автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Микромагнитные состояния эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe(001) и Fe(011)

005053476

На правах рукописи

Фомин Лев Александрович

МИКРОМАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР Бе (001) И Бе (011)

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка - 2012

1 8 ОКТ 2012

005053476

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук (ИПТМ РАН)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Михайлов Геннадий Михайлов»

Официальные оппоненты:

Морозов Александр Игоревич, доктор физико-математических наук, профессор, МГТУ МИРЭА/проректор по научной работе,

Березин Всеволод Авенирович, кандидат физико-математических наук, ИПТМ РАН/лаборатория спектроскопии магнитных материалов (№ 20), старший научный сотрудник.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт Российской академии наук (ФТИАН)

Защита состоится " /У " 10 2012 г. в |3,р°часов на заседании диссертационног совета Д 002.081.01 при Институте проблем технологии микроэлектроники и особ чистых материалов РАН по адресу: 142432, Московская область, г. Черноголовка, у; Академика Осипьяна, 6, ИПТМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем технологи микроэлектроники и особо чистых материалов РАН.

Автореферат разослан " Щ " 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.081.01,

__ ^ — л_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

За последние десятилетия возникла и интенсивно развивается спинтроника -говое направление электроники, связанное с изучением спин-поляризованного лектронного транспорта. Это направление имеет большое практическое значение. Считывающие головки современных магнитных дисков уже используют гигантский игниторезистивный и туннельный магниторезистивный эффекты. В недалеком ¡удущем появится магниторезистивная оперативная память нового поколения. Более ложные устройства, например спиновые транзисторы, находятся на стадии [сследований. Микро- и наноструктуры из ферромагнитных металлов широко [спользуются в спинтронике в качестве спиновых инжекторов и детекторов. На юнове магнитных многотерминальных (в частности крестообразных) микро- и ганоструктур может быть реализована многоуровневая логика, которая является ■добным аппаратом для обработки сложноструктурированной информации.

Перспективным является использование эпитаксиальных структур, так как их войства в большей степени контролируемы и воспроизводимы за счет свершенного кристаллического строения. Появляется возможность использовать щределенное расположение структур относительно кристаллографических осей для создания нужных микромагнитных состояний. В устройствах на их основе лектроны (и спины) могут пробегать большие расстояния без рассеяния, проявлять баллистические эффекты, которые способствуют увеличению магнитосопротивления. Сравнительно недавно обнаружено, что гетероэпитаксиальные туннельные структуры на основе ферромагнитного металла, например, железа, демонстрируют гигантское магнитосопротивление за счет нового явления — когерентного туннелирования электронов.

Для практических применений микро- и наноструктур необходимо уметь контролировать их магнитное строение, которое зависит от их формы, размеров, и магнитной анизотропии. В свою очередь, коэрцитивные поля, магнитное

взаимодействие между частями структуры и, тем самым, магнитные и магнитотранспортные свойства структур определяются их магнитным строением. Однако, несмотря на большой практический и научный интерес, магнитное строение эпитаксиальных планарных микро- и наноструктур, в частности из железа, и влияние на него геометрических размеров и кристаллографической ориентации в области размеров структур порядка 10 - 1000 нм исследовано недостаточно. Отсюда следует актуальность темы диссертации.

Цель диссертационной работы заключается в изучении и выявлении закономерностей формирования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур, изготовленных из пленок Ре (001) и Бе (011) высокого качества, прямоугольной и крестообразной формы, в зависимости от их размеров и ориентации относительно кристаллографических осей, а также способов реализации определенных микромагнитных состояний. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Развить экспериментальные подходы и методики получения эпитаксиальных пленок Ре (001) и Ре (011) на подложках А1203 методом импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме и последующего изготовления на основе полученных пленок эпитаксиальных микро- и наноструктур высокого качества с использованием субтрактивной технологии микроструктурирования.

2. Развить методы экспериментального исследования магнитного строения микро- и наноструктур Ре (001) и Ре (011) с использованием магнитосилового микроскопа во внешнем управляемом магнитном поле.

3. Адаптировать методы микромагнитного расчета к исследуемым объектам и провести исследования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Ре (001) и Ре (011) с использованием расчета и сопоставить с результатами эксперимента.

4. Выявить закономерности формирования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Ре (001) и Ре (011) прямоугольной и крестообразной

формы в зависимости от их размеров, аспектного отношения и ориентации относительно осей легкого намагничивания.

!. Исследовать влияние спин-поляризованного тока на реализацию микромагнитных состояний в эпитаксиальных квадратных микроструктурах из железа.

1ыбор объектов исследований

Железо — один из основных ферромагнитных материалов, используемых в гагнитоэлектронике. Известно, что эпитаксиальные пленки Ее (001) могут быть выращены на практически значимых полупроводниковых подложках и ОаАэ (001) и диэлектрических подложках и А1203, что позволяет создавать на их

поверхностях функциональные эпитаксиальные микро- и наноструктуры. Это определяет важность выбора объекта исследования. Основные положения, выносимые, на защиту:

1. Основные микромагнитные состояния микро- и наноструктур Ре (001) и Ее (011) высокого качества, изготовленных из эпитаксиальных пленок, характеризуются регулярностью и определяются размерами структур, их формой и ориентацией относительно осей легкого намагничивания.

2. Реализуемые микромагнитные состояния в прямоугольных микро- и наноструктурах Ее (001) и Ее (011), полученные из экспериментальных и расчетных данных, в зависимости от их ширины в диапазоне латеральных размеров 100 - 1000 нм и аспектного отношения (отношения длины к ширине) при значениях 1 - 8, могут быть представлены в виде 2д диаграмм. В построенных диаграммах показано, что:

• в прямоугольных микроструктурах Ее (001), ориентированных вдоль осей трудного намагничивания, реализуются микромагнитные состояния двух типов: меандр и последовательность вихрей и гиперболических вихрей. Микромагнитное состояние в виде вихрей и гиперболических вихрей реализуется при аспектных отношениях, близких к 4. При меньших аспектных отношениях реализуются вихри, а при больших - меандры. При увеличении ширины

микроструктуры до 600 нм эти микромагнитные состояния переходят в доменные структуры типа "cross-tie" и "concertina";

• переход от многодоменного состояния к квазивихревому при уменьшении размеров структур происходит плавно за счет увеличения доли объема с неколлинеарным распределением намагниченности.

3. В крестообразных микроструктурах Fe (001) и Fe (011) магнитное строение плеч креста аналогично строению прямоугольников таких же размеров. Магнитное строение в перекрестии не является суперпозицией магнитных структур плеч, и зависит от ориентации структуры относительно осей легкого намагничивания. При уменьшении ширины плеч крестообразной микроструктуры Fe (001), ориентированной под углом 45° к одной из осей легкого намагничивания в плоскости пленки, до 500 нм и менее перекрестие переходит в квазиоднодоменное состояние с направлением намагниченности под углом 45° к плечам.

4. В прямоугольных микроструктурах Fe (011), ориентированных вдоль оси трудного намагничивания, наблюдается корневая зависимость размера полоскового домена от ширины микроструктуры. При этом ширина домена не зависит от аспектного отношения.

5. Для пленок Fe (001), выращенных на R- плоскости сапфира с подслоем Мо, с использованием комплементарного анализа для оптимизации технологии их выращивания установлено, что:

• имеет место обратная корреляция остаточной длины свободного пробега, шероховатости и коэрцитивной силы, свидетельствующая о прямой связи центров рассеяния электронов и центров пиннинга доменных стенок, определяемой морфологией поверхности;

• оптимальная температура роста составляет 280 °С, при которой остаточная длина свободного пробега максимальна и составляет =320 нм, коэрцитивная сила и шероховатость малы, на уровне Нс ~5 Гс и Sq ~0,6 нм.

6. В эпитаксиальных пленках Fe (011), выращенных методом импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме при оптимальных условиях,

максимальное значение эффективной остаточной длины свободного пробега электронов составляет 4^=540 нм, что близко к рекордным результатам для эпитаксиальных пленок железа и может быть использовано для создания планарных баллистических устройств.

7. При пропускании через квадратную эпитаксиальную микроструктуру Fe (001) спин-поляризованного тока плотностью больше или равной 107 А/см2 во внешнем магнитном поле 300 Э, направление намагниченности микроструктуры при выключении поля меняется на противоположное и определяется спиновой поляризацией тока.

Личный вклад автора в опубликованных с соавторами работах:

1. Участие в постановке задач проектирования магнитоэлектронных устройств на основе эпитаксиальных микроструктур из железа и формулировке экспериментальных и теоретических методов их решения.

2. Совместное с Михайловым Г.М. и Калачом К.М. участие в создании электромагнитной приставки и адаптера для 4-х точечного измерения сопротивления образца к магнитосиловому микроскопу.

3. Совместное с Маликовым И.В. и Пяткиным C.B. участие в технологическом процессе изготовления микро- и наноструктур из эпитаксиальных пленок.

4. Самостоятельное проведение измерений на магнитосиловом микроскопе и проведение компьютерных расчетов.

5. Совместное с Маликовым И.В и Винниченко В.Ю. участие в обработке и интерпретации данных измерений магнитосопротивления, рентгеновской дифрактометрии и атомносиловой микроскопии эпитаксиальных пленок железа.

Научная новизна работы:

1. Обнаружена обратная корреляция зависимостей коэрцитивной силы и остаточной длины свободного пробега от температуры роста пленок Fe (001) высокого качества, впервые выращенных на R-плоскости сапфира с подслоем Mo (001).

2. Впервые построены диаграммы двумерных микромагнитных состояний, реализуемых в микро- и наноструктурах Fe (001) и Fe (011), от размеров и

аспектного отношения при разной ориентации структур относительно осей легкого намагничивания.

3. Впервые интерпретирована структура намагниченности в перекрестии крестообразных микроструктур Fe (001), ориентированных вдоль осей трудного намагничивания в плоскости пленки.

4. Обнаружено переключение направленности круговой намагниченности в квадратных эпитаксиальных микроструктурах Fe (001) спин-поляризованным током.

