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f e c u 颗粒膜颗粒耦合相互作用对矫顽力的影响 学科专业：凝聚态物理 研究方向：表面复合材料 指导教师：郑瑞伦教授 研究生：田德祥( 2 0 0 1 2 8 5 ) ( 西南师范大学物理学院，4 0 0 7 1 5 重庆) 摘要 本文首先综述了颗粒膜的实验和理论研究进展情况和目前待解决的主要问题在此基础 上论述了本文的目的意义，随后介绍了我们以磁性金属一非磁性金属材料为研究对象，采用 共蒸发法制备不同f e 含量x 的f e x c u h 颗粒膜样品。对部分样品进行退火处理。给出了用x 射线衍射仅( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、振动样品磁强计( v s m ) 对样品的微结构、形貌 及磁性能进行检测的结果。分析了f e c u 颗粒膜矫顽力和粒子激活能随f e 含量的变化关系， 建立物理模型，探讨了f e c u 颗粒膜中颗粒相互作用及矫顽力随f e 含量的变化规律，讨论 了颗粒耦合相互作用对膜的矫顽力的影响。 主要工作和结论如下： 1 、在不同工艺条件下制备f e c u 颗粒膜系列，用x 射线衍射仪对其擞结构进行了测量。结 果表明：( 1 ) 在对f e c u 样品进行小角范围测量分析f e ( 1 1 1 ) 及c u ( 1 1 1 ) 峰时，发现样 品为两套衍射峰，且c u ( 3 1 1 ) 、f e ( 3 1 1 ) 相邻但有明显的界限，说明在室温下，f e 、c u 为非固溶体；( 2 ) 对未退火和退火样品f e l o c u g o 的f e ( 1 1 1 ) 衍射峰进行分析，发现退火样 品的衍射峰增强，说明退火促进了样品的相分离；( 3 ) 用谢乐( s c h e r r e r ) 公式对未退火样 品f e l o c u 9 0 和f e 3 0 c u t o 的f e ( 1 1 1 ) 和c u ( 1 1 1 ) 衍射峰进行半峰宽分析，计算得到f e 的 晶粒大小分别为3 6 2 2 n m 、4 0 1 6 n m c u 的晶粒大小分别为4 7 6 4 n m 、4 7 2 2 n m ，说明f e 、 c u 晶粒大小均在纳米尺度范围内 2 、用s e m 对不同f e 含量的样品进行了形貌观测表明；样品由取向各向同性、分布较均匀 的近似为球形的微颗粒相互嵌入构成，膜中的平均粒径在1 2 9 8 1 u n 2 1 5 8 瑚- n 之间满足对数 正态分布，退火样品中的各f e 、c u 颗粒平均粒径、平均间距比未退火样品的小，说明退火 样品的缺陷更少徽结构更佳、性能更稳定。以上说明f e c u 颗粒膜为纳米晶粒结构非固溶 的金属磁性颗粒膜。 3 、用v s m 对退火和未退火样品进行了磁性能测量结合o r i g i n 软件对磁滞回线分析表明： 未退火颗粒膜的矫顽力在3 8 8 9 8 0 e 9 6 4 8 7 0 e 之问，退火样品的矫顽力在3 0 3 2 7 0 e 9 1 5 9 1 0 e 之间。说明对样品进行退火处理，颗粒膜的矫顽力平均来说减小了。对于未退火 和退火样品样品的矫顽力均随f e 含量的增加先减小后增大。对于f e 含量为1 5 的退火 样品，其矫顽力达极小值3 0 3 2 7 0 e 。 4 、利用i o h r o p 0 6 e u 提出的薄膜吸附脱附模型研究了f e c u 颗粒膜中粒子脱附激活 能与膜中f e 含量的变化关系，表明：f e c u 颗粒膜中粒子的脱附激活能要比h 或c u 的扩 散激活能大近5 倍，粒子脱附激活能数值在3 8 1 5 e v 3 8 5 8 e v 之间，随f e 含量增加而非线 性地增大。同时研究了颗粒膜的矫顽力与粒子脱附激活能的变化关系表明：颗粒膜的矫顽 力随着脱附激活能的增加先减小后增大，当激活能e o - - - - 3 8 3 5 e v 时，样品的矫顽力达极小值， 颗粒膜表现出更好的软磁性。 5 、从颗粒的短程交换相互作用和长程偶极相互作用出发，理论并结合实验研究了颗粒耦合 相互作用对矫顽力的影响。计算了晶粒取向度，样品的不可逆磁化率，导出了膜的矫顽力随 颗粒相互作用、颗粒闻距与半径比、磁颗粒体积分数的变化关系式。讨论了颗粒相互作用和 颗粒体积分数对矫顽力的影响，理论与实验结果一致。 关键词：f e c u 颗粒膜；f e 含量；矫顽力；激活能；交换相互作用；偶极相互作用 i n f l u e n c eo ft h e g r a n u l a rc o u p l i n g i n t e r a c t i o no n t h ec o e r c i v i t yi nf e c u g r a n u l a r f i l m m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e r p h v s i c s d i r e c t i o n ：s u r f a e ec o m p o u n dm a t e r i a l a d v i s o r ：p r o r u il u n z