Явище гігантського магнітного опору в багатошарових плівкових системах

і.ю. Проценко*, проф., д-р. фіз.-мат. наук; І.В. Чешко*, асп.;

Я. Яворский**, д-р наук ^*

*Сумський державний університет

^** Інститут ядерної фізики ПАН (м. Краків)

Вступ

Явище гігантського магнітоопору (ГМО) сприяє розвитку нових технологій, відкриває великі можливості з точки зору збільшення густини 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 опору. ГМО відрізняється від звичайного магнітоопору, оскільки в цьому випадку зменшення опору не залежить від напрямку прикладеного магнітного опору, а відбувається при зміні напрямку намагніченості в магнітних шарах від антипаралельного (антиферомагнітна взаємодія) до паралельного (феромагнітна взаємодія) під дією зовнішнього магнітного поля [1-4]. Відомо, що явище ГМО спостерігається не тільки в мультишарах, але і в гранульованих сплавах, у т.ч. і плівкових.

1. Загальна характеристика явища гмо

Гігантський магнітний опір вперше спостерігався Бейбічем, Броте, Фертом та ін (див., наприклад, [1]) 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 [1-3]. Згідно з [3] особливості цього механізму електроперенесення такі:

• завдяки наявності у феромагнетиках великих молекулярних обмінних полів (Н_м ~ 10⁹ Ер) виникає сильна спінова поляризація носіїв заряду, в результаті чого перенесення електричного струму здійснюється електронами неоднакової кількості із проекцією спіна “вверх” та “вниз”;

• 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 напрямку спіна електрона. Залежно від знака обмінної взаємодії між локалізованими та рухомими спінами, для електронів із спіном, паралельним вектору , бар¢ер може бути вищим або нижчим на величину μ_Б Н_М порівняно із електроном з 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 напрямків 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 [3]).

Рисунок 1, взятий із роботи [4], 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 протікає перпендикулярно до площини шарів. ГМО може вимірюватися [1] і при паралельній геометрії (СПРП - геометрія), але в першому випадку ефект проявляє себе значно сильніше. Міра спінової поляризації залежить від природи феромагнетика, і тому в реальних експериментах величина ГМО = (R(H_m) – R(0))/R(H_m) складає величину порядку (1-10)% (H_m – максимальне значення напруженості магнітного поля).

Рисунок 1- Механізм виникнення ГМО в результаті спінзалежного розсіювання електронів різної поляризації на межі поділу шарів F/N і N/F (СПП - геометрія): а – малий опір; б – великий опір (ГМО)