Использование термоиндуцированного магнитоупругого эффекта для переключения намагниченности микрочастиц

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00085

НазваниеИспользование термоиндуцированного магнитоупругого эффекта для переключения намагниченности микрочастиц

Руководитель Бухараев Анастас Ахметович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-705 - Энергосберегающие технологии для суперЭВМ

Ключевые слова магнитоупругий эффект, микрочастицы, нанолитография, магнитно-силовая микроскопия, микромагнитное моделирование, анизотропное расширение, стрейнтроника, запись информации, энергосберегающие технологии

Код ГРНТИ47.09.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблемы энергоэффективности микроэлектронных устройств всегда стояли перед учеными-исследователями и инженерами, работающими в этой отрасли. Одним из методов на пути решения этой проблемы, который уже находит свое применение, является HAMR - метод термоассистируемой магнитной записи информации (Heat-Assisted Magnetic Recording). Нагрев ферромагнитной частицы импульсным лазерным излучением с использованием фокусирующей ближнеполевой оптики позволяет существенно увеличить плотность записи (в перспективе до 8 Тбит/кв.см). Однако необходимое снижение коэрцитивной силы частицы, достаточное для ее перемагничивания локальным магнитным полем записывающей головки, возможно если частица с однородной или квазиоднородной наманиченностью будет нагрета до температуры не ниже 75% от ее температуры Кюри, что может составлять сотни градусов. Высокие температуры требуют существенных энергозатрат при записи информации и приводят к снижению помехоустойчивости за счет термофлуктуаций. Для управления намагниченностью микрочастиц можно использовать не только внешнее магнитное поле, но и магнитоупругий эффект. Создавая в частице одноосные механические напряжения, можно снизить ее коэрцитивную силу и изменять направление намагниченности без приложения внешнего поля, что позволяет существенно улучшить энергоэффективность таких устройств. Данное направление исследований получило название стрейнтроника (от английского слова «strain» - напряжение). В 2020 году нами впервые экспериментально было показано [D. A. Bizyaev, A. A. Bukharaev, et al., // Physica Status Solidi - Rapid Research Letters. 2020, 2000256. DOI: 10.1002/pssr.202000256], что управлять структурой намагниченности в планарных многодоменных квадратных микрочастицах CoNi на подложке кристалла ниобата лития можно за счет термоиндуцированного магнитоупругого эффекта путем нагрева или охлаждения такой структуры. Изменение температуры образца всего на несколько десятков градусов приводит к тому, что за счет заметно отличающихся вдоль разных осей монокристалла коэффициентов термического расширения в ферромагнитных частицах индуцируется магнитоупругая анизотропия, за счет которой возможно существенное снижение поля переключения намагниченности планарных частиц внешним магнитным полем. В частности, было показано, что в частицах Co18Ni82 размером 7.5×7.5×0.03 µm, сформированных на поверхности LiNbO3 за счет небольшого изменения температуры образца (с 320 до 350 K) можно более чем в три раза уменьшить поле переключения микрочастиц (от 7.5 до 2 mT). На основании вышеизложенного, можно предположить, что если микрочастица нанометровой толщины будет сформирована на пьедестале с анизотропным коэффициентом термического расширения, то может потребоваться cущественно меньшая энергия для перемагничивания микрочастицы комбинированным воздействием импульсного лазерного излучения и магнитным полем записывающей головки. Другими словами, не потребуется нагревать ферромагнитную микрочастицу лазерным излучением до температуры, близкой к температуре Кюри, так как ее коэрцитивная сила будет снижена за счет термоиндуцированного магнитоупругого эффекта, и это даст ожидаемый выигрыш в энергии. Основной задачей проекта является теоретическое и экспериментальное определение оптимальной формы, размера и состава планарной частицы, для которой за счет термоиндуцированного магнитоупругого эффекта можно уменьшить внешнее магнитное поле, необходимое для переключения направления квазиоднородной намагниченности. Также предполагается поиск новых подложек с анизотропными коэффициентами температурного расширения, в частности, интересным представляется поиск подложек, имеющих температуру фазового перехода кристаллической структуры на несколько десятков градусов выше комнатной. С помощью микромагнитного моделирования будет выполнена оценка возможного выигрыша в энергии в методе HAMR на основе термоиндуцированного магнитоупругого эффекта по сравнению с классическим методом HAMR.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бизяев Д.А., Бухараев А.А., Морозова А.С., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П. Использование сканирующей зондовой литографии для формирования планарных микрочастиц с конфигурационной анизотропией Журнал технической физики, том 93, вып. 7, 2023 г. стр. 913-919 (год публикации - 2023)
10.21883/JTF.2023.07.55745.56-23