h e n g a u t h o r ：d e x i a n g t i a l l ( s c h o o lo f p h y s i c s ，s o u t h w e s t n o r m a lu n i v e r s i t yc h i n a , c h o n g q i n g ：4 0 0 7 1 5 ) a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sf i r s ts a m m a r i z e dt h ee x p e r i m e n to fg r a n u l a rf i l ma n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h p r o g r e s sa n d t h ep r e s e n tm a j o r p r o b l e m t ob es o l v e d ，h a sd i s c u s s e dt h ep u r p o s em e a n i n go ft h i s p a p e r o nt h i s f o u n d a t i o n ，h a si n t r o d u c e du ss o o na f t e r w a r d sw i t h m a g n e t i c m e t a l n o n 。m a g n e t i cm e t a lm a t e r i a la d o p tf o rs t u d y i n go b j e c tt oc o - v a p o r e dd e p o s i t e ds y s t e ms u c ha st h e f e x c u l xo f d i f f e r e n tf ec o n t e n txg r a n u l a rf i l ms a m p l e ，c a r r y i n go u ta n n e a l i n gh a n d l i n gf o rs o m e o f s a m p l e s ，u s i n gxm yd i f f r a c t i o ni n s t r u m e n t ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r i c a lm i c r o s c o p i c ( s e m ) ， v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) t h et i n ys t r u c t u r ef o rs a m p l e ，a p p e a r a n c ea n dt h em a g n e t i c r e s u l tt h a tc a l lc a r r yo u td e t e c t i o n w eh a v e a n a l y s e df e c ug r a n u l a rf i l mt oc o e r e i v i t ya n dp a r t i c l e a c t i v a t i o n e n e r g y ，c a ne s t a b l i s hp h y s i c a lm o d e lw i t ht h ec h a n g er e l a t i o no ff ec o n t e n t ，h a v e d i s c u s s e dc o e r c i v i t ya n dt h eg r a n u l a ri n t e r a c t i o ni nf e c u g r a n u l a rf i l mw i t ht h ec h a n g el a wo f f e c o n t e n t ，h a v ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo f g r a n u l a rc o u p l ei n t e r a c t i o no n c o e r e i v i t y m a j o rw o r ka n dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： 1u n d e rd i f f e r e n tt e c h n o l o g y c o n d i t i o n ，p r e p a r a t i o nf e c ug r a n u l a rf i l mi ss e r i e s ，i sm e a s u r e d w i t h x r a yd i f f r a c t i o n i n s t r u m e n t f o r i t s t i n ys t r u c t u r e s h o w a sar e s u l t ：( 1 ) c a r r y i n g o u t l i t t l ea