（凝聚态物理专业论文）平整与非平整基底表面磁性薄膜的物理特性研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 删j i l liii i l l l li ll1 111i i i l l l l l l l l l l l l l l y 1714 218 交换偏置机理是自旋阀巨磁电阻、硬盘磁头和磁随机存储器等元器件所用到 的关键物理基础之一。对铁磁( f m ) 反铁磁( a f m ) 薄膜系统中交换偏置效应的研 究是磁电子学中一个重要的议题。近几十年来，人们对其进行了广泛研究并取得 很大进展，但至今仍有一些问题尚不清楚。目前，在人们所研究的f m a f m 交 换偏置系统中，铁磁层材料的居里温度t c 往往高于反铁磁层材料的奈尔温度t n ， 而对t c t n 的f m a f m 薄膜系统完全不同：( 2 ) 首次 在t c t n 时交 换偏置现象仍然存在。研究结果表明：由于t c 与t n 非常接近，在t c t t n 时，g d 层保持铁磁有序态，c r 层表现为公度自旋密度 波反铁磁相，二者在界面发生交换耦合，因此导致交换偏置现象仍然存在。 实验证明，c f f g d 薄膜样品的矫顽力h 。随温度变化行为h c ( t ) 与g d 层的磁 结构、c r 层厚度和g d 与c r 在界面处的交换耦合有关。在c r g d 薄膜系统中并 未观察到矫顽力增强效应，这是由磁化翻转过程的非一致转动造成的。对 c r ( 10 2 n m ) g d ( 9 0 n m ) 双层膜、c r ( 10 2 n m ) g d ( 9 0 n m ) c r ( 10 2 r i m l 三层膜和 【c r ( 2 0 4 n m ) g d ( 1 8 n m ) s 多层膜样品，h c 随温度非单调变化。当8 0k t 2 0 5 k 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 时，h c 随温度升高而逐渐减小，在t = 2 0 5 k 达到极小值；在2 0 5k t 2 5 5k 温 度范围内，随着温度的升高，g d 的易磁化方向与c 轴夹角由0 0 逐渐变成9 0 0 ， 导致了h c 随温度升高而增大的反常现象；当2 5 5 k t t c 时，受反铁磁c r 层的影响，g d 的各向异性突然 增强，导致矫顽力随温度升高而增大。然而，对于【c 1 - ( 3 4 n m ) g d ( 3 n m ) 3 0 多层膜 样品，由于c r 层厚度较小，相邻g d 层之间通过中间c r 层发生耦合，铁磁g d 层与反铁磁c r 层的界面耦合与相邻铁磁g d 层层间耦合的共存导致了此类多层 膜的h c 随温度升高线性减小。 对c r g d c r 三层膜，退火热处理显著影响了其微观结构和磁特性。x 射线 衍射( x r d ) 结果显示：退火前样品呈无定形或微晶结构，而退火后的样品呈多晶 结构。磁测量结果表明：( 1 ) 退火使样品矫顽力减小。( 2 ) 退火前样品在t 2 6 0 k 温度范围虽然表现出磁滞行为，但即使在1 5 0 0 0o e 的较强磁场下样品也未出 现饱和磁化；在2 6 0 k t 2 9 5k 时，样品呈现超顺磁特性。而退火后的样 品在t 2 9 5k 时呈现铁磁特性，易饱和磁化。 - 对于t c 远小于t n 的c r t b 双层膜和多层膜系统，其h e ( t ) 和h 。( 1 ) 行为与 c r g d 薄膜系统的情况都明显不同。在c 扩m 多层膜中只观察到负交换偏置现象， h e 的绝对值随温度升高而单调减小，在居里温度处h e 降为零；对于c r t b 双层 膜，h e 随温度的升高由负转变为正，此现象再次证明了反铁磁c r 的自旋密度波 波长随温度升高而增大的事实。磁测量结果表明，双层膜和多层膜样品的矫顽力 h 。均随温度升高线性减小。对于c r t b 双层膜，h e 和h c 与c r 层厚度的关系曲 线中有峰值出现。 对沉积在口a 1 2 0 3 陶瓷自然断面上铁薄膜的x r d 结果显示：此类铁薄膜呈 现微晶结构。场发射扫描电子显微镜的表面分析结果显示，样品中出现了非平整 薄膜特征。磁测量结果表明：由于薄膜表面磁各向异性的无序和表面的氧化，铁 膜中同时存在类自旋玻璃态和铁磁相。此类铁薄膜的矫顽力随温度变化行为 h c ( t ) ，在t = 1 0k 附近，有一明显的极大值峰，此奇异矫顽力行为与铁薄膜样 品中的类自旋玻璃态有关。 类自旋玻璃态中的冻结自旋与铁磁相的可翻转自旋之间的交换耦合，导致铁 薄膜样品中出现了明显的交换偏置现象。交换偏置场随温度的变化关系h e ( d 与 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 冷却场大小h c f 有关，当h c f = 2 0 0 0o e 时，h e 在测量温度范围内始终为负值； 当h c f = 2 0 0 0 0o e 时，随着温度的升高，h e 出现由负到正的转变。不论冷却场 大小，h e ( t ) 在t = 5k 附近均出现了极小值。 本文各章节内容如下： 第一章：综述磁交换偏置现象的基本特征、相关效应、理论模型、实验规律 和磁性薄膜的研究现状。 第二章：介绍薄膜样品制备和性质表征的实验原理和方法。 第三章：系统研究t c 略小于t n 的c r g d 双层膜和多层膜中交换偏置场以及 矫顽力随温度的变化规律，同时研究了退火处理对c r g n c r 三层膜的微观结构 和磁特性的影响。 