Наноэлектроника лит-ра / dragunov

Так, исследования двухслойных структур полуметалла La2/3Sr1/3MnO3 (11 нм) и феррита висмута (5 нм), проведенные в [76], показали, что в такой структуре сохраняются как диэлектрические и сегнетоэлектрические свойства феррита висмута, так и магнитные свойства полуметалла, что, в свою очередь, открывает возможности для создания на основе мультиферроиков магнитных и сегнетоэлектрических туннельных переходов, управляемых как магнитными, так и электрическими полями.

Среди других материалов, обладающих магнитоэлектрическими свойствами при комнатных температурах, можно отметить классический магнитоэлектрик хромит Cr2O3; пленки иттриевых феррит гранатов (магнитоэлектрический эффект в которых на порядок превышает таковой в хромите) и мультиферроик стронций-самарий ниобат SrSm2Nb2O9 (с в два раза большей намагниченностью, чем у пленок

BiFeO3) [72].

6.4.Основные направления развития магнитоэлектроники

Путь от фундаментальных исследований до первых работающих приборов спинтроника прошла за рекордно короткий срок – около 10 лет. Информация, закодированная в спины электронов, сохраняется и после выключения устройства; для обработки этой информации не требуются магнитные поля, а для ее записи – достаточно мизерных затрат энергии. Вот лишь некоторые преимущества спинтроники перед обычной электроникой.

В настоящее время изучение особенностей магнитных и транспортных свойств различных магнитных систем продолжается. Дело в том, что природа спин-зависящего рассеяния, спин-зависящего туннелирования, обменного взаимодействия через диэлектрик или полупроводник во многом остается неясной. Магнетизм интерфейсов, межслойный обмен, относительная роль квантовых размерных эффектов, объемного и поверхностного рассеяния, рассеяния на доменных границах, роль электронной структуры требуют дальнейшего детального экспериментального и теоретического анализа. Причем уровень исследований в этой области во многом определяется технологическими достижениями.

271

Пытаясь получить сверхвысокую плотность записи, ученые сталкиваются с препятствием – это так называемый суперпарамагнитный предел. При уменьшении размеров элементов до этого предела магнитные домены в обычных записывающих средах теряют стабильность. Выделить информационный сигнал при этом не представляется возможным. Плотность записи в районе этого предела составляет примерно 200 гигабит на квадратный дюйм. Чтобы обойти эту помеху, ученые ищут новые парамагнитные материалы с маленькими и лучше – однородными магнитными зернами.

Развитие технологии привело к возможности создания изолированных гранул и кластеров произвольного размера, неупорядоченных смесей гранул из различных материалов и периодических наноструктур. Класс возможных эффектов в этих структурах значительно шире, чем в мультислоях. Причем наряду с возможностью исследования обменных и дипольных взаимодействий, макроскопического квантового туннелирования, магнетизма поверхности и интерфейсов в таких системах значительный интерес представляют и явления вблизи порога перколяции. Особый интерес представляют исследования гранулированных сплавов ферромагнетик-неферромагнитный металл. Однако в целом искусственно созданные наноструктурированные магнетики пока представляют собой малоизученный класс магнитных материалов.

Много внимания сейчас уделяется исследованиям аморфных и нанокристаллических материалов, исследованиям монокристаллов, поликристаллов, напыленных, спеченных образцов, режимам термообработки, легирования и т. д. Возрастает интерес к новым периодическим структурам – магнитофононным кристаллам, к «метаматериалам» («средам Веселаго»), у которых как магнитная, так и диэлектрическая проницаемости отрицательны. Активизировались работы по поиску рабочего тела для компактных, экологически безопасных и энергетически эффективных магнитных холодильных установок.

На базе концепций и достижений молекулярной электроники и спинтроники зарождается новое направление – молекулярная спинтроника, основным элементом которой, как предполагается, станут магнитные молекулы («одномолекульные магниты» – single-molecule magnets, SMM). Они, несмотря на малые размеры, близки по характеристикам к объемным магнитным материалам. SMM привлекательны также для хранения информации с очень высокой плотностью и, благодаря большим временам декогерентизации, для квантовых вычисле-

ний [77].