Практическая ценность результатов работы:

Развитые экспериментальные подходы получения эпитаксиальных структур железа высокого качества, закономерности образования определенных микромагнитных состояний и влияние на них геометрических размеров и кристаллографической ориентации, а также методики диагностики таких структур с применением магнитосиловой микроскопии и микромагнитного расчета могут найти практическое применение при разработке и создании устройств на основе эпитаксиальных микро- и наноструктур из железа. Это могут быть компактные датчики магнитного поля, ячейки энергонезависимой памяти для вычислительной техники, магнитные вентили, эффективные источники микроволнового и терагерцевого излучений и т.д. Апробация работы.

Основные результаты диссертации были доложены:

На Международных конференциях и совещаниях: "Scanning Probe Microscopy" — International Workshop (Russia, Nizhny Novgorod 2003, 2005); International Conference "Micro- and Nanoelectronics" (Russia, Zvenigorod 2007, 2009, 2012); International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Russia, St. Peterburg 2003, Belarus, Minsk 2009); Международный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", (Россия, Нижний Новгород, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); IV Euro-Asian Symposium "Trends in magnetism" EASTMAG-2010 (Russia, Ekaterinburg, 2010).

Материалы выступлений опубликованы в тезисах и трудах вышеперечисленных конференций.

Публикации.

Основные результаты диссертации отражены в 8 статьях, опубликованных в российских и зарубежных журналах. Список статей приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы по теме диссертации, трех оригинальных глав, заключения, списка публикаций автора по результатам диссертационной работы, списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 174 страницы, в том числе 90 рисунков, одну таблицу и 122 литературных ссылки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 носит обзорный характер. Здесь излагаются известные на начало выполнения диссертационной работы результаты экспериментальных и теоретических исследований ферромагнитных структур, главным образом из железа, и их применения, отмечается ряд принципиальных моментов, касающихся магнитного строения изучаемых образцов.

Магнитное строение ферромагнитных микро- и наноструктур отличается от строения массивных ферромагнетиков. Если латеральные размеры наноструктуры меньше или сравнимы с шириной доменной стенки, то она будет находиться в квазиоднодоменном состоянии, а если они на один или более порядков превышают ее, то структура разбивается на домены, и ее магнитное строение определяется минимизацией магнитостатической энергии. В области размеров от сотни до нескольких сотен нанометров появляются новые микромагнитные состояния, которые не являются ни однодоменными, ни многодоменными. К ним относятся вихри, гиперболические вихри, меандры и др. Именно эти состояния, а также их переходы к многодоменным и к квазиоднодоменному состоянию, являются

предметом исследования. Для изучения магнитного строения ферромагнитных микро- и наноструктур в настоящее время используется множество различных методик, но в большей степени применяется магнитосиловая микроскопия (МСМ). Интерпретация результатов, получаемых с помощью МСМ, довольно сложна и может быть неоднозначной. Поэтому для правильной интерпретации экспериментальных результатов часто применяют микромагнитные расчеты. Наиболее исследованными с помощью МСМ и микромагнитных расчетов являются прямоугольные микроструктуры из пермаллоя. В них выявлено большинство характерных микромагнитных состояний.

Для реализации тех или иных микромагнитных состояний наряду с приложением внешних магнитных полей можно пропускать через структуру спинполяризованный ток. Согласно теории Слончевского-Берже [1, 2], а также модели релаксации продольной намагниченности, при пропускании спинполяризованного тока высокой плотности ~ 107 — 108 А/см2 через ферромагнитную микроструктуру, ее магнитное строение меняется. В настоящее время проведено множество экспериментальных исследований по управляемому током движению доменных стенок, главным образом, в нанопроводах из пермаллоя.

Эпитаксиальные микроструктуры из железа в меньшей степени исследованы, чем поликристаллические. В работах, опубликованных за последнее десятилетие, с помощью МСМ были исследованы эпитаксиальные прямоугольные микроструктуры из пленок Fe (011) с длинной стороной, перпендикулярной оси легкого намагничивания (OJIH). Наблюдались полосковые домены с направлением намагниченности вдоль OJIH. Также методами МСМ и микромагнитных расчетов исследовалось магнитное строение прямоугольных эпитаксиальных микроструктур Fe (001) с латеральными размерами меньше микрона в диапазоне толщин 10-50 нм, ориентированных вдоль OJIH и под углом 45° к OJIH

1. Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers//.!. Magn. Magn. Mater. - 1996 -V. 159-P.L1 -L3.

2. Berger L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current//Phys. Rev. В -1996 - V. 54 - P. 9353 - 9358.

(вдоль оси трудного намагничивания, ОТН). Для прямоугольников, ориентированных вдоль OJIH, при толщине 50 нм формировалась структура типа "diamond", состоящая из трех замкнутых вихревых подструктур. При уменьшении толщины структуры количество вихрей уменьшалось и при толщине 10 нм наблюдался переход в квазиоднодоменное состояние. Магнитное строение прямоугольников, ориентированных под 45° к OJIH, не интерпретировалось. Экспериментальных исследований по управляемому током движению доменных стенок и изменению намагниченности магнитных состояний в эпитаксиальных микро- и наноструктурах как Fe (001), так и Fe (011) не проводилось.

Таким образом, проведенные ранее исследования эпитаксиальных микроструктур из железа были малочисленными. Структуры не в достаточной степени охарактеризованы и изучены. Слабо исследована связь магнитных свойств со строением эпитаксиальных пленок и структур. Не в достаточной степени оптимизирована технология их изготовления. Как следствие, часто наблюдались нерегулярные магнитные структуры. Это снижало достоверность полученных данных, а также не позволяло выявить закономерности влияния аспектного отношения, размеров, магнитной анизотропии на магнитное строение. В результате не построены диаграммы микромагнитных состояний от размеров и аспектного отношения. Надежность определения магнитной структуры и ее интерпретация была недостаточной, часть наблюдаемых микромагнитных состояний не была интерпретирована. Не исследовано влияние спинполяризованного тока на магнитное строение эпитаксиальных структур из железа.

Это стимулировало дальнейшее развитие методов получения и исследования эпитаксиальных микро- и наноструктур из железа в данной диссертационной работе. Требовалось развить методы получения эпитаксиальных пленок, микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) высокого качества, а также методы экспериментального исследования их магнитного строения; применить и адаптировать методы микромагнитного расчета к исследуемым объектам для интерпретации микромагнитных состояний. Далее требовалось провести

исследования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011), выявить закономерности его формирования в зависимости от размеров, кристаллического строения, геометрической формы, ориентации относительно подложки.

В главе 2 описаны методы выращивания эпитаксиальных пленок из ферромагнитных металлов, микроструктурирования и характеризации образцов. Подробно описан метод магнитосиловой микроскопии. Описаны сделанные усовершенствования имеющегося оборудования, необходимые для выполнения данной работы, разработанные экспериментальные методики, а также методы проведенных в этой работе расчетов.

В диссертационной работе в качестве ростового метода использовали метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО) в сверхвысоком вакууме. Подложки использовались из пластин монокристаллического сапфира А- и R- ориентации. R-плоскость сапфира имеет больший интерес для практического применения, поскольку симметрия поверхности аналогична поверхности практически значимых подложек Si (001) и GaAs (001). Для изготовления эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) применялась субтрактивная технология с использованием метода электронной литографии и последующего ионного травления. Объемное строение пленок изучалось методом рентгеновской дифракции. Измерения магнитосопротивления проводились по стандартной четырехточечной методике на переменном токе при комнатной температуре и при температуре жидкого гелия. Рельеф поверхности пленок и микроструктур исследовался с помощью атомносилового микроскопа (ACM) Р47 Solver NTMDT. Этот прибор работал также в режиме МСМ. К прибору была разработана и введена в действие электромагнитная приставка, позволяющая создавать магнитные поля до ±2000 Э. Для управления электромагнитом непосредственно от АСМ была разработана специальная программа. Также был сконструирован и изготовлен адаптер для 4-х точечного измерения сопротивления образца с возможностью внешней коммутации электрических подводов к образцу. Все это в целом позволяло

проводить измерения магнитосопротивления образца, не меняя его положение в АСМ. Эта же приставка позволяла пропускать импульсные токи определенной направленности для изменения магнитного строения образцов спинполяризованным током. В качестве МСМ зондов использовались стандартные кремниевые кантилеверы с нанесенным на их поверхность ферромагнитным материалом. В качестве материалов для магнитных покрытий были опробованы Fe, Ni, Со, SmCo и пермаллой. Меняя состав и толщину покрытия, удалось повысить чувствительность и разрешение зондов. В частности, было получено МСМ изображение доменной стенки в микроструктуре Fe (011) с разрешением 30 нм. Для микромагнитных расчетов была использована программа OOMMF. Она позволяла рассчитывать распределение намагниченности микроструктур любой формы. Из рассчитанного распределения намагниченности с помощью дополнительно написанной программы моделировалось МСМ изображение, которое сравнивалось с экспериментальным.

В главе 3 представлены результаты экспериментов по выращиванию эпитаксиальных пленок Fe (001) и Fe (011), влияния подслоя Мо, температуры роста и толщины пленки на ее шероховатость, электрон-транспортные и магнитные свойства.

Рис. 1. Пленки Fe (001), выращенные при температурах: 20"С (а), 270 "С (б) и 410 "СМ.

С целью оптимизации технологии выращивания эпитаксиальных пленок Ре на А- и Я- плоскостях сапфира был проведен ряд экспериментов, в которых контролировалось отношение сопротивлений при комнатной температуре и при температуре жидкого гелия (ККК). Из этой величины рассчитывалась эффективная остаточная длина свободного пробега электронов 1ф чувствительная к плотности

240 ----- 300

270 _

НМВН МП*

0,1 ■

R 300K=5.2OM RRR=15,3 R42k= 0,34 0m

10

Т. к

100

100 200 300 400 500 600 700

Т,°с

Рис. 2. Зависимость сопротивления пленки Ре (001) от температуры и полюсная фигура, полученная для этой пленки.

дефектов структуры пленки как в объеме, так и на поверхности. Рентгеновские

Рис. 3. Зависимости 1ф Нс и S4 от температуры роста пленки.

