Моделирование процессов формирования атомарной структуры сверхпроводящего спинового вентиля
Автор: Вахрушев А.В., Федотов А.Ю., Савва Ю.Б., Сидоренко А.С.
Статья в выпуске: 2, 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе рассматривается моделирование процессов формирования многослойного нанокомпозита, при комбинации элементов которого возникает эффект спинового вентиля. Описана актуальность и важность эффектов в области спинтроники и связанных с ними материалов и устройств. Объектом исследований являются состав и атомарная структура отдельных слоев многослойного нанокомпозита, а также состав и морфология интерфейса слоев нанокомпозита. В качестве образца анализировался образец с периодической структурой сверхпроводник - ферромагнетик, состоящей более чем из 20 чередующихся слоев ниобия и кобальта. Процесс осаждения происходил в условиях глубокого вакуума. Моделирование осуществлялось методом молекулярной динамики с использованием потенциала модифицированного метода погруженного атома. Формирование слоев производилось в стационарном режиме. Температура корректировалась при помощи термостата Нозе - Гувера. Осаждение каждой нанопленки завершалось этапом релаксации для необходимой стабилизации и перестройки структуры формируемого нанокомпозита. Рассматривалось три температурных режима осаждения: 300, 500 и 800 К. Для данных режимов выполнен анализ атомарной структуры нанопленок и переходных областей (интерфейса), образующихся между слоями. Исследование атомарной структуры нанопленок показало, что ниобий формируется кристаллическими областями различной ориентации. Для нанопленок кобальта характерно строение, близкое к аморфному. Структурные особенности интерфейса слоев сверхпроводник - ферромагнетик в значительной степени зависят от рельефа поверхности, на которую осуществляется осаждение. Наименьшую вариацию по атомарному составу имеет первая зона контакта ниобий - кобальт, так как формирование первой нанопленки происходит на ровной плоскости подложки. Анализ влияния температурного режима при формировании наносистемы свидетельствует о зависимости процессов формирования многослойных нанопленок, интерфейса нанослоев, а также состава и морфологии гетероструктур от температуры, при которой происходит изготовление нанокомпозита. Повышенная температура приводит к формированию более разреженной структуры нанослоев и увеличению зон интерфейса нанослоев за счет диффузии атомов напыляемых материалов.
Спиновый вентиль, математическое моделирование, молекулярная динамика, наноструктура, вакуумное напыление
Короткий адрес: https://sciup.org/146281989
IDR: 146281989 | УДК: 539.231+537.622 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.02
Modeling the processes of atom structure formation of a superconducting spin valve
The paper considers the modeling of a multilayer nanocomposite, the combination of elements of which gives rise to a spin valve effect. The relevance and importance of effects in the field of spintronics and related materials and devices are described. We study the composition and atomic structure of individual layers of a multilayer nanocomposite, as well as the composition and morphology of the interface of nanocomposite layers. We analyzed a sample with a periodic superconductor-ferromagnet structure consisting of more than 20 alternating layers of niobium and cobalt. The deposition process took place in a deep vacuum. The simulation was carried out by the molecular dynamics method using the potential of the modified immersed atom method. The formation of layers was carried out in a stationary mode. The temperature was adjusted using the Nose-Hoover thermostat. The deposition of each nanofilm ended with a relaxation stage for the necessary stabilization and restructuring of the formed nanocomposite. Three deposition temperature regimes were considered: 300 K, 500 K, and 800 K. For these modes, we analysed the atomic structure of nanofilms and transition regions (interface) formed between the layers. A study of the atomic structure of nanofilms showed that niobium is formed by crystalline regions of different orientations. A cobalt nanofilm is characterized by a structure close to amorphous. The structural features of the interface between the superconductor-ferromagnet layers largely depend on a relief of the surface onto which the deposition is made. The smallest variation in atomic composition is observed in the first niobium-cobalt contact zone, since the formation of the first nanofilm occurs on an even plane of the substrate. An analysis of the influence of the temperature regime during the formation of the nanosystem shows the dependence of the processes of formation of multilayer nanofilm formation, the interface of nanolayers, as well as the composition and morphology of heterostructures on the temperature at which a nanocomposite is manufactured. An increased temperature leads to the formation of a more rarefied structure of nanolayers and an increase in the zones of the interface of nanolayers due to the diffusion of atoms of the sprayed materials.
