（材料物理与化学专业论文）cofemn钉扎体系的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文首先从理论计算出发，导出了仅在一个方向均匀饱和磁化的条形铁 磁层附近的磁场分布解析表达式。通过对单层铁磁薄膜的空间磁场进行数值 分析，作出了一定宽度、厚度的铁磁层磁场的二维图形，总结了铁磁层外部 空间的磁场分布规律，得出了最合适的铁磁层的宽度和厚度范围，并计算了 不同宽度和厚度的铁磁层中间区域的磁场大小，这对研究磁性交换偏置体系 中铁磁层的耦合作用有一定的意义，通过对不同宽度的铁磁层的磁场进行分 析，得到作用在反铁磁层表面的磁场大小。 另外，本文利用微型磁体附近的局域磁场作用，来研究外磁场对交换偏 置体系的影响。采用紫外光刻方法在硅衬底上光刻出宽度分别为1 微米、4 微米、1 0 微米的微条，并分别在不同宽度的微条上用直流磁控溅射方法生 长c o f e m n 钉扎体系，通过测试薄膜的磁滞回线，得到这两种不同结构的 交换偏置场和矫顽力。结果表明4 微米宽度的c o f e m n 相对于1 0 微米体系， 交换偏置场和矫顽力都比较大，这归因于4 微米铁磁条在附近产生的磁场比 1 0 微米的大。 关键词：磁性薄膜光刻磁控溅射交换偏置 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t i nt h i sp a p e f s t a r t i n gf r o mt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，m a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n a n a l y t i c a le x p r e s s i o n n e a r a c o m p l e t e l y u n i f o r ms a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o nr e c t a n g u l a rf e r r o m a g n e t i sd e r i v e d t w o d i m e n s i o n a lm a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o ng r a p h i c sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dw i d t ho ff e r r o m a g n e ti s d e r i v e db ym a g n e t i cf i e l da n a l y s i so ft h ei n d i v i d u a lf e r r o m a g n e t ，s u m m e du p m a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o no u t s i d ef e r r o m a g n e ti nt h es p a c ea n dt h em o s t s u i t a b l ew i d t ha n dt h i c k n e s ss c o p eo ff e r r o m a g n e t a n dc a l c u l a t et h em i d d l e r e g i o nm a g n e t i cf i e l do f d i f f e r e n tw i d t ha n dt h i c k n e s so ff e r r o m a g n e t t h es t u d y o fc o u p l i n gb e t w e e nm a g n e t i cl a y e r so fe x c h a n g eb i a ss y s t e mh a v eac e r t a i n v a l u e ，a n a l y z i n gm a g n e t i cf i e l do ff e r r o m a g n e to fd i f f e r e n