МАГНИТОСОПРОТИВЛЕ́НИЕ

МАГНИТОСОПРОТИВЛЕ́НИЕ (маг­ни­то­ре­зи­стив­ный эф­фект), из­ме­не­ние удель­но­го элек­трич. со­про­тив­ле­ния про­вод­ни­ка (ме­тал­ла, по­лу­ме­тал­ла, по­лу­про­вод­ни­ка) под дей­ст­ви­ем маг­нит­но­го по­ля на­пря­жён­но­стью $H$:$$Δρ/ρ = (ρ_H - ρ)/ρ,$$где $ρ$ – удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние в от­сут­ст­вие маг­нит­но­го по­ля, $ρ_Н$ – удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние при на­ло­же­нии на про­вод­ник маг­нит­но­го по­ля на­пря­жён­но­стью $H$. Ве­ли­чи­на $|Δρ/ρ|$ не пре­вы­ша­ет 1, по­это­му для боль­шей ин­фор­ма­тив­но­сти час­то ис­поль­зу­ют др. оп­ре­де­ле­ние М.:$$Δρ/ρ_H = (ρ_H - ρ)/ρ_H,$$аб­со­лют­ная ве­ли­чи­на ко­то­ро­го не ог­ра­ни­че­на. Этим па­ра­мет­ром удоб­но поль­зо­вать­ся в том слу­чае, ко­гда М. дос­ти­га­ет боль­ших ве­ли­чин. Раз­ли­ча­ют про­доль­ное ($\boldsymbol j\, {||}\,\boldsymbol H$) и по­пе­реч­ное ($\boldsymbol j⊥ \boldsymbol H$) М., где $\boldsymbol j$ – плот­ность элек­трич. то­ка, про­те­каю­ще­го по про­вод­ни­ку.

М. – чёт­ное (сим­мет­рич­ное) галь­ва­но­маг­нит­ное яв­ле­ние. Осн. при­чи­на клас­сич. М. – ис­крив­ле­ние тра­ек­то­рий но­си­те­лей за­ря­да (элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти и ды­рок) в маг­нит­ном по­ле. В ря­де ве­ществ на­блю­да­ет­ся зна­чит. М., знак ко­то­ро­го мо­жет быть как по­ло­жи­тель­ным ($ρ$ уве­ли­чи­ва­ет­ся при на­ло­же­нии маг­нит­но­го по­ля), так и от­ри­ца­тель­ным ($ρ$ умень­ша­ет­ся при на­ло­же­нии маг­нит­но­го по­ля).

Колоссальное магнитосопротивление

(КМС) об­на­ру­же­но во 2-й пол. 20 в. в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках. Так, в мо­но­халь­ко­ге­ни­де EuSe с де­фи­ци­том Se ве­ли­чи­на $ρ$ па­да­ет на де­вять по­ряд­ков (от­ри­ца­тель­ное КМС) при на­ло­же­нии маг­нит­но­го по­ля на­пря­жён­но­стью 10 кЭ (8·10⁵ А/м). В эпи­так­си­аль­ной плён­ке ман­га­ни­та La_0,67Ca_0,33MnO₃ об­на­ру­же­но бо­лее чем 1000-крат­ное па­дение элек­трич. со­про­тив­ле­ния в маг­нит­ном по­ле на­пря­жён­но­стью 60 кЭ (4,8 × 10⁶ А/м) при темп-ре 77 К. Для срав­не­ния: в фер­ри­тах ве­ли­чи­на $Δρ/ρ$ не пре­вы­ша­ет 0,01%, в ме­тал­лах – 1%.

Рис. 1: а – магнитно-двухфазное изолирующее состояние вырожденного антиферромагнитного полупроводника (АФМ); голубым цветом обозначены ферромагнитные капли (ФМ), в которых сосредоточены носители...

Рис. 2. Температурная зависимость магнитосопротивления монокристалла Cd0,987In0,013Cr2Se4 в магнитных полях различной напряжённости.

