（凝聚态物理专业论文）磁纳米点动力学反磁化过程的微磁学研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 基于纳米点的磁纳米结构信息器件和白旋电子器件的研制首先 需要解决的关键问题就是器件的微磁结构和动力学反磁化机制，本 文就是采用微磁学方法，对矩形磁纳米点的微磁结构和动力学反磁 化过程作了如下几个方面的研究： 研究了矩形磁性纳米点的稳定的微磁结构和静态反磁化过程。 结果发现纳米点的微磁结构强烈地依赖于纳米点的初始磁矩分布状 态以及阻尼因子的大小，从不同的初始磁矩分布状态出发可获得准 一致的c 形和s 形磁结构，涡旋结构，在较大的阻尼因子下还出现 f l o w e r 磁结构。模拟c 形和s 形磁结构的静态反磁化过程，研究还 发现，由于两种磁结构边界畴磁矩分布的不同导致其反磁化机制不 同，从而引起两种磁结构反转场存在差别。 研究了初始态为c 形和s 形磁结构磁体在方波脉冲场作用下的 动力学反磁化过程。研究发现，对于c 形磁结构来说，随着脉冲场 强的增加，磁体的反磁化模式发生了改变。当场强较弱时，反磁化 过程通过畴壁移动+ 单一涡旋的形成和移动来完成；当场强较大时， 反磁化过程模式转变为畴壁移动+ 双涡旋的形成与移动；在更强的场 强下，反磁化过程通过畴壁地移动+ 多涡旋的形成与湮灭来实现。由 于反磁化模式随场强的变化而改变，反磁化时间随场强的增大出现 振荡变化形式。而对于s 形磁结构，当场强较弱时，两边缘畴壁移 动到磁体中部重合随后消失，完成反磁化过程。随着场强的增大， 畴壁的结构逐渐由1 8 0 。畴壁向3 6 0 。畴壁转变，当场强增大到一定 值时，形成了3 6 0 。畴壁，阻碍了畴壁的移动，反磁化过程转变为 3 6 0 。畴壁的收缩和湮灭。由于畴壁结构随脉冲场强的增大而变化， 使之磁体的反磁化时间随场强的变化在中等场强附近出现一个台 阶。 研究了不同方向脉冲场作用下c 形和s 形磁结构磁体的进动反 磁化过程和最低反转场。结果显示，随着脉冲场角度( 脉冲场方向 与纳米点长轴之间的夹角) 的增加，磁体的磁矩分布对称性发生变 化，从而引起磁体反磁化过程中磁结构演变形式的不同，两者的最 低反转场都表现出先减小后增加的趋势。 关键词磁纳米点，微磁学，微磁结构，动力学反磁化机制 中南大学硕士学位论文 a b s t r c a t a b s t r a c t m a g n e t i cs t a t ea n dd y n a m i c a lm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l m e c h a n i s m i sak e yp r o b l e mi np r e p a r i n gn a n o s i z e dm a g n e t i ci n f o r m a t i o nd e v i c e s a n ds p i n e l e c t r o n i cd e v i c e sb a s e do nn a n a d o t s i nt h i st h e s i s ，b a s e do n t h e m i c r o m a g n e t i ct h e o r y ，t h em a g n e t i c s t a t ea n d d y n a m i c a l 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 so fr e c t a n g u l a rm a g n e t i cn a n o e l e m e n t s h a v eb e e ni n v e s t i g a t e da sf o l l o w s ： t h es t a b l em a g n e t i cs t a t ea n ds t a t i cm 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 o fr e c t a n g u l a rm a g n e t i cn a n o e l e m e n t sh a v eb e e ns t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a g n e t i cs t a t es i g n i f i c a n t l yd e p e n d so nt h ei n i t i a l m a g n e t i z a t i o nd i s t r i b u t i o n a n dd a m pc o e f f i c i e n t t h eq u a s i u n i f o r m c s t a t ea n ds - s t a t e ，v o r t e xs t a t e ，f l o w e rs t a t ea r ea c q u i r e db ya l l o w i n g t h em a g n e t i z a t i o nt or e l a xf r o md i f f