n g l e s c o p em e a s u r ef o rf e c us a m p l e ，d i s c o v e rt h a ts a m p l ei st w os e t so f d i f f r a c t i o np e a k s ，i u s t c u ( 3 1 1 ) ，f e ( 3 1 1 ) i sa d j a c e n th a v e o b v i o u s l i m i t j u s t , e x p l a n a t i o n i s u n d e rr o o m t e m p e r a t u r e f e a n dc ui sn o ts o l i ds o l u t i o n ( 2 ) a sd on o tt h ed i f f r a c t i o np e a k o f a n n e a l i n g a n da n n e a l i n g s a m p l e f e t o c u g oa n a l y s e ，d i s c o v e rt h ed i f f r a c t i o np e a k o f a n n e a l i n gs a m p l e t os t r e n g t h e n e x p l a i n a n n e a l i n g t op r o m o t e ，s m p i e a p p e a r a n c es p l i l ( 3 ) a s es c h e r r e rf o r m u l a d on o tt h ef eo f a n n e a l i n gs a m p l e f e l 。c u 帅a n d f e 3 0 c u t o f 1 1 1 ) w i t h c “1 1 1 ) d i f f r a c t i o n p e a k c a r r y o u t t h e h a l f a n a l y s i s o f p k w i d t h , c a l c u l a t i o n g e t s t h es i z e o f c r y s t a l g r a i n o f f e ，i sd i f f e r e n t i a t e dr e s p e c t i v e l y f o rt h es i z eo f c r y s t a l g r a i no f 3 6 2 2n m 4 0 1 6n ma n dc uf o r4 7 6 4n ma n d4 7 2 2o r u 2w eu s et h e s a m p l eo f s e m f o rd i f f e r e n tf ec o n t e n th a v ee a r r i e do u ts h a p el o o ko b s e r v a t i o nt o s h o w ，s a m p l ef r o mo r i e n l o t o ni s o t m p ya n dd i s t r i b u t i o nc o m p a r a t i v e l ye v e oa p p r o x i m a t ei n l a y m u t u a l l yf o rs p h e r i c a lt i n yg r a n u l a r t oe n t e rf o r m ，t l l ea v e r a g e g r a i nw a y i nf i l m1 2 9 8 岬一2 15 8 t t ms a t i s f ye a c h f ea n dc u g r a n u l a ra v e r a g eg l a i ni ni o g n o r m a ld i s t r i b u t i o na n da n n e x i n gs a m p l e b e t w e e nd i a m e t e r ，b c t w e t mm e d i s t a n c et i u md on o tt h ed e f e e to f l i 嘲e e x p l a n a t i o na n n e a l i n g s a m p l eo f a n n e a l i n gs a m p l ei sm o l ef e w ，t i n ys t r u c t u r ei sm u c hb e t t e r ，h a sm o r es t e a d yp r o p e r t y a b o v e e x p l a n 砒i o nf e c ug r a n u l a rf i l mn a n o m e t e rn o td i s s o l v ef i r m l yf o rr e c e i v i n gt h em e 仃它 s t r u c t u r eo f c r y s t a lg r a i nm e t a l m a g n