КМС мо­жет быть объ­яс­не­но при­сут­ст­ви­ем в не­вы­ро­ж­ден­ных маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках осо­бых маг­нит­но-при­мес­ных со­стоя­ний – при­мес­ных фер­ро­нов (см. Маг­нит­ный по­ля­рон). Вы­ро­ж­ден­ный ан­ти­фер­ро­маг­нит­ный по­лу­про­вод­ник из-за силь­но­го s–d-об­ме­на (см. Кос­вен­ное об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие) раз­би­ва­ет­ся на об­лас­ти с фер­ро­маг­нит­ным по­ряд­ком, в ко­то­рых со­сре­до­то­че­ны но­си­те­ли за­ря­да (элек­тро­ны или дыр­ки), и об­лас­ти с ан­ти­фер­ро­маг­нит­ным по­ряд­ком, в ко­то­рых но­си­те­ли за­ря­да от­сут­ст­ву­ют (фа­зо­вое раз­де­ле­ние). Вы­ро­ж­ден­ный фер­ро­маг­нит­ный по­лу­про­вод­ник в ок­ре­ст­но­сти темп-ры Кю­ри Т_С со­держит фер­ро­маг­нит­ные об­лас­ти, в ко­то­рых со­сре­до­то­че­ны но­си­те­ли за­ря­да, и па­ра­маг­нит­ные об­лас­ти, в ко­то­рых они от­сут­ст­ву­ют. При не­вы­со­ком уров­не ле­ги­ро­ва­ния изо­ли­ро­ван­ные друг от дру­га фер­ро­маг­нит­ные об­лас­ти (фер­ро­маг­нит­ные ка­п­ли) рас­по­ла­га­ют­ся внут­ри изо­ли­рую­щей ан­ти­фер­ро­маг­нит­ной мат­ри­цы в ан­ти­фер­ро­маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках (рис. 1, а) или в изо­ли­рую­щей па­ра­маг­нит­ной мат­ри­це в фер­ро­маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках. При бо­лее вы­соком уров­не ле­ги­ро­ва­ния, на­обо­рот, изо­ли­рую­щие ан­ти­фер­ро­маг­нит­ные или па­ра­маг­нит­ные об­лас­ти рас­по­ла­га­ют­ся внут­ри про­во­дя­щей фер­ро­маг­нит­ной мат­ри­цы (рис. 1, б). В пер­вом слу­чае при на­ло­же­нии маг­нит­но­го по­ля про­ис­хо­дит уве­ли­че­ние ра­диу­сов фер­ро­маг­нит­ных об­лас­тей и упо­ря­до­че­ние их маг­нит­ных мо­мен­тов, что об­лег­ча­ет тун­не­ли­ро­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да ме­ж­ду эти­ми об­лас­тя­ми. Кро­ме то­го, маг­нит­ное по­ле име­ет тен­ден­цию к раз­ру­ше­нию фер­ро­маг­нит­ных об­лас­тей. Та­ким об­ра­зом, КМС в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках с не слиш­ком вы­со­ким уров­нем ле­ги­ро­ва­ния вы­зва­но в осн. уве­ли­че­ни­ем кон­цен­тра­ции но­си­те­лей за­ря­да и яв­ля­ет­ся от­ри­ца­тель­ным. Од­на­ко при темп-ре не­мно­го вы­ше Т_С, ко­гда на­маг­ни­чен­ность око­ло при­ме­сей мно­го мень­ше пре­дель­ной, при на­ло­же­нии внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля под­виж­ность но­си­те­лей за­ря­да умень­ша­ет­ся, а их кон­цен­тра­ция в за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го по­ля мо­жет как умень­шать­ся, так и уве­ли­чи­вать­ся, сле­до­ва­тель­но, мо­жет на­блю­дать­ся как от­ри­ца­тель­ное, так и по­ло­жи­тель­ное М. с из­ме­не­ни­ем зна­ка при не­ко­то­ром зна­че­нии на­пря­жён­но­сти по­ля, как, напр., в фер­ро­маг­нит­ном ле­ги­ро­ван­ном хром­халь­ко­ге­ни­де Cd_0,987In_0,013Cr₂Se₄ (рис. 2). Из­ме­не­ние под­виж­но­сти но­си­те­лей за­ря­да под дей­ст­ви­ем маг­нит­но­го по­ля зна­чи­тель­но сла­бее влия­ет на ве­ли­чи­ну М., чем из­ме­не­ние их кон­цен­тра­ции.

