CC BY
0
УДК 539.2 DOI 10.24147/1812-3996.2024.2.38-45
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДАМИ МОНТЕ-КАРЛО
МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ СПИН-ВЕНТИЛЬНЫХ
НАНОСТРУКТУР
Е. В. Дроворуб
аспирант, e-mail: drovorub.egor@gmail.com
В. В. Прудников
д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: prudnikv@mail.ru
П. В. Прудников д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: prudnikp@mall.ru
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского, г. Омск, Россия
Аннотация. Методами Монте-Карло осуществлено моделирование поведения и описание магнитных свойств трех типов спин-вентильных структур, активно применяемых в спинтронике. Рассчитана зависимость магнитных характеристик пленок в структуре от температуры и напряженности внешнего магнитного поля. Исследовано влияния температуры, толщины пленок, внутрислоевого и межслоевого обменных взаимодействий на эффекты гистерезиса в данных спин-вентильных структурах. Разработана методика и осуществлен расчет температурной зависимости магнитосопротивления для спин-вентильных структур Со/Си/Со/1гМп и СРАЗМ^/СРАБ/ЬМп с Со-содержащим сплавом Гейсле-ра Со2РеА10.5Б10.5. Расчеты показали хорошее согласие с экспериментальными результатами. Рассчитана полевая зависимость магнитосопротивления для структуры Со/Си/Со/1гМп.
Ключевые слова: Монте-Карло моделирование, магнитные свойства, анизотропная модель Гейзенберга, эффекты гистерезиса.
Введение
В спинтронике магнитные наноструктуры с эффектами ГМС и ТМС нашли широчайшее применение в сенсорах магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и энергонезависимой магниторезистивной памяти [1, 2]. Заметным прогрессом в деле совершенствования структур с ГМС явилось создание спин-вентильных систем [3]. Преимуществом спин-вентильных структур являются низкие поля насыщения (И = 5 - 50 Э), значительно меньшие, чем в мультислойных магнитных структурах. Это свойство спиновых вентилей делает их техническое использование наиболее выгодным.
В настоящее время разработаны различные виды усложненных спин-вентильных структур, среди которых широко применяемыми в приборах спинтроники наряду со спиновым вентилем ФМ1/НМ/ФМ2/АФ (СВ) (рис. 1а), введенным в [3], являются спин-вентили с синтетическими АФ слоями
ФМ1/НМ/ФМг^/ФМзМ.Ф (СВАФ) (рис. 1Ь) и дуальные спиновые вентили (ДСВ) (рис. AФ/ФMl/НM/ФM2/НM/ФMl/AФ. В СВАФ наличие дополнительной трехслойной антиферромагнитной системы ФМ2Ж^ФМ3 усиливает действие АФ типа FeMn на свободно перемагничивающийся слой ФМ, что позволяет расширить температурную область с П-образной зависимостью магнитосопротивления (МС) от магнитного поля. В ДСВ слой ФM2 присоединяют к параллельно намагниченным ФM1 слоям так, что намагниченности всех трех слоев оказываются параллельными или соседние слои ФM1 ориентируются антипараллельно к слоям ФM2. Это приводит к более высокому МС, чем простая СВ структура.
Рис. 1. Изображение реальной СВ структуры, реализуемой в приборах спинтроники СВ структуры с синтетическим АФ слоем (Ь), дуальной СВ (е) [4].
В данной работе ставится целью осуществить моделирование магнитных свойств этих трех типов спин-вентильных структур и выявить влияние эффектов магнитной анизотропии и внутри- и межслоевых обменных взаимодействий на ги-стерезисные явления и МС структур при изменении толщины ФМ пленок.
Результаты моделирования
На рис. 2 приведены схематические изображения трех типов спин-вентильных структур, поведение и магнитные свойства которых нами моделируются.
В работе реализован теоретический подход, когда магнитные свойства ультратонких пленок переходных металлов на основе Бе, Со и N1, контактирующих с НМ
С)
Рис. 2. Схематическое изображение спин-вентильных структур: (а) модель простой СВ структуры, (Ь) модель СВАФ структуры, (с) модель ДСВ структуры. Ь, N1, N2, N3 и - линейные размеры пленок, 101, 102,11, -Ь, 13, 14, J5 - обменные интегралы.
металлической прослойкой, описываются анизотропной моделью Гейзенберга. При этом, обменное взаимодействие ФМ пленок в спин-вентильных структурах с намагниченностью в плоскости пленок описывается гамильтонианом
Н = - ^ Зц+ 0.8 ■ в?Б] + (1 - Д(М))£?Б]} - И ^ (1)
<г,3> г
В (1) Бг = , , ) - классический трехмерный единичный вектор спина, зафиксированный в 1-м узле ГЦК-решетки ФМ пленки (кобальта), Д(М) - параметр, учитывающий эффективное влияние анизотропии типа «легкой плоскости», создаваемой кристаллическим полем НМ слоя, на магнитные свойства пленки с толщиной N в единицах монослоев. Зависимость для Д(Ж) бралась из работы [5]. Параметр И = д^вН характеризует влияние внешнего магнитного поля, ориентированного в плоскости пленки с введенной слабой анизотропией вдоль оси х для снятия вырождения.
