"Наноэлектронный" этап развития накопителей информации на магнитных дисках

Колоссальный магниторезистивный эффект

Значительный магниторезистивный эффект был выявлен также в частично замещенных манганитах лантана и других редкоземельных элементов со структурой типа перовскита. Их общая химическая формула , где – редкоземельный элемент, – атом металла с меньшей валентностью (напр., ). В некоторых из них при криогенных температурах магниторезистивный эффект неожиданно оказался на порядки величины более сильным, чем в слоистых сверхрешетках. Поэтому его назвали "колоссальным магнетосопротивлением" (англ. Colossal magnetoresistance – CMR).

Колоссальный магниторезистивный эффект наблюдается обычно в узком температурном диапазоне вблизи температуры Кюри, которая у некоторых материалов оказывается на уровне комнатной.

Одной из причин этого эффекта является то, что замена в некоторых кристаллических ячейках редкоземельного атома на атом с меньшей валентностью приводит к дополнительной ионизации соседнего атома марганца. Вместо иона в этих ячейках находится ион . А он имеет такую же самую внешнюю электронную оболочку, как ион . Спин неспаренного внешнего электрона создает возможность спонтанного самонамагничивания отдельных областей, – как в ферромагнетиках.

На рис. 10.10 слева показана простейшая кристаллическая решетка, состоящая из кубических ячеек, а справа – только ее подрешетка из ионов марганца, расположенных в центре каждой ячейки.

Рис. 10.10.

Ион , относительно которого мы проведем расчет, для наглядности выделен большим размером. Нетрудно подсчитать, что он имеет 26 соседних ионов марганца. Из них 6 ионов (на рисунке они средних размеров) удалены от центрального иона на расстояние (период кристаллической решетки), 8 ионов – на расстояние , 12 ионов – на расстояние . Относительное количество ионов в кристаллической решетке вещества состава , равно . При на расстоянии от иона находятся в среднем 2 иона , на расстоянии – в среднем 4 иона и на расстоянии – в среднем 3 иона . Значит, в ближайшем окружении иона расположено приблизительно еще 9 таких же ионов. Этого оказывается вполне достаточно для спонтанного намагничивания отдельных областей кристалла , как в ферромагнетиках. Кристалл сам собой разделяется на отдельные, хаотически ориентированные магнитные домены. В каждом домене концентрация свободных носителей заряда с ориентацией спина параллельно направлению намагниченности значительно больше, чем концентрация свободных носителей заряда с ориентацией спина в противоположном направлении. Но поскольку в соседних доменах направление намагниченности разное, то переход электронов проводимости из одного домена в другой затрудняется.

Поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля удельное сопротивление таких кристаллов является значительным. Если же появляется сильное внешнее магнитное поле, то намагниченность всех доменов переориентируется в его направлении, и переход электронов проводимости из домена в домен значительно облегчается. Удельное сопротивление быстро падает. Свой существенный вклад может вносить и туннельный магниторезистивный эффект на границах между кристаллическими зернами.

На рис. 10.11 показана зависимость удельного сопротивления тонкой пленки манганита от индукции магнитного поля (при 250 К). Как видим, удельное сопротивление здесь уменьшается в 12 раз уже при индукции магнитного поля около = 2 Тл. А при индукции = 6 Тл удельное сопротивление становится меньше на 3 порядка величины – приблизительно в тысячу раз.

Рис. 10.11.