2. Бизяев Д.А., Чукланов А.П., Нургазизов Н.И., Бухараев А.А., Термоиндуцированное переключение намагниченности субмикронных Ni частиц, сформированных на монокристаллическом триборате лития Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики, т.118, в. 8, с. 602 – 608 (год публикации - 2023)

3. Бизяев Д. А., Нургазизов Н.И., Бухараев А.А., Чукланов А.П., Ахматханов А.Р., Шур МСМ-исследования магнитной структуры Ni-микрочастиц с конфигурационной анизотропией Труды XXVII Международного симпозиума Нанофизика и наноэлектроника, т.1, стр.353-354 (год публикации - 2023)

4. Морозова A.С., Бизяев Д. А., Бухараев А.А., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П. Создание методом сканирующей зондовой литографии никелевых микрочастиц с конфигурационной анизотропией Труды XXVII Международного симпозиума Нанофизика и наноэлектроника, т.1, стр. 393-394 (год публикации - 2023)

5. Бизяев Д. А., Бухараев А.А., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П. Controlling the switching field of a submicron particle by means of thermally induced magnetoelastic effect Abstracts of the International conferences “Modern development of magnetic resonance” and “Spin physics, spin chemistry, and spin technology”, p. 198-199 (год публикации - 2023)

6. Бизяев Д. А., Бухараев А.А., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П Thermally magnetization switching in rectangular submicron Ni particles on Lithium Triborate Abstract book International conference "Materials Science and Nanotechnology", p. 65-66 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучалось влияние термоиндуцированного магнитоупругого эффекта на поле переключения намагниченности планарных Ni частиц микронного размера, обладающих конфигурационной анизотропией. Под полем переключения частицы (Bsw) понималось такое значение внешнего магнитного поля, при котором направление квазиоднородной намагниченности изменялось на противоположное. Методами компьютерного моделирования определены оптимальные размеры (268×134×30нм) эллиптических частиц, которые могут быть использованы в запоминающих устройствах, основанных на применении упругих деформаций и внешних магнитных полей для записи и перезаписи магнитного состояния. Для сохранения записанного состояния необходимо прикладывать деформацию сжатия вдоль длинной стороны частицы. Для перезаписи состояния на противоположное необходимо вдоль этой же стороны прикладывать деформацию растяжения. При таких размерах плотность энергии частицы наименьшая из исследованных, и на перезапись будет затрачиваться меньшее количество энергии, чем при других размерах. В проекте не ставилась задача экспериментального исследования эллиптических частиц, так как используемый нами метод литографии не позволял формировать частицы заданной формы с размерами менее 400 нм. Значительная доля работ по проекту а 2024 году была посвящена получению Ni частиц заданных размеров и формы на поверхности монокристаллического трибората лития (LiB3O5, далее LBO). Исследовалось три типа частиц Ni толщиной 30 нм с конфигурационной анизотропией: 1-го типа - размером 0.9 × 0.3 мкм (близкие по форме к прямоугольным); 2-го и 3-го типа частицы, латеральные размеры которых можно охарактеризовать длиной стороны квадрата, в который такая частица может быть вписана. Этот размер составлял 1.1 мкм. У частиц 2-го типа степень вогнутости сторон (Concave Side) была небольшой – (далее CS-частицы). Частицы -3 го типа имели крестообразную форму - далее X-частицы. Плоскость LBO для формирования частиц была образована кристаллическими осями x и z. Kоэффициент термического расширения LBO вдоль оси x в 3 раза превышает коэффициент термического расширения вдоль оси z. На основе совпадения смоделированных и экспериментальных МСМ изображений был сделан вывод о том, что в частицах действительно наблюдается квазиоднородное распределение намагниченности и под действием внешнего поля происходит переключение направления намагниченности. Численное моделирование показало, что верхний латеральный размер X-частицы, которая сохраняет квазиоднородную намагниченность составляет 500 нм. Ширина луча при этом составляет примерно 130 нм. Сканирующая зондовая литография (СЗЛ) и магнитно-силовая микроскопия (МСМ) осуществлялась с помощью сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) Ntegra. СЗЛ была проведена с помощью алмазных зондов «D300» (SCDprobes). Для проведения МСМ измерений во внешнем магнитном поле использовался интегрированный в СЗМ постоянный магнит, который позволял создавать в плоскости образца магнитное поле до 0.08 T. СЗМ был также оборудован температурной ячейкой, которая позволяла нагревать образец от комнатной температуры до 150 ℃. Согласно полученным данным, в частицах 1-го типа, за счет выбора направления, действующего на частицу одноосного механического напряжения, можно снижать или увеличивать величину Bsw. Термоиндуцированное растяжение частиц под углами 60° - 90° к их длинной стороне и приложение внешнего магнитного поля под углом 0° - 30° к их длинной стороне приводит к увеличению поля переключения частиц. Термоиндуцированное растяжение частиц под углами 0° - 40° к их длинной стороне и приложение внешнего магнитного поля под углом 50° - 90° к их длинной стороне приводит к снижению поля переключения частиц. В остальном диапазоне углов термоиндуцированные напряжения слабо влияют на поле переключения частиц. Наиболее сильное снижение поля переключения частиц наблюдается, если длинная сторона частицы параллельна направлению термоиндуцированного растяжения, а направление внешнего поля перпендикулярно ей. При этом Bsw снижается в 3.36 раза (с 47 до 14 mT) при изменении температуры подложки на 25 ℃ (с 30 до 55 ℃). У прямоугольных частиц, сформированных под углами 0°, 20°, 50° и 65° к оси z кристалла, после выключения магнитного поля и снятия наведенных деформаций (т.е. при температуре 35 ℃) наблюдался поворот направления намагниченности из состояния вдоль внешнего магнитного поля до состояния вдоль оси легкого намагничивания частиц, обусловленной их анизотропией формы. За счет этого полученная намагниченность отличалась от начальной на ≈180°. Экспериментально показано, что при изменении температуры структуры на ±20 ℃ относительно температуры формирования частиц (50 ℃) наблюдается как уменьшение, так и увеличение поля переключения CS и X частиц. Это обусловлено наводимой в них магнитоупругой анизотропией, индуцируемой при изменении температуры, за счет разности в коэффициентах теплового расширения подложки по разным кристаллическим осям. Компьютерное моделирование показало, что увеличение или уменьшение Bsw существенно зависит от ориентации наведенных деформаций относительно длинной стороны частиц 1-го типа. При ориентации частицы под углом 30°, наведенные деформации не влияют на изменение величины поля переключения. При угле 50° наблюдается локальный минимум, при котором достигается наименьшая величина Bsw. Как и на эксперименте, максимальное изменение в разности полей переключения (ΔBsw) наблюдается при угле 90°. Таким образом продемонстрировано, что квазиоднородная структура намагниченности в Ni частицах может сохраняться при размерах, заметно превышающих радиус однодоменного состояния за счет конфигурационной анизотропии. Было показано, что даже небольшое изменение температуры образца, состоящего из монокристаллической подложки с разными коэффициентами теплового расширения и сформированных на ней ферромагнитных частиц с конфигурационной анизотропией и квазиоднородной структурой намагниченности, может приводить к существенному изменению поля переключения таких частиц. Компьютерное моделирование и нагрев образцов, состоящих из квазиоднородно намагниченных частиц c конфигурационной на поверхности кристалла трибората лития, показали, что индуцируемого в этом случае только термоиндуцированного магнитоупругого эффекта (без дополнительного внешнего поля) недостаточно для переключения направления намагниченности на 180°. URL: https://journals.rcsi.science/0370-274X/article/view/247058

