（凝聚态物理专业论文）磁性纳米线、反铁磁耦合多层膜磁特性的微磁学研究.pdf

摘要 磁性纳米线和反铁磁耦合多层膜的微磁结构和反磁化机制是一 个重要的科学问题，同时，它们也是未来超高密度垂直磁记录介质的 理想选择。本文基于微磁学理论采用微磁学模拟的方法对磁性纳米线 和反铁磁祸合多层膜的磁特性进行了如下研究： 研究了不同直径纳米线的微磁结构和反磁化机制，发现纳米线的 反磁化机制强烈地依赖于纳米线的直径，直径很小时反转模式为一致 反转，随着直径增大反转模式过渡为两种不同类型磁化核( 一致截面 的磁化核或涡旋截面的磁化核) 的形成与传播，更大直径纳米线的反 转过程出现多畴模式。对一致截面畴壁模式向涡旋畴壁模式过渡进行 理论分析，认为过渡主要是由畴壁能不同引起的，对于软磁纳米线， 交换能和退磁能的竞争决定了畴壁的截面结构。计算得到n i 、f e 纳 米线中两种翻转模式的临界直径是4 0n l n 和2 0n n l ，利用微磁学模拟 锥形纳米线的反磁化过程，验证了理论分析的结果。 研究了不同直径纳米线的矫顽力和翻转场随角度( 外场与纳米线 长轴之间的夹角) 的变化关系。纳米线直径小于临界直径时，小角度 时翻转场和矫顽力相等，角度大于6 0 。时，翻转场逐渐增大，矫顽力 逐渐减小。纳米线直径大于f 临界直径时，翻转场随角度增大而增大， 矫顽力随角度的变化出现零角度极大和中间角度极大现象。变化曲线 和无限长圆柱体的s t o n e r - w o h l f a r t h 模型或c u r l i n g 模型不一样。从反 转机制的角度对上述现象进行说明。 研究了对称型反铁磁耦合三层膜和多层膜的反磁化机制，给出各 向异性常数、耦合常数、长径比和磁性层厚度变化时的相图。反铁磁 耦合多层膜磁滞回线结构复杂，反磁化过程中偶数层先翻转，奇数层 后翻转。反铁磁耦合三层膜在一定角度外场下的反磁化过程和纳米线 的反磁化过程类似，随着角度的增大，反磁化过程由复杂的反磁化核 的形成与传播过渡为一致翻转。改变反铁磁耦合三层膜一个磁性层的 各向异性常数或厚度，磁滞回线和翻转场都发生显著变化，从反磁化 机制角度解释了这些变化。 关键词：纳米线，反铁磁耦合多层膜，微磁学，翻转场，矫顽力 a b s t r a c t m i c r o m a g n e t i cd i s t r i b u t i o na n dm 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 i nn a n o w i r e sa n d a n t i f e r r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e dm u l t i l a y e r si s a l l i m p o r t a n t s c i e n t i f i c p r o b l e m ； m a g n e t i c n a n o w i r e a r r a y a n d a n t i f e r r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e dm u l t i l a y e r s c a l lb e u s e da si d e a l p e r p e n d i c u l a rr e c o r d i n gm e d i ai nf u t u r e i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h e m i c r o m a g n e t i et h e o r y ,m a g n e t i c p r o p e r t i e s o fn a n o w i r e sa n d a n t i f e r r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e dm u l t i l a y e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db y m i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o na sf o l l o w s ： 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 so fm a g n e t i cn a n o w i r e sw i t h d i f f e r e n td i a m e t e rw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em 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 ms i g n i f i c a n t l yd e p e n d so nt h en a n o w i r ed i a m e t e r f o r t h es m a l l e s tw i r e ，t h er e v e r s a lo c c u r s b yc o h e r e n tr o