（凝聚态物理专业论文）层状膜和多层膜的磁性和磁弛豫研究.pdf

摘要 摘要 自从发现巨磁电| j 且效应( g m r ) ，各芹中巨磁电阻器僻在机电、汽车、舰空航天及高 密度信息存储等领域得到了广泛应用。在巨磁电阻器件的实用化过程中，对铁磁( f m ) 反铁磁( a f m ) 双层膜交换偏置的研究发挥了重要作用。例如，以f m a f m 双层膜为 挞本结构的臼旋闽g m r 读出头，促进了磁记录密度的飞速发展；f m a f m 双层膜也 是目前厂_ 为关注的磁随机存储器( m r a m ) 的基本结构。 最近，人们筮磁共振线宽产生了极大的研究兴趣。一方面，共振线宽可以提供磁 4 r l - 性薄膜的磁弛豫、磁各向异性和薄膜质量等信息。另一方面，由于磁记录正向超高速 度方向发展，磁头和磁记录介质的工作频率将越来越商。所以对磁弛豫机制豹研究变 得越来越重要。 本论文主要包括两方面的内容：是撇m n 双层膜交接循置豹磁锻炼效应和 磁弛豫研究；二是c o p t 多层膜的磁性和磁弛豫研究。 一、铁磁反铁磁的交换耦合效应 1 用直流磁控溅射制备了铁磁层为楔形结构的f m f e m n 双层膜，其中铁磁层材 料分别为n i ，py n i 5 0 f e s o ，c o 和f e 。对其交换耦合和磁锻炼效应的研究表明：交换辐合 能随着铁磁层磁化强度的增加丽增加，可以用j 。t m 。的关系拟台：磁锻炼效应 同铁磁层磁化强度和磁化反转机制有关。如果f m f e m n 双层膜具有相似的磁化反转机 制，偏置场的相对变化随着磁化强度的增大而减，j 、。铁磁层磁化强度对磁锻炼效应趵 影响可用f u l c o m e r 和c h a r a p 提出的热稳定性模型来理解。这些结果有助于理解交 换偏置机制，从而有助于设计更好的巨磁电阻器件。 2 。用直流碰控溅射制备了坡莫合令f e l 9 n ( 楔形，0 - 3 0 0 a ) f e m n ( 】5 0a ) 双层 膜，研究了f e l 9 n i 8 l f e m n 双层膜的面内不同角度的铁磁共振。对所有铁磁层厚度的 样品，铁磁共振测得的交换偏置场与振动样品磁强计测得的偏置场非常接近。由于矫 顽力和单轴各向异性场相等，所以双层膜的磁化强度反转可以用一致转动来描述。对 于p y 层较厚的样品，共振谱只有一个强的一致迸动共振蜂；p y 层厚度较小时在强 的共振峰附近还有一个弱共振峰，表明存在界面扩散。在p y f e m n 双层膜中，由于 复旦博士毕业论文 摘要 铁磁w , - f l j 楔形结构和f m a f m 界面扩散的其同作用，各向同性共振场的移动何。为 l b 交换偏置场、各向异性场、矫顽力以及各向i 司性共振场的移动均正比丁铁磁层厚 度的倒数，清楚地表明了交换偏置的界面特性。 3 用磁控溅射制备了c o n i ( 楔形，o - 2 6 0a ) f e m n 双层膜，测量并用 l a n d a u i 。i f s h i t z g i l b e r t ( l l g ) 方程分析了铁磁共振谱。有效退磁场和l a n d 6g 因子 随着铁磁层厚度的减小分别减小和增大。共振线宽与o u t o f - p l a n e 角度的依赖关系及 与铁磁层厚度的依赖关系可以用内禀吉尔伯特阻尼和磁不均匀展宽来解释。拟合计算 表明这两部分的贡献随着铁磁层厚度的减小而增大，并且线宽的贡献主要来自于内禀 阻尼的贡献。吉尔伯特阻尼因子g 和耳一2 随着铁磁层厚度的减小而增加，其依赖关 系分别为g 1 t ，u ，g 一2 l r 。，而且在不同的铁磁层厚度下，有g 。c ( g 一2 ) 2 。 该双层膜面内各向同性共振场h 。的符号为负，大小正比于铁磁层厚度的倒数，该 结果有利于理解楔形p y f e m n 双层膜中的结果。 二、c o p t 多层膜磁性和磁弛豫研究 用磁控溅射制备t c o ( 楔形，0 - 2 0 a ) p t ( 1 0 a ) 8 多层膜，当，。9 a 左右时，样品 具有方的克尔回线，剩磁比可达1 0 0 ，而r ，。1 3 7 a 的样品的易轴在膜面。对 f 。1 37 a 的样品，测量了并用l l g 方程分析了f m r 谱。共振线宽h ，。随着c o 层厚 度的减小而增大，只用内禀吉尔伯特阻尼和磁不均匀性不能解释线宽h 。与巳的依 赖关系，因此需要同时考虑非本征磁弛豫的贡献，这也直接证明了非本征磁弛豫的必 要性。由于界面效应，吉尔伯特阻尼因子g 和非本征磁弛豫随着c o 层厚度的减小而 增大。g 因子的变化来自于额外的轨道磁矩的贡献和界面非局域吉尔伯特阻尼效应。 非本征磁弛豫对线宽的贡献与双磁振子散射模型计算的结果相一致。 