tw i d t ha n dt h i c k n e s s ， g a i n e dt h em a g n e t i cf i e l do na d j a c e n tf e r r o m a g n e t a l s o ，u s i n gt h el o c a lm a g n e t i cf i e l dn e a rm i c r o m a g n e t s ，s t u d y i n gi m p a c t o fm a g n e t i cf i e l do ne x c h a n g eb i a ss y s t e m l i t h o g r a p h yw i d t ho f4m i c r o n ，8 m i c r o nm i c r o s t r i pi nt h es i l i c o ns u b s t r a t eu s i n gu l t r a v i o l e tl i t h o g r a p h y t e c h n o l o g y , t h e nc o f e m np i n n i n gs y s t e m i s g r o w nr e s p e c t i v e l yi nd i f f e r e n t w i d t hm i c r o s t r i pu s i n gd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gm e t h o d ，b yt e s to ff i l m s h y s t e r e s i sl o o p ，t h ee x c h a n g eb i a sf i e l da n dc o e r c i v i t yo ft h e s et w od i f f e r e n t s t r u c t u r ei so b s e r v e d w ec a ns e eb e r e re x c h a n g eb i a sf i e l da n de o e r c i v i t yi n 4 m i c r o nw i d t hc o f e m nt h a n10m i c r o n s ，w h i e l li sa t t r i b u t e dt ol a r g e rm a g n e t i c f i e l dn e a r4 m i c r o nw i d t hm i c r o m a g n e t st h a n10 - m i c r o nw i d t hm i c r o m a g n e t k e y w o r d s ：m a g n e t i ct h i nf i l m ；l i t h o g r a p h y ；m a g n e t r o ns p u r e r i n g ； e x c h a n g eb i a s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得西南科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：主i j 船锭e l 期：川，石7 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：主i j 口氧傻 导师签名 砍帔日期：呷6 7 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 引言 1 9 8 6 年p g r u n b e r g 等【l 】在f e c r f e 三明治结构中发现了穿过金属层c f 的f e 磁层之间的反铁磁交换耦合，此后1 9 8 8 年a 。f e r t 等【2 j 在纳米级f e c r 周期性多层膜中观察到，当施加外磁场时其电阻下降，在4 2 k 低温下可下 降5 0 以上，这就是巨磁电阻( g m r ) 效应。此后科学家们陆续研究出f e c u 、 f e a g 、f e a 1 、f e a u 、c o c u 、c o a g 、c o a u 等具有显著g m r 效应的层间 耦合多层膜。