Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах
Предложена методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного (ГМР) эффекта в многослойных металлических структурах. В качестве модельного обьекта для расчетов выбрана квазиодномерная многослойная структура (нанопроволока), состоящая из чередующихся слоев диамагнитной (медь)...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2014
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69690 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах / А.В. Труханов, С.В. Труханов, С.А. Шарко // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 1. — С. 74-79. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69690 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Труханов, А.В. Труханов, С.В. Шарко, С.А. 2014-10-18T15:11:21Z 2014-10-18T15:11:21Z 2014 Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах / А.В. Труханов, С.В. Труханов, С.А. Шарко // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 1. — С. 74-79. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.P, 75.70.Cn https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69690 Предложена методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного (ГМР) эффекта в многослойных металлических структурах. В качестве модельного обьекта для расчетов выбрана квазиодномерная многослойная структура (нанопроволока), состоящая из чередующихся слоев диамагнитной (медь) и ферромагнитной (сплав никеля и кобальта) компонент. Методика основана на расчетах и анализе температурно-временных зависимостей коэффициентов взаимодиффузии атомов металлов как фактора, наиболее точно определяющего четкость границ раздела ферромагнетик/диамагнетик, на которых происходит спин-зависимое рассеяние носителей заряда. Запропоновано методику розрахунку постійності коефіцієнтів гігантського магніторезистивного (ГМР) ефекту в багатошарових металевих структурах. Як модельний об’єкт для розрахунків обрано квазіодновимірну багатошарову структуру (нанодріт), що складається з шарів діамагнітної (мідь) і феромагнітної (сплав нікелю й кобальту) компонент, які чергуються. Методика грунтується на розрахунках та аналізі температурно-часових залежностей коефіцієнтів взаємодифузії атомів металів як фактора, що найбільш точно визначає чіткість меж розділу феромагнетик/діамагнетик, на яких відбувається спін-залежне розсіювання носіїв заряду. The paper proposes a method for calculating the GMR-coefficient stability in multilayer quasi-one-dimension structures. The method is based on the calculation and analysis of time-temperature dependences of the interdiffusion coefficients of metal atoms. The time of the stability of the GMR-coefficients in multilayer quasi-one-dimension structures calculated according to the formulas is equal to 2.5 years (at 433 K). Lifetime of the magnetic field sensors or devices for reading magnetic information formed on the basis of quasi-one-dimension structures can be theoretically calculated on the base of the proposed method (for various temperatures). ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах Method of calculation of stability of the GMR-coefficients in multilayer quasi-onedimensional structures Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах |
| spellingShingle |
Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах Труханов, А.В. Труханов, С.В. Шарко, С.А. |
| title_short |
Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах |
| title_full |
Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах |
| title_fullStr |
Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах |
| title_full_unstemmed |
Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах |
| title_sort |
методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах |
| author |
Труханов, А.В. Труханов, С.В. Шарко, С.А. |
| author_facet |
Труханов, А.В. Труханов, С.В. Шарко, С.А. |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Method of calculation of stability of the GMR-coefficients in multilayer quasi-onedimensional structures |
| description |
Предложена методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного (ГМР) эффекта в многослойных металлических структурах. В качестве модельного обьекта для расчетов выбрана квазиодномерная многослойная структура (нанопроволока), состоящая из чередующихся слоев диамагнитной (медь) и ферромагнитной (сплав никеля и кобальта) компонент. Методика основана на расчетах и анализе температурно-временных зависимостей коэффициентов взаимодиффузии атомов металлов как фактора, наиболее точно определяющего четкость границ раздела ферромагнетик/диамагнетик, на которых происходит спин-зависимое рассеяние носителей заряда.
Запропоновано методику розрахунку постійності коефіцієнтів гігантського магніторезистивного (ГМР) ефекту в багатошарових металевих структурах. Як модельний об’єкт для розрахунків обрано квазіодновимірну багатошарову структуру (нанодріт), що складається з шарів діамагнітної (мідь) і феромагнітної (сплав нікелю й кобальту) компонент, які чергуються. Методика грунтується на розрахунках та аналізі температурно-часових залежностей коефіцієнтів взаємодифузії атомів металів як фактора, що найбільш точно визначає чіткість меж розділу феромагнетик/діамагнетик, на яких відбувається спін-залежне розсіювання носіїв заряду.
