Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных наноструктурах

1.

Исследование влияния дефектов различных
типов на эффекты гистерезиса в
мультислойных наноструктурах.
Шакиров Роман Сергеевич
Прудников Павел Владимирович
Лаборатория теоретической физики, прикладного моделирования
и параллельных вычислений
Омск 2022
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
1 / 15

2.

Введение
Исследование гистерезисных эффектов 1 в мультислойных структурах 2 , состоящих из
сверхтонких ферромагнитных3 пленок, которые разделены антиферромагнитным
металлом, имеют высокую актуальность . Подобные структуры называются
синтетическими антиферромагнетиками и хорошо себя показывают в устройствах
хранения информации. Одним из характерных свойств ферромагнитных материалов
является магнитный гистерезис который проявляется как при квазистатическом,
медленно протекающем во времени перемагничивании, так и при динамическом,
«быстром» перемагничивании.
1 Bersweiler M, Lacour D, Dumesnil K, Montaigne F, Hehn M, Phase diagram in
exchange-coupled CoTb/[Co/Pt] multilayer-based magnetic tunnel junctions. // Physical
Review: Condensed matter and materials physics, American Physical Society. 2015. V. 92. P.
224431.
2 Vaz C.A.F, Bland J.A.C, Lauhoff G, Magnetism in ultrathin filmstructures // Rep. Prog.
Phys. 2008. V.71. P.056501.
3 Прудников В.В, Прудников П.В, Лях А.С, Неравновесное критическое поведение
трехмерной анизотропной модели гейзенберга: динамическая восприимчивость и
флуктуационно-диссипативное отношение// Вестн.Ом.ун-та.-2020.-T.25.-H.3.-C.23-32.
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
2 / 15

3.

Актуальность
Рис. 1:
Иллюстрация центров пиннинга и AFM-доменов для учета увеличения
обменного сдвига, (а) Чистый интерфейс AFM / FM (пурпурный контур), (б) С
атомами немагнитного материала на границе раздела (зеленые точки),(c) После
реорганизации доменов AFM.(темно-серые стрелки - ФМ спины; синие стрелки
- спины АФМ; красные стрелки - нескомпенсированные спины АФМ; белые
дыры - дефекты;)4
4 Montoya I, Torres F, Redondo C, Kiwi M. Enhanced positive and negative exchange bias
in FeF2/Ni with dusted interfaces // Appl.Phys. Lett.-2020.-117.-092401..
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
3 / 15

4.

Цели работы
Целью работы является исследование влияния двух различных типов дефектов структур
на эффекты гистерезиса в мультислойных наноструктурах, состоящих из двух
симметричных ферромагнитных пленок с толщинами N = 3 − 8 МС (Монослой)
ферромагнитных кубических-пленок. Исследуется зависимость влияния дефектов
структуры на пленки с различными толщинами. Проводится сравнение с результатами
моделирования чистых систем без дефектов.
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
4 / 15

5.

Схема модели
Рис. 2:
Модель мультислойной структуры в которой а) искусственно создан скол в виде
«ступеньки» во второй пленке, вследствие этого возникло взаимодействие между
вторым слоем в пленке со ступенькой и первым слоем в пленке без дефектов J3 б) в
первых и во вторых слоях обеих пленок были введены дефекты представляющие собой
немагнитную примесь.
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
5 / 15

6.

Гамильтониан в общем виде
Гамильтониан для систем в общем виде:
H = −J1
X
x
x
y
y
z
<i,j>
x
x
y
z
pi pj [((1−4(N))(Si Sj + Si Sj )+Si Sj ]−J2
X
pα pβ [((1−4(N))×
<α∈N1 ,β∈N2 >
y
z
z
× (Sα Sα + +Sβ Sβ ) + Sα Sβ ] − J3
X
x
x
y
y
z
z
[((1 − 4(N)) × ×(Sµ Sµ + Sν Sν ) + Sµ Sν ]−
<µ∈ML2 ,ν∈ML2 >
−h
X
z
Si
(1)
<i∈N1 ,N2 >
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
6 / 15

7.

