（凝聚态物理专业论文）nifefemn磁性双层膜界面交换耦合机制的研究.pdf

硕士论文：n i f e f e m n 磁性双层膜界面交换耦台机制的研究 摘要 由于在自旋阀巨磁电阻和隧道结巨磁电阻器件中的重要应用，铁磁反铁磁双层膜中 的交换偏置效应得到了广泛的研究。铁磁反铁磁界面上的交换偏置是个非常复杂的问题， 依赖于铁磁层和反铁磁层的厚度，以及界面附近铁磁和反铁磁层内的自旋的构型。其物理 机制至今仍未完全清楚。在这篇论文中，着眼于此，对铁磁反铁磁双层膜中的交换偏置 效应的界面机制进行了系统的研究。主要内容总结如下。 一铁磁反铁磁交换偏置效应的实验研究 1 制备了四个系列不同厚度的n i f e f e m n 薄膜样品，并对其成分、结构及磁性进行 了分析与测试。结果表明得到较好的反铁磁钉扎效应。 2 通过对n i f e f e m n 双层膜磁滞回线的测量，得到了合理的交换偏置场、矫顽力及 其与铁磁层以及反铁磁层的厚度依赖性。观溯到磁滞回线上升枝与下降枝形状不对称的现 象。 3 对n i f e f e m n 双层膜铁磁共振的实验数据进行拟合，发现对于n i f e 层厚度相同的 双层膜，反铁磁层厚度较小时样品表现出的单轴各向异牲比较明显；当反铁磁层厚度增大 到某一值，此时样品的单向各向异性非常明显，很大程度上覆盖掉其单轴各向异性。这个 变化规律与上述静磁测量的结果相符。对于f e m n 层厚度相同的双层膜，随着铁磁层厚度 的增大，样品表现出的单轴各向异性以及单向各向异性都逐渐降低。这个变化规律与静磁 测量的结果也基本相一致。 二铁磁反铁磁双层膜交换耦合系统中界面复合畴壁结构的研究 1 利用变分原理及数值计算，对铁磁及反铁磁薄膜中的畴壁进行了计算，获得以下 几个结论：( 1 ) 鉴于双层膜中铁磁及反铁磁膜通常的厚度均小于块材中的畴避厚度，若一 个1 8 0 0 畴壁出现在铁磁层或反铁磁层中，将均为压缩的畴壁。我们的计算表明，压缩的 畴壁能量很高，在能量上是不利的。( 2 ) 在磁场作用f ，铁磁膜中的畴壁发生形变，且畴 壁中能量分布发生变化。畴壁中磁化强度与磁场夹角e 很大的部分能量提高，转动快，该 部分畴壁被压缩；而。很小的部分能量低，甚至为负值，因而在双层膜中出现一个能量低 的部分铁磁畴壁与一个角跨度小于1 8 0 。的反铁磁部分畴壁，从而构成一个界面复合畴壁 能量上有利，是合理的。我们认为这个模型较前人的界面反铁磁畴壁模型更为普遍。 2 利用界面复合畴壁模型对我们测得的磁滞回线进行理论模拟，能够很好的拟合出 形状不对称现象，证明了界面复合畴壁结构的存在。在模拟中发现，界面复合畴壁在不同 磁场下的组成结构不同；同时，即使在同一磁场下磁滞回线的上升枝与下降枝的界面复台 畴壁的组成结构也不同。对于非常薄的反铁磁层，其中由一个非1 8 0 0 畴壁填满，而且这 个畴壁角跨度很小；在铁磁层中，部分畴壁的角跨度较大时，其厚度会很薄；当部分畴壁 较厚时，其角跨度却又很小。因此可以解释很少有人通过实验观测到铁磁内部畴壁的原因。 以上界面复合畴壁模型和计算结果除我们的两篇短文”o 外均未见诸前人文献。 关键词：交换偏置，反铁磁钉扎，单轴各向异性，单向各向异性，畴壁。 + 】见硕士期间发表论文清单l ，2 。 m st h e s i s ：i n v e s t i g a t i o n so ni n t e r r a c i a le x c h a n g ec o u p l i n gm e c h a n i s mo f n i f e f e m nb i l a y e r s a b s t r a c t e x c h a n g eb i a s i n f e r r o m a g n e t i c ( f m ) a n t i f e r r o m a g n e t i c ( a f ) b i l a y e r s h a sb e e ns t u d i e d e x t e n s i v e l y ，s i n c ei t sa p p l i c a t i o ni nm rr e a dh e a d ，s p i t l - v a l v ea n dt u n n e l i n g - j u n c t i o nd e v i c e s e x c h a n g eb i a si nf e r r o m a g n e t a n l i f e r r o m a g n e ti s ac o m p l i c a t e dp r o b l e m d e p e n d i l a go nt h ef m t h i c k n e s s a ft h i c k n e s s a n dt h ef ma n da fs p i ns t r u c t u r e sa tt l l ei n t e r f a c e ，i t sp h y s i c a l m e c h a n i s mi ss t i l ln o tc o m p l e t e l yc l e a r i nt h i sp a p e