1 9 9 2 年人们利用两种磁矫顽力较大的材料( 例如c o 和f e n i ) 带0 成c o c u f e 2 0 n i 8 0 c u 多层膜，他们发现，当c u 层厚度大于5 n m 时，层间耦 合较弱，可以通过控制外磁场的大小和方向来改变磁矩的方向，以自旋取向 的不同来控制膜电阻的大小，从而获得g m r 效应，这就是自旋阀结构的 g m r 效应。于此同时，b e r k o w i t z 和c h i e n 等人首先发现了f e 、c o 与c u 、 a g 分别形成的二元合金颗粒中具有巨磁电阻效应，在低温下其电阻变化可 达到4 0 6 0 ，随后陆续出现了f e a g 、f e - c u 、c o 。a g i - x a g 等颗粒多层膜。 1 9 9 5 年人们发现用a 1 2 0 3 代替f e c r 周期性多层膜中的导体c r ，观察到很大 的隧道磁电阻效应( t m r ) 。而1 9 9 4 年又发现钙钛矿结构掺杂锰氧化合物具 有超大的负磁电阻效应，开创了凝聚态物理领域又一新的前沿课题。这类材 料被称为超大磁电阻材料，或称庞磁电阻材料( c m r ) 。在g m r 、t m r 效应 中一个最重要的理论知识就是电子自旋状态对于输运过程的作用。于是研究 电子自旋状态成为物理研究的热点问题之一。由于纳米尺度的磁性非磁性 多层膜、纳米颗粒薄膜的成功制备，巨磁电阻效应逐渐地被发现并应用于实 际。 人们在对g m r 、t m r 效应的材料进行研究时，各种应用也同时产生。 第一个代表性的成果是g m r 自旋阀读出磁头。g m r 效应发现后不到6 年， 第一个商品化的g m r 自旋阀硬盘读出磁头就问世了。自1 9 5 7 年i b m 公司 首次开发出用于数据存储的旋转式商业硬盘装置r a m a c 以来，硬盘的面密 度一直在不断地得到提高。1 9 9 2 年i b m 公司采用薄膜磁阻磁头( m r ) 以后， 硬盘的面密度从4 0 的增长速率提高到了6 0 【引。1 9 9 7 年i b m 公司采用了 自旋阀巨磁阻磁头( g m r ) 技术，硬盘的面密度更是以1 0 0 的速率加以增长。 到2 0 0 0 年，i b m 公司实现了1 0 3 g b i n 2 的面密度。2 0 0 1 年，f u j i t s u 公司宣 布其利用g m r 磁头和垂直磁记录技术研制出面密度达3 0 0 g b i n 2 的硬盘。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 因此在过去的十年之内，计算机硬盘( h d d ) 存储的面密度从不足1 0 0 m b i n z 猛升到l o o g b i n 2 以上，正是得益于磁电阻效应( 包括早期的各项异性磁电阻 效应) 的应用。这样硬盘作为一种最关键器件在国内和国外市场上逐渐被应 用并完善。第二个代表性的成果就是基于隧道磁电阻( t m r ) 效应的磁性随机 存储器( m r a m ) 。这种内存芯片具有信息不随断电而丢失的优良特性，而且 存储速度高。 在g m r 、t m r 效应的理论研究中，铁磁反铁磁双层膜中的交换偏置起 着至关重要的作用。在对交换偏置研究过程中，最重要的有几个方面：材料 的选取、界面的微结构、薄膜中的自旋电子输运和磁化翻转之间的关系。本 论文的选题就是围绕“铁磁反铁磁双层膜钉扎体系的交换偏置”来进行研究。 1 2磁性多层膜的磁电阻效应 磁电阻( m r ) 是指外加磁场使得导体的电阻发生变化。所有金属和非磁金 属中都存在磁电阻效应，属于正常磁电阻( o m r ) ，是由于电子受到磁场的洛 仑兹力作用而产生螺旋运动，从而使电阻增大。大部分非磁金属的o m r 都 比较小，比如c u 的o m r 不超过1 0 嗡。 对于磁性金属( 比如铁磁金属) ，自旋的极化将会对m r 产生额外的贡献。 随电流与磁化强度的相对取向不同铁磁金属的电阻也随着变化，称之为各向 异性磁电阻( a m r ) 。一般铁磁金属a m r 在室温下只有2 3 。 在1 9 8 8 年b a i b i c h 2 】等在f e c r 多层膜中发现了巨磁电阻( g m r ) ，其特点 为： ( 1 ) 数值远比a m r 的大。 ( 2 ) 为负值。