t a t i o n ；w i t ht h e i n c r e a s eo fd i a m e t e r , m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lt a k e sp l a c ev i ad i f f e r e n t n u c l e a t i o n ( t h et r a n s v e r s ed o m a i nw a l lo rt h ev o r t e xd o m a i nw a l l ) a n d s u b s e q u e n tp r o p a g a t i o n ；f o rt h el a r g e rn a n o w i r e ，m u l t i d o m a i nw o u l d f o r mw i t h i nt h ew i r e t h e a n a l y t i c a lm i c r o m a g n e t i c sa r eu s e dt o i n v e s t i g a t et h ed o m a i nw a l ls t r u c t u r ed u r i n gt h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a li n n a n o w i r e s m i c r o m a g n e t i ca n a l y s i ss h o w st h a tf o rt h es o f tm a g n e t i c n a n w i r et h ed o m a i nw a l ls t r u c t u r ei s m a i n l y d e t e r m i n e d b yt h e c o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ed e m a g n e t i z a t i o ne n e r g ya n de x c h a n g ee n e r g y t h ec r i t i c a ld i a m e t e r so ft h et r a n s v e r s ed o m a i nw a l la n dt h ev o r t e x d o m a i nw a l la r e4 0m nf o rn iw i r ea n d2 0n mf o rf e w i r e r e s p e c t i v e l y t h em i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u to nt h ec o n e s h a p e dw i r e a n dc o n f i r mt h ea n a l y t i c a lr e s u i t s a n g u l a rd e p e n d e n c e o ft h es w i t c h i n gf i e l d h s w ( 0 ) a n dt h e c o e r c i v i t yh c ( o ) o fm a g n e t i cn a n o w i r e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r sh a s b e e ni n v e s t i g a t e d ( w h e r e0i sd e f i n e da st h ea n g l eb e t w e e nt h ef i e l d d i r e c t i o na n dw i r el e n g t h ) f o rt h en a n o w i r ed i a m e t e rs m a l l e rt h a na c r i t i c a ld i a m e t e r a ts m a l la n g l e ，t h es w i t c h i n gf i e l di st h es a m ew i t ht h e c o e r c i v i t y , f o r0 6 0 0 ，t h es w i t c h i n gf i e l di n c r e a s ea st h ea n g l ei n c r e a s e s ， b u tt h ec o e r c i v i t yd e c r e a s ea st h ea n g l ei n c r e a s e s f o rt h ed i a m e t e rl a r g e r t h a nt h ec r i t i c a ld i a m e t e r , t h es w i t c h i n gf i e l di n c r e a s ea st h e a n g l e n i n c r e a s e s t h ea n g u l a rd e p e n d e n c eo fc o e r c i v i t yh a sac o m p l