Теория гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах и гранулированных сплавах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Чшиев, Маирбек Григорьевич

• Чшиев, Маирбек Григорьевич
• кандидат физико-математических наук
• 1997

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Чшиев, Маирбек Григорьевич

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Гигантское магнитосопротивление в магнитных многослойных структурах

1.1.1 Эксперимент.

1.1.2 Теория

1.2 Квантовые размерные эффекты в системах с гигантским магнит о сопротивлением.

1.3 Гигантское магнитосопротивление в магнитных гранулированных сплавах

2 Обобщенная теория гигантского магнитосопроти-вления в магнитных сэндвичах

2.1 Постановка задачи.

2.2 Гигантское магнитосопротивление в перпендикулярной геометрии.

2.3 Гигантское магнитосопротивление в параллельной геометрии

2.4 Выводы.

3 Квантовые размерные эффекты в магнитных сэндвичах

4 Квантово-статистическая теория гигантского маг-нитосопротивления в магнитных гранулированных сплавах

4.1 Модель.

4.2 Расчет

4.3 Обсуждение и выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах и гранулированных сплавах»

Бурное развитие технологии в последнее время привело к созданию ультратонких пленок с практически совершенной кристаллической структурой, на основе которых стало возможным создание принципиально новых магнитных материалов: магнитных многослойных структур, сверхрешеток и гранулированных сплавов. Открытие эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) в таких системах дало мощный импульс работам по созданию магнит орезистивных датчиков и магнитных считывающих устройств. Эффект ГМС наблюдается во многих многослойных структурах, в которых магнитные слои (Ре, Со, №Ге и др.) разделены немагнитными металлическими слоями (напр., Сг, Си) толщиной порядка нескольких нанометров, а также в гранулированных сплавах, представляющих собой композитную среду, в которой ферромагнитные гранулы распределены в немагнитной матрице. Величина эффекта определяется как ДЯ/Д = (К(Н=0) - Д(Я = Нзаг)/ЩН = Я«*), где Д(Я^) и Я(Я = 0) - сопротивления во внешнем магнитном поле и при отсутствии последнего соответственно. Гигантские значения магнитосопротивления, достигающие более 100 % при низких температурах, в сочетании с ультрамалыми толщинами мультислоев и гранулированных пленок обусловливают перспективность таких структур для создания нового поколения магнитных головок и магнитных сенсоров, элементов спиновой электроники и магниторезистивной памяти.

Исследования ГМС в магнитных многослойных структурах проводятся в двух геометриях: параллельной (CIP - current in plane) и перпендикулярной (СРР - current perpendicular to plane). Для теоретического описания явления ГМС в магнитных многослойных и гранулированных системах используется два подхода: квазиклассический, основанный на решении кинетического уравнения, и квантовый, базирующийся на формализме Кубо, позволяющий выявить пределы квазиклассического подхода и учесть квантовые размерные эффекты. Физической основой ГМС является спин-зависящее рассеяние электронов проводимости в объеме ферромагнитных материалов и на поверхности раздела (интерфейсах) слоев или гранул и матрицы. Однако до настоящего времени остается неясным, какой из этих механизмов рассеяния является доминирующим. Значительно прояснить картину может обобщенное теоретическое исследование ГМС в параллельной и перпендикулярной геометриях в рамках единой, унифицированной модели и при одних и тех же микроскопических параметрах, характеризующих процессы объемного и поверхностного рассеяния электронов. В настоящей работе такое исследование проводится с использованием квантового подхода, позволяющего учесть процессы отражения электронов проводимости от потенциальных барьеров в интерфейсах, что приводит к возможности рассмотрения связанных с этим квантовых размерных эффектов. Размерные эффекты играют важную роль при формировании ГМС и в гранулированных сплавах, однако в работах, посвященных теоретическому описанию ГМС в этих системах используются подходы, основанные на концепции самоусреднения, не пригодной в случае реальных магнитно-неоднородных систем. В связи с этим возникает необходимость теоретического исследования ГМС гранулированных сплавов без использования концепции самоусреднения и с учетом классического размерного эффекта.

Такие исследования позволят получить дополнительную информацию об особенностях спин-зависящего рассеяния, а также проверить и дополнить развитые представления о природе ГМС.

Целью данной диссертационной работы явилось:

1. Построение обобщенной квантово-статистической теории ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах в параллельной и перпендикулярной геометриях и исследование относительной роли спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в объеме ферромагнитных слоев и в интерфейсах.