传统的定义磁电阻为：脚：p ( h ) - p ( o ) 0 。 p ( o ) ( 3 ) 基本为各向同性。 理论和实验均表明，出现负磁电阻的必要条件是在退磁和磁化状态下多 层膜中相邻铁磁层磁距分别为反平行或平行。反铁磁耦合不是必要条件，而 是导致相邻磁层中磁化反平行排列的方法之一。 g m r 效应是由于相邻铁磁层的磁矩相对取向变化引起的。1 9 8 6 年 g r u n b e r g 等人【1 】通过观察铁磁层的自旋波的散射光谱，发现c r 层两边的铁 磁层磁矩反平行排列，即铁磁层的f e 是反铁磁耦合。1 9 8 8 年a f e r t 等【2 】 在f e c r 多层膜中通过加入外磁场使反平行排列的铁磁层磁矩平行排列，从 而改变其电阻。各铁磁层磁矩反平行排列时电阻最大，平行排列时电阻最小， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 这就是g m r 的物理过程【2 j 。 1 9 8 8 年，a f e n 等人【2 l 在用分子束外延( m b e ) 方法生长的 ( f e 3 0 n m c r 0 9 n m ) 多层膜中，4 2k 的低温下电阻变化可以达到5 0 ，远超 过了纯f e 层中的各向异性磁电阻( 0 2 ) 。此后，i b m 公司的p a r k i n 等人发 现用溅射方法制备的f e c r f e 三层膜和多层膜中同样有巨磁电阻效应【4 5 】， 其在室温和低温4 2k 的g m r 值分别为2 5 和1 1 0 。随后科学家分别发现 了由各种铁磁层( f e 、n i 、c o 及其合金) 和非磁层( 包括3 d 、4 d 以及5 d 非磁金 属) 交替生长而构成的磁性多层膜中，许多都具有巨磁电阻效应【6 9 】。随后， 人们在纳米颗粒膜、亚稳态合金膜、氧化物膜及磁性隧道结多层膜等材料中 也发现了大的磁电阻效应。 对磁性多层膜结构中产生的层间耦合和巨磁电阻效应现象，m o t t 曾提出 过一种理论模型双流体模型。下面就是对该理论模型的解释。 1 3 g m r 效应的双流体模型 早在1 9 3 6 年，m o t t 为了解释铁磁金属的电阻行为，提出了目前被人们 所接受的双电流模型，并用双电流模型计算了铁磁体材料的电阻。m o t t 认为 在铁磁体中的传导电子可以分为自旋向上和向下两类( 可以理解为多子和少 子) ，当温度特别低时，如果磁子散射忽略不计的话，那么铁磁体中的多子和 少子在铁磁体散射中互不干扰。交换作用使得f e r m i 面附近的电子“自旋向 上和“自旋向下的子能带相对位移，从而使“自旋向上 和“自旋向下 的电子数目不相等，外场作用将会使电子的输运过程表现为与自旋取向相关。 为了简化，假定f e r m i 面上仅有一种自旋子带的电子( 即选取自旋电子数目较 多的一种) 。在铁磁体的输运过程中，多子和少子可以被认为沿着各自韵通道 独立进行，互相并不关联。磁阻的计算同时也可以看成是这两种不同自旋投 影的电子所产生的电阻的并联。 如下图，是自旋向上或向下的电子在f m n m f m 三层膜中隧穿过程示 意图。隧穿的原则是，从第一个膜的f e r m i 面上出发的某种自旋状态的电子， 畿否达到第二个膜的f e r m i 面上，取决于这种电子的自旋状态是否与第二个 膜自旋子带上自旋状态相同。当两个铁磁膜磁化矢量彼此平行时，与两个膜 自旋子带方向相同的自旋电子就会很容易的通过。当两个铁磁层的磁化反平 行时，由于结区两侧f e r m i 面上自旋状态不同，隧穿过程就被抑制了。根据 m o t t 的双流体模型，见下图。若电子自旋方向与局域磁矩反平行时，则受到 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 的散射就强；而当电子自旋方向与局域磁矩平行时，则受到的散射就弱得多。 当两磁层的磁矩取向平行时，自旋向上的电子在两磁层中所受到的散射都很 弱，因而携带大部分电流，其电阻率为p 十；相反，自旋向下的电子在两磁层 中受到强散射作用，对电流贡献小，其电阻率为p 。这两者总的等效电阻为 p p = 胁p 。( 胁4 - 。) o 当两磁层的磁矩取向反平行时，自旋向上的电子在一 磁层中所受到的散射强，而在另一层中所受到的散射作用弱，其电阻率为 ( 办+ p 1 ) 1 2 。