（凝聚态物理专业论文）磁性超薄膜体系中磁性相变的研究.pdf

摘要 近十几年以来，薄膜磁学的研究得到了迅速的发展。在实验i ! 二髓着群品铡 备水平和表征技术的迅速进展，二维、一维甚至零维体系的磁学性质得到了充 分的研究，其中低维下的磁性相变更是引起了理论上和实验上的广泛兴趣。本 论文针对界繇耦合对两层膜体系兹相交行为的影嘲，分数厚度的磁性薄膜麴魏 质等理论问题，或发展新的计算方法，或应用蒙特卡罗模拟，得到了以下结果。 为了实验对居里相变和自旋重定向相变展开研究，搭建了磁化率测量设备，并 作了初步的应躅。 1 研究了界面耦合对两层膜体系的相交行为的影响。我们提出了一种新的 基于平均场近似的计算方法，从而可以考虑结构对材料的影响，并且得到了铁 磁耦台的两层膜体系的分层磁性，证明高k 薄膜的t c 会由于赛瑟糕合丽被键 高。我们发现b c c 结构受界匿耦台的影响缀为强烈，次之为f e e ，影响最小的是 s c 。界面耦合在高t c 膜和低t c 膜材料中的不同衰减速度也得到1 r 充分的讨论。 2 ，分数厚度的磁性薄膜的性质。结果如下：原子所构成的岛的大小是薄膜 磁性的决定性陶素，而不是岛的位置。其有单一韵楣变行为的薄膜的所有的岛 的大小麻该相同。当岛很大时，如6 4 * 6 4 ，体系z p _ i j ：】以观察剑明鼹的两个卡变 的过程。当岛缀小时，虫f ：! l + l ，i 2 5 m l 的薄膜的麟里温度等丁1 m l 的居里漏 度。当岛由大变小时，薄膜的屠蓬温度先升商再降低。要构成有效的有限尺、j + 分析，在改变品格大小的同时必须保持岛的大小不变而改变岛的数日。 3 。原位的磁化率测量设备的搭建和初步应用。我们搭建了一套大气中和原 位的磁化牢涮甓装置，并优纯了测量的各种参数，使它具有对单层薄膜的灵敏 度，并把这套装置府用在自旋重定向相变和居里相变的研究上。 关键词：磁性薄膜 分类号：0 4 8 4 。4 + 3 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee x p e r i m e n t 专c c h n o i o g ya n dt h e o r y , t h er e s e a r c ho f t h eu l n a t l l i nm a g n e t i cf i l m sh a sm a d em u c hp r o g r e s si n1 a s td e c a d e l o t so f m a n u f a c t u r e ds t r u c t u r es u c ha st w o d i m e n s i o n a lf i l m o n e d i m e n s i o n a ll i n ea n d z e r o d i m e n s i o n a ld o th a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s e s p e c i a l l yt h ec r i t i c a l b e h a v i o r so f t h e s es t r u c t u r e sh a v eb e e n n t e n s e l yi n v e s t i g a t e d i nt h i st h e s i s ，lm a i n l y i n t r o d u c em yr e c e n tw o r ka b o u tt h es t r u c t u r eo ft e m p e r a t u 糟d e p e n d e n t m a g n e t i z a t i o no ff e r r o m a g n e t i cb i l a y e r ，t h em a g n e t i s mo ff r a c t i o n a ll a y e rf i l m sa n d t h ee s t a b l i s h m e n to fm a g n e t i cs t l s c e p t i b i l i t ym e a s u r e m e n tw i t hi t sa p p l i c a t i o nt ot h e r e s e a r c ho f f e r r o - t o - p a r a m a g n e t i cp h a s et r a n s i t i o na n ds p i nr e o r i e n t a t i o nt r a n s i t i o n 1 t e m p e r a t u r ed e p e n d e n tm a g n e t i z a t i o no ff e r r o m a g n e t i cb i l a y e r as t r u c t u r e d e p e n d e n ts e l f - c o n s i s t e n tm e a n f i e l dm o d e lh a sb e e nu s e dt oc a i c u t a t et h e t e m p e r a t u r ed e p e n d e n tm a g n e t i z a t i o ni nf e r r o m a g n e t i cb i l a y e r st h a tc o n s i s to ft w o m a t e r i a l sw i 也d i 虢r e n tc u r i ct e m p e r a t u r e s 。t h em a g n e t i z a t i o nv e r s u st e m p e r a t u r e c u r v e s ( 联趵ja r ef o u n dt ob es t r u c t u r es e n s i t i v ea m o n gt h eb i l a y e rs y s t e m sw i t h s i m p l ec u b i c ( s c j ，p a c e c e n t e r e dc u b i c ( f c c ) a n d 酏鸯- c e n t e r e dc u b i c ( b c c ) s t r u c t u r e s ， i ti so b s e r v e dt h a tt h ei n t e r f a c ee x c h a n g ec o u p l i n gl e a d st ot h ec u r i et e m p e r a t u r e ( 死) e n h a n c e m e n tn o to n l yi nt h el o w e rt cb u ta l s ot h eh i g h e rt cm a t e r i a l s i ti sa l s o n o t e dt h a tt h ei n t e f f a c ee f f e c t0 1 1t h el a y e r - d e p e n d e n ts ( nc u l l ee x t e n d sm u c h d e e p e ra tt h el o wt cs i d eb u ti sa l m o s tn e g l i g i b l ei nt h es e c o n d a v e ra tt h eh i g h e rz s i d e 2 1 h em a g n e t i z a t i o no ff r a c t i o n a ll a y e rf i l m sa r ec o n c e r n e da n dd i f & r e n t g r o w t hm o d e sa r ei n v e s t i g a t e db a s e do nt h em o n t e c a r l os i m u l a t i o no nl s i n gm o d e l ， i t i sf o u n dt h a tt h es i z eo fi s t a n d sd o m i n a t e st h ec r i t i c a lb e h a v i o ro ft h ef r a c t i o n a l l a y e rr a t h e rt h a nt h en u m b e ro rp o s i t i o no fi s l a n d s + d e t a i t e do b s e n a t i o n so f r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r i t i c a lb e h a v i o ra n dt h es i z eo fi s l a n d sa r ea c h i e v e d i fa i a r g ei s l a n de x i s t st h e nt w op h a s et r a n s i t i o n sc a nb ee x p e c t e d m e a n w h i l el o t so f o n e a t o mi s l a n d sh a v en oc o n t r i b u t i o nt ot h ec u r i et e m p e r a t u r eo f t h ef i l m t h ei s s u e a b o u th o wt od of i n i t es i z es c a l i n gf o raf r a c t i o n a ll a y e r 萎t m sa d d r e s s e d 。w h i c h l e a d st ot h ec o n c l u s i o n 懒a ti s l a n d s i z e * f i x e ds c a l i n gi sa t e f f e c t i v ew a yt od ot h e s c a l i n gr a t h e rt h a ni s l a n d * n u m b e r f i x e ds c a l i n g ， 3 w es u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h e dm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t ym e a s u r e m e n ta n da p p l i e d i tt ot h er e s e a r c ho ff e r r o t o - p a r a m a g n e t i cp h a s et r a n s i t i o na n ds p i nr e o r i e n t a t i o n t r a n s 矗i o n k e y w o r d ：m a g n e t i cf i l m 绪论 磁学是凝聚态物理的一个重要分支，它牵涉到电子的重要的内禀属性之一自旋。 这是一门省着上百年悠久历史的学科，但直到今天仍然充满了生命力。尤其是随着样品 截各t 艺释探镤4 手段的长足发展，磷究者们可以外延出非常平整的单晶结构，从而为低 维磁性的研究铺平了道路。 从三维的研究转为对于低维材料的研究，是几十年寒凝聚态物理发展的方向。 常 丰富的现象只出现在低维的体系，所以低维材料的性质决不是三维的类推。例如，一维 体系中存在的p e f i e l 相变，碳纳米管和c 6 0 的奇妙性质，高温超导体中的二维反铁磁c u 0 蘸，分数爨子霍尔效应。这黩都是低维体系所特有的挂质，已经引起了r “泛的兴趣。 对于磁学而言，低维磁性的研究具有巨大的理论和应用的价值。它体现在如下阴个 方面： 首先，在实验t 用不同的方法，在不同的衬底上生长出不同磁性材精鑫勺二维薄膜、 多层膜，一维链状结构和准零维的磁性点等等，然后实验和理论互相结合，深入研究在 低维情况下，当表露和界瑶占到重要比例的时候，体系的原子磁矩，自旋结构以及嚣内 异性的的变化。在这个方向t 研究了很多原来在体材料中只存在于高温下的亚稳相，更 有趣的是得到了一些在体材料中根本不存在的新的结构相。 其次，不疑磁性薄膜之润豹蓉旋垂旋摇互作臻包括短程豹交换相互作用以及长程黝 偶极相互作用，在这个方面，到现在为止，最熏要的结果是发现了层问耦台效应和重新 认识了交换偏置。 再次，窝旋相关输运的研究。在这个方向一 二着重研究盘旋相关教射，髫旋极化的电 子从铁磁向半导体中注入，以及极化电子在半导体中传导等等问题，最有影响是b i n a s c h 在1 9 8 8 年发现f e c r 磁性多层膜中存在巨磁阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 效麻，整 个发现很快就得到应用，使得工业化的磁存储的密度大大提高。 最后，第四个方向主要集中在观察薄膜材料的磁畴结构上，这方面包括相对成熟的 磁光或像技术，极化分析的二次电子显擞镜( s e m p a ) ，磁力显微镜( i v l f m ) 等等。 我们的研究集中在第一和第二两个方面，而且主要考察了磁性薄膜材糊的磁性相变 过程。在实际_ t 作中，又选取了几个有代表意义的课题进行了研究： ( 1 ) 磁性双洪膜体系中，界面耩合对丁- 体系相交行为的影晌。 ( 2 ) 分数厚度的磁性薄膜的相变行为。 ( 3 ) 真空原位磁化率测量装嚣的捞建和初步应用。 第一章理论背景和实验设备的介绍 第一节铁磁相变的基本理论的发展 在1 8 9 5 年，p c u r i e 发现了以他的名字命名的相交现象，也就是铁磁物质被 加热到某个温度后将变成顺磁物质。这个特定的温度对丁二不同的材料是本征的， 称为居里温艘( t c ) 。在1 9 0 7 年，ew e i s s 提出了分子场理论，第一次唯象地解 释了屠里温度韵存在。分子场瑷论实覆上就是一年孛平均场理论，它完全忽略了自 旋在居里温度附近的涨落，只有在大于等于四维空间下才是成立的，对于真实的 材料( 三维或是准二维) 的描述则是不够准确的。尽管如此，平均场理论至今仍 然燕研究穰变现象的基磴和出发点，它玎以绘宙阔题的物躞图象和定经结论，强 而仍然得到了各方面的发展而广泛应用于相变的研究中。 另一方颟，为了弥补平均场理论对弹扁晃现象的不准确描述，研究者提出了 标度定理并最终形成了重整化理论。但羹整纯方泫只在相变点附近方成立，掰以 为了在全部温度范闱内适用，格林函数方法，波色变换方法等计算方法也应运而 生2 3 。而蒙特卡罗模拟的出现又增加了相变研究的计算物联方法4 。它类似于计 算祝上进行豹模拟实验，使大鬃无法解椽求鳃的翊遴罄碍鲻了解决。蜓是直到今 天，仍然无法认为铁磁相变的研究已经划卜了一个圆满的句号，相反，随着磁性 超薄膜的深入研究，越来越多的问题浮出水面，铁磁相变的理硷研究仍然是一个 非常活跃豹研究领域。 即使是简单介绍这些研究成果，也将是这篇论文所不能胜任的。按下来我们 只介绍了和我们的研究工作密切相关的部分，而对于这些理论方法的详细介绍可 以参冕本章的；| 文。 i s i n g 模型和h e i s e n b e r g 模型 i s i n g 模型中所有的自旋只有两种取向，或是向上或是向下，而品格可以鞭务 种维度和构型，网此有一维，两维和三维的i s i n g 模型。