Явище гігантського магнітоопору (ГМО) сприяє розвитку нових технологій, відкриває великі можливості з точки зору збільшення щільності логічних елементів та швидкості обробки даних.
Суть його полягає у різкому зростанні електричного опору (на 1-70%) в багатошарових плівкових структурах (мультишарах), що складаються з почергових феромагнітних і немагнітних шарів, при накладанні зовнішнього магнітного поля. ГМО відрізняється від звичайного магнітоопору, оскільки в цьому разі зменшення опору не залежить від напряму прикладеного магнітного поля, а відбувається при зміні напряму намагніченості в магнітних шарах від антипаралельного (антиферомагнітна взаємодія) до паралельного (феромагнітна взаємодія) під дією зовнішнього магнітного поля. Відомо, що явище ГМО спостерігається не лише в мультишарах, але і в гранульованих сплавах, у т.ч. і плівкових [1].
Гігантський магнітний опір уперше спостерігався Бейбічем, Броте, Фертом та ін. у 1988 році в багатошарових плівкових структурах Fe/Cr. У подальшому подібний ефект спостерігали і в інших плівкових системах, наприклад Co/Cu, Co/Ag, Py/Cu та ін. Аналіз накопичених експериментальних даних свідчить про те, що ГМО обумовлений спін-залежним перенесенням електричних зарядів. Згідно з особливостями цього механізму електроперенесення такі:
- завдяки наявності у феромагнетиках великих молекулярних обмінних полів (Нм ~ 109 Еp) виникає сильна спінова поляризація носіїв заряду, внаслідок чого перенесення електричного струму здійснюється електронами неоднакової кількості із проекцією спіну “вгору” та “вниз”[1];
- в однорідно намагніченому феромагнетику густину струму можна розділити на дві складові j+ і j-, які спрямовані за або проти вектора намагніченості , це спричиняє появу двох спінових каналів електропровідності з питомими провідностями s+ і s-;
- завдяки спіновій залежності концентрації носіїв та ймовірності їх розсіювання питомі опори r+ і r- для двох спінових каналів будуть відрізнятися:
, (1)
де β – коефіцієнт спінової асиметрії.
На межі поділу феромагнетик/намагнічений матеріал (F/N інтерфейс) існує додатковий, т. зв. інтерфейсний механізм розсіювання електронів. Фізичний зміст його полягає в тому, що електрон, який рухається із феромагнетику у немагнітний матеріал, має подолати енергетичний бар¢єр, який залежить від напряму спіну електрона. Залежно від знака обмінної взаємодії між локалізованими та рухомими спінами, для електронів із спіном, паралельним вектору , бар¢єр може бути вищим або нижчим на величину μБ НМ порівняно із електроном із антипаралельним вектору спіном. Цей ефект можна врахувати, якщо вважати, що опір металу поблизу F/N межі є спінзалежним, тобто
(2)
де γ – коефіцієнт, який залежить від різниці потенціальних бар¢єрів для двох напрямів спіну, а також від товщини та розмитості інтерфейсного шару, у якого питомий опір r F/N (наприклад, для межі Co/Cu γ = 0,7 - 0,9) [1].
Рисунок 1, ілюструє механізм збільшення опору тришарової плівкової системи Co/Cu/Co при зміні паралельної на антипаралельну орієнтацію намагніченості в магнітних шарах Со під дією зовнішнього магнітного поля для випадку т.зв. СПП – геометрії, тобто, коли струм проходить перпендикулярно до площини шарів. ГМО може вимірюватися і при паралельній геометрії (СПРП - геометрія), але в першому випадку ефект проявляє себе значно сильніше. Ступінь спінової поляризації залежить від природи феромагнетику і тому в реальних експериментах величина ГМО = (R(Hm) –R(0))/R(Hm) становить величину порядку (1-10)% (Hm – максимальне значення напруженості магнітного поля).
Рисунок 1- Механізм виникнення ГМО в внаслідок спін-залежного розсіювання електронів різної поляризації на межі поділу шарів F/N і N/F (СПП - геометрія): а – малий опір; б – великий опір (ГМО) [1]
Оскільки плівкові системи Fe/Cr і Co/Cu можна розглядати як модельні, то ми приділимо основну увагу літературним даним на прикладі цих систем. Раніше відмічалося, що в цьому випадку використовуються дві геометрії експерименту – СПП і СПРП (рис.2).
Рисунок 2 - Геометрія дослідження ГМО: а – СПРП; б – СПП – геометрія [1]
На рисуноку 3 наведені залежності ГМО від напруженості магнітного поля для полікристалічних мультишарів на основі Co і Cu та Fe і Cr, отримані за = 300 К при використанні СПРП-геометрії.
Рисунок 3 – Гігантський магнітний опір у плівкових мультишарах
з буферними шарами Cr і Fe
Si/Cr(4нм)/[Fe(0,8)/Cr(0,75)]39/Fe(0,8)/Cr(1,5) та
Si/Fe(5)/[Со(0,8)/Cu(0,75)]59/Со(0,8)/Fe(2) [1]
Плівкові зразки отримувалися магнетронним розпиленням на підкладку (100) Si, покриту тонким шаром (d = 1,0-1,5 нм) оксиду, при Тп = 300К (мультишари Co/Cu) і Тп = 400К (мультишари Fe/Cr). При такому виборі температури підкладки досягалася максимальна величина ГМО[1].
ПРАВИЛА ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ
У вакуумній установці та вимірювальному приладі використовується висока напруга. В зв’язку з цим установка вмикається у повній відповідності до інструкції в присутності лаборанта.