При­ро­да КМС в ман­га­ни­тах до кон­ца ещё не вы­яс­не­на. Как и в мо­но­халь­ко­ге­ни­дах Eu и хро­мо­вых халь­ко­ге­нид­ных шпи­не­лях она свя­за­на с маг­нит­ным фа­зо­вым раз­де­ле­ни­ем, ко­то­рое в ман­га­ни­тах ус­лож­ня­ет­ся су­ще­ст­во­ва­ни­ем Яна – Тел­ле­ра эф­фек­та, вы­зы­ваю­ще­го ло­ка­ли­за­цию но­си­те­лей, за­ря­до­вым и ор­би­таль­ным упо­ря­до­че­ни­ем и от­но­сит. мяг­ко­стью ре­шёт­ки, из-за ко­то­рой про­ис­хо­дит из­ме­не­ние её ти­па при из­ме­не­нии маг­нит­но­го по­ля, дав­ле­ния и темп-ры.

Ма­те­риа­лы с КМС мож­но при­ме­нять в разл. сен­со­рах и в пер­вую оче­редь в бес­кон­такт­ных счи­ты­ваю­щих го­лов­ках для за­по­ми­наю­щих уст­ройств. Из­вест­но, что плот­ность маг­нит­ной за­пи­си ог­ра­ни­че­на пло­ща­дью кон­так­та в кон­такт­ных счи­ты­ваю­щих го­лов­ках; бес­кон­такт­ное счи­ты­ва­ние яви­лось про­ры­вом в тех­но­ло­гии маг­нит­ной за­пи­си. Од­на­ко эф­фект КМС в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках на­блю­да­ет­ся в силь­ных маг­нит­ных по­лях на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 10 кЭ (8·10⁵ А/м), а для при­ме­не­ния в бес­кон­такт­ных счи­ты­ваю­щих го­лов­ках в жё­ст­ких дис­ках нуж­ны ма­те­риа­лы с КМС в маг­нит­ных по­лях на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка 1 Э (80 А/м).

Гигантское магнитосопротивление

Рис. 3. Атомные слои Fe и Cr в мультислойной структуре Fe/Cr:в отсутствие магнитного поля (а), в поле H=Hs (б). Стрелками указаны направления магнитных моментов атомов Fe.

(ГМС), дос­ти­гаю­щее бо­лее 50% в маг­нит­ных по­лях на­пря­жён­но­стью по­ряд­ка не­сколь­ких эр­стед, об­на­ру­же­но в ис­кус­ст­вен­но соз­дан­ных маг­нит­ных сверх­решёт­ках Fe/Cr нем. фи­зи­ком П. Грюн­бер­гом (1986) и А. Фе­ром (1988) (Но­бе­лев­ская пр., 2007). Ока­за­лось, что в сверх­ре­шёт­ках, со­стоя­щих из фер­ро­маг­нит­ных сло­ёв, раз­де­лён­ных слоя­ми не­маг­нит­но­го или ан­ти­фер­ро­маг­нит­но­го ме­тал­ла, маг­нит­ные мо­мен­ты со­сед­них фер­ро­маг­нит­ных сло­ёв ан­ти­фер­ро­маг­нит­но упо­ря­до­че­ны. Под дей­ст­ви­ем не­боль­шо­го маг­нит­но­го по­ля они упо­ря­до­чи­ва­ют­ся фер­ро­маг­нит­но, как по­ка­за­но на рис. 3; при этом на­блю­да­ет­ся ГМС. При оп­ти­ми­за­ции схе­мы «слой­ки» был изо­бре­тён «спи­но­вый вен­тиль», ко­то­рый ны­не ис­поль­зу­ет­ся в го­лов­ках жё­ст­ких дис­ков. В нём один из фер­ро­маг­нит­ных сло­ёв (напр., из Со или Со₉₀Fe₁₀) на­пы­лён на слой ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ка (напр., Mn₇₆Ir₂₄ или Mn₅₀Pt₅₀). Т. к. не­боль­шое внеш­нее маг­нит­ное по­ле не пе­ре­маг­ни­чи­ва­ет ан­ти­фер­ро­маг­не­тик, а со­сед­ний фер­ро­маг­нит­ный слой свя­зан с ним об­мен­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем, его на­маг­ни­чен­ность ока­зы­ва­ет­ся за­кре­п­лён­ной. Вто­рой же фер­ро­маг­нит­ный слой мо­жет быть сво­бод­но пе­ре­маг­ни­чен маг­нит­ным по­лем ма­лой на­пря­жён­но­сти по­ряд­ка 2–4 Э (160–320 А/м); при этом воз­ни­ка­ет ГМС.