2. Исследование влияния на ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах квантовых размерных эффектов, связанных с процессами отражения электронов от внешних и внутренних границ (интерфейсов).

3. Построение квантово-статистической теории ГМС в магнитных гранулированных сплавах с учетом классических размерных эффектов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Чшиев, Маирбек Григорьевич

Заключение

В заключение приведем основные результаты диссертации.

1. В диссертации впервые в рамках формализма Кубо и метода функций Грина разработана обобщенная квантово-статистическая теория ГМС в магнитных спин-вентильных сэндвичах в параллельной и перпендикулярной геометриях с использованием одних и тех же микроскопических параметров рассеяния электронов и определены характерные для каждой геометрии зависимости величины ГМС от амплитуды спин-зависящего рассеяния электронов в интерфейсах. А именно, в случае параллельной геометрии зависимость величины ГМС от амплитуды спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в интерфейсах является немонотонной вследствие перенормировки поверхностного спин-зависящего потенциала рассеяния. В случае перпендикулярной геометрии эта зависимость является монотонно возрастающей или убывающей.

2. Исследована проблема относительной роли объемного и поверхностного спин-зависящего рассеяния электронов проводимости в параллельной геометрии и показано, что процессы спин-зависящего рассеяния электронов проводимости на поверхности раздела слоев могут давать значительный вклад в ГМС только в случае незначительной спиновой асимметрии рассеяния элетронов в объеме ферромагнитных слоев.

3. Отражение электронов от спин-зависящих потенциальных барьеров в интерфейсах приводит к осцилляциям в зависимости ГМС в параллельной геометрии от толщины ферро- и парамагнитных слоев. Эти осцилляции могут иметь сложный вид, связанный с различными процессами интерференции, возникающими из-за отражения электронов как от внутренних, так и внешних границ.

4. В рамках формализма Кубо и метода функций Грина разработана квантово-статистическая теория ГМС магнитных гранулированных сплавов с учетом спин-зависящего размерного эффекта, позволяющая объяснить экспериментальные данные. Показано, что проводимость и ГМС магнитных гранулированных сплавов не может описываться с помощью концепции самоусреднения в случае, когда размеры ферромагнитных гранул и(или) расстояния между ними сравнимы со средней длиной свободного пробега электронов проводимости (что характерно для реальных сплавов с ГМС). Учет размерных эффектов, обусловленных спин-зависящим рассеянием электронов проводимости в объеме и на поверхности гранул приводит к немонотонной зависимости величны ГМС от среднего размера магнитных частиц. Наличие характерного размера гранул, при котором ГМС достигает максимального значения, обусловлено оптимальным соотношением относительных вкладов объемного и поверхностного спин-зависящего рассеяния электронов.

Результаты, полученные в диссертации могут быть использованы в качестве научной основы для оптимизации характеристик магнитных считывающих устройств, основанных на ГМС.

Результаты диссертации изложены в следующих работах:

1*. Уес1уауеу А., Меуе! В., КугЬапоуа ТвЫеу М., Б1епу В.,

Chamberaux A., Brouers F. Quantum statistical theory of giant magnetoresistance in magnetic heterogeneous alloys // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 1996. — V .164. — P. 91-98.

2*. Vedyayev A., Chshiev M., Ryzhanova N., Dieny В., Cowache C., Brouers F. A unified theory of current in plane and current perpendicular to the plane magnetoresistance in magnetic sandwiches // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 1997. — V. 172. — P. 53-60.

3*. Vedyayev A., Ryzhanova N., Chshiev M., Dieny B. The Influence of Interface Scattering on Giant Magnetoresistance in Magnetic Multilayers // Book of Abstracts of NATO ASI "Frontiers in Magnetism of Reduced Dimension Systems". — Sanatorium "Frunzenskoe", Partenit, Crimea, Ukraine, 25 May - 3 June 1997. — Abstract 0-2.

4*. Vedyayev A., Chshiev M., Tsidaeva N. Influence of interfaces on giant magnetoresistance in magnetic multilayers // NATO Advanced Research Workshop, 2 International Workshop "Itinerant Electron Magnetism: Fluctuation Effects and Critical Phenomena". — Moscow, 15-19 September, 1997. — P. 34.

