Мультиферроики. 
Наноэлектроника

Мультиферроики представляют собой наноматериалы, характеризующиеся двумя видами упорядоченности: магнитной и сегнетоэлектрической. Эти материалы объединяют в себе свойства, характерные для каждого из классов в отдельности. К ним относятся спонтанная намагниченность, магнитострикция, спонтанная поляризация и пьезоэлектрический эффект. Вместе с тем мультиферроики приобрели новые свойства, связанные с взаимодействием магнитной и электрической подсистем. К ним относятся индуцированная магнитным полем электрическая поляризация и индуцированная электрическим полем намагниченность, переключение спонтанной поляризации магнитным полем и спонтанной намагниченности электрическим полем, магнитодиэлектрический эффект, изменение диэлектрической постоянной под действием магнитного поля. На рис. 2.35 приведена системная классификация веществ, но их физическим параметрам.

Магнитоэлектрики — вещества, у которых при помещении их в электрическое ноле возникает магнитный момент, пропорциональный значению поля. Магнитоэлектрический эффект — результат взаимодействия двух подсистем ионного кристалла. Заряженные ионы образуют электрическую подсистему, а нескомпенсированные спиновые магнитные моменты формируют магнитную подсистему.

Магнитоэлектрические материалы принято делить на два класса: гомогенные (однофазные) и композитные (двухи многофазные). Гомогенными

Рис. 235. Системная классификация веществ по физическим свойствам:

т — механическое напряжение; х — деформация; S~ — упругие константы; Т — температура; S — энтропия; с — удельная теплоемкость; Е — напряженность электрического поля; P_s — поляризованность; J — плотность тока; е — диэлектрическая проницаемость; р — удельное сопротивление; Н — напряженность магнитного поля; М — намагниченность; р — магнитная проницаемость; п — показатель преломления; Ап — двулучепреломление;

I — интенсивность света;

называют вещества, химический состав и физические свойства которых во всем объеме одинаковы или плавно меняются. В гомогенной системе из двух и более химических компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул, атомов, ионов.

Составные части гомогенной системы нельзя отделить друг от друга механическим путем. К гомогенным материалам относят LiCoP0₄, ТЬР0₄, BiFc0₃, пироксены с общей формулой AMSi₂0₆ (в этой формуле, А — непереходный и М — переходный металлы, например LiFeSi₂0₆, LiCrSi₂0₆).

К композитным материалам относятся неоднородные сплошные материалы, состоящие из двух или более компонентов. В таких материалах структурно можно выделить матрицу, в которую «вмонтированы» армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала. Например, феррит висмута (BiFe0₃) имеет сверхтонкие слои или доменные стенки.

Магнитоэлектрики и мультиферроики — два разных, но в то же время пересекающихся класса веществ. На рис. 2.36. приведены гистерезисы ферромагнетика, мультиферроика и сегнетоэлектрика.

Рис. 236. Гистерезис ферромагнетика, мультиферроика, сегнетоэлектрика.

Отметим некоторые области применения мультиферроидных материалов. Мультиферроики могут стать естественным решением проблемы поиска материалов для магнитоэлектрических преобразователей.

Преобразование магнитного поля в электрическое напряжение с помощью магнитоэлектриков не требует протекания электрических токов, что снижает омические потери; диэлектрические свойства мультиферроиков избавляют также от потерь, связанных с вихревыми токами. Емкостные элементы на основе магнитоэлектриков хорошо совмещаются с планарной технологией, требованиями миниатюризации, концентрацией магнитного поля в малых объемах. Мультиферроидные материалы целесообразно использовать для детектирования магнитного поля, используя элементы на гигантском магнетосопротивлении, а также в устройствах магнитной памяти.

Весьма перспективным классом наноструктур являются магнитные полупроводники. Магнитными полупроводниками называют вещества, в которых сочетаются полупроводниковый тип электропроводимости с различными типами магнитного упорядочения. Электромагнитный спектр магнитных полупроводников определяется двумя подсистемами: 1) подвижные носители зарядов — электроны и дырки, подвижность которых в магнитных полупроводниках невелика по сравнению с известными полупроводниками; 2) локализированные электроны атомов переходных или редкоземельных металлов.

