Магнитоэлектрические свойства доменных границ в пленках ферритов гранатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат наук Сечин, Дмитрий Андреевич

• Сечин, Дмитрий Андреевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Сечин, Дмитрий Андреевич

Содержание

Перечень условных обозначений и сокращений

Введение

Глава 1 Обзор литературы

1.1 Магнитоэлектрики

1.2 Неоднородный магнитоэлектрический эффект

1.3 Эпитаксиальные пленки ферритов гранатов

1.4 Доменные границы и возможности их применения

1.5 Выводы из главы 1

Глава 2 Экспериментальные исследования электрической поляризации магнитных доменных границ

2.1 Введение

2.2 Описание экспериментальной установки

2.3 Направление вектора поляризации в исследуемых доменных границах

2.4 Действие электрического поля полоскового электрода на доменную границу

2.5 Управление поляризацией доменных границ при помощи магнитного поля

2.5.1 Статические смещения ДГ в образцах

с кристаллографической ориентацией (210)

2.5.2 Статические смещения ДГ в образцах

с кристаллографической ориентацией (110)

2.5.3 Измерение скорости движения доменных границ

Глава 3 Численное моделирование доменных границ в магнитоэлектрическом материале

3.1 Введение

3.2 Модель

3.2.1 Проверка модели: одноосная анизотропия

3.2.2 Модель реальной пленки феррита граната

3.3 Магнитоэлектрическая ДГ во внешнем магнитном поле

3.4 Модель магнитной ячейки памяти, управляемой электрическим полем

3.4.1 Результаты

3.4.2 Оценка характеристик устройства

3.5 Выводы из главы 3

Заключение

Список литературы

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ И

СОКРАЩЕНИЙ

• МЭ - магнитоэлектрический (эффект)

• ФГ - ферриты гранаты

• ДГ - доменная граница (доменная стенка)

• ЦМД - цилиндрический магнитный домен

• ЭМО - электромагнитооптический (эффект)

• OJIH - ось легкого намагничивания

• GMR — гигантское магнитосопротивление (giant magnetoresistance)

• RAM - память с произвольным доступом (random access memory)

• DRAM - динамическая память с произвольным доступом (dynamic random access memory)

• MRAM - магниторезистивная (magnetoresistive) RAM

• STT - перенос спинового момента (spin-transfer torque)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитоэлектрические свойства доменных границ в пленках ферритов гранатов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Электронные устройства невероятно изменили облик нашей цивилизации. Однако последние несколько десятков лет внимание исследователей занимает не только традиционная электроника, но и новые её ответвления, такие как спинтроника. Спинтроника (от словосочетания „spin electronics") изучает возможность использования не заряда электрона, а его механического момента — спина и магнитного момента, связанного со спином.

Самым значительным достижением спинтроники на данный момент является эффект гигантского магнитосопротивления (Giant magnetoresistance, GMR), за который в 2007 году Альберу Ферту и Петеру Грюнбергу была вручена Нобелевская премия [1]. Суть открытого эффекта заключается в том, что сопротивление структуры, состоящей из нескольких магнитных и немагнитных слоев, существенно зависит от взаимной ориентации намагниченности в магнитных слоях. Эффект GMR позволил значительно увеличить плотность записи информации на жестких дисках (в настоящее время в таких устройствах применяются считывающие головки, основанные на сходном эффекте туннельного магнитосопротивления), он также используется сейчас и в датчиках магнитного поля и других сенсорах [2].

В рамках спиновой электроники разрабатывается концепция магниторе-зистивной памяти произвольного доступа (Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM [3,4]), которая предполагает хранение информации при помощи магнитных моментов. Важной проблемой при такой постановке задачи становится механизм считывания/записи, поскольку использование внешнего магнитного поля на практике малоэффективно. Во-первых, при создании магнитного поля электрическим током значительная часть энергии расходуется

на нагрев проводников (джоулево тепло), во-вторых, создать сильное поле в ограниченной области пространства - нетривиальная техническая задача. Возможен альтернативный механизм магнитной записи, основанный на использовании спин-поляризованного тока [3] (тока, в котором преобладают электроны с положительной проекцией спина на заданную ось), но и он требует высоких плотностей тока (; ~ 106 — 107А/см2), а значит, также приводит к излишней диссипации энергии. Кроме того, высокие плотности тока приводят к деградации проводников, поскольку являются причиной дрейфа ионов [5].

С другой стороны, еще в 19 веке Пьером Кюри была высказана идея о существовании магнитоэлектриков - веществ, в которых магнитная и электрическая подсистемы взаимодействуют друг с другом [6]. Такое взаимодействие приводит, в частности, к возникновению в веществе намагниченности под действием электростатического поля и, наоборот, возникновению электрической поляризации под действием магнитного поля - так называемому магнитоэлектрическому (МЭ) эффекту. Следовательно, возможен механизм управления магнитными моментами вещества при помощи постоянного электрического поля, создание и переключение полярности которого требует существенно меньших расходов энергии. Поиск и исследование такого механизма может привести к значительному улучшению существующих устройств памяти.

Наличие магнитоэлектрического взаимодействия обнаружено в широком ряде веществ, но наиболее сильно проявляется (при нормальных условиях) в композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонент [7]. Однако создание композитных структур сложнее, чем работа с однофазными материалами; более того, свойства МЭ взаимодействия в композитах существенно зависят от граничного слоя между компонентами, который также сложно контролировать при изготовлении [8].

Другим направлением для исследований является изучение неоднородного магнитоэлектрического эффекта; он проявляет себя в том, что микромаг-

нитные неоднородности могут обладать электрической поляризацией [9]. Например, поляризацией обладает „спиновая циклоида" в спиральных магнетиках [10], а в 1983 году В.Г. Барьяхтаром и др. было теоретически показано, что неоднородный МЭ эффект может иметь место и в доменных границах [11]. При этом из двух классических типов 180-градусных доменных границ - границы Блоха и границы Нееля - только последняя обладает отличной от нуля поляризацией.