i c a t e df o r m t h e r ei sal o c a lm a x i m u ma tz e r oa n g l ea n da p e a k a tm i d d l ea n g l eo nt h e h c ( o ) c u r v e m i c r o m a g n e t i es i m u l a t i o n sf o rn a n o w i r e ss h o wt h a tt h e m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a li nw i r e sw i t hf i n i t el e n g t hi ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t f r o mt h er e v e r s a li ni n f i n i t ec y l i n d e r t h ea n g u l a rd e p e n d e n c eb e h a v i o ri s i n t e r p r e t e d i nt e r m so ft h ed i f f e r e n c eo fm 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 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 mo fa n t i f e r r o m a n g e t i c a l l y c o u p l e dt e r n a r yl a y e r sa n dm u l t i l a y e r sw e r es t u d i e d 。t h ep h a s ed i a g r a m o f t w oi d e n t i c a lc o u p l e df e r r o m a g n e t i cl a y e r si sp r e s e n t e db yt y p eo fe a s y a x i sh y s t e r e s i sl o o pa n dt a k e si n t oa c c o u n tt h ee f f e c to fu n i a x i a li n t r i n s i c a n i s o t r o p y , e x c h a n g ec o u p l i n g ，a s p e c tr a t i oa n dt h i c k n e s s t h eh y s t e r e s i s l o o p so fa n t i f e r r o m a n g e t i c a l l yc o u p l e dm u h i l a y e r sa r em o r ec o m p l e x i n t h er e v e r s a lp r o c e s s ，t h ee v e nl a y e r sr e v e r s a lf i r s t l y , a n dt h e nt h eo d d l a y e r so c c u r sr e v e r s a l a n g u l a rd e p e n d e n c eo f t h eh y s t e r e s i sl o o pa n dt h e m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ( w h e r e 伊i sd e f i n e da st h e a n g l e b e t w e e nt h ef i e l dd i r e c t i o na n dt h e e a s y a x i so ft h e a n t i f e r r o m a n g e t i c a l l yc o u p l e dt e r n a r yl a y e r s ) t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l o f a n t i f e r r o m a n g e t i c a l l yc o u p l e dt e r n a r yl a y e r s i ss i m i l a rt ot h e m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lo fn a n o w i r e s t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lm o d ei s t r a n s i t i o n a lb e h a v i o rf r o m “c u r l i n g ”t oh o m o g e n e o u s r e v e r s a l i n c r e a s i n g t h ei n t r i n s i ca n i s o t r o p yo rt h et h i