e r e n tm a g n e t i z a t i o nd i s t r i b u t i o n w h e ni nl a r g ed a m pc o e f f i c i e n t t h ee l e m e n t sw e r ef o u n dt ob ei nt h e f l o w e rs t a t e s t a t i cm 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 so fq u a s i u n i f o r m c s t a t ea n ds s t a t ew e r es t u d i e d ，m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lm e c h a n i s m w e r ed i f f e r e n td u et ot h ee d g ed o m a i n s ，w h i c hr e s u l ti nd i f f e r e n t r e v e r s a lf i e l d t h ed y n a m i c a lm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s so fn a n o e l e m e n t s w i t hi n i t i a lc s t a t ea n ds - s t a t es u b j e c tt os q u a r ep u l s e dm a g n e t i cf i e l d h a v e db e e ni n v e s t i g a t e d f o rt h ec s t a t e ，i tw a sf o u n dt h a tt h er e v e r s a l s p r o c e e d e dt h r o u g hd i f f e r e n tm o d e s a st h ep u l s ea m p l i t u d ei si n c r e a s e d f o rt h ew e a km a g n e t i cf i e l dp u l s e ，t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a li sr e a l i z e d t h r o u g ht h em o t i o no ft h ee n dd o m a i nw a l l st o w a r dt h ec e n t r a lp a r to f m a g n e ta n d ，s u b s e q u e n t l y ，t h ef o r m a t i o na n dm o t i o no f as i n g l ev o r t e x a st h es t r e n g t ho fm a g n e t i cf i e l dp u l s eb e c o m es t r o n g e r ，t h er e v e r s a li s a c c o m p l i s h e dt h r o u g ht h e m o t i o no ft h ee n dd o m a i nw a l l sp l u st h e f o r m a t i o na n dm o t i o no ft w ov o r t e xs t r u c t u r e f o rm u c hs t r o n g e rf i e l d p u l s et h er e v e r s a lp r o c e s si st h em o t i o no ft h ee n dd o m a i nw a l l sa n d s u b s e q u e n t f o r m a t i o na n da n n i h i l a t i o no fs e v e r a lv o r t i c e s t h e d e p e n d e n c eo fr e v e r s a l t i m eo nt h ef i e l dp u l s ea m p l i t u d ed i s p l a y s o s c i l l a t i n gc h a r a c t e r i s t i cd u et ot h et r a n s i t i o n so fr e v e r s a lm o d e sw i t h t h ef i e l ds t r e n g t h f o rt h es s t a t e ，t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a li sr e a l i z e d t h r o u g ht h em o t i o no ft h ee n dd o m a i nw a l l st o w a r dt h ec e n t r a lp a r to f m a g n e ta n ds u b s e q u e n t l yd i s a p p e a r i n g w i t ht h ei n c r e a s eo f t h ep u l s e s t r e n g t h d o m a i nw a l ls t r u c t u r et r a n s f o r m e df r o mt h e 18 0 0w a l l - l i k e s t r u c t u r et o36 0 。