Katedra Elektroniki WEAIE Modele procesów przemagnesowania układów wielowarstwowych sprzężonych magnetycznie Maciej Czapkiewicz Katedra Elektroniki WEAIE

Uproszczony model jednodomenowy Łatwe i szybkie sprawdzanie wpływu parametrów fizycznych na kształt pętli przemagnesowania kosztem dobrej korelacji do wyników eksperymentalnych. sposoby obliczeń na przykładzie pojedynczej i podwójnej warstwy Bilayer ze sprzężeniem bikwadratowym struktura typu Pseudo-Spin Valve struktura typu Spin Valve Magnetic Tunneling Junction

Obliczamy: jak  zależy od H ? Definicje Magnetyzacja: cienka warstwa bilayer AMR (warstwa) GMR (bilayer) Obliczamy: jak  zależy od H ?

Model jednodomenowy Powierzchnowa gęstość energii zależna od , H oraz stałych parametrów. Obliczanie lokalnego mimimum funkcji gestości energii dla zadanego pola magnetycznego H. Symulacja procesu przemagnesowywania poprzez śledzenie ewolucji minimum funkcji gęstości energii w trakcie kolejnych kroków pola H.

Model jednodomenowy dla pojedyńczej cienkiej warstwy Całkowita energia E = EH + EU + ED Zeeman energy Anisotropy energy Demagnetizing energy gdy pole w płaszczyźnie warstwy (Nx=Ny0, Nz1):

Przykład obliczeń dla cienkiej warstwy Pole w płaszczyźnie warstwy, prostopadle do e.a. Minimum: przy warunkach: Rozwiązanie analityczne: czyli MH dla osi trudnej Symulacja numeryczna: odtworzenie pętli histerezy dla pola wzdłuż osi łatwej

Model energii dla różnych struktur

Przykład obliczeń struktury bilayer Model dla energii: Symulacja numeryczna: ewolucja funkcji 2D

Przykładowe symulacje - wyniki

Wyniki symulacji dla struktury typu Pseudo Spin Valve Przykład: Py2.8nm/Co2.1nm/Cu2nm/Co3nm dopasowane parametry: Ku1/Ku2 = 31

Model dla anizotropii jednozwrotowej M.Tsunoda: warstwa AF porządkuje się wytwarzając anizotropię przytrzymującą warstwę ferromagnetyka Model funkcji gęstości energii JEB sprzężenie między AF a pinned FF M1 - namanesowanie FF KAF - anizotropia AF

Próbka z wyindukowaną termicznie anizotropią jednozwrotową Przykład: Si/Ta(50A)/Cu(100A)/Ta(50A)/NiFe(20A)/Cu(50A)/MnIr(100A)/CoFe(25A) wygrzewana: 200oC/1h, field cooling 1kOe CoFe – 25 Å MnIr – 100Å dopasowane parametry: JEB= 200 10-6 J/m2 , KAF = 40000 J/m3. Courtesy of Prof. C.G. Kim Chungnam University RECAMM, Taejon, Korea

Magnetic Tunneling Junction Model funkcji gęstości energii: Ta – 50Å NiFe – 100 Å CoFe – 25 Å Al2O3 – 15 Å CoFe – 25 Å MnIr – 100Å Cu – 50 Å NiFe – 20 Å Ta – 50 Å Cu – 100 Å Ta – 50 Å Substrate Si (100)

Pętla histerezy układu FF/S/FF/AF w zależności od KAF

Symulacje zależności pola podmagnesowania i pola koercji od KAF

Symulacja MTJ, T=300oC Parametry dopasowania: energia anizotropii warstwy swobodnej NiFe/CoFe K1 = 210 J/m3, m0 Ms1 = 0.85 T, stała energii wymiany FF1-FF2 J= 1.04 10-6 J/m2 (FF). energia koercji warstwy zamocowanej Co-Fe K2 = 95000 J/m3, m0 Ms2 = 1.5 T, stała energii wymiany FF2-AF JEB= 470 10-6 J/m2. energia anizotropii warstwy AF IrMn KAF = 50000 J/m3 energia anizotropii warstwy buforowej NiFe (20A) K3 = 70 J/m3, m0 Ms3 = 0.6 T,

Symulacja MTJ, as.dep. Parametry dopasowania: energia anizotropii warstwy swobodnej NiFe/CoFe K1 = 280 J/m3, m0 Ms1 = 0.85 T, stała energii wymiany FF1-FF2 J= 0.77 10-6 J/m2 (FF). energia anizotropii warstwy zamocowanej Co-Fe K2 = 520 J/m3, m0 Ms2 = 1.5 T, stała energii wymiany FF2-AF JEB= 470 10-6 J/m2. energia anizotropii warstwy AF IrMn KAF = 26000 J/m3 energia anizotropii warstwy buforowej NiFe (20A) K3 = 70 J/m3, m0 Ms3 = 0.6 T,

Domeny w ferromagnetyku rozbicie na domeny korzystne energetycznie: pojedyńcze domeny w nanokropkach

Wnioski Model jednodomenowy może służyć do oszacowania energii sprzężeń i energii anizotropii decydujących o przebiegu procesu przemagnesowania (kształcie pętli histerezy) układu wielowarstwowego. Aby uzyskać bardziej zbliżone do rzeczywistego symulowanie procesu przemagnesowania, należy użyć modelowanie mikromagnetycznego (z powodów numerycznych ograniczone jest to rozmiarów mikrometrowych).

Literatura W.F.Brown Jr: Micromagnetics, 1963 New York: Wiley Interscience A.Hubert, R.Shäfer: Magnetic Domains, Springer-Verlag 1998 J.Fidler, T.Schrefl: Micromagnetic modelling—the current state of the art., J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) R135–R156 M.Donahue, D.Porter: The Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF) project at ITL/NIST, http://math.nist.gov/oommf/ E.D.Dahlberg, Jian-Gang Zhu: Micromagnetic Microscopy and Modeling, http://www.physics.umn.edu/groups/mmc/papers/PhysicsToday.html P.H.W.Ridley et al..: Investigation of magnetization behavior in nanoelements using the finite element method, J. Appl. Phys, 9 (2000), 87 J.Fidler et al.: Dynamic Micromagnetic Simulation of the Configurational Anisotropy of Nanoelements, IEEE Trans. Magn, 4 (2001), 37 M.Tsunoda, M. Takahashi, Single spin ensemble model for the change of unidirectional anisotropy constant by annealing on polycrystalline ferromagnetic/antiferromagnetic bilayers, J. Appl. Phys, 87 (2000) 4957

Konec