Хорошо известно, что в магнитных материалах возникает доменная структура, и этой структурой можно управлять с помощью магнитного поля – на данном принципе основаны все виды магнитной записи информации.

Однако в последнее время стали появляться сообщения [1–3], что доменами можно управлять и электрическим полем. В настоящее время для магнитной записи информации используются магнитные поля, создаваемые электрическими токами в катушках магнитных головок жестких дисков или в проводящих шинах магнитной памяти произвольного доступа MRAM. С одной стороны, повышение плотности записи информации требует уменьшения размеров доменов, но чем меньше размер доменов, тем более они подвержены тепловым флуктуациям, и чтобы избежать случайного перемагничивания, необходимо использовать материалы с большими пороговыми магнитными полями переключения, а значит, нужны большие токи в проводниках. С другой стороны, при миниатюризации устройств необходимо уменьшать и поперечные размеры проводников. Оба этих фактора, взятые вместе, приводят к недопустимому увеличению плотности электрического тока в материале проводника, и, как следствие, перегреву и деградации устройства.

Всех этих проблем можно избежать в схемах, не привлекающих электрические токи, используя непосредственное действие электрического поля на магнитные свойства материала, как это происходит в магнитоэлектриках. Препятствием на пути практического использования магнитоэлектриков являются низкие температуры, при которых проявляются магнитоэлектрические свойства, поэтому приведенные ниже сообщения примечательны еще и тем, что все эффекты наблюдаются при комнатных температурах.

На рис. 1 показано действие на магнитную структуру электрического поля, создаваемого электродом (заостренной медной проволокой), касающимся диэлектрической поверхности эпитаксиальных пленок ферритов со структурой граната (далее гранат) (рис.1а) [1]. Положительный относительно подложки пленки потенциал на игле электрода вызывает притяжение доменной стенки к электроду (рис. 1b), отрицательный – отталкивание. При снятии напряжения доменная граница, подобно оттянутой струне, возвращается в исходное положение равновесия. Впрочем, далеко не всегда изменения, вызываемые таким «электрическим иглоукалыванием» обратимы – в некоторых случаях доменные границы застывают в новых положениях, подтверждая возможность записи информации с помощью электрического поля. Хотя явление наблюдается при высоких напряжениях (~1.5 кВ), эффект заметен уже при сотне вольт. Также ожидается, что при уменьшении радиуса кривизны электрода до нанометровых размеров управляющие напряжения уменьшатся до величин порядка одного вольта.

Рис. 1. a) Геометрия эксперимента: электрическое напряжение прикладывается между заостренным электродом 1 и контактом на подложке 2 (в слое граната показана микромагнитная конфигурация: два домена разделены доменной границей); b) притяжение доменной границы к положительно заряженному электроду (магнитооптическое изображение пленки граната в проходящем свете: темные линии – границы между доменами) 1– электрод, 2 – доменная граница [1]

Меньших управляющих напряжений (~10 В) удалось достичь в композитных материалах, представляющих собой «сэндвичи» из множества слоев (рис.2а), включающих кремниевую подложку, платиновые электроды, пластинку пьезоэлектрика и магнитную пленку поверх всей структуры. При подаче напряжения 10 В между электродами пластинка пьезоэлектрика деформировалась, и в магнитной пленке возникали механические напряжения, которые вследствие явления магнитострикции приводили к перестройке микромагнитной структуры образца (рис. 2b). При снятии напряжения доменный узор возвращался к исходной конфигурации.

Рис. 2. Действие электрического поля на магнитные домены в композитном материале [2]: a) поперечный разрез структуры – слой пьезоэлектрика (цирконат-титанат свинца (PZT)), зажатый между двумя платиновыми электродами, расположен на пластинке кремния (Si wafer), на верхний платиновый электрод осаждена 100-нанометровая пленка никеля; b) изменение микромагнитной структуры пленки Ni под действием электрического напряжения 10 В, приложенного между электродами (изображение получено с помощью магнитного силового микроскопа, темные и светлые области – домены различной полярности)

В отличие от первого случая, в котором магнитными и электрическими свойствами обладал один и тот же кристалл, в случае композитного материала электрическая и магнитная подсистемы пространственно разделены, а их взаимодействие определяется качеством поверхностей раздела слоев. Шероховатая поверхность приводит к довольно сложной конфигурации магнитных полей рассеяния. Этим и объясняется замысловатый характер доменных структур в магнитной пленке композита (рис. 2b), а также тот факт, что в различных областях образца магнитная структура изменяется по-разному. Поэтому было сложно предсказать заранее, как именно она себя поведет.

Значительно лучших результатов в плане контроля поверхностей удалось достичь при изготовлении гетероструктур на основе магнитоэлектрика феррита висмута BiFeO₃ (BFO) и ферромагнитного сплава Co_0.9Fe_0.1 (CoFe) [3]. В них удается управлять намагниченностью CoFe с помощью электрического поля, приложенного к BFO (рис. 3a). К этому результату исследователи шли не один год (см. ПерсТ 13, вып.10, 2006), поскольку феррит висмута давно известен как материал, обладающий сегнетоэлектрическим и антиферромагнитным упорядочением при комнатных температурах.

Проблема состоит в том, что магнитные моменты антиферромагнитных подрешеток практически полностью компенсируют друг друга и суммарная намагниченность BFO невелика (~5 Гс). Усилить ее можно путем напыления поверх кристалла феррита висмута слоя ферромагнетика CoFe, обменно-связанного с ним: переключая электрическим полем электрическую поляризацию феррита висмута и меняя, тем самым, оси анизотропии, можно поворачивать спины антиферромагнитных подрешеток, а значит, посредством обменной связи слоев управлять большой намагниченностью (1500 Гс) в слое CoFe. На рис. 3a показано действие электрического поля на микромагнитную структуру CoFe: после воздействия электрического поля преобладающий контраст меняется с темного на светлый, что означает поворот в плоскости пленки средней намагниченности на 90 градусов. Можно видеть, что полного контроля не удается добиться и здесь: слой ферромагнетика разбит на мелкие домены неправильной формы, и можно говорить лишь о переключении средней намагниченности. Кроме того, поля переключения достаточно велики (порядка 100 кВ/см).

Рис. 3. a) Поперечный разрез структуры: электрическое поле в феррите висмута BiFeO₃ создается между электродами из SrRuO₃, на кристалле BiFeO₃ располагается слой ферромагнетика CoFe и защитный слой (capping layer); b) магнитооптические изображения в рентгеновских лучах начального состояния и микромагнитной конфигурации после воздействия электрического поля: намагниченность в плоскости пленки CoFe поворачивается на 90 градусов [3]

В этой заметке были приведены результаты первых опытов в области управления микромагнитной структурой с помощью электрического поля. Несомненно, за ними последуют и другие, в которых будут достигнуты меньшие управляющие напряжения в однофазных кристаллах или лучшая воспроизводимость результатов в композитах и гетероструктурах, и, возможно, в недалеком будущем сама концепция магнитной записи претерпит существенные изменения.

Автор – А. Пятаков

• 1. А.С. Логгинов и др., Письма в ЖЭТФ 86, 124 (2007)
• 2. Tien-Kan Chung et al, Appl. Phys. Lett., 92, 112509 (2008)
• 3. Ying-Hao Chu et al, Nature Mater., Adv. Online Publication (27 April 2008)