, количеством пленок N = 3 при температуре Т = 0,8 и константе обменного взаимодействия Л = 1,0 и межслойным взаимодействием Н2 = -1,0
Рис. 6. Результаты моделирования трехмерной пленочной структуры без дефектов с наличием дефектов
разной структуры в рамках модели Гейзенберга с линейным размером I = 32, количеством пленок N = 3 при температуре Т = 0,8 и константе обменного взаимодействия Л = 1,0 и межслойным взаимодействием Н2 = -1,5
Вестник Омского университета 2021. Т. 26, № 1. С. 33-37
-ISSN 1812-3996
Рис. 7. Результаты моделирования трехмерной
пленочной структуры "Step" c межпленочным взаимодействием J2 / J1 = -0,5
Рис. 8. Результаты моделирования трехмерной
пленочной структуры "Step" c межпленочным взаимодействием J2 / J1= -1,0
При Js = 0,75 возникает дополнительная ступенька, что говорит об изменении порядка переворачивания слоев. На рис. 8 видно, что с увеличением антиферромагнитного взаимодействия системы, где J3 = 0,25, -0,25, вклад взаимодействия между вто-
рыми слоями пленок незначительный, ступенька, где Н = 0,75, исчезла. На рис. 9, при еще большем увеличении антиферромагнитного взаимодействия, вклад ]з становится незначительным.
-0,2 0,0 h(z)
Рис. 9. Результаты моделирования трехмерной пленочной структуры "Step"
c межпленочным взаимодействием J2 / J1= -1,5
В данной работе исследовалось влияние дефектов на протекание процессов гистерезиса, для изучения использовались модели Гейзенберга с разным строением и характером взаимодействия.
Удалось выяснить, что концентрация дефектов модели влияет на то, при каком диапазоне напряженности магнитного поля будет происходить перемагничивание: чем выше концентрация дефектов, тем ниже диапазон напряженности магнитного поля требуется при перемагничивании.
Локализация дефектов в модели влияет на порядок переворачивания слоев в пленке: чем больше концентрация дефектов в слое, тем быстрее он перевернется.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Bottauscio O., Chiampi M., Chiarabaglio D., Repetto M. Preisach type hysteresis modelsin magnetic field computation // Physica B. 2000. Vol. 275. P. 24-39.
2. Красносельский М. А., Покровский А. В. Системы с гистерезисом. М. : Наука, 1983. 275 с.
3. Kasatkin S. I., Lopatin V. V., Murav'jev A. M., Nikitin P. I., Nikitin S. I., Popadinetq F. F., Pudonin F. A., To-porov A. Yu., Svatkov A. V. Spin-tunneling magnetoresistive sensorof magnetic field // Sensors Actuators. 2000. Vol. 85. P. 221-226.
4. Прудников П. В., Прудников В. В., Медведева М. А. Размерные эффекты в ультратонких магнитных пленках // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100. С. 501-505.
5. Prudnikov P. V., Prudnikov V. V., Menshikova M. A., Piskunova N. I. Dimensionality crossover in critical behaviour of ultrathin ferromagnetic films // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2015. Vol. 387. P. 77-82.
ISSN 1812-3996-
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шакиров Роман Сергеевич - студент физического факультета, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: red-srar@bk.ru.
Мамонова Марина Владимировна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: mamonovamv@omsu.ru.
Прудников Владимир Васильевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: prudnikv@univer.omsk.ru.
Прудников Павел Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической физики, Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, 644077, Россия, г. Омск, пр. Мира, 55а; e-mail: prudnikov_pavel@mail.ru.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ
Шакиров Р. С., Мамонова М. В., Прудников В. В., Прудников П. В. Исследование эффектов гистерезиса и обменного сдвига в магнитных структурах с дефектами // Вестн. Ом. ун-та. 2021. Т. 26, № 1. С. 33-37. DOI: 10.24147/1812-3996.2021.26(1).33-37.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Shakirov Roman Sergeevich - Student of Physics Faculty, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: red-srar@bk.ru.
Mamonova Marina Vladimirovna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: mamonovamv@omsu.ru.
Prudnikov Vladimir Vasiljevich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: prudnikv@univer.omsk.ru.
Prudnikov Pavel Vladimirovich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Professor of the Department of Theoretical Physics, Dostoevsky Omsk State University, 55a, pr. Mira, Omsk, 644077, Russia; e-mail: prudnikov_pavel@mail.ru.
FOR QTATIONS
Shakirov R.S., Mamonova M.V., Prudnikov V.V., Prudnikov P.V. Study of the effect of hysteresis and exchange shift in magnetic structures with defect. Vestnik Omskogo universiteta = Herald of Omsk University, 2021, vol. 26, no. 1, pp. 33-37. DOI: 10.24147/1812-3996.2021.26(1).33-37. (in Russ.).
