Функциональные сверхрешётки для магнитных сенсоров

Учёные-физики из Екатеринбурга  разработали магнитные металлические наноструктуры с высокими функциональными характеристиками и экспериментально  показали возможность получения эффекта гигантского магнитосопротивления 83% в сверхрешетках с особым буферным слоем.

Магнитные сенсоры широко используются во многих видах техники, приборах и устройствах. Для их разработки, повышения чувствительности к магнитному полю и улучшению различных функциональных характеристик  в настоящее время часто используют искусственные многослойные наноматериалы. Среди таких магниточувствительных материалов важное место занимают магнитные наноструктуры с эффектом гигантского магнитосопротивления, сокращенно, ГМС.  Важную роль в таких наноструктурах играет буферный слой, который оказывает существенное влияние на формирование кристаллической структуры в слоях сверхрешетки. В ГМС наноструктурах наблюдается значительное, на десятки процентов, изменение электросопротивления, что повышает предел их чувствительности к магнитному полю и обеспечивает надежное функционирование устройств, использующих ГМС сенсоры.

Уральскими физиками разработана магнетронная технология получения двух типов ГМС наноструктур – магнитных металлических сверхрешеток и спиновых клапанов. Накопленный  специалистами опыт синтеза ГМС сверхрешеток позволяет изменять их свойства с помощью использования различных типов буферного слоя. При этом были найдены варианты наноструктур, обладающие высоким магнитосопротивлением.

Научный коллектив российских учёных представил результаты  проведённых экспериментов в рецензируемом научном издании IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS ( VOL. 55, NO. 4, APRIL 2019).

Миляев Михаил Анатольевич, доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией квантовой наноспинтроники, руководитель ЦКП «Отдел технологии и диагностики наноструктур» Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН (г. Екатеринбург) -  подробно рассказал об особенностях ГМС сверхрешеток, о найденном соотношении между особенностями микроструктуры и величиной магнитосопротивления, а также в чём состоит отработка и оптимизация магнетронной технологии получения различных типов многослойных наноструктур с помощью метода магнетронного напыления,  начатого еще в 2009 году. Это исследование  опирается  на данные  и подходы, развитые в предыдущие годы,  но описанные результаты получены специалистами в 2018 году. На разработку конкретных типов ГМС материалов и оптимизацию их функциональных характеристик  требуется достаточное количество времени.

Екатеринбургский учёный  раскрыл  основные положения  исследования, проведённого  научной группой Института и дал развернутое пояснение их работы:  «Магнитные металлические сверхрешетки, состоящие из чередующихся слоев магнитных и немагнитных металлов и обладающие эффектом гигантского магнитосопротивления, являются искусственными многослойными наноматериалами и относятся к объектам металлической спинтроники. В таких многослойных объектах проявляются физические эффекты, обусловленные наличием у электронов проводимости не только заряда, но и такой квантовой характеристики, как «спин». Для упрощения и построения аналогий электрон иногда изображают в виде «волчка», вращающегося вокруг своей оси. Эта ось, как вектор, или точнее, его проекции на выделенную ось отражают некоторые свойства спина. Заметим, что спин электрона при его движении в магнитной среде «чувствует» или подстраивается определенным образом под направление намагниченности в этой среде. Если электрон на длине свободного пробега пересекает несколько магнитных слоев, то результирующее электросопротивление многослойного объекта будет зависеть от взаимного направления магнитных моментов в соседних магнитных слоях, разделенных немагнитной прослойкой. Электросопротивление будет минимальным при одинаковых направлениях магнитных моментов слоев (ферромагнитное упорядочение) и максимальным – при противоположно направленных магнитных моментах (антиферромагнитное упорядочение). Смена магнитного порядка под действием внешнего магнитного поля в ГМС сверхрешетках сопровождается значительным, на десятки процентов, изменением их электросопротивления, что представляет интерес для практических приложений».