关键词：交换偏置，铁磁，反铁磁，铁磁共振，磁弛豫，磁锻炼效应，c o p t 多层膜 i i 复旦博士毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h ed i s c o v e r yo f g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) ，i t h a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n b e c a u s eo fi t si m p o r t a n c ei na p p l i c a t i o n so fv a r i o u sg m r d e v i c e si nt h ef i e l d so fm a c h i n e ， c a r ，a v i g a t i o n ，a n du l t r a h i g h d e n s i t ym a g n e t i cr e c o r d i n g f o re x a m p l e ，t h es p i n v a l v eg m r r e a d i n gh e a dh a sa l l o w e da d r a m a t i ci n c r e a s eo f a r e a lr e c o r d i n gd e n s i t yi nh a r dd i s kd r i v e s a st h eh e a r to ft h eg m rd e v i c e s ，e x c h a n g eb i a s e df e r r o m a g n e t ( f m ) a n t i f e r r o m a g n e t ( a f m ) h a sp l a y e d a l li m p o r t a n tr o l e t h e r e f o r e ，t h ef m a f me x c h a n g eb i a sh a sa t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o ni nb o t hb a s i cr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n s r e c e n t l y , t h es t u d yo ff e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e ( f m r ) l i n e w i d t ho fm a g n e t i cf i l m s h a sr e c e i v e dm u c hi n t e r e s t o nt h eo r l eh a n d ，f r o mt h ef m rl i n e w i d t h ，o n ec a l lo b t a i nt h e d a m p i n gp a r a m e t e r f o r m a g n e t i z a t i o np r e c e s s i o n a n di n f o r m a t i o n r e g a r d i n gm a g n e t i c i n h o m o g e n e i t y i n v o l v e di nf i l m s o nt h eo t h e rh a n d ，a st h ew o r k i n gf r e q u e n c yo ft h eg m r d e v i c e sa n dm a g n e t i cr e c o r d i n gm e d i as h i f t st o w a r d sm i c r o w a v er e g i o n ，t h es t u d yo f t h e m e c h a n i s mo f m a g n e t i c r e l a x a t i o ni n m e t a l l i c f e r r o m a g n e t i c t h i nf i l m sb e c o m e s i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ft w om a i np a r t s ：f i r s t ，t r a i n i n ge f f e c to ft h ee x c h a n g e b i a s i n g a n d m a g n e t i c r e l a x a t i o nw i l lb ed i s c u s s e di nf m f e m nb i l a y e r s ；s e c o n d l y , m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dm a g n e t i cr e l a x a t i o nw i l lb ea d d r e s s e di nc o p tm u l t i l a y e r s t h e m a j o r r e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s i e x c h a n g ec o u p l i n g i nf m f e m n b i l a y e r s 1 t h ee x c h a n g ec o u p l i n ga n di t st r a i n i n ge f f e c t sa r es t u d i e da saf u n c t i o no ft h e f e r r o m a g n e t i cl a y e rm a g n e t i z a t i o nb yu s i n gv a r i o u sf e r r o m a g n e t f e m nb i l a y e r s w i t hf e r r o m a g n e tm a t e r i a l sn i ，f e l g n h l ，f e 5 0 n i s o ，c o ，a n df e t h ee x c h a n g e c o u p l i n ge n e r g yj 二。