дифрактометрические исследования показали, что на А-плоскости сапфира эпитаксиально растут пленки Fe (011). Характерная величина для пленок Fe (011), выращиваемых на А- плоскости сапфира при оптимальной температуре (280 °С), составила 540 нм, что близко к рекордным результатам, полученным в других работах. Шероховатость пленок, измеренная с помощью АСМ, описывалась среднеквадратичной амплитудой Sq и корреляционной длиной /с, которая характеризует средний размер кристаллита с малоугловыми границами. При оптимальной температуре роста пленки Fe (011) имели малую нм и большую /с=130 нм по сравнению с пленками, выращенными при температурах, далеких от оптимальной. Результаты экспериментов по выращиванию эпитаксиальных пленок Fe (001) на R-плоскости сапфира без буферного слоя не показали больших значений /еff. Температура роста пленок существенно влияла на морфологию их поверхности

рис.1). Использование подслоя Мо (001) толщиной 10 нм позволило впервые питаксиально вырастить на Я-плоскости сапфира пленки Ре (001) обладающие олыиими значениями /еЯ-. С целью оптимизации пленок был применен омплементарный анализ, то есть были использованы разные методики иагностики, дополняющие друг друга: дифрактометрия, электрические измерения рис. 2) и измерения магнитосопротивления. Из этих измерений были определены оэрцитивная сила Нс и резкость перемагничивания АН, равная ширине отдельного [ика на кривой магнитосопротивления на его полувысоте. Максимальное значение ;Я=320 нм достигалось для пленок, выращенных при 280 °С, при этом остаточная лина пробега электронов существенно превосходила толщину пленок. Наблюдалась братная корреляция между #с и 1с[( (рис. 3). Положение минимума Нс и максимума ;(г совпали. Рентгеновская дифрактометрия пленок Ре, выращенных при емпературе 280 °С и имеющих максимальные значения /сГЬ показала рост ысококачественной монокристаллической пленки вдоль направления [001]. Для [ленок, выращенных в разных условиях, зависимость Нс от 5Ч2//С при малых была инейной, а при больших выходила на насыщение. Было найдено, что при малых 1Ч справедлива формула,

аБ'А2

Нс=—г-, 0)

с г^ьм.

где о - энергия доменной стенки на единицу ее площади, А - масштабный шожитель, появляющийся из разницы между средними значениями амплитуды и орреляционной длины шероховатости и максимальной амплитуды и латеральных 1азмеров, при которых происходит пиннинг доменной стенки, с! - толщина пленки и 4% - намагниченность насыщения. Согласно известной модели роста пленок, с величением температуры роста кристаллиты укрупняются, и их внутренняя кристаллическая структура улучшается. По этой причине можно исключить пиннинг юменных стенок в объеме кристаллита. С увеличением температуры роста возрастает шероховатость поверхности, что ведет к усилению пиннинга доменных стенок на поверхностных дефектах и увеличению Нс.

Оптимизированные по своим свойствам пленки использовались для изготовления нано- и микроструктур по субтрактивной технологии.

В главе 4 представлены результаты исследований магнитных свойств

Рис. 4. АСМ изображения эпитаксиальных микроструктур Ре.

микроструктур из эпитаксиальных пленок железа, влияние аспектного отношения, размерных эффектов, магнитной анизотропии. Приведены результаты сравнения экспериментальных данных, полученных для микроструктур Ре (001) и Ре (011), с микромагнитными расчетами. Построены диаграммы микромагнитных состояний. Приведены результаты экспериментов по влиянию спинполяризованного тока на магнитное строение квадратной микроструктуры Ре (001).

Рис. 5. МСМ изображения эпитаксиальных микроструктур Ре (011). Направление ОЛН показано стрелкой.

Микроструктуры Ре (011) изготавливались из пленок с толщинами 60 и 100 нм. Ширины прямоугольных микроструктур изменялись в диапазоне 0,3 - 8 мкм. Аспектные отношения (АО) составляли 1, 2, 4, 6 и 8 (рис. 4а). Прямоугольники были риентированы относительно ОЛН двумя способами. Длинная сторона

Рис. 6. Экспериментальные (а, б) и рассчитанные (в, г) МСМ изображения микроструктур Ре (001) ориентированных вдоль ОЛН. Размеры структур: а) 4x32 мкм и 4 *24 мкм; б) 1 х4 мкм; в) 1 х8 мкм иг) 1*4 мкм.

Рис. 7. Экспериментальные (а, б) и рассчитанные (в, г) МСМ изображения микроструктур Ре (001) ориентированных под углом 45" к ОЛН. Размеры структур: 1 *8мкм (а, в) и 1*4 мкм, (б, г).

прямоугольника была параллельна или перпендикулярна ОЛН. У крестообразных структур ширина плеч креста составляла 0,5 - 4 мкм, а длина плеча была 1 - 8 мкм (рис. 46). Было установлено, что в данном диапазоне толщин магнитное строение микроструктур слабо зависит от толщины пленки. Для прямоугольников и крестов, ориентированных перпендикулярно ОЛН, во всем диапазоне латеральных размеров

формируется полосковая магнитная структура (рис. 5). Было найдено, что характер расположения доменов не зависит от ширины микроструктуры и АО.

Имела место корневая зависимость ширины полоскового домена от ширины микроструктуры. При этом ширина домена также не зависела от АО. Эта зависимость качественно согласуется с теоретическими моделями. Для микроструктур, ориентированных параллельно ОЛН, в зависимости от АО и длины структуры, имели место три типа магнитных структур: два многодоменных состояния (полосковые домены и структура Ландау) и квазиоднодоменное. При увеличении АО происходил переход от полосковых доменов к структуре Ландау и далее к квазиоднодоменному состоянию. Было обнаружено, что значения ширин прямоугольников, при которых происходят эти переходы, зависят от АО.

Микроструктуры Fe (001) были изготовлены из пленок с толщинами 50 и 100 нм и имели такие же латеральные размеры, как и микроструктуры Fe (011). Длинные оси прямоугольников и плечи крестов Fe (001) были ориентированы параллельно ОЛН и под углом 45° к направлению ОЛН, то есть вдоль ОТН в плоскости пленки. Для обеих толщин пленок магнитное строение микроструктур было одинаковым и определялось размерами, формой и ориентацией относительно ОЛН. В прямоугольных микроструктурах при ширине 1,5 мкм происходил переход от многодоменных состояний (структур Ландау и "diamond") к вихревым и квазивихревым (рис. 6). В прямоугольниках, ориентированных вдоль ОЛН при ширинах менее 0,6 мкм и больших АО (6, 8) появлялись также квазиоднодоменные состояния. При увеличении ширины эти микромагнитные состояния переходили в доменные. В прямоугольных микроструктурах Fe (001), ориентированных вдоль ОТН в плоскости пленки, реализовались микромагнитные состояния двух типов: меандр и последовательность вихрей и гиперболических вихрей (рис. 7). Микромагнитное состояние в виде вихрей и гиперболических вихрей реализовалось при АО, близких к 4. При меньших АО реализовались вихри, а при больших -меандры. При увеличении ширины эти микромагнитные состояния переходили в доменные структуры "cross-tie" и "concertina". На основании полученных

4.0-, 3.53.02.52.01.51.00.5-

¡область Іперехода

вихри

структура Ландау

квази-оішодоменное

б область і-■-

СГОББ-гіе ЙШІШіШй перехода

сопсеПіпа

гиперболи ческие

вихри меандр

шмм

вихри вихри

КёКоХва

4.0 -3.5 -3.0 2.5 2.0 Є

1-5І -1.0

-0.5

2 4 |_/\л/ 6 8 2 4 [_ЛЛ/ 6 8

Рис. 8. Диаграммы микромагнитных состояний для микроструктур, ориентированных вдоль ОЛН (а) и вдоль ОТН (б). экспериментальных и расчетных данных были построены диаграммы

микромагнитных состояний от ширины структуры и АО (рис. 8). Магнитное

строение плеч крестообразных эпитаксиальных микроструктур Ре (001) было таким

нее, как и у прямоугольных микроструктур тех же размеров и ориентации по

отношению к ОЛН (рис. 9). В плечах крестов, ориентированных параллельно ОЛН,

8 2888 4888 6888 8888 НМ

Рис. 9. МСМ изображение (а) и результат микромагнитного расчета (б) крестообразных микроструктур, ориентированных вдоль ОТН. Ширина плеча 1 мкм и длина 4 мкм (а) и 2 мкм (б).

0

0 20 40 мкм

Рис. 10. ACM изображение структуры с квадратом 8x8 мкм. Цифрами обозначены номера контактов. Стрелками показаны направление тока, магнитного поля и OJJH.

Рис. 11. Рассчитанное МСМ изображение квадратной структуры Ре (001) с размерами 8*8 мкм. Стрелками показано направление вектора намагниченности.

мкм г.в 1.0

.0 1.8 2.8 З.вмкм

мкм 12

е

4

8

12'МКМ Я

IZ^IKM

в

12 МКМ В

МКМ 3.0

Рис. 12. МСМ изображения квадратной микроструктуры с размерами 8*8мкм: а) начальное, цифрами показаны номера контактов; б) после пропускания тока по контактам 1 - 4; в) после пропускания тока по контактам 2-3. Черными стрелками показано направление тока, белыми - направление намагниченности.

аблюдались структуры вихревого типа или "diamond", в то время как структуры ипа "concertina" и вихрь - гиперболический вихрь наблюдались в плечах крестов, риентированных параллельно ОТН. Магнитное строение в центральной части реста является более сложным, чем суперпозиция магнитных строений его плеч, оскольку зависит от ориентации креста относительно ОЛН. Микромагнитные асчеты показали, что при малой ширине плеч (500 нм и менее) магнитное строение ерекрестия близко к однодоменному с намагниченностью, направленной вдоль дной из ОЛН. Расчеты подтвердили результаты эксперимента. Есть четыре арианта направления намагниченности в перекрестии, которые можно задавать нешним магнитным полем, что может быть использовано для создания элементов с етырехуровневой логикой.