Михаил Миляев отметил, что «свойства ГМС сверхрешеток как функциональных магниточувствительных материалов зависят от большого числа разнообразных факторов: метода синтеза многослойной структуры, выбранных технологических режимов напыления, типов использованных магнитных и немагнитных материалов, от толщины слоев и количества пар слоев в периодической части сверхрешетки. Особую роль в таких наноструктурах играет буферный слой, оказывающий значительное влияние на формирование кристаллической структуры в последующих слоях сверхрешетки. Физические свойства одинаковых по составу сверхрешеток, но приготовленных с использованием различных буферных слоев, могут значительно отличаться. Фактически, буферный слой выступает в качестве «фундамента», на котором происходит рост последующих слоев сверхрешетки. Тип кристаллической структуры, её совершенство на атомном уровне, наличие или отсутствие дефектов, степень шероховатости поверхности – все эти особенности буферного слоя передаются последующим слоям сверхрешетки».

 В связи с этим, по словам сотрудника Института физики металлов, «задача нахождения оптимального типа буферного слоя для конкретного типа сверхрешеток является одной из наиболее важных для получения высоких функциональных характеристик в таких материалах».

 Михаил Миляев вместе с коллегами пришел к заключению, что использование составного буферного слоя состава Ta/(Ni80Fe20)60Cr40 позволяет сформировать наиболее совершенную кристаллическую структуру в сверхрешетках Co90Fe10/Cu и получить рекордную для данного типа наноструктур величину магнитосопротивления – 83% при комнатной температуре.

Как заметил, Миляев, «система Co90Fe10/Cu хорошо исследована в большом числе зарубежных работ и к настоящему времени является модельной. Прежнее наибольшее значение магнитосопротивления 63% в сверхрешетках Co90Fe10/Cu было получено в 1998 году в лаборатории фирмы IBM C. Паркином (S. Parkin) при использовании буферного слоя Pt/Fe».

Что  же представляют собой обменно-связанные сверхрешетки? 

Сотрудник  ИФМ  УрО РАН пояснил, каковы уникальные физико-химические свойства, функциональные характеристик и структура этого материала:

«Основными составными частями ГМС сверхрешеток являются: исходная подложка, буферный слой, на который напыляется многослойная структура, периодическая часть, состоящая из  чередующихся слоев магнитных и немагнитных металлов, и верхний слой, защищающий многослойную структуру от окисления. Типичная толщина отдельных слоев в сверхрешетках составляет несколько нанометров. Схематично расположение различных слоев в сверхрешетке CoFe/Cu изображено на рисунке 1.

С точки зрения магнетизма обменно-связанные сверхрешетки являются искусственными антиферромагнетиками с управляемым обменным взаимодействием между магнитными слоями. Управление происходит за счет изменения толщины немагнитных прослоек. Если толщина прослоек меди составляет 1 нм (или 2 нм), то в периодической части структуры в нулевом поле реализуется антиферромагнитное упорядочение, как это показано на рис. 1. Если толщина прослоек будет 1.5 нм (или 2.5 нм) – ферромагнитное упорядочение. Межслойное обменное взаимодействие в сверхрешетке выполняет роль пружины, закрепляющей магнитные моменты слоев в определенном порядке. Степень упругости такой пружины определяется по величине магнитного поля, которое необходимо приложить в плоскости слоев для того, чтобы исходно противоположно направленные магнитные моменты развернуть вдоль магнитного поля, - продолжил  Миляев -

В исследованных в нашей работе сверхрештках с толщиной слоев Cu около 1 нм для перехода от антиферромагнитного к ферромагнитному упорядочению требуется приложить магнитное поле напряженностью около 10 тысяч эрстед.

Для получения большого магнитосопротивления необходимо не только сформировать совершенную кристаллическую структуру в слоях сверхрешетки и межслойных границах (интерфейсах), но также определить оптимальную толщину слоев и найти оптимальное количество пар слоев. В работе показано, что оптимизированная сверхрешетка с магнитосопротивлением 83% содержит 32 пары слоев и имеет композицию: Ta(5 нм)/(Ni80Fe20)60Cr40(5 нм)/ [Co90Fe10(1.5 нм)/Cu(0.95 нм)]32/ Ta(5 нм)».

