Разработка новых функциональных материалов для сенсоров магнитного поля на основе эффектов гигантского и туннельного магнитосопротивления для систем позиционирования
В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от «30» июня 2014 г. № 14.575.21.0039 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 30 июня по 31 декабря 2014 г. выполнялись следующие работы:
1.1 Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
1.2 Исследование, обоснование и выбор методов и средств, направлений исследований и способов решения поставленных задач.
1.3 Экспериментальное исследование существующих способов самоорганизации террас на полупроводниковых подложках для напыления плёнок Со с плоскостной анизотропией.
1.4 Исследование существующего программного обеспечения для микромагнитного моделирования магнитных наноструктур.
1.5 Исследование существующего программного обеспечения для построения шаблонов наноструктур.
1.6 Исследование существующего программного обеспечения для визуализации результатов микромагнитного моделирования.
1.7 Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
1.8 Исследование существующих способов термической обработки вицинальных полупроводниковых подложек для осаждения плёнок Co с плоскостной магнитной анизотропией.
1.9 Исследования существующих способов модификации поверхности полупроводниковых подложек с помощью поверхностных фаз для осаждения плёнок Co.
1.10 Анализ существующих конструкций сенсоров магнитного поля на основе магнитных наноструктур с эффектом гигантского магнитосопротивления.
1.11 Анализ существующих конструкций сенсоров магнитного поля на основе магнитных наноструктур с эффектом туннельного магнитосопротивления.
1.12 Приобретение оборудования, комплектующих и материалов для проведения ПНИ.
При этом были получены следующие результаты:
Анализ научных источников по теме исследования показал, что мало работ, в которых рассматривается эффекты туннельного магнитосопротивления в плёнках с перпендикулярной магнитной анизотропией. Необходимо разработать методику получению плёнок с контролируемой величиной ПМА. С целью получения сенсоров с высокой чувствительностью и низким уровнем шумов необходимо достичь высокой величины ТМС. Поэтому особенно важно исследовать влияние структуры слоёв в сенсорах с ПМА и прослойкой из MgO или Al2O3.
Представлен обзор экспериментальных методов получения плёнок и наноструктур: молекулярно-лучевая эпитаксия, метод магнетронного распыления электроннолучевая литография (ЭЛЛ). Описаны методы исследования пленок in situ: дифракция быстрых электронов, сканирующая туннельная микроскопия, а также методы исследования пленок и наноструктур ex situ – индукционная магнитометрия, магнитооптический эффект Керра, атомная и магнитная силовые микроскопии, а также методика магнитотранспортных измерений
Проведенные экспериментальные исследования способов самоорганизации террас на подложках кремния (111) показали, что разработанная методика топологической модуляции поверхности, предполагает самоорганизацию не только моноатомных ступеней на вицинальной поверхности Si(111), но и эшелонов, с возможностью формирования областей с различным латеральным распределением ступеней.
Разработана общая схема реализации численного микромагнитного моделирования. Показаны отличия методов конечных разностей и конечных элементов. Рассмотрено 6 программных пакетов, реализующих расчёт по методу конечных разностей. Исследованы программный комплекс GMSH, предназначенный для быстрого построения несложных решёток, визуализации и обработки рассчитанных данных; GiD – это универсальная, адаптивная программа пред и постобработки геометрических моделей для последующего их использования в компьютерном моделировании; платформа Salome, предназначенная для загрузки объекта в программу, выполняющую численное моделирование. Для визуализации результатов микромагнитного моделирования рассмотрены программы: Gnuplot; GNU Octave; Scilab; MayaVi; ParaView. Проведены численные эксперименты, в результате которых для дальнейшей работы отобраны MayaVi; ParaView.
Проведён патентный поиск по теме исследования, отразил наиболее эффективные технические решения, содержащие сведения о последних научно-технических достижениях в области магнитных сенсоров.
Сделан краткий обзор экспериментальных работ, в которых исследовались способы модификации поверхности кремния с помощью термической обработки. Показана возможность модуляции топологии поверхности подложек кремния (111), вследствие явления массопереноса за счёт электромиграции адатомов на поверхности монокристаллов кремния при высокотемпературном отжиге постоянным током в условиях сверхвысокого вакуума.
Определены условия формирования анизотропно распределённых наноструктур на поверхности Si(111)/ 5,55x5,55Сu. Из представленных данных следует, что на поверхностных фазах, можно надёжно контролировать размеры и тип наноструктур, а также сформировать эпитаксиальные медные наноструктуры. Наноструктуры обладают огранкой, ориентированы вдоль кристаллографических направлений <110>Cu||<112>Si и могут быть использованы как шаблоны для формирования магнитных наноструктур или анизотропии в ферромагнитных плёнках, например, кобальта.
Проведен анализ существующих конструкций сенсоров магнитного поля на основе магнитных наноструктур с эффектом гигантского и туннельного магнитосопротивления, проанализированы конструктивные особенности сенсоров магнитного поля с эффектом ГМС и ТМС.
