Reprezentatívne výsledky

2017

  • Výpočet povrchov voľnej energie magnetických systémov pomocou metadynamiky
    Riešitelia: J. Tóbik, V. Cambel
    Znalosť výšky energetických bariér, ktoré oddeľujú rôzne stavy v systéme, je kritická na určenie dlhodobej stability informácie uloženej v magnetických pamätiach. Túto informáciu je však ťažké získať priamo pomocou simulácií štandardných mikroskopických modelov vzhľadom na problém škálovania času, ktorý vyplýva z faktu, že prechod medzi dvoma minimami má charakter náhodného procesu. V našej práci ukazujeme, že využitím algoritmu metadynamiky s využitím vhodne zvolených kolektívnych premenných, menovite helicity a cirkulácie, je možné skonštruovať profil voľnej energie. Ukazujeme efektívnosť nového prístupu na príklade vzniku magnetického víru v nanobodke so zníženou symetriou. Pomocou rekonštrukcie povrchu voľnej energie poukazujeme na pôvod zlomu symetrie počas vzniku víru, keď je jedna polarita víru preferovaná napriek tomu, že vonkajšie magnetické pole je aplikované v rovine bodky.

Projekty, v rámci ktorých sa dosiahol výsledok: APVV 0088-12 a 16-0068, VEGA 2/0180/14 a
2/0200/14
Výstup:
TÓBIK, Jaroslav – MARTOŇÁK, R. – CAMBEL, Vladimír. Free-energy landscapes in magnetic systems from metadynamics. In Physical Review B, 2017, vol. 96, r140413.

2016

  • Spin Wave Excitations in Ultrathin Nanostructures with Dzyaloshinskii-Moriya InteractionsThe dynamics of magnetization and spin wave excitations were studied in ultrathin ferromagnetic nanostructures with Dzyaloshinskii-Moriya interactions (DMI) present. This kind of exchange interaction is in focus of recent research, due to its contribution in magnetic skyrmion stabilization. The ultrathin magnonic crystal and arrays of isolated stripes were studied under the influence of uniform and point source magnetic field with the numerical methods. Large impact on the ferromagnetic resonance spectrum was shown and in result can bring a novel method for experimental estimation of DMI strength. [1] Further the dynamical response of the array of nanodots with skyrmion stable state was under examination. The dynamical skyrmion modes: breathing and gyrotropic were found and the collective excitation in the arrays of nanodots characterized. [2] The results were presented in two journal papers and four  international conferences. [3-6]

    Mruczkiewicz, M. and Krawczyk, M.: Influence of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the FMR spectrum of magnonic crystals and confined structures, Phys. Rev. B 94 (2016) 024434.

    Mruczkiewicz, M., Gruszecki, P., Zelent, M., and Krawczyk, M.: Collective dynamical skyrmion excitations in a magnonic crystal, Phys. Rev. B 93 (2016) 174429.

    Mruczkiewicz, M. and Krawczyk, M.: Characterization of the spin wave properties in magnonic crystal films with Dzyaloshinskii-Moriya interactions. In: Sol-SkyMag 2016 – Inter. Conf. on Magnetism and Spintronics. San Sebastian 2016. (Talk)

    Mruczkiewicz, M., Krawczyk, M., and Guslienko, K.: Spin excitations over skyrmion state in magnetic dots. In: Sol-SkyMag 2016 – Inter. Conf. on Magnetism and Spintronics. San Sebastian 2016. (Poster)

    Mruczkiewicz, M. and Krawczyk, M.: Characterization of the spin wave properties in magnonic crystal films with Dzyaloshinskii-Moriya interactions. In: MANA 2016 – Micromagnetics: Analysis, Numerics, Applications. Wien 2016. (Poster)

    Mruczkiewicz, M., Gruszecki, P., Zelent, M., and Krawczyk, M.: Collective wave modes of dynamical skyrmions in magnonic crystal. In: MANA 2016 – Micromagnetics: Analysis, Numerics, Applications. Wien 2016. (Poster) 

2015

  • Magnetické stavy v nanomagnetoch so zlomenou symetriou

V práci vyšetrujeme magnetické stavy vo feromagnetických objektoch pomocou simulácii a tiež experimentálne. V teoretickej časti skúmame pôvod magnetického stavu nanoobjektov [1]. Dynamika magnetického stavu pre objekty so zníženou symetriou vykazuje asymetrický časový vývoj. Ten vysvetľujeme pomocou jednospinového modelu, čím otvárame cestu ku kontrole magnetických stavov budúcich nanosúčiastok a k ich praktických aplikáciám. V experimentálnej časti sme a) vyvinuli novú skenovaciu metódu založenú na dvojitom hrote [2] (DT-MFM), b) vyšetrovali sme stav nanomagnetu pomocou mikro-hallovskej magnetometrie [3]. DT-MFM zobrazovanie využíva dva hroty, pričom jeden (nemagnetický) meria topografiu nanomagnetu, a ten druhý zobrazuje jeho magnetické pole. Využitím tejto metódy sa magnetický hrot nikdy nedotkne magnetickej vzorky, a teda neporuší jej magnetický stav. Magnetometria Hallovou sondou ukázala, ako sa mení dynamika magnetického stavu nanomagnetu s uhlom vonkajšieho magnetického poľa a s teplotou.


