mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2024-12-2-57-66mireabulletin-881Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSМагниторефрактивный эффект в металлических наноструктурах Co/PtMagnetorefractive effect in metallic Co/Pt nanostructureshttps://orcid.org/0000-0002-9104-3529ЮрасовА. Н.YurasovА. N.

Юрасов Алексей Николаевич, д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры наноэлектроники, Институт перспективных технологий и индустриального программирования

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

ResearcherID M-3113-2016, Scopus Authors ID 6602974416

Alexey N. Yurasov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

alexey_yurasov@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0006-2905-9753СайфулинаД. А.SayfulinaD. A.

Сайфулина Диана Алексеевна, студент, Институт перспективных технологий и индустриального программирования

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

ResearcherID IQU-6785-2023

Diana A. Sayfulina, Student, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

https://orcid.org/0000-0001-7595-785XБахваловаТ. Н.BakhvalovaТ. N.

Бахвалова Татьяна Николаевна, преподаватель, кафедра наноэлектроники, Институт перспективных технологий и индустриального программирования

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

ResearcherID ITW-2747-2023, Scopus Author ID 35145196400

 

Tatiana N. Bakhvalova, Teacher, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 

ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский техно- логический университет»РоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»РоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation20240804202412257–66Copyright © Юрасов А.Н., Сайфулина Д.А., Бахвалова Т.Н., 20242024Юрасов А.Н., Сайфулина Д.А., Бахвалова Т.Н.Yurasov А.N., Sayfulina D.A., Bakhvalova Т.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/881

Цели. Теоретически исследовать особенности магниторефрактивного эффекта для наноструктур типа металл – металл на примере многослойных наноструктур Co/Pt (ферромагнитный металл – парамагнитный металл) с разным соотношением ферромагнитной и парамагнитной фаз в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра.Методы. С помощью основных формул для диэлектрической проницаемости, оптической проводимости, коэффициентов рефракции и экстинкции, выявлена и выражена в явном виде связь магниторефрактивного эффекта с эффектом гигантского магнитосопротивления (магниторезистивным эффектом), что подтверждает общую природу этих двух эффектов. С помощью формул Френеля для трехслойной структуры рассчитан магниторефрактивный эффект для s-поляризации света с учетом толщины образцов и влияния подложки. Для расчета диэлектрической проницаемости материалов применялись методы эффективной среды. Так как исследовался средний диапазон концентраций кобальта, то для нахождения эффективных диэлектрических проницаемостей наноструктур применялось приближение Бруггемана. Для всех наноструктур рассчитывался коэффициент отражения при нормальном падении.Результаты. Благодаря тому, что диэлектрическая проницаемость неоднородных образцов была заменена общим эффективным параметром, зависящим от диэлектрической проницаемости каждого компонента, мы смогли применить теорию Друде – Лоренца для проводников в высокочастотном переменном поле и оценить параметры электронной структуры исследуемых образцов. Были рассчитаны значения плазменной и релаксационной частот для каждого образца. Это позволило оценить число свободных электронов и исследовать рассеяние в наноструктурах.Выводы. Было показано, что в исследуемом диапазоне энергий в ИК-области спектра наблюдается ленгмюровская экранировка. Рассчитанные значения хорошо соотносятся с экспериментальными данными.

Objectives. To carry out a theoretical investigation of the features of magnetorefractive effect for metal-to-metal nanostructures. This study uses the example of multilayer Co/Pt nanostructures (ferromagnetic metal–paramagnetic metal) with a different ratio of ferromagnetic and paramagnetic phases in the visible and near-infrared (IR) spectral regions.Methods. The dependence was expressed explicitly using the basic formulas for permittivity, refraction and extinction coefficients, and optical conductivity. This then confirms the common nature of these two effects. The magnetorefractive effect for s-polarization of light was calculated using Fresnel formulas for a three-layer structure. This took into account the thickness of the samples and the influence of the substrate. Effective medium methods were used to calculate the dielectric permittivity of materials. Since the average range of cobalt concentrations was being studied, the Bruggeman approximation was used to establish the effective permittivity of nanostructures. The reflection coefficient at normal incidence was calculated for all nanostructures.Results. Since the permittivity of inhomogeneous samples was replaced by a common effective parameter depending on the permittivity of each component, we were able to apply the Drude–Lorentz theory for conductors in a high-frequency alternating field and then estimate the parameters of the electronic structure of the samples being studied. Plasma and relaxation frequencies were calculated for each sample. This made it possible for the number of free electrons to be estimated and scattering in nanostructures to be investigated.Conclusions. It was shown that Langmuir shielding can be observed in the given energy range in the IR region of the spectrum. The calculated values correlate well with the experimental data.