Полученные экспериментальные результаты являются новыми, в настоящее время решается вопрос об охраноспособных РИД.
Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.
В процессе работы по второму НИР проведены микромагнитное моделирование и теоретические исследования магнитных материалов и наноструктур. Определены магнитные и магниторезистивные свойства наноструктур и сенсоров магнитного поля на основе материалов с разным типом магнитной анизотропии.
В п.1. установлены геометрические параметры наноструктур типа «нанодиск», в которых образуются вихревые или однодоменные состояния, а также неустойчивые конфигурации «с»-типа. Показано влияние дефектов формы на микромагнитную структуру нанодисков. Установлено, что дефекты могут существенно уменьшать критические поля процесса намагничивания. С помощью моделирования установлено влияние пинхолов на конфигурацию спинов ультратонких оксидных прослойках. Продемонстрирована возможность динамического контроля конфигураций намагниченности в наноструктурах.
В п. 2 показано влияние анизотропии формы и анизотропии наведённой ступенями подложки на магнитные свойства нанополосок. Уставлено, что перемагничивание нанополоски осуществляется не разворотом вектора намагниченности, а движением вихря по доменным границам в нанополоске.
В п. 3 Рассчитаны магнитные свойства наноструктур, состоящие из слоев с перпендикулярной анизотропией разной величины. Установлено, что косвенное обменного взаимодействия незначительно влияет на процессы перемагничивания в наноструктурах с ПМА. Используя полученные конфигурации намагниченности, рассчитаны магниторезистивные кривые. Установлена величина максимального магниторезистивного эффекта, который можно получить в наноструктурах на основе пленок (Co/Ni)n.
В п. 4. Показано, что варьируя геометрическими параметрами нанодисков с ПМА возможно получения микромагнитных конфигураций «с»-типа или скирмионов. Проведено моделирование магниторезистивных кривых, которое показало, что в обоих случаях наблюдаются резкие изменения сопротивления. Это позволяет использовать данные структуры в качестве сред для записи информации или спиновые вентили.
По п.5. разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов магнитных материалов и наноструктур.
В п.6.показано влияние параметров прослойки на магнитные и магниторезистивные характеристики сенсоров магнитного поля. Установлено, что в МТП существуют шумы и они ограничивают чувствительность МТП датчиков. Шумы в МТП содержат электронную и магнитную информацию и выявление происхождения этих шумов может помочь понять электронный транспорт и магнитную динамику. Рассмотрены источники шума в МТП и показаны эффективные подходы к снижению шума МТП датчиках. Проведен теоретический анализ и математическое моделирование для представления связи между мощностью шума и каждым отдельным параметром системы МТП сенсоров. Было поведено сравнение опубликованных экспериментальных данных с результатами моделирования. Обсуждаются некоторые возможные методы устранения шумов в МТП датчиках. Например, отжиг может привести к повышению отношения ТМС и шумовых характеристик за счет оптимизации шероховатостей границы раздела слоев, повышения термической стабильности магнитных слоев и удаления дефектов в барьерах. Повышение качества туннельного барьера имеет решающее значение для улучшения характеристик МТП датчика. Проанализированы известные источники шума в сенсорах с магнитными туннельными переходами. Приведены теоретические модели возникающих шумов для объяснения того, как каждый параметр вносит вклад в общий уровень шума. На основе результатов анализа предлагаются подходы для устранения шумов, применительно к высокочувствительным сенсорам магнитного поля.
В п.7 представлены обзор результатов о природе перпендикулярной магнитной анизотропии в многословных материалах. Приведены наиболее перспективные материалы с перпендикулярной магнитной анизотропией. Особое внимание уделено оптимизация и изготовление магнитных туннельных переходов с перпендикулярной анизотропией.
По п.8 представлены результаты исследование процессов перемагничивания массивов наноструктур различной формы с целью определения диапазона полей с линейной зависимостью намагниченности от внешнего магнитного поля. Проведено исследование магнитных свойств наноструктур упорядоченных в массивы. Показано, что размер массива влияет на величину полей переключения намагниченности.
По п. 9 в результате проведенных теоретических исследований показаны варианты типичной структуры сенсоров магнитного поля, приведены характеристики сенсоров, совместно с сотрудниками ДВФУ разработано программное обеспечение позволяющее проводить расчет магнитосопротивления наноструктур, в том числе сенсоров магнитного поля.
По результатам исследований подана заявка на патент "Способ формирования упорядоченных структур на поверхности полупроводниковых подложек"
Результаты, полученные на данном этапе, опубликованы в трех статьях:
1. M.E. Stebliy, A.V. Ognev, A.S. Samardak, A.G. Kolesnikov, L.A. Chebotkevich, X-F. Han Vortex manipulation and chirality control in asymmetric bilayer nanomagnets // Journal of Applied Physics 117 (2015) 17A317 (импакт-фактор 2.26);
2. M.E. Stebliy, A.G. Kolesnikov, A. Davydenko, A.V. Ognev, A.S. Samardak, L.A. Chebotkevich, Experimental evidence of skyrmion-like configurations in bilayer nanodisks with perpendicular magnetic anisotropy // Journal of Applied Physics 117 (2015) 17B529 (импакт-фактор 2.26).
