КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-00090

НазваниеГраничные эффекты в эпитаксиальных пленках [Pd/Co/CoO]n для применения в современной спин-орбитронике

РуководительКозлов Алексей Гавриилович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет", Приморский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаобменное смещение, перпендикулярная магнитная анизотропия, взаимодействие Дзялошинского-Мория, эпитаксиальные суперрешетки, магнитные скирмионы, низкотемпературные антиферромагнетики

Код ГРНТИ29.19.16

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В физике магнитных явлений в последние несколько лет активно исследуются квантовые эффекты, возникающие на границах раздела ферромагнетиков с немагнитными материалами. Ультратонкие трехслойные системы, типа тяжелый металл/ферромагнетик/оксид, являются фундаментальными компонентами устройств спинтроники за счет возможностей управления перпендикулярной магнитной анизотропией, относительно высокой температуры Кюри, отличной спиновой динамики и совместимости с КМОП-технологиями. Подобные системы дают возможность создания высокоэффективных устройств магнитной логики и энергонезависимой магнитной памяти со сверхвысокой плотностью записи за счет бесполевого управления намагниченностью с помощью электрического тока. Данный проект направлен на детальное исследование основных магнитных параметров, определяющих эффективность устройств магнитной записи и хранения информации, работающих на спин-орбитальных эффектах, среди которых перпендикулярная магнитная анизотропия, взаимодействие Дзялошинского-Мория (ВДМ), а также обменное смещение. Перпендикулярная магнитная анизотропия может быть реализована в ультратонких ферромагнитных пленках, за счет влияния напряжений на границах раздела с тяжелыми металлами. Нарушение инверсионной симметрии на граничных слоях в ферромагнетике, в сочетании с сильным спин-орбитальным взаимодействием в тяжелых металлах приводит к возникновению ВДМ, локализованного на магнитных интерфейсах. Перпендикулярная магнитная анизотропия и ВДМ определяют стабильность спиновых структур, таких как скирмионы и киральные доменные стенки в отсутствие внешнего магнитного поля, позволяют повысить плотность элементов информации, а также скорость перемещения скирмионов под действием импульсов тока. Для создания подобных устройств требуется создать магнитную среду, которая характеризуется высокой эффективностью передачи спинового момента в магнитные слои вследствие спин-зависимого рассеяния электронов в слоях тяжелого металла. Эффекты токоиндуцированной передачи спин-орбитального момента (spin-orbital torque, SOT-эффект) являются наиболее мощным инструментом для управления намагниченностью в подобных системах. SOT-эффект, основанный на объемном спиновом эффекте Холла, а также на интерфейсных эффектах типа эффекта Рашбы, приводит к неравновесному спиновому распределению на границах раздела ферромагнитного и немагнитных слоев. Угловой магнитный момент, индуцированный на интерфейсах передается в объем ферромагнитного слоя посредством обменного взаимодействия. Исследования показывают значительное увеличение эффективности SOT-эффекта за счет оксидирования в различных поликристаллических системах. Использование эпитаксиальных структур позволит существенно увеличить энергию ВДМ. Кроме того, возникновение ВДМ может быть реализовано в ферромагнетике за счет атомов кислорода. Сильное увеличение эффективности SOT в сочетании с ВДМ является очень перспективным средством для переключения намагниченности с гораздо меньшими плотностями неполяризованного тока, что позволит создавать наиболее энергоэффективные устройства для хранения и записи информации. Оксид создается на основе магнитного слоя, путем контролируемого процесса оксидирования. Асимметрия интерфейсов в таких наноструктурах будет устранять компенсацию граничных эффектов, приводящую к уменьшению энергии ВДМ. Появление слоя оксида кобальта, являющегося антиферромагнитным при низких температурах, предполагает возникновение обменного смещения, которое связано с обменным взаимодействием на границе ферромагнетика с антиферромагнетиком и проявляющегося в появлении однонаправленной анизотропии электросопротивления в магниторезистивных структурах. Эффект позволяет обеспечить дополнительную степень свободы для управления процессами проводимости в устройствах спинтроники и спинорбитроники. В рамках проекта предлагается исследовать эффективность передачи спинового момента в эпитаксиальных [Pd/Co/CoO]n мультислойных наноструктурах при различных температурах. Сочетание всех вышеперечисленных эффектов и умение независимо управлять этими параметрами позволит разработать оптимальную технологию создания устройств с заданными функциональными параметрами.