i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g m r a sj 。_ mf u t h e t r a i n i n g e f f e c to ft h e e x c h a n g e f i e l di sr e l a t e d t ob o t ht h e f e r r o m a g n e t i c m a g n e t i z a t i o na n d t h em 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 f o rf e r r o m a g n e v f e m n b i l a y e r sw i t hs i m i l a rm 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 ，t h e r e l a t i v ec h a n g eo ft h e 1 1 1 复旦博士毕业论文 a b s t r a c t e x c h a n g ef i e l dd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gm a g n e t i z a t i o ni na ne x p o n e n t i a lm a n n e r t h ed e p e n d e n c eo f t r a i n i n ge f f e c to nf mm a g n e t i z a t i o nc a nb ee x p l a i n e db yt h e f u l c o m e ra n dc h a r a p 。sm o d e l t h e s er e s u l t sa r eb e l i e v e dt o f a c i l i t a t eab e t t e r d e s i g n o f g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ed e v i c e s 2 e x c h a n g e d b i a s i n g i n w e d g e d p e r m a l l o y u n i f o r m f e m nb i l a y e r s i ss t u d i e d b y f e r r o m a g n e t i c r e s o n a n c ea n d m a g n e t o m e t r y m e a s u r e m e n t sw i t h a p p l i e d f i e l d p a r a l l e l t ot h ef i l mp l a n e f o ra l l s a m p l a s ，t h ee x c h a n g ef i e l dm e a s u r e db yt h e f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c ei sc l o s et ot h em a g n e t o m e t r ym e a s u r e dv a l u e s i n c et h e c o e r c i v i t ye q u a l st ot h eu n i a x i a la n i s o t r o p yf i e l d ，t h ef mm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l c a nb ee x p l a i n e db yt h ec o h e r e n tr o t a t i o nm o d e l a na d d i t i o n a lw e a kr e s o n a n c e p e a kw a so b s e r v e d b e s i d e sa l li n t e n s e r e s o n a n c e ，i n d i c a t i n g t h ee x i s t e n c eo f i n t e r f a c i a ld i f f u s i o n f o rt h ew e d g e d p y f e