1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 52, № 5, 2023

Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 5, стр. 390-403

Закономерности формирования подвижных локализованных магнитных конфигураций и технология изготовления структур для реализации элементов магнитной памяти

А. В. Проказников 1, *, В. А. Папорков 2, В. А. Чириков 2, Н. А. Евсеева 2

1 Ярославский филиал Физико-технологического института им. К.А. Валиева РАН
Ярославль, Россия

2 Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Ярославль, Россия

* E-mail: prokaznikov@mail.ru

Поступила в редакцию 12.04.2023
После доработки 10.07.2023
Принята к публикации 10.07.2023

Аннотация

На основании компьютерного моделирования и анализа технологических, экспериментальных и теоретических результатов сформулированы технологические требования к формированию электронных устройств, базирующихся на магнитных вихрях и скирмионах. Проведены оценки основных видов взаимодействий, определяемых технологическими факторами. Изучены конструктивные особенности электронных устройств на магнитных вихрях и скирмионах. Исследованы различные технологические подходы к изготовлению структур с разными свойствами магнитной анизотропии.

Ключевые слова: магнитооптические свойства нанопленок, магнитные структуры, магнитные вихри, микромагнитное моделирование, магнитная анизотропия, магнитная память

Список литературы

  1. Everschor-Sitte Masell J., Reeve R.M., Klaui M. Perspective: Magnetic skyrmions − Overview of recent progress in an active research field // Jour. Appl. Phys. 2018. V. 124. P. 240901.

  2. Krishnan K.M. Fundamentals and applications of magnetic materials. Oxford University Press. NY, USA. 2016. 794 p.

  3. Zang J., Cros V., Hoffmann A. (eds). Topology in Magnetism. Springer series in Solid State Science. V. 192. Springer International Company. 2018. Springer. Schwitzerland. 416 p.

  4. Guimaraes A.P. Principles of Nanomagnetism. 2017. Springer International Publishing AG. Schwitzerland. 330 p.

  5. Gaididai Y., Kravchuk V.P., Sheka D.D. Curvature effect in thin magnetic shells. // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 112. P. 257203.

  6. Gaididai Y., Kravchuk V.P., Sheka D.D. Curvature effects in statics and dynamics of low dimensional magnets. // Journ. Phys. A: Math. and Theor. 2015. V. 48. P. 125202.

  7. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М.: Наука, 1987. 520 с.

  8. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: МЦНМО, 2000. 402 с.

  9. Prange R.E., Girvin S.M. The Quantum Hall Effect. Springer-Verlag, NY, Berlin, Heidelberg, 1990. 463 p.

  10. Lejnell K., Karlhede A., Sondhi S.L. Phys. Rev. B. Effective-action studies of quantum Hall spin textures // 1999. V. 59. № 15. P. 10183–10192.

  11. Das S., Tang Y.L., Hong Z., Gonçalves M.A.P., McCarter M.R., Klewe C., Nguyen K.X., Gómez-Ortiz F., Shafer P., Arenholz E., Stoica V.A., Hsu S.-L., Wang B., Ophus C., Liu J.F., Nelson C.T., Saremi S., Prasad B., Mei A.B., Schlom D. G., Íñiguez J., García-Fernández P., Muller D.A., Chen L.Q., Junquera J., Martin L.W., Ramesh R. Observation of room-temperature polar skyrmions // Nature. 2019. V. 568. P. 368–372.

  12. Rayfield G.W., Reif F. Quantized Vortex Rings in Superfluid Helium // Phys. Rev. 1964. V. 136. № 5A. P. A1194–A1208.

  13. Eto M., Hirono Y., Nitta M., Yasui S. Vortices and other topological solitons in dense quark matter. // Prog. Theor. Exp. Phys. 2014. P. 012D01.

  14. Orlando T.P., Mooij J.E., Tian L., Van der Wal C.H., Levitov L.S., Lloyd S., Mazo J.J. Superconducting persistent-current qubit. // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. № 22. P. 15398–15413.