Bežný hrot (vľavo) ruší magnetický vír v Py elipse, zatiaľčo dvojitý hrot dáva správny obraz

[1] Tóbik, J., Cambel, V., and Karapetrov, G.: Asymmetry in time evolution of magnetization in magnetic nanostructures. Sci Reports 5 (2015) 12301.
[2] Precner, M., Fedor, J., Šoltýs, J., and Cambel, V.: Dual-tip magnetic force microscopy with suppressed influence on magnetically soft samples. Nanotechnol. 26 (2015) 055304.
[3] Ščepka, T., Polakovič, T., Šoltýs, J., Tóbik, J., Kulich, M., Kúdela, R., Dérer, J., and Cambel, V.: Individual vortex nucleation/annihilation in ferromagnetic nanodots with broken symmetry observed by micro/Hall magnetometry. AIP Adv. 5 (2015) 117205.

2014

  • Odporové prepínanie v TiO2 a HfO2 pripravených nanášaním po atómových vrstvách

Odporové prepínanie v štruktúrach kov-izolátor-kov má veľký potenciál pre využitie v budúcich pamätiach s náhodným prístupom (random access memory, RAM). V našich prácach sme ukázali, že štruktúry na báze TiO2a  HfO2, pripravené technológiou nanášania po atomárnych vrstvách sú vhodné pre odporové prepínanie. Pre dosiahnutie bipolárneho režimu odporového prepínania je potrebné použiť elektródy s rozdielnou výstupnou prácou a afinitou voči kyslíku, napr. TiN a Pt. V prípade štruktúr na báze HfO2 sme pozorovali stabilné odporové prepínanie aj pre štruktúry s ultratenkými vrstvami  s hrúbkou ~2 nm. Zistili sme, že formovacie napätie štruktúr závisí od hrúbky HfO2 vrstvy. Pri pulzných meraniach štruktúr na báze HfO2 s využitím pulzov o dĺžke 1 µs sme dosiahli až 108 prepnutí s pomerom odporov väčším ako 10 pri čítacom napätí 0,2 V. Tieto vlastnosti ukazujú, že najmä štruktúry na báze HfO2 sú vhodné pre pamäte s náhodným prístupom.


Obr. Krivky odporového prepínania v štruktúre Pt/HfO2/TiN s HfO2 vrstvou deponovanou pomocou termálnej ALD metódy.

Publikácie:
B. Hudec, A. Paskaleva, P. Jančovič, J. Dérer, J. Fedor, A. Rosová, E. Dobročka, K. Fröhlich: Resistive switching in TiO2-based metal-insulator-metal structures with Al2O3 barrier at the metal/dielectric interface, Thin Solid Films 563 (2014) 10.
P. Jančovič, B. Hudec, E. Dobročka, J. Dérer, J. Fedor, K. Fröhlich: Resistive switching in HfO2-based atomic layer deposition grown metal-insulator-metal structures, Appl. Surf. Science 312 (2014) 112.

  • Vizualizácia doménovej steny a reverzná doménová supravodivosť

V magneticky viazaných planárnych hybridních štruktúrach feromagnet-supravodič (F/S) môžu byť magnetické doménové steny využité na priestorovú väzbu supravodivosti. Na rozdiel od supravodiča v homogénnom magnetickom poli, vznik supravodivého parametra usporiadania v F/S štruktúrach je kontrovaný nehomogénnym rozdelením magnetického poľa. Medzihra medzi supravodivosťou lokalizovanou v blízkosti doménových stien a ďaleko od nich vedie k efektu reentrantnej supravodivosti a reverznej doménovej supravodivosti s lokálne závislou kritickou teplotou. Na priame zobrazenie vzniku supravodivosti v blízkosti doménových stien  vo F/S štruktúrach pripravených z Co-Pd multivrstiev a z Pb tenkých vrstiev sme v práci použili skenovaciu tunelovaciu spektroskopiu. Naše výsledky ukazujú, že takéto F/S štruktúry predstavujú zaujímavý modelový systém, ktorý ponúka možnosť kontroly lokalizácie a intenzity nukleácie supravodivosti v externom magnetickom poli. Toto dáva potenciálnu možnosť kontroly vírov pre počítačové aplikácie.