3. Maxim E. Stebliy, Alexander G. Kolesnikov, Alexey V. Ognev, Alexander S. Samardak and Ludmila A. Chebotkevich Manipulation of magnetic vortex parameters in disk-on-disk nanostructures with various geometry // Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 697–703 (импакт-фактор 2.67).
Подведены итоги второго этапа ПНИ и разработан промежуточный отчет о ПНИ. Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.
Состав выполненных работ удовлетворяет условиям Соглашения о предоставлении субсидии, в том числе Техническому заданию и Плану-графику исполнения обязательств.
Результаты выполнения ПНИ по Соглашение о предоставлении субсидии от «30» июня 2014 г. № 14.575.21.0039 на третьем этапе. В процессе работы получены экспериментальные образцы материалов на основе Со и (Co/Ni)N, проведено испытания материалов, а также выполнены дополнительные исследования магнитных свойств пленок Co/Cu/Co и (Co/Ni)N.
В п.1. разработана методика получения экспериментальных образцов магнитных материалов на основе плёнок Co и (Co/Ni)n с эффектом туннельного и гигантского магнитосопротивления.
В п.2 изготовлены экспериментальные образцы магнитных материалов на основе плёнок Co с эффектом гигантского магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией.
В п.3 проведены испытания образцов в соответствие с программой и методикой утвержденной 29 июня 2015 г. Были получены пленки Co(tCo)/Cu(tCu)/Co(tCo), где tCu – толщина прослойки меди, равная 0,7; 1,0; 1,4 нм, tCо – толщина слоев Со, равная 8,6; 9,8 и 9,1 нм. Поле анизотропии образцов равно 215, 580 и 220 Э, соответственно. Параметры образцов соответствуют техническому заданию. Проведены дополнительные исследования магнитных и магниторезистивных свойств тонкопленочных магнитных материалов.
В п.4 изготовлены экспериментальные образцы магнитных материалов на основе плёнок (Co/Ni)n с эффектом гигантского магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией.
В п. 5 проведены испытания образцов в соответствие с программой и методикой утвержденной 29 июня 2015 г. Были получены образцы Та(4,0 нм)/[Co(tCo)/Ni(tNi)]N/Cu(1,0 нм)/[Co(tCo)/Ni(tNi)]N/Та(4,0 нм), где параметры магнитных слоев [Co(tCo)/Ni(tNi)]N были следующие: (Со0,3/Ni0,49)3; (Со0,3/Ni0,37)5; (Со0,3/Ni0,49)5. Поле анизотропии образцов равно 900, 1100 и 850 Э, соответственно. Слои тантала толщиной 4 нм использовались в качестве буферного и защитного слоев. Параметры образцов соответствуют техническому заданию.
В п. 6 изготовлены экспериментальные образцы магнитных материалов на основе плёнок Co с эффектом туннельного магнитосопротивления с плоскостной магнитной анизотропией с немагнитной прослойкой MgO.
В п.7 проведены испытания образцов в соответствие с программой и методикой утвержденной 29 июня 2015 г. Были получены пленки Co(tCo)/MgO(tMgO)/Co(tCo), где tCu – толщина прослойки MgO, равная 0,7; 1,0; 1,4 нм, tCо – толщина слоя Со равная 8,4; 9,55 и 9,9 нм. Поле анизотропии образцов равно 180, 320 и 210 Э, соответственно. Параметры образцов соответствуют техническому заданию.
В п. 8 изготовлены экспериментальные образцы магнитных материалов на основе плёнок (Co/Ni)n с эффектом гигантского магнитосопротивления с перпендикулярной магнитной анизотропией.
В п.9 проведены испытания образцов в соответствие с программой и методикой утвержденной 29 июня 2015 г. Были получены образцы Та(4,0 нм)/[Co(tCo)/Ni(tNi)]N/MgO(1,0 нм)/[Co(tCo)/Ni(tNi)]N/Та(4,0 нм), где параметры магнитных слоев [Co(tCo)/Ni(tNi)]N были следующие: (Со0,3/Ni0,49)3; (Со0,3/Ni0,37)5; (Со0,3/Ni0,49)5. Поле анизотропии образцов равно 600, 960 и 520 Э, соответственно. Слои тантала толщиной 4 нм использовались в качестве буферного и защитного слоев. Параметры образцов соответствуют техническому заданию.
В п.10 приобретено оборудование, комплектующие и материалы для проведения ПНИ.
Подведены итоги третьего этапа ПНИ и подготовлен промежуточный отчет о ПНИ.
Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.