r ，w em a d es y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ei n t e r r a c i a l m e c h a n i s mo f t h e e x c h a n g e b i a s i n f m 蜡b i l a y e r s t h e m a i nr e s u l t s a r es h o w nb e l o w e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fe x c h a n g eb i a si nf m ，a fb i l a y e r s 1 w ep r e p a r e df o u rs e r i e so fn i f “f e m ns a m p l e sw i t hd i f f e r e n tl a y e rt h i c k n e s s e sa n d o b s e r v e dw e l lt h ee x c h a n g eb i a se f f e c ti nt h e m 2 w em e a s u r e dt h eh y s t e r e s i sj o o p so fn i f e f e m nb i l y e r s a n df o u n di a s o n a b l ev a l u e so f e x c h a n g eb i a sf i e l da n dc o e r c i v i t ya n dt h e i rd e p e n d e n c eo nf ma n da ft h i c k n e s s e s m o r e o v e r , t h e a s y m m e t r yb e t w e e nt h es h a p e so ft h ea s c e n d i n gb r a n c ha n dt h ed e s c e n d i n gb r a n e hw a so b z e r v e d i nb i l a y e r sw i t ht h i na n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e r s 3 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nn i f e f e m nb i l a y e r sw a sm a d eb yf e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e f m r ，a n dt h ed a t aw a sf i n e db yt h e o r yo f f m r f o rt h eb i l a y e rs a m p l e s 埘t ht h es a m en i f el a y e r t h i c k n e s s ，t h eu n i a x i a la n i s o t r o p yw a ss h o w nc l e a r l yw h e na fl a y e rw a st h i n w h e nl h ea fl a y e r t h i c k n e s si si n e r e a s e dt os o m ev a l u e ，t h eu n i d i r e c t i o n a la n i s o t r o p yb e c a m ec l e a r e ra n de v e n c o v e r e dt h ee r d a x i a la n i s o t r o p y n i sr e g u l a t i o nw a ss i m i l a rt ot h er e s u l t si ns a a t i e m a g n e t i c e x p e r i m e n t s f o rt h eb i l a y e rs a m p l e sw i t ht h es a m ef e m nl a y e rt h i c k n e s s ，b o t ht h eu n i a x i a la n d u n i d i r e c t i o n a la n i s o t r o p ys h o w ni ns a m p l e sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ef m l a y e rt h i c k n e s s t h i sr e g u l a t i o ni sb a s i c a l l ys i m i l a rt ot h er e s u l t so f o u rs t a t i cm a g n e t i ce x p a i m e n l s t u d yo