В 2007 году впервые экспериментально наблюдалось смещение доменных границ в эпитаксиальных пленках ферритов гранатов под действием статического электрического поля [12]. Особенности наблюдаемого явления (смена направления движения границы при смене полярности электрического поля и зависимость силы эффекта от кристаллографической ориентации подложки пленки) позволили предположить, что механизмом, лежащим в его основе, служит неоднородный магнитоэлектрический эффект. Однако имеющиеся экспериментальные данные не дают возможности полностью исключить альтернативные интерпретации. Данная работа представляет дополнительные аргументы в пользу неоднородного МЭ эффекта и демонстрирует возможность управления величиной и знаком электрической поляризации доменной границы путем перестройки её внутренней структуры.

Целыо данной диссертационной работы было исследование возможности управления электрической поляризацией магнитных доменных границ. Для достижения

этой цели были экспериментально исследованы доменные границы в пленках ферритов гранатов, микромагнитная структура которых перестраивалась в результате действия внешнего магнитного поля. Также были проведены численные расчеты электрической поляризации доменной границы, возникающей вследствие неоднородного МЭ эффекта, и разработана процедура компьютер-

ного моделирования динамики электроиндуцированного движения такой границы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые получены экспериментальные зависимости электроиндуцированного смещения ДГ от величины внешнего магнитного поля, перпендикулярного плоскости доменных границ. Данные результаты доказывают возможность изменения модуля и направления электрической поляризации границы путем перестройки ее магнитной структуры. Впервые продемонстрировано значительное (на порядок величины) усиление электроиндуцированного смещения доменной границы (при той же напряженности электрического поля, вызывающего смещение границы).

• Исследована динамика электроиндуцированного движения доменных границ, структура которых изменена постоянным внешним магнитным полем.

• На основе результатов микромагнитного моделирования показано, что изменение направления электроиндуцированного движения доменных границ, структура которых изменена внешним магнитным полем, связано с изменением направления вращения вектора намагниченности в границе, а рост модуля поляризации границы по мере увеличения напряженности магнитного поля происходит в результате роста неелевской компоненты в структуре границы.

• При помощи микромагнитного моделирования показано, что существует возможность создания элементов памяти на основе эффекта движения магнитных доменных границ в электрическом поле.

Практическая значимость работы заключается в том, что исследуемый эффект электроиндуцированного движения магнитных доменных границ мо-

жет быть использован для создания устройств памяти, запись информации в которых будет осуществляться не перемагничиванием элемента памяти как целого, а смещением доменной границы.

В более широком смысле подход к решению задачи взаимного превращения электрического и магнитного полей, основанный на магнитоэлектрическом эффекте, может быть использован при проектировании различных логических элементов электрических цепей. Отсутствие необходимости в токах высокой плотности ослабляет ограничения на минимальный размер устройства и делает его более энергоэффективным.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• Зависимости знака и величины электроиндуцированного смещения и скорости движения доменных границ в пленках феритов гранатов с кристаллографической ориентацией подложки (210) и (110) от величины магнитного поля, перестраивающего микромагнитную структуру доменных границ.

• Рассчитанные зависимости величины электрической поляризации доменной границы от напряженности магнитного поля и материальных параметров вещества.

• Результаты компьютерного моделирования электроиндуцированной динамики движения магнитных доменных границ.

Апробация результатов. Основные результаты, изложенные в диссертации, доложены на следующих конференциях:

• Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ, 18-19 ноября 2009, Москва

• CIMTEC 2010, 12th International Ceramics Congress, 6-11 июня 2010, Монтекатини-Терме, Италия

• Euro-Asian Symposium on Magnetism: Nanospintronics (EASTMAG-2010), 28 июня - 2 июля, 2010, Екатеринбург

• Moscow International Symposium on Magnetism, 21-25 августа, Москва, 2011

• International School of Oxide Electronics, 3-15 октября, Каржес, Франция, 2011 XXII Международная конференция „Новое в магнетизме и магнитных материалах", 17-21 сентября 2012, Астрахань

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах в реферируемых журналах (две из них - в журналах из списка ВАК).

Личный вклад автора.

Проведенные экспериментальные исследования и результаты, полученные на основе микромагнитного моделирования, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Обсуждение результатов и подготовка публикаций осуществлялись совместно с соавторами.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, обзора литературы, трех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 112 страниц, включающих 5 таблиц и 52 рисунка. Библиография содержит 87 наименования.

ГЛАВА 1

_ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Магнитоэлектрики

Магнитоэлектрики - это вещества, в которых возникает намагниченность под действием внешнего электрического поля и электрическая поляризация под действием внешнего магнитного поля.

В 1888 году В. Рентген заметил, что в диэлектрике, движущемся в электрическом поле, возникает намагниченность. Несколько лет спустя, в 1894 году, П. Кюри, основываясь на соображениях симметрии, высказал идею о возможности существования магнитоэлектрических веществ. Последовавшие за этим экспериментальные попытки найти такие вещества не увенчались успехом, поскольку сформулированные симметрийные критерии были слишком абстрактны, однако в 1926 году П. Дебай ввел термин „магнитоэлектрический эффект" [6]. Дальнейшее развитие эта область физики твердого тела получила после того, как Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц предложили ввести более строгое определение магнитоэлектриков [13]: считать таковыми только вещества, в которых наблюдается линейный МЭ эффект - Рг — о:^//-,- и М{ = а^Е^ (здесь

Р - поляризация, Н - магнитное поле, М - намагниченность, Е - электриче-

—*

ское поле, а а^ - тензор МЭ эффекта). Наличие связи полярных векторов Р и Ё с аксиальными Н и М означает, что среди элементов симметрии искомого вещества должны отсутствовать инверсия пространства и обращение времени, но присутствует преобразование, которое является их произведением. Уже в 1959 г., И. Е. Дзялошинский, руководствуясь новым определением, указал на Сг2Оэ, как на потенциальный магнитоэлектрик [14], а в 1960 г. Д. Н. Астров обнаружил в нем предсказанный эффект и измерил индуцированную электрическим полем намагниченность [15]. Поиск МЭ веществ продолжался и,

к 1973 году было известно уже около 80 магнитоэлектрических соединений СП203, ОаРеОэ, ТЬР04 и другие). Тем не менее, вплоть до начала XXI века исследования данного класса веществ оставались уделом узкой группы специалистов, поскольку МЭ эффекты в найденных соединениях были слабы или проявляли себя только при низких температурах (гигантский магнитоэлектрический эффект в ТЬР04 [16] и Но2Ва№05 [17]), что делало их практическое применение невозможным.

