Efekty galwanomagnetyczne

T.Stobiecki, Katedra Elektroniki AGH

5 wykład 8.11.2004

Magnetorezystancja

Anizotropowa Magnetorezystancja AMR origin spin – orbit coupling (1960)

Gigantyczna Magnetorezystancja GMR 1986 – oscillatory interlayer exchange coupling in Fe/Cr/Fe

multilayers

P. Grünberg et al. Phys Rev.Lett. 57 (1986), 2442

1988 – GMR in Fe/Cr/Fe multilayers

M. N. Baibich,..., A.Fert,.. et.al. Phys Rev.Lett. 61 (1988), 2472

• Prawo Ohma

E = j

• zjawiska galwanomagnetyczne: tensor rezystywności zależy od pola magnetycznego

• część symetryczna (np. magnetoopór)

• część antysymetryczna (np. Efekt Halla)

k ik ij E) (B

kikiikik ss )(21

kikiikik aa )(21

• Prawo Ohma dla efektów galwanomagnetycznych

m = M / |M| mx = sin cos

my = sin sinmz = cos

• magnetorezystancja (przyrost rezystancji): -

E = j + ( - ) m • (m • j ) + (m j )

• Efekty galwanomagnetyczne w płaszczyźnie cienkiej

warstwy magnetycznej

• podłużny efekt magnetorezystancyjny

• Ex = jx + ( - )jx cos2

• poprzeczny efekt magnetorezystancyjny

• Kątowa zależność podłużnego efektu

magnetorezystancyjnego (AMR)

U = R i

U = R i

2cos

UUUU x

(M,j)

0 15 30 45 60 75 90 105

(Ux U

) / (U

U

)

0

1

50 nm Ni80Fe20

H = 0.11 T/

= 2.39 %

• Polowa zależność podłużnego efektu magnetorezystancyjnego

(AMR) • przemagnesowanie wzdłuż osi trudnej

(model jednodomenowy):

• jeżeli i || H to = więc

u

U

s HHHKM

/2

sin||

0

2

1

u

x

HH

UUUU

H [mT]

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0

(Ux

U) / (U

U

)

0

1

50 nm Ni80Fe20

0HU = 0.43 [mT]

Układy wielowarstwowe

ferromagnetyk

ferromagnetyknie-ferromagnetyk

duże polemałe pole

Układy wielowarstwowe• Antyrównoległą orientacje magnetyzacji

uzyskujemy dzięki Interlayer Exchange Coupling (IEC)

• IEC – oddziaływanie za pośrednictwem elektronów przewodnictwa nieferromagnetycznej przekładki

IEC

IEC vs.Magnetoresistivity

Układy wielowarstwoweWłasności IEC:

• Amplituda oscylacji maleje z grubością przekładki

• Okres oscylacji ( [nm]!!! ) zależy od pasmowej i krystalicznej struktury materiału przekładki

• Energia IEC zależy również od materiałów użytych jako warstwy F oraz przekładka

• Pole nasycenia zależy od stałej sprzężenia

• Przemagnesowanie warstw sprzężonych magnetycznie

• z modelu jednodomenowego wynika, że jeśli J<0 to:

HJ

tM S

2)cos()cos( 0

21

-10 -5 0 5 100

1

2

3

4

GM

R [

%]

H [mT]

Ni-

Fe

Cu

Ni-

Fe

Cu

ee

ee

R

R

Rozpraszanie spinowo - zale¿ne

Spinowa polaryzacja ferromagnetykaSpinowa polaryzacja ferromagnetyka

Gęstość stanów

Energia

d

s

Energia

d

s

Magnetyzacja

Energia

d

sSpin

EF

Spinowo zależne przewodnictwo Spinowo zależne przewodnictwo elektryczneelektryczne

M

Analogia do równoległego połączenia dwóch rezystancji

R duże

I

M

R małe

I

• Polowa zależność gigantycznej magnetorezystancji

• GMR jest tylko w układach wielowarstwowych, zależy od różnicy kątów namagnesowań

H [mT]-10 0 10

Ni-Fet=1.8/Cud=2.05

A-F

-1 0 1

H/HS

J= 0.6 [10-6 J/m2]0MS= 0.59[T]

a)

M/M

s [a

.u.]

21cos12

RRRR

2

SHH

RRR

-2 -1 0 1 20

1

2

3

4

5

-0.5 0.0 0.5

[Cr10/Fe30]x60+Cr8

R

/R [

%]

H/HS

H [T]

Oprócz wielkości GMR znaczenie ma również kształt charakterystyki R(H) oraz wartość pola nasycenia!

M(H) – liniowa

R(H) - paraboliczna

• GMR jest izotropowy względem kierunku prądu

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.60

1

2

3

4

5

0 45 90

0

1

2

3

4

5

[Cr10/Fe30]x60+Cr10

MR

[%

]

H [T]

k¹ t obrotu [o]

Hrot =

0.57 T MR

[%]

a)

b)

c)

Podsumowanie

• Anizotropowa magnetorezystancja AMR zależy od kąta pomiędzy wektorem namagnesowania a kierunkiem prądu.

• Gigantyczna magnetorezystancja GMR zależy od różnicy kątów wektorów namagnesowań warstw magnetycznych odseparowanych przekładką.

• Każdy efekt galwanomagnetyczny zależy od sposobu przemagnesowania warstwy.