15.3 Магнитосопротивление наноструктур

М агнитосопротивлением называется эффект, сводящийся к изменению электри­ческой проводимости материала при помещении его в магнитное поле. Это явле­ние в обычных металлах известно уже многие годы и объясняется тем, что элек­троны проводимости в магнитном поле должны

Рис.15.6 - Три структуры, в которых наблю­дается гиганское магнитосопротивление: (а) — чередующиеся слои немагнитного ма­териала с ферромагнитными слоями, на­магниченными в противоположных на­правлениях (направление намагниченности указано стрелками); (б) — случайно ориен­тированные ферромагнитные наночастицы кобальта (большие кружки) в немагнитной медной матрице (маленькие кружки); (в) — смешанная система, состоящая из серебря­ных слоев с наночастицами кобальта и маг­нитных слоев из сплава Ni-Fe с чередующи­мися направлениями намагниченности, указанными стрелками.

двигаться по спиральным траек­ториям. Эффект становится заметным только в достаточно сильных полях, при которых траектория электрона существенно искривляется на длине свобод­ного пробега. Длина свободного пробега — это среднее расстояние, на которое смещается электрон в металле под действием электрического поля между двумя соударениями с атомами решетки, дефектами или атомами примеси. Сопротив­ление материала вызывается рассеянием электронов в таких соударениях, так как их направление движения после соударения изменяется.

Магнитосопротивление в металлах наблюдается только в очень сильных полях при низких температурах. Например, в чистой меди при 4К и индукции поля 10Тл проводимость меняется в 10 раз.

Из-за необходимости высоких полей и низкой температуры магнитосопро­тивления в металлах первоначально имело мало возможностей использования на практике. Однако, ситуация изменилась в 1988 году с открытием того, что теперь называют гигантским Магнитосопротивлением в материалах, искусственно со­зданных путем осаждения на подложку чередующихся слоев ферромагнитного и неферромагнитного металлов мано­метровой толщины. Схема этой слоис­той структуры и чередующиеся на­правления вектора намагниченности ферромагнитных слоев показаны на рис. 15.6.а. Эффект впервые наблюдал­ся на пленках, в которых чередовались слои железа и хрома, но затем были об­наружены и другие возможные комби­нации слоев, составляющих пленку. Так, в материале из чередующихся сло­ев кобальта и меди магнитосопротив­ление намного больше. Влияние постоянного маг­нитного поля на сопротивление много­слойной системы железо-медь. Величи­на изменения сопротивления зависит от толщины слоев железа и достигает максимума при толщине 7 нм.

Эффект возникает из-за зависимо­сти рассеяния электронов от направле­ния их спина по отношению к вектору намагниченности. Электроны, спин которых направлен противоположно направлению намагниченности М, рассеиваются сильнее, чем те, спин ко­торых параллелен напрвлению с М. Приложение постоянного магнитного поля вдоль слоев ориентирует векторы намагни­ченности во всех слоях в одном на­правлении. Электроны проводимости, спин которых направлен в сторону, противоположную намагниченности, рассеиваются на границах металл-фер­ромагнетик сильнее, чем со спином в направлении намагниченности. Так как оба канала работают параллельно, канал с меньшим сопротивлением опреде­ляет полное сопротивление материала. Эффект магнитосопротивления в этих слоистых материалах служит чувстви­тельным детектором постоянного магнитного поля и является основой для созда­ния новых высокочувствительных считывающих головок магнитных дисков. До открытия этого эффекта устройства магнитного хранения информации использовали индукционные обмотки, и для намагничивания малой области носителя в определенном направлении (режим записи), и для последующего определения направления намагни­ченности (режим считывания). Магниторезистивные считывающие голо­вки существенно чувствительнее, чем индукционные.

Материалы, состоящие из однодоменных ферромагнитных наночcтиц со случайно ориентированным векто­ром намагниченности, находящихся в немагнитной матрице, также облада­ют гигантским магнитосопротивлением. На рис. 15.6 показана схема такой системы. В отличие от слоистых струк­тур магнитосопротивление в этой сис­теме изотропно. При помещении ее в магнитное поле вектора намагничен­ности ферромагнитных наночастиц ориентируются по полю, что уменьша­ет электрическое сопротивление. Вли­яние магнитного поля на сопротивле­ние увеличивается при увеличении на­пряженности поля и уменьшении размеров магнитных частиц. На рис. 16.56.показаны типичные ре­зультаты измерений на пленке, состоя­щей из наночастиц кобальта в медной матрице, при 100 К. Гибридные систе­мы, состоящие из нано частиц в метал­лической матрице, расположенной между двумя ферромагнитными слоя­ми, демонстрируют аналогичные магниторезистивные свойства. Обнаружены материалы, имею­щие большее значение магнитосопротивления, чем слоистые системы, и такое явление в них названо колоссальным магнитосопротивлением. Эти материалы также имеют множество возможнос­тей для применения, например в записывающих магнитных головках или в чув­ствительных элементах магнитометров. В материалах типа перовскита LaMnO₃ марганец имеет валентность три. Если La³⁺ частично заменить двухвалентными ионами, например Са, Ва, Sr, Pb или Cd, для сохранения электронейтральности некоторые ионы марганца изменят состояние с Мп³⁺ на Мn⁴⁺.

Рис. 15.7 Зависимость изменения магни-

тосопротивления ΔR от приложенного

магнитного поля для тонкой пленки наночастиц

кобальта в медной матрице.

Рис.15.8 Кристаллическая структура LaMnO₃, в которой при

легировании Са или Sr, замещающих La, наблюдается колоссальное

увеличение магнитосопротивления.

В результате об­разуется система со смешанной валентностью Мп³⁺/Мп⁴⁺, в которой присутст­вует значительное количество подвижных носителей заряда. Обнаружено, что такая система демонстрирует очень большое

магнитосопротивление. Элементар­ная ячейка этого кристалла показана на рис.15.8. Например, сопротивление сис­темы La _0.67Ca _0.33 MnOx в постоянном поле 6 Тл изменяется более, чем в тысячу раз. На рис.15.7 показана зависимость удельного сопротивления тонкой плен­ки этого материала от приложенного постоянного магнитного поля. Темпера­турная зависимость удельного сопротивления при температурах ниже точки Кюри также демонстрирует необычное поведение, показанное на рис.15.10. Хо­тя влияние наноструктурирования на такие материалы еще не изучено подроб­но, ожидается его ярко выраженное действие на величину эффекта магнитосопротивления.

Рис.- 15.9 Зависимость удельного сопро тивления образцов La-Ca-Mn-O от прило женного магнитного поля в районе точки Кюри (250 К)

Рис. 15.10 Температурная зависимость удельного сопротивления отожженных образцов La-Ca-Mn-O в нулевом магнитном поле