SHPORA.net :: PDA

[ Back ]

Магнитосопротивлением 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 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 4 К и индукции поля 10 Т

проводимость меняется в 10 раз.

Из-за необходимости высоких полей и низкой температуры магнитосопротивление 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 нано-метровой толщины. Схема этой слоис¬той структуры и чередующиеся

на¬правления вектора намагниченности ферромагнитных слоев показаны на рис.

1.15а. 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. На рис. 1.16 показано 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, как показано на рис. 1.17.





Рис. 1.15. 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.

Эффект возникает из-за зависимо¬сти рассеяния электронов от направле¬ния их

спина по отношению к вектору намагниченности. Электроны, спин которых направлен

противоположно направлению намагниченности М, рассеиваются сильнее, чем те, спин

ко¬торых сонаправлен с М. Приложение постоянного магнитного поля вдоль слоев

ориентирует векторы намагни¬ченности во всех слоях в одном на¬правлении.

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.

Рис. 1.16. Зависимость электрического со¬противления R(B), нормированного на

значение при нулевом поле R(0), многослойной Fe-Cr системы от магнитного поля,

приложенного параллельно поверхности слоев.





Рис. 1.17. Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от толщины магнитного

слоя железа в многослойной структуре Fe-Cr в постоянном магнитном поле

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 наночастиц со случайно

ориентированным вектором намагниченности, находящихся в немагнитной матрице,

также обладают гигантским магнитосопротивлением. На рис. 1.15б 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.

1.18 показаны типичные результаты измерений на пленке, состоящей из наночастиц

кобальта в медной матрице, при 100 К. Гибридные





системы, состоящие из наночастиц в металлической матрице, расположенной между

двумя ферромагнитными слоями, демонстрируют аналогичные магниторезистивные

свойства.





Рис. 1.18. Зависимость изменения магнитосопротивления ΔR от приложенного

магнитного поля для тонкой пленки наночастиц кобальта в медной матрице.





Рис. 1.19. Кристаллическая структура LaMn03, в которой при легировании Са или

Sr, замещающих La, наблюдается ко¬лоссальное магнитосопротивление.

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 LaMn03 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 Мn3+ на Мn4+. В результате образуется система со смешанной

валентностью Мn3+/Мn4+, в которой присутствует значительное количество подвижных

носителей заряда. Обнаружено, что такая система демонстрирует очень большое

магнитосопротивление. Элементарная ячейка этого кристалла показана на рис. 1.19.

Например, сопротивление системы La0.67Са0.33МпОх в постоянном поле 6 Т

изменяется более, чем в тысячу раз. На рис. 1.20 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. 1.21. Хотя влияние наноструктурирования на такие материалы еще не

изучено подробно, ожидается его ярко выраженное действие на величину эффекта

магнитосопротивления.

Рис. 1.21. Температурная зависимость удельного сопротивления отожженных

об¬разцов La-Ca-Mn-О в нулевом магнитном поле.