Ме­ха­низм ГМС со­сто­ит в не­оди­на­ко­вом рас­сея­нии двух групп элек­тро­нов, раз­ли­чаю­щих­ся ори­ен­та­ци­ей спи­нов по от­но­ше­нию к на­прав­ле­ни­ям на­маг­ни­чен­но­сти рас­сеи­ваю­щих элек­тро­ны фер­ро­маг­нит­ных сло­ёв. При этом не­об­хо­ди­мо, что­бы сред­ние дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га для этих двух групп элек­тро­нов раз­ли­ча­лись. Та­кая си­туа­ция на­блю­да­ет­ся в 3d-фер­ро­маг­нит­ных ме­тал­лах. В ре­зуль­та­те элек­тро­ны со спи­ном, па­рал­лель­ным фер­ро­маг­нит­ным сло­ям при Н⩾Н_s, сла­бо рас­сеи­ва­ют­ся (Н_s – по­ле на­сы­ще­ния). На­обо­рот, элек­тро­ны со спи­ном, ан­ти­па­рал­лель­ным на­маг­ни­чен­но­сти, рас­сеи­ва­ют­ся силь­но и при Н=0 по­ни­жа­ют сум­мар­ный ток че­рез муль­тис­лой­ную струк­ту­ру. Та­ким об­ра­зом, вклю­че­ние маг­нит­но­го по­ля, пре­вы­шаю­ще­го Н_s, вы­зы­ва­ет эф­фект ГМС.

ГМС на­блю­да­ют так­же в гра­ну­ли­ро­ван­ных плён­ках и струк­ту­рах. В этих струк­ту­рах в не­маг­нит­ной ме­тал­лич. плён­ке рас­по­ла­га­ют­ся фер­ро­маг­нит­ные гра­ну­лы (напр., гра­ну­лы Со в плён­ке Сu). При Н=0 маг­нит­ные мо­мен­ты гра­нул ори­ен­ти­ро­ва­ны про­из­воль­ным об­ра­зом и элек­трич. со­про­тив­ле­ние мак­си­маль­но из-за рас­сея­ния на них но­си­те­лей за­ря­да. Ко­гда внеш­нее маг­нит­ное по­ле ори­ен­ти­ру­ет мо­мен­ты гра­нул по сво­ему на­прав­ле­нию, рас­сея­ние но­си­те­лей за­ря­да на маг­нит­ных мо­мен­тах гра­нул уменьша­ет­ся, вы­зы­вая эф­фект ГМС. Ис­поль­зо­ва­ние эф­фек­та ГМС при­ве­ло к рез­кому уве­ли­че­нию плот­но­сти за­пи­си на жё­ст­ких дис­ках.

Тун­нель­ное маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние (ТМС) об­на­ру­же­но в сис­те­мах, в ко­то­рых ме­сто про­во­дя­щей не­маг­нит­ной про­слой­ки за­ни­ма­ет тон­кий (тол­щи­ной 1–2 нм) слой ди­элек­три­ка. Со­про­тив­ле­ние та­кой маг­нит­ной сверх­ре­шёт­ки, из­ме­рен­ное в на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном её плос­ко­сти, силь­но за­ви­сит от от­но­сит. на­прав­ле­ния на­маг­ни­чен­но­сти сло­ёв бла­го­да­ря разл. ве­ро­ят­но­стям про­хож­де­ния но­си­те­лей за­ря­да с про­ти­во­по­лож­ны­ми ори­ен­та­ция­ми спи­на че­рез тун­нель­ный барь­ер. Так, для барь­е­ра из мо­но­кри­стал­лич. слоя MgO от­но­сит. из­ме­не­ние со­про­тив­ле­ния дос­ти­га­ет 500% при ком­нат­ной темп-ре. Об­на­ру­же­ние ТМС от­кры­ва­ет но­вые воз­мож­но­сти для раз­ра­бот­ки маг­нит­ной опе­ра­тив­ной па­мя­ти (MRAM), ко­то­рая наи­бо­лее под­хо­дит на роль уни­вер­саль­ной па­мя­ти.