m n b i l a y e r s ，t h ei n - p l a n ei s o t r o p i c r e s o n a n c ef i e l ds h i f ti s p o s i t i v ea n di n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ef e r r o m a g n e t i c l a y e rt h i c k n e s s i ti so r i g i n a t e df r o me i t h e rs p e c i f i cg e o m e t r yo fp yl a y e rt h i c k n e s s o ri n t e r r a c i a ld i f f u s i o n f o rt h ew e d g e d p y f e m nb i l a y e r s ，t h ee x c h a n g ef i e l d ，t h e c o e r c i v i t y , t h ea n i s o t r o p yf i e l da n dt h ep o s i t i v ei s o t r o p i cr e s o n a n c ef i e l ds h i f ta r e a l l i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a l t ot h ef m l a y e rt h i c k n e s ，d e m o n s t r a t i n ga ni n t e r t h c e n a t u r eo ft h ef m a f m e x c h a n g ec o u p l i n g 3w eh a v e p r e p a r e d a w e d g e d c o n i u n i f o r m - f e m nb i l a y e rb y d c m a g n e t r o n s p u t t e r i n g a n dm e a s u r e dt h e o u t o f - p l a n ef m rs p e c t r a t h er e c o r d e da n g u l a r d e p e n d e n c eo ft h ey e s o f l a d e ef i e l dw a sa n a l y z e db yt h el a n d a u - l i f s h i t z ，g i l b e r t e q u a t i o n t h e e f f e c t i v e d e m a g n e t i z i n g f i e l di n c r e a s e sa n dl a n d6 g f a c t o r d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gf m l a y e rt h i c k n e s s ，t h ed e p e n d e n c eo f t h el i n e w i d t ho n t h eo u t o f - p l a n ea n g l ea n dt h ef m l a y e rt h i c k n e s sc a nb ee x p l a i n e dv e r yw e l li n t e r m so ft h ei n t r i n s i cg i l b e r td a m p i n ge f f e c ta n dt h eb r o a d e n i n gi n d u c e db yt h e m a g n e t i ci n h o m o g e n e i t y c a l c u l a t i o n ss h o wt h a tt w oc o n t r i b u t i o n si n c r e a s ew i t h d e c r e a s i n gt h ef ml a y e rt h i c k n e s sa n dt h a tt h ei n t r i n s i cg i l b e r td a m p i n ge f f e c t p l a y sam a j o r r o l ei nt h eo b s e r v e dl i n e w i d t h t h eg i l b e r td a m p i n ggf a c t o ra n dt h e g 一2 f a c t o ri n c r e a s ew i t h d e c r e a s i n g f ml a y e rt h i c k n e s sw i t hs c a l e so f i v 复旦博士毕业论支 a b s t r a c t g 。