e t i cg r a n u l a rf i l m 3w eu s ev s m f o r a n n e a l i n ga n d d 0n o t a n n e a l i n gs a m p l e h a v eg o n eo n m a g n e t i cp r o p e r t i e s m e a s u r e ，c o m b i n a t i o no r i g i ns o f t w a r es h o w sf o rt h el o o pa n a l y s i so f m a g n e t i c h y s t e r e s i s ：d on o t c o e r e i v i t yo f a n n e a l i n gp e l l e tm e m b r a n eb e t w e e l l 3 8 8 9 8 0 ea n d9 6 4 8 7 0 e , t h ec o e r c i v i t yo f a n n e a l i n gs a m p l eb e b v e e n3 0 3 2 7 0 e a n d 9 1 5 9 1 0 e e x p l a n a t i o nc a r r i e so u ta n n e a l i n gh a n d l i n gf o r s a m p l e ，t h ec o e r c i v i t yo f p e l l e tm e m b r a n ea v e r a g e ，i ti sl i n l et or e d u c e f o rd on o ta n n e a l i n g a n d t h ec o e r c i v i t yo f a n n e a l e da n du n - a n n e a i e ds a m p l ea n d s a m p l e t h a nr e d u c el i t t l er e a r i n c r e a s e f i r s tw i t ht h ei n c r e a s eo f f e c o n t e n t ，f o rf e ，c o n t e n ti st h ea n n e a l i n gs a m p l eo f1 5 ，i t sc o e r c i v i t y r e a c h e s3 0 3 2 7 0 ev e r yl i r l ev a l u e 4w e u i o h t o p e k a m a k et h i nf i l ma d s o r p t i o nd a s o r p t i o nm o d e l h a v es t u d i e dt h ep a r t i c l e d e s o r p t i o na c t i v a t i o ni nf e c ug r a n u l a rf i l m ，e n e r g ys h o w w i t ht h e c h a n g er e l a t i o no f f e c o n t e n ti n m e m b r a n e ：t h e d e s o r p t i o na c t i v a t i o no f p a r t i c l ei nf e c ug r a n u l a rf i l mc a nw a n tt os p r e a d a c t i v a t i o nt h a nf eo rc u c a r lb i gn e a r5t i m e s ，p a r t i c l ed e s o r p t i o na c t i v a t i o ne n e r g yv a l u eb e t w e e n 3 8 15 e va n d 3 8 5 8 e v i n c r e a s e ，w i t hf ec o n t e n ti n s t e a do f i n c r e a s i n gl i n e a r l y a tt h es a m et i m e ， h a v es t u d i e d p a r t i c l ed e s o r p t i o na c t i v a t i o na n dt h eo f c o e r c i v i t y i ng r a n u l a rf i l m ，c a nc h a n g e r e l a t i o n ，s h o w ：t h ec o e r e i c i t yo f g r a n u l a rf i l ma l o n gw i t hd e s o r p t i o na c t i v a t i o ne n e r g yi n c r e a s e r e d u c el i t t l er e a ri n c r e a s ef i r s t ，w h e na c t i v a t i o ne n e r g y e o = 3 8 3 5 e v ，t h ec o e r e i v i t yo f s a m p l e r e a c h e sv e r yl i t t l ev a l u e 。