  15. Shcherbakova A.V., Fedorov K.G., Shulga K.V., Ryazanov V.V., Bolginov V.V., Oboznov V.A., Egorov S.V., Shkolnikov V.O., Wolf M.J., Beckman D., Ustinov A.V. Fabrication and measurements of hybrid Nb/Al Josephson junctions and flux qubits with π-shifters // Supercond. Sci. Technol. 2015. V. 28. P. 025009.

  16. Ружицкий В.И. Новые физические подходы к решению задачи масштабирования элементной базы цифровой сверхпроводниковой электроники. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва. МГУ им. М.В. Ломоносова. 2021. 121 с.

  17. Калентьева И.Л., Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Дорохин М.В., Дудин Ю.А., Здоровейщев А.В., Кудрин А.В., Тимирязева М.П., Тимирязев А.Г., Никитов С.А., Садовников А.В. Модифицирование магнитных свойств сплава CoPt путем ионного облучения // ФТТ. 2019. Т. 61. № 9. С. 1694–1699.

  18. Калентьева И.Л., Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Здоровейщев А.В., Здоровейщев Д.А., Дорохин М.В., Дудин Ю.А., Кудрин А.В., Тимирязева М.П., Тимирязев А.Г., Садовников А.В., Юнин П.А. Формирование скирмионных состояний в ионно- облученных тонких пленках CoPt. // 2022. Т. 64. № 9. С. 1304–1310.

  19. Tsvelik A.M. Quantum Field Theory in Condensed Matter Physics. Cambridge University Press. NY, 1998.

  20. Kardar M. Statistical Physics of Fields. Cambridge University Press. NY, 2007.

  21. Metlov K.L. Magnetization patterns in ferromagnetic nanoelements as function of complex variables. // 2010. Phys. Rev. Lett. 105. P. 107201.

  22. Carvalho-Santos V.L., Elias R.G., Altbir D., Fonesca J.M. Stability of scirmions on curved surfaces in the presence of magnetic field // Journ. Magn. Magn. Mat. 2015. V. 391. P. 179–183.

  23. Vilas-Boas P.S.C., Elias R.G., Altbir D., Fonesca J.M., Carvalho-Santos V.L. Topological magnetic solitons on a paraboloidal shell // Phys. Lett. A. 2015. 379. P. 47–53.

  24. Sheka D.D., Kravchuk V.P., Gaididei Y. Curvature effects in statics and dynamics of low dimentional magnets // Journ. Phys. A: Math. and Theor. 2015. V. 48. P. 25202.

  25. Vansteenkiste A., Leliaert J., Dvornik M., Helsen M., Garsia-Sanchez F., B. Van Waeyenberge F. The design and verification of MuMax3 // AIP Advances. 2014. V. 4. P. 107133.

  26. Lopez-Diaz L., Aurelio D., Torres L., Martinez E., Hernandez-Lopez M.A., Gomez J., Alejos O., Carpentieri M., Finocchio G., Consolo G. Micromagnetic simulations using Graphics Processing Units // J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. V. 45 P. 323001.

  27. Zhang S., Li Z. Roles of Nonequilibrium Conduction Electrons on the Magnetization Dynamics of Ferromagnets // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 127204.

  28. Leliaert J., Dvornik M., Mulkers J., De Clercq J., Milošević M.V., Van Waeyenberge B. Fast micromagnetic simulations on GPU − recent advances made with mumax3 // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. V. 51. P. 123002.

  29. Leliaert J., Mulkers J., De Clercq J., Coene A., Dvornik M., Van Waeyenberge B. Adaptively time stepping the stochastic Landau-Lifshitz-Gilbert equation at nonzero temperature: Implementation and validation in MuMax3 // AIP Advances. 2017. V. 7. P. 125010.

  30. Gaididei Y.B., Kravchuk V.P., Sheka D.D., Martens F.G. Switching phenomena in magnetic vortex dynamics // Low Temp. Phys. 2008. V. 34. № 7. P. 528–534.

  31. Prokaznikov A.V., Paporkov V.A., Chirikov V.A. Controlling the Position of a Magnetic Vortex on a Nanostructured Surface in Magnetic Memory Elements // Russian Microelectronics. 2022. V. 51. № 1. P. 1–15.

