Получение и исследование материалов для  приборов  спинтроники Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Engineering sciences

УДК 69

DOI 10.21661/r-118557 В.В. Жижин, С.В. Колпаков

Получение и исследование материалов для приборов спинтроники

Аннотация

В представленной работе проведены исследования материалов спинтроники. Как отмечают авторы статьи, экстракционно-пиролитическим методом получены тройные оксиды в системе La-Sr-MnO и исследованы магнитные свойства полученных пленок.

| Ключевые слова: материалы спинтроники, магнитные свойства, тройные оксиды.

V.V. Zhizhin, S.V. Kolpakov

Obtaining and research of materials for spintronic devices

Abstract

The article presents the research of spintronic devices. According to the authors, using extraction and pyrolytic method it was possible to obtain tertiary oxide in La-Sr-MnO system and to research magnetic behavior of obtained film.

Keywords: spintronic devices, magnetic behavior, tertiary oxide.

Магнитоэлектроника и приборы на основе эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС), туннельные устройства, полупроводниковые гетероструктуры для инжекции спинов, их транспорт и детектирование, импульсный ферромагнетизм являются предметом нового направления электроники, а именно спинтроники.

Термин спинтроника (spintronics - англ.) появился впервые в 1998 г в совместном пресс релизе лабораторий Белла и Йельского университета, в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты, кодировались бы электронными спинами. В агентстве перспективных исследований министерства обороны США спинтронику определяют как спинтранспортную электронику. Согласно другим определениям спинтроника - это наука, для которой принципиальное значение имеет взаимосогласованное поведение заряда и спина электрона; «это электроника на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и «спин зависимые эффекты»; «это наука об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации

электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях»; «это новая ветвь микроэлектроники, где спин и заряд электрона представляют собой активный элемент для хранения и передачи информации, интегральных и функциональных микросхем, многофункциональных магнитоопто-электронных устройств».

Существует много приборов, основанных на магнитных материалах. В основном это устройства магнитной памяти. Магнитные материалы в других областях микроэлектроники не получили широкого распространения т.к. обычная электроника работает со статистическим ансамблем электронов, а следовательно, работают законы статистики и классической физики.

В приборах спинтроники применяются материалы с гигантским магниторезистивным эффектом. Магниторе-зистивный эффект в тонкопленочных структурах заключается в том, что сопротивление магнитных пленок в магнитном поле зависит от относительной ориентации магнитных моментов в соседних ферромагнитных пленках, разделенных немагнитной прослойкой. Количественно эффект определяется выражением: . р(н)-р(0)

8 = [

m

(i)

Технические науки

где р(0) - электросопротивление при отсутствии поля; р(Н) - электросопротивление в поле Н.

Эффект ГМР достигает десятки процентов при комнатной температуре и наблюдается в:

- многослойных структурах, содержащих нанослои из ферромагнитных материалов и их сплавов Fe, Ш, Со, чередующихся с нанослоями из благородных металлов Си, Аг, Аи;

- гранулированных пленках, изготовленных из несмешиваю-щихся магнитных и немагнитных полупроводников;

- многослойных спин-вентильных (два тонких магнитных слоя, разделенных тонким (25А-30Е) слоем Си) и спин-туннельных структурах (два тонких ферромагнитных металлических слоя, разделенных тонким диэлектрическим слоем);

- магнитных сэндвичах -спин-вентильные структуры без пиннингового слоя.

Кроме гигантского магнито-сопротивления ГМР материалы характеризуются еще двумя параметрами, важными для практического использования: полем насыщения (магнитное поле, при котором магнитосопротивление достигает максимального значения) и чувствительностью (изменение сопротивления в полях, меньших поля насыщения).

Рис. 1. Пленка La0 8^г015Мп03 30 слоев на кварце, пиролиз 450 °С, отжиг 750 °С в течении 1 часа. Пленка состоит из зерен одинаковой формы размером 30-50 нм. Шероховатость около 3 нм

Лантан-марганцевые оксиды типа LaSrMnO, обнаруживающие эффект гигантского магнетосопро-тивления привлекают внимание исследователей разнообразием свойств и перспективами практического применения. Рассматриваемые сложные оксиды могут вести себя, как диэлектрическая среда с металлическими каплями, так и напротив, как металлическая среда с диэлектрическими включениями. Аналогично с позиций магнетизма эти материалы представляют собой двухфазную магнитную систему с преобладанием ферро- или антиферромагнитного взаимодействия. Природа легкой реакции манганитов на внешнее воздействие (магнитное и элек-

о

Рис. 2. Рентгенограммы пленки La06Sr04MnO3 (Ютжига = 1120 К, время - 2 часа)

трическое поле, температуру) обусловлена суперпозицией разномасштабных элементов структуры: кристаллической основной матричной структуры с дальним порядком (парамагнетик с диэлектрическими свойствами при температурах выше температуры Кюри Тс) и мезоскопической кластеризованной структуры с нано размерным порядком в расположении атомов (с ферромагнитными свойствами и металлической проводимостью).