w a l l - l i k es t r u c t u r e u n d e ras u 师c i e n ts t r o n gp u l s e ， 3 6 0 0d o m a i nw a l l sa r ef o r m e da n dt h e i rm o t i o ni sp r o h i b i t e d ，t h e r e v e r s a lp r o c e s si sa c c o m p l i s h e dt h r o u g ht h es h r i n k i n ga n dd i s a p p e a r i n g o ft h e3 6 0 。d o m a i nw a l l s h o w e v e r ap l a t e a ui sf o r m e do nt h e r e v e r s a lt i m e p u l s ea m p l i t u d ec u r v ed u et ot h et r a n s i t i o no fd o m a i nw a l l s t r u c t u r e t h ep r e c e s s i o n a lm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s sa n dt h ec r i t i c a l s w i t c h i n g f i e l do fm a g n e t i cn a n o e l e m e n t sw i t hi n i t i a lc - s t a t ea n d s s t a t es u b j e c tt op u l s e dm a g n e t i cf i e l dw i t hd i f f e r e n td i r e c t i o n sw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fa n g l e0 ( w h e r e0 i sd e f i n e da st h ea n g l eb e t w e e nt h ep u l s e dm a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o na n d n o n o d o tl e n g t h ) ，t h es y m m e t r yo fm a g n e t i z a t i o nd i s t r i b u t i o nc h a n g e d ， w h i c hl e a dt ot h ed i f f e r e n te v o l v e m e n to fm a g n e t i z a t i o nd i s t i l b u t i o n f o rt h et w om a g n e t i cs t a t e ，t h ec r i t i c a ls w i t c h i n gf i e l dd e c r e a s e sa tf i r s t ， a n dt h e ni n c r e a s e sq u i c k l ya st h ea n g l ei n c r e a s e s k e yw o r d sm a g n e t i cn a n o e l e m e n t ，m i c r o m a g n e t i c s ， m i c r o m a g n e t i cs t a t e ，d y n a m i c a lm a g n e t i z a t i o n r e v e r s a lm e c h a n i s m 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：军| 赴 日期：珥年月季日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：垭孚年上月日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着信息技术的高速发展，对信息的记录密度和处理速度提出了更高的要 求。在磁信息记录和处理领域，随着记录密度的提高，磁性颗粒尺寸的减小而导 致的超顺磁现象使得目前连续纵向磁记录介质记录密度已达到了极限。