（理论物理专业论文）铁磁反铁磁体系中交换偏置的角度依赖关系及其阶跃现象.pdf

、 原创性声明 本人声明：所早交的学何论文是本人在导师的指导卜进行的研究i ：作及取得的研究成果除本文已经 注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的研究成果，也不包含为获得囱鏊查太堂及其 他教育机构的学位或证l s 而使用过的材料与我一同r ：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已往论文中做 了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：厶窒整 指导教师签碜 日期：p 石：i 二礓日期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印, t l t - _ 希l 磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 人学就读期间导师的同意：若j j 丁发表论文，版权单位必须署名为内蒙占人学方可投稿或公开发表 学位论文作者签名：j 囱喀释 指导教师签名 2删3 册4 6删3 舢7肼胂y 铁磁反铁磁体系中交换偏置的角度依赖关系及其阶跃现象 摘要 铁磁反铁磁体系的交换偏置效应在磁电阻传感器和自旋阀方面具有重要 的用途，因而也得到了人们的广泛关注最近一些实验证实：在测量交换偏置 场与矫顽场随磁化角度的变化曲线中( 以下简称为交换偏置的角度依赖关系) 可 以观测到阶跃现象另外，铁磁反铁磁体系在磁化反转过程中可以表现出半平 面转动和全平面转动两种磁化模式但是，人们并没有说明这些新现象背后的 物理机制本文提出了一种新的方法，详细地分析了铁磁反铁磁体系的磁化过 程，解释了体系在磁化反转过程中出现两种转动磁化模式的机制，也解释了交 换偏置角度依赖关系中出现阶跃现象的原因 根据不施加外磁场时体系的能量与铁磁层磁化强度方向之间的关系，我们 将铁磁反铁磁体系的起始磁化状态分为单稳态、双稳态、三稳态及四稳态共四 种不同的状态将体系出现能量极小与极大时，铁磁层磁化强度的方向分别定 义为内禀易轴和内禀难轴根据内禀易轴与内禀难轴的具体位置将整个磁化方 向划分为若干个角度区域分角度区域地研究体系的磁化过程可以发现，当磁 化强度在磁化循环中越过全部的内禀难轴时，铁磁反铁磁体系在磁化反转过程 中将出现全平面转动的磁化模式；当磁化强度在磁化循环中只能越过部分内禀 难轴或者根本没有越过任何一个内禀难轴时，铁磁反铁磁体系在磁化反转过程 中将出现半平面转动的磁化模式外磁场沿内禀易轴和内禀难轴方向磁化时， 一支转换场发生突变而另一支转换场则保持连续，最终导致交换偏置场和矫顽 场出现阶跃行为本文利用这种分析方法讨论了各种类型的各向异性对铁磁反 t 铁磁体系磁化过程的影响，研究了交换偏置场与矫顽场随外磁场磁化角度的变 化关系本论文中的主要结果有： 一、对于仅存在单轴各向异性的铁磁反铁磁体系研究表明，通过调节交 换各向异性的大小及方向，体系可以在单稳态和双稳态之间相互转换，并且导 致交换偏置出现不同形状的角度依赖关系曲线外磁场沿内禀易轴和内禀难轴 方向磁化时，交换偏置场和矫顽场出现了明显的阶跃现象数值计算表明，交 换偏置场和矫顽场在阶跃点处均具有较大的数值在内禀易轴的阶跃点，矫顽 场可以达到最大；在内禀难轴的阶跃点，交换偏置场达到最大而矫顽场可以突 然消失体系在磁化反转过程中可出现半平面转动和全平面转动两种磁化模式， 内禀易轴与内禀难轴所在的方向恰是两种转动磁化模式的分界磁化角度 二、对于存在外应力的铁磁反铁磁体系研究表明，调节外应力的大小和 方向可以使体系在单稳态和双稳态之间相互转换并导致交换偏置的角度依赖关 系发生显著变化体系存在外应力时，交换偏置的角度依赖关系中仍然存在阶 跃现象外应力可作为一种有效的外部手段来控制和调节铁磁反铁磁体系的交 换偏置，这种调控作用对磁致伸缩系数较大的铁磁层材料将更为明显 三、对于同时存在单轴和立方各向异性的铁磁反铁磁体系研究表明，通 过调节立方各向异性的大小和方向，体系将出现单稳态、双稳态、三稳态以及 四稳态共计四种状态存在立方各向异性时，交换偏置将出现复杂的角度依赖 关系，表现在交换偏置的角度依赖关系中可以出现非常剧烈的振荡行为交换 偏置场和矫顽场的阶跃行为依然可以在交换偏置的角度依赖关系中出现体系 从单稳态向四稳态变化时，交换偏置角度依赖关系中的阶跃次数逐渐增多；同 时发现，增强立方各向异性可以显著提高体系的矫顽力另外，体系在磁化反 i i 转时仍可出现半平面转动和全平面转动两种磁化模式 四、以平行界面的畴壁模型为基础，研究了反铁磁层的畴壁能对交换偏置 角度依赖关系的影响研究发现，考虑了反铁磁层的畴壁结构之后，交换偏置 的角度依赖关系中仍可以出现阶跃现象，同时铁磁反铁磁体系在磁化过程中仍 可以出现全平面转动和半平面转动两种磁化模式反铁磁层的畴壁能较大时， 钉扎角的变化范围较小，反铁磁层可为铁磁层的磁化反转提供稳定的钉扎效 果反铁磁层的畴壁能趋于无穷大时，平行界面的畴壁模型与m b 模型一致反 铁磁层的畴壁能较小时，钉扎角的变化范围较大，反铁磁层对铁磁层的钉扎效 果减弱反铁磁层的畴壁能趋于无穷小时，反铁磁层磁化强度将随铁磁层磁化 强度同步转动，铁磁反铁磁交换偏置体系的磁化性质将与单层铁磁材料相同 关键词：铁磁反铁磁体系；交换偏置；交换偏置的角度依赖关系；阶跃 现象；磁化反转过程 本文是在国家自然科学基金( 批准号：1 0 7 6 2 0 0 1 ) ，教育部新世纪优秀人才计 