В настоящее время известно, что МЭ свойствами (в широком смысле1) могут обладать как вещества, имеющие магнитный или электрический параметр порядка (в том числе и те вещества, в которых одновременно присутствует и тот, и другой - мультиферроики), так и вещества, не обладающие ни тем, ни другим [18] (рис. 1.1). Более того, в качестве МЭ веществ рассматриваются и композитные материалы, в которых магнетик и сегнетоэлектрик связаны через механическую деформацию [19] - именно в них можно получить большие значения константы МЭ взаимодействия при комнатной температуре [7].

Материалы

— Магнитно поляризуемые шт Ферромагнетики

Электрически поляризуемые

— Сегнетоэлектрики ^ Мультиферроики У/ Магнитоэлектрики

Рисунок 1.1: Классификация веществ, обладающих магнитными и/или электрическими

свойствами [18].

'Здесь и далее, в отличие от определения, предложенного Ландау и Лифшицем, под магнитоэлектриками понимаются вещества, в которых возникает намагниченность при приложении электрического поля и электрическая поляризация при приложении магнитного поля.

Наличие в веществе магнитоэлектрического взаимодействия приводит ко множеству различных эффектов:

• линейный магнитоэлектрический эффект (индуцированная магнитным полем электрическая поляризация и индуцированная электрическим полем намагниченность) [15]

• квадратичный МЭ эффект (М* = $фЕ3Е)г , = и эффекты более высоких порядков [20]

• поперечный магнитоэлектрический эффект в материалах с ферроторо-идным упорядочением2 [21,22]

• возникновение/подавление пространственно модулированных спиновых структур и связанные с этим скачки электрической поляризации {ВгЕеО^ и спиральные магнетики) [10,23]

• связь между сегнетоэлектрическими и магнитными доменными границами в результате неоднородного МЭ взаимодействия [24-26]

Растущее число классов веществ, в которых находят магнитоэлектрические эффекты, и само разнообразие таких эффектов значительно расширяют возможности их экспериментального исследования и, вероятно, практического применения. В данной работе рассматривается один из видов МЭ взаимодействия - неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие - как причина возникновения электрической поляризации у магнитных доменных границ

Рассмотрим в качестве примера систему магнитных ионов со спинами, упорядоченными но кругу. В такой системе выражение для вектора тороидного момента Т, характеризующего это упорядочение, можно записать следующим образом: Т = \<ли, ^ х 3Десь г,, §{ - радиус-векторы и спины магнитных ионов. Приложение

г

внешнего магнитного поля (Н) вызывает перераспределение спиновой плотности и соответствующее смещение магнитных ионов, которое приводит к возникновению электрической поляризации. При этом векторы Р, М и Т образуют тройку взаимно перпендикулярных векторов: Т ~ [Р х Л/].

(исследуемые ферриты гранаты являются ферримагнетиками и не обладают сегнетоэлектрическим упорядочением).

1.2 Неоднородный магнитоэлектрический эффект

В магнитоупорядоченном материале сосуществуют различные силы, конкуренция между которыми приводит к образованию неоднородностей в распределении намагниченности. При этом, если такая неоднородность обладает определенными симметрийными свойствами, то в ней возможно образование электрической поляризации [11] - данное явление и называется неоднородным магнитоэлектрическим эффектом.

Для теоретического анализа МЭ взаимодействия вводятся дополнительные слагаемые в свободную энергию вещества. В работах [27,28] было показано, что вклад неоднородного взаимодействия (для кристалла с кубической симметрией) можно описать при помощи инварианта типа Лифшица:

РмЕгпП„пои, = 1{Ё • (М(V • М) - (М • У)М)). (1.1)

Здесь 7 - константа МЭ-эффекта, Е - напряженность электрического поля, М

—*

- вектор намагниченности. Дифференцируя по Е, можно получить выражение для электрической поляризации:

р =--МЕ1Ппт„, = • М) - {М • У)М). (1.2)

дЕ

Из формулы (1.2) следует, что поляризацией будут обладать именно неоднородности в распределении вектора намагниченности, поскольку в оба слагаемых входят пространственные производные от М(г).

В работе [11] модельными объектами, которые рассматриваются в соответствии с изложенной выше идеологией, являются доменные границы Блоха и Нееля (рис. 1.2) - классические типы границ, реализующиеся в результате конкуренции между обменным взаимодействием и одноосной анизотропией [29].

Для блоховской границы поляризация равна нулю, а для неелевской, в которой вектор намагниченности разворачивается перпендикулярно плоскости границы, поляризация отлична от нуля. Однако электрической поляризацией могут обладать структуры разной размерности и симметрии.

В мультиферроиках неоднородный магнитоэлектрический эффект проявляется в образовании неколлинеарных и несоразмерных с периодом кристаллической решетки спиновых структур, трансформации которых влияют на се-гнетоэлектрические свойства вещества. Примерами таких структур являются спиновые геликоиды (концы спинов магнитных ионов описывают окружность в плоскости, перпендикулярной волновому вектору структуры (к на рис. 1.3а)) и циклоиды (концы спинов описывают траекторию точки на ободе катящегося колеса, рис. 1.36).