第四章：研究t c 远小于t n 的c r 门r b 双层膜和多层膜的交换偏置场以及矫 顽力随温度的变化规律。 第五章：详细报道沉积在口- a 1 2 0 3 陶瓷自然断面上铁薄膜的微观结构以及奇 异低温磁特性。 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 a b s t r a c t t h ep r i n c i p a lo ft h ee x c h a n g eb i a s ( e b ) i so n eo ft h ee s s e n t i a l p h y s i c a l m e c h a n i s m sf o rs o m eb a s i cd e v i c e s ，f o re x a m p l e ，s p i nv a l v e sg i a n tm a g n e t i c r e s i s t a n c e ，h a r dd i s kd r i v e rh e a da n dm a g n e t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r ye t c t h es t u d y o nt h ee be f f e c ti nf 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 ) f i l ms y s t e m si sa n i m p o r t a n ti s s u ef o r t h em a g n e t i ce l e c t r o n i c s a l t h o u g hi t h a sb e e ne x t e n s i v e l y i n v e s t i g a t e dd u r i n gt h el a s ts e v e r a ld e c a d e s ，s o m ea s p e c t ss t i l lr e m a i nu n c l e a r u pt o n o w , w o r k sh a v em a i n l yf o c u s e do nf m a f mf i l ms y s t e m si nw h i c ht h ec u r i e t e m p e r a t u r et co ft h ef ml a y e ri sm u c hh i g h e rt h a nt h en 6 e lt e m p e r a t u r e is o ft h e a f m p h a s e ，h o w e v e r ，v e r yf e wr e s u l t so nf m a f me x c h a n g eb i a ss y s t e m s 衍mt c t n ；( 2 ) i ti st h ef i r s t - v - 浙江大学博士学位论文 凝聚态物理 t i m et h a tp o s i t i v ee x c h a n g eb i a sp h e n o m e n o ni so b s e r v e di nf m a f mf i l m s 、析t ht c is d u et ot ci sn e a rt ot n ，t h es p i n so f t h eg dl a y e ra r ea f f e c t e db yt h es p i n so f t h ec rl a y e ra tt c is ，g da n dc ra r ei nt h ef e r r o m a g n e t i ca n d c o m m e n s u r a t es p i n d e n s i t yw a v ep h a s e s ，r e s p e c t i v e l y , r e s u l t i n gi nt h ep e r s i s t e n c eo f t h ee x c h a n g ec o u p l i n gb e t w e e ng da n dc rl a y e r s i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h eh c ( t ) o ft h ec r g ds y s t e mr e l a t e st ot h em a g n e t i c s t r u c t u r eo fg d ，t h et h i c k n e s so fc rl a y e ra n dt h ei n t e r f a c i a le x c h a n g ec o u p l i n g b e t w e e ng da n dc r t h ee n h a n c e m e n to fh ch a sn o tb e e no b s e r v e dw h i c hr e s u l t sf r o m t h ei n c o n s i s t e n tr e v e r s eo ft h em o m e n t s f o rc r g d b i l a y e r , c r ( 1 0 2 n m ) g d ( 9 0 n m ) c r ( 1 0 2 n m ) t r