Исследование магнитных свойств нанопленок кобальта в условиях внешнего поля методом математического моделирования
А.Ю. Федотов, О.Ю. Северюхина, А.Ю. Саломатина
ФГБУН «Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.497
Оригинальная статья
Аннотация: В данной работе исследуются магнитные характеристики кобальтовых нанопленок. Кобальтовые пленки представляют интерес для интеграции в гибридные системы, что открывает новые возможности для разработки многофункциональных устройств. Цель исследования заключается в
моделировании магнитных характеристик кобальтовых нанопленок с различной толщиной под воздействием различных магнитных полей. Для достижения этой цели была использована математическая модель, описывающая движение атомов и переориентацию их спинов. В основе модели лежат уравнения Ланжевена и Ландау – Лифшица – Гилберта для описания динамики системы. Результаты исследования показывают влияние внешнего магнитного поля на магнитные характеристики кобальтовых пленок толщиной от 1,8 до 7,1 нм. С увеличением толщины пленки наблюдается снижение модуля намагниченности. Величина модуля намагниченности системы показывает нелинейную зависимость как от количества кристаллических слоев кобальта, так и от величины внешнего магнитного поля. При различных значениях магнитной индукции фиксируются изменения в поведении намагниченности, включая образование доменов и доменных стенок. Разработанная модель позволяет анализировать влияние различных факторов на магнитные свойства материалов, что может способствовать оптимизации тонкопленочных структур для применения в спинтронике. Исследование подчеркивает важность понимания магнитных свойств тонких пленок для разработки новых технологий в данной области.
Ключевые слова: математическое моделирование, молекулярная динамика, спиновая динамика, ферромагнетик, тонкие пленки, магнитные свойства
- Федотов Алексей – д.т.н, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН»
- Северюхина Олеся Юрьевна – к.ф.-м.н., научный сотрудник, ФГБУН «Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН»
- Саломатина Анастасия Юрьевна – аспирант, ФГБУН «Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН»
Ссылка для цитирования:
Федотов, А.Ю. Исследование магнитных свойств нанопленок кобальта в условиях внешнего поля методом математического моделирования / А.Ю. Федотов, О.Ю. Северюхина, А.Ю. Саломатина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 497-505. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.497. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Ракунов, П.А. Магнитные свойства и процессы перемагничивания сплавов Sm-Gd-Zr-Co-Cu-Fe / П.А. Ракунов, М.Б. Ляхова, Е.М. Семенова, А.Ю. Карпенков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 258-266. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.258.
2. Kharmouche, A. An experimental study of the static magnetic properties of Co thin films / A. Kharmouche // The European Physical Journal B. – 2024. – V. 97. – I. 6. – Art. № 87. – 9 p. DOI: 10.1140/epjb/s10051-024-00729-w.
3. Parkin, S.S.P. Magnetic domain wall racetrack memory / S.S.P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas // Science. – 2008. – V. 320. – I. 5873. – P. 190-194. DOI: 10.1126/science.1145799.
4. Patel, G. Structural and magnetic properties of thin cobalt films with mixed hcp and fcc phases / G. Patel, F. Ganss, R. Salikhov et al. // Physical Review B. – 2023. – V. 108. – I. 18. – P. 184429-1-184429-9. DOI: 10.1103/PhysRevB.108.184429.
5. Song, K. Structural and magnetic properties of micropolycrystalline cobalt thin films fabricated by direct current magnetron sputtering / K. Song, Z. Li, M. Fang, Z. Xiao, Q. Lei // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. – 2024. – V. 31. – I. 2. – P. 384-394. DOI: 10.1007/s12613-023-2715-5.
6. Yakout, S.M. Spintronics: future technology for new data storage and communication devices / s.m. yakout // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. – 2020. – V. 33. – I. 9. – P. 2557-2580. DOI: 10.1007/s10948-020-05545-8.
7. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology / ed. by R. Doering, Y. Nishi. – 2nd ed. – Boca Raton: CRC press, 2008. – 1720 p. DOI: 10.1201/9781420017663.
8. Саломатина, А.Ю. Исследование магнитных свойств нанокомпозита Co-Fe / А.Ю. Саломатина, А.Ю. Федотов, О.Ю. Северюхина, Ф.А. Виноградов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 267-276. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.267.