c 1 ，j i a n d g 一2 4 1 t h f ，r e s p e c t i v e l y t h eg i l b e r td a m p i n ggf a c t o ri s p r o p o r t i o n a l t o t h e ( g 一2 ) 2 w i t hav a r i a t i o no ft h ef ml a y e rt h i c k n e s sf o r w e d g e d c o n i f e m nb i l a y e r ，t h ei n - p l a n ei s o t r o p i ca n i s o t r o p yf i e l di sn e g a t i v ea n d i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ef m t h i c k n e s s t h i sr e s u l ti sh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h e r e s u l t si nw e d g e d p y f e m n b i l a y e n i n t e r f a c i a le f f e c t so nm a g n e t i cr e l a x a t i o ni nc o p tm u l t i l a y e r s w eh a v ep r e p a r e d 【c o ( w e d g e d ，0 - 2 0a ) p t ( 1o a ) i sm u l t i l a y e r sb yd em a g n e t i c s p u t t e r i n g w h e nf ( 。9 a ，t h ek e r rl o o p sa r es q u a r e dw i t has q u a r e n e s so f1 0 w h i l ef o rt h es a m p l e sw i t h ，1 3 ，7ae x h i b i ta l li n p l a n ea n i s o t r o p ya n dw e r e m e a s u r e db yt h ef m r t h eo u t o f - p l a n ef m rs p e c t r aw e r ea n a l y z e db yt h el l g e q u a t i o n t h ep e a k t o p e a kl i n e w i d t h 埘p p i n p a r a l l e l a n d p e r p e n d i c u l a r g e o m e t r i e sd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc ol a y e rt h i c k n e s s t h ea n g u l a rd e p e n d e n c e o ft h el i n e w i d t hc a n n o tb ee x p l a i n e do n l yi nt e r m so ft h ei n t r i n s i cg i l b e r td a m p i n g a n dt h ei n h o m o g e n e i t yi n d u c e db r o a d e n i n g t h ee x t r i n s i cm a g n e t i cr e l a x a t i o nm u s t b et a k e ni n t o a c c o u n t ，d i r e c t l yd e m o n s t r a t i n g i t s n e c e s s i t y a s ar e s u l to fa n i n t e r f a c i a l e f f e c t ，t h e g i l b e r t d a m p i n g f a c t o rga n dt h ee x t r i n s i c m a g n e t i c r e l a x a t i o nd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gc ol a y e rt h i c k n e s s t h ev a r i a t i o no ft h e g f a c t o ri sc a u s e db ya na d d i t i o n a lo r b i t a lm a g n e t i cm o m e n ta n da ni n t e r r a c i a l n o n l o c a lg i l b e r td a m p i n ge f f e c t t h ee x t r i n s i cm a g n e t i cr e l a x a t i o ni sc o n s i s t e n t w i t ht h ep r e d i c t i o no f t w o m a g n o ns c a t t e r