Боринський В. Ю. Магнітні та резонансні властивості багатошарових наноструктур з антиферомагнітними компонентами

Дисертаційна робота присвячується дослідженню магнітостатичних та резонансних властивостей багатошарових структур з синтетичними та природніми антиферомагнітними компонентами за умов, коли їх лінійні розміри набувають порядків наномасштабу. Проводиться систематичний аналіз закономірностей зміни ключових магнітних властивостей плівкових гетероструктур Fe/[Cr/FeCr/Cr]n/Fe, Py/FeMn/[Cu/Py] та тришарових наноелементів Py/NiCu/Py в залежності від температури, будови та їх геометричних параметрів. Виявлені нові фізичні ефекти можуть бути використані для налаштування функціональних характеристик електронних пристроїв з такими компонентами. У Вступі (першому розділі) проводиться обґрунтування актуальності вибраної теми дисертаційного дослідження та надається загальна характеристика роботи. Другий розділ роботи ознайомлює читача з проблематикою обраної теми дисертаційного дослідження, існуючими науковими здобутками в сфері синтетичних антиферомагнетиків (САФ) та подальших перспективах їх застосування у якості компонент магнонних метаматеріалів, нейроморфних контактів та інших сучасних розробок наноелектроніки. У третьому розділі представляються фізичні засади основних методів, що використовувались для виготовлення зразків, вимірювання їх магнітних параметрів та аналізу результатів: метод магнетронного напорошення багатошарових структур, спектроскопія феромагнітного резонансу (ФМР) та підхід мікромагнітних моделювань. Також надаються технічні специфікації усіх досліджених у даній роботі зразків. У четвертому розділі досліджуються зміни магнітостатичних властивостей та характеру температурно-регульованого перемикання стану «феромагнетик-антиферомагнетик» САФ матеріалів у контексті переходу від двовимірних тонкоплівкових структур до латерально обмежених наноелементів. Перша частина розділу зосереджується на плівкових багатошарових структурах САФ Fe/[Cr/FeCr/Cr]n/Fe. Досліджується конкуренція між прямою та непрямою обмінною взаємодією, а також між непрямою взаємодією антиферомагнітного (АФМ) та феромагнітного (ФМ) типів, яка виникає у таких САФ завдяки магнітному фазовому переходу «феромагнетик-парамагнетик» сплаву FeCr. Показано, що використання композитного спейсера [Cr/FeCr/Cr]2 звужує температурний інтервал перемикання стану САФ від ≥100 К, типових для структур з однорідним спейсером FeCr, до 15 К. У другій частині розділу розглядаються масиви круглих планарних нанодисків САФ Py/NiCu/Py, для яких демонструється подібний механізм температурно-керованого перемагнічування, однак без непрямої обмінної взаємодії. Показано, що куполовидна форма наноелементів призводить до появи суттєвого залишкового моменту та подвійної петлі перемагнічування, коли САФ перебуває у дипольно зв’язаному АФМ стані. Дослідження, представлені у п’ятому розділі роботи, зосереджуються на вивченні особливостей магнітного стану двошарової плівкової системи Py/FeMn. У першій частині розділу досліджуються температурно- та товщинно-залежні процеси дисипації струму спінової накачки у структурах Py/FeMn(3–7 нм)/Cu/Py. Окрім традиційного внеску поглинання спінового струму в об’ємі АФМ шару, виявлено додатковий неоднорідний внесок, який пояснюється формуванням обмінної пружини в області інтерфейсу Py/FeMn, спричиненим конкуренцією між ефектом ФМ близькості та АФМ обміном у FeMn. Також представляється окреме дослідження ФМР двошарових плівкових структур Py/FeMn(3–7 нм). Продемонстровано можливість майже десятикратного ізотропного збільшення частоти ФМР за кімнатної температури, яке зумовлюється обертовою анізотропією у тонкому АФМ шарі FeMn(3 нм). Проведені за допомогою модифікованого рівняння Кіттеля розрахунки дозволяють порівняти альтернативні механізми прискорення динаміки сусіднього ФМ шару. Шостий розділ дисертації присвячується систематичному вивченню специфіки спін-хвильової динаміки просторово обмежених наноелементів САФ, латеральні розміри яких наближаються до порядку обмінної довжини. В рамках мікромагнітної моделі відтворено експериментальні умови, за яких у поодинокому перпендикулярно намагніченому нано-САФ збуджуються коливання однорідної моди та двох вибраних мод вищих порядків. У другій частині досліджується ФМР масивів планарно намагнічених нанодисків САФ Py/NiCu/Py з номінальним діаметром 150 нм. Показано, що асиметрія внутрішньої дипольної взаємодії куполовидних наноелементів призводить до розщеплення граничної моди на коливання акустичного та оптичного типів – ефекту, яким можливо керувати за рахунок фазового переходу спейсера NiCu. Третя частина розділу розглядає аналогічні масиви нано-САФ, однак еліпсоподібної форми та вдвічі меншого розміру. У таких наноелементах виявлено збудження єдиної виродженої моди. Мікромагнітні розрахунки відтворюють анізотропну поведінку цієї моди та вказують на те, що її просторова структура є результатом суперпозиції коливань центральної та граничної стоячих спінових хвиль.