nt h em o d e lo fi n t e r f a c i a lh y b r i dd o m a i nw a l ls t r u c t u r e i nf m a f b i l a y e r s 1 b yv a r i a t i o nt h e o r ya n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw es t u d i e dt h ed o m a i nw a l li nf ma n da f l a y e r sa n dg o ts e v e r a lr e s u l t s f l 同s i n c et h ef ma n da fl a y e r si nb i l a y e ma r eu s u a l l yt h i n n e r t h a nt h ed o m a i nw a l lt h i c k n e s si nb u l km a t e r i a l s a18 0 0d o m a i nw a l lw i l 】b ec o m p r e s s e di f e x i s t i n gi nt h ef mo ra fl a y e r o u rc a l c u l a l i o ns h o w e dt h a t t h ee n e r g yo ft h e s ec o m p r e s s e d d o m a i nw a l l sw a sv e r yh i g h ，a n de n e r g yu n f a v o r a b l e s e c o n d ，t h ed o m a i nw a l li nf ml a y e r sw a s d e f o r m e du n d e rt h em a g n e t i cf i e l d ，a n dt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o r li ni tc h a n g e d l e t0b et h ea n g l e b e t w e e nt h em a g n e t i z a t i o ni nt h ed o m a i nw a l la n dm a g n e t i cf i e l d f o rt h ep a r to ft h ed o m a i nw a l l i nw h i c h0i s l a r g e ，i t se n e r g yi n c r e a s e d ，t h es p i nr o t a t i o nw a sq u i c k ，a n dt h ed o m a i nw a l lw a s c o m p r e s s e d w h i l ef o rt h ep a r to ft h ed o m a i nw a l li nw h i c h0i ss m a l l ，i t se n e r g yw a sv e r yl o w ， e v e nn e g a t i v e t h e r e f o r e i ts h o u l db ee n e r g yf a v o r a b l ef o ra ni n t e r f a c i a lh y b r i dd o m a i nw a l l s t r u c t u r ei nb i l a y e r s w h i c hi sc o m p o s e do fap a r t i a lf md o m a i nw a l lw i t hl o we n e r g ya n da n o n 1 8 0 0a fp a v i a d o m a i nw a l l w et h i n kt h a tt h i sm o d e li sm o y eg e n e r a lt h a nt h ep r e v i o u s m o d e lo f t h ei n t e r f a c i a ia fd o m a i nw a l l 2 w es i m u l a t e d t h e o b s e r v e d h y s t e r e s i s l o o p s b y o u r m o d e l o f i n t e r f a c i a l h y b r i d d o m a i n w a l l s l r u c t u r e ，a n df o u n dt h es i m u l a t i o nc o u l dw e l lf i tt h ea s y m m e t r i c a lh y s t e r e s i sl o o p so f t h eb i l a y e r s w i t ht h i na fl a y e r w h i c hp r o v e