5*. Vedyayev A., Chshiev M., Ryzhanova N., Dieny В., Cowache C., Brouers F. The unified theory of giant magnetoresistance in magnetic multilayers // Programme and Abstract Booklet of International Conference on Magnetism "The Symposium on Strongly Correlated Electron Systems". — Cairns Convention Centre Australia, 27 July - 1 August, 1997. — Abstract E2-1.

В заключение хочу выразить глубокую признательность Анатолию Владимировичу Ведяеву за руководство, всестороннюю помощь и внимание при выполнении данной работы. Искренне благодарю Александра Борисовича Грановского за ценные консультации во время работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Чшиев, Маирбек Григорьевич, 1997 год

1. Grunberg P., Shreiber R., Pang Y., Brodsky M. B. and Sowers H. //Phys. Rev. Lett. — 1986. — V. 57. — P. 2442

2. Fert A. and Campbell I. A. //J. Phys. — 1976. — F6. — P. 849

3. Jaoul O., Campbell I. A. and Fert A. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1977. — V. 5 — P. 23

4. Binash G., Grunberg P., Saurenbach F. and Zinn W. //Phys. Rev. B — 1989. — V. 39. — P. 4828

5. Baibich M. N., Broto J. M., Fert A., Nguyen Van Dau F., Petroff F., Eitenne P., Creuzet G., Friederich A. and Chazelas J. //Phys. Rev. Lett. — 1988. — V. 61. — P. 2472

6. Parkin S.S.P., More N. and Roche K. P. //Phys. Rev. Lett. —1990. — V. 64. — P. 2304

7. Parkin S.S.P., Bhadra R. and Roche K. P. //Phys. Rev. Lett. — 1991. —V. 66.— P. 2152

8. Mosca D., Petroff F., Fert A., Schroeder P. A., Pratt W. P. and Loloee R. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — LI. — P. 94

9. Parkin S.S.P., Li Z. G. and Smith D. J. //Appl. Phys. Lett. —1991. — V. 58. — P. 2710

10. Fullerton E.E., Conover M. J., Mattson J. E., Sowers C. H. and Bader S. P. //Appl. Phys. Lett. — 1993. — V. 63. — P. 1699

11. Shinjo T. and Yamamoto H. //J. Phys. Soc. Japan — 1990. — V. 59. — P. 3061

12. Chaiken A., Lubitz P., Krebs J. J., Prinz G. A. and Harford M. Z. //Appl. Phys. Lett. — 1991. — V. 59. — P. 240

13. Yamamoto H., Okuyama T., Dohnomae H. and Shinjo T. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — V. 99. — P. 243

14. Shinjo T., Yamamoto H., Anno T. and Okuyama T. //Appl. Surf. Sci. — 1992. — V. 60-61. — P. 792

15. Yamamoto H., Motomura Y., Anno T. and Shinjo T. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 126. — P. 437

16. Dieny B., Speriosu V. S., Parkin S. S. P., Gurney B. A., Wil-hoit D. R. and Mauri D. //Phys. Rev. B — 1991. — V. 43. — P. 1297

17. Dieny B., Speriosu V. S., Nozieres J. P., Gurney B. A., Vedyayev A. and Ryzhanova N. //Magnetism and Structure in Systems of Reduced Dimension, NATO ASI Ser. B: Physics

18. Plenum Press, New York, 1993. — V. 309.

19. Dieny B., Speriosu V. S., Gurney B. A., Parkin S. S. P., Wil-hoit D. R., Roche K. P., Metin S., Peterson D. T. and Nadimi S. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991. — V. 93. — P. 101

20. Dieny B., Speriosu V. S., Metin S., Parkin S. S. P., Gurney B. A., Baumgart P. and Wilhoit D. R. //Journ. Appl. Phys. — 1991.1. V. 69. — P. 4792

21. Dieny B., Speriosu V. S. and Metin S. //Europhys. Lett. — 1991. —V. 15.— P. 227

22. Dieny B., Humbert P., Speriosu V. S., and Gurney B. A. //Phys. Rev. B — 1992. — V. 45. — P. 806

23. Speriosu V. S., Dieny B., Humbert P., Gurney B. A. and Lefakis H. //Phys. Rev. B — 1991. — V. 44. — P. 5358

24. Huang T. C., Nozieres J. P., Speriosu V. S., Gurney B. A. and Lefakis H. //Appl. Phys. Lett. — 1993. — V. 62. — P. 1478