一维i s i n g 模型有严格解， 即维i s i n g 在有限瀣度下没有瑟里相变，也就是一维i s i n g 模型的居里温度为绝 对零度。两维i s i n g 模型有严格解，在温度t j = 2 2 6 9 ( j 为交换作用常数) 时发 生居里相变。这个严格解常常被用来检验各种理论方法的优劣，比如蒙特卜罗方 法应用于弧维i s i n g 模型给出的矮里温度和严格熊完全吻合，| 舞以是一荦中很好的 计算方法。三维i s i n g 模型至今还没有出现严格解。 h e i s e n b e r g 模型中所有的自旋是一个三维矢置，大小同定方向可以全空间旋 转，丙晶揍也可以取各午孛维度穰构型。根据m e r m i n w e g n e r 定理，一维萃f f 鼹维 的h e i s e n b e r g 模型没有铁磁性。这是由于在这样的体系中，交换相互作用不足以 抑制自旋波的涨落。三三维h e i s e n b e r g 模型有限温度下有铁磁性。 在这两个基本模型的基础上，又发展了x y 模烈，各向异性的h e i s e n b e r g 模 型等模型。它们再有其特点。比如x y 模型中不存在屠里籀变，但存在著名的 艮t 相变，这是一种拓扑序的相变。 两近十几年来，对这些模型的研究中歼始考虑量子关联和量子涨落。从而形 成了一个新的方向：爨予相交( q u a n t u mp h a s et r a n s i t i o n ) 5 0 这这些研究中，螽 旋珥i 再是经典物理中转动着的矢量，丽是量子物理中的泡利矩阵。比如对于 h e i s e n b e r g 模型下的反铁磁体系，经典物理给出的基态是完全反铁磁排列的自 旋，但这却不是考虑爨子力学庙的基态，后青的基态至今还是说不瀵遴不明的一 个问题。 平均场理论 平均场理论在物理学史上，曾经以不同的形式被发现了很多次。在不同的模 型和问题中，研究者们作出的备种各样的近似，有很多其实质上都是平均场近似。 多电子体系中的h a t r e e - f o c k 近似，稆交理论中的l a n d a u 鑫由能方法，铁磁辐交 理论中的分予场理论，i s i n g 模型中的b r a g g w i l l i a m 近似，这些都是平均场理论。 在铁磁相变的研究中，平均场理论至今仍在广泛应用。热型的平均场理论给 出的h e i s e n b e r g 模变豹箍界指数为8 = o + 5 ，这是平均场理论自身的局限。而且平 均场理论下两维的h e i s e n b e r g 模型有限滠度下存在相变，这是极为不合理的，所 以对于这个体系平均场理论并不适用。 在平均场理论中，t c 和体系的平均交换能壹接成正比： k t 一2 ，。j f s t - 1 ) j j 这个公式的物理是非常深刻的。等式的左边是温度代表的热涨落的能量，它 的作用是使体系趋向于无序。等式的右边是交换能，它的作用是使体系趋向丁d 磁 有序。辖变的发生，就是这两瑷辘量竞争的结果。涟着温度的升高，从交换能占 据主导地位，过渡到热涨落占据主导地位，体系从育序过渡到无序。而相变点上， 这两项能量达到了一个平衡。 槎变就楚平衡。y 解了这点，藏可以很容易估计属里温度静变化趋势。只 要考察体系交换能的变化，就能知道居星温度的变化。在我们第二章和第三章的 理论工作中，我们开始工作的出发点就是这个物理图象。 应用这个图象时，唯一值餐警惕的是妻蒌俺估诗平均交换能。如果整个体系中 翰原子部是相同的，那么这是很容易的筝情。但如果体系中埭子的环境并不都相 同，比如在磁性薄膜中表面的原子和里面的原子的蹑近邻数就不同，此时要注意 的愁能否把这个体系当作一个熬体考虑。怎样的情况一f 可以 乍为一个整体，薅蜒 时又不可以，这在平均场图象下往往是无法分辩的，此时就需要理论计算来解决。 磁化率穗相交 磁化率在居里相变发生的温度上发敞。推导如下。 体系的熙分函数为： z = e 一肛，而层= 一，s ，s ，- z s 。b i 贝u ( s o ) = 矿么= 面l 面o z = 万1 筹 而 ( s ：) 丑矿一么= 壶害= 方言等+ 砉( 矧2 = 吉掣邯 所以 磁化率z = 警= 杏一( 罡) 2 ) 在当t 接近居里温度时， 接近于零而 发散，所以磁化率在居里温 度上发散。 居里温度和膜厚的关系 在磁性超薄膜体系中，当膜厚变薄时，材料的居里温度下降。如图l l 所 示： 8 一 c p t h i c k n e s slm l ) n g 5 t i l el i t l i n go fv a r i o u si n a g n e l i ct h i nf i l md a t a ：f c1 3 1 c o1 4 l ，n if 7 ，s 1 、( ；l 11 9 i ( ：j 】i i l i ( 、in i l 【5 l “l l 1 ) 。l i k “l ge q s q ) a n d ( ( s o l i da n dd o l l e dl i n e s ) t h ef i t t i n gp ；1 1 1 1 c 1 c 1 i s d e d u c e du s i n ge q ( i ( n 所有的材料都有这个性质，差别只是下降的速率不同。