dt h ee x i s t e n c eo f t h ei n t e r f a c i a lh y b r i dd o m a i nw a l ls t r u c t u r e f r o mt h es i m u l a t i o n w ef o u n dt h a tt h ec o n s t i t u t i o no f t h ei n t e r f a c i a lh y b r i dd o m a i nw a l ls t r u c t u r e m s t h e s i s ：i n v e s t i g a t i o n so ni m e r f a c i a le x c h a n g ec o u p l i n gm e c h a n i s mo f n i f e f e m nb i l a y e “ w a sd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d e v e ni f u n d e rt h es a m em a g n e t i cf i e l d ，i t s c o n s t i t u t i o ni nt h ea s c e n d i n gb r a n c hw a sd i f f e r e n tf r o mt h a ti nt h ed e s c e n d i n gb r a n c hav e r yt h i n a fl a y e rm a yb ef u l l yf i l l e dw i t hap a r t i a ld o m a i nw a l li nw h i c ht h es p a no f t h ea n g l ew a sv e r y s m a l l t h et h i c k n e s so f t h ep a r t i a ld o m a i nw a l li nf ms i d em i g h tb es m a l lw h e nt h es p a no f t h e a n g l e i n i t w l a r g e ，b u t w h e n t h e t h i c k n e s s o f p a r t i a ld o m a i n w a l l 、v a s l a r g e ，t h es p a no f t h e a n g l ei ni tw i t sv e r ys m a l l t h e s em i g h te x p l a i nw h yf e wp e o p l ec o u l do b s e r v et h ed o m a i nw a l li n f m l a y e rb ye x p e r i m e n t a l l t h ea b o v et h e o r e t i c a lr e s u l t sa n dt h em o d e lo fi n t e r r a c i a lh y b r i dd o m a i nw a l ls t t - o e t u r e h a v en o ta p p e a r e di nt h el i t e r a t u r e se x c e p to u rp r e v i o u sp a p e r s k e y w o r d s ：e x c h a n g eb i a s ，a n t i f e r r o m a g n e t i cp i n n i n g , u n i a x i a la n i s o t r o p y ， u n i d i r e c t i o n a la n i s o t r o p y , d o m a i nw a l l am o d e lo f h y b r di n t e r r a c i a ld o m a i nw a l ls t r u c t u r ei nf a fb i l a y e r s p h y s i c as t a t u ss o l i d i c l ，2 0 0 4 ，n 0 1 2 ，3 2 7 1 3 2 7 4 f “s t u d i e so ni n t e r r a c i a ld o m a i nw a l ls t r u c t u r e si nf t a fb i l a y e r s 1 2 “i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo ns m a l lp a r t i c l e sa n di n o r g a n i cc l u s t e r s ，2 0 0 4 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特别加咀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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 