25. Parkin S.S.P. //Phys. Rev. Lett. — 1993. — V. 71. — P. 1641

26. Petroff F., Barthelemy A., Hamzich A., Fert A., Eitenne P., Lequien S. and Creuzet G. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1991.1. V. 93. — P. 95

27. Mattson J. E., Brubaker M. E., Sowers C. H., Conover M. J., Qui Z. and Bader S. P. //Phys. Rev. B — 1991. — V. 44. — P. 9378

28. Gijs M. A. M. and Okada M. //Phys. Rev. B — 1992. — V. 46.1. P. 2908

29. Dieny B. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1994. — V. 136. — P. 335

30. Pratt W. P. Jr., Lee S.- F., Slaughter J. M., Loloee R., Schroed-er P. A. and Bass J. //Phys. Rev. Lett. — 1991. — V. 66. — P. 3060

31. Pratt W. P. Jr., Lee S.- F., Yang Q., Holody D., Loloee R., Schroeder P. A. and Bass J. //Journ. Appl. Phys. — 1993. — V. 73. — P. 5326

32. Schroeder P. A., Bass J., Holody D., Lee S.- F., Loloee R., Pratt W. P. Jr. and Yang Q. //Magnetism and Structure in Systems of Reduced Dimension, NATO ASI Ser. B: Physics — Plenum Press, New York, 1993. — V. 309. — P. 129

33. Pratt W. P. Jr., Lee S.- F., Holody D., Yang Q., Loloee R., Bass J. and Schroeder P. A. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 126. — P. 406

34. Gijs M. A. M., Lenczowski S. K. J. and Giesbers J. B. //Phys. Rev. Lett. — 1993. — V. 70. — P. 33431.vy P. M. //Solid State Physics — 1994. — V. 47. — P. 367

35. Gurney B. A., Baumgart P., Wilhoit D. R., Dieny B. and Spe-riosu V. S. //Journ. Appl. Phys. — 1991. — V. 70. — P. 5867

36. Wellock K. P., Hickey B. J., Greig D., Walker M. J., Xu J. and Wiser N. //Journ. Appl. Phys. — 1994. — V. 75. — P. 7055

37. Fullerton E. E., Kelly D. M., Guimpel J., Schuller I. K. and Bruynseraede Y. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 68. — P. 859

38. Rensing N. M., Payne A. P. and Clemens B. M. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — V. 121. — P. 436

39. Takanashi K., Obi Y., Mitani Y. and Fujimore H. //J. Phys. Soc. Japan — 1992. — V. 61. — P. 1169

40. Fert A. and Bruno P. //Ultrathin Magnetic Structures, eds. B. Heinrich and A.Bland — Springer-Verlag, Berlin, 1992

41. Speriosu V. S., Nozieres J. P., Gurney B. A., Dieny B., Huang T. C. and Lefakis H. //Phys. Rev. B — 1993. — V. 47. — P. 11579

42. Valet T. and Fert A. //Phys. Rev. B — 1993. — V. 48. — P. 701.e S.- F., Pratt W. P. Jr., Yang Q., Holody D., Loloee R., Schroeder P. A. and Bass J. //Journ. Magn. Magn. Mat. — 1993. — LI — P. 118

43. Hsu S. Y., Barthelemy A., Holody P., Loloee R., Schroeder P. A. and Fert A. //Phys. Rev. Lett. — 1997. — V. 78. — P. 2652