i l a y e ra n d 【c r ( 2 0 4 n m ) g d ( 1 8 n m ) sm u l t i l a y e r s ， h cv a r i e sn o n m o n o t o n o u s l yw i t ht h et e m p e r a t u r e n cf i r s td e c r e a s e sw i t ht h e t e m p e r a t u r ea t8 0 t 2 0 5k ，a n dt h e nm a k e sl o c a lm i n i m aa n dm a x i m aa tt 2 0 5 k ；a t2 0 5 t 2 5 5k ，h 0i n c r e a s ew i t ht ，w h i c ho r i g i n a t e sf r o mt h ef a c tt h a tt h e o r i e n t a t i o no ft h ee a s ya x i so fg dt u m sc o n t i n u o u s l yf r o mp a r a l l e lt op e r p e n d i c u l a rt o t h eca x i s ；a t2 5 5k t t c ，d u et ot h ei n f l u e n c eo f c rl a y e r , t h ea n i s o t r o p yo fg di se n h a n c e da n dl e a d st ot h ei n c r e a s eo fh cw i t l lt f o r t h e 【c r ( 3 4 n m ) g d ( 3 n m ) 3 0m u l t i l a y e r , h o w e v e r h cd e c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h e t e m p e r a t u r ei nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f8 0k t t c ，r e s u l t i n gf r o mt h ec o m p e t i t i o n b e t w e e nt h ei n t e r r a c i a le x c h a n g ec o u p l i n ga n dt h ea d j a c e n tg dl a y e r si n t e r a c t i o n t h eh e a tt r e a t m e n ti n f l u e n c e ss t r o n g l yo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h em a g n e t i c p r o p e r t i e so fc r g d c rt r i l a y e r s t h ex r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) p a u e m ss h o wt h a tt h e a s - p r e p a r e ds a m p l es h o w sa m o r p h o u so rm i c r o c r y s t a l l i n es t r u c t u r e ，w h e r e a st h e a n n e a l e ds a m p l ee x h i b i t sp o l y c r y s t a l l i n es t r u c t u r e t h em a g n e t i cm e a s u r e m e n ts h o w s t h a t ：( 1 ) h ci sd e c r e a s e da f t e ra n n e a l i n g ( 2 ) f o rt h ea s - p r e p a r e ds a m p l e ，w h e nt 2 6 0ki te x h i b i t sm a g n e t i ch y s t e r e s i sb e h a v i o r , i tc a nn o tb es a t u r a t e dm a g n e t i z e d e v e na tas t r o n gf i e l d ( h = 15 0 0 0o e ) ；w h e n2 6 0k t t ca r e q u i t ed i f f e r e n tf r o mt h o s eo ft h ec r g ds y s t e ma b o v e f o rt h ec r t bm u l t i l a y e r s ，t h e n e g a t i v ee x c h a n g eb i a sf i e l d i so b s e r v e d ，t h ea b s o l u t ev a l u eo fh ed e c r e a s e s m o n o t o n o u s l yw i t l lt a n df a l l st oz e r oa tt c f o rt h ec r t bb i l a y e r s ，h ec