划基金( 批准号：2 0 0 5 0 2 7 2 ) ，教育部科学技术研究重大项目( 批准号：2 0 0 6 0 2 4 ) 和高等学校博士学科点专项科研基金( 批准号：2 0 0 8 0 1 2 6 0 0 0 3 ) 的支持下完成的 i i i a n g u l a rd e p e n d e n c eo ft h ee x c h a n g eb i a sa n dt h e j u m pp h e n o m e n o ni n f e r r o m a g n e t i c ，a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m s a bs t r a c t t h ee x c h a n g eb i a sb e t w e e nf e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m sh a sr e c e i v e d m u c ha t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sf o ri t st e c h n o l o g i c a li m p o r t a n c ei nm a g n e t o r e s i s t i v e s e n s o r sa n ds p i nv a l v e s r e c e n t l y ，i th a sb e e nc o n f i r m e db ye x p e r i m e n t st h a ta j u m p p h e n o m e n o nw i l l b ee m e r g e di nt h ea n g u l a rd e p e n d e n c eo ft h ee x c h a n g eb i a s a d d i t i o n a l l y , i ti sf o u n dt h a tt h ef e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m sw i l le x h i b t t h ef u l l - p l a n ea n dh a l f - p l a n er o t a t i o nm o d e si nt h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s s e s h o w e v e lt h em e c h a n i s mf o rt h e s en e wf e a t u r e sw a sn o ti n t e r p r e t e di nt h e s ew o r k s i nt h i st h e s i s ，an e wm e t h o dw a sp r o p o s e dt oa n a l y z et h em a g n e t i z a t i o np r o c e s s e so f t h e s y s t e m s t h em a g n e t i z a t i o n r e v e r s a l p r o c e s s e s o ft h e f e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m s h a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h ej u m pp h e n o m e n o n t o g e t h e rw i t ht h ef u l l p l a n ea n dh a l f - p l a n er o t a t i o nm o d e sh a v eb e e ne x p l a i n e db y t h e a n d q u a d r i s t a b l es t a t e sw h e nt h ea p p l i e df i e l di sa b s e n ta tt h ei n i t i a lm a g n e t i z a t i o ns t a t e f u r t h e r m o r e ，t h eo r i e n t a t i o n so ff e r r o m a g n e t i cm a g n e t i z a t i o nf o rt h ee n e r g ym i n i m a a n de n e r g ym a x i m ai nt h ei n i t i a lm a g n e t i z a t i o ns t a t ea r ed e f i n e da st h ei n t r i n s i ce a s y a x e sa n di n t r i n s i ch a r da x e s ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ep o s i t i o n so ft h ei n t r i n s i ce a s y a n dh a r da x e s ，t h ew h o l ea n g u l a rr a n g eo ft h em a