Моделирование процессов формирования атомарной структуры сверхпроводящего спинового вентиля

Моделирование процессов формирования атомарной структуры сверхпроводящего спинового вентиля

Автор: Вахрушев А.В., Федотов А.Ю., Савва Ю.Б., Сидоренко А.С.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

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.

Еще

Спиновый вентиль, математическое моделирование, молекулярная динамика, наноструктура, вакуумное напыление

Короткий адрес: https://sciup.org/146281989

IDR: 146281989   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.02

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
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp