Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

Ф₀ = hс / 2q= 2,07 ∙ 10^-15 Вб. (5.3)

Прикладывая к вихрю внешнюю силу (сила Лоренца), можно перемещать вихрь в плоскости пленки. Особый интерес представляет использование флуксонов в пленках высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

5.1.2. Континуальные среды

При выборе континуальных сред руководствуются условием максимальной эффективности возбуждения заданного типа динамической неоднородности. Первые ЦМД приборы изготавливались на редкоземельных ортоферритах с общей формулой LnFeO₃. Однако на их основе не могла быть обеспечена высокая плотность записи информации, экономичность приборов.

Наиболее оптимальной средой для создания ЦМД приборов оказались монокристаллические пленки феррит-гранатов (МПФГ), эпитаксиальные пленки феррит-шпинелей. В настоящее время магнитоодноосные пленки ферритов-гранатов, выращенных на намагниченных подложках галий-гадолиниевого граната (ГГГ), не испытывают заметной конкуренции со стороны других материалов.

Различают гранаты следующих систем: (LaLuSmCd)₃∙ (FeGa)₅O₁₂; (YLuSm)₃(FеGaSe)₅О₁₂; (YSm)₃(FeAl)₅O₁₂. При формировании континуальных сред cтараются получить ЦМД субмикронного диаметра, для чего используют, например, гранаты без ионов Sm³⁺. Для доменоcдвигающих структур используются пермаллоевые пленки (79 % Ni + 2l % Fe) с нулевым коэффициентом магнитострикции.

Для устройств функциональной электроники, использующих в качестве динамических неоднородностей спиновое эхо, могут быть использованы соединения типа NiFe⁵⁷О₄, пленки или порошок Co⁵⁹, пленки Co⁵⁹Fe⁵⁷.

Широкие перспективы построения разнообразных функциональных устройств открывают новые материалы - магнитные полупроводники. К ним относятся магнетики, не обладающие металлической природой электропроводности и представляющие собой соединения магнитных и немагнитных элементов. В настоящее время известны такие магнитные полупроводники, как халькогениды европия, халькогенидные шпинели хрома, сильно легированные ферриты (например, железоиттриевый гранат, легированный кремнием) и т. д.

В магнитных полупроводниках при температурах, меньших температуры магнитного упорядочения  (точки Кюри), появляется как бы дополнительная по сравнению с обычными немагнитными полупроводниками степень свободы — магнитный порядок. Между магнитным порядком и полупроводниковыми свойствами материала (электрическими, оптическими) имеются взаимосвязь и взаимовлияние, которые и вызывают разнообразные, свойственные исключительно этим материалам, эффекты. Например, вследствие зависимости зонной структуры от величины магнитного момента при понижении температуры до значений, меньших , в магнитных полупроводниках наблюдается аномально сильный сдвиг края полосы поглощения. При этом ширина запрещенной зоны может, как уменьшаться, так и увеличиваться. Магнетосопротивление в магнитных полупроводниках существенно больше, чем в обычных, и максимально вблизи точки Кюри. Возникает оно, прежде всего из-за воздействия внешнего поля на намагниченность, а не непосредственно на носитель заряда, как в обычных полупроводниках. Эти эффекты обусловлены влиянием намагниченности на оптические и электрические свойства вещества. Существуют эффекты и обратного порядка. Имеются сообщения о наблюдении изменений магнитной проницаемости и направления оси анизотропии в некоторых магнитных полупроводниках под воздействием света. В халькогенидах европия и некоторых других материалах имеют место повышение точки Кюри и изменение намагниченности с увеличением концентрации носителей заряда.

Ряд эффектов в магнитных полупроводниках возникает из-за взаимодействия носителей заряда со спиновыми волнами, в частности изменение знака магнетосопротивления. Экспериментально наблюдался эффект усиления СВЧ-излучения в магнитных полупроводниках при пропускании через них электрического тока.

Продолжаются широкие исследования различных свойств магнитных полупроводников. Однако уже известные эффекты позволяют создавать монолитные СВЧ-микросхемы с активными и пассивными СВЧ-элементами на одной монокристаллической подложке из магнитного полупроводника, устройства бесконтактного управления и связи, заменители датчиков Холла и другие устройства.

Магнитные шпинели дают возможность реализовать запоминающие устройства, аналогичные запоминающим устройствам на ферритовых сердечниках. Предполагается, что шпинели будут технологичнее ферритов. Кроме того, из них можно делать также активные приборы, позволяющие параллельно с записью и считыванием информации производить обработку информации непосредственно в запоминающей среде.

5.1.3. Генерация, детектирование и управление

динамическими неоднородностями

Информация в устройствах на динамических неоднородностях, например, типа доменов, кодируется двумя основными способами, наличием или отсутствием доменов в заданный момент времени в заданном месте, либо состояниями границ доменов.

Процесс генерации доменов осуществляется в основном локализацией электромагнитного поля, например, с помощью аппликации в виде петли, по которой протекает ток I (рис. 5.5). При подаче импульса тока будет создано размагничивающее поле Н_разм, превосходящее значение рабочего поля Н_раб и имеющее противоположный знак. Под аппликацией пленка локально перемагнитится и образуется домен.