聿生日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致e 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：扛导师签名：虹日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 既序 1 9 8 8 年，在法国巴黎大学f e r t 研究小组工作的b a i b i c h 首次在f e ，c r 多层膜中发现了巨磁 电阻( g m r ) 效应【l l 。自此以后，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宜倍受重视。 以自旋阀结构和隧道结为例。这种装置一般都是由一层自由的铁磁层和一层被反铁磁层 钉扎的铁磁层组成，中间被一层非磁层隔开从而造成在某个磁场范围内两个铁磁层呈反平 行磁化状态。由于自旋相关散射，平行和反平行状态分别对应着低电阻态和高电阻态从而 形成了巨磁电阻效应。在这种自旋阀结构和隧道结中。铁磁层被反铁磁层钉扎形成铁磁反 铁磁界面交换耦合系统，产生了交换偏置效应。在巨磁电阻器件的实用化过程中，铁磁( f m ) 反铁磁( a f ) 双层膜的交换偏置效应起到了重要的作用。 自从交换偏置的自旋阀和隧道结发现后，大量的器件应运而生，应用在诸如读出头、传 感器以及磁电阻存储器中。铁磁反铁磁双层膜交换偏置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。所以在基础研究和应用两个方面都得到了广泛的重视。尽管这种存在 于铁磁反铁磁界面上的交换耦合现象已经被发现半个世纪，但是直到上世纪八十年代g m r 效应发现后才真正引起人们的足够重视。世界各国的科学家为此对这种界面交换耦舍进行了 大量的理论和实验研究工作【4 - s l 。我国的一些科研单位也开展了一些有意义的工作”。 交换偏置广泛存在于n i f e j f e m n 和n i f c c r 2 0 3 等很多体系中。为了能够更好地了解 交换偏置的基本特征，人们一般采用铁磁，反铁磁双层膜结构。铁磁反铁磁交换偏置展现出很 多新的物理现象，其基本特性与铁磁层和反铁磁层材料、厚度以及结构取向、温度、生长顺序 及工艺条件等密切相关，其机制涉及到界面相互作用，包含很多丰富的物理内涵，是凝聚态物 理中的重要研究课题。 在铁磁，反铁磁界面上的交换作用是个很复杂的问题，其界面机制至今仍然不是很清楚。 本论文将着眼于此，对n i f e f e m n 双层膜交换耦合系统，尤其对其界面机制作了系统的实验 以及理论方面的研究。 1 2 交换耦合的定义及研究现状 当将有着铁磁和反铁磁界面的材料从反铁磁的奈尔温度冷却下来，一种各向异性( 叫做 单向各向异性) 在铁磁材料中被诱导产生。这种单向各向异性表现为磁滞回线的偏移，它是 与这种在铁磁和反铁磁界面上产生的交换各向异性相联系的一种现象。 将铁磁一反铁磁材料在稳定磁场作用下从某一高于反铁磁体的奈尔温度h 又低于铁磁体 的居里温度t c 的温度冷却到奈尔温度以下，材料的磁滞回线将会沿着x 轴偏移到冷却场的相 反方向( 如图1 1 ) ，这个磁滞回线的偏移就叫做交换偏置( 肌) ，同时伴随着娇顽力腽的增 大。这些现象在反铁磁的奈尔点或者接近奈尔点时就消失了。由此可见是反铁磁体的出现导 致了这种交换偏置。 转矩仪的测量显示出在转矩曲线中有一个附加的s i n 0 项。这一项附加的各向异性就叫做 单向各向异性。同时顺时针和逆时针的转矩曲线不同，存在着转动磁滞( 图1 2 ) 。这种磁滞 在铁磁材料中只是在低场下出现，而在铁磁坂铁磁系统中在高场时也有。同样这些性质在接 近奈尔点时也消失了。 东南大学硕士学位论文 ，尹第呶叫 。芦l j 轴睾| 千一 1 “”2 图卜1 经过硅场冷却，f e f z 双层膜在i o k 的磁滞回线。 仁一、一j 7 a 衅h o ( 曲g ) l 。习 匿卜27 7 k 时( a ) 在磁场冷却后氧化的c o 薄 膜的转矩衄线：( b ) 转动磁滞与外磁场的关系。 在1 9 5 6 年m e i k l e i j o h n 和b e a n 在研究外面包裹着反铁磁氧化物( c o o ) 的c o 颗粒时就 发现了这种交换各向异性”“。后来又在其它包含了铁磁和反铁磁界面的各种不同系统中发现， 比如：小颗粒系统、不均匀材料、长在反铁磁单晶上的铁磁薄膜以及薄膜系统中。除了在铁 磁，反铁磁界蕊，在其它类型的界面上，比如反铁磁一铁氧体、铁氧体一铁磁，也都曾观察到交 换偏置及其相关效应。因为铁磁- 反铁磁薄膜在实验中便于控制其界面咀及在实用装置中应用 较广，所以在本篇中着重于层状的铁磁和反铁磁薄膜中的交换偏置效应的研究。 1 3 补偿与不补偿界面 反铁磁材料的一些原子平面内自旋相互反平行。同一平面内平均净磁矩为零，即构成所谓 补偿界面；而在另外一些原子平面内的自旋互相平行，界面总的磁矩不为零，即构成所谓的不 补偿界面，它与反铁磁材料相邻原子面的自旋反平行排列。