定性上这是很好理解 的。材料从相互作用较强( 最近邻数多) 的三维过渡到相互作用较弱( 最近邻数 少) 的二维，因而居里温度降低。但定量上的解释剑目前为止还没有统一。 第二节自旋重定向相变 当磁性超薄膜的厚度变化时，薄膜可能会经历自旋的取向从垂直膜面剑平行 于膜面的变化，称为自旋重定向相变( s p i nr e o r i e n t a t i o nt r a n s i t i o n ) 。在f e ，c o 等体系中都观察到这样的相变。而对于n i ，情况有些不同，在n i c u 体系中， 当n i 的厚度低于7 m l 时，n i 的自旋取向平行于面内，而当n i 的厚度大3 - 1 0 m l 后，n i 的自旋取向则垂直于膜面，最后当n i 的厚度非常厚的时候大约是4 0 m l 时，n i 的易轴重新转动到平行于膜面。 自旋重定向相变的发生是退磁能，表面各向异性能和界面诱导的磁弹性能共 4 周竞争的结果。它发生的厚度依赖于不同的材料和不同的对底。瓶近年来，涅度 驱动的自旋重定向相变也被发现。但至今为止，并没有完整的理论解释。 即使是自旋重定向相交的动力学过程，也仍然是一个有争议的问题。种可 能是自旋熏定向相变的过程是自旋逐渐转动的过程，另一种可能是相变的过程蹩 成畴的过程。在某贱体系中，后一种可能已经被证实。 妻3 0 墨2 。 l 0 1 6 01 8 02 2 2 02 4 0 2 6 02 b o 3 0 0 t e m p e r a t e j r ef k l h g 4 p e r p e n d i c a | a ra n dp a r a u c ic o m p o n e n t so fs n k n p o u sm a g n e t i z a t i o nm sa n dr e m a n e n tm a g n e t i z a t i o nm v sl e m p e r a t u r ta sd e d u c e df r o mt ka n a l y s i so ft h ei m a g e si nf i g 3 ， t h ev a l u eo fm r 姆t a k e na st h ea v e r a g eo v e rt h es c a na r e a n o t et h ed r o pi nm xi nam u c hw i d e rt e m p e r a t u mr a n g et h a n t h a t o f m s r l gje v o l u i | i o n 矗d o m a l a 耻 e r nw i t hi i n gt e r n p c f i l t ) t tt 轧f c ，c o 。0 f i i r ao f m t a mt h i c k a 秭s 矾i l t ”埘 kp p c rp a n c l m a g n c t i ? a z i o nc o m p 帅c n p c r p c e “l i c u l a = e u ur 抽瞄1 0 w # r 脚l l c lo n # m a s m i 料e l 口m 4 ) u e l t t ) v a r a l l # it o t h e ；u r m c c耻i o wr ：弛k 1 吣f i l mi s # 一f 鄹叫i c u i d fs ir t g l # d o l a a i 、n o t el h ec h a a 8 c ”s t r i p e 如m 。i n sd ur m gm 雌附l l 黼e m b d i 煳 t , c o r l c l l a o n 圈1 2 和阁1 3 是f e c u ( 0 0 i ) 体系中s e m p a 颡4 量的结果。图1 2 中在自 旋重定向梗变的过程中出现总磁化强度的减小，圈1 3 中观察到了明艇豹磁畴 结构。这是成畴理论的有力支持。 第三节原位表面磁光克尔效应谱仪 这台原位似s 妇) 表面磁光克尔效( s u r f a c em a g n e t i c o p t i ck e r re f f e c t ， s m o k e ) 谱仪是由实验室自己设计，由德国v s i 公司加工制造的，整台设备如图 1 4 所示，这套系统的本底真空度优，6 x1 0 一p a 。 m p 船_，【 59258 2 o82662852 842032 吾 t i o n p u m p 这套真空设备由一个超高真空腔体和一个快速进样室组成。在超高真空腔内 安装了多种测量装置，按照腔体各个部分的功能可以分为；= 三个区域：制备和分析 区、生长区和磁性测爨区。