i n gm o d e l t h e s ep h e n o m e n a e x h i b i ta n a p p a r e n ti n t e r f a c i a lc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：e x c h a n g eb i a s ，f m a f m ，f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e ，m a g n e t i cr e l a x a t i o n ， t r a i n i n ge f f e c t ，c o p tm u l t i l a y e r v 复旦博士毕业论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着信息产业的e 速发展，人们对信息存储的要求丁f 在向高密度、人容量、 高速度及低成本的方向发展。与其它的信息存储方式相比，磁存储具有记录性能 优异、应用灵活、价格便宜等优点，而且在技术发展上具有相当大的潜力，仍被 作为当代信息存储的一项主要技术。 在磁记录技术中，硬盘的存储密度取决于盘片和磁头的性能，改善磁记录介 质和磁头性能可以大大提高磁存储密度。一方面，先进的磁记录读出头不断推陈 出新。1 9 7 1 年，h u n t 提出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁盘系 统的读出头，并于上世纪9 0 年代初进入实用阶段。而自旋阀巨磁电阻( g m r ) 读 出头臼1 9 9 7 年至1 9 9 8 年问开始配备于硬盘中，从此，硬盘存储密度得到飞速提 高f 2 】。目前，人们通过各种途径来改善巨磁电阻读出头，从而不断提高读出头的信 噪比。另一方面，必须同时改善记录介质的性能。纵向磁记录是当前的主流磁汜 录技术，存储密度的逐渐提高使得每一个记录位的尺寸不断缩小，从而导致超顺 磁性现象口】。现在，垂直磁记录方式作为未来的高密度技术已开始被业界寄弘厚望。 目自口，下列三类材料可能作为垂直磁记录介质一是c o c r 合金系列；二是 重稀土一过渡族合金( 如t b f e c o ) ；三是c o p t 和c o p d 金属多层膜。与c o c r 合 金相比，金属多层膜具有更高的矩形度【6 】。因为具有大的垂直各向异性，c o p t 多 层膜结构受到广泛关注，有望成为下一代垂直磁记录介质【”。另外，由于在非磁性 层p t 中引起了自旋极化，c o p t 多层膜的研究具有重要的物理意义。 下面将结合本论文研究背景，介绍一下磁电子学( 自旋电子学) 的概念；然 后介绍巨磁电阻效应及应用；最后详细介绍一下铁磁反铁磁交换偏置的物理图像 和研究进展。 复旦大学博士论文 第一章绪论 1 2 磁电子学 磁学是研究具有交换作用的电子自旋系统的合作磁行为，而微电子学是研究 和控制载流子的输运性质。最近发展起来的磁电子学( 又称自旋电子学) ，作为磁学 和微电子学的新兴交叉学科，主要研究自旋极化电子的输运特性，包括自旋极化、 自旋相关散射和自旋驰豫。 + 在铁磁会属中，由于交换劈裂，费米面处自旋向上与向下的电子态密度不等， 凶而自旋向上的电子载流予数与自旋向下的电子载流子数是不相等的，在电场的 驱动下，铁磁金属中的传导电流必定形成极化电流。此外，也正是由于铁磁金属 在费米面处自旋向上与向下的电子态密度不等，它们对两种自旋取向的电子的散 射也不相同阳】。来自铁磁金属的自旋极化的电子流在其进入非磁性金属后，由于 小存在自旋相关散射，非磁性金属中对传导电子的非自旋相关散射并不引起自旋 的反转，自旋方向在相当长的扩散长度范围内( i 朋) 将保持不变【m 。1 2 】。 磁电子学的主要内容可以分成基础和应用两个部分：( 1 ) 研究传导电子的自旋 对材料输运性质的影响；( 2 ) 利用自旋极化电子独特的输运特性，设计开发在新的 机理下工作的电子器件1 1 3 】。 目前已经产品化和正在研究开发的自旋电子器件主要是基于自旋阀结构和隧 道结结构，这两种结构都是根据巨磁电阻特性而设计的。下面将介绍巨磁电阻效 应及自旋阀和隧道结的原理与特性。 1 3 巨磁电阻效应及其应用 1 巨磁电阻效应 1 9 8 8 年，b a i b i c h 在f e c r 多层膜中发现在加磁场和不加磁场两种状态下电阻 率的相对变化在室温下为2 5 ，而在低温( 4 2 k ) 高达1 1 0 。由于这一效应远大于 一般磁性金属的各向异性巨磁电阻( 1 3 0 ) ，因此称为巨磁电阻效应( g m r ) ”，其 巨大的应用前景激发了全世界的科研工作者对磁电阻的研究热潮。在随后的几年 中，以p a r k i n 为杰出代表的世界各国物理学工作者发现在很多铁磁层( f e 、n i 、c o 及其合金) 月e 磁性层( 3 d 、4 d 以及5 d 非磁金属) 磁性多层膜中，具有巨磁电阻效应， 2 复旦大学博士论文 第一章绪论 其。 j 尤以多晶c o c u 多层膜的巨磁电阻效应最为突出【1 5 - l 6 。 日河，人们主要用m o r t 提出的二流体模型来解释巨磁电阻效应7 】，如图11 所示。