Многослойные наноструктуры были получены и изучены сотрудниками  Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН города Екатеринбурга  под руководством доктора физ.-мат. наук, академика РАН Владимира Васильевича Устинова.  Организацию и проведение конкретных исследований,  а также руководство технологическими работами осуществлял доктор физ.-мат. наук Миляев Михаил Анатольевич. Синтез многослойных наноструктур методом магнетронного напыления выполняли кан. физ.-мат. наук Наумова Лариса Ивановна и Проглядо Вячеслав Витальевич. Структурой многослойных пленок занималась кан. тех. наук Криницина Татьяна Павловна, а  магнитные и гальваномагнитные свойств изучали  кан. физ.-мат. наук Банникова Наталья Сергеевна  и аспирант Заворницын Роман Сергеевич.

В этой работе уральские физики  применили уникальную экспериментальную методику, а именно: сверхрешетки CoFe/Cu с высокими значениями МС были приготовлены методом магнетронного напыления. Михаил Миляев объяснил, как это работает: «Испарение материала мишени в магнетроне происходит за счет бомбардировки ее поверхности ионами аргона. Первоначально камера, в которой происходит напыление пленок, откачивается до высокого вакуума, потом в нее запускается слабый поток чистого аргона. При подаче высокого напряжения (около 1000 вольт) между специальными поверхностями в магнетроне случайные ионы аргона разгоняются в электрическом поле и сталкиваются с нейтральными атомами аргона. В результате столкновений лавинообразно создаются новые ионы аргона и вблизи мишени загорается плазма.

В конструкции магнетрона имеются постоянные магниты, создающие определенную конфигурацию магнитного поля вблизи мишени. Ионы аргона в магнитном поле изменяют свои траектории, движутся в сторону мишени, сталкиваются с ее поверхностью и испаряют материал в тонком приповерхностном слое. Поток образовавшихся атомов, составляющих мишень, вылетает из магнетрона во все стороны и осаждается на поверхность подложки, располагающейся на некотором расстоянии от магнетрона. Описанный процесс испарения мишени имеет некоторые схожие черты с таким явлением, как «северное сияние». Если плазма, образовывающаяся в результате большой солнечной активности, движется в сторону Земли, то потоки ионизированных частиц захватываются магнитным полем Земли. Двигаясь к полюсам, они сталкиваются с верхними слоями атмосферы, возмущают ионосферу и вызывают свечение».

Кроме того, по словам Миляева, «конструктивные особенности магнетронной установки, ее параметры и базовые технологические режимы работы, во многом, определяют возможность получения тех или иных типов наноструктур. Критически важным этапом работы является также отработка технологического процесса напыления многослойных наноструктур».

По замечанию ученого, «в некоторых случаях изменение номинальной  толщины отдельных слоев (рассчитанной по времени напыления и известной скорости осаждения материала) на величину 0.5 ангстрема (или 0.05 нм) в ГМС сверхрешетках может приводить к значительным изменениям их функциональных характеристик. Указанное изменение номинальной толщины слоев в несколько раз меньше межатомного расстояния».

Чем обусловлен  научный интерес физиков к эффекту магнитосопротивления сверхрешеток?

Как сообщил, Михаил Миляев, «синтез и активные исследования ГМС сверхрешеток продолжаются уже около 30 лет. Интерес к изучению таких наноматериалов обусловлен двумя основными причинами. Первая причина связана с возможностью целенаправленно менять в широких пределах их физические свойства, что представляет интерес для фундаментальных исследований. Второй причиной является возможность использования ГМС сверхрешеток для разработки на их основе высокочувствительных магнитных сенсоров и различных устройств магнитоэлектроники. Огромный интерес к наноструктурам с эффектом гигантского магнитосопротивления проявился с момента его открытия. А именно, результаты исследований в системе Fe/Cr сначала были запатентованы П. Грюнбергом (P. Grünberg), а лишь затем в 1988 опубликованы в научных журналах. Шокирующей на тот момент была величина магнитосопротивления в сверхрешетках Fe/Cr в десятки процентов, полученная в группе А. Ферта (A. Fert)».

