56

ВСТУП

Магнітоелектроніка - достатньо молодий науково-технічний напрям твердотільної електроніки в основі якого лежить використання явищ, пов'язаних з дією на електронні властивості немагнітних і магнітних середовищ зовнішнього магнітного поля. Серед сучасних технічних засобів немало пристроїв і об’єктів, робота яких ґрунтується на взаємодії з магнітним полем або таких де магнітне поле виступає в якості керуючого середовища. Традиційними ефектами, які використовувалися при розробці магніточутливих приладів були гальваномагнітні явища: ефект Холу, магніторезистивний ефект, магнітодіодний і ряд інших [1]. На основі цих ефектів розроблені магніточутливі прилади: датчики Холу, магнітодіоди, - транзистори, -тірістори, що широко використовуються в промисловості. Серед безперечних переваг таких приладів слід назвати повну електричну розв'язку вхідних і вихідних ланцюгів апаратури, детектування величини і напряму індукції магнітного поля з високою локальністю, створення безконтактних (які «не іскрять») комутаторів, безконтактне вимірювання електричного струму та напруги і багато інших [2].

Особливо бурхливий розвиток магнітоелектроніка отримала в останнє десятиліття у зв'язку з відкриттям так званих гігантського (ГМО або GMR) і тунельного (ТМО або TMR) магніторезистивного ефектів в магнітних надгратах і негомогенних магнітоупорядкованих середовищах. Перший ефект було відкрито в 1988 р. і він достатньо швидко знайшов широке промислове застосування в пристроях зчитування інформації при використанні запам'ятовуючого магнітного середовища. Застосування пристроїв на основі цього явища в зчитуючих голівках жорстких дисків вже на початку 90-х років минулого століття дозволило збільшити їх ємність з сотень мегабайт до десятків, а потім і сотень гігабайт, що істотно збільшило можливості персональних комп'ютерів.

Елементи на основі магнетиків застосовувалися в ЕОМ, починаючи з перших кроків. В перших обчислювальних машинах в якості елементів оперативної пам'яті використовувалися феритові кільця. Ферит є феримагнетиком. Намагніченість кільця за годинниковою стрілкою задавала «нуль», а проти годинникової стрілки - «одиницю».

У другій половині двадцятого століття в периферійних пристроях ЕОМ широкого поширення набули циліндрові магнітні домени (ЦМД), проте тепер дана технологія виходить із вжитку [3] (як і магнітооптичні диски).

Широке технічне застосування явища ГМО привернули до нього увагу наукової громадськості, що виразилося в присудженні Нобелівської премії 2007 р. першовідкривачам явища ГМО А. Ферту і П. Грюнбергу.

В області фундаментальних досліджень відкриття ГМО стимулювало широке вивчення систем, що містять наношари магнітних матеріалів, яке привело до відкриття в 1995 р. явища тунельного магнітоопору (ТМО), явища перемагнічування спін-полярізованним струмом та інших явищ. Сформувався напрям електроніки, що отримав назву «спінтроніка». Спінтроніка об'єднала явища і пристрої, що використовують спін-полярізовані струми, тобто перенесення інформації за допомогою спину, тоді як традиційна електроніка використовує явище перенесення електричного заряду.

У прикладній області відкриття явищ ГМО і ТМО стимулювало створення магніторезистивної пам'яті (МRAМ), швидкодія якої порядка наносекунди і, в перспективі, може замінити як жорсткі диски, так і флеш- і напівпровідникову пам'ять. На тепер створені дослідні партії такої пам'яті. Її головними недоліками є складність сполучення з традиційними напівпровідниковими технологіями і (поки що) висока вартість (за оцінкою 2009 р. - в 100 разів дорожча звичайної).

Магнітоопір - це зміна електричного опору провідника зовнішнім магнітним полем. У немагнітних провідниках (напівпровідниках і металах із зонним механізмом перенесення заряду) зміна опору викликається дією сили Лоренца на рухомий електрон і в звичайних умовах цей ефект відносно невеликий. У теж час в магнітних матеріалах і магнітоупорядкованих наноструктурах поляризація спину електрона дає ряд додаткових внесків в магніторезистивний ефект і великий магнітоопір можна отримати в достатньо слабких магнітних полях. Прогрес і застосування цих ефектів були б неможливі без глибокого розуміння фізики цих явищ, що вимагають для опису (у зв'язку з використанням поняття "спин") апарату квантової механіки. Часто дане відгалуження магнітоелектроніки називають спінелектронікой або спінтронікой, як зазначалось вище.

Отже, можна перелічити магніторезистивні ефекти, що знаходять широке застосування в сучасній магнітоелектроніці - звичайний лоренцівський магнітоопір (ЛМО), анізотропний магнітоопір (АМО) феромагнітних матеріалів і сплавів, гігантський магнітоопір (ГМО) в магнітних надгратах і неоднорідних магнітних середовищах, тунельний магнітоопір (ТМО) тунельних контактів з феромагнітними електродами і неоднорідних магнітоупорядкованих середовищ, колосальний магнітоопір (КМС) деяких феромагнітних оксидів. Підсумовуючи можна відмітити, що ряд магніторезистивних ефектів в даний час знаходить широке застосування в промисловості. Наприклад, АМО і ГМО ефекти використовуються в головках зчитування з магнітних дисків і стрічок, розроблені прототипи магнітної пам'яті на цих ефектах і практично всі вони використовуються як фізична основа роботи магніточутливих датчиків.