Ожидаемые результаты
Будет исследовано влияние механизмов роста окисла на намагниченность насыщения, и, таким образом, на энергию магнитной анизотропии и взаимодействия Дзялошинского-Мория, определены поверхностный и объемный вклады в эффективную магнитную анизотропию. Будут получены данные о процессах роста, параметрах интерфейсов, основных магнитных энергиях. Изучены динамические особенности поведения магнитной доменной структуры. Будет отработана технология получения магнитных сред с оптимальными функциональными параметрами. Установлена взаимосвязь толщины оксида, а также числа магнитных слоев на величины энергии анизотропии и взаимодействия Дзялошинского-Мория. Установлено влияние энергии взаимодействия Дзялошинского-Мория, кирального затухания и магнитной анизотропии на эффективность передачи спинового момента, а также влияние интерфейсов на стабильность и траекторию движения скирмионов под действием тока. Будут проведены количественные исследования влияния толщины оксида на величину обменного смещения возникающего на интерфейсе Co/CoO. Будут определены зависимости температуры Нееля, а также температуры блокировки от толщины слоя окисла, а также числа повторений структуры [Pd/Co/CoO]n

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На первом этапе проекта многослойные эпитаксиальные пленки и суперрешетки Si(111)//Cu/[Pd/Co/CoO]n/Pd были выращены в сверхвысоком вакууме методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Было сформировано четыре серии образцов, в которых варьировались доза окисления, толщина слоя кобальта и число повторений периодической структуры. Морфологические особенности поверхности металлических слоев исследовались методом сканирующей туннельной микроскопии. Исследование морфологии границ позволило отследить динамику изменения средней шероховатости каждого из нижних интерфейсов Co для периодической структуры. Для образцов с серии с различным числом повторений слоев [Pd/Co/CoO]n установлено возрастание среднеквадратичной шероховатости при увеличении числа слоев от 1 до 10 на ~15%. При исследовании роста палладия на оксиде кобальта наблюдается появление мозаичных островков, развернутых на 30 градусов относительно эквивалентных кристаллических осей в пленке при покрытии Pd до 0,7-0,8 нм, которые исчезают при увеличении толщины слоя. Элементный анализ проводился методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, который показал, что окисление происходит преимущественно с образованием монооксида кобальта. Проведено исследование кинетики роста окисла, в результате которого установлено, что сначала окисляется первый монослой, а затем, образовавшиеся островки слой за слоем «прорастают» в виде конусообразных структур вглубь пленки. Что соответствует послойно-островковому механизму роста Странского-Крастанова. Экспериментально показано, что магнитный момент насыщения уменьшается при возрастании экспозиции кислородом в логарифмическом масштабе, причем, наблюдаются два участка - 1 с более плавным уменьшением ms - плавный наклон может быть связан с образованием оксидной пленки преимущественно в двухмерном режиме, а участок с более резким падением - соответствует формированию объемных островков оксида и распространению окисла вглубь слоя Co. На основании экспериментальных и теоретических результатов можно утверждать, что окисление пленки кобальта реализуется в два этапа: на первом осуществляется поверхностное, а на втором - объемное окисление пленки. Магнитометрические исследования позволили определить зависимости магнитных параметров от толщины оксида и, соответственно, от толщины неокисленного магнитного слоя. Установлено, что возрастание полей анизотропии в оксидной серии происходит неравномерно, а скорее, скачкообразно и первый скачок наблюдается при такой толщине