The paper proposes a method for calculating the GMR-coefficient stability in multilayer quasi-one-dimension structures. The method is based on the calculation and analysis of time-temperature dependences of the interdiffusion coefficients of metal atoms. The time of the stability of the GMR-coefficients in multilayer quasi-one-dimension structures calculated according to the formulas is equal to 2.5 years (at 433 K). Lifetime of the magnetic field sensors or devices for reading magnetic information formed on the basis of quasi-one-dimension structures can be theoretically calculated on the base of the proposed method (for various temperatures).
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69690 |
| citation_txt |
Методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магниторезистивного эффекта в многослойных квазиодномерных структурах / А.В. Труханов, С.В. Труханов, С.А. Шарко // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — Т. 24, № 1. — С. 74-79. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT truhanovav metodikarasčetapostoânstvakoéfficientovgigantskogomagnitorezistivnogoéffektavmnogosloinyhkvaziodnomernyhstrukturah AT truhanovsv metodikarasčetapostoânstvakoéfficientovgigantskogomagnitorezistivnogoéffektavmnogosloinyhkvaziodnomernyhstrukturah AT šarkosa metodikarasčetapostoânstvakoéfficientovgigantskogomagnitorezistivnogoéffektavmnogosloinyhkvaziodnomernyhstrukturah AT truhanovav methodofcalculationofstabilityofthegmrcoefficientsinmultilayerquasionedimensionalstructures AT truhanovsv methodofcalculationofstabilityofthegmrcoefficientsinmultilayerquasionedimensionalstructures AT šarkosa methodofcalculationofstabilityofthegmrcoefficientsinmultilayerquasionedimensionalstructures |
| first_indexed |
2025-11-25T22:42:27Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:42:27Z |
| _version_ |
1850569311992676352 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 1
© А.В. Труханов, С.В. Труханов, С.А. Шарко, 2014
PACS: 81.40.P, 75.70.Cn
А.В. Труханов, С.В. Труханов, С.А. Шарко
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОСТОЯНСТВА КОЭФФИЦИЕНТОВ
ГИГАНТСКОГО МАГНИТОРЕЗИСТИВНОГО ЭФФЕКТА
В МНОГОСЛОЙНЫХ КВАЗИОДНОМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ
ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению»
ул. П. Бровки, 19, г. Минск, 220072, Беларусь
Статья поступила в редакцию 5 февраля 2013 года
Предложена методика расчета постоянства коэффициентов гигантского магни-
торезистивного (ГМР) эффекта в многослойных металлических структурах. В
качестве модельного обьекта для расчетов выбрана квазиодномерная многослой-
ная структура (нанопроволока), состоящая из чередующихся слоев диамагнитной
(медь) и ферромагнитной (сплав никеля и кобальта) компонент. Методика осно-
вана на расчетах и анализе температурно-временных зависимостей коэффициен-
тов взаимодиффузии атомов металлов как фактора, наиболее точно определяю-
щего четкость границ раздела ферромагнетик/диамагнетик, на которых происхо-
дит спин-зависимое рассеяние носителей заряда.
Ключевые слова: гигантский магниторезистивный эффект, многослойная квази-
одномерная структура, анодированный оксид алюминия, температурно-временные
коэффициенты диффузии
Запропоновано методику розрахунку постійності коефіцієнтів гігантського магні-
торезистивного (ГМР) ефекту в багатошарових металевих структурах. Як мо-
дельний об’єкт для розрахунків обрано квазіодновимірну багатошарову структуру
(нанодріт), що складається з шарів діамагнітної (мідь) і феромагнітної (сплав
нікелю й кобальту) компонент, які чергуються. Методика грунтується на розра-
хунках та аналізі температурно-часових залежностей коефіцієнтів взаємодифузії
атомів металів як фактора, що найбільш точно визначає чіткість меж розділу
феромагнетик/діамагнетик, на яких відбувається спін-залежне розсіювання носіїв
заряду.