c k n e s so f o n eo f t h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r s ， t h eh y s t e r e s i sl o o p sa n dt h es w i t c h i n gf i e l ds h o war e m a r k a b l ec h a n g e a b o v ep h e n o m e n o na l ei n t e r p r e t e di nt e r m so f r e v e r s a lm e c h a n i s m k e yw o r d s ：n a n o w i r e ，a n t i f e r r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e dm u l t i l a y e r s ， m i c r o m a g n e t i c ，t h es w i t c h i n gf i e l d ，c o e r c i v i t y 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在论文中作了明确的说 明。 作者签名：窜罐牝日期：。趣晕年j 月4 日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：丝让吐月粤日 中南大学硕士学位论文引言 引言 纳米磁性材料是2 0 世纪7 0 年代后逐步产生、发展、壮大起来的，由于体系 的尺寸与畴壁尺寸、畴壁宽度、交换作用长度及薄膜的垂直各向异性长度等物理 特征尺寸相当或更小，所以表现出一些新奇的物理特性，比如：磁单畴、超顺磁 性、巨磁电阻效应和垂直各向异性现象等( 1 1 。这些特性是传统的块体材料不具备 或无法媲美的，其应用前景也被世界各国的科学家看好。纳米线和反铁磁耦合多 层膜作为纳米磁性材料的重要成员，更是引起了凝聚态物理界和材料界科学家的 广泛关注【2 卅。 目前硬盘读写数据都是以水平排列方式进行，硬盘盘片通过在盘基上涂覆一 层磁性材料制成，磁性材料的颗粒大小直接影响盘片的磁记录密度，磁记录密度 越高，要求磁性材料的粒度越细。但当磁性颗粒的尺寸小到一定的程度时，将会 出现热稳定性问题，硬盘本身的温度甚至室温就可以让磁性颗粒的极性从有序变 成无序，从而导致记录信息失效，这就是超顺磁现象。与水平磁记录相比，垂直 磁记录在克服超顺磁性的问题上则具有明显的优势1 m 。据专家预测，水平磁记 录的上限可能在2 5 0 - 5 0 0g b i n 2 ，而垂直磁记录由于其本身固有的高密度记录特 性，其面记录密度的极限预计可达到1t b i n 2 以上i 旧1 。垂直磁记录技术要求存储 单元的易磁化方向和磁矩排列垂直于磁盘表面，同时还要求存储单元具有高剩磁 比、高矫顽力和足够小的尺寸i l l , 1 2 1 人们在自组装的多孔阳极氧化铝模板或聚合 物膜板中沉积磁性纳米线，形成纳米线有序阵列复合结构，并发现该结构具有很 高的形状各向异性，有望成为一种很有发展前景的高密度垂直磁记录介质。 作为磁记录介质我们必须清楚的了解纳米线在外场作用下磁化状态的运动 变化过程，目前实验和理论上都对纳米线的反磁化机制进行了大量研究，但结论 并不一致。早在1 9 5 8 年，a h a r o n i 和s h t r i k m a n 1 3 1 4 1 就从理论上研究了无限长圆 柱体的反磁化过程，得到两种主要的反转机制；一致反转和涡旋式反转。相应的， 关于纳米线在不同角度外场下的反磁化过程，目前有两个应用较广的理论模型： 一个是s t o n e r - w o h l f a r t h 模型 t s l ，另一个是c u r l i n g 模型16 m 。但是大量关于有限 长纳米线的实验和反磁化过程的微磁学模拟却得到了与无限长理论不同的结果。 w e m s d o r f e r o s j 等人借助超导量子干涉仪( s q u i d ) 测量了单根n i 纳米线的反磁 化过程，发现当纳米线直径大于交换长度的两倍时，反转模式是磁化核的形成与 传播；当纳米线的直径接近临界直径时，低角度时发生涡旋式翻转，高角度时发 生一致翻转，因此矫顽力先随角度的增大而增大，后随角度的进一步增大而减小， 在中间角度出现矫顽力极大现象。h a n l l9 】的研究证明存在一致反转和涡旋式反 转，随着直径的减小，n i 纳米线矫顽力h c ( o ) 随角度变化的曲线在不断改变形 中南大学硕士学位论文引言 状。大量微磁学模拟结果亦表明，无限长纳米线的翻转理论对于有限长纳米线并 不适用，人们在有限长纳米线的微磁学模拟中发现了多种反磁化过程 2 0 - 2 2 1 ，例如： 一致翻转、一致畴壁模式、涡旋畴壁模式和多畴模式。所以，我们认为理论预测 的无限长纳米线的反磁化过程对于有限长纳米线不完全适用，我们系统的模拟了 不同直径纳米线的反磁化过程，并把模拟结果和实验、理论结果做比较。 近年来研究表明，由磁性金属和非磁性材料交替沉积而成的多层膜或超晶格 结构中，相邻磁层间磁矩通过非磁层的耦合，可以出现相互平行排列的铁磁态、 反平行排列的反铁磁态，或者相互垂直的9 0 。耦合。