Так, в Мп\У04 спиновые циклоиды обуславливают наличие сегнетоэлек-трической доменной структуры, их подавление внешним магнитным полем приводит к исчезновению поляризации (см. рис. 1.4; [30]). Подобные следствия неоднородного МЭ эффекта наблюдаются и в других веществах: в ТЬМпОэ внешнее магнитное поле не подавляет спиновые структуры, а поворачивает плоскость вращения намагниченности в них, что приводит к соответствующему повороту вектора поляризации [31]; обратное влияние также воз-

.г

(а) Граница Блоха; Р = 0

(б) Граница Нееля; Р || г

Рисунок 1.2: Два типа доменных границ и их электрическая поляризация

Н99

(а)

(б)

Рисунок 1.3: Спиновая геликоида (1.3а) и циклоида (1.36)

можно - в работе [32] авторы демонстрируют изменение направления вращения спиновой спирали внешним электрическим полем (рис. 1.5). Эти явления можно объяснить, основываясь на т. н. спиральном механизме, заложенном в выражение (1.2) для электрической поляризации. Указанное выражение можно преобразовать к виду: Р ~ [£! х к], где к - волновой вектор, а = [М х - направление, задающее плоскость разворота намагниченности.

<н,

V

(а)

(б)

(в)

Рисунок 1.4: Оптическое изображение поверхности Мп\\Ю4 на второй гармонике (2.75 эВ) при низкой температуре (12 К) [30]. (а) - исходная сегнетоэлектрическая доменная структура, (б) - доменная структура в магнитном поле с напряженностью 4.3 Тл, подавляющем спиновые циклоиды, (в) - доменная структура после отключения

магнитного поля

В рамках спирального механизма спиновая геликоида не может обладать

—* —*

поляризацией, поскольку в ней О || к, и векторное произведение этих векторов равно нулю. Но в работах [33,34] показано, что существуют соединения,

£ 500-

и и.

с

о

о с.

и ч>

- • Е > 0

---о Е < 0

ш -500

10 20 30 40 ТетрегаШге (К)

Рс > О

г

и

!

V

УСу^У^У^У

© с

Рс < О

I

"ЯЯ5

_X

® с

х

(а)

(б)

(в)

Рисунок 1.5: Изменение направления вращения спиновой спирали во внешнем электрическом поле (а,б) и "ферроаксиальная" кристаллическая структура в СаМп70]2 (в) [33]

где электрическая поляризация порождается именно геликоидальной структурой. Так, в СаМп70]2 благодаря скосу кислородных октаэдров отсутствуют оси второго порядка в плоскости, перпендикулярной направлению модуляции геликоиды. Такой скос можно описать при помощи аксиального вектора, параллельного к и задающего направление вращение „пропеллера" из октаэдров (см. рис. 1.5в). Одного аксиального вектора недостаточно для возникновения поляризации, поскольку он инвариантен относительно инверсионной симметрии, а полярный вектор электрической поляризации - нет. Однако две

структуры - спиновая геликоидальная и кристаллическая ферроаксиальная -совместно порождают электрическую поляризацию.

Существует несколько микроскопических механизмов, которые объясняют наличие в веществе неоднородного МЭ эффекта. Общая причина взаимодействия электрической и магнитной подсистем - дополнительные смещения ионов в кристаллической решетке [35] или перераспределение электронной плотности (на электронный вклад указывает генерация второй гармоники в [30]), но возникающие вследствие данного взаимодействия структуры могут обладать различной симметрией.

В ряде веществ, где возможны либо параллельные, либо антипараллельные направления магнитных моментов соседних ионов, может реализоваться так называемый обменно-стрикционный механизм: ионы, обладающие разным электрическим зарядом, притягиваются благодаря обменному взаимодействию, что создает в веществе поляризацию. Примеры атомных конфигураций (структура типа „вверх-вверх-вниз-вниз" и двумерная решетка магнитных ионов в У№Оэ), в которых поляризация наводится таким образом, показаны на рис. 1.6.

В других соединения неоднородный МЭ эффект обусловлен антисимметричным обменным взаимодействием Дзялошинского-Мория [36]: -^ш/ = 3 ■ ([5х х 5о]), где ¿г - спины ионов. Величина 3, согласно [37], пропорциональна векторному произведению вектора, соединяющего положения ионов,

—*

и вектора смещения лиганда (Б ~ г\о х см. рис. 1.7а). Таким образом, направления спинов магнитных ионов оказываются связанными с положением немагнитных ионов, и возможно образование магнитных структур, несоразмерных с периодом кристаллической решетки вещества. Этот механизм существенно слабее, поскольку обмен Дзялошинского-Мория является релятивистской поправкой к спин-орбитальному взаимодействию.

(а)

N1«

(б)

Рисунок 1.6: Иллюстрация обменно-стрикциониого механизма образования поляризации на примере одномерной (а) и двумерной (б) решетки ионов [35]. Желтые стрелки показывают направление спинов, синие и красные круги - ионы, имеющие разноименные электрические

заряды

О2

Ч^у

о

Мп3+

5,

(а)

Р зс е, X а

(б)

Рисунок 1.7: Иллюстрация взаимодействия Дзялошинского-Мория (а) и возникновение поляризации у пространственной спиновой структуры (б) в результате этого

взаимодействия [36]

Образование электрической поляризации на неоднородностях возможно не только в магнетиках, например, известен флексоэлектрический эффект в жидких кристаллах - возникновение поляризации в результате деформации [38]. Этот эффект описывается выражением, аналогичным (1.1), где как параметр порядка вместо намагниченности фигурирует среднее по объему направление оси молекулы нематического жидкого кристалла.