272

В последнее время большие усилия направлены на интеграцию магнетизма в полупроводниковую архитектуру современных электронных устройств. Все чаще появляются сообщения об управлении магнитным состоянием вещества с помощью электрического поля без привлечения токов, а значит, без омических потерь. Однако в большинстве случаев это управление реализуется в ферромагнитных оксидах, плохо совместимых с полупроводниковой технологией. Поэтому основной акцент делается на изучение возможности замены металлов (как компонентов спинтронных устройств) на полупроводники и диэлектрики.

Один из подходов заключается в управлении ферромагнетизмом в магнитном полупроводнике (Ga, Mn)As с помощью электрического поля. Для этого, например, можно использовать устройство, предложенное в [78]. Данное устройство представляет собой своеобразный полевой транзистор (ferroelectric-gate field-effect transistor (FeFET)) с

проводящим каналом на основе магнитного полупроводника. Схематическое изображение такого транзистора показано на рис. 6.16. Полупроводниковый канал из (Ga, Mn)As толщиной 7 нм отделен от подложки (GaAs) слоем более широкозонного (Al, Ga)As. В качестве изолятора между электродом затвора (Au) и проводящим каналом служит сегнетоэлектрик на основе полимерного материала – фторида поливинилидена с трифторэтиленом (polyvinylidene fluoride trifluoroethylene P(VDF-TrFE)) с большой поляризуемостью. Как и в обычном полевом транзисторе, при изменении потенциала затвора в таком устройстве будет изменяться концентрация дырок в канале. Однако в данном случае изменение концентрации скажется не только на изменении

GaAs подложка

Рис. 6.16. Схематическое изображение полевого транзистора с каналом на основе магнитно-

го полупроводника

273

проводимости материала, но и на ферромагнетизме, поскольку обменное взаимодействие между ионами марганца, упорядочивающее магнитные моменты в веществе, осуществляется в (Ga, Mn)As дырками валентной зоны.

Основные трудности при создании такого устройства связаны с тем, что:

а) равновесная концентрация дырок в материале (Ga, Mn)As довольно высока (1020…1021 см−3) и для того чтобы изменения в концентрации, наводимые напряжением на затворе, были заметными и чтобы избежать эффекта экранировки поля затвора, потребовалось уменьшить толщину полупроводника до 7 нм;

б) технологии получения (Ga, Mn)As и сегнетоэлектриков плохо совместимы, поскольку при изготовлении последних требуется производить отжиг при температурах 400…600 °C, а при этом в GaAs резко уменьшается концентрация ионов Mn и соответственно теряются магнитные свойства полупроводника.

Выход состоял в использовании вместо обычного перовскитного сегнетоэлектрика полимерного материала фторида поливинилидена с трифторэтиленом, так как его температура отжига составляет всего

140 °C.

Отметим, что данное устройство отличают относительно небольшие управляющие напряжения (десятки вольт) и энергонезависимый (non-volatile) характер намагниченного состояния – система «помнит» его и после снятия электрического напряжения.

Как уже отмечалось, главным препятствием при создании подобных устройств является необходимость выполнения целого ряда плохо совместимых требований в рамках одной структуры.

Альтернативным подходом может быть создание гибридных систем ферромагнетик – полупроводник [79]. Одно из достоинств этого подхода заключается в наличии дополнительной степени свободы – возможности независимого выбора ферромагнитного материала и стандартного парамагнитного полупроводника. Кроме того, появляется возможность считывания намагниченности ферромагнетика при помощи полупроводника, например, используя эффект Холла.

Так как плотность носителей заряда (и спина) в немагнитном полупроводнике намного меньше, чем плотность магнитных атомов в металлических ферромагнетиках и ферромагнитных полупроводниках, то, на первый взгляд, обратным влиянием полупроводника на магнитные свойства ферромагнетика можно пренебречь. Однако это не всегда

274

так [79]. Например, при контакте ферромагнитной пленки и полупроводника может появляться изгиб зон и накопление вблизи границы раздела значительного числа носителей заряда. В то же время сильное обменное взаимодействие (кулоновское) между носителями заряда в полупроводнике и магнитными атомами в ферромагнитной пленке приводит к возникновению объединенной спиновой системы, свойства которой могут сильно отличаться от магнитных свойств самой пленки. В итоге полупроводник будет являться не только подложкой, на которой расположен ферромагнетик, но и сам активно участвует в обработке информации. Считывание намагниченности и управление ею осуществляются с его помощью. Конечно, влияние полупроводника на ферромагнетик тем сильнее, чем тоньше ферромагнитная пленка. Поэтому именно тонкие пленки (толщиной всего несколько нанометров) должны использоваться для плотной записи информации с электронным управлением.