Так как спинполяризованный ток, протекающий через ферромагнитные [икроструктуры, влияет на их магнитное строение, например, по механизму 'лончевского-Берже [1, 2], был проведен эксперимент по пропусканию серии мпульсов спин-поляризованного тока плотностью j « 108 А/см2 с длительностью мпульса т = 1 мкс через микроструктуру Fe (001) в форме квадрата с подводящими онтактами в виде полосок (рис. 10) с целью формирования определенных [икромагнитных состояний. Структура была ориентирована вдоль ОЛН. Вдоль олосок подавалось внешнее поле напряженностью 300 Э, достаточное для того, тобы вся структура намагнитилась однородно. Затем подавались импульсы тока ерез два противоположных контакта, например 1 и 4 на рис. 10. Ток, протекая через олоску, поляризовался в ней по спину. Попадая в квадрат, он воздействовал на [агнитные моменты атомов так, что в области протекания тока они выстраивались реимущественно вдоль спиновой поляризации тока. После этого поле сбрасывалось о нуля. В нулевом поле есть два варианта расположения доменов - с закручиванием амагниченности по и против часовой стрелки (рис. 11). Было экспериментально бнаружено, что магнитное строение квадрата в нулевом поле определялось аправлением намагниченности в домене, через который прошла большая часть нжектированных спин-поляризованных электронов (рис. 12). Это направление

задавало магнитное строение во всей микроструктуре.

Заключение. С целью изучения магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Ее (001) и Ре (011) высокого качества прямоугольной и крестообразной формы, в зависимости от их размеров и ориентации относительно кристаллографических осей, а также способов формирования определенных микромагнитных состояний проведены исследования на основе которых можно сделать следующие основные выводы:

1. Впервые эпитаксиально выращены пленки Ре (001) на Я- плоскости сапфира с подслоем Мо с одновременно улучшенными магнитными и электрон-транспортными свойствами. Выращенные в оптимальных условиях (Гроста = 280 °С) пленки Ре (001) обладают малой шероховатостью поверхности (5((=0,6 нм), большой длиной свободного пробега (4^=320 нм), малой величиной коэрцитивной силы (//с~5 Гс). В эпитаксиальных пленках Ре (011) максимальное значение эффективной остаточной длины свободного пробега составляет 4^=540 нм, что близко к рекордным результатам для эпитаксиальных пленок железа.

2. В пленках Ре (001) впервые наблюдалась обратная корреляция зависимостей длины свободного пробега и коэрцитивной силы от температуры роста пленок, что определяет прямую связь между центрами рассеяния электронов на флуктуациях поверхности и пиннинга доменных стенок на границах раздела. Экспериментально подтверждена зависимость коэрцитивной силы от квадрата среднеквадратичной амплитуды шероховатости поверхности, при этом, при малый значениях она линейна, а при больших Бч выходит на насыщение.

3. Установлены типы микромагнитных состояний, реализующихся в эпитаксиальных микро- и наноструктурах Ре (001) и Ре (011) прямоугольной и крестообразной формы, и их трансформация в зависимости от размеров и ориентации структуры относительно осей легкого намагничивания. Переход от многодоменного состояния к квазивихревому при уменьшении размеров структур происходит плавно, за счет увеличения доли объема с неколлинеарным распределением намагниченности.

4. На основе выявленных размерных, ориентационных и геометрических акономерностей построены диаграммы двумерных микромагнитных состояний, еализуемых в прямоугольных микро- и нано- структурах Fe (001) и Fe (011), в ависимости от ширины и аспектного отношения при разных ориентациях структур тносительно осей легкого намагничивания в диапазонах ширин 100 - 1000 нм и спектных отношений 4-8.

5. В крестообразных микроструктурах Fe (001) и Fe (011) магнитное строение леч креста аналогично строению прямоугольников таких же размеров. В ерекрестии реализуется сложная магнитная структура, не являющаяся уперпозицией магнитных структур плеч, поскольку зависит от ориентации тносительно осей легкого намагничивания. При уменьшении ширины плеч креста е (001) до размеров меньших 500 нм перекрестие переходит в квазиоднодоменное остояние с направлением намагниченности под углом 45° к плечам.

6. Обнаружено, что при пропускании через квадратную микроструктуру Fe Э01) спин-поляризованного тока плотностью больше или равной 108 А/см2 во нешнем магнитном поле, направление намагниченности микроструктуры при ыключении поля меняется на противоположное и определяется спиновой оляризацией и областью протекания тока.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Magnetic epitaxial anostructures from iron and nickel//International Journal of Nanoscience. - 2004 - V. 3. -í° 1 & 2,- P. 51-57.

. Фомин JI.A., Маликов И.В., Винниченко В.Ю., Калач К.М., Пяткин C.B., Михайлов Г.М. Исследование морфологии и магнитного контраста поверхности питаксиальных ферромагнитных структур//Поверхность, рентгеновские, инхротронные и нейтронные исследования. - 2008 -№ 2 - С. 1-6.

. Фомин Л.А., Маликов И.В., Винниченко В.Ю., Михайлов Е.М. Магнитное

строение и магнетосопротивление эпитаксиальных микроструктур из железа: влияние формы и магнитной кристаллографической анизотропии, //Микроэлектроника - 2008 - Т. 37 - № 5 - С. 1 - 14.

4. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial Fe films and structures//Proc. SPIE -2008- V. 7025 - P. 70250U-1 -70250U-11.

5. Чигарев С.Г., Фомин JI.A., Маликов И.В., Михайлов Г. М., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М. Анизотропное магнитосопротивление эпитаксиальной монокристаллической пленки Fe (001) наноразмерной толщины//Радиотехника и электроника - 2010 - Т. 55 - № 1 - С. 120 - 126.

6. Fomin L.A., Malikov I.V., Pyatkin S.V., Mikhailov GM. The micromagnetic ground states in epitaxial Fe (001) microstructures//J. Magn. Magn. Mater. - 2010 - V. 322 - P. 851 -857.

7. Mikhailov G.M., Fomin L.A, Vinnichenko V.Yu., Malikov I.V., Pyatkin S.V., Chernykh A.V., Complementary Anallysis of Epitaxial Fe (001) Films with Improved Electronic Transport and Magnetic Properties//Solid State Phenomena - 2011 - V. 168-169 - P. 300 -302.

8. Маликов И.В., Фомин Л.А., Михайлов Г.М. Влияние ультратонких покрытий на величину магнитного контраста в пленках ферромагнитных материалов//Материалы Межд. симп. "Нанофизика и наноэлектроника" Нижний Новгород - 2005- Т. 1 - С. 186-187.

9. Маликов И.В., Винниченко В.Ю., Фомин Л.А., Калач К.М., Михайлов Г.М. Развитие нанотехнологии и методов исследования магнитных и электронно-транспортных свойств планарных наноструктур из ферромагнитных металлов// Материалы Межд. симп. "Нанофизика и наноэлектроника" - Нижний Новгород -2006 - Т. 2 - С. 289-290.

10. Fomin L.A., Malikov I.V., Chernykh A.V., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial metallic nanostructures: nanotechnology, characterization and electron transpotr

roperties//New Nanotechnology Research - NovaScience Publishers, Inc. - 2006- P. 9515.

1. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial Fe films and anostructures for magnetoelectronics//Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics" book of bstracts - Zvenigorod - 2007 - P. p2-15.

2. Fomin L.A., Malikov I.V., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Magnetic structure and îagnetoresistance of epitaxial iron microstructures: effects of shape and easy axis of îagnetization// Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics" book of abstracts - Zvenigorod -007 - P. p2-17.

3. Винниченко В.Ю., Фомин JI.A., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Исследование азмерной зависимости магнитных доменов в наноструктурах из железа методом агнитной силовой микроскопии//Труды Межд. симп. "Нанофизика и [аноэлектроника" - Нижний Новгород - 2007 - С.465-466.

4. Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Тонкая структура доменных границ в 1СМ измерениях//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний [овгород - 2008 - Т. 2 - С. 289-290.

5. Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Магнитосиловая микроскопия и икромагнитные расчеты эпитаксиальных микроструктур из железа во внешнем агнитном поле//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний [овгород - 2008 - Т. 2 - С. 287-288.

6. Фомин Л.А., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Магнитное строение эпитаксиальных груктур из Fe(001) в переходной области размеров//Труды Межд. симп. Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2009 - Т. 2 - С. 517-518.

7 Mikhailov G.M., Fomin L.A., Malikov I.V., Pyatkin S.V., Vinnichenko V.Yu. ipplication of complementary analysis for nanotechnology optimization of epitaxial e(001) structures with improved electron transport and magnetic properties//Int. Symp. Nanostructures: Physics and Technology" proceedings - Minsk, Belarus - 2009-, P. 198 -

18. Mikhailov G.M., Vinnichenko V.Yu., Fomin L.A., Kalach K.M., Malikov I.V. Investigation of domain wall pinning and nanostructures remagnetization of epitaxial Fe structures with use of magnetic force contrast and magnetoresistance measurements//, Труды Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics" book of abstracts - Zvenigorod - 2009 - P. PI-47.

19. Mikhailov G.M., Malikov I.V., Vinnichenko V.Yu., Fomin L.A. Correlation of magnetic and electronic transport properties of epitaxial Fe(001) films and it's dependence on a surface roughness//Euro-Asian symp. "Trends in magnetism" proceedings -Ekaterinburg - 2010 - P. 223.

20. Фомин JI.A., Винниченко В.Ю., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Влияние магнитной анизотропии и аспектного отношения на микромагнитные состояния в прямоугольных микроструктурах Fe(001)//Tpynbi Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" - Нижний Новгород - 2011 - Т. 2 - С. 369-370.

21. Фомин Л.А., Михайлов Г.М., Маликов И.В., Калач К.М., Пяткин С.В. Изменение магнитного строения микроструктур Fe (001) под воздействием спинполяризованного тока//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" -Нижний Новгород - 2012 - Т. 1 - С. 173-174.

22. Фомин Л.А., Михайлов Г.М. Расчет магнитного строения МСМ зонда и его влияния на разрешение//Рос. конф. по электронной микроскопии, тезисы докладов -Черноголовка - 2012 - С. 253.

23 . Fomin L.A., Vinnichenko V. Yu., Malikov I.V, Mikhailov G.M. Micromagnetic states in Fe (001) rectangular epitaxial microstructures: the effect of magnetic anisotropy and

aspect ratio//J.Magn.Magn. Mater. - 2012 URL: http://dx.doi.Org/10.1016/j.jmmm.2012.08.001 (дата обращения: 13.09.2012).

Отпечатано в типографии «ФУТУРИС» (ООО «ФУТУРИС ПРИНТ») 109052, Москва, Нижегородская ул, 50, тел. +7 495 505 53 56 Подписано в печать 05.09.2012 г. Заказ № 532902.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Микромагнитные состояния ферромагнитных микро- и наноструктур.