当磁性多层膜中出现反铁磁 耦合时，就会出现所谓的巨磁电阻效应，这一效应由于在磁头材料和磁敏感器件 上具有广泛的用途而备受人们的关注。人们做了大量的关于反铁磁耦合三层膜的 研究，w o r l e d g e 2 3 1 认为影响磁性多层膜中反铁磁耦合的因素很多，比如膜的长度、 宽度、厚度、饱和磁化强度、交换耦合常数以及磁晶各向异性的大小、方向等。 对于上下磁性层完全一样的s a n d w i c h 结构薄膜，通常认为前四个因素只影响其 磁滞回线的缩放比例，不改变磁滞回线的基本形状，对磁滞回线起决定作用的是 磁晶各向异性的大小、方向，以及耦合强度和薄膜的长径比。b u s c h o w l 2 4 l 和z e i d l e r 脚】不但考虑了磁晶各向异性常数x 和反铁磁耦合常数- ，的影响，同时又考虑了 薄膜厚度d 的影响，认为k d d 决定了磁滞回线的形状。d i e n y 和g a v i g a n 研究对 称型反铁磁耦合三层膜，提出了两种近似模型 2 6 ，2 7 1 ，一种认为薄膜的反磁化过 程为一致翻转，另一种认为薄膜的反磁化过程为反磁化核的形成与传播，画出了 两种模型对应的相图，并指出第一个模型的相图与初始磁矩状态有关。人们也做 了大量的关于反铁磁耦合三层膜的实验，实验结果也是各不相同，t e z u k a 2 a 和 z h e n gy u a n - k a i 冽认为上下磁性层的磁化矢量是一致翻转的，并给出了磁力显微 镜图片和模拟图：d i r a i t r o v 3 0 l 和s c h i l l e r t 3 j ! 却认为上下磁性层的磁化矢量是非一 致翻转的。为了弄清上述问题，我们系统模拟了对称型反铁磁耦合三层膜的反磁 化过程，并进一步模拟了目前研究较少的非对称型反铁磁耦合三层膜和对称型反 铁磁耦合多层膜的反磁化过程。 本文结构如下，共分为五章，第一章简述磁性纳米线和反铁磁耦合多层膜的 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；第三章对 不同直径纳米线的反磁化过程进行详细的研究；第四章对对称型反铁磁耦合三层 膜、非对称型反铁磁耦合三层膜及对称型多层膜体系的反磁化过程进行系统的研 究；第五章总结全文。 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米尺度( 1 - 1 0 0r i m ) 的材 料，按维数及应用通常可以分为三类1 3 2 1 ： 1 零维，在空间的三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等； 2 一维，在空间有两维处于纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等； 3 二维，在空间中只有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社 会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的 重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存 储密度达到每平方厘米4 0 0g 的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频 段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热 电转化元件，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜 力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各 个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱 产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新 的机遇。 1 1 纳米线的磁特性及研究进展 纳米线的磁参数和结构尺寸对其磁性能有很大影响。磁参数决定了磁晶各向 异性能和交换能的大小，而结构尺寸决定了纳米线的形状各向异性能和纳米线间 的静磁耦合相互作用。纳米线的磁性能及磁化与反磁化机制主要由这四种能量和 它们之间的相互竞争来决定。 对于长径比超过一定范围的单根磁性金属纳米线，决定其磁性能的主要是形 状各向异性和磁晶各向异性。形状各向异性来源于退磁能，磁性纳米线由于其独 特的线状结构，在各个方向上的退磁能大小差异显著，因而产生极强的形状各向 异性能，在垂直于纳米线方向上，退磁能最大，在平行于纳米线方向，退磁能最 小。所以在形状各向异性能的作用下，垂直于纳米线方向为难磁化轴，平行于纳 米线方向为易磁化轴，表现出很强的磁各向异性 3 3 , 3 4 。晶体结构不同，磁晶各向 异性的大小也不同。f e 、n i 都属于立方晶体，磁晶各向异性常数很小，当长径 比很大时，磁晶各向异性能远小于形状各向异性能，如单质n i 纳米线的形状各 向异性能为万坂2 = 7 4 x 1 0 s e r g c m 3 ，而磁晶各向异性常数仅为 k i = - - 4 5 x 1 0 4 e r g c m 3 1 3 5 1 , 因而磁晶各向异性能可以忽略，磁性能主要由形状各 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 向异性所决定。