Еще одна возможность управления спинами отдельных электронов с помощью импульсов электрического поля продемонстрирована недавно в работе [80]. В устройстве используются два электрона, локализованные в двух рядом расположенных квантовых точках, что технически реализуется на основе GaAs с напыленными на него металлическими электродами (рис. 6.17). Спином одного из электронов управляют с помощью импульсов электрического поля, второй электрон используется для считывания информации о спиновом состоянии первого электрона.

В начальном состоянии электроны расположены в соседних квантовых точках, в состоянии с параллельными спинами (выделенное направление задает внешнее постоянное магнитное поле). Электрический потенциал на затворе изолирует электроны друг от друга, создавая потенциальный барьер между ними

(рис. 6.18, а).

На втором этапе, прикладывая импульс переменного электрического напряжения между электродами, окружающими место расположения

275

увеличение эффективного магнитного поля и, как следствие, пропорциональное увеличение частоты осцилляций.

Принято считать, что кремний как материал электроники во всем уступает соединениям А3В5, кроме цены. Однако в новой отрасли электроники – спинтронике из-за слабого спин-орбитального рассеяния и отсутствия пьезоэлектрических эффектов кремний может опять оказаться вне конкуренции.

В приборах, основанных на перемещении заряда, главную роль играет величина подвижности. По этому параметру кремний на порядок уступает материалам А3В5. В спинтронных же устройствах главную роль уже играет время релаксации спиновых состояний, а по данному параметру кремний уже может превзойти своих извечных конкурентов. Дело в том, что в материалах А3В5 велико спин-орбитальное взаимодействие. В результате происходит быстрая релаксация спиновых состояний. В кремнии же спин-орбитальное взаимодействие гораздо слабее. Кроме того, в кремнии нет пьезоэлектрических фононов, ответственных за релаксацию спина в материалах А3В5. Большим преимуществом кремния также является и то, что кристалл кремния в основном составлен из бесспиновых изотопов 28Si, так как удается произвести серьезную очистку его от спинового изотопа 29Si, наличие которого тоже приводит к релаксации электронного спина.

Список литературы

1.Ведяев А.В. Использование поляризованного по спину тока в спинтронике // УФН. – 2002. – Т.172. – № 12. – С. 1458-1461.

2.Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М. Как ток спины переносит.

Спинтроника многослойных ферромагнетиков // Природа. – 2007. – № 5. –

С. 1–13.

3.Двуреченский А.В. Зиновьева А.Ф., Ненашев А.В. и др. Спиновые эффекты в гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками // Материалы электронной техники. – 2006. – № 2. – С. 15–25.

4.Баклицкая О. Нобелевские премии 2007 года. Гигантское магнетосо-

противление – триумф фундаментальной науки // Наука и жизнь. – 2007. –

№11. – С. 20–26.

5.Dyakonov M.I., Perel V.I. Current-induced spin orientation of electrons in semiconductors // Phys. Lett. A. – 1971. – V.A35. – P. 459–460.

6.Gulliere M. // Phys. Lett. A. – 1975. – V. A54. – P. 225–226.

7.Аронов А. Г., Пикус Г. Е. Спиновая инжекция в полупроводниках // ФТТ. – 1976. – Т.10. – С.1177–1180.

277

8. Добровицкий В.В., Звездин А.К., Попков А.Ф. Гигантское магнетосопротивление, спин-переориентационные переходы и макроскопические квантовые явления в магнитных наноструктурах // УФН. –1996. – Т.166. – № 4. – С. 439–446.

9. Baibich M. N., Broto J. M., Fert A. et al. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices // Phys. Rev. Lett. – 1988. – V. 61. –

N21. – P. 2472–2475.

10.Binasch G., Grünberg P., Saurenbach F., Zinn W. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange // Phys. Rev. B. – 1989. – V. 39. – N 7. – P. 4828–4830.

11.Parkin S. S. P., Li Z. G., Smith D. J. Giant magnetoresistance in antiferromagnetic Co/Cu multilayers // Appl. Phys. Lell. – 1991. – V. 58. – N 23. – P. 2710– 2712.