1.1.1. Область квазиоднодоменных состояний.

1.1.2. Область многодоменных состояний.

1.1.3. Переходная область размеров.

1.2. Методы экспериментального исследования магнитного строения микро- и наноструктур.

1.3. Методики расчетов магнитного строения микро- и наноструктур.

1.4. Выращивание эпитаксиальных пленок Ре.

1.5. Экспериментальные исследования магнитных структур переходной области размеров.

1.6. Перемагничивание микроструктур пропусканием спинполяризованного электрического тока.

Введение.

2.1. Выращивание эпитаксиальных пленок.

2.1.1. Метод импульсного лазерного осаждения.

2.1.2. Подготовка подложки для роста.

2.2. Изготовление эпитаксиальных микро- и наноструктур по субтрактивной технологии.

2.3. Методы характеризации пленок и микроструктур из ферромагнитных металлов.

2.3.1. Рентгеновская дифрактометрия.

2.3.2. Транспортные измерения.

2.3.3. Параметры, характеризующие качество эпитаксиальных пленок.

2.3.4. Атомно-силовая микроскопия.

2.4. Магнитно-силовая микроскопия.

2.5. Микромагнитные расчеты.

2.6. Развитие метода магнитосиловой микроскопии для исследования магнитного строения микро- и наноструктур Ре (001) и Ре (011).

2.6.1. Разработка электромагнитной приставки и адаптера для 4-х точечного измерения сопротивления образца к МСМ.

2.6.2. Повышение чувствительности, пространственного разрешения МСМ зондов и их стойкости во внешнем магнитном поле.

2.6.3. Тестовые объекты.

3.1.1. Сравнение пленок Ре, выращенными на А- плоскости сапфира с пленками N1, выращенными на той же подложке.85

3.1.2. Рентгеновская дифрактометрия пленок Ре (011).87

3.1.3. Влияние подслоя Мо на эффективную длину свободного пробега электронов и морфологию поверхности пленок Ре (011).89

3.2. Рост эпитаксиальных пленок Ре (001).91

3.2.1. Зависимость морфологии и эффективной длины свободного пробега электронов от температуры роста.92

Заключение к главе 3.100

Глава 4. Магнитное строение микро- и наноструктур из железа.103

Введение.103

4.1. Магнитное строение поликристаллических микроструктур из железа.104

4.2.1. Структура доменных стенок в пленках и микроструктурах Fe (011).106

4.2.2. Зависимость магнитного строения от магнитной анизотропии и аспектного отношения для прямоугольных структур Fe (011).110

4.2.3 Магнитное строение крестообразных структур Fe (011).120

4.2.4. Изменение магнитного строения и электрического сопротивления микроструктур во внешнем магнитном поле.122

4.3. Магнитное строение микро- и наноструктур Fe (001).131

4.3.1. Доменные стенки в пленках и микроструктурах Fe (001).131

4.3.2. Зависимость магнитного строения от магнитной анизотропии и аспектного отношения для прямоугольных структур Fe (001).134

4.3.3. Магнитное строение крестообразных структур Fe (001).146

4.4. Изменение магнитного строения микроструктур Fe (001) под воздействием импульсов спин-поляризованного тока.150

Заключение к главе 4.153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.158

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.160

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.171

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия возникла и интенсивно развивается спинтроника -новое направление электроники, связанное с изучением спин-поляризованного электронного транспорта [1, 2]. Это направление имеет большое практическое значение. Считывающие головки современных магнитных дисков уже используют гигантский магниторезистивный и туннельный магниторезистивный эффекты [3 -7]. В недалеком будущем появится магниторезистивная оперативная память нового поколения [8]. Более сложные устройства, например спиновые транзисторы находятся на стадии исследований [9, 10]. Микро- и наноструктуры из ферромагнитных металлов широко используются в спинтронике в качестве спиновых инжекторов и детекторов [11, 12]. На основе магнитных многотерминальных (в частности крестообразных) микро- и наноструктур может быть реализована многоуровневая логика [13], которая является удобным аппаратом для обработки сложноструктурированной информации.

Перспективным является использование эпитаксиальных структур, так как их свойства в большей степени контролируемы и воспроизводимы за счет совершенного кристаллического строения. Появляется возможность использовать определенное расположение структур относительно кристаллографических осей для создания нужных микромагнитных состояний. В устройствах на их основе электроны (и спины) могут пробегать большие расстояния без рассеяния, проявлять баллистические эффекты, которые способствуют увеличению магнитосопротивления [14]. Сравнительно недавно обнаружено, что гетероэпитаксиальные туннельные структуры на основе ферромагнитного металла, например, железа, демонстрируют гигантское магнитосопротивление за счет нового явления - когерентного туннелирования электронов [15, 16].

Для практических применений микро- и наноструктур необходимо уметь контролировать их магнитное строение, которое зависит от их формы, размеров, и магнитной анизотропии. В свою очередь, коэрцитивные поля, магнитное взаимодействие между частями структуры и, тем самым, магнитные и магнитотранспортные свойства структур определяются их магнитным строением. Однако, несмотря на большой практический и научный интерес, магнитное строение эпитаксиальных планарных микро- и наноструктур, в частности из железа, и влияние на него геометрических размеров и кристаллографической ориентации в области размеров структур порядка 10 - 1000 нм исследовано недостаточно. Отсюда следует актуальность темы диссертации. Цель диссертационной работы заключается в изучении и выявлении закономерностей формирования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Бе (001) и Бе (011) высокого качества прямоугольной и крестообразной формы, в зависимости от их размеров и ориентации относительно кристаллографических осей, а также способов реализации определенных микромагнитных состояний. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Развить экспериментальные подходы и методики получения эпитаксиальных пленок Бе (001) и Бе (011) на подложках АЬОз методом импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме и последующего изготовления на основе полученных пленок эпитаксиальных микро- и наноструктур высокого качества с использованием субтрактивной технологии микроструктурирования.

2. Развить методы экспериментального исследования магнитного строения микро-и наноструктур Бе (001) и Бе (011) с использованием магнитосилового микроскопа во внешнем управляемом магнитном поле.

3. Адаптировать методы микромагнитного расчета к исследуемым объектам и провести исследования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Бе (001) и Бе (011) с использованием расчета и сопоставить с результатами эксперимента.

4. Выявить закономерности формирования магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Ре (001) и Бе (011) прямоугольной и крестообразной формы в зависимости от их размеров, аспектного отношения и ориентации относительно осей легкого намагничивания.

5. Исследовать влияние спин-поляризованного тока на реализацию микромагнитных состояний в эпитаксиальных квадратных микроструктурах из железа.

Выбор объектов исследований

Железо - один из основных ферромагнитных материалов, используемых в магнитоэлектронике. Известно, что эпитаксиальные пленки Бе (001) могут быть выращены на практически значимых полупроводниковых подложках 81 и ОаАэ (001) и диэлектрических подложках и А^Оз, что позволяет создавать на их поверхностях функциональные эпитаксиальные микро- и наноструктуры. Это определяет важность выбора объекта исследования.

Основные положения, выносимые, на защиту:

1. Основные микромагнитные состояния микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) высокого качества, изготовленных из эпитаксиальных пленок, характеризуются регулярностью и определяются размерами структур, их формой и ориентацией относительно осей легкого намагничивания.

2. Реализуемые микромагнитные состояния в прямоугольных микро- и наноструктурах Fe (001) и Fe (011), полученные из экспериментальных и расчетных данных в зависимости от их ширины в диапазоне латеральных размеров 100 -1000 нм и аспекта ого отношения (отношения длины к ширине) при значениях 1 - 8, могут быть представлены в виде 2d диаграмм. В построенных диаграммах показано, что:

• в прямоугольных микроструктурах Fe (001), ориентированных вдоль осей трудного намагничивания, реализуются микромагнитные состояния двух типов: меандр и последовательность вихрей и гиперболических вихрей. Микромагнитное состояние в виде вихрей и гиперболических вихрей реализуется при аспектных отношениях, близких к 4. При меньших аспектных отношениях реализуются вихри, а при больших - меандры. При увеличении ширины микроструктуры до 600 нм эти микромагнитные состояния переходят в доменные структуры типа "cross-tie" и "concertina";

• переход от многодоменного состояния к квазивихревому при уменьшении размеров структур происходит плавно за счет увеличения доли объема с неколлинеарным распределением намагниченности.

3. В крестообразных микроструктурах Fe (001) и Fe (011) магнитное строение плеч креста аналогично строению прямоугольников таких же размеров. Магнитное строение в перекрестии не является суперпозицией магнитных структур плеч, и зависит от ориентации структуры относительно осей легкого намагничивания. При уменьшении ширины плеч крестообразной микроструктуры Бе (001), ориентированной под углом 45° к одной из осей легкого намагничивания в плоскости пленки, до 500 нм и менее перекрестие переходит в квазиоднодоменное состояние с направлением намагниченности под углом 45° к плечам.

4. В прямоугольных микроструктурах Бе (011), ориентированных вдоль оси трудного намагничивания, наблюдается корневая зависимость размера полоскового домена от ширины микроструктуры. При этом ширина домена не зависит от аспектного отношения.

5. Для пленок Бе (001), выращенных на Я- плоскости сапфира с подслоем Мо, с использованием комплементарного анализа для оптимизации технологии их выращивания установлено, что:

• имеет место обратная корреляция остаточной длины свободного пробега, шероховатости и коэрцитивной силы, свидетельствующая о прямой связи центров рассеяния электронов и центров пиннинга доменных стенок, определяемой морфологией поверхности;

• оптимальная температура роста составляет 280 °С, при которой остаточная длина свободного пробега максимальна и составляет /^ =320 нм, коэрцитивная сила и шероховатость малы, на уровне Нс ~5 Гс и =0,6 нм.

6. В эпитаксиальных пленках Ре (011), выращенных методом импульсного лазерного осаждения в сверхвысоком вакууме при оптимальных условиях, максимальное значение эффективной остаточной длины свободного пробега электронов составляет 540 нм, что близко к рекордным результатам для эпитаксиальных пленок железа и может быть использовано для создания планарных баллистических устройств.