不补偿界面的实验结果比较一致 且直观上容易理解。而对于补偿界面实验结果不尽相同，且理解有一定难度。 我们可以想象对于一个完全补偿的反铁磁表面，它产生的净的偏置场应该为零。在一些 补偿界面的情况，如准外延n i f e c o o ( 1 0 0 ) 或n i f e c o o ( 1 1 0 ) 双层膜中玩为零：然而， 在另外一些补偿界面中，如外延n i f e f e m n ( 1 1 1 ) 双层膜，不但存在交换偏置场，而丑数值比 由不补偿面构成的双层膜还要大”。这是因为然而真实界面总具有一定的粗糙度，补偿界面也 由此产生局部的未补偿磁矩，从而产生宏观的交换偏置；即使足在反铁磁的单晶表面覆盖一层 铁磁薄膜，有些也产生了很大的偏置场，常常比同种材料的不补偿表面来得大。对于由多晶 反铁磁材料构成的双层膜。当反铁磁材料的择优取向度增加时，交换偏置场将随之增加或减 小。 1 4 交换耦合的简单图像和理论模型 定性地理解单向各向异性和交换偏置可以假设在铁磁反铁磁界面上存在着交换相互作 用。在某个温度( t n t o 时，e r l o o 最小，i l o o 】轴为易磁化方向，【1 1 1 】轴为难磁化方向，【1 i o 介于二者之问。 局 d ，易磁化轴为2 轴：k j t n ) ；而当温度低 于h 时，在铁磁性的c o 与反铁磁性的c o o 之间将会有很强的交换作用( 见图l _ 4 ( 啪，因此 将影响铁磁体磁化强度的取向并导致单向各向异性的产生，表现特征之一为相应的磁滞回线 有单向的位移( 见图1 - 4 ( b ) ) 。 这种各向异性是由于接触面上处于铁磁态和反铁磁态的两种磁性物质之问的交换作用产 生的。据此原理，人们设计了一种自旋阀结构【1 8 】，利用反铁磁薄膜( f e m n 、c 0 0 等) 与铁磁薄 膜( n i f e ) 之间的这种交换作用来钉扎铁磁薄膜。在磁性隧道结中也可以利用这种单向各向异性 来钉扎某一层铁磁薄膜，以制备钉扎型的隧道结。 第一章绪论 图卜4 单向各向异性示意图 ( a ) 铁碱与反铁礁的接触面；( b ) 由于交换耦合引起的磁滞回线位移， c 表( 界) 面各向异性 在薄膜表面或磁性多层膜界面处，由于对称性破缺，造成了低于方向余弦四阶项的各向 异性的存在。n e e l 在1 9 5 3 年基于对相互作用模型( p a i r - i n t e r a c to nm o d e l ) 提出了这个思想，并 且唯象地预见了一些磁性金属表面的各向异性1 1 9 。 如果磁化强度方向与薄膜法向夹角为0 ，表面各向异性常数为心，则磁表面各向异性能密 度为： f = k sc o s 2 0 ( 1 5 5 ) k s 0 表明易轴在膜面内f 注：通常实验中 定义的船与n e e l 采用的符号相反。关于表面磁各向异性方面的理论综述见m j 。 在实验中最早在磁性多层膜中观察到磁性层的易磁化方向垂直于膜面的是c a r e i a l 2 1 1 小组。 他们在溅射制备的c o p d 多晶多层膜中发现，当c o 层厚度小于8 a 时，易磁化方向垂直于膜 面，相应的k s = + o ，1 6 e r e 4 c m 。 随后的许多实验都证实了多层膜中界面各向异性的存在，见参考文献【2 2 1 。 d 形状各向异性 当样品各个方向的退磁因子不同时，同样的外磁场汾不同方向磁化时的内磁场不同，因 而得到不同的磁化曲线，称为形状各向异性。当铁磁体为均匀单相且为椭球形状，其各个分 量方向的退磁因子有如下关系 ，+ ，+ n ：= 4 7 r ( c g s 制) ； 对直径d 远小于长度1 的细长圆棒样品，则有 ，zo ，n dz 2 碱击： z 球形样品的退磁因子为n ：竺或! ； 33 形状各向异性起源于退磁效应：当磁化方向与薄膜法线夹角为0 时相应的退磁能近似为 瓠m 2 c o s 2 0 。当薄膜垂直磁化时，退磁场能最高；而当其沿膜面磁化时退磁场能量晟小，近 似为零。因此，一般来说薄膜有沿膜面自发磁化的倾向。 e 其它各向异性 此外，在薄膜中还可能存在着磁致伸缩各向异性，生长过程感生的各向异性等其它的各 向异性【”1 。 5 东南大学硕士学位论文 1 6 畴壁的定义及计算 1 6 1 磁畴的形成 在居里温度以下，大块强磁体中自发磁化的分布形成磁畴结构。在退磁状态下，磁畴的 分布使整个强磁体的总磁矩和平均磁化强度为零。在外磁场下，磁畴的调整导致技术磁化。 当外磁场足够高时，整个物体饱和磁化在外磁场方向。在特定条件下，如微粒直径小于临界 尺寸，即使外磁场为零，物体亦不分为，而自发磁化在一个方向上，称为单畴。 退磁场是形成多畴结构的首要原因。若磁体分裂成磁化方向互成1 8 0 0 的”个片状磁畴， 退磁场能将几乎降低n 倍，但分裂成多畴后增加了畴壁能。畴壁中相邻自旋不平行，交换能 商；自旋从一个易磁化方向逐步过度到另一个易磁化方向，大部分偏离易磁化方向，磁各向 异性能高，只有当分成多畴后畴壁能的增加可以被退磁场能的降低所补偿时，多畴结构才会 出现。否则，晶体仍可以单畴的状态存在。 晶体中不均匀的应力分布也是产生多畴的原因。