«Магниторезистивные эффекты на структуре ферримагнитный диэлектрик/полидифениленфталид»

Эти пленки, являясь диэлектриками с сильно локализованными валентными электронами, могут демонстрировать очень высокую электропроводимость без всякого допирования. Подобное поведение отмечалось в тонких диэлектрических пленках еще более 70-ти лет тому назад [6]. Но до сих пор причины такого изменения свойств до конца не ясны. В ходе накопленных к настоящему времени экспериментальных и теоретических результатов исследования можно предположить, что основы поведения органических полимерных и неорганических диэлектрических пленов имеют общую природу. Показана уникальная способность полимера с широкой запрещенной зоной детектировать малые изменения потенциала в цепи, последовательно соединенной с образцом [7].

В последнее время появились сообщения о перспективности применения в спинтронике иттрий-железистого граната (Y3Fe5O12, ИЖГ), в частности, о возможности спиновой инжекции и спинового транспорта на расстояния порядка 1 мм в монокристаллической среде ИЖГ магнонами при комнатной температуре [8]. Однако до настоящего момента не понятно, какие именно особенности монокристаллического ИЖГ способствуют спиновой инжекции. Так как монокристаллическая среда ИЖГ не может быть идеальной, разного рода искажения вносятся в решетку в процессе выращивания кристалла, то становится актуальной задача исследования свойств таких кристаллов, легированных разным образом. Три различных подрешетки ИЖГ обеспечивают различное по симметрии окружение анионами кислорода своим катионам. Ранее были показаны различные типы воздействия света на магнитные свойства разным образом легированных монокристаллов ИЖГ, например, на магнитострикцию [3].

В связи с этим была поставлена задача исследования особенностей перемагничивания монокристалла ИЖГ при комнатной температуре с использованием чувствительного слоя из полимерного диэлектрика, а также индикация воздействия света в магнитном поле на монокристалл.

Актуальность работы:

Полимерные диэлектрики и иттрий-железистые гранаты – основные материалы спинтроники. Исследование их магнитных свойств актуально и востребовано.

Цель работы: Исследовать состояние кубического фотоактивного магнитного диэлектрика, намагниченного в «трудном» направлении, используя пленку полидифениленфталида.

Задачи:

1. Собрать схему для дистанционного детектирования магнитного состояния ИЖГ при помощи полимерной пленки.

2. Исследовать влияние освещения ИЖГ в магнитном поле на вид временной зависимости потенциала в цепи.

Объект исследования: Полидифениленфталид – полимер с широкой запрещенной зоной (4,2 эВ), структурная формула мономерного звена. Иттрий-железистый гранат – ферримагнитный диэлектрик.

Положение катионов в элементарной ячейке представлена на рис.1 на котором для наглядности опущены ионы кислорода.

В отличие от катионов положения ионов кислорода обладают в структуре граната тремя степенями свободы, так что их координаты следует определять тремя параметрами x,y,z.

Значение этих параметров изменяются в зависимости от химического состава граната, а прежде всего от величины катионов. При смещении ионов кислорода из идеальных положений возникает деформация координационных многогранников.

Рис.1. Распределение катионов в структуре граната [1]

Деформация проявляется в нарушении равенства длин ребер отдельных многогранников. Однако расстояния центра катиона от ионов кислорода находящихся в вершинах соответсвующего многогранника остаются одинаковыми. Локальная симметрия является ромбической для позиции – с , тригональной для позиции a, и тетраганальной для позиции – d. Исходя из этого можно заметить, что катионы в позиция c,a,d образуют три неэквивалентные подрешетки. Если эти подрешетки заняты магнитными ионами, то есть вероятность возникновения ферримагнитизма. Что касается выбора катионов, то структура граната обладает большей избирательностью. Избирательность связанно с особенностями структуры граната, которая характеризует свободным упорядочением координационных тетраэдров. Это, по- видимому и налагает ограничение на размеры катионов и так же приводит к тому, что большие отклонения от стехиометрии или образование дефектных структур с вакансиями невозможны.

Поэтому можно сделать вывод, что структура граната допускает достаточно большие деформации и снижение симметрии решетки без изменения вида упорядочения. Возможность существования определенных комбинаций ионов в структуре и их распределение по позициям определяется абсолютными и относительными размерами катионов и конфигурацией их электронных оболочек. [1,3]

1.2 Процесс намагничивания структуры граната

В магнитном отношении по макроскопическим свойствам ферримагнетики похожи на ферромагнетики. Все процессы, протекающие при намагничивании ферромагнитного тела, можно поделить на следующие группы:

1) Смещение доменных границ;

2) Вращение вектора намагниченности;

3) Парапроцесс.