44. Camley R. E. and Barnas J. //Phys. Rev. Lett. — 1989. — V. 63. — P. 664

45. Levy P. M., Zhang S. and Fert A. //Phys. Rev. Lett. — 1990.1. V. 65. — P. 1643

46. Zhang S., Levy P. M. and Fert A. //Phys. Rev. В — 1992. — V. 45. — P. 8689

47. Vedyayev A., Dieny B. and Ryzhanova N. //Europhys. Lett. — 1992. — V. 19. — P. 329

48. Vedyayev A., Cowache C., Ryzhanova N. and Dieny B. //J. Phys.: Cond. Matt. — 1993. — V. 5. — P. 8289

49. Fuchs K. //Proc. Cambridge Philos. Soc. — 1938. — V. 34. —P. 100

50. Sondheimer H. //Adv. Phys. — 1952. — V. 1. — P. 1

51. Barthelemy A. and Fert A. //Phys. Rev. В — 1991. — V. 43.1. P. 13124

52. Hood R. Q. and Falicov L. M. //Phys. Rev. В — 1992. — V. 46.1. P. 8287

53. Johnson B. L. and Camley R. E. //Phys. Rev. В — 1991. — V. 44. — P. 9997

54. Duvail J. L., Fert A., Pereira L. G. and Lottis D. K. //Journ. Appl. Phys. — 1994. — V. 75. — P. 7070

55. Tezanovic Z., Saric M. V. and Maekawa S. //Phys. Rev. Lett.1991. —V. 44.— P. 9997

56. Эренрейх Г., Шварц JI. Электронная структура сплавов. — М.: Мир, 1979. — 200 с.

57. Рыжанова Н. В., Устинов В. В., Ведяев А. В., Котельнико-ва О. А. //ФММ — 1992. — N 3. — С. 38

58. Asano Y., Oguri A. and Maekawa S. //Phys. Rev. B — 1993.1. V. 48. — P. 6192

59. Hood R. Q., Falicov L. M. and Penn D. R. //Phys. Rev. B —1994. — V. 49. — P. 368

60. Barnas J. and Bruynseraede Y. //Europhys. Lett. — 1995. — V. 32. — P. 167

61. Barnas J. and Bruynseraede Y. //Phys. Rev. B — 1996. — V. 53.1. P. 5449

62. Litvinov V. I., Dugaev V. K., Willekens M. M. H. and Swagten H. J. M. //Phys. Rev. B — 1997. — V. 55. — P. 8374

63. Johnson M. //Phys. Rev. Lett. — 1991. — V. 67. — P. 3594

64. Zhang S. and Levy P. M. //Journ. Appl. Phys. — 1991. — V. 69.1. P. 4786

65. Bauer G. E. W. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 69. — P. 1676

66. Ustinov V. V. and Kravtsov E. A. //J. Phys.: Cond. Matt. —1995. — V. 7. — P. 3471

67. CaHffOMnpcKHH B. B. //5K3T<£. — 1967. — T. 52. — C. 158

68. Moruzzi V. L., Janak J. F. and Williams A. R. Calculated Electronic Properties of Metals. — Pergamon press, New York, 1978

69. Brouers F., Vedyayev A. and Giorgino M. //Phys. Rev. B — 1973. — V. 7. — P. 380

70. Okuno S. N. and Inomata K. //Phys. Rev. Lett. — 1994. — V. 72. — P. 1553

71. Berkowitz A. E., Mitchell J. R., Carey M. J., Young A. P., Zhang S., Spada F.E., Parker F. T., Hutten A. and Thomas G. //Phys. Rev. Lett. — 1992. — V. 68. — P. 3745

72. Xiao J. Q., Jiang J. S. and Chien C. L. //Phys. Rev. B — 1992.1. V. 46. — P. 9266

73. Wang J. Q. and Xiao G. //Phys. Rev. B — 1994. — V. 49.

74. Parkin S. S. P., Farrow R. F. C., Rabedeau T. A., Marks R. F., Harp G. R., Lam Q., Chappert C., Toney M. F., Savoy R. and Geiss R. //Europhys. Lett. — 1993. — V. 22. — P. 455

75. Xiao G., Wang J. Q. and Xiong P. //Appl. Phys. Lett. — 1993.1. V. 62. — P. 420

76. Zhang S. and Levy P. M. //Journ. Appl. Phys. — 1993. — V. 73.1. P. 5315

77. Camblong H. E., Levy P. M. and Zhang S. //Phys. Rev. B — 1995. — V. 51. — P. 16052

78. Sheng L., Wang Z. D., Xing D. J. and Jian-Xin Zhu //Z. Phys. B — 1996. — V. 100. — P. 469

79. C.L.Kane, R.A.Serota and P.A.Lee // Phys. Rev. B — 1988. — V. 37. — P. 6701

80. Zhang S. and Levy P. M. //Phys. Rev. Lett. — 1996. — V. 77.1. P. 916

81. Brouers F. //J. Phys. C — 1986. — V. 19. — P. 7183

82. Vedyayev A., Dieny B., Ryzhanova N., Genin J. B. and Cow-ache C. //Europhys. Lett. — 1994. — V. 25. — P. 465

83. Asano Y., Oguri A. and Maekawa S. //Phys. Rev. B — 1994.1. V. 49. — P. 12381