7. При пропускании через квадратную эпитаксиальную микроструктуру Бе (001) о ^ спин-поляризованного тока плотностью больше или равной 10 А/см во 8 внешнем магнитном поле 300 Э, направление намагниченности микроструктуры при выключении поля меняется на противоположное и определяется спиновой поляризацией тока.

Личный вклад автора в опубликованных с соавторами работах:

1. Участие в постановке задач проектирования магнитоэлектронных устройств на основе эпитаксиальных микроструктур из железа и формулировке экспериментальных и теоретических методов их решения.

2. Совместное с Михайловым Г.М. и Калачом К.М. участие в создании электромагнитной приставки и адаптера для 4-х точечного измерения сопротивления образца к магнитосиловому микроскопу.

3. Совместное с Маликовым И.В. и Пяткиным C.B. участие в технологическом процессе изготовления микро- и наноструктур из эпитаксиальных пленок.

4. Самостоятельное проведение измерений на магнитосиловом микроскопе и проведение компьютерных расчетов.

5. Совместное с Маликовым И.В и Винниченко В.Ю. участие в обработке и интерпретации данных измерений магнитосопротивления, рентгеновской дифрактометрии и атомносиловой микроскопии эпитаксиальных пленок железа.

Научная новизна работы:

1. Обнаружена обратная корреляция зависимостей коэрцитивной силы и остаточной длины свободного пробега от температуры роста пленок Fe (001) высокого качества, впервые выращенных на R-плоскости сапфира с подслоем Mo (001).

2. Впервые построены диаграммы двумерных микромагнитных состояний, реализуемых в микро- и наноструктурах Fe (001) и Fe (011), от размеров и аспектного отношения при разной ориентации структур относительно осей легкого намагничивания.

3. Впервые интерпретирована структура намагниченности в перекрестии крестообразных микроструктур Fe (001), ориентированных вдоль осей трудного намагничивания в плоскости пленки.

4. Обнаружено переключение направленности круговой намагниченности в квадратных эпитаксиальных микроструктурах Fe (001) спин-поляризованным током.

Практическая ценность результатов работы:

Развитые экспериментальные подходы получения эпитаксиальных структур железа высокого качества, закономерности образования определенных микромагнитных состояний и влияние на них геометрических размеров и кристаллографической ориентации, а также методики диагностики таких структур с применением магнитосиловой микроскопии и микромагнитного расчета могут найти практическое применение при разработке и создании устройств на основе эпитаксиальных микро- и наноструктур из железа. Это могут быть компактные датчики магнитного поля, ячейки энергонезависимой памяти для вычислительной техники, магнитные вентили, эффективные источники микроволнового и терагерцевого излучений и т.д.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были доложены:

На Международных конференциях и совещаниях: "Scanning Probe Microscopy" - International Workshop (Russia, Nizhny Novgorod 2003, 2005); International Conference "Micro- and Nanoelectronics" (Russia, Zvenigorod 2007, 2009, 2012); International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Russia, St. Peterburg 2003, Belarus, Minsk 2009); Международный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", (Россия, Нижний Новгород, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); IV Euro-Asian Symposium "Trends in magnetism" EASTMAG-2010 (Russia, Ekaterinburg, 2010).

10

Материалы выступлений опубликованы в тезисах и трудах вышеперечисленных конференций.

Публикации.

Основные результаты диссертации отражены в 23 работах, в том числе в 8 статьях из списка ВАК. Список статей приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы по теме диссертации, трех оригинальных глав, заключения, списка публикаций автора по результатам диссертационной работы, списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 174 страницы, в том числе 90 рисунков, одну таблицу и 122 литературных ссылки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С целью изучения магнитного строения эпитаксиальных микро- и наноструктур Fe (001) и Fe (011) высокого качества прямоугольной и крестообразной формы, в зависимости от их размеров и ориентации относительно кристаллографических осей, а также способов формирования определенных микромагнитных состояний проведены исследования на основе которых можно сделать следующие основные выводы.

1. Впервые эпитаксиально выращены пленки Fe (001) на R- плоскости сапфира с подслоем Мо с одновременно улучшенными магнитными и электрон-транспортными свойствами. Выращенные в оптимальных условиях (Тросха = 280 °С) пленки Fe (001) обладают малой шероховатостью поверхности (Sq~0,6 нм), большой длиной свободного пробега (le/j=320 нм), малой величиной коэрцитивной силы (Нс~5 Гс). В эпитаксиальных пленках Fe (011) максимальное значение эффективной остаточной длины свободного пробега составляет lef=540 нм, что близко к рекордным результатам для эпитаксиальных пленок железа.

2. В пленках Fe (001) впервые наблюдалась обратная корреляция зависимостей длины свободного пробега и коэрцитивной силы от температуры роста пленок, что определяет прямую связь между центрами рассеяния электронов на флуктуациях поверхности и пиннинга доменных стенок на границах раздела. Экспериментально подтверждена зависимость коэрцитивной силы от квадрата среднеквадратичной амплитуды шероховатости поверхности, при этом, при малый значениях Sq она линейна, а при больших Sq выходит на насыщение.

3. Установлены типы микромагнитных состояний, реализующихся в эпитаксиальных микро- и наноструктурах Fe (001) и Fe (011), и их трансформация в зависимости от размеров, формы и ориентации структуры относительно осей легкого намагничивания. Переход от многодоменного состояния к квазивихревому при уменьшении размеров структур происходит плавно, за счет увеличения доли объема с неколлинеарным распределением намагниченности.

4. На основе выявленных размерных, ориентационных и геометрических закономерностей построены диаграммы двумерных микромагнитных состояний, реализуемых в прямоугольных микро- и нано- структурах Бе (001) и Бе (011), в зависимости от ширины и аспектного отношения при разных ориентациях структур относительно осей легкого намагничивания в диапазонах ширин 100 — 1000 нм и аспектных отношений 4-8.

5. В крестообразных микроструктурах Бе (001) и Бе (011) магнитное строение плеч креста аналогично строению прямоугольников таких же размеров. В перекрестии реализуется сложная магнитная структура, не являющаяся суперпозицией магнитных структур плеч, поскольку зависит от ориентации относительно осей легкого намагничивания. При уменьшении ширины плеч креста Ре (001) до размеров меньших 500 нм перекрестие переходит в квазиоднодоменное состояние с направлением намагниченности под углом 45° к плечам.

6. Обнаружено, что при пропускании через квадратную микроструктуру Ре о л

001) спин-поляризованного тока плотностью больше или равной 10 А/см во внешнем магнитном поле, направление намагниченности микроструктуры при выключении поля меняется на противоположное и определяется спиновой поляризацией и областью протекания тока.

1. Prinz G.A. Magnetoelectronics//Science 1998 - V. 282 - P. 1660 - 1663.

2. Wolf S.A., Awschalom D.D., Buhrman R.A., Daughton J.M., Von Molnar S., Roukes M.L., Chtchelkanova A. Y., Treger D.M. Spintronics: a spin-based electronics vision for the future//Science -2001- V. 294 P. 1488 - 1495.

3. Baibich M.N., Broto J.M., Fert A., Nguyen Van Dau F., Petroff F., Eitenne P., Creuzet G., Friederich A., Chazelas J. Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices.//Phys. Rev. Lett. 1988 - V. 61. - P. 2472 - 2475.

4. Binasch G., Grunberg P., Saurenbach F., Zinn W. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange//Phys. Rev. B. 1989 - V.39. - P. 4828 - 4830.

5. Julliere M. Tunneling between ferromagnetic films//Phys. Lett. 1975 - V.54 A - P. 225-256.

6. Miyazaki Т., Tezuka N. Giant magnetic tunneling effect in Fe/AbCb/Fe junction//J. Magn. Magn. Mater. 1995 - V. 139 - P. L231 - L234.

7. Moodera J. S., Kinder L. R., Wong T.M, Meservey R. Large Magnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnetic Thin Film Tunnel Junctions//Phys. Rev. Lett. -1995 -V. 74-P. 3273-3276.8. http://www.mram-info.com/

8. Datta S., Das B. Electronic analog of the electrooptic modulator//Appl. Phys. Lett. -1990-V. 56-P. 665 667.

9. Jansen R. Silicon spintronics//Nat. Mater. 2012 - V. 11 - P. 400 - 408.11 .Jedema F.J., Nijboer M.S., Filip A.T., van Wees B.J. Spin injection and spinaccumulation in all-metal mesoscopic spin valves//Phys. Rev. В 2003 - 67, 0853191 -085319-16.

10. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial Ni films for ballistic ferromagnetic nanostructures//Thin Solid Films 2010 - V. 519 - P. 527 - 535.

11. Yuasa S., Nagahama T., Fukushima A., Suzuki Y., Ando K. Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions//Nat. Mater. 2004 -V.3 - P. 868 - 871.

12. Butler W. H. Tunneling magnetoresistance from a symmetry filtering effect//Sci. Technol. Adv. Mater. 2008 - V. 9 - P. 014106-1 - 014106-17.

13. Stoner E. C., Wohlfarth E. P. A Mechanism of Magnetic Hysteresis in

14. Heterogeneous Alloys//Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 1948 - V. 240 - P. 599 - 642.

15. KoHflopcKHH E.H. MHKpoMarHeTH3M h nepeMarHHHHBaHHe KBa3HOfl;HO^OMeHHi>ix HacTHU.//H3B. AH CCCP, cep. <|)H3.- 1977 T. 42 - C. 1638 - 1645.

16. Aharoni A. Elongated single-domain ferromagnetic particles//! Appl. Phys. 1988 -V.63-P. 5879-5882.

17. Frei E. H., Shtrikman S., Treves D. Critical Size and Nucleation Field of Ideal Ferromagnetic Particles//Phys. Rev. 1957 - V. 106 - P. 446 - 455.

18. Aharoni A. Introduction to the Theory of Ferromagnetism// Oxford University Press, New York, 1996.

19. Aharoni A. Angular Dependence of Nucleation by Curling in a Prolate Spheroid//J. Appl. Phys. 1997-V. 82-P. 1281.

20. Kittel Ch. Physical theory of ferromagnetic domains//Rev. Mod. Phys.- 1949 V. 21 -P. 541 - 583.24.van den Berg H.A.M. Order in the domain structure in soft-magnetic thin-film elements: A review//IBM J. Res. Dev. 1989 - V. 33 P. 540 - 582.