Список литературы Моделирование процессов формирования атомарной структуры сверхпроводящего спинового вентиля
- Калинкин А.Н., Скориков В.М. Пленки и монокристаллы BiFeO3 как перспективный неорганический материал для спинтроники // Журнал неорганической химии. – 2010. – Т. 55, № 11. – С. 1903–1919.
- Deminov R.G., Useinov N.Kh., Tagirov L.R. Magnetic and superconducting heterostructures in spintronics // Magnetic Resonance in Solids. – 2014. – Vol. 16, iss. 2. – P. 14209.1-9. DOI: 10.1016/j.jmmm.2014.02.033
- Joshi V.K. Spintronics: A contemporary review of emerg-ing electronics devices // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2016. – Vol. 19, iss. 3. – P. 1503–1513. DOI: 10.1016/j.jestch.2016.05.002
- Kirakosyan A.S., Pokrovsky V.L. From bubble to Skyrmion: Dynamic transformation mediated by a strong magnetic tip // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. –2006. – Vol. 305, iss. 2. – P. 413–422. DOI: 10.1016/j.jmmm.2006.01.113
- Суздалев И.П. Многофункциональные наноматери-алы // Успехи химии. – 2009. –Т. 78, № 3. – С. 266–301.
- ZnO spintronics and nanowire devices / S.J. Pearton, D.P. Norton, Y.W. Heo, L.C. Tien, M.P. Ivill, Y. Li, B.S. Kang, F. Ren, J. Kelly, A.F. Hebard // Journal of Electronic Materials. – 2006. – Vol. 35, iss. 5. – P. 862–868. DOI: 10.1007/BF02692541
- Magnetoelectric Devices for Spintronics / S. Fusil, V. Garcia, A. Barthelemy, M. Bibes // Annual Review of Materials Research. – 2014. – Vol. 44. – P. 91–116. DOI: 10.1146/annurev-matsci-070813-113315
- Zutic I., Fabian J., Das Sarma S. Spintronics: Fundamen-tals and applications // Rev. Mod. Phys. – 2004. – Vol. 76, iss. 2. – P. 323–410. DOI: 10.1103/RevModPhys.76.323
- Gomonay O., Jungwirth T., Sinova J. Concepts of antifer-romagnetic spintronics // Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters. – 2017. – Vol. 11, iss. 4. – P. 1770319.1-8. DOI: 10.1002/pssr.201700022
- Direct observation of the spin-dependent Peltier effect / J. Flipse, F. Bakker, A. Slachter, F.K. Dejene, B.J. van Wees // Nature Nanotechnology. – 2012. – Vol. 7, iss. 3. – P. 166–168. DOI: 10.1038/nnano.2012.2
- Dankert A., Dash S.P. Electrical gate control of spin cur-rent in van der Waals heterostructures at room temperature // Na-ture Communications. – 2017. – Vol. 8. – P. 16093.1-6. DOI: 10.1038/ncomms16093
- Metamaterial Platforms for Spintronic Modulation of Mid-Infrared Response under Very Weak Magnetic Field / G. Armelles, L. Bergamini, N. Zabala, F. García, M.L. Dotor, L. Torne, R. Alvaro, A. Griol, A. Martínez, J. Aizpurua, A. Cebollada // ACS Photonics. – 2018. – Vol. 5, iss. 10. – P. 3956–3961. DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00866
- Antiferromagnetic order in hybrid electromagnetic metamaterials / A.E. Miroshnichenko, D. Filonov, B. Lukyanchuk, Y. Kivshar // New J. Phys. – 2017. – Vol. 19. – P. 083013.1-8. DOI: 10.1088/1367-2630/aa6a33
- Sidorenko A.C. Reentrance phenomenon in superconduc-tor/ferromagnet nanostructures and their application in superconducting spin valves for superconducting electronics // Low Temp. Phys. – 2017. – Vol. 43, iss. 7. – P. 962–968. DOI: 10.1063/1.4995623
- Experimental observation of the triplet spin-valve effect in a superconductor-ferromagnet heterostructure / V.I. Zdravkov, J. Kehrle, G. Obermeier, D. Lenk, H.-A. Krug von Nidda, C. Mul-ler, M.Yu. Kupriyanov, A.S. Sidorenko, S. Horn, R. Tidecks, L.R. Tagirov // Phys. Rev. B. – 2013. – Vol. 87. – P. 144507.1-6. DOI: 10.1103/PhysRevB.87.144507
- Огнев А.В., Самардак А.С. Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. – 2006. – № 4. – С. 70–80.