магниторефрактивный эффектгигантское магнитосопротивлениеферромагнетикнаноструктурыmagnetorefractive effectgiant magnetoresistanceferromagnetnanostructuresРабота выполнена в научном структурном подразделении «Лаборатория новых функциональных материалов» РТУ МИРЭА по гранту FSFZ-2022-0007 и при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Государственное задание для университетов № ФГФЗ-2023-0005).The work was implemented in the scientific structural subdivision “Laboratory of New Functional Materials” of RTU MIREA under the grant FSFZ-2022-0007 of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation and with the support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (State task for universities No. FGFZ-2023-0005)ReferencesGranovsky А., Sukhorukov Yu., Gan’shina E., Telegin A. Magnetorefractive effect in magnetoresistive materials. In: Magnetophotonics: From Theory to Applications. Berlin Heidelberg: Springer; 2013. Р. 107–133. http://doi.org/10.1007/9783-642-35509-7_5Granovsky А., Sukhorukov Yu., Gan’shina E., Telegin A. Magnetorefractive effect in magnetoresistive materials. In: Magnetophotonics: From Theory to Applications. Berlin Heidelberg: Springer; 2013. Р. 107–133. http://doi.org/10.1007/978-3-642-35509-7_5Shkurdoda Yu.O., Dekhtyaruk L.V., Basov A.G., Chornous A.M., Shabelnyk Yu.M., Kharchenko A.P., Shabelnyk T.M. The giant magnetoresistance effect in Co/Cu/Co three-layer films. J. Magn. Magn. Mater. 2019;477:88–91. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.040Shkurdoda Yu.O., Dekhtyaruk L.V., Basov A.G., Chornous A.M., Shabelnyk Yu.M., Kharchenko A.P., Shabelnyk T.M. The giant magnetoresistance effect in Co/Cu/Co three-layer films. J. Magn. Magn. Mater. 2019;477:88–91. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.040Dekhtyaruk L.V., Kharchenko A.P., Klymenko Yu.O., Shkurdoda Yu.O., Shabelnyk Yu.M., Bezdidko O.V., Chornous A.M. Negative and Positive Effect of Giant Magnetoresistance in The Magnetically Ordered Sandwich. In: 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP). 2020. P. 01NMM13-1–01NMM13-3. https://doi.org/10.1109/NAP51477.2020.9309694Dekhtyaruk L.V., Kharchenko A.P., Klymenko Yu.O., Shkurdoda Yu.O., Shabelnyk Yu.M., Bezdidko O.V., Chornous A.M. Negative and Positive Effect of Giant Magnetoresistance in The Magnetically Ordered Sandwich. In: 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP). 2020. P. 01NMM13-1–01NMM13-3. https://doi.org/10.1109/NAP51477.2020.9309694Kelley C.S., Naughton J., Benson E., Bradley R.C., Lazarov V.K., Thompson S.M., Matthew J.A. Investigating the magnetic field-dependent conductivity in magnetite thin films by modelling the magnetorefractive effect. J. Phys.: Condens. Matter. 2014;26(3):036002. http://doi.org/10.1088/0953-8984/26/3/036002Kelley C.S., Naughton J., Benson E., Bradley R.C., Lazarov V.K., Thompson S.M., Matthew J.A. Investigating the magnetic field-dependent conductivity in magnetite thin films by modelling the magnetorefractive effect. J. Phys.: Condens. Matter. 2014;26(3):036002. http://doi.org/10.1088/0953-8984/26/3/036002Лысина Е.А., Юрасов А.Н. Магнитооптические эффекты в нанокомпозите CoSiO2. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике (МНТК ФТИ – 2017). М.: МИРЭА; 2017. C. 622–628.Lysina E.A., Yurasov A.N. Magneto-optical effects in CoSiO2 nanocomposite. In: Informatika i tekhnologii. Innovatsionnyye tekhnologii v promyshlennosti i informatike (MNTK FTI 2017) (Informatics and Technologies. Innovative Technologies in Industry and Informatics). Moscow: MIREA; 2017. Р. 622–628 (in Russ.).