Розділ 1 магнітні властивості атомів і молекул

1.1 Механічний та магнітний моменти електрона в атомі

Явище магнетизму отримало назву від властивості шматків магнітного залізняку - магнетиту Fе₃O₄, які були виявлені поблизу стародавнього міста Магнезія.

Всі речовини - ізолятори, напівпровідники, метали, - володіють магнітними властивостями. Ці речовини підрозділяються на

-феромагнітні - Fе, Co, Ni

-антиферомагнітні – Dу(диспрозій), Ho (гольмій), Еr (ербій), МnО, FeО

-парамагнітні - Ti, V

-діамагнітні речовини - Сu, Zn

Магнітні властивості речовин обумовлені магнітними властивостями складових частинок – атомів, молекул, які в свою чергу складаються із рухомих заряджених частинок (електрони, ядра атомів).

Магнетизм можна пояснити тільки в рамках квантової механіки. В рамках класичних уявлень магнітний момент системи в термодинамічній рівновазі повинен бути рівний нулю навіть в зовнішньому магнітному полі (теорема Бора-ван Левена).

За класичними уявленнями електрон в атомі не може знаходитись в стані спокою, він безперервно рухається. Це орбітальний рух по замкнутим коловим чи еліптичним орбітам. Тому, з орбітальним рухом пов'язано існування моменту імпульсу електрона , де r — радіус-вектор електрона, — маса електрона, — його швидкість. Крім цього, електрон — частинка, що має електричний заряд, тому магнітний момент електрона дорівнює , де І — сила орбітального струму, S - площа орбіти, - вектор нормалі до площини орбіти. Внаслідок того, що заряд електрона негативний, вектори та мають протилежний напрям (рис 1.1).

Рисунок 1.1

Можна показати [3,4], що механічний та магнітний моменти електрона пов'язані формулою

, (1.1)

В квантовій механіці поняття траєкторії та орбітального руху електрона мають інше значення порівняно з класичною теорією. Не можна говорити і про орієнтацію векторів та відносно площини електронної орбіти, поняття площини електронної орбіти втрачає зміст. Для того, щоб знайти модуль орбітального моменту імпульсу електрона в квантовій механіці, необхідно розв'язати операторне рівняння . Це складна математична задача, розв'язання якої виходить за рамки даного курсу, тому наведемо лише кінцевий результат. Виявляється, що модуль моменту імпульсу є дискретною величиною, яка залежить від орбітального квантового числа l.

(1.2)

Дискретною величиною є також проекція M_z моменту імпульсу на вісь z , що співпадає за напрямом з зовнішнім магнітним полем:

(1.3)

де - магнітне квантове число; =0,±1,±2,...,± . Із (1.2) і (1.3) випливає, що, так би мовити, "природною" одиницею вимірювання моменту імпульсу є стала Планка (Дірака) ħ. Тобто (1.2), (1.3) - правила просторового квантування.

Розглянемо докладніше фізичний зміст одержаних результатів. Крім того, що момент імпульсу є квантованою величиною (змінюється дискретно), орбітальний момент імпульсу електрона може мати тільки таку орієнтацію в просторі, яка відповідає правилам просторового квантування (1.2), (1.3). Всього це (2 + l) орієнтацій вектора відносно осі z. Причому, одночасно можна виміряти тільки модуль моменту імпульсу та одну з проекцій М_z ; дві інших проекції М_х та М_у є невизначеними. Це також результат, що випливає з квантової механіки та не підлягає класичній просторовій інтерпретації. Використовуючи векторну модель атома. можна зображати вектори моменту імпульсу чи магнітного моменту як напрямлені відрізки, які здійснюють прецесію навколо осі z. Тобто момент імпульсу може мати напрямок одної з твірних конуса, висота якого є кратною ħ (рис 1.2). Кут між віссю z і напрямом можна визначити за формулою:

.

Рисунок 1.2

Внаслідок того, що m_max=l, кут між віссю z та не може дорівнювати 0 чи π (cos a=l). Можливі орієнтації орбітального моменту імпульсу схематично зображено на рис. 6.2. Зверніть увагу на те, що крім просторового квантування моменту імпульсу разючою відмінністю від класичних результатів є можливість існування станів з М=0 Це S-стан електрона, l=0

Не дивлячись на суттєву відмінність результатів квантової фізики та класичної, в квантовій механіці можна довести справедливість (1.1) між орбітальним моментом імпульсу електрона та його магнітним моментом:

Якщо ввести загально признане позначення

— магнетон Бора, то магнітний момент електрона дорівнює:

(1.4)

Магнетон Бора є квантовою одиницею вимірювання магнітного моменту. Зауважимо, що співвідношення (1.1) між орбітальним та магнітним моментами можна записати у вигляді:

,

— орбітальне гіромагнітне відношення, = l.