翩备和分析区是用来处理样品著且可以道行再种表灏 分析测试，它包括了l e e d 、a e s 、a r 离子枪、四极质谱仪和一套可以对样品进 行各种气体吸附实验的管道，在这个区域可以进行树底和样品的处理，分析样品 的表面结构、化学状态和榉晶对气体的吸辫和脱附过程，通过雨l 计舅机结合，可 以避行l e e di - v 测量：生长区由r h e e d 、晶体振荡器、兰个可以水冷的纳逊 泻流盒蒸发源和一套劈形样品生长装置维成，在这个区域可以生长需要研究的箨 种金属或合会样品，并且可以通过r h e e d 在生长的同时监控样品的表匠结构， r h e e d 衍射阁形用电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 或数码照相机i c 录。用晶体振荡器控制生长速率和合金的比例，如果薄膜咀比较好的层状模式生 长的亿，还可以利瑁c c d 帮计算机结合来实 l 寸测量r h e e do s c i l l a t i o n 从丽整控 样品的厚度。劈形样品生长装冀可以通过程序自动控制生长劈形或其它所需要的 表面形状的样品：磁性测量区由一个电磁铁和一套s m o k e 的测量光路组成，这 个电磁铁能够寝方便豹遥过计算枧控割磁场的大小秘方向，最大磁场可以达到 1 5 0 0 g a u s s ，剩磁低于1 2 g u a s s ，通过改变s m o k e 的光路既可以测量纵向s m o k e 效应，也可以测量极向s m o k e 效应。这个样品架还可以用液氮冷却和用电子柬 轰击加热豫种方法控镬样燕的瀑度，样品鳍溢度变亿范淄为约i l o k 1 6 0 0 k 。 所以，总体来说，这套原位磁光克尔效成谱仪可以对样品进行原位处理、生长， 并且可以测燮样品的表面结构、化学状态、磁学性质和气体吸附对样品磁学性质 的影镌，样品从生长到测量都在趣高囊空条件下完成，满足了磁性超薄膜的研究 需要。 6 第四节表筒磁光克尔效应 磁光效应是指当一束线偏箍光入射至磁性介质，经过透射和反鸯寸之后出寐， 偏振方向发生改变，并且会由线偏光变成椭圆光。理论计算表明当薄膜比较薄的 情况下，k e r r 信号和薄膜的磁矩成正比关系”。由于s m o k e 所表现出的弧羧子 单瑟的磁性探测灵敏度弱易于与超高真空系统结合的特点使得现在它在近些年 已经发展成为一种重要的和常规的研究薄膜磁学性质的技术。 磁光效应的宏观理论指在磁性介质中，由于时间反演对称性的破缺，左、右 旋豳编振光其有不同的折射率。当一束线偏振光在磁性介囊中传播时，可以被看 作是一对左、右旋圆偏振光的叠加，由了二这两种园偏振光的折射率不问，在介质 中传播会有不同的相移，从而引起线偏振光的偏振砥的旋转：同时，介质对这豫 种模式的吸收率也不同，鼠瓶改变出射光的糖偏率。对于透明介质，由于吸收较 弱，以光的偏振面的旋转为主，而金属对光的吸收较强，则以光的椭偏率的变化 为主。通常，这两种效应在磁性介质中同时存在。因此，可以通过测量偏振光反 身雩或透射后魏编振情况来研究磁性材辩。 为了测最磁光效应中偏振面的旋转和椭偏率的变化，般在s m o k e 的测是 中，采用如图1 5 中所示的三种测量构趔：极克尔效应、纵克尔效应和横克尔 效应。 级向 图l 一5s m o k e 中常用的三种测量构型。 极克尔效应是指外磁场h 的方向垂巅于样品表面，并且平行丁入射而，这种 方法在三种测量构型中信号最大，常用丁磁化强度m 垂直于样品表丽的分量测 量：缀克尔效应是指外磁场h 的方向乎行于样晶表匠，并且平行予入射蘧，常 用于磁化强度m 在样品表面沿外磁场方向分量的测量；横克尔效应是指外磁场 h 的方向平行丁样品表面，并且垂直丁入射面。 一般s m o k e 的测量光路如图1 6 所示。 器 器 圈1 6s m o k e 的测量光潞 第五节锁相放大器 我们所用的锁相放大器的型号为s r 8 3 0 。它测量交流信号的基本原理如下： r e l o r o n ( 图1 7 ) 它通过参考频率( 或是输入或是自身产生) 产生正弦波形，和输入的信号积 分，输出的直流信号就是同频信号的幅度。 y p s d = v s i y ls i n ( c or t + 8 堍、) s i n ( c o l t + o 可、) = 1 2 v , 喀圪c o s ，一0 9 l + b 曙一p 一) 一1 2 v 培圪c o s 呐，+ 缈。 + 谚曙+ 9 可) 对周期积分后，将只有两个6 0 相同的时候才值不为零。 当然为了达到很好的信噪比，它的电路是很复杂的。 ( 图l 一8 ) 图1 8 中显示的就是锁相放大器的功能模块。 1 相变和临界现象，于渌，郝柏林，科学出版社( 1 9 9 2 ) 2 固体理论，李正中，高等教育出版社( 2 0 0 2 ) 3 磁性的量子理论，n m a j l i s ，世界图书出版公司( 2 0 0 3 ) 4 蒙特卡罗方法在统计物理中的应用，k b i n d ea n dd wh e e r m a n n ， ( 1 9 9 4 ) 3 s l s o n d h i ，s m g i r v i n ，j ec a r i n i ，a n dd s h a h a r , r e v m o d p h y s 6 9 ， or e n j a n z h a n ga n dr o yew i l l i s ，p h y s r e v l e t t 8 6 ，2 6 6 5 ( 2 0 