«Для сравнения укажем, что для пленок пермаллоя (сплав NiFe) типичное изменение сопротивления в магнитном поле составляет 2–4 %. Открытие эффекта ГМС стимулировало проведение широких исследований различных многослойных металлических наноструктур. Со временем были открыты новые эффекты и разработаны другие типы магниточувствительных наноматериалов – спиновые клапаны и спин-туннельные наноструктуры, которые уже широко применяются в магнитных сенсорах, используемых в различных приборах, устройствах записи и считывания информации, автомобилях, роботах и др. За открытие эффекта гигантского магнитосопротивления А. Ферту и П. Грюнбергу в 2007 году была присуждена Нобелевская премия. Несмотря на то, что в спин-туннельных наноструктурах уже получено более высокое магнитосопротивление – до 1000 % при комнатной температуре, интерес к синтезу и исследованиям ГМС сверхрешеток сохраняется благодаря тому, что они имеют некоторые преимущества и свои области применения. К числу преимуществ ГМС сверхрешеток можно отнести: широкий рабочий диапазон магнитных полей, высокую устойчивость к воздействию высоких температур, отсутствие в них слоев из антиферромагнитных материалов, которые значительно усложняют технологический цикл изготовления микроэлектронных компонентов, относительную простоту изготовления как самих сверхрешеток, так и промышленных магнитных сенсоров на их основе», - ответил Михаил Миляев.

В обменно-связанных сверхрешетках CoFe/Cu с высокой степенью совершенства текстуры <111>, сформированной с использованием составного буферного слоя Ta/(Ni80Fe20)60Cr40,  специалистами  была получена величина магнитосопротивления 83%. Где можно использовать  материалы с такими параметрами  и каково дальнейшее прикладное применение ГМС наноструктур, разработанных  научной группой Института физики металлов УрО РАН?

 «Степень совершенства текстуры является одной из характеристик качества сформированной в слоях кристаллической структуры, контролируемых рентгеновскими методами. При исследовании текстуры <111> в сверхрешетках с наибольшим магнитосопротивлением было обнаружено, что в отдельных кристаллитах среднее отклонение атомных плоскостей от плоскости поверхности пленки составляет всего 2.5–3 градуса. Если в составном буферном слое Ta/(Ni80Fe20)60Cr40 убрать подслой тантала, то в аналогичной сверхрешетке такое отклонение атомных плоскостей возрастет до 4.5–5 градусов, что приведет к уменьшению магнитосопротивления. Чем более совершенная кристаллическая структура сформирована в сверхрешетках, тем меньше в ней будет центров рассеяния электронов, меньше исходное электрическое сопротивление и тем больше на этом фоне будет проявляться эффекты, связанные со спин-зависимым рассеянием электронов, обуславливающих эффект гигантского магнитосопротивления, - сообщил Михаил Миляев  и затем подчеркнул - Получение сверхрешеток Co90Fe10/Cu с эффектом 83% представляет интерес, главным образом, для научных исследований. Данным типом сверхрешеток в свое время занимались в европейских центрах, в лабораториях США и Японии, где были получены значительно более низкие значения магнитосопротивления. Это указывает на то, что найденные нами материалы буферного слоя и развитые подходы в синтезе многослойных наноструктур оказались более эффективными в сравнении с использованными подходами зарубежных исследователей. Накопленный нами опыт работы с многослойными наноматериалами и найденные эффективные решения и обладают наибольшей ценностью. В частности, опыт работы со сверхрешетками Co90Fe10/Cu был использован для разработки ГМС материала, обладающего набором свойств, требуемым для создания датчиков, предназначенных для измерений больших токов, протекающих в линиях электропередачи. На рис. 2 показан график изменения сопротивления в магнитном поле разработанного материала. Особенностями зависимости является высокая линейность кривой, слабый гистерезис и значительное (40 %) изменение сопротивления в требуемом диапазоне магнитных полей до 6 тысяч эрстед».