Нами осуществлен расчет зависимости магнитных характеристик пленок в структурах от температуры и внешнего магнитного поля. Исследовано влияние на проявление гистерезисных эффектов толщины пленок, температуры и величины внутрислоевого и межслоевого обменного взаимодействия (рис. 3).
0,8 0,6 0,4
х
2 0,2 0,0 -0,2
1 1 1 1 1 1 1 1
— —
-
¡¡¡-•-Мх^/^-зГ
Ш— Мх«^1=-1)"
- п
1 1 1} (а) 1 1 1 1 1 1 1
Рис. 3. Петли гистерезиса для (а) СВ, (Ь) СВАФ и (с) ДСВ структур с толщинами ФМ пленок N=5 МС и АФ слоя с ^^ = 16 МС при температуре Т=2.25 II/к#.
Разработана методика и осуществлен расчет температурной зависимости МС для спин-вентильных структур Со/Си/Со/1гМп и СРА8М^/СБА8/1гМп с Со-содержащим сплавом Гейслера Со2БеА10.5Б10.5 (СБАБ) (рис. 4). Сопоставление показало хорошее согласие с результатами эксперимента [6] (рис.4Ь). Рассчитана полевая зависимость
МС структуры Со/Си/Со/ТгМи при комнатной температуре (рис. 4с).
Рис. 4. Температурная зависимость МС 5 (Т, N в структурах (а) Со/Си/Со/1гМи для толщин N =N2;=5 МЬ и -/- = 0.01; (Ь) СРЛЗМ^/СБЛЗЛгМи для N1 =N2;=23 МЬ и -/- = 0.005; (с) полевая
зависимость МС Со/Си/СоЛгМи при Т=300 К.
Выводы
В заключение отметим, что в представленной работе исследовано влияние температуры, толщины пленок, внутрислоевого и межслоевого обменных взаимодействий на эффекты гистерезиса в трех типах спин-вентильных структур. Осуществлен расчет температурной зависимости МС для спин-вентильных структур Co/Cu/Co/IrMn и CFAS/Ag/CFAS/IrMn с Со-содержащим сплавом Гейслера Co2FeAl0.5Si0.5 (CFAS). Расчеты показали хорошее согласие с экспериментальными результатами [6]. Выявлены факторы, приводящие к стабилизации эффектов ГМС в рассмотренных структурах. Рассчитана полевая зависимость МС структуры Co/Cu/Co/IrMn.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-22-00093.
Литература
1. Freitas P. P., Ferreira R., Cardoso S., Cardoso F. Magnetoresistive sensors // Journal of Physics. -2007.-Vol. 19.-P. 1-21.
2. Chappert C., Fert A., Van Dau F. The emergence of spin electronics in data storage // Nature Materials. - 2007. - Vol. 6. - P. 813-823.
3. Dieny B., Speriosu V. S., Parkin S. S. P., Gurney B. A., Wilhoit D. R., Mauri D. Giant magnetoresistive in soft ferromagnetic multilayers // Physical Review B. - 1991. - Vol. 43. -P. 1297-1300.
4. Marrows C. H., Stanley F. F., Hickey B. J. Micromagnetic disorder in antiparallel biased spin valves // Journal of Applied Physics. - 2000. - Vol. 87. - P. 5058-5060.
5. Prudnikov P.V., Prudnikov V V, Menshikova M. A. Dimensionality crossover in critical behaviour of ultrathin ferromagnetic films // JMMM. - 2015. - Vol. 387. - P. 77-82.
6. Furubayashi T., Kodama K., Sukegawa H., Takahashi Y. K., Inomata K., Hono K. Current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistance in spin-valve structures using epitaxial Co2FeAl0.5Si0.5/Ag/Co2FeAl0.5Si0.5 trilayers // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 93. - P. 122507.
MONTE CARLO SIMULATION OF MAGNETIC PROPERTIES OF DIFFERENT TYPES OF SPIN-VALVE NANOSTRUCTURES
E. V. Drovorub
Postgraduent Student, e-mail: drovorub.egor@gmail.com
V. V. Prudnikov Dr.Sc. (Phys.-Math.), Professor, e-mail: prudnikv@mail.ru
P. V. Prudnikov Dr.Sc. (Phys.-Math.), Professor, e-mail: prudnikp@mail.ru
Dostoevsky Omsk State University, Omsk, Russia
Abstract. The Monte Carlo simulation of behavior and magnetic properties of three types of active used spin-valve structures is carried out. It is identified the effect of magnetic anisotropy and intra- and interlayer exchange interaction influence on hysteresis phenomena in a spin-valve structures upon varying the thickness of nanosized ferromagnetic films.
Keywords: Monte Carlo simulation, magnetic properties, anisotropic Heisenberg model, hysteresis effects.
Дата поступления в редакцию: 14.02.2023