9. Vakhrushev, A.V. The influence of structure and local structural defects on the magnetic properties of cobalt nanofilms / A.V. Vakhrushev, A.Yu. Fedotov, O.Yu. Severyukhina, A.S. Sidorenko // Beilstein Journal of Nanotechnology. – 2023. – V. 14. – P. 23-33. DOI: 10.3762/bjnano.14.3.
10. Vakhrushev, A.V. Simulation of Multilayer Nanosystems Interface Formation Process for Spintronics / A.V. Vakhrushev, A.Yu. Fedotov, A.S. Sidorenko // Key Engineering Materials. – 2021. – V. 888. – P. 57-65. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.888.57.
11. Pomeau, Y. The Langevin equation / Y. Pomeau, J. Piasecki // Comptes Rendus Physique. – 2017. – V. 18. – I. 9-10. – P. 570-582. DOI: 10.1016/j.crhy.2017.10.001.
12. Ermak, D.L. Numerical integration of the Langevin equation: Monte Carlo simulation / D.L. Ermak, H. Buckholz // Journal of Computational Physics. – 1980. – V. 35. – I. 2. – P. 169-182. DOI: 10.1016/0021-9991(80)90084-4.
13. Dattagupta, S. Brownian-motion approach to statistical mechanics: Langevin equations, fluctuations, and timescales / S. Dattagupta, A. Ghosh // Physics of Fluids. – 2025. – V. 37. – I. 2. – P. 027199-1-027199-15. DOI: 10.1063/5.0255687.
14. Xu, F. Unified framework of the microscopic Landau-Lifshitz-Gilbert equation and its application to skyrmion dynamics / F. Xu, G. Li, J. Chen et al. // Physical Review B. – 2023. – V. 108. – I. 14. – P. 144409-1-144409-13. DOI: 10.1103/PhysRevB.108.144409.
15. Meo, A. Spin-transfer and spin-orbit torques in the Landau–Lifshitz–Gilbert equation / A. Meo, C.E. Cronshaw, S. Jenkins, A. Lees, R.F. Evans // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2022. – V. 35. – I. 2. – P. 025801-1-025801-12. DOI: 10.1088/1361-648X/ac9c80.
16. Baskes, M.I. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities / M.I. Baskes // Physical Review B. – 1992. – V. 46. – I. 5. – P. 2727-2742. DOI: 10.1103/PhysRevB.46.2727.
17. Aitken, Z.H. Modified embedded-atom method potentials for the plasticity and fracture behaviors of unary fcc metals / Z.H. Aitken, V. Sorkin, Z.G. Yu et al. // Physical Review B. – 2021. –V. 103. – I. 9. – P. 094116-1-094116-10. DOI: 10.1103/PhysRevB.103.094116.
18. García-Palacios, J.L. Langevin-dynamics study of the dynamical properties of small magnetic particles / J.L. García-Palacios, F.J. Lázaro // Physical Review B. – 1998. – V. 58. – I. 22. – P. 14937-14958. DOI: 10.1103/PhysRevB.58.14937.
19. Brown, Jr.W.F. Thermal fluctuations of a single-domain particle / Jr.W.F. Brown // Physical Review. – 1963. – V. 130. – I. 5. – P. 1677-1686. DOI: 10.1103/PhysRev.130.1677.
20. Plimpton, S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics / S. Plimpton // Journal of Computational Physics. – 1995. – V. 117. – I. 1. – P. 1-19. DOI: 10.1006/jcph.1995.1039.
21. Tranchida, J. Massively parallel symplectic algorithm for coupled magnetic spin dynamics and molecular dynamics / J. Tranchida, S.J. Plimpton, P. Thibaudeau, A.P. Thompson // Journal of Computational Physics. – 2018. – V. 372. – P. 406-425. DOI: 10.1016/j.jcp.2018.06.042.
22. Nieves, P. Spin-lattice model for cubic crystals / P. Nieves, J. Tranchida, S. Arapan, D. Legut // Physical Review B. – 2021. – V. 103. – I. 9. – P. 094437-1-094437-16. DOI: 10.1103/PhysRevB.103.094437.