Ключові слова: гігантський магніторезистивний ефект, багатошарова квазіодновимірна
структура, анодований оксид алюмінію, температурно-часові коефіцієнти дифузії
Введение
Не ослабевает интерес к исследованию магнитных наноструктур, включая
многослойные пленки, нанопроволоки и др., что обусловлено научной зна-
чимостью, перспективами практического использования этих материалов
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 1
75
[1–3]. Многослойные квазиодномерные структуры в виде нанопроволок, вы-
ращенные в порах алюмооксидной матрицы с диаметрами пор от 20 nm, яв-
ляются прекрасными модельными объектами для изучения магнитных и
магнитотранспортных явлений в нанокристаллических системах. Наност-
руктуры, сформированные путем заращивания пор в матрицах анодного ок-
сида алюминия (АОА) ферромагнитными металлами и сплавами, являются
перспективными материалами для вертикальной магнитной записи [4,5].
Перпендикулярная магнитная анизотропия в указанных системах формиру-
ется за счет ячеисто-пористой структуры АОА и распределения в ней иголь-
чатых частиц ферромагнитного материала, ориентированных своей длинной
осью по нормали к поверхности пленки.
Особое внимание привлекают квазиодномерные объекты (нанопроволо-
ки) [6], что связано с возможностью реализации в них ГМР-эффекта – кван-
тово-механического эффекта, который наблюдается в тонких металлических
многослойных системах, состоящих из чередующихся ферромагнитных и
диамагнитных слоев. Эффект состоит в существенном изменении электри-
ческого сопротивления такой структуры при изменении взаимного направ-
ления намагниченности соседних магнитных слоев.
В многослойных нанопроволоках коэффициенты ГМР-эффекта сущест-
венно выше по сравнению с планарными структурами, в которых плоскости
слоев имеют ориентацию, параллельную направлению электрического тока.
Для нанопроволок эффект ГМР значителен в геометрии, когда электриче-
ский ток перпендикулярен границам раздела слоев. В отличие от традици-
онной пленочной геометрии с током, направленным параллельно слоям, эф-
фект ГМР в такой конфигурации существенно выше. Данная конфигурация
обеспечивает рассеяние практически всех электронов, участвующих в токо-
переносе, на границах последовательно расположенных магнитных слоев с
антипараллельной ориентацией намагниченностей. Следствием этого будет
и большее значение коэффициента ГМР по сравнению с обычными много-
слойными структурами.
Эффект ГМР может быть использован для реализации сенсоров магнит-
ного поля, работающих в широких температурных интервалах. Существуют
ключевые факторы, влияющие на величину коэффициента ГМР в много-
слойных нанопроволоках: геометрическое соотношение «длина/толщина»
нанопроволок (при увеличении этого соотношения коэффициент ГМР дол-
жен расти); толщина диамагнитного слоя (должна быть сопоставима с дли-
ной свободного пробега спин-поляризованных электронов); качество границ
раздела ферромагнетик/диамагнетик.
Однако широкое применение материалов на основе многослойных и гра-
нулированных нанопроволок, выращенных в порах матриц АОА, ограниче-
но рядом причин, в том числе недостаточно изученным механизмом роста и
отсутствием данных о постоянстве коэффициентов ГМР с течением времени
и при различных температурах. Исследования процессов, обусловливающих
временные аспекты величины коэффициентов ГМР, прямыми методами
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 1
76
сильно затруднены. Таким образом, задача разработки методики теоретиче-
ского расчета температурно-временных зависимостей постоянства коэффи-
циентов ГМР является актуальной.
Методика расчета и результаты
В качестве модельного объекта для расчета коэффициентов ГМР была
выбрана квазиодномерная многослойная структура, состоящая из чередую-
щихся слоев диамагнитной (медь) и ферромагнитной (сплав никеля и ко-
бальта) компонент.