  32. Liu L., Chen W., Zhen Y. Current-driven skyrmion motion beyond linear regime: interplay between skyrmion transport and deformation. // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 14. P. 024077. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.024077

  33. Vojkovic S., Carvalho-Santos V.L., Fonesca J.M., Nunez A.S. Vortex-antivortex pairs nduced by curvature in toroidal nanomagnets. // Journ. Appl. Phys. 2017. V. 121. P. 113906.

  34. Lebib A., Li S.P., Natali M., Chen Y. Size and thickness dependences of magnetization reversal in Co dot arrays. // Journ. Appl. Phys. 2001. V. 89. № 7. P. 3892–3896.

  35. Cowburn R.P., Koltsov D.K., Adeyeye A.O., Welland M.E. Single-Domain Circular Nanomagnets. // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83. № 5. P. 1042–1045.

  36. Rothman J., Klaui M., Lopez-Diaz L., Vaz C.A.F., Bleloch A., Bland J.A.C., Cui Z., Speaks R. Observation of a Bi-Domain State and Nucleation Free Switching in Mesoscopic Ring Magnet // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. № 6. P. 1098–1101.

  37. Park Y.-K., Kim D.-Y., Kim J.-S., Nam Y.-S., Park M.-H., Choi H.-C., Min B.-C., Choe S.-B. // Experimental observation of the correlation between the interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction and work function in metallic magnetic trilayers. NPG Asia Materials. 2018. 10: 995–1001. https://doi.org/10.1038/s41427-018-0090-x

  38. Dai Y.Y., Wang H., Tao P., Yang T., Ren W.J., Zhang Z.D. Skyrmion ground state and gyration of skyrmions in magnetic nanodisks without the Dzyaloshinsky-Moriya interaction. // Phys. Rev. B. 2013. V. 88. P. 054403.

  39. Nozaki T., Konoto M., Nozaki T., Kubota H., Fukushima A., Yuasa S. Control of the magnetic domain of Pt/Co/Ru/MgO multilayer: Effect of Co thickness and Ru insertion // AIP Advances. 2020. V. 10. P. 035130. https://doi.org/10.1063/1.5136044

  40. Gweon H.K., Park H.-J., Kim K.-W., Lee K.-J., Lim S.H. Intrinsic origin of interfacial second-order magnetic anisotropy in ferromagnet/normal metal heterostructures // NPG Asia Materials (2020) 12:23. https://doi.org/10.1038/s41427-020-0205-z

  41. Carcia P.F., Meinhaldt A.D., Suna A. Perpendicular magnetic anisotropy in Pd/Co thin film layered structures // Appl. Phys. Lett. 1985. V. 47. P. 178–180. https://doi.org/10.1063/1.96254

  42. Vogel A., Drews A., Kamionka T., Bolte M., Mayer G. Influence of dipolar interaction on vortex dynamics in arrays of ferromagnetic disks // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105. P. 037201.

  43. Шульга К.В. Микроволновое исследование сверхпроводящих когерентных систем и квантовых метаматериалов. Дис. ... канд. физ.-мат. н. Москва, 2017. 115 с.

  44. Wallraff A., Kemp A., Ustinov A.V. Quantum Dynamics of Vortices and Quantum Qubits. P. 162–185 in book: Beth T., Leuchs G. (eds). Quantum Information Processing. 2005. Wiley-VCH Verlag GmbH & Ko. KGaA. Weinheim. 424 p.

  45. Wang J., Zhang J., Shimada T., Kitamura T. Effect of strain on the evolution of magnetic multi-vortices in ferromagnetic nano-platelets // Journ. Phys.: Cond. Matter. 2013. V. 25. P. 226002

  46. Sandratskii L.M. Insight into the Dzyaloshinskii-Moriya interaction through first- principles study of chiral magnetic structures // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. P. 024450.

  47. Udvardi L. Szunyogh L., Palota’s K., Weinberger P. First-principles relativistic study of spin waves in thin magnetic films // Phys. Rev. B. 2003. V. 68. P. 104436.