就目前信 息产业的发展趋势而言，磁性纳米点规则排列起来的纳米点阵列和交换耦合的磁 性多层膜结构是研制超高密度磁记录介质的很有前途的方法【m 】，并且基于这些 方法人们已经在实验室中研制出了密度超过l o o o b i t i n 2 的超高密度磁记录介 质。自磁性多层膜的巨磁电阻效应发现以来，基于巨磁电阻效应的自旋阀、磁隧 道结等自旋电子器件受到人们的广泛关注，主要因为自旋电子器件在信息存储、 信息读写、磁传感器以及磁性随机动态存储器( m 涨) 等方向具有广阔的应 用前景：另一方面与传统的半导体电子器件相比，自旋电子器件具有更强的信息 存储能力、更快的信息处理速度、更低的能耗和非易失性( n o n v o l a t i l e ) 等优点。 因而自旋电子器件必将成为磁信息记录和处理领域发展的中坚力量，未来这一领 域的发展很有可能引起信息科学技术的革命性进步 4 1 。目前国内外对基于磁性纳 米点和磁性多层膜结构的自旋电子器件研究和开发还处于一个初级阶段，并且已 经得到一些非常重要的应用( 如硬磁盘的读取磁头等) ，但对于磁纳米结构体系 实现超快反磁化过程的一些重要的物理性质以及技术指标仍不是很清楚，阻碍了 自旋电子器件的进一步开发及应用。当基于磁性纳米结构体系的自旋电子器件用 于信息记录和信息处理时，都涉及到磁体的微磁结构，反磁化过程，反磁化时间， 反转场和磁反转后的稳定性等问题。反磁化时间决定信息处理的速度，反转场大 小影响着器件的能耗，反转后的微磁状态关系到记录信息的稳定性。如何实现低 的反转场、可控的超快动力学反磁化过程以及实现反磁化后稳定可控的磁状态成 为首先需要解决的问题，因此对磁纳米结构体系的反磁化机制充分认识是研究开 发未来高新技术器件的关键所在。 在目前的磁信息记录和信息处理器件中，反磁化的实现是通过沿初始磁状态 反平行方向施加一磁场来完成，反磁化过程一般是一个静态的反磁化过程，磁状 态的演变是按能量极小值点轨道进行，即所谓的阻尼反转( d a m p i n gs w i t c h i n g ) 。 反磁化过程往往伴随着反磁化核的形成和畴壁的移动，磁反转时间一般是几个纳 秒。而目前的磁记录介质一般工作在g h z 频率下，为了进一步提高信息处理的 速度，就需要缩短器件的反磁化时间，最好能实现亚纳秒时间尺度的超快动力学 反磁化。近年来学术界提出的一种新的反磁化方式一进动反磁化( p r e c e s s i o n a l 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 s w i t c h i n g ) 是实现磁体超快动力学反磁化的一种很有前途的方法【5 8 1 。在这种反磁 化方式中外场施加方向在平面内与初始磁状态垂直，选择适当的场强和持续时 间，磁反转过程可以通过磁进动方式来实现，这样反转时间比传统反磁化方式快 了十倍以上( 理论上讲，对于磁体的一致磁进动，半个进动周期时间就可实现磁 反转) ，并且实现进动反磁化过程的外场小于传统阻尼反转所需的外场。但是在 研究中发现，磁体的初始磁结构的磁矩分布、脉冲场强度、角度和持续时间等等 都对进动反磁化过程有很大的影响【9 q 5 。为此我们采用微磁学模拟的方法针对不 同初始磁结构的磁纳米点的动力学反磁化过程，反磁化时间和反转场等展开深入 的研究，为实现可控的低场、超快动力学反磁化过程提供理论指导。 1 2 磁纳米结构体系的微磁结构及静态反磁化过程 当磁性纳米结构体系用于磁记录、磁性随机动态存储器( m 洲) 和其它 器件上时，都涉及到剩磁态的微磁结构，反磁化过程。对磁性纳米点而言，剩 磁态的微磁结构以及反磁化过程人们已经做了许多的理论和实验研究【l 。研 究结果表明，随着纳米点的结构参数( 尺寸大小、形状) 和磁参数( 饱和磁化 强度、交换作用强度、磁晶各向异性参数等) 的改变，剩磁态存在着多个可能 的稳定的微磁结构，如准一致分布的f l o w e r 磁结构，c 形和s 形磁结构，朗道 畴结构，菱形磁结构，单涡旋磁结构，双涡旋磁结构，c r o s s t i e 磁结构等等【l 眈3 1 。 s m e v i t i e 和j n c h a p m a n 早在1 9 8 8 年就通过洛伦兹显微镜的两种模式： 传统的透射电子显微镜( c t e m ) 的菲涅耳模式和扫描透射电子显微镜( s t e m ) 的差分相位对比模式( d p c ) 来观察微米和纳米尺寸坡莫合金的磁畴结构，结 果显示随着粒子大小和形状的变化，出现了从多畴态向准单畴态的过渡。1 9 9 5 年s m c v i t i e 等人又使用一种改进过的电子显微镜，这种电子显微镜具有场发 射枪电子源，而这种新的电子源形成了一种新的成像模式来生成磁干涉图，使 用这种新技术生成的图片能更清晰的显示磁感应分布，观测到两种不同结构形 状磁体的不同剩磁结构，并从两种剩磁结构出发观察其磁化和反磁化过程。而 r d g o m e z 于1 9 9 9 年在实验上通过洛仑兹透射电子显微镜( l t e m ) 和磁力 显微镜( m f m ) 观察到了坡莫合金在施加了一外场后得到的退磁结构随磁体的长 径比和尺寸的变化出现七种类型的微磁结构分布，比如由四个9 0 0 畴壁组成的 四个封闭畴一类磁结构，七个封闭畴组成的一类磁结构，边晃为封闭磁通的准 单畴磁结构以及复杂的多畴磁结构等等。