21. Li J., Rau C. Three-Dimensional, Spin-Resolved Structure of Magnetic Vortex and Antivortex States in Patterned Co Films Using Scanning Ion Microscopy with Polarization Analysis//Phys. Rev. Lett. 2006 - V. 97 - P. 107201 - 107204.

22. Rave W., Hubert A. The Magnetic ground state of a thin-film element//IEEE Trans. Magn. 2000 - V. 36 - P. 3886 - 3899.

23. Zheng Y., Zhu J.-G. Switching field variation in patterned submicron magnetic film elements// J. Appl. Phys. 1997 - V. 81 - P. 5471-5473.

24. Shi J., Tehrani S. Edge-pinned states in patterned submicron NiFeCo structures //Appl. Phys. Lett. 2000 - V. 77 - P. 1692 - 1694.

25. Schabes M. E., Bertram H. N. Magnetization processes in ferromagnetic cubes//J.

26. Appl. Phys. 1988 - V. 64 - P. 1347 - 1357. 30.Shinjo T., Okuno T., Hassdorf R., Shigeto K., Ono T. Magnetic Vortex Core Observation in Circular Dots of Permalloy//Science - 2000 - V. 289 - P. 930 - 932.

27. Miltat J., Thiaville A. Ferromagnetism. Vortex cores-smaller than small.//Science -2002-V. 298-P. 555.

28. Cowburn R.P., Koltsov D.K., Adeyeye A.O., Welland M.E., Tricker D.M. Singledomain circular nanomagnets// Phys. Rev. Lett. 1999 - V. 83 - P. 1042 - 1045.

29. Raabe J., Pulwey R., Sattler R., Schweinbock T., Zweck J., Weiss D. Magnetization pattern of ferromagnetic nanodisks// J. Appl. Phys. 2000 - V. 88 - P. 4437 - 4439.

30. Dunin-Borkowski R.E., McCartney M. R., Kardynal B., Smith D. J., Scheinfein M. R. Switching asymmetries in closely coupled magnetic nanostructure array//Appl. Phys. Lett. 1999 - V. 75 - P. 2641-2643.

31. Li S.P. Peyrade D., Natali M., Lebib A., Chen Y. Ebels U., Buda L. D., Ounadjela K.162

32. Flux Closure Structures in Cobalt Rings//Phys. Rev. Lett. 2001 - V. 86 - P. 1102 -1105.

33. 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 Magnets //Phys. Rev. Lett. 2001 - V. 86 - P. 1098 - 1101.

34. Vaz C.A.F., Lopez-Diaz L., Klaui M., Bland J.A.C., Monchesky T. L., Unguris J., Cui Z. Direct observation of remanent magnetic states in epitaxial fee Co small disks//Phys. Rev. В 2003 - V. 67 - P. 140405-1 - 140405-4.

35. Schneider M., Hoffmann H., Zweck J. Lorentz microscopy of circular ferromagnetic permalloy nanodisks //Appl. Phys.Lett. 2000 - V. 77 - P. 2909 - 2911.

36. Schneider M., Hoffmann H., Zweck J. Magnetic switching of single vortex permalloy elements //Appl. Phys.Lett. 2001 - V 79 - P. 3113 - 3115.

37. Zhu J.-G., Zheng Y., Prinz G. A. Ultrahigh density vertical magnetoresistive random access memory//J. Appl. Phys. 2000 - V. 87 - P. 6668 - 6673.

38. Wachowiak A., Wiebe J., Bode M., Pietzsch O., Morgenstern M., Wiesendanger R. Direct Observation of Internal Spin Structure of Magnetic Vortex Cores//Science -2002 -V. 298 P. 577-580.

39. Малоземов А., Слонзуски Дж. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами. Пер. с англ.// М. Мир. 1982 - 384 с.

40. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма.//М. Мир 1987 - Т. 2. - С. 366.

41. Хуберт А. Теория доменных стенок в упорядоченных средах //М.: "Мир" -1977.-310 с.

42. LaBonte А.Е. Two-dimensional Bloch-type domain walls in ferromagnetic films.//!163

43. Appl. Phys. 1969 - V. 40 - P. 2450-2458.

44. Harrison C. G., Leaver K. D. The analysis of two-dimensional domain wall structures by Lorentz microscopy//Phys. Status Solidi A 1973 - V. 15 - P. 415 - 429.

45. Proto G.R., Lawless K.R. Lorentz electron microscopy of domain walls in single-crystal evaporated iron films//J. Appl. Phys. 1975 - V. 46 - P. 416 - 432.

46. Aharoni A. Two-dimensional domain walls in ferromagnetic films. I. General theory //J. Appl. Phys. 1975 - V. 46 - P. 908 - 914.

47. Aharoni A. Two-dimensional domain walls in ferromagnetic films. II. Cubic anisotropy //J. Appl. Phys. 1975 - V. 46 - P. 914 - 917.

48. Aharoni A. Two-dimensional domain walls in ferromagnetic films. III. Uniaxial anisotropy //J. Appl. Phys. 1975 - V. 46 - P. 1783 - 1787.

49. Scheinfein M.R., Unguris J., Blue J.L., Coakley K.J., Pierce D.T., Celotta R.J., Ryan P.J. Micromagnetics of domain walls at surfaces//Phys. Rev. B 1991 - V. 43 - P. 3395-3422.

50. Aharoni A., Jakubovics J. P. Magnetic domain walls in thick iron films//Phys. Rev. B 1991 -V. 43-P. 1290-1293.

51. Muller-Pfeiffer S., Schneider M., Zinn W. Imaging of magnetic domain walls in ironwith a magnetic force microscope: A numerical study //Phys. Rev. B 1994 - V. 49164-P. 15745-15752.

52. Hayashi N., Kosavisutte K., Nakatani Y. Micromagnetic calculation of domain structure in thin magnetic film based on improved LaBonte method/ЯЕЕЕ Trans. Magn. 1997 - V. 33 - P. 4164 - 4166

53. Петров В.И., Спивак Г.В., Павлюченко О.П. Электронная микроскопия магнитной структуры тонких пленок//УФН -1972 Т. 106 - С. 229-278.

54. Cowley J.M. Twenty forms of electron holography//Ultramicroscopy 1992 - V. 41 -P. 335 - 348.

55. Allenspach R. Spin-polarized scanning electron microscopy//IBM J. Res. Develop. -2000 V. 44 - P. 553 - 570.

56. Hubert A., Schafer R. Magnetic domains: the analysis of magnetic microstructures// Springer, Berlin 1998 - P. 23 - 48.

57. Кринчик. Г.С. Физика магнитных явлений//М.: Изд. МГУ 1985 - глава 5. 63 Johansson P., Apell S. P., Penn D. R. Theory of a magnetic microscope withnanometer resolution//Phys. Rev. В 2001- V. 64 - P. 054411-1 - 054411-13.

58. Кузьменко А. П., Абакумов П. В., Раман-визуализация доменов и тонкой структуры доменной границы в YFe03// Письма в ЖТФ 2011 - Т. 37, вып. 22 -С. 34 - 42.

59. Bode М. Spin-polarized scanning tunnelling microscopy//Rep. Prog. Phys. 2003 -V. 66 - P. 523 - 582.66.1mada S., Suga S., Kuch W., Kirschner J. Magnetic microspectroscopy by a combination of XMCD and PEEM//Surf. Rev. Lett. 2002 - Y. 9 - P. 877 - 881.

60. Rugar D., Mamin H. J., Guethner P., Lambert S. E., Stern J. E., McFadyen I., Yogi T. Magnetic Force Microscopy: General Principles and Application to Longitudinal Recording Media.//J. Appl. Phys. 1990 - V. 68 - P. 1169 -1183.

61. Kaiser U., Schwarz A., Wiesendanger R. Magnetic exchange force microscopy withatomic resolution. Nature - 2007 - V. 446 - P. 522-5.165

62. Браун У.Ф. Микромагнетизм// М. Наука 1979.70.http://math.nist.gov/oommf/71.http://llgmicro.home.mindspring.com/ 12. http ://www .magpar.net/73 .http://nmag.soton.ac.uk/nmag/74.http://code.google.eom/p/mumax2/

63. Prinz G.A., Krebs J.J. Molecular beam epitaxial growth of single-crystal Fe films on GaAs//Appi. Phys. Lett. 1981 - V. 39 - P. 397 - 399.

64. Xu Y.T., Kernohan E.T.M., Freeland D.J., Tselepi M., Ercole A., Bland J.A.C. Structure and magnetic properties of epitaxial Fe films on GaAs (100) and InAs (100)//J. Magn. Magn. Mater. 1999 - V. 198 - P. 703 - 706.

65. Cheng Y.-T., Chen Y.-L., Meng W.-J. Formation of twins during epitaxial growth of a-iron films on silicon (111) //Phys. Rev. В 1993 - V. 48 - P. 14729-14732.

66. Yaegashi S., Kurihara Т., Sato K., Segawa Y. Epitaxial growth and magnetic properties of Fe films on Si substrates//IEEE Trans.Magn. 1994 - V. 30 - P. 4836 -4838.

67. Eustathopoulos N., Nicholas M.G., Drevet B. Wettability at High Temperatures//Pergamon Materials Series 1999 - V. 3

68. May U., Calarco R., Hauch J.O., Kittur H., Fonin M., Rudiger U., Guntherodt G. Characterization of epitaxial growth of Fe(l 10) on (11-20) sapphire substrates driven by Mo(llO) seed layers // Surf. Sci. 2001 - V. 489 - P. 144 - 150.

69. Fraune M., Hauch J.O., Guntherodt G., Laufenberg M., Fonin M., Rudiger U., Mayer J., Turban P. Structure-induced magnetic anisotropy in the

70. Fe(l 10)/Mo(l 10)/A1203(11-20) system//J. Appl. Phys. 2006 - V. 99 - P. 0339041- 033904-5

71. Roshchin I.V., Yu J., Kent, A.D., Stupian G.W., Leung M.S. Magnetic properties of Fe microstructures with focused ion beam-fabricated nano-constrictions // IEEE166

72. Trans. Magn. 2001 - V. 37 - P. 2101 - 2103.

73. Murphy S., Mac Mathuna D., Mariotto G., Shvets I.V. Morphology and strain-induced defect structure of ultrathin epitaxial Fe films on Mo (110)//Phys. Rev. B -2002 -V. 66 P. 195417-1 - 195417-10.