同样，自旋向下的电子在一磁层中所受到的散射作用弱，而在 另一层中所受到的散射作用强烈，其电阻率亦为( 屏4 - p 。) 2 ，总的等效电阻 为p 。，= ( p 。4 - p t ) 4o 由此可以看出，当两磁层的磁矩平行与反平行时，电 阻不同，相应的电阻变化为： a p l p 彳p = l p t p 汴f l p t 七p 了 因此，在g m r 多层膜中，相邻铁磁层的磁矩互相平行时，整个体系处于低 电阻态；当二者反平行时，体系处于高电阻态。 书 9 图卜1 f ig 1 1 mn mm 驴j 。? t 4 岬 二一 _ _ _ _ 一 一 文 乩施 - 缸* 椒盆 rr 凸 令 9 mn mm r r rr 8 m r 效应的等效电阻示意图。其中r 表示高电阻态，r 表示低电阻态 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 磁性多层膜的结构类型 1 4 1自旋阀( s p inv alv e ) 1 9 9 4 年t s a n g 等人研究出全集成化的g m r 器件自旋阀。同年美国的 i b m 公司利用自旋阎原理研制出数据读出磁头，他将磁盘记录密度提高了1 7 倍。自旋阎结构有许多种，比如底部钉扎自旋阀、顶部钉扎自旋阀和对称自 旋阀等。它主要是由铁磁层f m l ( 自由层) 隔离层n m ( 非磁性层) 铁磁层 f m 2 ( 被钉扎层) 反铁磁层a f ( 钉扎层) 组成( 如图1 - 2 ( a ) 为顶部钉扎自旋阀) 。自 旋阀中的隔离层一般厚度比较薄，这样可以使两铁磁层之间的耦合比较弱。 铁磁层一般选自旋极化率比较高的软磁材料( 如n i f e ) 等，当加外磁场时， f m l 自由层在磁场作用下磁矩会随着磁场基本一致转动。f m 2 由于受到a f 的 交换偏置作用而被钉扎，比较小的外磁场无法使其磁矩翻转，所以f m 2 层被 叫做被钉扎层，a f 层称作钉扎层。制各自旋阀薄膜时，一般溅射前在基片表 面加一磁场以诱导铁磁层的易磁化轴，这时的f m l 和f m 2 的磁矩平行排列， 电阻最小；当逐渐地反方向加以外磁场时，自由层f m l 将首先随外场翻转直 到f m l 和f m 2 的磁矩反平行排列，电阻变到最大，此时的磁场称为自由层翻 转磁场。当外磁场继续增大，超过a f 对f m 2 的钉扎作用时，f m 2 也开始翻转， 最后f m l 和f m 2 的磁矩又在反方向平行排列，电阻又变到最小。因此，自旋 阀结构可以在外磁场方向变化的情况下电阻发生很大的变化。 1 4 2 磁性隧道结( m t j ) 磁性隧道结的结构类似于自旋阀，只不过两铁磁层之间的隔离层n m 为 绝缘层( 如图l - 2 ( b ) ) ，它的最基本结构是：f m i f m 。如果在两层金属薄膜之 间加上偏压就有电子隧穿通过绝缘层势垒形成隧穿电流1 1 叭，早在7 0 年代初， t e d r o w 和m e s e r v e y 利用“超导体非磁绝缘体铁磁金属隧道结验证了隧穿 电流是自旋极化的【1 1 1 。四年后，s l o n c z e w s k i t l 2 】提出以铁磁金属取代超导体， 当两铁磁层磁化方向平行及反平行时，此f m i f m 隧道结将具有不同的电阻 值【”】。1 9 7 5 年时，j u l l i e r e 1 4 1 在f e g e c o 隧道结中发现了在4 2 k 时的电导变化 为1 4 ，而且，还发现两铁磁层的磁化方向是由外磁场改变的，我们把这种 因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象，称为隧道 结巨磁电阻效应( t m r ) 。 直到1 9 9 5 年，国外对f m i f m 隧道结才有了突破性的进展。m i y a z a k i 等 人在f e a 1 2 0 3 f e 磁隧道结中发现，其室温下的t m r 就高达1 5 6 【”】，后来 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 m o o d c r a 等在c o f e a 1 2 0 3 c o 和c o a 1 2 0 3 n i f e e f 】也观察到了较大的t m r ，这样 磁性隧道结的研究和应用就逐渐开始了。 