Публикации

1. Бизяев Д.А., Чукланов А.П., Нургазизов Н.И., Бухараев А.А., Кудрявцева Е.О. Магнитоупругий эффект в субмикронных частицах Ni, сформированных на поверхности кристалла трибората лития Физика твердого тела, вып. 6, том 66, стр . 913-920 (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.06.58247.18HH

2. Бизяев Д.А., Бухараев А.А., Морозова А.С., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П. Использование монокристаллических подложек и термоиндуцированного магнитоупругого эффекта для снижения поля переключения Ni-микрочастиц Труды XXVIII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 11 - 15 марта 2024 года, Нижний Новгород. , т.1, стр 299-300 (год публикации - 2024)

3. Бухараев А.А., Бизяев Д.А., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П. Влияние термоиндуцированного магнитоупругого эффекта на переключение намагниченности в Ni частицах с конфигурационной анизотропией Письма в Журнал технической физики (год публикации - 2025)

4. Бизяев Д.А., Бухараев А.А., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П. Влияние термоиндуцированного магнитоупругого эффекта на поле переключения микрочастиц, имеющих конфигурационную анизотропию Тезисы XXV Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ- XXV-2024) , 01-06 июля, Москва, т.1, стр. 236-237 (год публикации - 2024)

5. Бизяев Д.А., Чукланов А.П., Нургазизов Н.И., Бухараев А.А., Кудрявцева Е.О. Магнитоупругий эффект в субмикронных частицах Ni, сформированных на поверхности кристалла трибората лития Труды XXVIII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 11 - 15 марта 2024 года, Нижний Новгород., т.1, стр.173-174 (год публикации - 2024)

6. Бухараев А.А., Бизяев Д.А., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П. Influence of the thermally induced magnetoelastic effect on magnetization switching in Ni microparticles with configuration anisotropy Book of Abstracts International Conference “Magnetic Resonance – Current State and Future Perspectives” (EPR-80) Kazan. September 23–27, 2024, p. 47-48 (год публикации - 2024)