h a n g e sf r o m n e g a t i v et op o s i t i v ev a l u e sw i t ht h et e m p e r a t u r e ，d e m o n s t r a t i n gt h ee x p a n s i o no ft h e w a v el e n g t ho fs p i n - d e n s i t yw a v eo ft h ec rl a y e r 、杭廿lt t h em a g n e t i cm e a s u r e m e n t r e s u l t ss h o wt h a th cd e c r e a s e sl i n e a r l y 、析t l lt h et e m p e r a t u r ef o ra l lt h es a m p l e s o n t h eo t h e rh a n d ，a st h ec rt h i c k n e s si n c r e a s e s ，am a x i m u mp e a l 【i nb o t l lt h eh ea n dh c c u r v e si so b s e r v e d ，r e s p e c t i v e l y t h ex r dp a t t e r n ss h o wt h a tt h e i r o n f i l m so nf r a c t u r es u r f a c e so f o 【一a 1 2 0 3 c e r a m i c se x h i b i t m i c r o c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e t h e s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) p h o t o g r a p ho ft h es a m p l ed i s p l a y sa nu n e v e ns u r f a c em o r p h o l o g y o ft h ef i l ms a m p l e t h em a g n e t i cm e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ，d u et ot h ed i s o r d e r o f m i s o t r o p ya n dt h es u r f a c eo x i d a t i o n ，as p i n - g l a s s - l i k es t a t ea n daf e r r o m a g n e t i c p h a s ec o e x i s ti nt h ei r o nf i l m s i ti se x h i b i t e dt h a tt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h e c o e r c i v i t yh c ( t ) o f t h ei r o nf i l mp o s s e s s e sam a x i m u m p e a l ( a r o u n dt = 1 0k ，w h i c h i sr e l a t e dt ot h es p i n g l a s sl i k es t a t e t h ee x c h a n g ec o u p l i n gb e t w e e nt h ef r e e z i n gs p i n sa n dr e v e r s i b l es p i n sc a u s e s t h ee x c h a n g eb i a sp h e n o m e n ai nt h ei r o nf i l m s t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fh e e x h i b i t sam i n i m u m p e a ka r o u n dt = 5k ，w h i c hi si n d e p e n d e n to ft h em a g n i t u d eo f t h ec o o l i n gf i e l dh c f h o w e v e r ，f o rt 10k ，( 1 ) h ei sa l w a y sn e g a t i v ew h e nh c f = 2 0 0 0o ea n d ( 2 ) f o rh c f = 2 0 0 0 0o e ，h ec h a n g e sf r o mn e g a t i v et op o s i t i v ev a l u e s w i t ht t h i sd i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e ri ，w ep r e s e n tab r i e fr e v i e wo nt h es t u d i e so ft h eb a s i cc h a r a c t e r s ， r e l a t e de f f e c t s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e l sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa b o u tt h ee x c h a n g e b i a s a ni n t r o d u c t i o na b o u tt h er e s e a r c hp r o g r e s so nm a g n e t i ct h i nf i l m si sa l s og i v e n i nc h a p t e ri i ，t h ee x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o rt h ep r e p a r a t i o no ft h e - 、，1 1 - 塑望奎堂堕士学位论文 凝聚态物理 f i l m sa n dc h a r a c t e r i z a t i o nf o rt h es a m p l ep r o p e r t i e sa r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e ri i i ，t h et e m p e r a t u r eb e h a v i o ro fb o t ht h e e x c h a n g eb i a sf i e l da n d c o e r c i v i t yf o rt h ec r g db i l a y e r sa n dc r g d c rt r i l a y e r s ，w h e r et ci ss l i g h t l yl e s st h a n t s ，i ss t u d i e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，t h ea n n e a l i n ge f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ec r g d c rt r i l a y e r si ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i nc h a p t e ri v , t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fb o t ht h ee x c h a n g eb i a sf i e l da n d c o e r c i v i t yf o rt h ec r t bb i l a y e r sa n dm u l t i l a y e r si sr e v e a l e d i nc h a p t e rvw ep r e s e n tt h ec h a r a c t e r i s t i cm i c r o s t r u c t u r e sa n da n o m a l o u sl o w t e m p e r a t u r em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ei r o nf i l ms y s t e md e p o s i t e do nf r a c t u r es u r f a c e s o f0 c a 1 2 0 3c e r a m i c s 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 目录 第一章绪论1 1 1磁性薄膜的研究现状1 1 1 1 磁性薄膜的功能1 1 1 2 金属薄膜和氧化物磁性薄膜2 1 1 3 自旋阀巨磁电阻”4 1 2 交换偏置现象及其理论模型6 1 2 1 交换偏置现象6 1 2 2 交换偏置理论模型7 1 3 交换偏置现象的实验规律l2 1 3 1 交换偏置的温度效应和磁锻炼效应一1 2 1 3 2 冷却场对交换偏置的影响及正交换偏置1 4 1 3 3 反铁磁层的厚度和结构取向对交换偏置的影响1 5 1 3 4 交换偏置和铁磁层厚度的关系1 6 1 3 ：5 交换偏置的角度依赖关系一1 6 1 4 本文研究内容及其意义18 参考文献2 0 第二章薄膜的制备及其性质表征2 3 2 1 薄膜制备方法一2 3 2 1 1 直流磁控溅射法2 4 2 1 2 射频磁控溅射法2 5 2 2 薄膜厚度的测量一2 6 2 2 1a 台阶仪法2 6 2 2 2 石英晶振法2 7 2 3 薄膜形貌的表征2 8 2 3 1 扫描电子显微镜分析2 8 2 3 2x 射线衍射分析2 8 2 4 薄膜磁性能的测量2 9 2 4 1 振动样品磁强计( v s m ) 3 0 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 2 4 2 多功能材料物理特性测量系统( p p m s ) 3 1 参考文献- 3 3 第三章c r g d 双层膜和多层膜的微观结构及其磁特性3 4 3 1 引言3 4 3 1 1 铁磁反铁磁薄膜中交换偏置场h e 的温度行为”3 4 3 1 2 矫顽力的基本理论模型一3 5 3 1 3g d 和c r 的磁结构3 7 3 2实验方法4 0 3 3 薄膜的微观结构4 1 3 3 1c f f g d 双层膜和c r g d c r 三层膜的微观结构4 1 3 3 2c r g d 