               
Obr. (vľavo) Schéma hybridného systému skladajúceho sa z feromagnetu (F), izolantu (I) a supravodiča (S). (vpravo)  Teplotná závislosť energetickej medzery. Experimentálne body sú porovnané s BCS rovnicou pre energetickú medzeru (plná čiara).

Iavarone, M., Moore, S.A., Fedor, J., Ciocys, S.T., Karapetrov, G., Pearson, J., Novosad, V., and Bader, S.D.: Visualizing domain wall and reverse domain superconductivity, Nature Comm. 5 (2014) 4766.

  • Rýchle  vysoko citlivé  polovodičové senzory  plynov na báze Pt – TiO2 – Pt nano-sendviča

Vývoj rýchlych,  vysoko citlivých  polovodičových senzorov  plynov pracujúcich pri izbovej teplote a  kompatibilných s polovodičovou technológiou zostáva výzvou pre základný výskum. Tu  prezentujeme  takýto senzor  na báze Pt – TiO2 – Pt nano-sendviča.  Senzor  sa skladá z tenkej ( ~ 30 nm ) nanokryštalickej  TiO2 vrstvy   s veľkosťou zŕn  ~ 10 nm,  ktoré sú umiestnené medzi spodnou  elektródou tvorenou Pt vrstvou  a  vrchnou Pt elektródou tvaru dlhého úzkeho pruhu (so šírkou  w klesajúcou až ku 80 nm ). Ak znížime šírku w na  cca 100 nm a menej , senzor vystavený vzduchu s 1 % H2 vykazuje  nárast  odozvy ( Rair / RH2) až na hodnotu 107a pokles reakčnej doby na  niekoľko sekúnd, a to aj pri izbovej teplote. V práci je teoreticky ukázané, že obrovské zvýšenie citlivosti je dôsledkom  netriviálneho   ohmického  efektu, ktorý sa prejavuje  ako náhly pokles elektrického odporu  ( o tri rády ) s klesajúcou šírkou elektródy pri  šírke  okolo 100 nm (pozri obrázok). Tento neohmický efekt je  dôsledok  dvoch efektov vznikajúcich na  nano-úrovni:  priestorovo nehomogénnej rezistivity  TiO2 vrstvy riadenej  difúziou vodíka, kombinovanej  s nestabilitou v teplote horúcich elektrónov, keď sú malé nanokryštalické zrná vystavené obrovským elektrickým poliam.


Obr.: Rezistancia senzora ako funkcia šírky vrchnej elektródy.

Plecenik, T., Moško, M., Haidry, A., Durina, P., Truchly, M., Grančič, B., Gregor, M., Roch, T., Satrapinskyy, L., Mošková, A., Mikula, M., Kúš, P., and Plecenik, A.: Fast highly-sensitive room-temperature semiconductor gas sensor based on the nanoscale Pt-TiO2-Pt sandwich. Sensors Actuators B 207 (2015) 351-361.

2013

  • Magnetická silová mikroskopia s prepínanou magnetizáciou a vysokým priestorovým rozlíšením

Nevýhodou štandardnej magnetickej silovej mikroskopie (MFM) je relatívne nízke priestorové rozlíšenie na úrovni  asi 20 nm. Zvýšeniu tohoto rozlíšenia bráni miešanie magnetických a van der Waalsových síl v prípade, ak realizujeme skenovanie bližšie ako 20 nm nad vzorkou. Tento problém sme vyriešili uvedením novej skenovacej metódy, tzv. MFM s prepínanou magnetizáciou (SM-MFM). V rámci nej robíme 2 skeny magnetickej vzorky s dvoma polaritami magnetického hrotu, pričom polaritu hrotu prepíname externým magnetickým poľom. Keď potom spravíme súčet dát týchto skenov s opačnou polaritou, dostaneme obraz van der Waalsových síl, a ich rozdiel dá obraz magnetických síl vzorky. Metóda SM-MFM teda umožňuje oddeliť atomárne a magnetické sily zo skenov získaných tesne nad vzorkou (napr. 5 nm). Tým sa zvýši priestorové rozlíšenie MFM metódy pod 10 nm, čo je nutné napr. v oblasti vývoja nových feromagnetických pamätí. Vysoké rozlíšenie metódy dokumentuje obrázok získaný metódou SM-MFM.

  
Obr.: Vľavo topografia, vpravo obraz magnetických síl HDD pamäte (625 Gb/inch2) získaných metódou SM-MFM. Bit má rozmer 25 x 40 nm2, rozmer obrázka je 500 x 800 nm2.

1.    Cambel, V., Precner, M., Fedor, J., Šoltýs, J., Tóbik, J., Ščepka, T., and Karapetrov, G.: High resolution switching magnetization MFM, Applied Phys. Lett. 102 (2013) 062405.
2.    J. Fedor  et al, ISPM Conf 2013, Dijon; V. Cambel et al, MRS Spring Meeting, San Francisco, USA; M. Precner et al, CSMAG, Kosice 2013. Talks.