c o 纳米线则不同 3 6 j ，它有面心立方结构( f c c ) 和立方密堆积 结构( h c p ) 两相。当c o 为f c c 时，其磁晶各向异性能较小，形状各向异性决 定了纳米线的磁性能。当c o 为h c p 时，纳米线的磁晶各向异性常数为 k i ：5 1 0 6 e r g e m 3 ，形状各向异性能为万嵋= 6 x 1 0 6 e r g e m 3 ，磁晶各向异性能可 与形状各向异性能相比拟，它们之间就会产生相互竞争，从而使易磁化轴方向发 生改变。o u n a d j e l a 弱肄人测量了外场沿纳米线长轴方向、直径在3 5n m 到4 0 0 n m 范围内变化的c o 、n i 纳米线的矫顽力和剩磁比，发现c o 、n i 纳米线的矫顽力 都随着直径的增大而减小，变化规律比较一致，但两者剩磁比的变化规律不同， n i 纳米线的剩磁比始终接近于0 8 ，即易磁化方向始终沿着纳米线长轴方向；c o 纳米线的剩磁比由0 8 逐渐降低为o 1 ，这说明易轴方向由平行纳米线长轴方向 转向了垂直于长轴的方向。通过改变c o 的相组成可以得到不同磁性能的c o 纳 米线旧。 纳米磁性微粒的单畴特性表现为矫顽力较大。由于纳米线的直径很小，接近 于磁性微粒的单畴尺寸，所以在纳米阵列中可获得较大的矫顽力。而对于长径比 超过一定范围的单根磁性金属纳米线，磁性纳米线的易磁化轴应平行于纳米线方 向，在理想单畴的情况下，沿着易磁化方向，磁性纳米线的磁滞回线应为完全矩 形。实际上，磁性纳米线阵列的磁特性并没有理想化的这么简单，而是非常复杂 的。这种复杂磁特性的产生则是由于材料内部存在着多种能量相互竞争。当不同 的能量占主导地位时，磁性纳米线表现出不同的磁性能。l i u 等【38 】通过研究不同 直径的f e o ，6 s n i o j 2 合金纳米线阵列得出：当纳米线直径增大到一定程度，垂直于 纳米线方向的矫顽力大于平行纳米线方向的矫顽力，这种磁特性的转变正是由于 占主导地位的能量发生改变所致。 纳米线磁性研究中的一个重要部分是研究纳米线的反磁化机制。早在1 9 5 8 年，a h a r o n i 和s h t r i k m a n 1 3 , 1 4 就从理论上研究了无限长圆柱体的反磁化过程，得 出两种主要的反转机制：一致反转和涡旋式反转，当纳米线直径小于l 晦界直径 d c = 2 4 a m s 臼为交换作用系数， 打为饱和磁化强度矢量的绝对值) 时反转模 式为一致反转；当纳米线直径大于临界直径以时，反转模式为涡旋式反转，这两 种翻转模式中所有磁化矢量都是同时翻转。相应的，关于纳米线在不同角度外场 下反磁化过程，目前有两个应用较广的理论模型：一个是s t d n 昏w o h j 缸t h 模型 h 翻，假设反磁化过程中磁化矢量都是一致翻转的，则矫顽力随着角度的增大而 减小，翻转场随角度的变化曲线关于口= 4 5 。对称( 口是外磁场与纳米线长轴之 间的夹角) ，角度小于4 5 。时，翻转场随着角度的增大而减小，角度大于4 5o 时， 翻转场随着角度的增大而增大：另一个是c u r l i n g 模型，根据a h a r o n i 16 1 的研究， 当反磁化过程为涡旋式翻转时，翻转场随着角度的增大而增大，矫顽力等于翻转 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 场。人们做了大量实验来研究纳米线的反磁化过程，并根据实验结果对反磁化过 程做了各种推测。l e d e r m a n l 3 5 1 等人测量了直径范围在1 0 0 q 5 0n i l l 的n i 纳米线 在不同角度外场下的翻转，实验数据和c u r l i n g 模型一致。h a n l l g l 发现随着直径 的减小，n i 纳米线的矫顽力c ( 0 ) 随角度交化曲线在不断改变形状。他们推测 这是由反磁化过程不同造成的，当纳米线的直径为5 0n m 或8 0n m 时，反磁化过 程是涡旋式翻转；当纳米线的直径为3 0r i m 时，反磁化过程为一致翻转。 w e m s d o r f e r f 培1 认为当纳米线的直径接近临界直径以时，低角度时发生涡旋式翻 转，高角度时发生一致翻转，因此矫顽力先随角度的增大而增大，后随角度的进 一步增大而减小，在中间角度出现矫顽力极大现象。0 b a r r 等人【”1 制备了直径 变化范围为1 5 0 - - 1 0 0 0n l l l 的n i 纳米线，用磁力显微镜( m f m ) 测量了单根纳米 线矫顽力随角度的变化c ( 口) 和反转场随直径的变化。当外场平行于纳米线长轴 时反转场与直径的依赖关系很弱，尤其当直径大于3 0 0n m 时，翻转场几乎不变。 这与涡旋反转模式的结论不符合，预示了另一种反转模式一成核机制的出现。 研究结果也证明当调整了直径的大小以后成核机制的h e ( 0 ) 与涡旋反转模式的 规律比较相似。但值得注意的是对于直径为1 5 0n m 的n i 纳米线，矫顽力在小角 度出现局域极大的现象，这与涡旋反转模式的规律是有出入的，而当直径增加到 1 0 0 0n m 时，这种小角度的局域极大现象就消失了。