g n e t i z a t i o nc a nb ed i v i d e di n t o s e v e r a la n g u l a rr e g i o n s t h em a g n e t i z a t i o np r o c e s s e sa r ea n a l y z e dw h e nt h ee x t e r n a l f i e l di sa p p l i e di n e v e r ya n g u l a rr e g i o n i ti sf o u n dt h a tw h e nt h ef e r r o m a g n e t i c m a g n e t i z a t i o nc r o s s e st h ew h o l eo ft h ei n t r i n s i ch a r da x e sd u r i n gt h em a g n e t i z a t i o n c y c l e s ，t h es y s t e m sw i l le x h i b i taf u l l p l a n er o t a t i o nm o d ed u r i n gt h em a g n e t i z a t i o n r e v e r s a lp r o c e s s e s o t h e r w i s e ，t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lw i l ls h o wah a l f - p l a n e r o t a t i o nm o d ew h e nt h ef e r r o m a g n e t i cm a g n e t i z a t i o nc r o s s e sp a r t i a li n t r i n s i ch a r d a x e so ri td o e sn o tc r o s sa n yi n t r i n s i ch a r da x i si nt h em a g n e t i z a t i o nc y c l e s i n a d d i t i o n ，w h e nt h ee x t e m a lf i e l di sa p p l i e da l o n gt h ei n t r i n s i ce a s ya n dh a r da x e s ，i ti s f o u n dt h a to n eo ft h es w i t c h i n gf i e l d s a tt h ed e s c e n d i n go ra s c e n d i n gb r a n c ho ft h e h y s t e r e s i sl o o pm a k e sa na b r u p tc h a n g e ，w h i l et h eo t h e rs w i t c h i n gf i e l dk e e p s c o n t i n u i t y ，a n dc o n s e q u e n t l yt h ee x c h a n g eb i a sf i e l da n dt h ec o e r c i v i t yw i l ls h o wt h e j u m pp h e n o m e n o ni nt h ea n g u l a rd e p e n d e n c eo ft h ee x c h a n g eb i a s b a s e do nt h i s m e t h o d ，t h ee f f e c to fv a r i o u sa n i s o t r o p i e s o nt h em a g n e t i z a t i o np r o c e s s e sf o r f e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h ed e p e n d e n c eo f t h ee x c h a n g eb i a sf i e l da n dt h ec o e r c i v i t yo nt h eo r i e n t a t i o no ft h ea p p l i e df i e l dh a s a l s ob e e ni n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s s o m em a i nr e s u l t sa r eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ,o n l y t h eu n i a x i a l a n i s o t r o p y i sc o n s i d e r e di nt h e v f e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m s b yt u n i n g t h e m a g n i t u d e a n dt h e o r i e n t a t i o no ft h ee x c h a n g ea n i s o t r o p y , t h ei n i t