- Магнитная анизотропия Co/Cu/Co пленок с косвенной обменной связью / А.В. Огнев, А.С. Самардак, Ю.Д. Воробьев, Л.А. Чеботкевич // Физика твердого тела. – 2004. – Т. 46, вып. 6. – С. 1054–1057.
- Tunable magnetization dynamics in artificial spin ice via shape anisotropy modification / T. Dion, D. Arroo, K. Yamanoi, T. Kimura, J. Gartside, L. Cohen, H. Kurebayashi, W. Branford // Physical Review B. – 2019. – Vol. 100, iss. 5. – P. 054433.1-11. DOI: 10.1103/PhysRevB.100.054433
- Tunable Magnetization Dynamics in Interfacially Modi-fied Ni81Fe19/Pt Bilayer Thin Film Microstructures / A. Ganguly, S. Azzawi, S. Saha, J.A. King, R.M. Rowan-Robinson, A.T. Hind-march, J. Sinha, D. Atkinson, A. Barman // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – P. 17596.1-8. DOI: 10.1038/srep17596
- A high-temperature ferromagnetic topological insulating phase by proximity coupling / F. Katmis, V. Lauter, F.S. Nogueira, B.A. Assaf, M.E. Jamer, P. Wei, B. Satpati, J.W. Freeland, I. Eremin, D. Heiman, P. Jarillo-Herrero, J.S. Moodera // Nature. – 2016. – Vol. 533, iss. 7604. – P. 513–516. DOI: 10.1038/nature17635
- Формирование слоев полуметаллов MnAs и MnP для структур спинтроники / Б.Н. Звонков, О.В. Вихрова, Ю.А. Да-нилов, Ю.Н. Дроздов, А.В. Кудрин, С.А. Левчук, Е.А. Пити-римова, М.В. Сапожников // Известия РАН. Серия: Физическая. – 2010. – Т. 74, № 1. – С. 23–25.
- Измерительно-ростовой комплекс для синтеза и исследования in situ материалов спинтроники / С.В. Рыхлицкий, В.А. Швец, Е.В. Спесивцев, В.Ю. Прокопьев, С.Г. Овчинников, В.Н. Заблуда, Н.Н. Косырев, С.Н. Варнаков, Д.В. Шевцов // Приборы и техника эксперимента. – 2012. – № 2. – С. 165–166.
- Two-carrier transport in epitaxially grown MnAs / J.J. Berry, S.J. Potashnik, S.H. Chun, K.C. Ku, P. Schiffer, N. Sa-marth // Phys. Rev. B. – 2001. – Vol. 64, iss. 5. – P. 052408.1-14. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.052408
- Эффект близости в сверхпроводящем триплетном спиновом клапане S1/F1/S2/F2 / Р.Р. Гайфуллин, В.Н. Кушнир, Р.Г. Деминов, Л.Р. Тагиров, М.Ю. Куприянов, А.А. Голубов // Физика твердого тела. – 2019. – Т. 61, вып. 9. – С. 1585–1588. DOI: 10.21883/FTT.2019.09.48093.21N
- Superconducting triplet spin valve / Ya.V. Fominov, A.A. Golubov, T.Yu. Karminskaya, M.Yu. Kupriyanov, R.G. De-minov, L.R. Tagirov // Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. – 2010. – Vol. 91, iss. 6. – P. 308–313. DOI: 10.1134/S002136401006010X
- Моделирование процессов формирования сверхпроводящего спинового вентиля на основе многослойной наноструктуры «сверхпроводник-ферромагнетик» / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов, Ю.Б. Савва, А.С. Сидоренко // Химическая физика и мезоскопия. – 2019. – Т. 21, № 3. – С. 362–374. DOI: 10.15350/17270529.2019.3.38
- Вахрушев А.В., Федотов А.Ю. Моделирование формирования композиционных наночастиц из газовой фазы Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. – 2007. – № 10 (54). – С. 22–26.