Параметры моделирования
I Толщина пленок для системы с точечными дефектами : N = 3 − 8.
I Линейный размер пленок: L = 32.
I Обменный интеграл внутрислоевого взаимодействия: J1 /kB T = 1.
I Обменный интеграл межпленочного взаимодействия: J2 /J1 = −0.3.
I Температура: T = 0.8J1 /k.
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
7 / 15

8.

Результаты моделирования системы без дефектов.
Рис. 3:
Модель состоящая из двух ферромагнитных пленок толщиной N разделенных
пленкой немагнитного металла.
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
8 / 15

9.

Результаты моделирования системы с линейными дефектами.
Рис. 4:
Результаты моделирования сиcтемы со сколом в виде «ступеньки» при
значении обменного интеграла межпленочного взаимодействия равного J2 /J1 = −0.3 и
при значении J3 /J1 = −0.1
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022
наноструктурах
9 / 15

10.

Результаты моделирования системы с точечными дефектами.
Рис. 5:
Петля гистерезиса в модели с точечными дефектами при толщине пленок
равным N = 3 и при значении обменного интеграла межпленочного взаимодействия
равного J2 /J1 = −0.3.
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022наноструктурах
10 / 15

11.

Результаты моделирования системы с точечными дефектами.
Рис. 6:
Петли гистерезиса первых слоев в пленке в модели с точечными дефектами
при толщине пленок равным N = 4,5 и при значении обменного интеграла
межпленочного взаимодействия равного J2 /J1 = −0.3
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022наноструктурах
11 / 15

12.

Результаты моделирования системы с точечными дефектами.
Рис. 7:
Петли гистерезиса первых слоев в пленке в модели с точечными дефектами
при толщине пленок равным N = 6,7,8 и при значении обменного интеграла
межпленочного взаимодействия равного J2 /J1 = −0.3
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022наноструктурах
12 / 15

13.

Процесс перемагничивания спинов в кластере
a
b
c
d
Рис. 8:
Процесс перемагничивания кластеров при изменении напряженности внешнего
магнитного поля hz
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022наноструктурах
13 / 15

14.

Заключение
В данной работе было проведено исследование влияния точечных дефектов на
поведение петли гистерезиса в мультислойной магнитной структуре, состоящей из двух
ферромагнитных пленок. Исходя из полученных результатов были сделаны следующие
выводы:
Удалось выяснить что концентрация дефектов структуры влияет на диапазон внешнего
магнитного поля при котором происходит перемагничивание. Чем выше концентрация
дефектов в системе, тем меньше диапазон напряженности магнитного поля при котором
происходит перемагничивание. Это происходит за счет уменьшения соседей спинов,
которые локализованны возле дефекта, вследствие этого вероятность переворота спина
увеличивается.
Так же мы наблюдаем, что при N = 4 у нас появляется скачкообразное изменение
намагниченности, из-за создания отдельных кластеров, которым требуется куда большие
поля для перемагничивания нежели для систем без дефектов. С увеличением количества
слоев без дефектов данный эффект сглаживается, это происходит вследствие того, что
влияние на систему слоев с дефектами уменьшается с увеличением слоев без
дефектов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, проект № 20-32-70189,
Минобрнауки РФ (соглашение 0741-2020-0002) и гранта МД-2229.2020.2 Президента РФ.
I Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, проект №
20-32-70189, Минобрнауки РФ (соглашение 0741-2020-0002) и гранта
МД-2229.2020.2 Президента РФ.
I Для проведения расчетов были использованы вычислительные ресурсы
лаборатории кафедры теоретической физики ОмГУ.
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022наноструктурах
14 / 15

15.

Спасибо за внимание!
Шакиров Р.С.
Исследование влияния дефектов различных типов на эффекты гистерезиса в мультислойных
Омск 2022наноструктурах
15 / 15