Лобов И.Д., Кириллова М.М., Махнев А.А., Ромашев Л.Н., Королев А.В., Миляев М.А., Проглядо В.В., Банникова Н.С., Устинов В.В. Магнитооптические, оптические и магнитотранспортные свойства сверхрешеток Co/Сu с ультратонкими слоями кобальта. Физика твердого тела. 2017;59(1):54–62. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.01.43950.161Lobov I.D., Kirillova M.M., Makhnev A.A., et al. Magnetooptical, optical, and magnetotransport properties of Co/Cu superlattices with ultrathin cobalt layers. Phys. Solid State. 2017;59(1):53–62. https://doi.org/10.1134/S1063783417010206 [Original Russian Text: Lobov I. D. Kirillova M.M., Makhnev A.A., Romashev L.N., Korolev A.V., Milyaev M.A., Proglyado V.V., Bannikova N.S., Ustinov V.V. Magnetooptical, optical, and magnetotransport properties of Co/Cu superlattices with ultrathin cobalt layers. Fizika Tverdogo Tela. 2017;59(1):54–62 (in Russ.). https://doi.org/10.21883/FTT.2017.01.43950.161 ]Oh J., Humbard L., Humbert V., Sklenar J., Mason N. Angular evolution of thickness-related unidirectional magnetoresistance in Co/Pt multilayers. AIP Advances. 2019;9(4):045016. https://doi.org/10.1063/1.5079894Oh J., Humbard L., Humbert V., Sklenar J., Mason N. Angular evolution of thickness-related unidirectional magnetoresistance in Co/Pt multilayers. AIP Advances. 2019;9(4):045016. https://doi.org/10.1063/1.5079894Kawaguchi M., Towa D., Lau Y.-C., Takahashi S., Hayashi M. Anomalous spin Hall magnetoresistance in Pt/Co bilayers. Appl. Phys. Lett. 2018;112(20):202405. https://doi.org/10.1063/1.5021510Kawaguchi M., Towa D., Lau Y.-C., Takahashi S., Hayashi M. Anomalous spin Hall magnetoresistance in Pt/Co bilayers. Appl. Phys. Lett. 2018;112(20):202405. https://doi.org/10.1063/1.5021510Heigl M., Wendler R., Haugg S.D., Albrecht M. Magnetic properties of Co/Ni-based multilayers with Pd and Pt insertion layers. J. Appl. Phys. 2020;127(23):233902. https://doi.org/10.1063/5.0010112Heigl M., Wendler R., Haugg S.D., Albrecht M. Magnetic properties of Co/Ni-based multilayers with Pd and Pt insertion layers. J. Appl. Phys. 2020;127(23):233902. https://doi.org/10.1063/5.0010112Повзнер А.А., Волков А.Г., Филанович А.Н. Электронная структура и магнитная восприимчивость почти магнитных металлов (на примере палладия и платины). Физика твердого тела. 2010;52(10):1879–1884.Povzner A.A., Volkov A.G., Filanovich A.N. Electronic structure and magnetic susceptibility of nearly magnetic metals (palladium and platinum). Phys. Solid State. 2010;52(10):2012–2018. https://doi.org/10.1134/S1063783410100021 [Original Russian Text: Povzner A.A., Volkov A.G., Filanovich A.N. Electronic structure and magnetic susceptibility of nearly magnetic metals (palladium and platinum). Fizika Tverdogo Tela. 2010;52(10):1879–1884 (in Russ.).]Юрасов А.Н., Телегин A.В, Банникова Н.С., Миляев M.A., Сухоруков Ю.П. Особенности магниторефрактивного эффекта в многослойной металлической наноструктуре [CoFe/Cu]n. Физика твердого тела. 2018;60(2):276–282. https://doi.org/10.21883/FTT.2018.02.45381.201Yurasov A.N., Telegin A.V., Bannikova N.S., et al. Features of Magnetorefractive Effect in a [CoFe/Cu]n Multilayer Metallic Nanostructure. Phys. Solid State. 