Эти процессы могут протекать обратимо и необратимо. Рассмотрим сначала первую группу, смещение доменных границ. В первом случаи намагниченность протекает так, что объем ферромагнитных доменов растет за счет доменов с неблагоприятной ориентацией (рис. 2). Вектор намагниченности ориентирован благоприятно по отношению к действующему полю.

Считается, что доменные границы являются абсолютно жесткими и плоскими, т.е не деформируются при движении. Но при этом часто оказывается более выгодно энергетически, если граница подвергающаяся воздействию внешнего поля, не сохраняет плоскую форму. Это случается тогда, когда ферромагнитный кристалл содержит дефекты, препятствующее движению границы.(цилиндрическое изгибание границы)

Рис.2 Намагничивание, осуществляемое путем смещения 1800-ных границ (а) и 900-границ (б)

Процесс вращения вектора намагниченности (случай 2) происходит либо с однодоменными частицами, либо в конечной стадии процесса технического намагничивания, т.е исчезают все доменные границы и образец переходит в монодоменное состояние. При этом вектор намагниченности отклоняется от направления легкого намагничивания и поворачивается в направлении поля. Магнитное поле создает вращательный момент, действующий на вектор намагниченности. В состоянии равновесия этот момент компенсируются противоположно направленным моментом сил анизотропии, стремящихся вернуть намагниченность в направлении легкого намагничивания.[2]

1.3 Влияние света (намагничивание светом ферритов)

Облучение светом можно проводить к изменению магнитного состояния ферритов в том числе и иттрий-железистого граната (ИЖГ) [5].

Свет изменяет обменное взаимодействие и анизотропию, так же он должен менять доменную структуру кристалла. Воздействие на домены неполяризованного света очень мало, так как он эквивалентен изменению обмена ренормеровки анизотропии. Это может привести к изменению размеров доменной стенки. Для увеличения толщины доменных стенок в ферримагнитном проводнике необходима концентрация фотоносителей примерно 1019 см-3. Значительно сильнее происходит влияния света на доменную структуру, когда он поляризован по кругу. В этом случае его действия похожи с действием магнитного поля. Он влияет не только на толщину доменных стенок, но и на размеры самих доменов. Это очень важно. Благодаря доменной структуре, ферримагнетик в отсутствие внешнего поля имеет нулевую суммарную намагниченность, так как размеры и количество доменов с противоположно направленными моментами друг с другом совпадают. Освещение циркулярно поляризованным светом, направленным вдоль намагниченности, увеличивает размер доменов с одним из направлений момента за счет доменов с противоположным моментом. Это можно объяснить круговым дихроизмом, определяемым различием коэффициентов поглощения для разных круговых поляризаций. Вследствие освещения магнитного полупроводника светом с определенной круговой поляризацией появляется разное количество фотоэлекторов в доменах с различными направлениями намагниченности. Также и интенсивность косвенного обмена в различных доменах является различной. То же самое происходит и в материалах, где свет возбуждает магнитные экситоны: число возбужденных экситонов в разных доменах различно, и обмен в доменах изменяется по-разному.

Хорошо известен эффект индуцирования одноосной магнитной анизотропии в ферритах с кубической структурой путем их термомагнитного отжига. Режим отжига получается в охлаждении феррита во внешнем магнитном поле, за счет чего возникает одноосная магнитная анизотропия. Было обнаружено, что свет увеличивает скорость релаксации одноосной магнитной анизотропии в ИЖГ(Si), наведенной отжигом. Неполяризованный свет может сам по себе вызывать появление одноосной магнитной анизотропии в намагниченных образцах в ИЖГ(Si). Для этого нужно в момент освещения образца неполяризованным светом к нему приложить внешнее магнитное поле. Это явление было названо фотомагнитным отжигом. Температура, при котором осуществляется отжиг должна быть низкой, чтобы избежать термоактивированной релаксации [5].

1.4 Полимеры с широкой запрещенной зоной

В последнее время очень перспективным научным направлением можно считать электронику тонких пленок электроактивных полимеров [9]. Если уменьшить толщину материала до определенной величины, увеличивается значимость различных факторов. Это способствует проявлению у полимеров новых, и в тоже время электронных свойств. При уменьшении толщины материала возрастает влияние поверхности. Это особенно проявляется на контакте металл-диэлектрик.