  48. Cardias R., Szilva A., Bezerra-Neto M.M., Ribeiro M.S., Bergman A., Kvashnin Y.O., Fransson J., Klautau A.B., Eriksson O., Nordström L. First principles Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a non-collinear framework // Sci. Rep. 2020. 10:20339.

  49. Prokaznikov A.V., Paporkov V.A. Study of the magneto-optical properties of structures on curved surfaces for creating memory elements on magnetic vortices // Russian Microelectronics. 2020. V. 49. № 5. P. 358–371.

  50. Prokaznikov A.V., Paporkov V.A., Selyukov R.V., Vasilev S.V., Savenko O.V. Magneto-Optical Properties of Multilayer Structures Based on Cobalt and Chromium- Group Metals for Magnetic Memory Elements // Russian Microelectronics. 2022. V. 51. № 6. P. 454–464.

  51. Tejo F., Riveros A., Escrig J., Guslienko K.Y., Chubykalo-Fesenko O. Distinct magnetic field dependence of Neel skyrmion sizes in ultrathin nanodots // Sci. Reports. 2018. V. 8. P. 6280.

  52. Jaehun Cho, Nam-Hui Kim, Sukmock Lee, June-Seo Kim, Reinoud Lavrijsen, Aurelie Solignac, Yuxiang Yin, Dong-Soo Han, Niels J.J. van Hoof, Henk J.M. Swagten Bert Koopmans, Chun-Yeol You. Thickness dependence of the interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction in inversion symmetry broken systems. // Nature Commun. 2015. V. 6. P. 7635.

  53. Ourdani D., Roussigné Y., Chérif S.M., Gabor M.S., Belmeguenai M. Dependence of the interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction, perpendicular magnetic anisotropy and damping in Co-based systems on the thickness of Pt and Ir layers // Phys. Rev. B. 2021. V. 104. P. 104421.

  54. Давыдов А.С. Теория твердого тела. М.: Наука, 1976. 639 с.

  55. Kundu A., Zhang S. Dzyaloshinskii-Moriya interaction mediated by spin-polarized band with Rashba spin-orbit coupling // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. P. 094434.

  56. Büttner F., Lemesh I., Beach G.S.D. Theory of isolated magnetic skyrmions: from fundamentals to room temperature applications // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 4464.

  57. Lai P., Zhao G.P., Tang H., Ran N., Wu S.Q., Xia J., Zhang X., Zhou Y. An Improved Racetrack Structure for Transporting a Skyrmion // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 45330.

  58. Blundell S. Magnetism in Condensed Matter. Oxford University Press Inc. Oxford, NY. 2001. 238 p.

  59. Büscher C., Auerswald T., Scheer E., Schröder A. Löhneysen H. Claus H. Ferromagnetic transition in dilute Fe–Pd alloys // Phys. Rev. B. 1992. V. 46. № 2. P. 983–989.

  60. Столяров В.С. Исследование сверхпроводящих джозефсоновских контактов с туннельным и ферромагнитным слоями. Дис. ... канд. физ.-мат. н. Черноголовка, 2012. 182 с.

  61. Tangwatanakul W., Chokprasombat K., Sirisathitkul C., Jantaratana P., Sirisathitku Y. Magnetic phase transition of annealed FePt based nanoparticles synthesized by using Fe(b-diketonate)3 // Journ. Alloys and Compounds. 2016. V. 654. P. 234–239.

  62. Камзин А.С., Wei F., Ганеев В.Р., Вилиуллин А.А., Зарипова Л.Д. Микроструктура и магнитные свойства многослойных структур [Fe/Pt]n, полученных методом последовательного напыления // ФТТ. 2013. Т. 55. Вып. 9. С. 1743–1748.

  63. Lyubina J., Rellinghaus B., Gutfleisch O., Albrecht M. Structure and Magnetic Properties of L10-Ordered Fe–Pt Alloys and Nanoparticles. In: Handbook of Magnetic Materials. 2011. V. 19. Elsevier. London. P. 291–407. https://doi.org/10.1016/S1567- 2719(11)19005-8.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал