10 h

Рис. 8.11. Изменише электрического сопротивления при намагничивании полем 574

8. МАГНИТНЫЕ И СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ S.U. Многослойнь. наосрь-Д

НОВ с разными направлениями спинов неодинакова - имеет место спин-зависимое рассеяние.

В спиновом клапане с антиферромагнитно-связанными слоями ферромагнетиков намагниченности этих слоев в отсутствие внешнего магнитного поля антипараллельны. Толщина немагнитного слоя (Ru) очень мала, меньше длины свободного пробега электрона, поэтому в рутении электроны практически не рассеиваются. Следовательно, электрон проводимости при протекании тока переходит из одного слоя в другой, с противоположным направлением намагниченности, и вероятность рассеяния электрона должна измениться. В этом случае спиновый клапан обладает повышенным сопротивлением. Если же к многослойному образцу приложить достаточно большое внешнее магнитное поле, то намагниченности ферромагнитных слоев установятся параллельно и сопротивление понизится. Рис. 8.11 показывает относительное изменение электрического сопротивления спинового клапана с приложением магнитного поля.

Для того чтобы спин-зависимое рассеяние определяло значительную часть сопротивления, слои должны быть тоньше, чем длина свободного пробега электрона в массивном материале (~ Ю нм для большинства ферромагнетиков).

Дополнительные данные о материалах металлических наноструктур, размерах слоев и последовательности их расположения приведены в табл. 8.14.

Создание высокочувствительных ГМР-головок чтения позволило избавиться от ограничения, налагаемого на плотность записи малым раз-

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

решением традиционных годовок. Бит информации в принципе может быть считан при размере порядка 10 нм. Поэтому для высокоплотной записи материалы должны быть нанокристаллическими. Но уже при размере частиц порядка нескольких десятков нанометров наблюдается суперпарамагнитный эффект - из-за тепловых колебаний вектор намагниченности мелкой частицы не способен сохранять свою ориентацию достаточно долгое время. Другими словами, термические флуктуации разрушают хранимую информацию. Казалось, что существует суперпарамагнитный барьер плотности записи, проводящий границу физически достижимого значения плотности записи (= 6 Гбит/см). В современных материалах для рабочего слоя жестких дисков ЭВМ такой барьер удалось преодолеть.

Ключ к созданию нанокристаллических материалов с повышенной температурной стабильностью хранения информации - многослойные антиферромагнитно-связанные структуры. Обычная запоминающая среда для рабочего слоя жестких дисков - это сплав CoPtCrB. Стабильность сплава повышается при использовании многослойной структуры с антиферромагнитной связью, обусловленной введением промежуточного слоя рутения толщиной в три атомных слоя. Последовательность расположения слоев в такой структуре имеет вид: CoPtCrB/Ru/CoPtCrB. Для получения высокой плотности записи должно быть мало произведение остаточной намагниченности на толщину рабочего слоя (Р~ (Л/5) ), но это приводит к уменьшению амплитуды сигнала воспроизведения. В случае антиферромагнитно-связанной структуры противоположные ориентации намагниченности делают всю структуру похожей на более тонкую, чем она есть в действительности. Формально это описывается введением эффективной магнитной толщины (Л/)зфф = (Л/8) - (MS)2, где индексы 1 и 2 относятся к ферромагнитным слоям с противоположной намагниченностью. Вследствие этого, антиферромагнитная связь позволяет добиться повыщения плотности записи без уменьшения физической толщины рабочего слоя 5. Результатом исследований фирмы IBM стал промышленный выпуск жестких дисков с поверхностной плотностью записи 4 Гбит/см на основе сплава с размером зерен 8,5 нм. В 2000 г. та же фирма продемонстрировала в лабораторном масштабе достижение плотности записи 5,4 Гбит/см.

В апреле 2000 г. исследователи из японской фирмы Fujitsu добились плотности записи на магнитный диск в 8,7 Гбит/см. Тем самым они обогнали, на тот момент, своего основного конкурента IBM. Новый способ, предложенный Fujitsu , предполагает использование дополни-

8 1(1АГНИТНЫЕ И СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

тельного кобальт-рутений-кобальтового подслоя, который является сложным ферромагнетиком и оказывает влияние на основной магнитный слой. Суть этого влияния состоит в повышении стабильности магнитных полей записываемого слоя и предотвращении спонтанного размагничивания и, следовательно, потери информации. Предложенная технология позволяет применить перпендикулярную запись и повысить плотность записи теоретически до 50 Гбит/см.

8.4. ФЕРРИТЫ

Ферритами называют магнитные материалы со структурой ионных кристаллов, которые относятся к большому классу нескомпен-сированных антиферромагнетиков, или ферримагнетиков. Ферриты представляют собой оксидные соединения, получаемые путем спекания оксидов железа (Ре20з) с оксидами других металлов. В отличие от металлических магнитных материалов ферриты обладают огромным электросопротивлением (до Ю Ом см) и большой скоростью перемагничивания, поэтому они широко применяются в качестве магнитных материалов, работающих при повышенньгх частотах, включая СВЧ-диа-пазон [6]. Простейшим ферритом является природный магнетит (Рез04), или феррит железа. Его структурную формулу можно записать как FeO FcjOj. Природный магнетит практически не используется как магнитный материал ввиду его невысоких магнитных свойств и низкого электросопротивления (10~ Ом см) из-за присутствия двухвалентных катионов Fe .

Классификация ферритов. По типу кристаллической решетки можно вьщелить четыре группы ферритов:

1) ферриты с кубической кристаллической решеткой типа минерала шпинели (MgAl204), которую можно представить в виде АВ2Х4 (здесь А -двухвалентный катион А , В - трехвалентный катион В , X - двухвалентный анион Х~);

2) ферриты с гексагональной кристаллической решеткой (гексафер-риты), среди которых есть два типа ферримагнетиков:

2.1) ферроксдюры со структурной формулой МО бРезОз (где М -один из двухвалентных металлов - Ва, Са, Sr или РЬ), которые обладают одним направлением легкого намагничивания, совпадающим с гексагональной осью, и являются магнитотвердыми ферритами;

2.2) феррокспланы со структурной формулой ВаО-МО-Ее20з, которые обладают плоскостью легкого намагничивания, перпендикулярной

гексагональной оси, и являются магнитомягкими высокочастотными магнетиками;

3) ферриты со структурой фаната (3R2O3 SFcjOj);

4) ферриты со структурой перовскита (RFeOj), где R - один из трехвалентных РЗМ-ионов).

Магнитомягкие ферриты со структурой шпинели

Ферриты с кубической решеткой шпинели являются наиболее многочисленной и широко применяемой в различных устройствах электронной техники группой ферритов. Их можно разделить на подгруппы, различаюшиеся между собой:

1) по двухвалентному катиону:

1.1) моноферриты (простые ферриты) со структурной формулой MO-FcjOj, где М - двухвалентные катионы Мп, Mg, N1, Си, Zn и другие;

1.2) биферриты (смешанные ферриты), содержащие двухвалентные катионы двух металлов, со структурной формулой м;Л/, Ре204;

2) по распределению катионов в кристаллической решетке:

2.1) ферриты с нормальной решеткой шпинели и структурной формулой M+2[Fe+2l04 означающей, что катионы М располагаются в тет-раэдрических порах кубической решетки, окруженные четырьмя анионами 0~ , а катионы Fe+ - в октаэдрических порах, окруженные шестью анионами О ;

2.2) ферриты с обращенной решеткой шпинели и структурной формулой Fe+3[M+2Fe+3]04;

2.3) ферриты с промежуточной решеткой шпинели и структурной формулой Fef M+2[Mf2Fef\]04.

В большинстве своем ферриты со структурой шпинели являются смешанными ферритами на основе марганцевого MnFe204, никелевого NiFe204, литиевого Li2Fe204 или магниевого MgFe204 ферритов. В качестве второго катиона могут быть катионы Mg, Zn, Ni, Си, Со, Мп и другие. В настоящем издании не представляется возможным рассмотреть все многообразие ферритов-шпинелей. Поэтому остановимся лишь на некоторых их особенностях на примере (Ni-Zn)-, (Mn-Zn)- и (Li-Zn)-ферритов.

При описании свойств различных марок ферритов приводят обычно четыре вида характеристик:

1) статические характеристики, которые позволяют оценить магнитные свойства ферритов в квазистационарных условиях;

Таблица S.15. Статические характеристики ферритов со структурой шпинели

2) частотные характеристики, которые позволяют оценить электромагнитные свойства ферритов при перемагничивании в переменньгх магнитных полях;

3) температурные характеристики, которые позволяют оценить температурную стабильность свойств ферритов;

4) амплитудные характеристики, которые позволяют оценить интервал рабочих магнитных полей.

Статические характеристики некоторых смешанных ферритов со структурой шпинели определяют по основной кривой намагничивания. Они включают начальную (Pq) и максимальную (p) магнитную проницаемость, коэрцитивную силу jH, остаточную (В) и максимальную индукцию В, которая достигается в поле = 30 Э (табл. 8.15).

Частотные характеристики представляют собой зависимости комплексной магнитной проницаемости (р = р - ур ) и тангенса угла потерь (tg5 = pVi от частоты перемагничивания /, которые называют магнитными спектрами. На рис. 8.12 в качестве примера показаны магнитные спектры Ni-Zn-ферритов. С увеличением частоты перемагничивания до некоторого значения (граничная частота f) проницаемость и тангенс угла потерь практически не изменяются, однако при некоторой частоте (различной для разных ферритов) начинается резкое снижение ц и увеличение ц и tg 5. Причины этих изменений связывают с резонансными явлениями при высокочастотном перемагничивании (ферромагнитный резонанс). Граничная частота определяет верхний частотный предел работы различных ферритов. Для Ni-Zn-ферритов - это до 10 МГц, для Mn-Zn-ферритов - до 1 МГц, для Li-Zn-ферритов - до 100 МГц.

Температурные характеристики представляют собой зависимость магнитной проницаемости от температуры (рис. 8.13). По этой характеристике определяют максимальную рабочую температуру Tq, при которой магнитная проницаемость оказывается не менее 0,8 от магнитной проницаемости при комнатной температуре. Для Ni-Zn-ферритов Т достигает 350 °С в зависимости от технологии синтеза ферритов, для Mn-Zn-ферритов - 180°С.