Создание магнитных полупроводников — важная задача материаловедения в области спинтроники. Зонная структура магнитного полупроводника существенно сложнее двухзонной структуры обычных полупроводников, металлов и диэлектриков. У магнитного полупроводника имеется третья зона, которая образуется d- и /-электронами атомов переходных или редкоземельных элементов. Ферромагнитный полупроводник должен иметь температуру Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с п- и p-типами проводимости в одном монокристалле.

Ферромагнитные полупроводники необходимы как источники спии-поляризованных электронов. Вместе с тем их можно интегрировать в традиционные полупроводниковые устройства.

Определенный интерес исследователей вызывают разбавленные магнитные полупроводники, представляющие собой сплавы арсенида галлия с марганцем или другим ферромагнетиком. Наибольшая температура Кюри в магнитном твердом растворе GaMnAs с /7-проводимостью составляет Т_к = = 110 К, и ведется поиск ферромагнитных полупроводников с более высокой температурой Кюри, которые могли бы быть использованы в качестве спиновых инжекторов при температурах порядка комнатной и при слабом (или нулевом) внешнем магнитном иоле.

Нанотехнологические процессы позволяют синтезировать многокомпонентные материалы. Например, наноструктуры могут состоять из чередующихся квантовых слоев или квантовых точек. Такие структуры обладают уникальными физическими свойствами: спин-зависимое рассеивание электронов проводимости, косвенная обменная связь, поверхностная магнитная анизотропия.

При определенных условиях ферромагнитная структура может быть преобразована в антиферромагнетик с антипараллельным направлением магнитных моментов. Для мультислоев Со—Си такие магнитные фазовые переходы происходят с периодом ~1,0 нм. Выяснилось, что магнитная анизотропия возникает вследствие нарушения симметрии на границах раздела между ферромагнитным и немагнитным материалами и появления напряжений из-за несоответствия параметров кристаллических решеток. Это позволяет получить слоистые наноструктуры путем изменения толщины слоев, а также подбором соответствующих материалов.

Напомним, что в металлических многослойных структурах обнаружен эффект гигантского магнитосопротивления — квантово-механического явления, наблюдаемого в тонких пленках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев (рис. 2.37). В такой системе эффект проявляется в существенном уменьшении электрического сопротивления в зависимости от взаимной ориентации намагниченности соседних магнитных слоев. Эта взаимная ориентация может быть изменена, например, приложением внешнего магнитного поля.

В основе эффекта лежит спин-зависимое рассеяние электронов. В ферромагнитных материалах имеется два типа электронов в зависимости от ориентации их спинов («спин-вправо» и «спин-влево»). Электрон сохраня;

Рис. 2.37. Спиновое рассеяние в трехслойных антифсрромагнитной АМФ (а) и ферромагнитной ФМ (б) пленках:

Н — внешнее магнитное поле; I — ток; R — сопротивление ет направление спина на так называемой длине спиновой релаксации — 10 нм. При спин-зависимом распространении электронов она сильно различается для направлений спинов, параллельных и антипараллельных направлениям магнитных моментов атомов, на которых происходит рассеяние.

Электрическое сопротивление образца зависит от многих факторов, среди которых в магнитоупорядоченных материалах важную роль играет рассеяние на магнитной подрешетке кристалла. Если ориентация спина нс совпадает с магнитным моментом слоя (антиферромагнитная конфигурация), то электрон не способен проникнуть в этот слой. Соответственно электросопротивление возрастает. При приложении внешнего магнитного поля происходит переход в ферромагнитную конфигурацию. При определенном значении внешнего магнитного поля электроны перескакивают в смежные слои такой слоистой структуры. При этом сопротивление такой структуры значительно снижается.

В слоистых структурах наблюдается магнитный туннельный переход. Он формируется в структуре, состоящей из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором. В качестве изолятора обычно применяется оксид алюминия А1., 0₃, толщина которого не превышает 2 нм. Однако электрон может просачиваться через этот слой изолятора. Такое явление известно как туннелирование.

В ферромагнитном материале энергия электронов, различающихся ориентацией спинов, различна, поэтому и вероятность туннелирования электронов будет различна. Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала. Возникает эффект гигантского магнетосопротивления.

Структуры с магнитным туннельным переходом применяются в качестве считывающих головок в жестких дисках, а также для создания элементарных ячеек магниторезистивной оперативной памяти. Магнитный туннельный переход может служить основой «спинового аккумулятора».