12.Никитин С.А. Гигантское магнитосопротивление // Соросовский образовательный журнал. – 2004. – Т. 8. – № 2. – С.92-98.

13.Блат Ф. Физика электронной проводимости в твердых телах. – М.: Мир. – 1971. – 470 с.

14.Camley R. E., Barnaś J. Theory of giant magnetoresistance effects in magnetic layered structures with antiferromagnetic coupling // Phys. Rev. Lett. – 1989. – V. 63. – N 6. – P. 664 – 667.

15.Устинов В.В., Ринкевич А.Б., Ромашев Л.Н., Перов Д.В. Гигантское магнитосопротивление сверхрешеток железа. Хром на сверхвысоких частотах // ЖТФ. –2004. – Т. 74. – № 5. – С. 94–100.

16.Camley R. E., Stamps R.L. Magnetic multilayers: spin configyrations, excitations and giant magnetoresistance // J. Phys.: Condens. Matter. –1993. – V. 5. – P. 3727–3786.

17.Barnas J., Fuss A., Camley R.E. et al. Novel magnetoresistance effect in

layered magnetic structures: theory and experiment // Phys. Rev. B. – 1990. –

V.42. – N 13. – P. 8110 – 8120.

18.Dieney B. Classical theory of giant magnetoresistance in spin-valve multilayers: influence of thickness, number of periods, bulk and interfacial spindependent scattering // J. Phys.: Condens. Matter. – 1992. – V. 4. – P 8009–8020.

19.Barthélémy A., Fert A. Theory of the magnetoresistance in magnetic multilayers: Analytical expressions from a semiclassical approach // Phys. Rev. B. – 1991. –V. 43. – N 16. – P. 13124–3129.

20.Hood R. Q., Falicov L. M. Boltzmann-equation approach to the negative magnetoresistance of ferromagnetic–normal-metal multilayers // Phys. Rev. B. – 1992. – V. 46. – N 13. – P. 8287–8296.

21.Zhang S., Levy P. M., Fert A. Conductivity and magnetoresistance of magnetic multilayered structures // Phys. Rev. B. – 1992. – V. 45. – N 15. – P. 8689– 8702.

22.Camblong H. E., Levy P. M. Novel results for quasiclassical linear transport in metallic multilayers // Phys. Rev. Lett. – 1992. – V. 69. – N 19. – P. 2835–2838.

278

23.Vedyayev A.B, Cowache C., Ryzhanova N., Dieny B. Quantum effects in the giant magnetoresistance of magnetic multilayered structures // J. Phys.: Condens. Matter. –1993. – V. 5. – P. 8289–8304.

24.Dieney B. Giant magnetoresistance in spin-valve multilayers // J. Phys. Condens. Matter. –1994. – V. 136. – P. 335–359.

25.Ведяев А.В., Грановский А.Б. Гигантское магнетосопротивление // Природа. – 1995. – № 8. – С. 72–79.

26.Vedyayev A.B, Chshiev M., Dieny B. Quantum effects in giant magnetoresistance due to interfaces in magnetic sandwiches // J. of Magnetism and Magnetic Materials. – 1998. – V. 184. – N 2. – P. 145–154.

27.Takanashi K., Kurokawa H., Fujimori H. A novel hysteresis loop and indirect exchange coupling in Co/Pt/Gd/Pt multilayer films // Appl. Phys. Lett. – 1993. – V. 63. – N 11. – P. 1585–1587.

28.Katine J. A., Albert F. J., Buhrman R. A. et al. Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-Wave Excitations in Co/Cu/Co Pillars // Phys. Rev. Lett. – 2000. – V. 84. – N 14. – P. 3149–3152.

29.Tsoi M., Jansen A. G. M., Bass J. et al. Excitation of a Magnetic Multilayer by an Electric Current // Phys. Rev. Lett. – 1998. – V. 80. – N 19. – P. 4281–4284.

30.Звездин А.К., Звездин К.А., Хвальковский А.В. Обобщенное уравнение Ландау – Лифшица и процессы переноса спинового момента в магнитных наноструктурах // УФН. – 2008. – Т.178. – № 4. – С. 436-442.