w l o f g a n gr a v e 等采用三维数值计算 的方法得到矩形坡莫合金在零外场下存在多种稳定的或亚稳定的剩磁结构分 布。根据平均磁化矢量强度的高低可将剩磁结构分为两类，如l a n d a u ，d i a m o n d ， t u l i p 和c r o s s t i e 等等具有较低的平均磁化矢量强度的第一类剩磁结构，以及 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 f l o w e r ，c 形和s 形等具有较高的平均磁化矢量强度的第二类剩磁结构。在其 它磁参数保持不变的前提下，随着磁体长度的增加，各种磁结构的总能量随着 磁体尺寸的变化表现出波动变化的形式，从而表现出剩磁结构从一种磁状态过 渡到另一种磁状态的情形。比如，当磁体的长度增加至1 0 0 n m 以上时，f l o w e r 形磁结构转变为c 形或者s 形磁结构，当磁体的长度继续增加至2 5 0 n m 以上时， 第一类剩磁结构如l a n d a u 将更趋于稳定，因为它包含有四个封闭磁畴，能有效 地封闭磁通量，并且总的畴壁长度较小，从而能使总能量降低。当磁体的长度 增加至1 1 9 m 以上时，l a n d a u 磁结构将被总能量更低的d i a m o n d 形磁结构取代。 这是因为畴壁能的大小与畴壁的角度有很大的关系，w l o f g a n gr a v e 通过计算 n e e l 公式：已( q 甜) = 6 0 , ( 1 8 0 0 ) 1 一c o s ( q 。2 ) 】2 ，得出9 0 。畴壁的能量低于1 8 0 。畴壁能，而d i a m o n d 磁结构只包含有9 0 0 畴壁，从而很好地解释了上述现象。 随着磁体的长度的进一步增加，更为复杂的c r o s s t i e 磁结构将占据主导地位， 这是因为c r o s s t i e 磁结构的总9 0 。畴壁长度的减小而具有更低的总能量。推算 出在磁体的长度约为8 雌m 时，将出现从s i n g l ec r o s s t i e d 磁结构过渡至d o u b l e c r o s s t i e 磁结构的情形。可以说w l o f g a n gr a v e 从能量的角度详细分析了稳定 的剩磁结构随磁体的尺寸改变而发生变化的原因。r o b e r tl w h i t e 将r d g o m e z 和w l o f g a n gr a v e 分别得到的实验结果和计算结果进行比较，虽然两者 得到的磁结构不存在一一对应的关系，但是结果基本上吻合。这与w l o f g a n g r a v e 理论计算得到的结果非常吻合。 而针对具体磁结构的静态反磁化过程，人们也从理论和实验上做了许多研 究。结果发现，不同的磁结构对应着不同的静态反磁化模式以及反转场1 2 帕s l 。 k j k r i k 等人在实验上使用透射电子显微镜( t e m ) 观测具有方形扁平边界和 三角形点边界的钴和坡莫合金纳米磁体的反转场，结果显示，由于边界畴的存 在，两端为扁平结构的磁体通过畴壁的移动完成反磁化过程，而具有点边界磁 体趋向于单畴结构，随着磁化强度的逐渐增加突然反转。磁体形状的差别使得 前者的反转场远小于后者。h k o o 等人在实验上通过磁力显微镜研究坡莫合金 的三种剩磁结构：单畴磁结构，边界为封闭畴的类单畴磁结构和复杂磁结构的 反磁化过程，揭示了几种磁结构的反磁化机制和反转场，其中单畴结构的反转 场随长径比的增加而迅速增加，方形粒子的反转场为几个o e ，长径比为l ：6 时反转场为1 2 0 0 e ，如长径比增加至1 ：l o 时反转场可达到约7 0 0 0 e 。这是因 为单畴粒子遵循一致反转模型，长径比的增加导致形状各向异性能增加，引起 反转场的明显变化。多畴结构的反转场与长径比无关，因为它的反磁化过程主 要通过边界畴的移动来完成，而边界畴的大小不随长径比的变化而改变。类单 畴结构的反转场受长径比变化的影响也不大，它主要通过9 0 0 和1 8 0 0 畴壁的移 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 动实现反转过程。y o u f e n gz h e n g 等运用微磁学模拟的手段得到c 形和s 形磁 结构的反磁化过程与边界畴的磁矩分布有很大的关系，并且随着磁体厚度的增 加，两种磁结构的反转场的差呈现增加的趋势。其中s 形磁结构的边界畴的磁 矩呈平行排列分布，在磁体的两个边界畴的磁矩在平面内沿相同方向反转的同 时，带动磁体中部的磁矩准一致地反转至外场方向，而c 形磁结构的边界畴 的磁矩呈反平行排列分布，表现为磁体的两边界畴的磁矩在平面内沿相反方向 反转，从而在磁体中形成畴壁，畴壁向边缘移动后完成反磁化过程。由于在c 形磁结构磁体的反磁化过程中形成了畴壁，致使所需的反转场加大。不同的初 始磁结构的边界畴的磁矩分布引起了不同的反磁化模式，最终导致了反转场的 差别，并且随着磁体厚度的增加，反转场的差别表现出增大的趋势。这与 w l o f g a n gr a v e 模拟的c 形和s 形磁结构的反磁化过程结果类似，后者得出的 c 形磁结构在反磁化过程分为两个阶段，首先也是边界畴的磁矩沿相反方向反 转而在磁体中形成了垂直的1 8 0 。