С использованием экстрак-ционно-пиролитического метода была получена пленка манганита, осажденного на подложку из плавленого кварца и прошедшая отжиг при температуре от 700 до 800 °С. Структурные и магнитные исследования были проведены в зависимости от концентрации раствора и температуры отжига.

На рисунке 1 представлена микрофотография поверхности поликристаллической пленки манганита, ранее полученной пиролитической экстракцией из раствора с 4% концентрацией. При внесении пленки, после отжига в течение 10 мин. при температуре 730 °С, в печь образуется кратерная структура. Диаметр углублений 180-200 нм, размер зерна пленки при этом 30 нм.

114 Интерактивная наука | 13 • 2017

Engineering sciences

1,6x10"4

1,4x10'4

1,2x10"4

1,0x10"4

8,0x10"6

6,0x10"6

4,0x10"6

2,0x10"5

h о 0,0

=5 £ -2,0x10"6

-4,0x10"5

-6,0x10"6

-8,0x105

-1,0x10"4

-1,2x10"4

-1,4x10"4

-1,6x10"4

-1,8x10"4

Manganite 1

---T=120 К

- • — T=200 К

о

H, Oe

Рис. 3. Зависимость магнитного момента единицы площади пленки LaЛ ^гл „МпО от величины магнитного поля

0,6 0,4 3

при температурах 120 К 200 К

Отжиг в течение 1 часа при этой температуре приводит к увеличению размера зерна от 30 до 180 нм. Диаметр углублений при этом не изменяется.

Проведенные рентгенострук-турные исследования показали следующее. Пленки, полученные на стадии пиролиза и не подверженные последующему отжигу, имели аморфную кристаллическую структуру. Последующий отжиг при температурах 730, 750 °С приводит к образованию поликристаллического однофазного перовскита, для обеих концентраций раствора. Дифрак-тограмма пленки La0 6SrQ 4MnO3 после отжига при температуре 730 °С показана на рисунке 2.

Полученная рентгенограмма соответствует эталонной для

манганитов лантана, т.е. последующий отжиг при температуре выше 1000 К приводит к образо-

ванию поликристаллического однофазного перовскита.

Магнитные исследования проведены с использованием комплекса для магнитных исследований MPMS в магнитном поле до 50 кЭ и в интервале температур 1.9 - 300 К.

Вид кривых свидетельствует о существовании ферромагнитной фазы при температурах 120 и 200К. При этом, как видно, насыщение не достигается в полях до 2000 Э.

Кривые температурных зависимостей на рисунке 4 получены при различных условиях охлаждения и разных по величине магнитных полях. Наблюдаемая температурная зависимость может рассматриваться как суперпозиция ферромагнитной и антиферромагнитной фаз. Это часто наблюдается в разбавленных манганитах, что может быть связано с химическим разделением.

1,0x10

0,0

Manganite 1

Н=2000Ое

— • — Н=1000 Ое

н=500 Ое (ZFO)

— • — Н=500 Ое

60

120

180

240

300

Т(К)

Рис. 4. Температурная зависимость магнитного момента (ед. площади) пленки La06Sr04MnOз от температуры для пленки

Литература

1. Кржижановский Р.Е. Теплофизические свойства неметаллических материалов / Р.Е. Кржижановский, З.Ю. Штерн. - Л.: Энергия, 1973. - 333 с.

2. Самойленко З.А. ЖТФ / З.А. Самойленко, В.Д. Окунев, Е.И. Пушенко [и др.]. - 2004. - Т. 74. - Вып. 4. -С. 58-65.

3. Преображенский А.А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. - М.: Высшая школа, 1972.

4. Рудская А.Г. ФТТ / А.Г. Рудская, Н.Б. Кофанова, Л.Е. Пустовая, Б.С. Кульбужев, М.Ф. Куприянов. - 2004. -Т. 46. - Вып 10. - С. 1856-1860.

5. Ефимов Н.Н. Спинтроника - новое направление в электронике / Н.Н. Ефимов, Л.А. Битюцкая [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://pandia.ru/text/78/409/84623.php (дата обращения: 27.02.2017).