大量微磁学模拟结果表明， 无限长纳米线的翻转理论对于有限长纳米线并不适用，人们对有限长纳米线的模 拟发现了多种反磁化过程 2 0 五2 1 ，比如：一致翻转、一致畴壁模式、涡旋畴壁模式 和多畴模式。当纳米线的直径较小时反磁化过程为一致截面畴壁模式，纳米线直 径较大时为涡旋畴壁模式，两种模式都是反磁化核的形成与传播，但反磁化核的 截面结构不同，一致截面畴壁模式中反磁化核的截面呈一致分布，而涡旋畴壁模 式中反磁化核截面为涡旋结构。模拟结果显示n i 纳米线中两种翻转模式的临界 直径为4 0 嘲【2 1 , 3 5 1 ，w e r n s d o r f e r t l 8 1 和，e g r o 、 瞎【4 0 1 的实验结果与模拟一致。 综上所述，目前人们对磁性纳米线的反磁化机制仍没有十分清楚的了解， 矛盾的结论有之，理论和解释的出发点不一致的也有之，同时还有一些现象没 有得到很好的解释。为了更好的了解纳米线的各种反磁化机制及对应的翻转场 和矫顽力随角度的变化关系，理解各种理论之间的区别与联系以及它们的适用 范围，在以后的章节中我们将利用微磁学模拟的手段系统的研究不同直径纳米 线的反磁化机制以及反磁化机制与直径、长径比的依赖关系，并把模拟结果和 实验、理论结果做比较。 1 2 反铁磁耦合多层膜研究进展和层间耦合理论模型 尽管人们很早以前就猜想以非磁性层为中间层的磁性多层膜具有交换相互 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 作用，但是直到1 9 8 6 年c 吡l b e 唱1 等人才用光散射方法确切的证明了f e c r 多层 膜中f e 层通过c r 层反铁磁耦合。1 9 8 8 年b a i b i c h l 4 2 1 等人发现了f e c r 多层膜的巨磁 电阻现象( g m r ) 。巨磁电阻材料由于在高密度读出磁头，磁传感器、磁阻式 随机存取存贮器等方面的广阔应用前景以及在电子自旋极化输运研究中的重要 地位吸引了人们的广泛注意，成为国际上最前沿的研究课题之一。s a n d w i e h 结构 及自旋阀结构材料的发现使众人集中精力去研究g m r ，后来又发展到对隧穿磁 电阻( 聊r ) 的研究。1 9 9 9 年，为了解决磁记录中的热稳定性问题，人们开始 把层间反铁磁耦合引入到磁记录中，美国通用电器公司i b m l 4 3 驯和日本富士通公 f u j i t s u 4 5 】各自独立研究反铁磁耦合( a f c ) 结构的磁记录介质。i b m 提出了一 个简化的四层结构称为自旋阈，即磁层m l 非磁性中间层磁层m 2 反铁磁层p 。 其中层p 具有较强的单方向各向异性，它通过各向异性交换作用将磁层m 2 的磁化 矢量定扎在易磁化方向。由于非磁性中间层的隔离，磁层m 1 与磁层m 2 层之间的 磁作用很弱，成为自由层。很弱的外场就可以使自由层m 1 的取向平行或者反平 行与磁层m 2 的磁化矢量方向。 人们做了大量的实验来研究反铁磁耦合多层膜。q i u 【拍l 研究了f o m o f e 薄 膜，他们利用k e r r 效应测出反铁磁耦合时薄膜的磁滞回线有两种类型。利用公 式，m m 。日。d 来计算薄膜的反铁磁耦合强度，其中，表示单位面积上的耦合强 度， 括是饱和磁化矢量，士b 是转变场，d 是f e 层的厚度。h s u e n 4 7 1 认为早期人 们集中精力研究由非磁性金属材料做中间层的物质的g m r ，后来逐渐把精力转 移到用绝缘体和半导体做中间层的自旋极化隧道上来，也有用超导体做中间层 的，但是还没有用半金属做中间层的。于是他选用了半金属b i 做中间层在室温 下用溅射的方法合成了c o f e b i c o 三层膜系统。用振动样品磁力计测出外场平 行或垂直薄膜的磁滞回线。当b i 层的厚度为1 0n m 时，磁滞回线和其它厚度的 磁滞回线很不相同，推测c o f e 、c o 层是反平行排列：当b i 层的厚度为2 0 0n m 时，磁滞回线出现了一个小台阶；当b i 层的厚度为3 5 0n l n 时，磁滞回线在低场 出现了一段水平区域，这是典型的反铁磁耦合的标志。他们利用公式 u = 凰撇f 估算出耦合强度为d = 0 7 x 1 0 4 r g c m 2 , 1 七其他系统的要小一些 ( f e c o 中- ，= 一1 1 0 4 e r g e m z ，c o r u 中卢- - 5 x 1 0 。e r g c m 2 ) ，这可能是由于 b i 的电子输运密度较低引起的。p u r c e l l t 48 】沉积了f e ( 5 0n m ) c r ( o 1 8n i n ) 多 层膜，给出翻转过程中上下f e 层的磁化矢量的方向变化，给出了两个典型的临 界场研和胁。当外场小于胁时。上下磁性层的磁化矢量呈反平行排列；当外 场大于历时，上下磁性层的磁化矢量平行排列当场处于岛、飓之间时，上下 层的磁化矢量有一定的夹角。计算出样品的最大耦合强度是卢- - 0 6r i l j m 2 。 t e z u k a l 2 8 1 制成了微米或亚微米量级的c o g o f e i o ( 1 0n m ) r u ( 0 6n m ) c o g o f e l 0 ( 6r i m ) 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 和c 0 9 0 f e l o ( 1 0n m ) 的块状结构薄膜，通过磁力显微镜观察到前者都是单畴结构， 后者当长径比小于2 时出现多畴结构。