i a lm a g n e t i z a t i o ns t a t eo ft h es y s t e m s c a nb ed i v i d e di n t om o n o s t a b l es t a t ea n db i s t a b l es t a t e ，w h i c hd e t e r m i n et h ea n g u l a r t h i r d l y ，b o t ht h e u n i a x i a la n dc u b i ca n i s o t r o p i e sa r ec o n s i d e r e di nt h e f e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m s b yt u n i n gt h er e l a t i v em a g n i t u d e a n d o r i e n t a t i o no ft h ec u b i ca n i s o t r o p y , t h es y s t e m sw i l lb ei nm o n o s t a b l e ，b i s t a b l e ， t r i s t a b l ea n dq u a d r i s t a b l es t a t e s i td i s p l a c e sac o m p l e xa n g u l a rd e p e n d e n c eo f e x c h a n g eb i a si nt h es y s t e m s ，w h i c hm a n i f e s t si t s e l fb yav i s i b l eo s c i l l a t i o ni nt h e c u r v e s t h ej u m pp h e n o m e n o ni sa l s oe x i s t e n ti nt h ea n g u l a rd e p e n d e n c eo ft h e e x c h a n g eb i a s a d d i t i o n a l l y ，t h eh a l f - p l a n er o t a t i o na n df u l l p l a n er o t a t i o nm o d e s a r ea l s os h o w ni nt h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s s e s t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s i n d i c a t et h a tt h ec o e r c i v i t yo ft h es y s t e mw a se n h a n c e ds i g n i f i c a n t l yb yr e i n f o r c i n g t h ec u b i ca n i s o t r o p y , a n dt h et i m e so ft h ej u m p sa r ei n c r e a s e di nt h ec u r v e sw h e nt h e s y s t e m sm a k et h et r a n s i t i o nf r o mm o n o s t a b l es t a t et oq u a d r i s t a b l es t a t e l a s t l y , t h e e f f e c to fd o m a i nw a l li nt h e a n t i f e r r o m a g n e to nt h ea n g u l a r d e p e n d e n c eo ft h ee x c h a n g eb i a sh a sb e e ni n v e s t i g a t e db a s e do nt h ep l a n a rd o m a i n w a l lm o d e l i ti ss h o w nt h a tt h ej u m pp h e n o m e n o ni sa l s oe x i s t e n ti nt h ea n g u l a r d e p e n d e n c eo ft h ee x c h a n g e b i a s a d d i t i o n a l l y ，t h eh a l f - p l a n e r o t a t i o na n d f u l l - p l a n er o t a t i o nm o d e sa r ea l s od i s p l a c e di nt h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s s e s w h e nt h ee n e r g yo ft h ea n t i f e r r o m a g n e t i cd o m a i nw a l li sl a r g e r , t h ec h a n g i n gr a n g e o fp i n n i n ga n g l ei sn a r r o w e r , w h i c hi n d i c a t e st h a tt h eb e r e rp i n n i n ge f f e c to ft h e a n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e ri se x e r t e do nt h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r w h e nt h ee n e r g yo ft h e d o m a i nw a l lt e n d st oi n f i n i t y ，t h ep l a n a rd o m a i nw a l lm o d e lc o i n c i d e sw i t ht h em b m o d e l o nt h ec o n t r a r y , i ft h ee n e r g yo ft h ea n t i f e r r o m a g n e t i cd o m a i nw a l li sw e a k e r , t h ec h a n g i n gr a n g eo fp i n n i n ga n g l ei sw i d e r , w h i c hm e a n saw e a k e rp i n n i n ge f f e c t v e x i s t si nt h es y s t e m s w h e nr e d u c i n gt h ee n e r g yo ft h ed o m a i nw a l l w i t h o u tl i m i t ，t h e a n t i f e r r o m a g n e t i cm a g n e t i z a t i o nw i l lr o t a t es y n c h r o n o u s l yw i t ht h ef e r r o m a g n e t i c m a g n e t i z a t i o n t h e r e f o r e ，t h em a g n e t i z i n g b e h a v i o r o ft h e e x c h a n g e b i a s e d f e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m sw i l lb es a m et ot h es i n g l ef e r r o m a g n e t i c l a y e r k e y w o r d s ：f e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cs y s t e m s ；e x c h a n g eb i a s ；t h ea n g u l a r d e p e n d e n c e o ft h e e x c h a n g eb i a s ；t h ej u m pp h e n o m e n o n ； m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s s e s t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 10 7 6 2 0 01 ) ，t h ep r o g r a mf o rn e wc e n t u r ye x c e l l e n tt a l e n t si nu n i v e r s i t y o fc h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 5 0 2 7 2 ) ，t h ek e yp r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r yo fe d u c a t i o n ( g r a n tn o 2 0 0 6 0 2 4 ) a n dt h es p e c i a l i z e dr e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo f h i g h e re d u c a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 8 0 12 6 0 0 0 3 ) 目录 第一章绪论1 1 1 铁磁反铁磁体系中的交换偏置现象1 1 2 交换偏置的角度依赖关系7 1 3 论文研究内容及安排1 0 第二章交换偏置的角度依赖关系及其阶跃现象( i ) 1 2 一一交换各向异性与单轴各向异性共线的铁磁反铁磁体系1 2 2 1 铁磁反铁磁体系的单稳态与双稳态1 2 2 2 铁磁反铁磁体系的磁化过程1 4 2 3 交换偏置场与矫顽场的阶跃现象1 7 2 4 结论一2 0 第三章交换偏置的角度依赖关系及其阶跃现象( i i ) 2 1 一一交换各向异性与单轴各向异性不共线的铁磁反铁磁体系2 1 3 1 理论模型2 1 3 2 铁磁反铁磁体系的磁化过程及磁滞回线2 4 3 3 数值计算结果与讨论3 0 3 4 理论计算与实验结果比较3 3 3 5 结论3 5 第四章外应力对交换偏置角度依赖关系的影响3 6 4 1 理论模型3 6 4 2 铁磁反铁磁体系的磁化过程3 8 4 3 数值计算与讨论4 0 4 4 结论4 4 第五章立方各向异性对交换偏置角度依赖关系的影响4 5 5 1 理论模型4 5 5 2 铁磁反铁磁体系的磁化过程4 9 5 3 数值计算结果与讨论5 1 5 4 各向异性不共线时交换偏置的角度依赖关系5 6 5 5 结论6 1 第六章反铁磁层的畴壁能对交换偏置角度依赖关系的影响6 2 6 1 理论模型6 2 6 2 铁磁反铁磁体系的磁化过程6 7 6 3 数值计算与讨论7 0 6 4 结论7 3 第七章总结7 4 参考文献。