根据：流体模型，传导电子分成自旋向上和自旋向卜的两组，由于多层膜 中非磁性层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的，所以只考虑磁性层 的影响。存与自旋桐关的s - d 散射中，当电子的自旋与铁磁金属的磁矩平行时，其 、f 均自由程长，相应的电阻率低；而当电子的自旋与铁磁金属的磁矩反平行刚， 其平均自由程短，相应的电阻率高。因此，当相邻铁磁层的磁矩反铁磁耦合时， 自旋向上或向下的电子在一个铁磁层中受到较弱的散射在进入另一铁磁层后必然 受到较强的散射，从整体上说，所有的电子都受到较强的散射。在宏观上，多层 膜处于高电阻状态，这可用图1 1 ( b ) 的电阻网络来表示，其中，r r 。而当相邻 铁磁层的磁矩在磁场的作用下趋于平行时，自旋向上的电子在所有铁磁层中均受 到较弱的散射，相当于自旋向上的电子构成了短路状态，在宏观上，多层膜处于 低电阻状态。很显然，磁性金属多层膜的电阻依赖于相邻铁磁层中磁矩的相对取 向，外磁场的作用只是改变相邻铁磁层磁矩的相对取向。 图1 1 不同臼旋的导带电子在磁性多膜中受到散射( 左) 及相应的等效电阻( 右) 示意图：( a ) 反平行：( b ) 平 j 2 自旋阀巨磁电阻 铁磁月 磁多层膜由于层间耦合作用太强，饱和磁场太高，难于应用。处于应 用目的，人们在寻找低饱和场、单位磁场电阻变化率高的g m r 材料方面做了大量 复旦大学博士论文 第一章绪论 ；x - _ f i ；。1 9 9 1 年，b d i e n y 根据多层膜巨磁电阻效应的物理机制，提出了自旋阀结 构，即反铁磁层钉扎铁磁层非磁性层自由铁磁层，图1 2 为自旋阀结构示意图 及相应的磁滞回线和巨磁电阻回线”9 1 。 f m f m a i 州 ：互夕可 i! 一 j4 m f r e e r n i i l c i ( a ) 剀1 2f 。2 0 n i 8 d c u df e 2 0 n i 8 0 f e m n 臼旋阀( 室温) ( a ) 结构示意图；( b ) 磁滞回线；( c ) 磁电阻回线a r i r ( h ) 反铁磁层和钉扎铁磁层之间存在交换耦合，导致钉扎层中存在单向各向异性， 磁滞回线的中心将偏离零磁场，偏离量称为交换偏置场h ，自由层通过c u 层与 钉扎层存在很弱的耦合，因此自由层的磁滞回线基本上是以零场为中，i i , 。在偏置 场的作用下，钉扎层的磁矩方向在外场小于偏置场h ，时不发生反转，而自由层磁 矩方向随着外场方向的变化而变化。当自由层磁矩与钉扎层磁矩平行时，体系处 于低电阻态，当二者反平行时，体系处于高电阻态。由于体系的电阻随自由层磁 矩方向的改变而改变，所以形象地称这种结构为自旋阀。由于自出层和钉扎层磁 矩的方向能够在很小的磁场内实现从反平行到平行状态的转变，即高电阻态到低 电阻态的转变，所以自旋阀具有很高的灵敏度。 9 0 年代中期，各先进工业国在讨论硬磁盘高密度化( 例如达到1 0 0g b i t ) 时 认为，读出头是技术关键。对于自旋阀结构，自由铁磁层可作为检测外场的探头， 复旦大学博士论文 第一章绪论 磁电阻完全m 自由铁磁层的磁化状态所决定，因此它可作为计算机硬盘的读出磁 头。1 9 9 6 年f i 本东芝宣向，用自旋阀丌发成功l _ i j 读出面密度为5 g b i n 2 的磁头。 到1 9 9 9 年，i b m 研制成功了u ，达1 2 g b i n 2 的自旋阀g m r 头，这样便可读出在 35 英寸硬盘中记录的1 0 0 g b i t 的信息。 3 隧道结巨磁 j = l ( t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) i 士j 于在磁性传感器及磁性随机存储器( m r a m ) 中具有的潜在应用价值，磁性隧 道结也是磁电子学中的重要器件之一。磁性隧道结的基本结构为铁磁层月 磁绝缘 层铁磁层( f m i f m ) ，如果两铁磁电极的磁化方向平行，一个电极中多数自旋子带 的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带的电子也 从一个电极进入另一个电极的少数自旋子带的空态：但如果两电极的磁化方向反 平行，则一个电极中的多数自旋子带电子的自旋与另一个电极的少数白旋子带电 子的自旋平行，这样，隧道电导过程中一个电极中的多数自旋子带的电子必须在 另个电极中寻找少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必然与两电极的磁化方 向平行时的电导有所差别。1 9 7 5 年j u l l i e r e 确实发现f e g e c o 隧道结的隧道电导 与两铁磁层磁化矢量的相对方向有关，变化的大小a g g 。在4 2 k 时约为1 4 【2 ， a g 为相应于两铁磁层反平行和平行时的电导之差，g 。为两铁磁层的磁化矢量反 平行时的电导。由于这种结构本身电阻率高，性能稳定，且只需很小的磁场就可 以实现反转，因而在应用方面受到极大重视。 铁磁反铁磁双层膜交换偏置在自旋阀巨磁电阻器件和磁性隧道结构中起着核 心作用，因此受到人们广泛研究。铁磁反铁磁界面的交换作用是个很复杂的物理 现象，依赖于铁磁层和反铁磁层的厚度，以及界面处的铁磁和反铁磁层内的畴和 畴壁的构型，其物理机理的很多方面至今仍然不甚清楚，吸引着众多研究者的注 意。