01 ) 7 r a l l e n s p a c ha n da b i s e h o p h y s r e v l e t t 6 9 3 3 8 5fl9 9 2 ) 8 j z a k ，e j r m o o g ，c l i ua n ds 一d b a d e r p h y s r e v b 24 3 ，- 6 4 - 2 3 ( 1 9 9 1 ) z q q i u ，s d b a d e r ，j m a g n m a g n m a t e r 2 0 0 ，6 6 4 ( 19 9 ) 北京大学出版社 3 1 5f 1 9 9 7 ) 9 第二章铁磁双层膜中温度相关的磁性 第一节引言 铁磁材料的居里温度( t c ) 楚铁磁材料的一个本质属往，但是通过改变材料 的维度可以改变材料的居里温度。当铁磁材料从三维的体材料过度到准二维的溥 骥对，材料的屡里温度下降。这是已经被实验和理论证实约规律。 不仅改变维度可以改变材料的居里温度，实验中还发现铁磁膜之闻的交换耩 合也会改变材料的居里温度。我们研究的体系是一个较低t c 的铁磁薄膜和一“个 较离t c 的铁磁薄膜通过界面糕合在一起，关心的是两者的k 会如何变化。 盟然低瓢的薄膜由于高t c 薄膜的钉扎作用，它的t c 会被提高。闲为考低 t c 的薄膜到达它的t c 的时候，高t c 薄膜还是一个很好的铁磁体，通过界面上 的交换耦合，就会使低t c 薄膜的自旋排列较为有序，从而提高了低t c 薄膜的 t c 。这个结果是很容易理解和接受的，也得到了实验的支持。但是高t c 薄膜的 t c 会如何发生变化，却是理论上所并不清楚的。 从直觉上来说，有黼种完全相反的物理图象： 其一，高k 薄貘的k 会被界面耦合洚低。驭嗣如下：当温度升糍到接遥高 t c 的时候，低t c 薄膜早已经是顺磁材料，它的自旋排列是无序的，而通过界丽 耦合，这使高k 薄膜的界面儿层的白旋排列也变得无序，从而降低j 高t c 薄膜 的k 。 其二，高t c 薄膜的t c 会被界面耦合升高。原因如下：当温度升离到接近高 t c 的时候，商t c 薄膜仍然是铁磁体而低t c 薄膜已经是顺磁体，通过界面耦合， 高t c 薄膜使低t c 薄膜静界匿凡层的自旋摊别也变缛有序，丽更青裁，：高t c 薄 膜的界面儿层保持有序，从而使高t c 薄膜的行为类似r 一个更厚的高t c 薄膜。 膜厚增加，t c 增加，所以高t c 薄膜的t c 增加。 这两个直我的图象髫上去都比较合理，但摇互之阔是对立兹。透过我们兹计 算，我们发现第二个图象才是正确的，并解释了其中的微观机理。 我们在工作中讨论的另一个熏要的问题是结构和居里温度变化的关系。这受 益予我们提出豹基于平均场的新的薄膜磁性诗算方法。这个方法有能力考虑结考句 的影响，而这一点是以前的理论方法所不粲各的。由丁大部分关于铁磁薄膜材辩 的实验讨论的都是具有良好结构的材料，所以我们的结果将可以和买验结果真接 对比。 第二节模型哈密顿量和计算方法 从海森堡模型出发，体系的蹬密顿攫为： e “= 一j 岛s ：s ；一o k s ：s b b - ( z j ；b s ；s ；k 如 口，卢 p r o a c h e s ，t h ea d v a n t a g eo ft l l em i c r o s c o p i ca p p r o a c h e s l i eo nt h ef a c tt h a tt h e yd e n lw i t l lt t mu n d e r l y i n gn i l c r o s c o p i cs t r t l e t l u e si nt h ef i l l l l l 5 ， i i ( it h er e s l i l t sc ，1 1 ) h p i np r i n c i p l ev e r i f i e db yt i l el n o d e s ne l e m e n ts p e c i f i ci n 8 9 - n e t i cm e a s u r e m e n t s f o re x a m p l e ，w i t ht h ep r o b e1 a y e r t e c h n i q u e t h em o s s b a u e rs p e c t r o s c o p yi sa b l et os t u d y t h ee l e m e n t 。