Експериментальне виявлення і вивчення ГМО

Вперше гігантський магнітоопір було виявлене в штучно створених магнітних надгратах Fе/Cr в 1988 р. (див. [3]). Величина δ при Т = 4,2K в полі Н ~ 20 кE перевищувала 90%. Якщо пригадати, що до цього моменту пройшло рівно сто років після публікації у "Вчених записках Московського університету" роботи російського ученого Д.А. Гольдгаммера, який досліджував магнітоопір Fе і Ni, то можна здивуватися живучості магнетизму, коли, здавалося б, у відомих ефектах виявляються нові прояви і відкриваються несподівані перспективи.

У надгратах або мультішарах Fе/Cr феромагнітні шари Fе з товщиною ~ 30 А(один ангстрем 1 А=10-10 м) чергувалися з неферомагнітними шарами хрому Сг завтовшки 9-18 А(мал. 3.2). Було знайдено, що магнітні моменти атомів Fе в межах одного шару паралельні, а магнітні моменти сусідніх шарів Fе орієнтовані антипаралельно (антиферомагнітно). У магнітному полі, що перевищує поле насичення Нs і прикладеному в площині шарів, антиферомагнітний обмінний зв'язок між магнітними моментами шарів Fе руйнується і всі магнітні моменти атомів Fе виявляються паралельними один одному (див. мал. 3.2). Магнітне поле, яке викликає цей перехід, складає досить велику величину Н=20 кE. В результаті стрибкоподібної переорієнтації магнітних моментів електроопір різко зменшується (мал. 3.3), оскільки його величина при паралельній орієнтації моментів (у феромагнітній структурі) багато нижче, ніж в антиферомагнітній.

Проведені в 1988-1994 рр. дослідження [4] показали, що ефект гігантського магнітоопору існує в багатьох магнітних мультишарах із загальною формулою Ф1/П/Ф2, де Ф1 і Ф2 позначають шари 3d-феромагнітного металу, а П – шар неферомагнітного перехідного металу (V, Сr,Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir) або благородного металу (Сu, Ag, Au). Товщина проміжного шару П складає, як правило, 10-20 А.Гигантський магнітоопір спостерігався в магнітних мультишарах при зміні відносної орієнтації магнітних моментів шарів від антипаралельної до паралельної.

 

 

Рис. 3.2.Атомні шари Fe та Cr в мультишаровій структурі Fе/Cr. Стрілки показують напрями магнітних моментів атомів Fе

Рис. 3.3.Залежність електроопору R від магнітного поля для магнітних мультишарів Fе/Cr при 4,2 K за даними Бабіча і ін. (див. [3]). Струм і магнітне поле в площині плівки

 

 

 

 

 

Амплітуда гігантського магнітоопору залежить від індивідуальних характеристик матеріалів з яких складаються парні шари (Ф, П), а також від товщини цих шарів. Оптимальна товщина проміжного шару, як правило, знаходиться в діапазоні 10-20 А.

Було досліджено три основні типи мультишарових структур.

1. Мультишари, в яких сусідні феромагнітні шари зв'язані між собою антиферомагнітною обмінною взаємодією (Fе/Cr). Цей випадок був розглянутий вище. Недоліком таких структур є велике поле насичення, вище за яке існує гігантський магнітоопір (Нs ~ 20 кЕ).

2. Мультишари, що складаються з феромагнітних шарів з різними коерцитивними силами, наприклад Ni8020/Сu/Со/Сu. Тут під дією магнітного поля магнітна конфігурація змінюється від антипаралельного розташування магнітних моментів до паралельного. Величина поля підбирається проміжним між двома значеннями коерцитивної сили, якими володіють різні магнітні шари. Перевагою цих структур є порівняно низькі значення полів насичення, при яких спостерігається амплітуда гігантського магнітоопору. Зазвичай ці поля Нs ~ (4-50) Е.

Спін-вентильні структури. У цих структурах обмінний зв'язок між феромагнітними шарами сильно ослабляється за рахунок достатньої протяжної (15- 50 А)немагнітної провідної прокладки з благородного металу (Сu, Ag або Аu). Феромагнітні шари виготовляють з м'якого феромагнетика, наприклад сплаву Ni8020 завтовшки 15-50 А,причому один з цих шарів спарюють з шаром з антиферомагнітного FeMn, який фіксує орієнтацію намагніченості дотичного шару Ni8020. Сандвіч, що утворюється Ni8020/Сu/Ni8020/FеМn володіє тією властивістю, що намагніченість ізольованого міддю шарe Ni8020 може вільно обертатися щодо намагніченості шару Ni8020, намагніченість якого закріплена обмінним зв'язком з FeMn. Перехід від антипаралельної орієнтації магнітних моментів шарів до паралельної супроводжується різким зменшенням електроопору. Перевагою спін-вентільних структур є вельми низькі поля насичення Нs~(2-4) Е, при яких виникає гігантський магнітоопір. Крім того, амплітуда гігантського магнітоопору в них лінійно залежить від кута повороту намаг-ніченностей шарів один до одного, що важливе при використанні магніторезистивних елементів в пристроях для зчитування інформації, записаної на магнітних носіях.

Гранульовані плівки і структури. У цих структурах феромагнітні зерна з розмірами порядка нанометри вкраплені в немагнітну матрицю. Початковий стан = 0) характеризується безладною орієнтацією магнітних моментів зерен. Тут електроопір максимальний із-за розсіяння на спинах магнітних атомів в зернах. Коли зовнішнє поле орієнтує магнітні моменти зерен паралельно, розсіяння електронів провідності на спинах і електроопір сильно зменшуються. Гранульована структура в плівках може бути створена сумісним напиленням феромагнітних і немагнітних матеріалів, що не змішуються, в одиночному товстому шарі (наприклад, кобальту і міді). Відпал при підвищеній температурі створює фазову сепарацію, в результаті якої в немагнітній матриці Сu виникають феромагнітні зерна із Co. Гранульована структура створюється також в матеріалах, де феромагнітні зерна ізолюються легко дифундуючим благородним металом Ag. При відпалі атоми Ag дифундуют уздовж меж зерен феромагнетика і відокремлюють створені зерна одне від одного. В результаті створюється специфічна гранульована структура з найдрібніших феромагнітних зерен, магнітно ізольованих одне від одного сріблом.