Другим примером процесса генерации доменов может служить деление зародышевого домена. Если домен зародится, то будет записана логическая единица, в противном случае - логический нуль.

Рис. 5.5. Генерация доменов с помощью петли тока:

1 - подложка ГГГ; 2 - эпитаксиальная ферритовая пленка;

3 - изолирующая пленка; 4 - аппликация; 5 – ЦМД

Если в качестве динамической неоднородности применяется ВБЛ, то используется растянутый ЦМД или страйп-домен (рис. 5.6). Операцию записи производят в следующем порядке: вначале отрицательную ВБЛ, находящуюся в вершине страйпа (рис. 5.6, а), переводят в другое положение (рис. 5.6, б, в). Прилагая к вершине страйпа импульс поля смещения, можно получить пару ВБЛ разных знаков (рис. 5.6, г). Положительную ВБЛ переводят в вершину страйпа (рис, 5.6, д), определяют ЦМД (рис. 5.6,е), и уничтожают его путем аннигиляции. Итогом генерации является отрицательная пара ВБЛ в вершине страйпа. Наличие пары отрицательных ВБЛ соответствует логической единице, а ее отсутствие - логическому нулю.

Рис. 5.6. Запись ВВП в накопительный регистр (а, в, г. д, е)

и ее считывание (б)

Для других устройств функциональной магнетоэлектроники существуют свои методы генерации, в основе которых также лежит принцип возбуждения полем. В устройствах на спиновых волнах используется проводник с током, токовая петля, а также другие генераторы управляющего магнитного поля. Управление динамическими неоднородностями магнетоэлектронной природы осуществляется различными физическими эффектами и явлениями, связанными с наложением физических полей. По своей природе ЦМД имеют магнитное поле, которое, взаимодействуя с внешним полем, создает силы, перемещающие домен в направлении минимальной интенсивности внешнего поля. Другими словами, домен перемещается в таком направлении, в котором его энергия будет минимальной. Токовые аппликации, генерирующие магнитное поле, имеют вид петли из металлической пленки (рис. 5.7, а). Направление тока в аппликации таково, что создается поле, противоположное внешнему, и образуется «яма», которая движется в заданном направлении вследствие последовательной подачи импульсов на фазы Ф₁ Ф₂, Ф₃. Предпочтение отдается трехактной схеме, чтобы избежать взаимодействия следующих друг за другом доменов, а также возвратного их движения. Тактовые аппликатуры просты, но ненадежны из-за большого количества проводников.

Рис. 5.7. Управление движением ЦМД: а – с помощью

токовых аппликаций; б – с помощью пермаллоевых

аппликаций

Более удобны магнитные аппликации, управляющее внешнее поле в которых создает магнитостатические ямы и барьеры (МСБ) (рис. 5.7, б). В таких конструкциях домен продвигается от аппликации к аппликации, форма которых оптимизируется в конкретном случае и представляет собой доменопередвигающую структуру (ДПС). ДПС является эффективным устройством управления динамической неоднородностью в виде домена.

На рис. 5.8 проиллюстрирована идея перемещения ЦМД по классическим TI-образным ДПС в различные моменты времени, связанные с направлением вектора управляющего магнитного поля Н_упр.

Генерация доменов происходит в генераторе Г, а детектирование - в детекторе Д. ДПС могут полностью управлять перемещением и коммутировать ЦМД по любому ранее заданному направлению или каналу. Существуют множество конструкций ДПС, однако, наиболее перспективны ионно-имплантированные ДПС. Для других видов динамических неоднородностей существуют свои конструкция устройств управления, основанные на магнитоэлектрических эффектах и явлениях.

Рис. 5.8. Движение ЦМД по доменопередвигающим

структурам: Г – генератор; Д – детектор

Считывание информации сводится к выявлению динамических неоднородности, несущих логические «0» и «1», и осуществляется в устройстве, называемом детектором. При детектировании динамических неоднородностей используются, как правило, физические процессы и явления, обратные процессам генерации. Это эффекты индукции, магниторезистивный, магнитооптический и т. п. Общие принципы построения детекторов включают ряд положений, среди которых: обеспечение отношения сигнал/шум, достаточного для получения заданной вероятности сбоя; технологическая совместимость детектора, устройства управления и генератора; согласованность детектора с входом усилителя считывания; устойчивость к внешним воздействиям.

Детекторы для считывания ЦМД могут быть различной конструкции в зависимости от используемого физического эффекта. Наиболее распространенной является конструкция с использованием шевронных ферромагнитных или токовых проводниковых расширителей ЦМД.

Увеличение площади считывающего ЦМД с помощью расширителя позволяет получить большую величину выходного сигнала.

Процесс считывания информации в конструкциях на ВБЛ можно понять из рис. 5.7, б. На пару проводников подается импульс тока, и концы страйпов сближают. Происходит репликация (отделение) ЦМД, которая каналируется в регистр вывода информации и затем детектируется. На конце страйпа сохраняется отрицательная ВБЛ.

Детекторы спиновых волн конструктивно практически не отличаются от генераторов и, пришедшая к ним МСВ возбуждает в проводнике импульс тока. Детектирование флуксонов осуществляется путем их аннигиляции в детекторе.