反铁碰体的挣自发磁化强度为零，无退 磁场。不均匀内应力可以导致反铁磁中出现多畴结构。 强磁体中磁畴的大小、形状、分布及各畴的磁化方向，依赖于材料的性能，并受物体的 形状、大小及表面取向，以及外加应力和磁场的影响。 1 6 2 畴壁的分类 相邻磁畴间为若干原子厚的过渡层，称为畴壁。畴壁两侧磁畴的m s 沿不同的易磁化方向， 畴壁中的胍的方向逐步过渡，故不能保持平行且偏离易磁化方向使畴壁中交换能和磁各向 异性能较商。在大块材料内部，表面磁荷产生的退磁场可略去，畴壁本身可以不产生磁荷及 退磁场。这种畴壁首先被b l o e h 提出，称为b l o c h 畴壁。在很薄的薄膜中发现了一些特殊的畴 壁。它们产生磁荷及退磁场，称为n e e l 畴壁。 a b l o e h 畴壁 令畴壁两侧磁畴的磁化矢量为m s r 和m s z 。畴壁法线单1 奇矢量为h ，则畴壁两侧的表面磁 荷分布为蜘n 和m s z i 1 。为使畴壁不产生磁荷，要求两侧的磁荷被抵消，因此畴壁取向 和结构应满足v - = 0 。b l o c h 畴壁的取向使 m s l n = m s 2 h ( 1 6 1 ) 而畴壁内m s 取向满足 m s n = m s l n = m s 2 h ( 1 6 2 ) 为满足( i 6 2 ) 式的要求，畴壁中的结构应是这样：在与畴壁面平行的每个原子层中， m s 平行，磁化均匀。沿法线的楣邻原子面中m s 的方向不同，使畴壁的m s 逐渐由一侧的m s l 过渡到m s 2 。但逐层的m s 转动过程中始终保持m s 与的夹角不变。满足( 1 6 2 ) 式的畴壁 为不产生退磁场的b l o c h 畴壁。至于带磁荷的畴壁，他们出现在下列场合：晶体不完整性导致 的非正常畴壁；表面及薄膜中的畴壁；非平衡态下的动态畴肇。 b n e e l 畴壁 当膜的厚度足够小时，还可能出现n e e l 畴壁。与b l o c h 畴壁不同的是，n e e l 壁中自旋围 绕着与膜面垂直的轴旋转，因而在壁的两侧产生磁荷；而在b l o c h 畴壁中自旋绕壁的法线旋转， 磁荷只出现于晶体表面。 c 薄膜中的畴壁 b l o c h 畴壁虽然不带磁荷，但在畴壁与晶体表面交界处可能有v 蟊0 ，出现磁荷。大块 第一章绪论 材料内部的畴壁远离表面，表面退磁场的影响甚微。当物体尺寸变小时，b l o c h 壁在表面产生 的退磁场的影响变大，不可忽略。 当薄膜厚度足够小时观察到n e e l 畴壁。壁中m s 绕膜面法线旋转，故在晶体表面不出现 磁荷，但在畴壁中及两侧出现磁荷。 当薄膜中的磁化方向与膜面垂直时，磁畴在薄膜表面产生正、负磁荷，b l o c h 壁可以存在， 但壁中m s 方向的过渡亦可有两种旋转方向。 1 6 3 畴壁有效厚度的定义 畴壁与磁畴间是没有明确的界线的。畴壁有效厚度只能取近似值。计算及作图证明，所 有铁的9 0 。，镍的7 0 5 3 0 及1 0 9 4 7 0 及钴的1 8 0 0 畴壁的0 q 曲线均以唯一的拐点为中心呈对称 形状。拐点位于e = ( 0 l + 0 2 ) 2 处0 1 及0 z 为畴壁两侧的起始及终了方位角。畴壁有效厚度6 可被定义为 d = d o ( 0 2 0 1 ) ( d d o ) # 式中，& x # o 。 1 6 4 理想晶体中的b l o c h 畴壁计算 考虑单易磁化轴晶体的1 8 0 。畴壁。x 轴与畴壁法线重合，z 轴为易磁化方向，畴壁中的 砖始终在声平面内，与z 轴交角为0 ，0 随x 而变，从0 变到，与，、z 坐标无关。不考虑 外磁场，理想晶体中与畴壁有关的能量只有交换能五0 和各向异性能昧，晶体总自由能为 e = j 眼k + & + 岛) 斑 ( 1 6 3 ) 取近似e 。= a o ”，e 产局j s i n 2 0 ，又因0 = 0 ( x ) ，斜d y d z = 1 ，单位面积的畴壁能密度e 为 e = f ( “口+ 蚝ls i n 2 0 ) a x ( 1 6 4 ) 平衡条件下总自由能极小。按变分原理，根据e 为极小的条件可求得自发磁化的分布o 一 的关系。 8 e ：f 【2 a o t 鱼罂+ 2 k 。s i n o c 。s 岛阳协：o ( 1 6 5 ) o t x 整理得e u l e r 方程 k 。ls i n o c o s 0 一a o ”= 0 ( 1 6 6 ) 再一次积分得到 s i n 2 p 一0 u ：c( 1 6 7 ) k 。 c 为积分常数，整理上式得 ( 警) 2 _ 等 锚， 这里8 0 = 彳k ，为畴壁厚度的单位。 假设。、功为畴壁边界，则畴壁能密度可写为 e = 广2 ( 爿曰2 + k s i n2 0 ) a x ( 1 6 9 ) 东南大学硕士学位论文 将第( 1 6 7 ) 式和第( 1 6 ，8 ) 式代入，第( 1 6 9 ) 式可被整理得 e = z of l ( 2 s i n 2 口一c ) ，s i n 2 护一c d 8 ( 1 6 1 0 ) v - 这里e o = 4 k 1 为畴壁能密度的单位。8 f 、0 2 分别对应于乩、您，是畴壁的起始角度与终 止角度。 