下面，将简略介绍一下交换偏置的直观物理图像和基本特征。 复旦大学博士论文 第一章绪论 1 4 铁磁反铁磁交换偏置 1 4 1基本现象 当铁磁( f m ) 反铁磁( a f m ) 体系在外磁场中经过从高于反铁磁奈尔温度咒 i f l f 义低f 铁磁层7 ：的居早温度冷却到反铁磁奈尔温度以下( 即经过场冷过程、铁 磁材料的磁滞回线将沿磁场方向偏离原点，其偏离量称为交换偏置场h 。，同时伴 随着矫顽力h ，的增加，这一现象称为交换偏置川。这些现象在反铁磁的奈尔点或 者接近奈尔点时就消失了，由此可见是反铁磁层的出现导致了这种单向各向异性 2 2 1 。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。铁磁反铁磁双层膜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。 1 4 2 直观物理图像和m e i k l e j o h n b e a n ( m b ) 模型 w 匡篓冒 “，! 一一_ ；- _ _ ， ln c c x ) 1 罩葺三享：( i i 1 ”誊毒毒幂5 f i i l m 霪小 r ”阚 图1 3 铁磁反铁磁系统自旋构型的简单图象：对应丁磁滞回线不同 阶段的自旋构型及磁滞回线 复旦大学博士论文 管一 仉 一 t 第一章绪论 定性地理解交换偏置现象可以假设在铁磁反铁磁界面上存在交换相互作用 2 22 4 。在某一温度( t n t r c ) 下加一定的磁场，铁磁层的自旋在外场作用下沿磁 场方向规则排列，但是反铁磁自旋仍然处于无序状态( 图1 3 ( i ) ) 。当场冷至t t 。 以f ，a f m 的自旋出现磁有序，在界面处a f m 中的自旋将沿着f m 的自旋方向 甲行排列( 假设界面为铁磁耦合) ，为了保持a f m 的零磁矩，a f m 内的其它自旋 就要雌随着按照界面处a f m 自旋依次排列起来( 幽1 3 ( i i ) ) 。当f m 层的磁矩随 外场反转扫寸，即+ m 斗一肘，由于a f m 层的各向异性很大，a f m 层的自旋仍在原 来的方向，因此f m a f m 自旋之间的界面作用使得f m 层的磁矩随外场反转时能 量增高，换言之，使得f m 层磁化强度保持在+ 肼的方向，为低能态，也就是说 f m 的自旋只有一个单稳态，从而产生单向各向异性。因此要使f m 层磁化强度反 转必须加一个更大的外场。而在一m 斗+ m 的过程中，f m 层的自旋只需一个很小 的场就能开始反转，好象处在一个外加的偏置磁场中，f m 层的磁滞回线向负场方 向偏移( 图l3 ( v 1 ) 。 如此简单直观的物理图象只能定性直观地给出解释，交换偏置受铁磁和反铁 磁层的厚度、温度、界面粗糙度，以及铁磁和反铁磁层的微结构等诸多因素的影 响。 1 9 6 2 年，m e i k l e j o h n 和b e a n 提出了该领域中的第一个理论模型( m b m o d e l ) ， 其中主要包含以下一些假设 2 5 - 2 6 】： ( a ) 铁磁层中的自旋方向及反铁磁层中每一套子品格的自旋方向在整个样品中取 向相同；( b ) 对于理想界面，f m 及a f m 原子在界面处都在一个光滑的平面上， 与f m 层相邻的a f m 面上原子自旋未补偿，有剩余磁矩；( c ) 铁磁和反铁磁的自 旋在其界面互相耦合，单位面积的界面耦合能为z ，； ( d ) 反铁磁层中存在单轴各 i t , j 异性，各向异性常数为k 。；( e ) 铁磁层磁化强度在外场中一致转动。 铁磁反铁磁双层膜体系的自由能可以表示为如下的方程： e = - h m f e o s ( o p ) 一h m 月f 月c o s ( 8 一口) + ( 1 1 ) k f m t e ms i n - 2 + k j f s i n2 a 一，。c o s ( ，一口) 复旦大学博士论文 第一章绪论 其中第一和第二项分别为铁磁层和反铁磁层的z e e m a n 能，第三和第四项分别为铁 磁) j , 4 r l 反铁磁层内的单轴各向异性能，最后一项 为铁磁层和反铁磁层之间的界面耦合能。0 和 口分别为外磁场及铁磁层的磁化强度和其各向 异性轴之间的火角，a 为反铁磁的磁化强度和其 各向异性轴之间的夹角( 如图1 4 所示) 。h 为 外加磁场，m 。和吖。分别为铁磁层和反铁 磁层的净磁化强度( 如果有) ，t m 和f 。分别是 铁磁层和反铁磁的厚度，臣。和世。分别为铁 磁层和反铁磁层的单轴各向异性常数。，气为铁 a f 皇 i 这 a f 图1 4 铁磁反铁磁烈层膜中磁 场及磁化强度的方位角。 磁和反铁磁的界面交换耦合能。通常认为第二项中反铁磁的磁化强度来源于磁场 冷却过程，在磁场冷却过程中，足够大的外加磁场使得铁磁层为单畴状态。由丁r 铁磁反铁磁界面自旋存在相互作用，反铁磁层的自旋对称受到破坏，从而产生净 磁化强度。该净磁化强度在低温下被固定住，并由此产生交换偏置【2 7 1 。由于这一 磁化强度很小，其z e e m a n 能可以忽略不计。 计算表明如果反铁磁层的厚度大于一临界值时，1 1 t 。j 。，k 。，或者反铁 磁层的