31.Berger L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current // Phys. Rev. B. – 1996. – V. 54. – N 13. – P. 9353 – 9358.

32.Slonczewski J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers // J. Magn. Magn. Mater. – 1996. – V.159. – N.1-2. – P. L1–L7.

33.Heide C., Zilberman P.E., Elliott R. J. Current-driven switching of magnet-

ic layers // Phys. Rev. B. – 2001. – V. 63. – N 6. – P. 064424–064431.

34.Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М. Спин-инжекционный механизм перемагничивания и гистерезис в магнитных переходах // Письма в ЖЭТФ. – 2002. – Т. 76. – Вып. 3. – С. 189–193.

35.Баранов А.М., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е. и др. Гистерезис тока в магнитных туннельных переходах // ФТТ. – 2001. – Т. 43. – Вып. 6. – С. 1057–

1060.

36.Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М. Особенности обратного обменного переключения током в ферромагнитных нанопереходах // Радиотехника и электроника. – 2007. – Т. 52. – N 2. – С. 211–218.

37.Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Панас А.И. и др. Эффекты необратимого переключения намагниченности и бистабильности в ферромагнитных переходах // Письма в ЖЭТФ. – 2007. – Т. 86. – Вып. 5. – С. 381–385.

38.Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Крикунов А.И. и др. Возможность увеличения уровня инжекции спинов током в магнитных переходах // ЖТФ. – 2007. – Т. 77. – Вып. 9. – С. 67–70.

279

39.Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М. Наноразмерные структуры с включением ферромагнитных металлических слоев: новые эффекты при прохождении перпендикулярного тока // УФН. – 2008. – Т.178. – № 4. – С. 433–436.

40.Slonczewski J. C. Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier // Phys. Rev. B. – 1989. – V. 39. – N 10. – P. 6995– 7002.

41.Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники: учеб. пособие. – М.: Университетская книга; Логос; Физматкнига, 2006. – 496 с.

42.Moodera J. S., Mathon G.J. Spin polarized tunneling in ferromagnetic junctions // J. Magn. Magn. Mater. – 1999. – V. 200. – N 1–3. – P. 248–273.

43.Bagrets D., Bagrets A., Vedyayev A. et al. Influence of s-d interfacial scattering on the magnetoresistance of magnetic tunnel junctions // Phys. Rev. B. – 2002. – V. 65. – N 6. – P. 064430–064448.

44.Нагаев Э.М. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским магнитосопротивлением // УФН. – 1996. – Т. 166. – № 8. – С. 833–858.

45.Звездин А.К., Пятаков А.П. Фазовые переходы и гигантский магнитоэлектрический эффект в мультиферроиках // УФН. – 2004. – Т. 174. – № 4. – С. 465–471.

46.Fiebig M. Revival of the magnetoelectric effect // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2005. – V. 38. – N 8. – P. R123–R152.

47.Prellier W., Singh M.P., Murugavel P. The single phase multiferroic oxides: from bulk to thin film // J. Phys: Condens. Mater. – 2005. – V. 17. – P. R803–R832.

48.Aizu K. Possible species of ferromagnetic, ferroelectric, and ferroelastic crystals // Phys. Rev. B. – 1970. – V. 2. – P. 754-772.

49.Смоленский Г.А., Чупис И.Е. Сегнетомагнетики // УФН. – 1982. – Т.137. – № 3. – С. 415–448.

50.Веневцев Ю.Н., Гагулин В.В., Любимов В.Н. Сегнетомагнетики. – М.: Наука. – 1982. – 224 с.

51.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука. 1992. 266 с.

52.Дзялошинский И. Е. Проблема пьезомагнетизма // ЖЭТФ. – 1957. – Т. 33. – С. 807–812.

53.Дзялошинский И.Е. К вопросу о магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. – 1959. – Т. 37. – С. 881–882.

54.Астров Д.Н. Магнитоэлектрический эффект в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. – 1960. – Т. 38. – С. 984.

55.Астров Д.Н. Магнитоэлектрический эффект в окиси хрома // ЖЭТФ. – 1961. – Т. 40. – С. 1035–1041.

56.Folen V.J., Rado G.T., Stalder E.W. Anysotropy of the magnetoelectric effect in Cr2O3 // Phys. Rev. Lett. – 1961. – V.6. – № 11. – P. 607–608.

280