1 6 5 磁场对畴壁的影响 设外磁场口与单易磁化轴平行，对于如铁磁性晶体，总自由能中应加入一项点0 = - h m s e o s 0 。式( 1 6 4 ) 变为 e = i ( a o + k 。ls i n 2 0 一h m sc o s 0 ) d x ( 1 6 1 1 ) 通过相似的计算可得到h 作用下的畴及畴壁结构1 2 4 】。外磁场使得与磁场同方向的畴的宽度增 大，反向畴宽减小，即为畴壁位移。畴壁位移使畴壁厚度减小，而畴壁能密度增大，这就是 理想晶体中畴壁位移阻力的来源。 由此可见，在对于畴壁的计算中，c 是一个很关键的因素。在这篇论文里，我们将根据不 同的边界条件来研究畴壁。 1 7 磁化过程 磁化过程表示铁磁体在外磁场作用下，其内部磁畴结构发生变化的过程。在磁化过程中， 铁磁体所表现出的磁特性可以用磁化曲线和磁滞回线来描述。它们在宏观上代表了铁磁体在 磁场中的行为的基本特征。 1 7 1 磁化过程的物理机理 在居里温度以下，铁磁体处于原始退磁状态，由于铁磁体内各个磁畴的磁化矢量m s 取在 不同的方向上，所以在宏观上对外不显示磁性。当有外磁场作用时铁磁体被磁化而处于磁 化状态，宏观上显示出磁性。 在铁磁体中，其磁化机理可以分为以下三种：( 1 ) 磁畴壁的位移磁化过程；( 2 ) 磁畴转 动磁化过程；( 3 ) 顺磁磁化过程。 1 7 2 畴壁位移磁化过程 畴壁位移是指在外磁场作用下，畴壁的位置发生了改变。在外磁场作用下。畴壁位移的 实质是，铁磁体内磁畴的体积发生变化，导致其磁畴问的畴壁位置发生了改变。在畴壁位移 过程中，由于铁磁体内部的能量发生了变化，出现了对畴壁位移的阻力，因此在定外磁场 下，畴壁位移的距离是有限的。畴壁位移的阻力来源于铁磁体内部存在着不均匀性。这些不 均匀性主要是由于铁磁体内部存在有：( 】) 内应力的起伏分布：( 2 ) 铁磁体组成成分的起伏 分布，例如含杂质、气孔和非磁性相等等。畴壁位移时，这些不均匀性引起铁磁体内部能量 大小的起伏变化从而导致阻力。 1 7 3 磁畴转动磁化过程 磁畴转动磁化过程又叫磁化矢量m s 的旋转磁化过程，它表示了在外磁场作用下，铁磁体 的磁畴内所有磁矩一致向着外磁场方向转动的过程，所以简称畴转过程。 在铁磁体内，当无外磁场作用时，各个磁畴都自发磁化在它们的各个易磁化轴方向上。 第一章绪论 这些易磁化轴方向取决于铁磁体内的广义各向异性能( 即磁品各向异性能、磁应力能、退磁 场能) 分布的最小值方向。如果有外磁场作用时，铁磁体内总自由能将会因外磁场作用能的 存在而发生变化，总自由能的最小值方向也将重新分布，因此磁畴的取向也将会由原来的方 向转向到新的能量最小方向上。这个过程就相当于在外磁暗作用下，磁畴向着外磁场方向发 生转动。 1 7 4 不可逆磁化过程 无论是畴壁位移磁化，还是畴转磁化都存在着可逆和不可逆磁化过程。所谓可逆磁化过 程，是指在外磁场作用下，磁化从起始状态过渡到另一个磁化状态后，当其外磁场去掉，即 h = 0 时，这个磁化状态能够按照原来的磁化路径又回复到起始磁化状态；相反，如果既不是 按照原来同一路径，又不回到原来的起始磁化状态，这就是不可逆磁化过程。不可逆磁化现 象也是铁磁性物质的一个特点，它可以导致磁滞现象。 尽管畴壁位移和畴转磁化都有可逆和不可逆磁化过程之分，但是在一般金属软磁材料 中由于易于做到应力较低。含杂很少，因此在弱磁场下主要是畴壁位移，而且先出现可逆 畴壁位移。其次是不可逆畴壁位移。只有当畸壁位移接近完成后，随着磁场增大才有可能发 生可逆畴转过程。 对于一般软磁材料，如果在畴壁位移磁化过程中已经发生了不可逆畴壁位移，则在材料 中将不会再发生不可逆畴转过程。也就是说，在一般软磁材料中，不可逆畴转过程不会发生， 而只可能在只有单纯畴转磁化过程的材料中才有条件发生不可逆畴转。 1 8 本论文工作 本论文工作主要分为两部分：首先，我们利用磁滞回线的测量以及铁磁共振实验系统地 研究了所制备的n i f e f e m n 双层膜的交换偏置效应，得到了交换偏置场和矫顽力与铁磁层及 反铁磁层的厚度依赖关系并发现了铁磁层存在畴壁可能性的直接实验证据。其后，我们对 铁磁，反铁磁界面畴壁进行了理论计算，根据计算和实验的结果，首次提出一个界面复合畴壁 的模型。利用此模型我们可以很好的拟合样品的磁滞回线。 本论文结构如下： 第一章绪论，我们介绍了交换耦合的定义和研究现状，以及一些相关基本概念； 第二章实验方法和测量原理，其中介绍了我们实验所用仪器型号、测量原理以及使用方 法； 第三章_ n i f e ，f e m n 双层膜的磁性研究。我们对四个系列n i f c f e m r t 双层膜做了磁滞回线 的测量，讨论了铁磁层厚度、反铁磁层厚度对交换偏置场以及矫顽力的影响，观测到铁磁层 中存在畴壁可能性的直接实验证据磁滞回线的上升枝与下降枝形状不对称现象； 第四章n i f e ，f e m n 双层膜铁磁共振谱的理论拟合。我们对四个系列n i f o f e m n 双层膜的 铁磁共振实验作了共振场与外磁场方位角之间关系的研究，从而得到各系列双层膜中各向异 性的相关信息； 第五章铁磁，反铁磁双层膜界面复合畴壁模型的研究。我们利用变分原理计算了在各种边 界