Фізичні процеси в приладових структурах з перпендикулярною магнітною анізотропією

Abstract

Дисертацію присвячено комплексному дослідженню структурних, магнітних та магніторезистивних властивостей тонкоплівкових систем з перпендикулярною магнітною анізотропією: мультишарів Co/Ni, спін-вентилів та магнітних тунельних переходів на їх основі, а також епітаксійних тунельних переходів на основі Fe та MgO. У роботі визначені оптимальні умови формування плівкових систем з ПМА та досліджена їх кристалічна структура. Вперше досліджено магнітні та магніторезистивні властивості тунельних переходів на основі мультишарів [Co/Ni]n та аморфного бар’єру Al2O3 у випадку паралельної та ортогональної орієнтації спонтанної намагніченості електродів. Аналіз результатів дослідження тунельних переходів V/Fe/MgO/Fe/Co дозволив визначити умови виникнення явище квантової ями на інтерфейсі V/Fe, встановити залежність ПМА ультратонкого шару Fe від полярності та значення напруги зміщення. Для магнітних тунельних переходів на основі Fe та MgO з ортогональною орієнтацією намагніченості електродів досліджено залежність опору від часу дії напруги та встановлено фактори, що викликають нестабільність опору.

Диссертация посвящена комплексному исследованию структурных, магнитных и магниторезистивных свойств тонкопленочных систем с перпендикулярной магнитной анизотропии: мультислоев Co/Ni, спин-вентилей и магнитных туннельных переходов на их основе, а также эпитаксиальных туннельных переходов на основе Fe и MgO. В работе определены оптимальные условия формирования пленочных систем с ПМА и исследована их кристаллическая структура. Впервые исследованы магнитные и магниторезистивные свойства туннельных переходов на основе мультислоев [Co/Ni]n и аморфного барьера Al2O3 в случае параллельной и ортогональной ориентации спонтанной намагниченности электродов. Анализ результатов исследования туннельных переходов V/Fe/MgO/Fe/Co позволил определить условия возникновения явления квантовой ямы на интерфейсе V/Fe, определить зависимость ПМА ультратонкого слоя Fe от полярности и значения напряжения смещения. Для магнитных туннельных переходов на основе Fe и MgO с ортогональной ориентацией намагниченности электродов исследована зависимость сопротивления от времени действия напряжения и определены факторы, вызывающие нестабильность сопротивления.

The thesis is devoted to complex research of structural, magnetic and magneto-resistive properties of thin film systems with perpendicular magnetic anisotropy (PMA): multilayers Co/Ni, the spin-valves and magnetic tunnel junctions (MTJ) on their basis, as well as epitaxial tunnel junctions based on Fe and MgO. The thesis shows the optimal conditions for the formation of film systems with PMA and studies their crystal structure. The magnetic and magnetoresistive properties of tunnel junctions based on multilayers [Co/Ni]n and amorphous Al2O3 barrier in the case of parallel and orthogonal orientation of the electrodes magnetization were obtained and studied for the first time. Overall, the received results provide encouragement that it will be possible to achieve larger PMA and TMR values for Co/Ni-based magnetic tunnel junction with both PMA electrodes. MTJs with orthogonal magnetic geometry have possible use in sensors, OST-MRAM, and RF oscillator. The analysis of the study results of V/Fe/MgO/Fe/Co tunnel junction with the in plane magnetization of the both electrodes allows determining the conditions for the occurrence of the quantum well effect at the V/Fe interface. This phenomenon can be used for TMR value increasing. In the case of MTJ with one PMA-electrode, PMA dependence of the ultrathin epitaxial Fe layer on the polarity and value of the bias voltage was determined. Only positive bias tunes the ultrathin Fe layer anisotropy and negative bias has no influence on it. For magnetic tunnel junctions based on Fe and MgO with orthogonal electrodes magnetization orientation the dependence of the resistance on the bias duration was investigated and the factors causing instability resistance were considered. At the switching from positive to negative voltage (and vice-versa) with the same amplitude, the MTJ resistance changes in two steps: a sharp change and a much slower resistance variation over a few minutes to a few hours depending on the voltage amplitude and the temperature. This process is thermally activated that can be related to a single energy barrier. Furthermore it has been shown that the resistance change is not correlated to a change in soft electrode anisotropy so that Fe–O bonds at bottom Fe/MgO interface are not at the origin of the resistance change.