- Суворов C.В., Северюхин А.В., Вахрушев А.В. Моделирование взаимодействия фуллерита C60 с подложкой твердого тела // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 3. – С. 94–103. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.3.10
- Влияние размерных параметров пор на механизмы формирования нанопленочных покрытий на подложках по-ристого оксида алюминия / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов, А.В. Северюхин, Р.Г. Валеев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математическое моделирование и программирование». – 2017. – Т. 10, № 2. – С. 83–97. DOI: 10.14529/mmp170207
- Влияние фокусировки фононов на кнудсеновское течение фононного газа в монокристаллических нанопроводах из мате-риалов спинтроники / И.И. Кулеев, С.М. Бахарев, И.Г. Кулеев, В.В. Устинов // Физика металлов и металловедение. – 2017. – Т. 118, № 1. – С. 12–22. DOI: 10.7868/S001532301701003X
- Волегов П.С., Герасимов Р.М., Давлятшин Р.П. Мо-дели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 1: Потенциалы для однокомпонентных систем // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2017. – № 4. – С. 214–237. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.14
- Волегов П.С., Герасимов Р.М., Давлятшин Р.П. Мо-дели молекулярной динамики: обзор EAM-потенциалов. Часть 2. Потенциалы для многокомпонентных систем // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче-ского университета. Механика. – 2018. – № 2. – С. 114–132. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.2.11
- Multistate modified embedded atom method / M.I. Baskes, S.G. Srinivasan, S.M. Valone, R.G. Hoagland // Phys. Rev. B. – 2007. – Vol. 75, iss. 9. – P. 094113.1-16. DOI: 10.1103/PhysRevB.75.094113
- Baskes M.I. Modified embedded-atom potentials for cu-bic materials and impurities // Phys. Rev. B. – 1992. – Vol. 46, iss. 5. – P. 2727–2742. DOI: 10.1103/PhysRevB.46.2727
- Periodic Co/Nb pseudo spin valve for cryogenic memory / N. Klenov, Y. Khaydukov, S. Bakurskiy, R. Morari, I. Soloviev, V. Boian, T. Keller, M. Kupriyanov, A. Sidorenko, B. Keimer // Beilstein J. Nanotechnol. – 2019. – Vol. 10. – P. 833–839. DOI: 10.3762/bjnano.10.83
- Stamopoulos D., Aristomenopoulou E., Lagogiannis A. Co/Nb/Co trilayers as efficient cryogenic spin valves and supercurrent switches: the relevance to the standard giant and tun-nel magnetoresistance effects // Superconductor Science and Technology. – 2014. – Vol. 27, iss. 9. – P. 095008.1-13. DOI: 10.1088/0953-2048/27/9/095008
- Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // J. Comp. Phys. – 1995. – Vol. 117, iss. 1. – P. 1–19. DOI: 10.1006/jcph.1995.1039
- Hünenberger P.H. Thermostat algorithms for molecular dynamics simulations // Adv. Polymer. Sci. – 2005. – Vol. 173. – P. 105–149. DOI: 10.1007/b99427
- Kelchner C.L., Plimpton S.J., Hamilton J.C. Dislocation nucleation and defect structure during surface indentation // Phys. Rev. B. – 1998. – Vol. 58, iss. 17. – P. 11085–11088. DOI: 10.1103/PhysRevB.58.11085