Рис.3. Зонная диаграмма трехслойной структуры МПМ.d - толщина диэлектрика

На рисунке 3 представлена зонная диаграмма трехслойной структуры металл-полимер-металл. Выбран вариант контакта, в котором оба металла одинаковы, работы выхода электрона из металла и полимера одинаковы. Это можно сказать случай прямых зон, если использовать при этом полимер, можно получить омический контакт. Из этого следует вывод, что, находясь между двумя металлическими электродами, диэлектрик с большой шириной запрещенной зоны может препятствовать протеканию заряда в том случае, когда толщина диэлектрической прослойки высока. Слой диэлектрика играет роль потенциального барьера прямоугольной формы, высота этого барьера определяется разностью между работой выхода металла и энергией электронного сродства диэлектрика. Может оказаться, что при уменьшении толщины диэлектрической пленки, сосредоточенные вблизи противоположных границ заряды могут взаимодействовать между собой, искажая форму потенциального барьера. Взаимодействие приповерхностных зарядов может провести к тому, что в середине барьера начнет формироваться локальный минимум. При таком положении в середине барьера на уровне Ферми могут возникнуть новые электронные состояния, увеличивающие его проницаемость для электронов.

В начале 1980-х был синтезирован новый полимер - полидифениленфталид. Трехмерная структура ПДФ показана на рис. 4.

Рис.4. Оптимизированная структура мономерного звена молекулы полидифениленфталида.

С помощью квантово-химических расчетов было установлена уникальная особенность этих полимеров: при изменении длины одной из связей такой молекулы может возникнуть второе энергетически устойчивое состояние. Это объясняется наличием электронных уровней в области запрещенных энергий [9].

6. Костылев С. А., Шкут В.А. Электронное переключение в аморфных полупроводниках.Киев: Наукова думка, 1978. – 205с.

7. Набиуллин И.Р. Электрофизические свойства структуры металл-полимер-металл при фазовых превращениях в металлах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. 2014. - 22с.

8. Kajiwara Y., Harii K., Takahashi S., Ohe J., Uchida K., Mizuguchi M., Umezawa H., Kawai H., Ando K., Takanashi K., Maekawa S.& Saitoh E. Transmission of electrical signals by spin-wave interconversion in a magnetic insulator // Nature. – 2010. – V. 464. – Pp. 262-267.

9. Воробьева Н.В, Лачинов А.Н. Электроника тонких слоев широкозонных полимеров. Успехи физических наук. Том 176, № 12, 2006. – 18с.

10.Gatner K., Lachinov A.N., Matlak M., Slebarski A., Zagurenko T.G. Fermi level and phase transformations in GdCo2// arXiv:cond-mat/0503432 v1. – 17 Mar 2005.

11.Набиуллин И.Р., Лачинов А.Н., Хисамов Р.Х., Мулюков Р.Р. Оценка параметров потенциального барьера на границе металл/полимер в ходе возврата структуры нанокристаллического никеля // ФТТ. – 2012. – Т. 54. № 3. – С. 422-426.

12.Лачинов А.Н., Воробьева Н.В., Лачинов А.А. Особенности гигантского магнитосопротивления в системе ферромагнетик-полимер.// Письма в ЖЭТФ. – 2006. – Т. 84, № 11. – С. 720-722, 2006.

13.Лачинов А.Н., Воробьева Н.В., Корнилов В.М., Логинов Б.А., Беспалов В.А. О роли спиновой поляризации электронов в эффекте инжекционного ГМС в системе Ni-полимер-Cu// ФТТ. – 2008. – Т. 50, № 8. – С. 1444-1447.

14.Воробьева Н.В., Лачинов А.Н., Гарифуллина Ф.Ф. Влияние магнитного состояния металлической подложки на гигантское магнитосопротивление структуры ферримагнетик-полимер. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, том 74, № 10, 2010. - 1419–1421с.

15.Воробьева Н.В., Лачинов А.Н, Темеров В.Л, Митюхляев В.Б. Индикация магнитного состояния монокристалла иттриевого феррита-граната при помощи пленка полимера с широкой запрещенной зоной. Материалы Международной научно-технической конференции. 2014. – 17-20с.

16. Воробьева Н.В. Фотоиндуцированное перемещение электронов в иттрий-железистом гранате. Нанотехника 1 (13), 2008, стр. 85-87.

17. Воробьева Н.В. , Халилов Р. З. Статические и динамические фотоиндуцированные магнитные эффекты в иттрий-железистом гранате с малой примесью ионов бария.// ФТП. – 2012. – Т. 46, № 4. – С. 469-472.

18. Дорошенко Р. А. , Серегин С.В. Фотоиндуцированное изменение динамического магнитоупругого взаимодействия в иттриевом феррите-гранате// ФТТ. – 1997. – Т. 39, № 6. – С. 1081-1083.

19. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985 – 392 с.