кобальта, когда “исчезает” часть верхнего атомного слоя кобальта и при этом формируется сплошной слой окисла. Таким образом, установлено, что увеличение степени окисления приводит к существенному возрастанию поля анизотропии c 0,6 до 1,4 Тл. Исследование компонент магнитной анизотропии проводилось на серии с переменной толщиной слоя Co. Для Pd/Co(dCo)/CoO величина поверхностной анизотропии составила Ks ≈ 1,15 мДж/м2. Объемная анизотропия составила Kv ≈ -1,05 МДж/м3 для Pd/Co(dCo)/CoO. Полученные данные позволяют расширить знания об управлении функциональными свойствами магнитных систем, для которых применяется контролируемое оксидирование. В системе ультратонких эпитаксиальных слоев, введение слоя оксида, приводит к нарушению инверсионной симметрии, за счет чего возрастет величина эффективной энергии взаимодействия Дзялошинского-Мория. Для серии образцов с различными степенями окисления, были исследованы скорости движения доменных стенок в режиме переползания с использованием комбинации магнитных полей. Асимметричное распространение доменных границ позволяет получить информацию о константах взаимодействия Дзялошинского-Мория, киральном затухании. Расчеты, проведенные в рамках расширенной модели дисперсионной жесткости, показали существенное уменьшение кирального затухания при окислении, вплоть до его полного исчезновения при окислении 2,5 МС кобальтовой пленки. В образцах с граничным взаимодействием Дзялошинского-Мория с помощью установки Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии измерены асимметричные дисперсионные сдвиги длинноволновых спиновых волн в поверхностном режиме Дэмона-Эшбаха. Исходя из величины частотного сдвига спектров, рассчитаны константы граничного взаимодействия Дзялошинского-Мория. Эффективная константа взаимодействия Дзялошинского-Мории слабоокисленной пленки составила D = 0,25 мДж/м2 и увеличилась более чем в три раза при сильном окислении, до D = 0,8 мДж/м2, что почти в восемь раз выше, чем в симметричной пленке Pd/Co/Pd (D = 0,12 мДж/м2). Для исследования эффекта токоиндуцированной передачи спин-орбитального момента вращения, отработана технология проведения токовых измерений и сделаны первые измерения. Крестообразные структуры, полученные методом электронно-лучевой литографии, исследовались при помощи Керр-микроскопа. На первом этапе проводились полевые измерения процесса перемагничивания как в перпендикулярном магнитном поле без пропускания тока, так и при пропускании тока величиной от 30 до 100 мА. При пропускании электрического тока наблюдается сужение петли гистерезиса и смещение от центра. Влияние эффекта передачи спин-орбитального момента вращения проявляется в появлении анизотропии роста доменов: при токе 100 мА появляется выделенное направление в упорядочении доменной структуры, домены начинают незначительно вытягиваться по направлению приложенного электрического поля. Исследование обменного смещения проводилось по петлям магнитного гистерезиса на СКВИД-магнитометре системы MPMS-XL (Quantum Design), позволяющем проводить магнитометрические измерения при температурах до 4К в поле до 7 Тл. На основе термомагнитных кривых, снятых в диапазоне температур от 4 до 300 К показано уменьшение температуры Нееля от 237 К до 200 К при снижении дозы окисления, за счет уменьшения толщины окисла. Температура блокировки также возрастает при увеличении толщины оксида с 35 К до 100 К. Низкотемпературные исследования эпитаксиальных пленок с одним магнитным слоем показали выраженный эффект обменного смещения. В однослойных пленках с относительно большими дозами окисления поле обменного смещения составило от 10 мТл до 430 мТл. В слабоокисленных пленках эффект не наблюдался ввиду малой толщины оксида, недостаточной для формирования двух антиферромагнитно связанных подрешеток.

 

Публикации