1.3 Эпитаксиальные пленки ферритов гранатов

Ферриты гранаты (ФГ) - это вещества, имеющие химическую формулу Я3Ре5012, где Я - трехвалентный ион редкоземельного элемента (У3+, Ос13+ и другие). Они имеют кубическую кристаллическую решетку и являются фер-римагнетиками с температурой Кюри ~ 560 К. Ферримагнитное упорядочение в ФГ обусловлено тем, что часть катионов железа Ре3+ находится в тетраэдри-ческом окружении из ионов кислорода, а другая часть - в октаэдрическом, обменное взаимодействие между этими подрешетками отрицательно и намного сильнее, чем взаимодействие внутри них, поэтому намагниченности подреше-ток антипараллельны. Подрешетка ионов редкоземельного элемента наиболее сильно взаимодействует с тетраэдрической подрешеткой железа, их обменная связь так же отрицательна; все три подрешетки не компенсируют друг друга полностью, поэтому ферриты гранаты обладают небольшой остаточной намагниченностью (5-10 Гс). Магнитные свойства этих соединений можно менять в широких пределах, варьируя химический состав и условия синтеза [29].

Ферриты гранаты представляли большой интерес для исследователей во второй половине XX века. Во-первых, все вещества этого класса имеют очень узкая линию ферромагнитного резонанса, что позволяет эффективно использовать их в технике сверхвысоких частот [39]. Во-вторых, эпитаксиальные пленки соединений данного класса оптически прозрачны, более того, при нормальных условиях в них наблюдается полосовая доменная структура с достаточно большим периодом (единицы и десятки микрон), поэтому пленки ФГ являются классическими объектами для исследования магнитооптическими методами [40-42]; наблюдения в темнопольном режиме дают возможность наблюдать даже одномерные магнитные неоднородности - вертикальные линии Блоха внутри доменных границ [43]. Также в пленках с осью легкого намагничивания (ОЛН), перпендикулярной поверхности пленки, возможно зарождение цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) микронных и субмикронных

размеров [44] - существовали устройства памяти, в которых ЦМД использовались в качестве битов информации, однако они не получили большого распространения. Несмотря на большую популярность ФГ в прошлом веке, они и сейчас привлекают внимание специалистов: например, в работах [45, 46] показана возможность создания быстрых оптических модуляторов, представляющих собой пленку ФГ с нанесенной на ее поверхность металлической решеткой. Другой ряд публикаций связан с задачами спинтроники - в этих исследованиях ферриты гранаты используются в качестве среды для передачи спиновой волны, которая выполняет роль переносчика информации: малая константа затухания в ФГ позволяет волне распространяться на расстояния порядка нескольких сантиметров [47,48].

Именно в эпитаксильных пленках ферритов гранатов был обнаружен электромагнитооптический (ЭМО) эффект - эффект поворота плоскости поляризации света, проходящего через пленку, при приложении к ней переменного электрического поля - сначала квадратичный по полю, а затем и линейный [49,50]. Наличие линейного ЭМО эффекта говорит о том, что в пленках, в отличие от объемных образцов, отсутствует центр инверсии. В последующих экспериментах по изучению ЭМО эффекта наибольший отклик получался при фокусировке луча лазера на доменные границы, а в намагниченной до однодоменного состояния пленке эффект полностью пропадал [51].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сечин, Дмитрий Андреевич, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ферт А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники // Успехи физических наук. 2008. Т. 178, № 12. С. 1336.

2. Coehoorn R. Giant magnetoresistance and magnetic interactions in exchange-biased spin-valves // Handbook of Magnetic Materials / Ed. by К. H. J. Buschow. Elsevier, 2003. Vol. 15 of Handbook of Magnetic Materials. P. 1-197.

3. Wolf S. A., Lu J., Stan M. R. et al. The Promise of Nanomagnetics and Spin-tronics for Future Logic and Universal Memory // Proceedings of the IEEE. 2010. Vol. 98, no. 12. P. 2155-2168.

4. Akerman J. Applied physics. Toward a universal memory. // Science (New York, N.Y.). 2005. Vol. 308, no. 5721. P. 508-10.

5. Zeng D. G., Lee K.-I., Chung K.-W. et al. Giant magnetoresistance effects on electromigration characteristics in spin valve read sensors during retrieving operation // Journal of Physics D: Applied Physics. 2012. Vol. 45, no. 19. P. 195002.

6. Fiebig M. Revival of the magnetoelectric effect // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. Vol. 38, no. 8. P. R123.

7. Nan C.-W., Bichurin M. I., Dong S. et al. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions // Journal of Applied Physics. 2008. Vol. 103, no. 3. P. 031101.

8. Zheng H., Wang J., Lofland S. E. et al. Multiferroic BaTi03 - CoFe20A Nanostructures // Science. 2004. Vol. 303, no. January. P. 661-663.

9. Sparavigna A., Strigazzi A., Zvezdin A. Electric-field effects on the spin-density wave in magnetic ferroelectrics // Phys. Rev. B. 1994. Aug. Vol. 50. P. 2953-2957.

10. Mostovoy M. Ferroelectricity in Spiral Magnets // Phys. Rev. Lett. 2006. Feb. Vol. 96, no. 6. P. 067601.

11. Барьяхтар В. Г., Львов В. А., Яблонский Д. А. Теория неоднородного магнитоэлектрического эффекта // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 37, № 12. С. 565567.

12. Logginov A. S., Meshkov G. A., Nikolaev А. V. et al. Room temperature magnetoelectric control of micromagnetic structure in iron garnet films // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93. P. 182510.

13. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. Физмат-гиз, 1959.

14. Дзялошинский И. Б. К вопросу о магнитоэлектрическом эффекте в антиферромагнетиках//ЖЭТФ. 1959. Т. 37. С. 881-882.

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

16. Rado G. Т., Ferrari J. М., Maisch W. G. Magnetoelectric susceptibility and magnetic symmetry of magnetoelectrically annealed ТЬРОа II Physical Review B. 1984. Vol. 29, no. 7.

17. Nenert G., Palstra T. Magnetic and magnetoelectric properties of Ho2BaNi05 // Physical Review B. 2007. Vol. 76, no. 2. P. 024415.

18. Eerenstein W., Mathur N. D., Scott J. F. Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature. 2006. Vol. 442. P. 759-765.