畴壁，随着外场强度的变化，畴壁发生演变 完成反磁化过程。而s 形磁结构的反磁化过程在两边界反磁化畴不断扩大的同 时，在磁体中部形成了第三个反磁化畴，当它们相互连接后，完成反磁化过程。 将磁体的长度增加后，s 形磁结构的反磁化模式不变，反转场减小。而c 形磁 结构的反磁化模式由于磁体尺寸的变化变得更为复杂，当两个边界反磁化畴向 磁体中部扩展后，在磁体中部形成一个3 6 0 。畴壁，这个畴壁在反向外场加大 的情况下从下至上实现反转，反磁化模式的改变引起反磁化曲线出现几个阶段 性变化。进一步将此c 形磁结构的磁体的剖分单元变大，反磁化过程中畴壁的 演变过程中出现了涡旋结构，反磁化模式和反磁化曲线随之也都发生改变。h k r o n m i a l l e r 等研究了两种具有较低的平均磁化矢量强度的l a n d a u 和d i a m o n d 形磁结构的反磁化过程，前者的反磁化过程中形成的两个涡旋同沿磁体的短轴 方向移动，反磁化过程完成后呈c 形磁结构分布，而后者的反磁化过程中形成 的两个涡旋沿磁体的对角方向移动，反磁化过程完成后呈s 形磁结构分布。从 中我们可以看出，磁体的微磁结构，磁参数，结构形状，剖分单元大小都对反 磁化模式有不同程度的影响。 1 3 磁纳米结构体系动力学反磁化过程的研究现状 在目前的磁信息记录和信息处理器件中，与传统的阻尼反转( d a m p i n g s w i t c h i n g ) 1 3 2 l 相比，进动反磁化( p r e c e s s i o n a ls w i t c h i n g ) 具有更大的优势，它能 实现超快动力学反磁化，因而能提高信息处理的速度，并且实现进动反磁化过 程的外场小于传统阻尼反转所需的外场，从而具有更广泛的应用前景【3 引。如 m d a q u i n o 等通过微磁学模拟比较了进动反磁化过程与传统的阻尼反磁化过 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 程的差别，得出进动反磁化的所需的时间更短，并且进动反磁化过程可视为准 一致反转，而传统的阻尼反磁化过程中包含多个反磁化畴的形成以及畴壁的移 动过程，从而延长了反磁化时间，可以说反磁化模式的改变是实现快速动力学 反磁化过程的关键。进一步运用进动反转一致模式理论估算了不同强度脉冲场 下实现反磁化过程所需的持续时间，根据估算的结果模拟了c 形和s 形两种磁 结构的磁体在不同强度脉冲场下的进动反磁化过程，得出了平均磁化强度矢量 分量必随时间的变化曲线，从中可以看出实现进动反磁化过程的临界场大小。 在理论上，基于s t o n e r - w o h l f a r t h 近似，从l a u d a u l i f s h i t z g i l b e r t 方程 出发给出了实现单层纳米点( 或单畴颗粒) 一致进动反磁化所需要的临界脉冲 场强和持续时间，可能的最短的反磁化时间和最小的反转场，分析了脉冲场的 场强、持续时间对一致进动反磁化过程的影响f 4 3 4 6 1 。如z z s u n 和x r w a n g 从理论上计算得出两个结论：在所有可设计的磁体的最小反转场存在一个理论 极限，在较小阻尼情况下反转场的极限与阻尼系数成正比关系，而在较大阻尼 情况时反转场达到s t o n e r - w o h l f a r t h 极限；第二个结论为如果将脉冲场的强度 固定，但是脉冲场的方向在反磁化过程中可以任意变化，这样可以通过最佳设 计来获得最短的反磁化时间，反磁化时间与脉冲场的强度，阻尼常数和磁晶各 向异性常数等等都有很大的关系。而在实验上一般通过使用扫描克尔显微镜， 磁力显微镜，磁光感应技术，测量隧道电阻或巨磁电阻信号等手段观察磁体的 磁动力学过程1 4 m 9 j ，或者采用实验与模拟相结合的手段研究磁体进动反磁化过 程1 3 8 , 5 0 - 5 1j 。如b c c h o i 等人使用时间分辨扫描克尔显微镜和数值模拟研究坡 莫合金的超快动力学反磁化过程，比较了两种情况，如果只施加纵向的反转场 时，反磁化过程在脉冲场开始后有一定的延时，在约3 5 n s 才实现完全反转。 如果在施加了纵向反转场的同时，施加不同强度的横向偏置场，根据易轴方向 磁化强度矢量分量随时间的变化发现，反磁化时间大大减少，在l n s 内就可实 现反磁化。反磁化时间的显著减少是由于反磁化模式发生了变化，当施加了横 向偏置场以后，原来的以形核为主的反磁化过程被畴壁移动为主的反磁化过程 所取代。r h k o c h 等通过测量自由层和钉扎层之间的隧道电阻的方法探测了 磁纳米结构体系的磁动力学过程。随着脉冲场强度的增加，平均磁化矢量的上 升时间呈减少的趋势，即反磁化时间随脉冲场的强度增加而减少，而基于 l a u d a u l i f s h i t z g i l b e r t 方程的微磁模拟与上述实验结果吻合得很好。进一步 计算了实现反磁化过程所需的脉冲场持续时间与脉冲场强度的关系，在脉冲场 持续时间足够长的情况下，实现反转的脉冲场强度等于轿顽力的大小，而在较 短的脉冲场激励下，根据实验上测得的结果拟合成曲线，发现脉冲场的持续时 间与强度大小之间满足下面的关系式： l r = s , 1 【b 耐。