g r a n u l a rf i l me x p r e s s i o nh a p p e nm o r e g o o d i ss o f ta n dm a g n e t i c 5f r o m l e n g t ha n dt h ee x c h a n g ei n t e r a c t i o no f s h o r td i s t a n c eo f g r a n u l a rc o u p l i n gi st h e o r e t i c a l i n t e r a c t i o nc o m b i n e e x p e r i m e n t t os t u d yt h ei n f l u e n c e o f g r a n u l a rc o u p l i n gi n t e r a c t i o n f o r c o e r c i v i t y w eh a v e c a l c u l a t e dd e r i v a t i o na n dt h en o tr e v e r s i b l em a g n e t i cs o s c e p t i b i t i t yo f t h e o r i e n t a t o nd e g r e ea n d s a m p l eo f c r y s t a lg r a i n ，t h ec o e r c i v i t yo f f i l mf o l l o wg r a n u l a ri n t e r a c t i o n g r a n u l a rs p a na n dr a d i u sr a t i o s m ec h a n g er e l a t i o no f m a g n e t i cg r a n u l a r tv o l u m e p e r c e n t h a v e d i s c u s s e dg r a n u l a ri n t e r a c t i o na n dt h ei n f l u e n c eo f g r a n u l a rv o l u m e p e r c e n tf o rc o e r c i v i t y ，t h e o r y i sc o n s i s t e n tw i t h e x p e r i m e n tr e s u l t k e y w o r d ：f e c ug r a n u l a rf i l m ；f ec o n t e n t ；c o e r c i v i t y ；a c t i v a t i o n e n e r g y ；e x c h a n g ei n t e r a c t i o n ； c o u p l e ri n t a r a n t i o n f c q l 颗粒膜颗粒耦台相互作用对矫顽力的影响 第一章绪论 1 1 颗粒膜概述 上世纪8 0 年代发现的巨磁电阻( g m r ) 效应是凝聚态物理的一个划时代的发现。这一效 应的发现极大地促进了电子自旋极化输运过程的研究，丰富了人们对这一过程的认识，开 创了磁学研究的最新前沿一磁电子学。在对g m r 效应研究的同时，基于这一效应的各种应用 已经展开，并且在信息存储、高灵敏度传感器、磁盘的读写磁头等高科技产业已进入适用化 阶段。正是由于g 蟓在理论和应用上的重要性。g m r 研究不仅在学术界，而且在工业界均受 到高度重视和迅速发展，并且成为基础研究快速转化为实际应用的国际典范。目前，g m r 的 研究正向物理学的各领域渗透，并将推动纳米材料科学的进一步发展。 对磁电阻( m r ) 材料的研制主要集中在磁多层膜、自旋阀、颗粒膜、磁隧道结等方面。 1 1 1 颗粒膜 颗粒膜是指金属以微颗粒的形式分散地镶嵌在互不固溶的基质( 金属或绝缘体) 中所构 成的一类复合薄膜，这种薄膜材料中的颗粒和基质元素在锩4 备及应用条件下互不固溶，形成 一种非均匀相，处于相分离状态，兼具超微颗粒和多层膜的双重特性。原则上。任意两种或 两种以上在高温条件下不相圃溶的组元通常可以采用共蒸发和共溅射等技术制备颗粒膜。 设有a 、b 两组元，二者互不固溶，当a 的组成远小于b 时。a 将以微颗粒的形式嵌于b 组 成的薄膜中，反之亦然。a 、b 可以由金属、绝缘体、半导体等组合而成，满足上述条件的 材料类型可见表1 1 。 表l i 二相所构成的颗粒膜可能的几种组合类型及其实倒 表中共有十种可能的组合每一种组合又可衍生出众多类型的颗粒膜，其组合形式十分 丰富多彩，给人们提供了广阔的研究空间。 1 1 _ 2 金属磁性颗粒膜 金属磁性颗粒膜通常是由铁磁性元素及合金( 如f e 、c o 、n i 和n i f e 等) 和与之在平衡 态下不相固溶的非磁性基质元素( 如c u 、a g 等) 构成，通过调节各组元的含量而互为颗粒 和基质形成颗粒膜。