7 7 致谢8 4 攻读学位期间发表和完成的论文8 5 i x 第一章绪论 第一章绪论 巨磁电阻效应( g m r ) 的发现是磁性材料、器件及磁性物理发展史上的一个里程碑 1 2 自 从巨磁电阻效应被人们发现以来，各种巨磁电阻器件在机电、汽车、航空航天及高密度信息 存储领域的广泛应用，一直受到人们的高度重视其中，铁磁反铁磁交换偏置体系是磁电阻 器件的重要结构，在磁场传感器、磁记录读出头、巨磁电阻随机存储器、无接触磁控元件、 以及自旋阀晶体管等方面都有重要的应用价值 3 8 】例如，具有交换偏置效应的铁磁反铁磁 双层膜提高了高密度磁记录读出头的灵敏度，使得磁记录存储密度得到了飞速的发展另外， 它还是目前广为关注的磁随机存储器( m r a m ) 的基本结构 9 1 2 】所以在基础研究和应用两个 方面都得到了广泛的重视 1 1 铁磁反铁磁体系中的交换偏置现象 交换偏置是指铁磁反铁磁体系从反铁磁材料的奈尔温度( 虱) 以上加磁场冷却到到低温或 者在磁场中依次生长铁磁反铁磁体系时，铁磁材料的磁滞回线沿着磁场轴发生移动并且伴随 矫顽力增加的现象1 9 5 6 年m e i k l e j o h n 和b e a n 首次在c o o 外壳覆盖的c o 颗粒中发现了 交换偏置现象【1 3 】图1 1 是他们当时测量c o o c o 体系的实验结果 如图1 1 ( a ) 所示，体系的顺时针和逆时针转矩曲线并不重合而是存在明显的磁滞效应，而 对于均匀的铁磁材料，两个方向上的转矩曲线应该是重合的即高场下转动磁滞趋于零如图 1 1 ( b ) 所示，当外磁场沿着冷却场的方向测量时，磁滞【旦1 线将向负磁场方向偏离，偏离原点的 大小称为交换偏置场同时，我们也可以看到样品的磁滞回线也出现了不对称性，磁滞回线 的下降支和上升支的形状不再相同 随后，人们发现很多铁磁反铁磁体系中均存在交换偏置效应，并进行了一系列深入的研 究 1 4 1 9 一般说来，常用于交换偏置体系的铁磁材料主要是一些金属材料如c o ，n i f e ，f e ， c o f e ，n i f e c o 和n i f e b ；反铁磁材料主要可以分为金属氧化物、氟化物和金属合金三类常 见的金属氧化物类型的反铁磁材料有n i o ，c o o ，a - f e 2 0 3 ，氟化物有f e f 2 和m n f 2 ，而金属 合金类的反铁磁材料主要有f e m n ，i r m _ n ，c r m n ，n i m n ，p t m n 和p d m n ， 内蒙古大学博士毕业论文 ；捻 留 lr 3 3 0 3 砺 ( j 麓 | ?f ， t os6 - sf 246li f 封k 0 e ) 终 ( h ) 髟 t 第一章绪论 及c o o 和n i o 的f 1 1 0 ) 和( 1 0 0 ) 面反之，如果反铁磁层界面内原子的自旋相互平行排列，那 么界面处将具有很大的净磁矩即构成未补偿型的界面，如f e m n 的( 11 0 ) 面以及c o o 和n i o 的( 1 1 1 ) 面 未补偿型界面的实验结果比较一致而且也容易理解，产生交换偏置的原因可以直观上解释 为反铁磁层界面处的净磁矩与铁磁层磁矩之间的交换耦合作用而人们对于补偿型界面的实 验结果则不尽相同，而且理解起来也有一定的难度对一些具有补偿型界面的体系如 n i f e c o o ( 1l o ) 或n i f e c o o ( 1 0 0 ) 双层膜，交换偏置场为零即体系不存在交换偏置效应 2 7 】而 对于另外一些由补偿型界面组成的体系如f e n i f e m n ( 11 1 1 双层薄膜，实验观测到不但存在交 换偏置场，而且数值上还比具有未补偿型界面的体系f e n i f e m n ( 11 0 ) 大得多 2 8 实际上， 真实的界面总有一定的粗糙度，补偿型界面内也会由此而产生局部的磁矩，从而产生交换偏 置现象 2 9 ( 4 ) 界面粗糙度及晶粒尺寸 界面粗糙度极大地影响着铁磁反铁磁界面处的自旋排列情况，进而也就影响着体系的交 换偏置行为一般来说，交换偏置场会随着界面粗糙度的增加而减少 3 0 3 4 ，但是也有研究 发现交换偏置场对晷面扭糙度不敏感或是随粗糙度的增加而增加 3 5 - 3 6 】，不同的研究小组得 到的结论不尽相同根据唯象模型，对于未补偿型界面而言，界面粗糙度的增加将使得反铁 磁层界面处的自旋排列更加弥散，因此也会减小界面处净磁矩的大小，进而造成交换偏置场 的减d 3 0 3 4 但是这一简单的物理图像不能解释补偿型界面的实验结果有人认为界面粗 糙度将会影响界面耦合强度从而改变了交换偏置场的大6 3 7 如果反铁磁层生长在铁磁层 的上面，界面粗糙度还将影响反铁磁层的结构，从而进一步影响体系的交换偏置行为 3 8 ，3 9 交换偏置场也随反铁磁层内部晶粒尺寸的变化而变化 4 0 - 4 6 例如，b e e k o w i t z 等人发现 在c o o n i f e 双层膜中，交换偏置场与c