( _ r ) 一e 】，其中 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 劈= 玩日，s = 为反转系数，三为磁体的长度，为有效迁移率系数，与o , l 难磁化轴上施加的脉冲场强度有关，b 。，妇( f ) 一最表示净驱动力强度。根据上面 的关系式，随着脉冲场持续时间的变短，实现反磁化过程所需的脉冲场强度增 加。最后将脉冲场的持续时间固定为2 0 0 p s ，得出在不同强度脉冲场下磁体的 平均磁化矢量强度随时间的变化曲线，即反磁化过程受脉冲场强度变化的影响， 发现在脉冲场强度低于8 m t 时，当脉冲场切断时磁体中间的大部分磁矩已经反 转至相反方向，在脉冲场切断后受磁体边界未反转磁矩的作用下又往回反转， 经历了振荡之后又返回到初始状态，未能实现反磁化过程。并且在实验和模拟 中注意到磁体在反磁化过程中的形核机制与磁体的边界形状有很大的关系。 尽管人们对磁性纳米结构体系的进动反磁化过程的研究取得了很大进展， 但还存在一些未解决的问题，其中一个重要的问题是反磁化过程并非理想的一 致进动反转，而是出现出比较复杂的磁结构演变过程，磁体的初始结构、脉冲 场的形式对进动反转的一致性有很大的影响1 5 2 。5 3 】，这种非一致进动反转延长了 连续进行磁反转所需的时间，从而严重影响信息处理的速度。另外磁反转后， 由于磁体的磁阻尼系数远小于临界阻尼系数，磁体在新的平衡态附近存在一个 较强的磁振荡，这种振荡同样不利于信息的处理，如何消除这种振荡也是我们 实验和模拟中需要解决的问题1 5 4 5 5 1 。实验上，通过调整磁体的结构形状，对脉 冲场进行调制以及沿难磁化轴和易磁化轴两个方向相继施加脉冲场等手段在单 层磁性纳米点上实现了超快进动反磁化和有效地抑制磁反转后的振荡现象 1 5 6 - 6 0 】，如m b a u e r 在实验上通过调整脉冲场的参数观察进动反磁化过程的变化 情形，发现通过调整脉冲场的持续时间，进动变化后的振荡周期性出现。这是 因为在脉冲场施加以后，磁矩将在有效场的作用下作进动，进动过程后的振荡 与切断脉冲场时磁矩作进动变化时所处的位置密切相关。如果在磁矩刚好运动 至易轴方向时切断脉冲场，则进动过程后的振荡较小，如果当进动至另外的位 置时切断脉冲场，则会出现不同程度的振荡现象。尽管进动后的振荡能通过调 制脉冲场的持续时间而得到有效改善，但是进动过程中出现的非一致进动情形 和振荡现象却没有得到改善。而x f h a n 等在实验上通过修改磁体的边界形状 而有效地抑制了反磁化过程中的多个反磁化畴的形成以及畴壁的移动。结果显 示，在矩形磁结构中反磁化过程从磁体的边界和中部的磁矩几乎同时开始反转， 但由于初始状态时边界磁矩存在弯曲，所以反磁化过程中出现多个反磁化畴， 反磁化过程以畴壁的移动来完成，而对于具有锥形边界的磁体，磁体中部的磁 矩在脉冲场作用下首先反转，然后逐渐向磁体的周边扩展，边界的锥形起到了 抑制多个反磁化畴的形成和畴壁的移动的作用，同时发现锥形的角度大小对于 反转场和反磁化时间有重要影响，选择合适的锥形角度能实现快速反磁化过程， 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 从而减小反磁化时间。q f x i a o 等研究了椭圆形坡莫合金薄膜磁体的超快磁 化反转的动力学过程。结果显示了通过调整椭圆形磁体的长径比，减少厚度， 并且根据磁体的结构形状选择合适的脉冲场角度和持续时间能有效地提高纳米 坡莫合金磁矩的一致反转情形和抑制磁反转后的振荡行为。对于4 0 0 n t o 长， 2 0 0 h m 宽，4 。7 n m 厚的椭圆形磁体，在磁化进动过程中产生了一个很强的平面 内非一致的退磁场，磁体四周边缘区域的退磁场大于磁体中间区域的退磁 场，在力矩一i r l m ( t ) 砜( t ) 】的作用下磁矩m 向z 轴方向转动，引起了周边 区域的必和风：值较磁体中间区域更小，而一i r l m ( t ) 风，( t ) 】直接决定了磁矩 的反转速度，因而出现了周边区域磁矩的反转速度落后于磁体中间区域的磁矩， 引起了反磁化过程中磁化矢量的非一致反转，当脉冲场切断时，与初始态相比 磁体仍具有较高的退磁能和交换能，磁矩并没有处于动力学平衡状态，从而引 起磁化矢量在脉冲场切断后仍然围绕磁体长轴作较长时间的振荡，从中我们可 以看出，进动反磁化过程中磁矩的一致反转是抑制磁反转后振荡行为的关键。 通过观察前面的模拟结果发现反转的不一致出现在椭圆磁体上下端的弧形区 域，于是将减小短轴的尺寸至l1 2 n m ，但是短轴尺寸变小会引起执，增加，为 了抑制磁矩向+ z 轴方向转动，同时将磁体的厚度减少至3 2 n m ，而磁体长轴的 尺寸保持不变，调整脉冲场的角度和持续时间，能显著地提高进动反转过程中 磁矩反转的一致性，当切断脉冲场时，大部分磁矩都沿+ x 方向排列，达到动 态平衡条件，因此有效地抑制了磁反转后的振荡行为。从q f x i a o 的研究中 我们可以得出对磁体结构形状的修正以及选择合适的脉冲场角度和持续时间能 有效地提高反磁化过程中的一致性及抑制磁反转后振荡现象。 