Основным параметром, который характеризует ресурс работы магнитного
сенсора или устройства считывания магнитной информации, является коэф-
фициент ГМР. При этом будем считать, что допустимое снижение коэффи-
циента ГМР составляет не более 10% от первоначальной величины. Магни-
торезистивный эффект в многослойных и гранулированных системах обу-
словливается главным образом наличием четких границ между ферро- и
диамагнитной фазами, на которых происходит спин-зависимое рассеяние
носителей заряда.
Взаимная диффузия атомов меди в ферромагнитный слой и атомов фер-
ромагнитного металла в немагнитную прослойку является основной причи-
ной, приводящей к размытию границ и, как следствие, к снижению величи-
ны эффекта. При этом происходит как разбавление магнитной фазы, так и
уменьшение толщины немагнитной прослойки, вплоть до полного ее исчез-
новения в отдельных местах.
Уменьшение магниторезистивного коэффициента пропорционально кон-
центрации немагнитной компоненты в магнитном слое:
NMFM 2
2 1 1
FM 1 FM 1
( ) 1
( ) ( )
CCMR MR MR
C C
⎛ ⎞
= = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (1)
где MR1 и MR2 – коэффициенты ГМР, соответствующие концентрациям
магнитной компоненты в ферромагнитном слое (CFM)1 и (CFM)2; CNM – кон-
центрация немагнитной компоненты. Разделив CNM на (CFM)1, можно перей-
ти к относительной концентрации немагнитной компоненты C:
( )2 1 1MR MR C= − . (2)
Иными словами, при заданном допустимом снижении коэффициента магни-
тосопротивления на 10% максимальная концентрация немагнитной компо-
ненты в ферромагнитном слое должна составить 0.1.
Рассмотрим процесс диффузии атомов меди в никель (условно будем
считать, что никель присутствует в магнитном слое в значительно большем
количестве по сравнению с кобальтом). Считаем, что диффузия атомов про-
исходит из непостоянного источника (медная прослойка), тогда решение ос-
новного уравнения диффузии (I закон Фика) приводит к следующему выра-
жению для концентрации меди в магнитном слое [7]:
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 1
77
( )
2
0
NM , exp
4π
C xC x t
DtDt
⎛ ⎞
= −⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (3)
где CNM(x,t) – концентрация атомов меди на расстоянии х от источника (гра-
ница раздела слоев) к моменту времени t, C0 – концентрация атомов меди на
границе слоев в немагнитной прослойке (непостоянная), D – коэффициент
диффузии атомов меди в слое никеля. Аналогично (3) можно перейти к от-
носительной концентрации немагнитной компоненты C(x,t) в магнитном
слое, приняв C0 = 1:
( )
21, exp
4π
xC x t
DtDt
⎛ ⎞
= −⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
. (4)
При этом связь между аргументами функции (4) и функции ϕ(s) следую-
щая:
2x s Dt= . (5)
Из (5) следует, что C(x,t) = 0.1. Пользуясь формулой (5), находим значе-
ние аргумента s = 0.397, который затем пересчитываем по формуле
0.397 2x Dt= . (6)
В качестве длины x выбираем характерный размер, равный длине свободно-
го пробега электрона, 2 nm = 2⋅10–7 cm. Таким образом, 72 10 0.397 2Dt−⋅ = .
Выполняя преобразования, получаем соотношение между временем и коэф-
фициентом диффузии:
73.56 10 Dt−⋅ = . (7)
Температурная зависимость коэффициента диффузии определяется на
основании уравнения Аррениуса
0( ) exp QD T D
T
⎛ ⎞= −⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (8)
где D0 – фактор диффузии; Q – температура активации процесса диффузии,
соответствующая энергии активации; T – термодинамическая температура.
Для атомов меди, диффундирующих в никеле, D0 = 1.01⋅10–3 cm2/s и Q =
= 17750 K [8].
Соответственно из (8) время эксплуатации
( )273.56 10 /t D−= ⋅ . (9)
Максимальная температура эксплуатации определяется работой токопот-
ребляющих устройств микроэлектроники и составляет 160°С.