多层膜的微观结构4 2 3 4 薄膜磁特性的测量和研究4 2 3 4 1g d 薄膜的居里温度4 2 3 4 2c f f g d 双层膜和多层膜的奇异磁滞行为”4 4 3 4 3 矫顽力随温度的变化“4 7 3 4 4 交换偏置场h e 随温度的变化5 0 3 4 5 冷却场对c r g d 双层膜交换偏置效应的影响5 3 3 5 退火处理对c r g d c r 三层膜磁特性的影响5 5 3 5 1 对薄膜磁滞回线的影响5 5 3 5 2 对薄膜的磁相及剩磁的影响”5 8 3 6 结论6 0 参考文献6 1 第四章c r t b 薄膜系统的矫顽力和交换偏置效应6 4 4 1 铽( t b ) 的磁结构”“ 4 2 实验方法”6 4 4 3c r t b 双层膜和多层膜的微观结构与磁特性o ooq 080 oidi do 0 6 5 4 3 1c r t b 双层膜的微观结构6 5 4 3 2t a t b 薄膜的磁特性：6 6 4 3 3c d t b 双层膜和多层膜的奇异磁滞行为6 8 - x - 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 4 3 4 矫顽力和交换偏置效应7 3 4 4 结论7 9 参考文献8 1 第五章口a 1 2 0 3 陶瓷自然断面上铁膜的磁特性8 2 5 1引言“8 2 5 2自旋玻璃态8 2 5 3实验方法8 4 5 4 铁薄膜的微观结构和表面形貌“8 5 5 5 低温磁特性的测量和研究”8 6 5 5 1 奇异的磁滞行为一8 6 5 5 2 反常的磁各向异性”8 8 5 5 3 类自旋玻璃态”9 0 5 5 4 铁磁反铁磁交换耦合一9 4 5 5 5 反常的热剩磁”9 6 5 6 结论= 9 8 参考文献9 9 附录攻读博士期间已发表和待发表的论文目录1 0 1 1 改谢- 1 0 2 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 第一章绪论 磁性薄膜因其在超高密度磁记录介质、磁光记录介质、薄膜磁头及传感器等 方面的应用而成为一类新的磁性材料。当薄膜足够薄时，该薄膜将趋于二维系统， 这时，表面及界面效应逐渐显示出影响。材料维度的降低将导致原子近邻的对称 性、原子数目及类型和晶格常数的改变，使得原来取决于原子局部环境的基本磁 特性发生根本的改变，导致磁性薄膜系统内部及其表面的许多特性，如磁矩、磁 畴生长、居里温度、磁各向异性和磁交换耦合等，与同类块体磁性材料的相应特 性大相径庭，从而引起了一系列奇特的物理现象。近十几年来层间耦合和巨磁电 阻方面突破性进展就特别引人注目。本章首先综述磁性薄膜的研究现状、交换偏 置的基本特征及其理论模型；其次，介绍影响交换偏置的几种主要因素，如温度、 铁磁层和反铁磁层厚度、冷却场大小及其方向、界面处自旋图象等；最后，给出 本文的研究内容及其意义。 1 1 磁性薄膜的研究现状 薄膜磁性的研究始于4 0 年代，如今，各种大块磁性材料都能以其薄膜形态存 在，并表现出优异和独特的磁性，如各向异性磁电阻，同时还出现人工设计的超 晶格( 常称之为多层膜) 、三层膜、隧道结膜以及基于磁电阻效应的磁电子学。磁 性薄膜在磁记录和磁光存储技术方面已有广泛的应用，并形成了巨大的产业，在 本世纪将会有更大的发展。 1 1 1 磁性薄膜的功能 磁性薄膜按功能特性一般分为三大类：磁记录材料、软磁材料和微波吸收材 料。磁记录材料在当今社会的发展中有着广泛而重要的作用，一般包括垂直磁记 录材料、纵向磁记录材料、高密度磁记录材料和巨磁电阻( g m r ) 材料，其中由 于巨磁电阻材料具有优异的磁特性而成为当前研究的热点。f e p t 纳米粒子单层膜 由于具有高的矫顽力而成为高密度垂直磁记录材料的研究热点之一【l 引。c o p t 多 层膜是一种垂直磁记录材料。与目前商品化的磁盘所用稀土一过渡金属材料相比 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 它具有高的抗氧化性及在蓝光下较高的k e r r 效应，因而被视为最有希望替代 t b f e c o 材料的第二代高密度磁光记录材料之一 4 - 6 1 。 在电子装备中，为了减少材料的体积，实现电力、电子设备的小型化、轻量 化的发展，软磁材料被广泛的应用于各种电力设备与电子器件中，从而更加高 效、节能，使人们生活更加便利，并减少了对环境的影响。近几年发展的非晶、 纳米晶( 也称超微晶) 软磁材料因为其具有高饱和磁化强度、高磁导率、低矫顽力、 低高频损耗等性能而成为软磁材料的发展方向。为了维持高频磁导率的优良特 性，磁性材料的电阻率和饱和磁化强度m s 都要大，并且具有适度大小的各向异性 场。由于金属磁性材料具有大的饱和磁感强度b s ，但电阻率很小，而铁氧体磁性 材料则具有大的电阻率和小的b s ，显然这二种材料都不具备微磁器件对材料的要 求。t - m o 纳米颗粒膜引起研究人员的广泛关注，这是一类高b s 软磁性膜【7 j 。 其中t 是过渡族元素及其合金，在膜中呈颗粒型纳米晶相或非晶相，是软磁性 的来源；m 是m g 、a i 、z r 、h f 、s i 、稀土等元素；m 0 在膜中呈氧化物绝 缘层，包围在磁性纳米颗粒周围，是高电阻的来源；膜中磁性相的含量决定b s ， 氧化物相的含量决定电阻率。以f e 基、o 基或f e c o 基为主体的氧化物、氮化物 材料如c o f e s i o s i 0 2 、c o f e z r o 、c o f e n 磁性合金纳米颗粒膜及纳米多层膜同时 具备高电阻率、高饱和磁感应强度及宽频带范围的高磁导率特性，是一种十分理 想的微磁器件用材料。 