Итак, в рамках  исследования   в сверхрешетках с эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС) есть варианты структур, превосходящие зарубежные аналоги, и  есть варианты с набором  нескольких уникальных свойств, которые требуются для дальнейшего использования таких наноструктур в новых разработках.

«Мы занимаемся не только чисто научными исследованиями, но также решаем конкретные задачи по разработке новых функциональных материалов в рамках взаимодействия с отечественными предприятиями радиоэлектронной промышленности. Отмечу, что прикладные исследования не только значительно отличаются постановкой задачи, используемыми подходами и конечными результатами от чисто научных исследований, связанных с получением новых знаний, но и требуют особой организации процесса исследований. Если сказать коротко, то для научных исследований не бывает «плохих» образцов, исследовать можно самые разнообразные объекты, в то время как для конкретных применений подходят только «избранные» материалы, обладающие особыми свойствами», - ответил физик.

По словам Миляева, «сложность прикладных исследований заключается в том, что материал для практических применений должен обладать, как правило, не одним каким-то уникальным свойством, а целым набором различных свойств. В качестве примера можно указать на сверхрешетки состава Co95Fe5/Cu, приготовленные ранее в лаборатории фирмы IBM (S. Parkin) и обладающие абсолютным рекордом для всех исследованных ранее ГМС сверхрешеток по величине магнитосопротивления  – 110%. Однако данные сверхрешетки содержат весьма большое число пар слоев – 120, обладают слишком большими полями магнитного насыщения в 20–30 тысяч эрстед, имеют слабую чувствительностью к магнитному полю, а для их приготовления были использованы подложки MgO, которые не применяются в промышленности. Эти причины делают использование указанных сверхрешеток для решения практических задач весьма затруднительным. В то же время, например, в фирме NVE Corporation (США) один из базовых ГМС материалов, на основе которого уже долгое время выпускается линейка коммерческих магниточувствительных сенсоров, обладает магнитосопротивлением всего 17%. При этом, сопротивление материала изменяется в относительно слабых полях – до 400 эрстед, изменение носит почти линейный характер и на магниторезистивной кривой наблюдается достаточно слабый гистерезис в 10-15 эрстед (см. рис. 3). Для создания таких ГМС материалов применяются стандартные кремниевые подложки. Сочетание указанных свойств делает ГМС материал более предпочтительным для применения в сравнении с приведенными выше сверхрешетками, обладающими одной уникальной характеристикой – магнитосопротивлением 110%».

«Для конкретных практических применений нами недавно разработаны ГМС сверхрешетки на основе особых магнитных и немагнитных сплавов, обладающие набором уникальных функциональных характеристик, -  сказал ученый ИФМ УрО РАН и разъяснил  далее - На рисунке 3 для сравнения приведены две зависимости сопротивления от напряженности магнитного поля для ГМС материала фирмы NVE Corporation и сверхрешетки, разработанной в ИФМ УрО РАН. Видно, что наш материал обладает в 1.5 раза более высоким магнитосопротивлением, в 4 раза меньшим полем насыщения, в 7 раз большей чувствительностью к магнитному полю (более крутой наклон кривой), в 3–5 раз меньшим гистерезисом и более выраженной линейностью кривой. Дополнительно наш ГМС материал обладает устойчивостью к воздействию высокой температуры (до 300 ^оС) и высокой устойчивостью к радиационному воздействию в сравнении, например, с полупроводниковыми материалами».

Таким образом, «сверхрешетки с перечисленным набором свойств не только являются готовыми для применения магниточувствительными материалами с уникальными характеристиками, но они уже используются для разработки инновационных изделий магнитоэлектроники. По имеющейся у нас информации, ни в России, ни в зарубежных центрах ГМС материалы с подобными свойствами ранее не изготавливались»,- заверил Михаил Миляев.