  • Magnetizácia a vírový fázový diagram v CuxTiSe kryštáloch

CuxTiSe2 je nedávno objavený materiál, v ktorom súperia supravodivá fáza s fázou vĺn nábojovej hustoty v rozsahu 0.04 < x < 0.06. Na niekoľkých kryštáloch s rôznou koncentráciou medi sme zmerali magnetizačné slučky, z ktorých sme extrahovali viaceré významné parametre. Supravodivá anizotropia je veľmi nízka, približne 1.7, nezávislá od miery dopovania. Avšak u slabo dopovaných kryštálov je anizotropia mierne zvýšená. Domnievame sa, že je to v dôsledku súperenia supravodivosti s fázou vĺn nábojovej hustoty. Z magnetizačných slučiek sme extrahovali extrémne  nízke supravodivé kritické prúdové hustoty, ktoré sú dôsledku veľmi malého objemového intrinzického pinningu. Ďalej veľmi prekvapivý výsledok je fázový diagram supravodivých vírov, kde oblasť tekutej fázy je extrémne široká. Je to netypický výsledok pre nízkoteplotný supravodič s malou supravodivou anizotropiou. Vysvetľujeme ho ako dôsledok už spomínaného slabého pinningu.


Obr.: Obrázok ukazuje širokú oblasť reversibility supravodivých vírov

1.    Barančeková Husaníková, P., Fedor, J., Dérer, J., Šoltýs, J., Cambel, V., Iavarone, M., May, S., and Karapetrov, G.: Magnetization properties and vortex phase diagram of CuxTiSe2 single crystals. Phys. Rev. B 88 (2013) 174501.
2.    Kačmarčík, J., Pribulová, Z., Paľuchová, V., Szabó, P., Barančeková Husaníková, P., Karapetrov, G., and Samuely, P.: Heat capacity of single-crystal CuxTiSe2 superconductors. Phys. Rev. B 88 (2013) 020507.
3.    P. Husaníková et al, March Meeting 2013, Baltimore, Maryland, USA. Z. Pribulová et al, March Meeting 2013, Baltimore, Maryland, USA. Talks.

2012

  • Dynamika magnetických vírov vo feromagnetických nanoelementoch pre nízkoergetické pamäte

V práci sme teoreticky a experimentálne študovali magnetické efekty vo feromagnetických nanorozmerných štruktúrach, vhodných ako základ pre budúce nízkoenergetické pamäte vysokej hustoty. Navrhované nanometrové elementy môžu ukladať dva bity informácie, polaritu a chiralitu. Dôležitou podmienkou pre navrhované elementy je, že proces zápisu a čítania uloženej informácie musí byť jednoduchý. Ukazuje sa, že tvar feromagnetického elementu významne vplýva na jednoduchosť týchto procesov a najjednoduchší je pre objekty zo zníženou symetriou tvaru „Pacman- like“ (PL). Mikromagnetické simulácie ukazujú, že požadovaný stav PL nanomagnetu je možné získať vypínaním externého magnetického poľa v rovine nanomagnetu v definovanom smere vzhľadom na jeho os symetrie. V experimentálnej časti práce sme pripravili pamäťové objekty so zníženou symetriou s priemerom 200 a 300 nm, ako aj elementy na mikroskopickej Hallovej sonde. Experimenty potvrdzujú dynamiku vírov v nanomagnetoch, ktorá bola spočítaná pomocou simulácií. Výzvou budúcich experimentov je pripraviť nanomagnety priemeru pod 100 nm a využiť ich ako nízkoenergetické pamäte.


Obr.: „Pacman-like“ nanomagnet

1.   V. Cambel and G. Karapetrov, Control of vortex chirality and polarity in magnetic nanodots with broken rotational symmetry, Phys. Rev. B 84 (2011) 014424.
2.   J. Tóbik, V. Cambel, and G. Karapetrov: Dynamics of vortex nucleation in nanomagnets with broken symmetry, Phys. Rev. B 86 (2012) 134433.
3.   Cambel, V. and Karapetrov, G.: Micromagnetic simulations of pac-man-like nanomagnets for memory applications. J. Nanosci Nanotechnol. 12 (2012) 7422-7425.
4.   Šoltýs, J., Gaži, Š., Fedor, J., Tóbik, J., Precner, M., and Cambel, V.: Magnetic nanostructures for non-volatile memories. Microelectr. Engn. 110 (2013) 474-478.
5.   Cambel, V., Tóbik, J., Šoltýs, J., Fedor, J., Precner, M., Gaži, Š., and Karapetrov, G.: The influence of shape anisotropy on vortex nucleation in Pacman-like nanomagnets,. J. Magnetism Magnetic Mater. 336 (2013) 29-36.