由于磁性颗粒膜独特的微结构，磁性颗粒的尺寸和形状以及颗粒与基质 1 f e c u 颗粒膜颗粒耦合相互作用对矫顽力的影响 之间存在丰富的界面，导致其磁学性质、电学性质、光学性质等与大块材料有本质的区别， 具有丰富的研究内涵。 磁性颗粒膜中铁磁颗粒的尺寸可由制备工艺、退火处理以及调节铁磁元素的含量等方法 加以控制，可以获得纳米量级尺寸的纳米颗粒合金。纳米颗粒合金是2 0 世纪9 0 年代初开发 出的新材料，这种合金是纳米量级的铁磁性相与非磁性导体相非均匀析出所构成的合金，这 种析出沉淀相是指有一定大小的与母相原子的晶体结构、点阵常数等均不同的另外的相。其 形态有：纳米颗粒薄膜、纳米颗粒薄带( 甩带法) 、纳米颗粒块体合金等。合金中的铁磁元 素的含量( 体积百分比) 可在0 1 0 0 之间进行人工调节，可望得到优良的物理性能，以 便满足人们不同的需要。由此可知颗粒膜所具有的物理、化学性质可进行人工剪裁，又有可 控的多自由度，具有基础研究和实际应用价值的一类表面复合材料。 1 2 颗粒膜的应用 颗粒膜具有巨磁电阻效应、磁光效应等多种特性，因而具有广泛的应用。 1 2 1 巨磁电阻效应的应用 1 - 2 1 1 巨磁电阻效应 巨磁电阻效应是纳米磁性颗粒膜的重要的磁电性质之一。所谓巨磁电阻效应，是指材料 的电阻率受材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。1 9 8 8 年，法国巴黎大学的f e r t 教 授的研究组在外延生长的f e c r 多层膜中发现，当f e 、c r 层厚度分别为3 m 、0 9 h e 时，在 4 2 k 温度，2 t 磁场下可获得磁电阻变化率a r 5 0 ，其值比各向异性磁电阻( a m r ) 大一个数量级，且为负值，于是命之为巨磁电阻效应“1 。1 9 9 2 年b e k o w i t z 与c l c h i e n 研 究组分别独立地发现在c o c u 颗粒膜中同样存在g 懈效应。1 ，其后又在c o a g 等体系的颗 粒膜中相继发现了g 衄效应，从而拓宽了g m r 材料的领域。颗粒膜与多层膜相比，由于其自 旋相关散射中心在颗粒膜中呈混乱的统计分布，在物理处理上有一定的复杂性。但制备工艺 简单、稳定性好、价格低廉、通过热处理其微结构容易改变等优点，因而有着较好的应用前 景。 1 2 1 i1 磁电阻效应的应用 a 传感器p 川 传感器是把物理的、化学的、生物的非电量信号转变为电信号的一种敏感器件。对于新 型传感器采用微电子技术加工，因而它具有高精度、高灵敏度、高可靠性、高速响应和微型 化、微功耗等特点。利用磁电阻效应制作的传感器，其性能优于已在市场上的半导体和各向 异性磁电阻( a m r ) 传感器。如它具有温度系数小、体积小、灵敏度高、性能稳定、价廉 2 f e c u 颗粒膜颗粒耦合相互作用对矫顽力的影响 等优点，从而具有更强的市场竞争能力。磁电阻传感器可以传感磁场( 尤其对微弱磁场) ， 如伪钞识别器；也可用于各类运动的传感，如对位置、速度、加速度、角度等物理量进行高 灵敏度、高精确度控制，且不受物体变化速度的影响：还可用于自动控制如汽车无人驾驶、 卫星定位系统等领域。 b 磁记录读写磁头 在巨磁电阻效应发现后的不长时间内，不断开发出一系列崭新的微电子学器件，使计算 机外存储器的容量获得了突破性进展。计算机、多媒体及信息高速公路的快速发展要求容量 大、体积小的外存系统即超高密度磁盘，这使每记录单元的尺寸减小到亚嫩米级而使其产生 的待测散磁场很弱( 为r a t 量级) ，同时由于盘的线速度减小而使传统的感应式磁头无法得 到足够的信噪比。这使得m r 读出磁头成为目前实现新型超高密度磁记录的关键技术和有 效途径。上世纪九十年代以来，利用a m r 读出磁头可使磁盘记录密度先后达到1 g b i n 2 【8 】 和3 g b i n 2 【9 】，而利用g m r 多层膜读出头可使磁盘记录密度达到1 0 g b i n 2 1 “，欧、美、日等 产业集团多年来一直致力于研制1 0 1 0 0 m b 的3 5 英寸盘，如今每年投入到磁电阻材料应用 的经费在逐年增加口 1 ”。所有这些必将推动计算机、多媒体、信息高速公路的发展。2 0 0 3 年报道了超过1 0 0 g b i n 2 纵向磁记录的合成铁磁介质材料( s f m ) ，其记录密度达 1 0 6 g b i n 2 1 1 ”。磁记录另一发展动向是采用纳米刻蚀的工艺【1 ”4 1 形成金属磁性颗粒的有序 阵列，即所谓“量子磁盘”，可望将记录密度提高到4 0 0 g b i n 2 。磁记录材料已成为磁性材料 中产值最高的材料成为信息社会的重要组成部分。 c 随机存储器 m r 效应在计算机系统中的应用还体现在对随机存储器r a m 的变革方面。上世纪五、 六十年代的r a m 由微型铁氧体磁锌组成，七十年代后被半导体代替，九十年代的r a m 多 采用s i 集成电路组成的动态及静态随机存储器( 即d r a m 及s r a m ) 【1 i j 。d r a m 的优点 是存储量大、价格低，但速度稍慢( 1 0 0 n s 量级) 。s r a m 的优点是速度快( 可达亚纳秒级) ， 但存储量小、价格较高。