19. Ramesh R., Spaldin N. A. Multiferroics: progress and prospects in thin films. // Nature materials. 2007. Vol. 6, no. 1. P. 21-9.

20. Chougule P. K., Kolekar Y. D., Bhosale C. H. Linear and quadratic magneto-electric effect in CNMFO:PZT magnetoelectric composite // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2013. Vol. 24, no. 10. P. 3856-3861.

21. Schmid H. On ferrotoroidics and electrotoroidic, magnetotoroidic and piezo-toroidic effects // Ferroelectrics. 2001. Vol. 252, no. 1. P. 41-50.

22. Spaldin N. A., Fiebig M., Mostovoy M. The toroidal moment in condensedmatter physics and its relation to the magnetoelectric effect // Journal of Physics: Condensed Matter. 2008. Vol. 20, no. 43. P. 434203.

23. Sosnowska I., Neumaier T. P., Steichele E. Spiral magnetic ordering in bismuth ferrite // Journal of Physics C: Solid State Physics. 1982. Vol. 15, no. 23. P. 4835.

24. Gareeva Z. V., Zvezdin A. K. Pinning of magnetic domain walls in multiferroics // EPL (Europhysics Letters). 2010. Vol. 91, no. 4. P. 47006.

25. Fiebig M., Lottermoser T., Fröhlich D. Observation of coupled magnetic and electric domains // Nature. 2002. Vol. 419, no. October. P. 818-820.

26. Tokunaga Y., Taguchi Y., Arima T.-h. et al. Electric-field-induced generation and reversal of ferromagnetic moment in ferrites // Nature Physics. 2012. Vol. 8, no. 11. P. 838-844.

27. Sosnowska I., Zvezdin A. K. Origin of the long period magnetic ordering in BiFe03 //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1995. Vol. 140-144, Part 1, no. 0. P. 167-168. (International Conference on Magnetism).

28. Попов Ю. Ф., Звездин А. К., Воробьев П. Г. и др. Линейный магнитоэлектрический эффект и фазовые переходы в феррите висмута BiFe03 // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т. 57. С. 65-68.

29. Боков В. А. Физика магнетиков. Учебное пособие. М.: Невский Диалект, БХВ-Петербург, 2002.

30. Meier D., Maringer М., Lottermoser Т. et al. Observation and Coupling of Domains in a Spin-Spiral Multiferroic // Physical Review Letters. 2009. Vol. 102, no. 10. P. 107202.

31. Kimura Т., Goto Т., Shintani H. et al. Magnetic control of ferroelectric polarization. //Nature. 2003. Vol. 426, no. 6962. P. 55-8.

32. Yamasaki Y., Sagayama H., Goto T. et al. Electric Control of Spin Helicity in a Magnetic Ferroelectric // Physical Review Letters. 2007. Vol. 98, no. 14. P. 147204.

33. Johnson R. D., Chapon L. C., Khalyavin D. D. et al. Giant Improper Ferroelec-tricity in the Ferroaxial Magnet CaMn-jOu II Physical Review Letters. 2012. Vol. 108, no. 6. P. 067201.

34. Arima T.-h. Ferroelectricity Induced by Proper-Screw Type Magnetic Order // Journal of the Physical Society of Japan. 2007.

35. Cheong S.-W., Mostovoy M. Multiferroics: a magnetic twist for ferroelectricity. //Nature materials. 2007. Vol. 6, no. 1. P. 13-20.

36. Sergienko I. A., Dagotto E. Role of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in multiferroic perovskites // Physical Review B. 2006. Vol. 73, no. 9. P. 094434.

37. Keffer F. Moriya Interaction and the Problem of the Spin Arrangements in ßMnS II Physical Review. 1962. Vol. 126. P. 896-900.

38. Derzhanski A. I., Petrov A. G. Flexoelectricity in nematic liquid crystals // Acta Physica Polonica. 1979. Vol. A55. P. 747.

39. Зайцева M. А., Белов К. П. Новые магнитные материалы — ферриты-гранаты // Успехи физических наук. 1958. Т. 66, № 9.

40. Вонсовский С. В. Магнетизм. Наука Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. С. 1032.

41. Звездин А. К., Котов В. А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988.

42. Zvezdin А. К., Kotov V. A. Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials. Taylor & Francis, 1997.

43. Логгинов А. С., Николаев А. В., Онищук В. H. и др. Зарождение мезо-скопических магнитных структур локальным лазерным воздействием // Письма в ЖЭТФ. 1997. Т. 66. С. 398.

44. Дудоров В. Н., Рандошкин В. В., Телеснин Р. В. Синтез и физические свойства монокристаллических пленок редкоземельных ферритов-гранатов // Успехи физических наук. 1977. Т. 122, № 6. С. 253-293.

45. Belotelov V. I., Akimov I. A., Pohl М. et al. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. // Nature nanotechnology. 2011. Vol. 6, no. 6. P. 370-6.

46. Belotelov V. I., Kreilkamp L. E., Akimov I. A. et al. Plasmon-mediated magneto-optical transparency. //Nature communications. 2013. Vol. 4. P. 2128.

47. Uchida K., Xiao J., Adachi H. et al. Spin Seebeck insulator. // Nature materials. 2010. Vol. 9, no. 11. P. 894-7.

48. Kajiwara Y., Harii K., Takahashi S. et al. Transmission of electrical signals by spin-wave interconversion in a magnetic insulator. // Nature. 2010. Vol. 464, no. 7286. P. 262-6.

49. Кричевцов Б. Б., Писарев Р. В., Селицкий А. Г. Электромагнитооптический эффект в феррите-гранате иттрия Y-^Fe^Ou II Письма в ЖЭТФ. 1985. Т. 41, №6. С. 259.

50. Кричевцов Б. Б., Павлов В. В., Писарев Р. В. Гигантский линейный магнитоэлектрический эффект в пленках ферритов-гранатов // Письма в ЖЭТФ. 1989. Т. 49, № 8. С. 466-469.