2018;60(2):281–287. https://doi.org/10.1134/S1063783418020300 [Original Russian Text: Yurasov A.N., Telegin A.V., Bannikova N.S., Milyaev M.A., Sukhorukov Yu.P. Features of Magnetorefractive Effect in a [CoFe/Cu]n Multilayer Metallic Nanostructure. Fizika Tverdogo Tela. 2018;60(2):276–282 (in Russ.). https://doi.org/10.21883/FTT.2018.02.45381.201 ]Лобов И.Д., Кириллова М.М., Ромашев Л.Н., Миляев М.А., Устинов В.В. Магниторефрактивный эффект и гигантское магнитосопротивление в сверхрешетках Fe(tx)/Cr. Физика твердого тела. 2009;51(12):2337–2341.Lobov I.D., Kirillova M.M., Romashev L.N., et al. Magnetorefractive effect and giant magnetoresistance in Fe(tx)/Cr superlattices. Phys. Solid State. 2009;51(12):2480–2485. https://doi.org/10.1134/S1063783409120099 [Original Russian Text: Lobov I.D., Kirillova M.M., Romashev L.N., Milyaev M.A., Ustinov V.V. Magnetorefractive effect and giant magnetoresistance in Fe(tx)/Cr superlattices. Fizika Tverdogo Tela. 2009;51(12):2337–2341 (in Russ.).]Погодаева М.К., Левченко С.В., Драчев В.П., Габитов И.Р. Оптические свойства металлов из первых принципов. Фотон-экспресс. 2021;6(174):294–295. https://doi.org/10.24412/2308-6920-2021-6-294-295Pogodaeva M.K., Levchenko S.V., Drachev V.P., Gabitov I.R. Optical properties of metals from the first principles. Photon Express. 2021;6(174):294–295 (in Russ.).Устинов В.В., Сухоруков Ю.П., Миляев М.А., Грановский А.Б., Юрасов А.Н., Ганьшина Е.А., Телегин А.В. Магнитопропускание и магнитоотражение в многослойных наноструктурах FeCr. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2009;135(2):293–300.Ustinov V.V., Sukhorukov Yu.P., Milyaev M.A., et al. Magnetotransmission and magnetoreflection in multilayer FeCr nanostructures. J. Exp. Theor. Phys. 2009;108(2):260–266. https://doi.org/10.1134/S1063776109020083 [Original Russian Text: Ustinov V.V., Sukhorukov Yu.P., Milyaev M.A., Granovskii A.B., Yurasov A.N., Gan’shina E.A., Telegin A.V. Magnetotransmission and magnetoreflection in multilayer FeCr nanostructures. Zhurnal Eksperimental’noi i Teoreticheskoi Fiziki. 2009;135(2):293–300 (in Russ.).]Jacquet J.C., Valet T. A new magnetooptical effect discovered on magnetic multilayers: The magnetorefractive effect. MRS Online Proceedings Library (OPL). 1995;384:477–490. https://doi.org/10.1557/PROC-384-477Jacquet J.C., Valet T. A new magnetooptical effect discovered on magnetic multilayers: The magnetorefractive effect. MRS Online Proceedings Library (OPL). 1995;384:477–490. https://doi.org/10.1557/PROC-384-477Kravets V.G. Correlation between the magnetoresistance, IR magnetoreflectance, and spin-dependent characteristics of multilayer magnetic films. Phys. Res. Int. 2012;2012(5):323279. https://doi.org/10.1155/2012/323279Kravets V.G. Correlation between the magnetoresistance, IR magnetoreflectance, and spin-dependent characteristics of multilayer magnetic films. Phys. Res. Int. 2012;2012(5):323279. https://doi.org/10.1155/2012/323279Маевский В.М. Теория магнетооптических эффектов в многослойных системах с произвольной ориентацией намагниченности. Физика металлов и металловедение. 1985;59:213–216.Maevskii V.M. Theory of magneto-optical effects in multilayer systems with arbitrary orientation of magnetization. Fizika metallov i metallovedenie = Physics of Metals and Metallography). 1985;59:213–216 (in Russ.).Юрасов А.Н. Магниторефрактивный эффект в наноструктурах. Приборы. 2022;4(262):22–25.Yurasov A.N. Magnetorefractive effect in nanostructures. Pribory = Instruments. 2022;4(262):22–25 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.