这两种存储器虽已成为存储系统的主流，但由于上述缺点，其应用 上受到了极大的限制。更重要的是，二者均有当意外出现时信息易丢失性的致命弱点。g m r 效应出现后，人们就设想用磁电阻存储器( m r a m ) 代替这两种存储器。相比半导体r a m ， 由磁电阻材料制成的m r a m 的最大特点是非易失、抗辐射、长寿命、低成本。m r a m 在 计算机的b i o s 芯片、便携电话、传真机、固态录像机、个人数字助理机( p d a ) 和大容量 电子存储器方面都有良好的应用前景，特别是抗辐射性能，对军事和航天航空的应用有重要 意义。 总之，半导体材料创造了昨天和今天的信息时代，而具有磁电阻效应的材料和结构将给 人类带来一片更为广阔的天地，它将开辟另一个信息时代。 3 f e c u 颗粒膜颗粒耦合相互作用对矫顽力的影响 1 2 2 磁光效应的应用 l 。2 2 1 磁光效应 光与磁性介质的相互作用是磁光效应的基本内涵例如线偏振光通过磁性介质后将产生 偏振面的旋转，称为法拉第效应；在磁性介质界面反射所引起的偏振态的变化称为克尔效应。 克尔效应分为线性克尔效应和非线性克尔效应。当一束线偏振光垂直入射到磁化方向垂直于 其表面的磁介质上时，其反射光一般是一长轴相对于入射光偏振面转过一定凫度的椭圆偏振 光，这即是极克尔效应。此外，尚有磁双折射，磁二色性等磁光效应 1 2 2 2 磁光效应的应用 反射的椭圆偏振光很容易通过相位补偿而变成线偏振光，其偏振面相对于入射光偏振面 的转角依赖于磁光介质的磁化方向。如果能够使磁介质中各个小区域的磁化方向接待记录信 息来排布，并利用反射克尔转角的变化来读出所记录的信息，就可实现记录。基于磁光效应 的磁光盘、磁光存储器、磁光调制器、隔离器等磁光非互易器件均已实用化。因此对磁光效 应的研究具有十分现实的实用背景。此外，通过磁光效应还可以进一步了解固体能谱、磁畴 结构等，具有重要的基础研究意义。 a 磁光存储 磁性薄膜材料另一非常重要的应用是作为磁光记录介质。在可见光和红外波段内借助 磁光效应可实现信息存储，磁光存储包括信息借助热磁效应写入( 或擦除) 和利用磁光效应实 现信息读出的材料。磁光记录的写入过程是这样的；首先，使整个磁介质沿某一个方向，比 如说向上磁化。然后沿另一方向( 向下) 加一偏场日，在需要作标记的地方，用聚焦的激 光照射。在激光的照射下，磁介质的温度将升高。对铁磁介质来说，在居里温度处发生铁磁 顺磁转变，对亚铁磁介质来说，在居里温度处也将发生亚铁磁顺磁转变。当冷却到居里温度 以下时，被照射区域的磷化方向将与偏场日。的一致。从而实现信息的写入。磁光存储未来 的发展方魁主要是提高记录密度和数据传输率。前者可以通过短波长记录、超分辩读出和平 台沟槽记录等新技术，后者则可以通过所谓直接重写技术来实现。 b 磁光盘 磁光盘主要由盘基和磁光薄膜材料构成的圆盘形磁光记录材料。由激光加热在外磁场作 用下利用热磁效应写入信息由克尔磁光效应改变激光束经磁光薄膜反射后的偏振态读出信 息。其过程为磁光盘受激光照射后金属镀层熔化，形成一连串的椭圆形凹痕信息坑，其长 度和间距的大小随信号大小的变化。信息坑在磁光盘上组成一圈圈同心圆的轨迹。读出时， 磁光盘沿记录轨迹高速旋转，用激光检像器检出凹凸信号，再转换成电信号，即可在显示器 上重现图像。读出用激光束的功率通常比写入用激光束低一个数量级。磁光盘用于垂直记录 其存储密度是磁带的4 0 0 0 倍，磁盘的1 0 0 0 倍，可以录、放、抹除。磁光盘除用于大容量电 子计算机、大容量电视广播、家庭电视唱片外，另一潜在用途与网络发展有关。网络的发展 也会给磁光盘提供更广阔的应用天地。随着零价格计算机的出现，人们随身携带的可能不是 4 f e c u 颗粒膜颗粒耦合相互作用对矫顽力的影响 笨重的笔记本电脑，而是薄薄的一张磁光盘。 1 3 颗粒膜的研究概况 1 3 1 颗粒膜巨磁电阻效应的研究 1 9 8 6 年，c h i e n 等人“”首先用蒸发沉积方法制各出互溶度很小的f e 。c u 卜。颗粒膜，初步 研究了它的结构。在分析不互溶f c c f e ，c u 。和f c c c o , c u n 结构的基础上，研究了颗粒膜韵磁 性。在感兴趣的成分区间，工- 2 0 3 0 时，研究发现跨过颗粒连通度突然出现的了逾 渗值。c h i e n 等人“还研究了c o c u 、c o a g 颗粒膜的磁电阻性质。在5 k 测定时，磁致电阻在 c o l 6 c 岫中为9 ，在c o * c u 中为1 3 。在3 0 0 k 时，c o c u 7 0 的g m r 为2 5 ，单相合金( 如 c o m c u 。，) 没有垛。在c o a a g ，；体系中，室温下，其g m r 为2 0 ”。在此类颗粒体系中所观察 到的磁致电阻的性质，在一定程度上与多层材料中所观察到的相类似。在这两种情况下，最 大的电阻都是在日一旦处，此时净磁化强度为0 。在成层膜中，这发生在相邻两层呈反铁 磁性整齐排列时。在m 一0 的颗粒体系中，磁性颗粒的磁矩随机分布。但在这些颗粒体系 中，在饱和点以上，髓磁场的增加，电阻率通常会连续降低。 研究认为，颗粒系统的巨磁电阻主要来源于与自旋相关的界面散射作用“”。