51. Koronovskyy V., Ryabchenko S., Kovalenko V. Electromagneto-optical effects on local areas of a ferrite-garnet film // Physical Review B. 2005. Vol. 71, no. 17. P. 172402.

52. Дикштейн И. E., Лисовский Ф. В., Мансветова Е. Г. и др. Наведенная и магнитокристаллическая анизотропия эпитаксиальных магнитных пленок: препринт: 17(492), с. 28. Москва: АН СССР, Институт радиотехники и электроники, 1988.

53. Балбашев В. А., Лисовский Ф. В., Мансветова Е. Г. Свойства пленок ферритов-гранатов с (210)-ориентацией: препринт: 25(500), с. 26. Москва: АН СССР, Институт радиотехники и электроники, 1988.

54. Мешков Г. А. Электрическое управление микромагнитными неоднородно-стями как новый принцип работы устройств магнитной электроники, диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: МГУ им. М. В. Ломоносова. 2011.

55. Veshchunov I., Trebbia J., Tamarat P. et al. Probing electric fields in bismuth-doped iron garnet magneto-optical indicators by single molecule spec-

troscopy // Eight International Conference on Vortex Matter in Nanostructured Superconductors. Vol. 104. 2009. P. 182510.

56. Kittel C. Theory of the Structure of Ferromagnetic Domains in Films and Small Particles // Phys. Rev. 1946. Dec. Vol. 70. P. 965-971.

57. Zhang Q. M., Wang H., Kim N. et al. Direct evaluation of domain-wall and intrinsic contributions to the dielectric and piezoelectric response and their temperature dependence on lead zirconate-titanate ceramics // Journal of Applied Physics. 1994. Vol. 75, no. 1.

58. Bassiri-Gharb N., Fujii I., Hong E. et al. Domain wall contributions to the properties of piezoelectric thin films // Journal of Electroceramics. 2007. Vol. 19, no. 1. P. 49-67.

59. Bhatnagar A., Roy Chaudhuri A., Heon Kim Y. et al. Role of domain walls in the abnormal photovoltaic effect in BiFeO3. //Nature communications. 2013. Vol. 4, no. May. P. 2835.

60. Landau L. D., Lifshitz E. On the theory of dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies // Phys. Zs. Sowjet. 1935. Vol. 8. P. 153.

61. Барьяхтар В. Г., Иванов Б. А., Четкнн М. В. Динамика доменных границ в слабых ферромагнетиках // Успехи физических наук. 1985. Т. 146, № 7. С. 417-458.

62. Allwood D. A., Xiong G., Faulkner С. С. et al. Magnetic domain-wall logic. // Science (New York, N.Y.). 2005. Vol. 309, no. 5741. P. 1688-92.

63. Lewis E. R., Petit D., Brien L. O. et al. Fast domain wall motion in magnetic comb structures. 2010. Vol. 9, no. October. P. 7-10.

64. Nakatani Yoshinobu, Thiaville Andre, Miltat Jacques. Faster magnetic walls in rough wires. //Nature materials. 2003. aug. T. 2, № 8. C. 521-3.

65. Miron I. M., Moore T., Szambolics H. et al. Fast current-induced domain-wall motion controlled by the Rashba effect. // Nature materials. 2011. Vol. 10, no. 6. P. 419-23.

66. Khvalkovskiy A. V., Cros V., Apalkov D. et al. Matching domain-wall configuration and spin-orbit torques for efficient domain-wall motion // Physical Review B. 2013. Vol. 87, no. 2. P. 020402.

67. Schellekens A. J., van den Brink A., Franken J. H. et al. Electric-field control of domain wall motion in perpendicularly magnetized materials. // Nature communications. 2012. Vol. 3, no. May. P. 847.

68. Lei N., Devolder T., Agnus G. et al. Strain-controlled magnetic domain wall propagation in hybrid piezoelectric/ferromagnetic structures. // Nature communications. 2013. Vol. 4. P. 1378.

69. Tokunaga Y., Furukawa N., Sakai H. et al. Composite domain walls in a mul-tiferroic perovskite ferrite. // Nature materials. 2009. Vol. 8, no. 7. P. 558-62.

70. Кабыченков А. Ф., Лисовский Ф. В., Мансветова E. Г. Магнитоэлектрический эффект в пленках гранатов с наведенной магнитной анизотропией в неоднородном электрическом поле // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 97, № 5. С. 304-308.

71. Ни J.-M., Li Z., Chen L.-Q. et al. High-density magnetoresistive random access memory operating at ultralow voltage at room temperature. // Nature communications. 2011. Vol. 2. P. 553.

72. Zhou X., Wu L., Song Z. et al. Phase transition characteristics of Al-Sb phase change materials for phase change memory application // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 103, no. 7. P. 072114.

73. Kultursay E., Kandemir M. T., Sivasubramaniam A. et al. Evaluating STT-RAM as an energy-efficient main memory alternative. // ISPASS. IEEE, 2013. P. 256-267.

74. Sharad M., Venkatesan R., Raghunathan A. et al. Multi-level magnetic RAM using domain wall shift for energy-efficient, high-density caches // Low Power Electronics and Design (ISLPED), 2013 IEEE International Symposium on. 2013. Sept. P. 64-69.

75. Chanthbouala A., Matsumoto R., Grollier J. et al. Vertical-current-induced domain-wall motion in MgO-based magnetic tunnel junctions with low current densities // Nature Physics. 2011. Vol. 7, no. 8. P. 626-630.

76. Parkin S. S. P., Masamitsu H., Luc T. Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory // Science. 2008. Vol. 11.

77. Pyatakov A. P., Sergeev A. S., Sechin D. A. et al. Magnetic domain wall motion triggered by electric field // Journal of Physics: Conference Series. 2010. Vol. 200, no. 3. P. 032059.

78. Thomson Leslie C., Enkin Randolph J., Williams Wyn. Simulated annealing of three-dimensional micromagnetic structures and simulated thermoremanent magnetization // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 1994. T. 99, № Bl. C. 603-609.