长径比较大时翻转场会变大，长径比较小 时出现多畴结构。w i e s e | 4 9 1 研究了c o f e b 胁，c o f e b 三层膜，发现当非磁性层的 厚度为1 1n m 时，矫顽力和系统总的磁化矢量有关，即和两个磁性层的厚度差 有关。系统的矫顽力可以用公式硎“= q 略来表示，其中 q = ( m + 鸩，2 ) ( m 一鸩，2 ) ，硭是单层c o f e b 薄膜的矫顽力。他们计算的 耦合强度最大值为一o 0 8n 以m 2 ，比c o f e r u c o f e 结构中，的值要小1 0 倍。他 们在另一篇关于c o f e b 瓜u c o f e b 的文章1 5 0 l 中测出饱和场随着长径比的增大而 减小，矫顽力随着长径比的先增大，然后保持不变；并模拟了矫顽力随两个磁性 层厚度的变化曲线，当两个磁性层的厚度差，小于1 5n m 时，矫顽力随着a f 的增大而减小；当，大于1 5r i m 时，矫顽力随着，的增大而增大。b y e o n 5 1 】 研究了f e c o f r u f e c o 薄膜，随着磁性层厚度的增加，耦合强度先急剧减小，然 后保持不变。并给出了外场与易磁化轴平行或有一定夹角时的磁滞回线。 b l o e m e n t s 2 1 研究了c o r u 多层膜，给出了中间层厚度不同时薄膜的磁滞回线，磁滞 回线的方向和f e r u 的磁滞回线是相反的，同样的现象b r i n e r 5 3 也观察到了，这 种反相的磁滞回线被认为是反铁磁耦合排列的一种表现。f a u r c ：f m c c n t ( ”1 研究了 f e m g o f e 隧道结，给出了底层磁性层厚度改变时的磁滞回线。i o n m a t a s s , 5 6 1 假 设m l t t m 2 t 2 ，其中奶和 易表示上下磁性层的饱和磁化强度，“和0 表示上下 磁性层的厚度。给出了矫顽力和饱和场的计算公式，随着长径比的增大矫顽力先 减小后保持不变，翻转场逐渐增大。绘出了薄膜的磁滞回线和两个磁性层的翻转 顺序。b u s c h o “z 4 1 对前人的工作做了总结( 表1 1 ) ，从中可以得到反铁磁耦合强 度的范围。 表i - i 理论及实验上的反铁磁耦合强度 样品 理论上的耦合强度( m j ，m 2 )实验中的耦合强度的结果( 讹2 ) c o c u ( 1 0 0 ) 0 1 7 6 0 4 c o c u ( 1 1 0 ) 1 8 0 7 c o c u ( 1 1 1 ) 0 8 0 5 4 fefcc-cu(100)032 f e b c c - c u ( 1 0 0 ) o 1 - 4 ) 2 f e a u ( 1 0 0 ) 0 j 4 3 1 0 0 2 5 - i 9 coau(100)0012 coau(111)0019-005 f e a g ( 1 0 0 ) 0 1 2 2 20 0 2 2 - - 0 0 5 7 人们也从理论上对两个磁性层相同的s a n d w i c h 结构薄膜做了详细的研究， 得到了不同的相图。f o l k e r t s l 5 7 1 考虑了立方磁晶各向异性( c u b i ca n i s o t r o p y ) 和单 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 轴磁晶各向异性( u n i a x i a la n i s o t r o p y ) 对薄膜性能的影响。他把立方磁晶各向异 性分为四种情况：第一，薄膜沿【o0l 】方向生长，外场在面内沿 10o 】方向；第 二，薄膜沿【0 01 】方向生长，外场在面内沿 1 lo 】方向：第三，薄膜沿【ol l 】方向 生长，外场在面内沿【100 】方向；第四，薄膜沿【01l 】方向生长，外场在面内沿 【0l1 】方向。把单轴磁晶各向异性分为三种情况：第一，外场在面内并且平行于 易磁化轴；第二，外场在面内但垂直于易磁化轴；第三，外场和各向异性均垂直 于膜面。对这七种情况进行了详细的分析，每种情况都给出了对应的磁化矢量翻 转的相图。d i e n y 2 6 刀i 他提出了两种近似模型，给出了每个模型的磁滞回线的变 化弗做了比较。具有单轴磁晶各向异性的薄膜给出了四种类型的磁滞回线。 b u s c h o w t 2 4 j 研究了立方磁晶各向异性中k 0 的情况，根据k d j 值的不同，出现 三种磁滞回线，其中k 表示各向异性的大小，d 表示磁性层的厚度，表示耦合 强度的大小。但他的结果与d i e n y 的结果不样，差异可能是因为后者只考虑了 置和，的影响，而b u s c h o w 同时又考虑了薄膜厚度的影响。w o r l e d g e 2 3 j 对单轴 磁晶各向异性情况中外场与易磁化轴平行情况做了详细的研究，但又细分为两种 情况，一种外场和各向异性都沿长轴，另一种外场和各向异性都沿短轴，给出了 磁滞回线随耦合常数、磁晶各向异性常数变化的相图。他们的结论和与d i e n y 的 磁滞回线基本一致。另外他们认为除了