1 4 研究目的 综上所述，虽然人们从理论、实验、微磁学模拟上都对磁纳米结构体系的 微磁结构以及超快反磁化过程做了一定的研究，但结论并不理想。在理论上， 计算主要集中于磁体一致进动反转时所需的最低脉冲场强度，方向以及持续时 间，而对于纳米磁结构体系在实际设计应用中存在的边界畴对反转过程的影响 研究很少。实验上和微磁学模拟主要是对磁纳米结构体系的宏观特性( 如反转 场、反磁化时间等等) 进行了分析研究，而未能对磁体的反磁化机制进行清晰 的描述。尤其是对反磁化动力学过程受初始磁结构分布，脉冲场的强度，脉冲 场的角度以及磁体的结构形状的影响等等研究很少。因此对具有不同初始磁结 构分布磁体在不同形式的脉冲场下的反磁化机制及反磁化时间的详细研究具有 十分重要的意义。在以后的章节中我们将运用微磁学方法主要对矩形磁性纳米 点的微磁结构及其动力学反磁化过程进行研究，并研究不同初始磁结构在脉冲 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 场强度和角度变化时，反磁化机制，反磁化时间以及最低反转场的变化情况。 通过这项研究得到影响超快动力学反磁化机制的一些主要因素，提供纳米结构 这类受限体系磁动力学行为的一些新的认识，为实现可控的低场、超快动力学 反磁化打下理论基础，很显然这项研究对高性能磁纳米结构信息器件和自旋电 子器件的研制是很重要的，能为我们未来高新技术器件的研究和开发提供有力 的理论依据和技术指导。 本文结构如下，共分为六章，本章主要简述磁纳米体系的微磁结构，传统 反磁化过程以及快速反磁化过程的研究进展；第二章介绍微磁学的基本理论以 及我们所采用的程序算法；在第三章中模拟矩形磁性纳米点的稳定磁结构，并且 对c 形和s 形两种磁结构的静态反磁化过程进行了研究；第四章系统研究了c 形和s 形磁结构的动力学反磁化模式和反磁化时间随脉冲场强的变化关系，并 模拟了脉冲场的持续时间对反磁化过程的影响；第五章研究c 形和s 形磁结构 的进动反磁化过程和最低反转场随脉冲场角度变化关系；第六章总结全文。 8 中南大学硕士学位论文第二章微磁学基本理论及计算方法 第二章微磁学基本理论及计算方法 传统上主要通过磁力显微镜对磁性材料进行磁畴观察，来了解磁性材料的内 部机理。伴随着计算机计算能力的突飞猛进，微磁学计算模拟已成为现代磁性材 料与器件研究不可或缺的重要工具，在计算机上模拟相关过程已成为现实并且显 示了相当的成效，而微磁学理论则是这种模拟的理论基础和核心所在。1 9 4 0 年， w f b r o w n 发表了几篇关于微磁学的论文，揭开了微磁学发展的序幕。随后， b r o w n 在1 9 6 3 年出版的一本书中对微磁学的基本理论进行了详细的阐述f 6 1 1 。以连 续变化的磁化强度描述磁畴磁矩的变化，它所研究的基本单元的尺度介于原子与 磁畴之间，不考虑具体的原子结构，因此避免了从第一性原理来计算相对于原子 尺寸而言的大尺度的复杂纳米结构体系的困难，它又不同于传统的研究宏观磁体 的经典磁畴理论【6 2 j ，通过微磁学计算和模拟各种纳米磁结构和磁动力学过程， 揭示磁性材料内部的磁矩分布和磁畴的演化情况，比如它的反转、传播、移动等 等，从而反映出成核和磁反转的机理，同时得到材料的宏观磁性质和相关物理量。 微磁学模拟还可以任意构建实验条件并能调整材料参数，得到任意磁场下磁化矢 量的精确分布，这是目前实验条件下不能办到的。目前，计算微磁学模拟已经在 磁纳米结构的磁动力学和超快反磁化研究中得到了广泛的应用，成为研究高密度 磁存储介质和自旋电子器件的有效工具【6 3 舶】。 2 1 微磁学理论对磁体中各种能量的表示 微磁学理论是一种连续介质理论，它认为除居里温度附近外，铁磁体中磁 极化矢量是位置和时间的连续函数，对同一介质在温度一定时其模是常数，即 l 露i m ”不随外场和在磁体中的位置变化而改变。在一定有效场作用下，铁 磁材料中磁矩的分布使得体系的吉布斯自由能最小。而微磁学计算的出发点是 计算在一定外场下体系吉布斯自由甜6 7 1 ，并通过求解自由能最小来获得磁矩的 分布。因此磁畴和畴壁是微磁学理论计算的自然结果，而无须作为假设提出来。 考虑一个任意形状的磁体，忽略磁弹性能时，铁磁体系的总g i b b s 自由能可以 表示为： e 嘲= e e x + e 。+ ez e e m + e dq - 、) 其中屹为交换相互作用能，包行为磁晶各向异性能，e 。为塞曼能，日为 退磁能。 一、交换相互作用能 9 中南大学硕士学位论文 第二章微磁学基本理论及计算方法 交换作用和交换能在磁性物质中起着关键性作用。交换能是铁磁耦合的原 因，由于原子之间有交换作用，所以发生自发磁化。交换相互作用是一种短程 力，这里只考虑最近邻相互作用，采用经典近似给出交换能公式。按照 h e i s e n b e r g 交换理论，两个最近邻原子自旋之间的交换能为： i j = - 2 厶s 墨 ( 2 - 2 ) 其中j u 为交换积分常数，s i 为原子i 的自旋角动量， 若选择所有自旋平行时为交换作用的零点，则当自旋不平行时的交换作用 能表示为： = 一露2 ( 1 一c o s 纷) = 坍2 2 ( 2 3 ) 近邻近邻 吩= l 历f 一历，l 其中，历r 和历是与墨和雪_ ，相联系的单位强度矢量， 历=