79. Abert C. , Wautischer G., Bruckner F. et al. Efficient energy minimization in finite-difference micromagnetics: Speeding up hysteresis computations // Journal of Applied Physics. 2014. Sep. Vol. 116, no. 12. P. 123908-123908-5.

80. Landau L. D., Lifshitz E. M. On the theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies // Phys. Z. Sowjetunion. 1935. T. 8, № 153. C. 101-114.

81. Gilbert T. L. A Phenomenological Theory of Damping in Ferromagnetic Materials//Physical Review. 1955. Vol. 100. P. 1243.

82. Fischbacher T., Fangohr H. Continuum multi-physics modeling with scripting languages : the Nsim simulation compiler prototype for classical field theory . // arXiv:0907.1587.

83. Fischbacher T., Franchin M., Bordignon G. et al. A Systematic Approach to Multiphysics Extensions of Finite-Element-Based Micromagnetic Simulations: Nmag // Magnetics, IEEE Transactions on. 2007. June. Vol. 43, no. 6. P. 28962898.

84. Fischbacher T., Franchin M., Fangohr H. Micromagnetic simulations of mag-netoelectric materials // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 109, no. 7. P. 07D352.

85. Fangohr H., Fischbacher T., Franchin M. et al. NMAG user manual (0.2.1). 2011. University of Southampton, Tech. Rep. [Online] http://nmag. soton.ac.uk/nmag/0.2/manual/html/tutorial/doc.html.

86. Magnetically switched electric polarity of domain walls in iron garnet films / A. Pyatakov, D. Sechin, A. Sergeev et al. // Europhysics Letters. France, 2011. Vol. 93. P. 17001.

87. Taur Y., Buchanan D., Chen W. et. al. CMOS scaling into the nanometer regime // Proceedings of the IEEE. 1997. Vol. 85, no. 4. P. 486-504.

Список публикаций

Публикации в рецензируемых журналах

А1. Pyatakov А.P., Zvezdin А.К, Sergeev A.S., Sechin D.A., Nikolaeva Е.Р., Nikolaev A.V., Logginov A.S. Spin Flexoelectricity and New Aspects of Micromagnetism // Advances in Science and Technology. 2010. Vol. 67. P. 149-157.

A2. Pyatakov A.P., Sergeev A.S., Sechin D.A., Meshkov G.A., Nikolaeva E.P., Nikolaev A.V., Logginov A.S., Zvezdin A.K. Magnetic domain wall motion triggered by electric field // Journal of Physics: Conference Series. 2010. Vol. 200. P. 0320059.

A3. Pyatakov A.P., Sechin D.A., Sergeev A.S., Nikolaev A.V., Nikolaeva E.P., Logginov A.S., Zvezdin A.K. Magnetically switched electric polarity of domain walls in iron garnet films // Europhysics Letters. 2011. Vol. 93. P. 17001.

A4. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K, Vlasov A.M., Sergeev A.S., Sechin D.A.,

Nikolaeva E.P., Nikolaev A.V., Chou H., Sun S.J., Calvet L.E. Spin Structures and Domain Walls in Multiferroics // Ferroelectrics. 2012. Vol. 438. P. 79-88.

A5. Сергеев A.C., Сечин Д.А., Павленко O.B., Николаева Е.П., Николаев А.В., Косых Т.Б., Пятаков А.П. Влияние магнитного поля на микромагнитную структуру и электростатические свойства доменных границ // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2013. Т. 77, №10. С. 1523-1526.

Публикации в сборниках трудов конференций

А6. Сергеев А.С., Сечин Д.А. Теория магнитоэлектрических свойств доменных границ в пленках феррит-гранатов // Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009», секция «Физика», подсекция «Физика магнитных явлений». Москва. 2009. С. 18.

А7. Сечин Д.А., Сергеев А.С. Магнитоэлектрические свойства доменных границ в пленках феррит-гранатов // XXI Международная конференция "Новое в магнетизме и магнитных материалах", сборник трудов. Москва. 2009. С. 329-330.

А8. Pyatakov А.Р., Zvezdin А.К., Sergeev A.S., Sechin D.A., Nikolaeva E.P., Nikolaev A.V., Logginiov A.S. Spin Flexoelectricity and new aspects of magnetism // 12th International Ceramics Congress, book of abstracts. Montecatini Terme, Tuscany, Italy. 2010. P. 149-157.

A9. Pyatakov A.P., Sechin D.A., Sergeev A.S., Nikolaev A.V., Nikolaeva E.P., Meshkov G.A., Logginov A.S., Zvezdin A.K. Ferroelectricity of micromagnetic structure // Euro-Asian Symposium on Magnetism: Nanospintronics. Ekaterinburg, Russia. 2010. P. 171.

A10. Sergeev A.S., Sechin D.A., Pavlenko O.V., Pyatakov A.P., Nikolaeva E.P., Nikolaev A.V. Magnetic-field-tuned electric polarization of micromagnetic structures // Moscow International Symposium on Magnetism, book of abstracts. Moscow, Russia. 2011. P. 906-907.

All. Sergeev A.S., Sechin D.A., Pavlenko O.V., Magnetic-field-tunable electrostatic properties of the domain walls // International School of Oxide Electronics, book of abstracts. Cargese, Corsica, France. 2011. P. 100

A12. Пятаков А.П., Сечин Д.А., Сергеев А.С., Николаева Е.П., Николаев А.В. Поворот плоскости магнитных доменных границ, вызванный электриче-

ским полем // XXII Международная конференция "Новое в магнетизме и магнитных материалах", сборник трудов. Астрахань. 2012. С. 601-604.

А13. Сечин Д.А., Сергеев A.C., Павленко О.В., Николаева Е.П., Николаев A.B., Пятаков А.П. Магнитоэлектрический эффект в пленках ферритов-гранатов // XXII Международная конференция "Новое в магнетизме и магнитных материалах", сборник трудов. Астрахань. 2012. С. 590-592.