74. Malikov I.V., Mikhailov G.M. Electrical and structural properties of monocrystalline epitaxial Mo films, grown by LAD//J. Appl. Phys. 1997 - V. 82, - P. 5555 - 5559.

75. Shinjo T., Okuno T., Hassdorf R., Shigeto K., Ono T. Magnetic Vortex Core Observation in Circular Dots of Permalloy //Science 2000 - V. 289 - P. 930 - 932.

76. Hanson M., Johansson C., Nilsson B., Icberg P., Wappling R. Magnetic properties of two-dimensional arrays of epitaxial Fe (001) submicron particles// J. Appl. Phys. -1999 V. 85 - P. 2793 - 2799.

77. Hanson M., Kazakova O., Blomqvist P, Wappling R., Nilsson B. Magnetic domain structures in submicron-size particles of epitaxial Fe (001) films: Shape anisotropy and thickness dependence //Phys. Rev. B 2002 - V. 66 - P. 144419-1 - 144419-9.

78. Kim S.G., Otani Y., Fukamichi K., Yuasa S., Nyvlt M., Katayama T. Magnetic and transport properties of epitaxial Fe/Mg0(001) wires//J. Magn. Magn. Mater. 1999 -V. 198-199-P. 200-203.

79. Shigeto K., Okuno T., Mibu K., Shinjo T., Ono T. Magnetic force microscopy observation of antivortex core with perpendicular magnetization in patterned thin film of permalloy//Appl. Phys. Lett. 2002 - V. 80. - P. 4190 - 4192.

80. Barthelmess M., Pels C., Thieme A., Meier G. Stray fields of domains in permalloy microstructures Measurements and simulations//J. Appl. Phys. - 2004 - V. 95 - P. 5641 -5645.

81. Hirohata A., Xu Y.B., Bland A.C., Holmes S.N., Cambril E., Chen Y., Rousseaux F. Influence of crystalline structures on the domain configurations in controlled mesoscopic ferromagnetic wire junctions//.!. Appl. Phys. 2002 - V.91 - P. 7308 -7310.

82. Kent A.D., Yu J., Ruediger U., Parkin S.S.P. Domain wall resistivity in epitaxial thin film microstructures //J. Phys.: Condens. Matter 2001 - V. 13 - P. R461 -R488.

83. Yu J., Rudiger U., Thomas L., Parkin S.S.P., Kent A.D. Micromagnetics of mesoscopic epitaxial (110) Fe elements with nanoshaped ends//J. Appl. Phys. 1999 -V. 85 - P. 5501 -5503.

84. Yu J., Rudiger U., Kent A.D., Thomas L., Parkin S.S.P. Micromagnetism and magnetization reversal of micron-scale (110) Fe thin-film magnetic elements// Phys. Rev. B V. 60 - P. 7352 - 7358

85. Slonczewski J.C. Current-driven excitation of magnetic multilayers // J. Magn. Magn. Mater. 1996 - V. 159 - P. LI - L3.

86. Berger L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current// Phys. Rev. B 1996 - V. 54 - P. 9353 - 9358.

87. Yamaguchi A., Ono T., Nasu S., Miyake K., Mibu K., Shinjo T. Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires// Phys. Rev. Lett. 2004 - V. 92 - P. 07720544-1 - 07720544-4.

88. Shibata J., Tatara G., Kohno H. A brief review of field- and current-driven domainwall motion//J. Phys. D: Appl. Phys. 2011 - V. 44 - P. 384004 (1-18).

89. Jiang X., Thomas L., Moriya R., Parkin S.S.P. Discrete Domain Wall Positioning Due to Pinning in Current Driven Motion along Nanowires//Nano Lett. 2011 - V. 11 - P. 96- 100.

90. Thomas L., See-Hun Yang, Kwang-Su Ryu, Hughes B., Rettner C., Ding-Shuo Wang, Ching-Hsiang Tsai, Kuei-Hung Shen, Parkin S.S.P. Racetrack Memory: A high-performance, low-cost, non-volatile memory based on magnetic domain walls168

91. Electron Devices//IEEE International Meeting (IEDM) 2011 - P. 24.2.1 -24.2.4

92. Thomas L., Moriya R., Rettner Ch., Parkin S.S.P. Dynamics of Magnetic Domain Walls Under Their Own Inertia//Science 2010 - V. 330 - P. 1810-1811.

93. Binnig G., Quate C. F., Gerber Ch. Atomic force microscope//Phys. Rev. Lett. -1986 -V. 56-P. 930-933.

94. Binnig G., Gerber Ch., Stoll E., Albrecht T.R., Quate C.F. Atomic resolution with atomic force microscope//Europhys. Lett. 1987 - V. 3 - P. 1281-1286.

95. Handbook of Nanotechnology ed. by Bhushan B.// Springer 2004 - P. 348 -350.108. http://ntmdt.com/

96. Hartmann U. Magnetic force microscopy //Annual Review of Materials Science -1999 V. 29 - P. 53-87.

97. Ландау Л.Д., Лнфшиц Е.М. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел //Ландау Л.Д. Сб. трудов//М. Наука 1969 - Т.1. С. 128 -143.

98. Cimrak I. A Survey on the numerics and computations for the Landau-Lifshitz equation of micromagnetism//Archives of Computational Methods in Engineering -2007-V. 15 P. 1-37.

99. Займан Дж. Электроны и фононы // М. ИЛ 1962 - С. 404 - 420.

100. Zhang S., Li Z. Roles of nonequilibrium conduction electrons on the magnetization dynamics of ferromagnets//Phys. Rev. Lett. 2004 - V.93 - P. 127204-1 - 127204-4.

101. Thiaville A., Nakatani Y., Miltat J., Suzuki Y. Micromagnetic understanding of current-driven domain wall motion in patterned nanowires//Europhys. Lett. 20051691. V. 69 P. 990 - 996.

102. Vanhaverbeke A., Viret M. Simple model of current-induced spin torque in domain walls// Phys. Rev. В 2007 - V. 75 - P. 024411-1 - 024411-5.116. http://www.ctcms.nist.gov/fipy/117. http://www.zurich.ibm.com/st/magnetism/spintevolve.html

103. Овчинников Д.В., Бухараев A.A. Компьютерное моделирование магнитно-силовой микроскопии изображений в рамках статической модели распределения намагниченности и диполь-дипольного взаимодействия//Ж.Т.Ф. -2001 Т. 71 - С. 85-91.

104. Schwoebel R.L., Shipsey E.J. Step Motion on Crystal Surfaces// J. Appl. Phys. -1966- V.37-P. 3682 -3686.

105. Bruno P., Bayreuther G., Beauvillain P., Chappert C., Lugert G., Renard D., Renard J.P., Seiden. J. Hysteresis properties of ultrathin ferromagnetic films// J. Appl. Phys. 1990 - V.68 - P. 5759 - 5766.

106. Neel L. Base d'une nouvelle théorie générale du champ coercitif//Ann. Univ. Grenoble, 1947 - Y. 22 - P. 299-343.

107. СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

108. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Magnetic epitaxial nanostructures from iron and nickel//International Journal of Nanoscience. 2004 - V. 3. - № 1 &2.-P. 51-57.

109. Фомин JI.A., Маликов И.В., Винннченко В.Ю., Михайлов Г.М. Магнитное строение и магнетосопротивлепие эпитаксиальных микроструктур из железа: влияние формы и магнитной кристаллографической анизотропии", //Микроэлектроника 2008 - Т. 37 - № 5 - С. 1 - 14.

110. Malikov I.V., Fomin L.A., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial Fe films and structures//Proc. SPIE -2008- V. 7025 P. 70250U-1 -70250U-11.

111. Fomin L.A., Malikov I.V., Pyatkia S.V., Mikhailov G.M. The micromagnetic ground states in epitaxial Fe (001) microstructures//J. Magn. Magn. Mater. 2010 - V. 322 - P. 851 -857.

112. Mikhailov G.M., Fomin L.A, Vinnichenko V.Yu., Malikov I.V., Pyatkin S.V., Chernykh A.V., Complementary Auallysis of Epitaxial Fe (001) Films with Improved Electronic Transport and Magnetic Properties//Solid State Phenomena 2011 - V. 168— 169-P. 300-302.

113. Маликов И.В., Фомин JI.A., Михайлов Г.М. Влияние ультратонких покрытий на величину магнитного контраста в пленках ферромагнитных материалов//Материалы Межд. симп. "Нанофизика и наноэлектроника" Нижний Новгород 2005- Т. 1 - С. 186-187.

114. Fomin L.A., Malikov I.V., Chernykh A.V., Vinnichenko V.Yu., Mikhailov G.M. Epitaxial metallic nanostructures: nanotechnology, characterization and electron transpotr properties//New Nanotechnology Research NovaScience Publishers, Inc. -2006-P. 95-115.

115. I.V. Malikov, L.A. Fomin, V.Yu. Vinnichenko, G.M. Mikhailov., Epitaxial Fe films and nanostructures for magnetoelectronics//Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics" book of abstracts Zvenigorod - 2007 - P. p2-15.

116. Фомин JI.A., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Тонкая структура доменных границв МСМ измерениях//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" -Нижний Новгород 2008 - Т. 2 - С. 289-290.

117. Фомин JI.A., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Магнитосиловая микроскопия и микромагнитные расчеты эпитаксиальных микроструктур из железа во внешнем магнитном поле//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" Нижний Новгород - 2008 - Т. 2 - С. 287-288.

118. Фомин JI.A., Маликов И.В., Михайлов Г.М. Магнитное строение эпитаксиальных структур из Fe(001) в переходной области размеров//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника" Нижний Новгород - 2009 - Т. 2 - С. 517518.

119. Фомин Л.А., Михайлов Г.М., Маликов И.В., Калач К.М., Пяткин C.B. Изменение магнитного строения микроструктур Fe (001) под воздействием спинполяризованного тока//Труды Межд. симп. "Нанофизика и Наноэлектроника"- Нижний Новгород 2012 - Т. 1 - С. 173-174.