磁性材料在吸波材料中最具特色和发展潜力。高磁导率金属材料一般具有高 电导率，高频下易产生大涡流，对电磁波强反射而难以被吸收。采用薄膜多层化 设计，用绝缘介质层将高磁导率金属层间隔形成纳米多层膜复合结构，可获得高 频下的高磁导率和大磁损耗【9 。纳米磁性颗粒膜除在民用超薄、超轻的信息设 备中作为新一代微磁器件的重要材料外，还将有可能成为一种全新、大跨度的抗 电磁干扰及雷达波吸波材料。 1 1 2 金属薄膜和氧化物磁性薄膜0 1 2 l 下面介绍近十几年来研究较多的两大类磁性薄膜，金属薄膜和氧化物磁性薄 膜。 。 ( 1 ) 单层金属合金膜：一般厚度( 纳米到微米) 的金属薄膜已有很多的应用， 2 浙江大学博士学位论文 凝聚态物理 如磁记录用的f e c r c o 膜和磁光存储用的n f e c o 膜，以及f e n i 膜传感器。对于铁镍 合金，其磁电阻是各向异性的，即在某一平面上所加的电流和磁场相互平行时p = p ( i - i ) 一p ( 0 ) 0 ，而在相互垂直时a p 随卜lf e 2 0 n i s o c u f e 2 0 n i s o f e m n 自旋阀( 室温) 的 ( a ) 结构示意图，( b ) 磁滞同线，( c ) 磁电阻同线a r r ( h ) 5 浙江大学博士学位论文 凝聚态物理 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， 磁电阻完全由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 年日本东芝宣布，用自旋阀开发成功可读出面密度为5 g b i n 2 的磁头。 到1 9 9 9 年，i b m 研制成功了可达1 2 g b i n 2 的自旋阀g m r 磁头，可以读出在3 5 英寸硬盘中记录的1 0 0g b i t 的信息。 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磁 畴以及畴壁的构型，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。下面，将简略介绍交换偏置的直观物理图像和理论模型。 1 2 交换偏置现象及其理论模型 1 2 1 交换偏置现象 包含铁磁( f m ) 反铁磁( a f m ) 界面的体系在外磁场中从高于反铁磁奈尔温度 t n 又低于铁磁层居里温度t c 冷却到低温t ( t 厂 瓦 n |。“( 3 ， 1 h m |“ ) 。 l h 厂 u l m 图1 2 交换偏置的主要效应示意图 ( a ) 磁滞回线偏移，( b ) 矫顽力增强 6 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 铁磁层的磁滞回线出现不对称性，将沿磁场方向偏离原点，其偏离量被称为交换 偏置场( 记为h e ) ，同时伴随着矫顽力的增加，这一现象被称为交换偏置( 也称 交换各向异性) ，如图1 2 所示。当温度接近或等于奈尔温度时，上述效应消失， 说明是反铁磁材料引起了这种交换各向异性。研究发现：如果f m a f m 系统从铁 磁层处于退磁态时开始零场冷却，上述效应消失或不明显；如果从剩磁状态开始 零场冷却，交换偏置性质仍然存在【2 羽。 交换偏置场的大小h e 一般定义为： e = ( + i - i ) 2 ( 1 - 1 ) 其中，h + 和h 分别是磁滞回线和h 轴( 正负) 的两个交点对应的磁场。 1 2 2 交换偏置理论模型 自从m e i k l e j o h n 和b e a n 于1 9 5 6 年在有c o o # b 壳覆盖的c o 颗粒中首先发现了 这一现象。2 4 1 以来，人们研究了许多含有f m a f m 界面的不同体系和其它包含亚 铁磁材料( 如a f m f b 一和f e r r i f m ) 界面系统中的交换偏置现象，并建立了一些 相关理论模型，但至今仍然没有一个模型能够完整的解释交换偏置的实验结果。 每个模型都有其自身体系的条件假设，只能适合和针对一些特定的铁磁反铁磁 体系来解释部分的实验结果。这里主要介绍m e i k l e j o h n - b e a n 唯象模型以及m a u r i 和m a l o z e m o 鼢别提出的反铁磁畴壁模型和随机场模型。 1 m e i k l e j o h n b e a n 唯象模型( m b 模型) 1 2 3 - 2 4 l 为了解释交换偏置，m e i k l e j o h n 和b e a n 假设在铁磁反铁磁界面上存在交换耦 合作用。如图1 3 所示，当温度介于铁磁物质的居里温度t c 和反铁磁物质奈尔温 度t n 之间时，即t n t t i n 瑚 ”a f m f m 啦 a f m f m f c a f 隧 f m i d ) a f 麓 图1 3 不同阶段的铁磁反铁磁界面耦合白旋图象 ( 反铁磁层具有很强各向异性情况) 如果反铁磁材料的各向异性比较弱，那么在界面处交换耦合的作用效果与上 述的情形不同。当铁磁层自旋随外场转动时，由于反铁磁层的各向异性较弱，在 界面自旋交换耦合的作用下，反铁磁层的自旋也一起转动，如图1 4 ( b ) 所示。与 没有反铁磁层的铁磁薄膜相比，界面交换作用将导致a f m f m 系统中铁磁层的矫 顽力增大。同时，在磁矩由+ m 一一m 的转变和由- - m - - - -