Коэффициент диффузии, вычисленный по формуле (8), при температуре
T1 = 293 K (20°С) равен D1 = 4.95⋅10–30 cm2/s, а при T2 = 433 K (160°С) D2 =
= 1.59⋅10–21 cm2/s.
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 1
78
Время постоянства коэффициента ГМР в многослойных квазиодномер-
ных структурах, вычисленное по формуле (9), для температуры T2 = 433 K
(160°С) равно 2.5 года.
Остальные сроки службы сенсоров магнитного поля или устройств для
считывания магнитной информации, сформированных на основе много-
слойных квазиодномерных структур, при различных температурах можно
вычислить, исходя из вышеизложенных формул.
1. A. Moser, K. Takano, D.T. Margulies, M. Albrecht, Y. Sonobe, Y. Ikeda, S.H. Sun,
E.E. Fullerton, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, R157 (2002).
2. X. Battle, A. Labarta, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, R15 (2002).
3. И.П. Суздалев, П.И. Суздалев, Успехи химии 70, 203 (2001).
4. R.M. Metzger, V.V. Konovalov, M. Sun, T. Xu, G. Zangari, B. Xu, M. Benaki, W.D. Doyle,
IEEE Trans. Magn. 36, 30 (2000).
5. А.В. Болтушкин, В.Г. Шадров, Зарубежная радиоэлектроника № 11, 51 (1997).
6. В.М. Федосюк, В. Шварцатер, Т.А. Точицкий, С.А. Шарко, Металлофиз. и но-
вейшие технол. 11, № 11, 17 (2000).
7. П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов, Физика твердого тела, Высшая школа, Москва (2000).
8. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич, Справочник по элементарной физике, Наука,
Москва (1982).
A.V. Trukhanov, S.V. Trukhanov, S.A. Sharko
METHOD OF CALCULATION OF STABILITY
OF THE GMR-COEFFICIENTS IN MULTILAYER
QUASI-ONE-DIMENSIONAL STRUCTURES
Giant magnetoresistance (GMR) effect is a quantum-mechanical effect which consists
in a significant change in the electrical resistance of a material or structure in an external
magnetic field. As a model object for the calculation of the GMR-coefficient stability, a
multilayer quasi-one-dimension structure (nanowires) has been selected, consisting of
alternating layers of diamagnetic (copper) and ferromagnetic (nickel-cobalt alloy) com-
ponents. In multilayer nanowires, GMR-coefficients are significantly higher in compari-
son with film (planar) structures. This is due to spin-dependent scattering of almost all of
the electrons involved in the charge transport.
Key factors affecting the value of the GMR-coefficients of multilayer systems are:
geometric ratio «length/thickness» of the nanowires; thickness of diamagnetic layers
(should be comparable to the free path of spin-polarized charge carriers); quality of the
ferromagnetic/diamagnetic interfaces.
Allowable reduction of the GMR-coefficient in devices that are based on the GMR
is no more than 10% of the initial value. A limiting factor contributing to the magne-
toresistive effect in multilayer systems is the presence of distinct boundaries between
the ferromagnetic and diamagnetic phases. The main reason leading to the blurring of
the boundaries and reduction of the GMR-effect is the interdiffusion of metal atoms of
adjacent layers. And as results are dilution of the ferromagnetic phase (decreasing the
Физика и техника высоких давлений 2014, том 24, № 1
79
degree of spin-polarization of the charge carriers) and the reduction of the nonmagnetic
layer thickness.
The paper proposes a method for calculating the GMR-coefficient stability in multi-
layer quasi-one-dimension structures. The method is based on the calculation and analysis
of time-temperature dependences of the interdiffusion coefficients of metal atoms.
The time of the stability of the GMR-coefficients in multilayer quasi-one-dimension
structures calculated according to the formulas is equal to 2.5 years (at 433 K). Lifetime
of the magnetic field sensors or devices for reading magnetic information formed on the
basis of quasi-one-dimension structures can be theoretically calculated on the base of the
proposed method (for various temperatures).
Keywords: giant magnetoresistive effect, multilayer quasi-one-dimension structure, ano-
dized alumina oxide, time-temperature diffusion coefficients
|