s p e c i f i ca n dp o s i t i o n s e l e c t i v es p i na r r a n g e - m e n t 2 0 s i n f i l a x l y , x r a ym a g n e t i cd i c h r o i s n ls p c e k t r o s c o p yu s i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nm i g h tb ee v e nn l o le p o w e r f u lt oa d d r e s ss u c hk i n do f p r o b l e m s 烈c o m p a r i n g b e t w e e nt h et w om i c r o s c o p i ct h e o r i e si t i sn o t i c e dt l i a t b o t hw o r kw e l lq u a l i t a t i v e l y , b u tt i l e1 a l t e rg i v e sb e t t e r q u a n t i t a t i v er e s u l t sb e c a l i s ci tp i c k su pp a r to ft h es p i n f l u c t u a t i o n sw h i l et h ef o r m e rn e g l e c t st h e mc o m p l e t e l y n e v e r t h e l e s s t h eg r e e n ef u n c t i o nt h e o r yw i t hr p ai s s t i l lak m do ff n e 蝴矗e l dt h e o r i e s ，w h i c hw o r k sq u i t ew e l l 岛rt l l ew 1 1 0 l et e m p e r a t h 糟r 8 n g ee x c e p t 址t h ev i e i n i t y 。f r e a le u r i et e m p e r a t u r e ( s i n g i l l a r i t y ) 2 2 a l t h o u g hn l a n yp r o g r e s s e sh a eb e e na c h i e v e dt ou n d e r s t a n dt h l sd r o b l e m s ( b s c u s s e d 曲o v e ，t b e r ea r es i h s o l ei n t e f s t i n gi s s u e sw h c ln e e d 栅b e8 d d r e s s e dt b e _ o r e t i c a l l yi no r d e rt o 朗t a b l k hac o m p l e t ep h v s i c a lp i c t u r ea b o u tt h i sp h e n o m e n o n ( 1 ) i ti 88 t i l l1 a c k e do fa m i c r o s c o b i em o d e lw h i c hc a nd e a lw i t ht h ei 。e a ll 咎t i c e s o ft h eh 娥e r i 赫s f b re ) ( a m b l e 备h a t 谗t h ed i f f e r e n o eo f t 1 1 em f t lc u r v ei ft h eb i l a v 甜h a st h ef a c ec e n t e r o dc t l b i co rt h eb o d vc e t e r e dc u b ks t 上_ u c t u r e ?1 1 1o r d e rt o a n s w e r 曲i sq u e s t i o n ，t h el n _ p l a n ec o n 打b u t i o nh a st ob e i n c l u d e di nt h el n o 如lh a h 正l t o n 渤o t h e r w i 8 eo n l vt h e b o d y c e n t e r e d - c u b i cs t r u c t u r e 越o n gt h e ( 1 0 0 ) d i r e c t i o 璐 c a nb et r e a t e d i 王 ( 2 ) i ti s o t i c e dt h a ta l lt h ep r e v i o u st h e o r e t i c a l o r k sf b c u s e do n l vo nt h ee n h a r l c e l n e n t 研磕el d w e r 嚣( n o s i “g u l 槲t y ) o ft h e 融r o m a g n e t i cb i l a 辩r s ，b yt h ei n t e r f a c ec o n p l i n g ( e i 乞h 。rf e r r o m a g n e t i co r a n t i f e r r o m a g n e t i c ) ，e g ，t h ee n h a n o e m e n to f 疋o fg di n t h eg d f es y s t e m ，o r 疋o fn ii nt h en i c u c o8 y 8 t e m ， v e t 划。瑚s tu oa t t e n t i o n sb a 聘b