Экспериментальное обнаружение и изучение ГМС.

 

Впервые гигантское магнитосопротивление было обнаружено в искусственно созданной магнитной сверхрешетке Fe/Cr в 1988 г. Величина δ при T = 4,2 K в поле H ~ 20 кЭ превышала здесь 90%. Если вспомнить, что к этому моменту прошло ровно сто лет после публикации в “Ученых записках Московского университета” работы русского ученого Д.А. Гольдгам-мера, который исследовал магнитосопротивление в Fe и Ni, то можно удивиться живучести магнетизма, ког­да, казалось бы, в известных эффектах обнаруживают­ся новые проявления и открываются неожиданные перспективы.

Рис. 4.1.2. Атомные слои Fe и Cr в мультислойной структуре Fe/Cr. Стрелки показывают направления магнитных моментов атомов Fe.

В сверхрешетке или мультислоях Fe/Cr ферромаг­нитные слои Fe с толщиной -30 А (один ангстрем 1 А = = 10-¹⁰ м = 10-⁸ см = 0,1 нм) чередовались с неферромаг­нитными слоями хрома Cr толщиной 9–18 А (рис. 1.2). Было найдено, что магнитные моменты атомов Fe в пределах одного слоя параллельны, а магнитные мо­менты соседних слоев Fe ориентированы антипараллельно (антиферромагнитно). В магнитном поле, пре­вышающем поле насыщения H _s и приложенном в плоскости слоев, антиферромагнитная обменная связь между магнитными моментами слоев Fe разрушается и все магнитные моменты атомов Fe оказываются парал­лельными друг другу (см. рис. 4.1.2). Магнитное поле, ко­торое вызывает этот переход, составляет довольно большую величину H <=> 20 кЭ. В результате скачкооб­разной переориентировки магнитных моментов элект­росопротивление резко уменьшается (рис. 1.3), так как его величина при параллельной ориентации моментов (в ферромагнитной структуре) много ниже, чем в анти­ферромагнитной.

Рис. 4.1.3. Зависимость электросопротивления R от магнитного поля для магнитных мультислоев Fe/Cr при 4,2 К по данным Бабича и др. Ток и маг­нитное поле в плоскости пленки.

Проведенные в 1988–1994 гг. исследования по­казали, что эффект гигантского магнитосопротивления существует во многих магнитных мультислоях с общей формулой Ф₁/П/Ф2, где Ф1 и Ф₂ обозначают слои 3 d -ферромагнитного металла, а П – слой нефер­ромагнитного переходного металла (V, Cr, Nb, Mo, Ru, Re, Os, Ir) или благородного металла (Cu, Ag, Au). Тол­щина промежуточного слоя П составляет, как правило, 10–20 А. Гигантское магнитосопротивление наблюда­лось в магнитных мультислоях при изменении относи­тельной ориентации магнитных моментов слоев от антипараллельной к параллельной.

Амплитуда гигантского магнитосопротивления за­висит от индивидуальных характеристик материалов, из которых состоят парные слои (Ф, П), а также от тол­щины этих слоев. Оптимальная толщина промежуточ­ного слоя, как правило, находится в диапазоне 10–20 Å.

Было исследовано три основных типа мультислойных структур.

1. Мультислои, в которых соседние ферромагнит­ные слои связаны между собой антиферромагнитным обменным взаимодействием (Fe/Cr). Этот случай был рассмотрен выше. Недостатком таких структур являет­ся большое поле насыщения, выше которого существу­ет гигантское магнитосопротивление (H _s ∼ 20 кЭ).

2. Мультислои, состоящие из ферромагнитных слоев с различными коэрцитивными силами, напри­мер Ni₈₀Fe₂₀/Cu/Co/Cu. Здесь под действием магнит­ного поля магнитная конфигурация изменяется от ан­типараллельного расположения магнитных моментов к параллельному. Величина поля подбирается проме­жуточной между двумя значениями коэрцитивной си­лы, которыми обладают различные магнитные слои. Преимуществом этих структур являются сравнительно низкие значения полей насыщения, при которых на­блюдается амплитуда гигантского магнитосопротивле-ния. Обычно эти поля H _s ∼ (4–50) Э.

3. Спин-вентильные сандвичи. В этих структурах обменная связь между ферромагнитными слоями силь­но ослабляется за счет достаточно протяженной (15– 50 Å) немагнитной проводящей прокладки из благо­родного металла (Cu, Ag или Au). Ферромагнитные слои изготавливают из мягкого ферромагнетика, на­пример сплава Ni₈₀Fe₂₀ толщиной 15–50 Å, причем один из этих слоев спаривают со слоем из антиферро­магнитного FeMn, который фиксирует ориентацию намагниченности соприкасающегося слоя Ni₈₀Fe₂₀. Образующийся сандвич Ni₈₀Fe₂₀/Cu/Ni₈₀Fe₂₀/FeMn обладает тем свойством, что намагниченность изоли­рованного медью слоя Ni₈₀Fe₂₀ может свободно вра­щаться относительно намагниченности слоя Ni₈₀Fe₂₀, намагниченность которого закреплена обменной свя­зью с FeMn. Переход от антипараллельной ориентации магнитных моментов слоев к параллельной сопровож­дается резким уменьшением электросопротивления. Преимуществом спин-вентильных сандвичей являют­ся весьма низкие поля насыщения H ∼ (2–4) Э, при ко­торых возникает гигантское магнитосопротивление. Кроме того, амплитуда гигантского магнитосопротивления в них линейно зависит от угла поворота намагниченностей слоев относительно друг друга, что важно при использовании магниторезистивных элементов в устройствах для считывания информации, записанной на магнитных носителях.

4. Гранулированные пленки и структуры. В этих структурах ферромагнитные зерна с размерами поряд­ка нанометров вкраплены в немагнитную матрицу. Ис­ходное состояние (H = 0) характеризуется беспорядоч­ной ориентацией магнитных моментов зерен. Здесь электросопротивление максимально из-за рассеяния на спинах магнитных атомов в зернах. Когда внешнее поле ориентирует магнитные моменты зерен парал­лельно, рассеяние электронов проводимости на спинах и электросопротивление сильно уменьшаются. Грану­лированная структура в пленках может быть создана совместным напылением несмешивающихся ферро­магнитных и немагнитных материалов в одиночном толстом слое (например, кобальта и меди). Отжиг при повышенной температуре создает фазовую сепарацию, в результате которой в немагнитной матрице Cu возни­кают ферромагнитные зерна из Co. Гранулированная структура создается также в материалах, где ферромаг­нитные зерна изолируются легко диффундирующим благородным металлом Ag. При отжиге атомы Ag диф­фундируют вдоль границ зерен ферромагнетика и отде­ляют созданные зерна друг от друга. В результате созда­ется специфическая гранулированная структура из мельчайших ферромагнитных зерен, изолированных магнитно друг от друга серебром.