当电子在 颗粒膜中传输时，将受到非铁磁介质、铁磁性颗粒与介质所构成的界面、铁磁颗粒内部的散 射。实验与理论表面：与自旋相关的散射主要来源于铁磁颗粒与非铁磁介质所构成的界面， 与颗粒的直径成反比，或与铁磁性颗粒的比表面积成正比。此外，颗粒之间的平均间距应小 于电子的平均自由程。 在颗粒体系中，对于不同的台金体系，g g r 有一最佳浓度( 图1 1 ) 。因为x 太小时， 传导电子在不发生散射的情况从一个晶粒漂移到下一个晶粒时，没有散射。从而不能交换自 旋信息。对超常大的x ( 大于逾渗值) ，颗粒磁矩的无序度减小，变成铁磁性交换耦合1 。 霉 t 导卜 图1 1 在几种颗粒体系中，8 t 磁场下g r ( a p p ) s t 髓磁性成分体积分数的变化” 5 图1 2c g ，制各态的颢粒膜 羊品的巨 磁电阻效应随退火温度的变化“” f e c u 颗粒膜颗粒耦合相互作用对矫顽力的影响 g eh s i a n g 等人“”研究了c o n a g ”制备态的样品在真空条件下进行不同温度下的退火热 处理，巨磁电阻效应随退火温度的关系见图1 2 。由图显见，当l 一5 0 0 k 时a p ，p o 呈 现极大值，其原因解释为：随着退火温度的增加颗粒尺寸、形态均产生变化，当ls 5 0 0 k 时，颗粒大小变化平缓。但巨磁电阻效应随退火温度增高而变大；当l 5 0 0 k 时，颗粒 尺寸随退火温度增加变化显著，表现为晶粒的粗化过程。 1 3 2 颗粒膜的磁光效应的研究 磁性颗粒膜中丰富的表面与界面特性使得它在非线性光学方面具有广阔的应用前景， 所以近年来受到人们的普遍关注“”“。人们制备出的纳米颗粒膜中含有尺度小于光波波长的 颗粒，可能会产生一些特殊的磁光性能，因此颗粒膜的磁光效应越来越引起人们的重视。 x i at k 对颗粒膜的磁光效应研究认为“，颗粒膜属于非均匀相组成的系统，常采用 有效介质近似方法，求出有效介电张量来处理复合材料体系的光学性质。 郑卫民等”对c o a g 纳米颗粒膜的磁光克尔效应进行的研究发现：对c o 含量较低的样品 随着退火温度的升高，磁光克尔效应增强，并且在a g 的等离子振荡边附件出现了强的共振 峰。分析认为，共振磁光克尔效应的增强是由于a g 陡峭的等离子振荡边作用的结果。 图l - 3 颗粒膜f e s i 仉的法拉第效应日f 与磁性颗粒体积百分数凡的关系“” 图1 4f e s i 0 2 颗粒膜的极克尔效应 与f e 含量的关系曲线 zsj i a n g 等人“”研究了f e s i q 、c o s i 如的磁光法拉第效应，8 ，与f e 、c o 铁磁颗 粒膜体积分数丘的关系见圈1 3 。研究发现：随着磁性颗粒体积百分数的增大，法拉第效 应增强，在逾渗值附件的体积分数呈现极大值。出现极大值的原因可能是退磁场的影响。随 着铁磁颗粒的体积百分比的增加，超过逾渗值的颗粒将聚集成连续的薄膜，退磁因子变大， 使在相同外场下难以被磁化到饱和。其它因数，如颗粒膜的光学常数随铁磁颗粒体积百分数 的变化，颗粒界面的散射作用等尚有待于进一步研究。 1 9 9 5 年，zsj i a r 培等人“研究了f e - s i 仉颗粒膜的克尔效应与f e 体积分数l 的关系 如图i 4 。研究认为：克尔效应主要来源于铁颗粒与s i o z 界面的反射，当铁颗粒的体积百分 数接近逾渗值时，颗粒膜中铁颗粒尚未形成网络，存在丰富的界面，光波可以无损耗地通过 6 f c c 颗粒膜颗粒耦合相互作用对矫顽力的影响 s i 0 2 非晶膜与颗粒膜中铁颗粒相互作用，从而增强了克尔效应。 对c o c u 颗粒膜的极克尔效应，发现随着c o 含量的体积分数变化，克尔旋转角产生振荡 现象，尚有待于实验与理论的进一步研究。 迄今为止，相对于巨磁电阻现象而言，对磁性颗粒膜的磁光效应的研究报道较少。 1 3 3f e c u 合金磁性膜的研究情况 目前对f e c u 合金膜的研究主要是磁电性质的研究。人们在研究f e c u 合金的结构时发现， 合金的b c c 及f c c 相结构存在的范围因制各方法不同而有所不同，高f e 含量常显示b c c 相， 低f e 含量常显示f c c 相，f e 在一定含量时，还有f c c 、b c c 的混合相。如表1 2 所示。 表1 2f e ，c u h 台金的几种制备方法中相应相结构范围对比( x 为体积分数) p c r e s p o 等人“1 采用机械台金化的方法制备并研究了f c 。c u 。( o 1s 工s0 7 ) 的磁 性。图1 _ 5 是样品矫顽力随温度的变化关系。由图可知，矫顽力的变化范围为好几个数量级。 对于高含量铁( 如x = o 5 ，0 7 ) ，穆斯堡尔谱显示f e c u 合金为典型的无序合金，其宏观晶 体各向异性可以忽略。因此矫顽力相对较低。对j 0 3 其结构有磁硬化( h a r d i n g ) 趋势。 对x - 0 2 ，观察到矫顽力随温度的异常变化关系。这种现象在其合金的分解过程中已被观察 到，产生这种现象的原因还不是很清楚。对不同的含量j ，矫顽力日，对温度有不同的依赖 关系，可能是由于这些样品的居里温度不同。5 。 mmp e r e i r a 等人”第一次采用离子注入的方法将f e 离子注入到c u 基质中制备了f e 含量工2 的f