o o 层内晶粒直径的倒数成正比 4 6 】对于一些系统， 交换偏置场随晶粒尺寸的增加而增j j h 4 0 - 4 2 ；而对于另外一些体系，交换偏置场则随晶粒尺 寸的增加而减d 4 3 - 4 5 当晶粒尺寸发生变化时，其它的一些参数如界面粗糙度等也会相应 地有所变化，因此铁磁反铁磁界面的粗糙度和反铁磁层晶粒尺寸对交换偏置的影响往往很难 互相区分开【4 7 ( 5 ) 温度 实验研究表明，交换偏置场将随测量温度的升高而逐渐减小当测量温度高于某一温度时， 交换偏置效应将会消失，这一温度被称为截止温度( 死) 与反铁磁材料的奈尔温度( 凡) 不同， 交换偏置的截止温度不是一个本征的物理量，它依赖于反铁磁材料本身、反铁磁材料的厚度 3 内蒙古大学博士毕业论文 以及晶粒的尺寸等因素 2 l ，4 8 ，4 9 对于一些体系，截止温度与奈尔温度很接近，而对于另外 的一些体系，截止温度则比奈尔温度要低交换偏置体系的矫顽力也是测量温度的函数，当 温度高于截止温度时，铁磁反铁磁体系的交换偏置效应消失，体系的矫顽力也将随之减小到 单层铁磁材料时的数值【4 8 】 ( 6 ) 冷却场 对铁磁反铁磁双层膜进行磁场冷却是产生交换偏置效应的必要条件之一( y 5 外一种产生 交换偏置的方法是在样品的制备过程中施加一外磁场 1 4 1 9 ) 研究表明，冷却场小于铁磁层 材料的饱和场时，交换偏置场随冷却场的增加而不断增加，但是当冷却场大于铁磁层材料的 饱和场之后，冷却场的大小对交换偏置场的影响很小 5 0 另外，调节冷却场的方向可以使 铁磁反铁磁界面处交换耦合的方向发生改变【5 1 在一般的交换偏置体系中，磁滞回线的移动方向与冷却场方向相反，这就是负交换偏置 1 4 - 1 9 然而在某些体系如m n f 2 f e 以及f e f 2 f e 中发现在冷却场较大时，磁滞回线的移动 却与冷却场的方向相同即出现正的交换偏置 5 2 1 研究表明，这种正向的交换偏置是由于铁 磁层与反铁磁层界面处的自旋之间存在反铁磁性耦合而引起的 5 3 ，5 4 此外，p a r k i n 等人的 研究发现，经过磁场冷却的n i o f e c o 双层膜中n i o 的磁畴结构与n i o 单层膜相比发生了很大的 变化 5 5 】实验研究表明，无论是补偿型界面【5 5 还是未补偿型界面 5 6 】，反铁磁界面处的自 旋结构或磁畴结构在磁场冷过程中都将出现变化并由此产生一个小的附加磁矩，正是这个附 加磁矩产生了交换偏置现象 除了以上因素之外，交换偏置现象还依赖于所选用的铁磁反铁磁体系以及薄膜的沉积条 件例如，离子束辐射 5 7 和铁磁反铁磁材料的生长顺序 3 8 ，3 9 ，5 8 对交换偏置效应也有较强 的影响 由于影响交换偏置的因素比较多，因此在实验测量方面必须使用大量的测量手段和方法才 可以获得比较完整的信息常用的测量交换偏置效应的手段主要有：磁滞回线测量，铁磁共 振，磁电阻测量，转矩测量，磁畴观测，磁二色性，交流磁化率，穆斯堡尔谱以及布里渊散 射 1 4 - 1 9 在理论研究方面，m e i k l e j o h n 和b e a n 在首次发现交换偏置效应之后便提出了该领域的 首个理论模型即m b 模型 1 3 图1 2 描述了m b 模型下交换偏置出现的物理机制 当温度介于铁磁材料的居里温度死和反铁磁材料的奈尔温度虱即t n t t c 时，铁磁层 材料的磁矩m f 将在外磁场作用下沿着磁场方向排列，但是反铁磁层的磁矩m a r 仍然处于无 序状态，由于反铁磁层界面处的磁矩随机排列，因此反铁磁层磁矩与铁磁层磁矩之间总的交 4 第一章绪论 换耦合作用为零当温度降低即氏虱时，反铁磁层出现磁有序，界面处磁矩之间的交换耦合 作用不再为零假定界面处存在铁磁性交换耦合作用，因此撤去冷却场月高l 之后，两层材料 的磁矩是平行排列的当m f 随外磁场日转动时，由于反铁磁层具有很大的各向异性，界面 交换耦合作用不足以克服强大的各向异性能，因此m a r 并不随m f 转动而是继续保持在原来 的方向上m a r 对m f 的交换耦合作用相当于给m f 施加了一个“钉扎场”，由于界面处存在 铁磁性交换耦合作用，因此钉扎场的方向沿m a r 原来的方向；这样，在坼由+ m - - - - m 翻转 时，外界必须施加很大的外磁场来克服这个钉扎场的阻碍；同样地，m f 由一m 一十m 变化时， 外界在钉扎场的“帮助”下，只需要提供很小的磁场就可以实现反转因此，与单层的铁磁 材料相比，铁磁反铁磁体系在+ m 一一m 和一m 寸+ m 过程中的转换场将不再相同，体系的磁滞 回线也相应地偏离原点，偏离的方向与冷却场的方向相反 枞震(i)vthtcafm! 各涵i ” 旦 lf i e l d c o o l f m ：= ：i h = 嚣= 蔫? ：；? ：= a f 螂：等嚣鬈冀： 乜= 唑兰二? ：i 嘲i 委萎萎霎； a f m ! 等= 篡= - 蠹篓! = 二= = ； f mj ：= = ：； 七= ，= = z = = ：守 a r m ：嚣嚣嚣等： 2 = = 苎寰篡= = 0 1 ：= 麟网 f mi 圭整型 a 狲f ；鬈鬈嚣嚣： 图1 2m - b 模型下，交换偏置建立的物理过程( 引自文献 1 4 】) f i g1 2t h ed e s c r i p t i o no ft h em e c h a n i s mo ft h ee x c h a n g eb i a se f f e c tu n d e rm bm o d e l ( c i t e df r