b 图卜2( a ) 自旋阔( b ) 磁性隧道结 f i g1 2( a ) s p inv a i v o ( b ) m a g n s t i ct u n n e lj u n e t io n 1 5巨磁电阻效应的应用 15 1 磁性传惑器 磁性传感器主要用来检测磁场的强弱、方向和变化量等，利用g m r 材 料可以做成各种高灵敏度的磁性传感器。g m r 传感器的高灵敏度可以探测 地磁场，也可以测量物体的转动角速度，还可以做成磁性编码器等。世界上 第一个商用的g m r 传感器是n v e 公司在1 9 9 4 年发粕的，所用的g m r 材 料为反铁磁耦合的多层膜。g m r 传感器除了直接测量磁场大小外，还可以 通过合理的设计，将磁场转化成电流、位移、线速度、角度、角速度等物理 量，从而在机电自动控制、汽车工业和航天工业等方面有广泛的应用。 1 52 磁盘读出磁头 读出磁头属于磁场传感嚣中最为突出的应用。它主要通过感应磁盘上相 邻存储信号位之间的杂散场来获取信号( 如酎i 3 所示) 。在计算机硬盘中， 每一个记录信息单元对应于盘面磁介质上微小的磁化区( 即磁畴) ，其中磁矩 在某一个方向的磁畴，对应二进制信息的“0 ”；另一个方向的磁畴对应“1 ”。 这些磁化单元产生两种不同方向的弱磁场。从硬盘读出信息时，g m r 读出 磁头在硬盘面上两种不同方向的弱磁场作用下它的自由层磁矩随弱磁场的 方向改变而转动，实现与被钉扎层磁矩相互平行或反平行。从而，出现低的 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 或高的电阻态。在两个相邻磁畴的交界处，会出现垂直于磁盘面的杂散场。 通过g m r 磁头来探测杂散场引起磁头电阻的变化，就可以将磁盘上的信息 读出，实现由磁信号到电信号的高灵敏度转换。 彳c 氆 图1 - 3磁记录信息示意图 f i g 1 3 s c h e m a ti cd i a g r a mo fm a g n e t i cr e c o r d i n gi n f o r m a t i o n 1 5 3 磁性随机存储器( m r a m ) 磁性随机存储器的原理就是通过改变磁记录单元磁矩的方向来存储数 据，通过读取磁记录单元磁阻大小来获取数据。目前的磁性随机存储器主要 分为两种( 如图1 4 所示) 。第一种为g m r 的磁性存储器，它通过感线上的 g m r 单元来进行数据的读取和存储。第二种为t m r 的磁存储器，它采用独 立磁性隧道结作为存储单元进行数据读取和存储。这两种类型的内存的读取 和存储过程原理大体相同，只是在读取时，g m r 存储器是通过获得感线上 所有g m r 电阻总和来判断，而t m r 由于采用点阵结构，所以可以通过直 接读取每个节点上的电阻来判断。 t m r 的磁存储器的原理是：磁存储器的读取和存储过程由互相垂直的 位线和字线辅助完成，通常情况下位线和字线所产生的磁场只能使自旋阀中 的软磁层或硬磁层转动9 0 度，但并不能实现磁层的完全翻转。只有当位线 和字线共同作用时，叠加的磁场才能使磁层的翻转完全实现。存储信息时， 必须在一记录节点处给字线和位线同时通上电流，才可以让记录层实现翻 转。电流的正负决定了存储单元磁矩的方向。读取信息时则可以在位线( 或 字线) 中通入适当的小电流来检验隧道结磁电阻，通过的磁阻大小来判断存 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 储单元磁矩的方向。m r a m 与其它存储器相比，具有很多潜在的优点。第 一，m r a m 属于非挥发性存储器。由于它依靠存储睢元中磁矩的方向来存 储数据，所以其具有断电信号保存功能。第二m r a m 具有很快的读写速 度。第三，m r a m 具有低能耗的特性。因此m r a m 的应用前景比较好。 图1 4串联的6 m r 和t m r 元件构成的m r a m 示意图 f lg1 4 $ c h e m a t i cd i a g o fm r ma p p ar a t u sc o n s is t i n go fs e t i e so fg m ra n d t m rc o m p o n e n t 1 6 本论文研究的内容 ( 1 ) 计算厚度大约为2 r i m 的饱和磁化的铁磁层( 先以f e 为例) 附近沿x ，z 方 向的磁场分布( 铁磁层的尺寸分别为1 微米、2 微米、4 微米、l o 微米) ( 2 ) 光刻出1 微米、2 微米、4 微米、l0 微米的微条。 ( 3 ) 用直流磁控溅射法生长c o f e m n 钉扎体系，用v s m 测量磁性，研究体 系的交换偏置，并分析磁性能。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 交换偏置效应 铁磁反铁磁的交换耦合( e x c h a n g ec o u p l i n g ) 也称交换偏置( e x c h a n g e b i a s i n g ) ，当包含铁磁体( f m ) 反铁磁体( a f ) 界面的材料从n e e l 温度以上在磁 场中冷却，或者f m a f m 双层膜在磁场中生长，就会在铁磁材料中产生一 个单方向的各向异性，正是这种界面作用，反铁磁的单轴各向异性作用于铁 磁层，使铁磁层的磁滞回线中心偏离零磁场，并同时伴随有矫顽力的增加 l l 扣1 7 1 ，这种现象称为交换偏置，磁滞回线中心的偏移量定义为交换偏置场或 钉扎场( h e ) 【1 8 d9 1 。早在1 9 5 6 年，m e i k e j o h n 和b e a n 就发现了交换偏置现象。 但直到今日，它的微观起源仍未完全清楚。 最近几年来，人们一直在研究铁磁反铁磁交换耦合相互作用，而这种 铁磁体与反铁磁体的交换耦合是一种界面效应，因此交换偏置场( 即钉扎场) 与铁磁层和反铁磁层界面的电子自旋状况有关。通过界面交换耦合的作用， 反铁磁层的单轴各向异性可以作用于铁磁层，反过来，铁磁层的单向各向异 性也可以作用于反铁磁层，从而改变反铁磁层的性能。由于f m a f 界面附 近的晶体结构和磁结构非常复杂，目前对于交换偏置的界面效应研究的还比 较少，因此需要通过实验来更好地完善理论。 2 1交换偏置理论的提出 图2 - 1c o - c 0 0 微粒 f i g 2 1 c o c o op a r t i c i e s c o o 薄层 c o 颗粒 1 9 5 6 年m e i k l e j o l m 和b e a n 在c o o 外壳覆盖的c o 颗粒中首先发现了 西南科技大学硕士研究生学位论文第1o 页 这一现象【1 6 , 1 7 】，将c o 细颗粒的表面进行微弱氧化，形成表面是c o o 层，芯 是c o 的微粒，如图2 1 。同时将样品在磁场中从室温冷却到7 7k ，测量了 样品的磁滞回线和转矩曲线( 如图2 2 ) 。m e i k l e j o h n 和b e a n 观察到，如果 c o 颗粒上c o o 层的厚度小于某一临界值，m h 曲线可以在磁场轴上移动消 失。m b 把这种磁场造成的回线移动称为产生了交换各向异性，并被看作是 铁磁层的c o 和反铁磁的c o o 磁矩问的交换耦合产生的结果，而且定义当外 加场与冷却场平行时，磁滞回线中心向负场方向的移动量为钉扎场h e 。 囊 i i 萨。 磁场退火 磊 厂：三 乡 1 0b 6 夕7 5，- k o ， 越 缝 。 ( a ) 钐 气 c 觚 盯_ 图2 2( a ) c o - c o o 微粒7 7 k 下的磁滞回线：( b ) c o - c o o 微粒在h = 5 9 x 1 0 5 a m 磁场 强度下的转矩曲线。 f i g 2 - 2( a ) h y s t e r e s isl o o po fc o c o op a r t l c i e su n d e r7 7 k ：( b ) t h et o r q u ec u r v e o fc o c o op a r t i c l e su n d e rt h eh = 5 9 x 1 0 5 a mm a g n e t i cf i e i d 2 2交换偏置的理论模型 尽管交换偏置的发现距今已有5 0 多年了，人们为了更好的理解和解释 交换偏置现象提出了许多模型，但至今仍然没有一个模型能够完整的解释交 换偏置。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。下面我们主要介绍m b 唯象模型、 m a t l f i 和m a l o z e m o f f z h c 几种模型。 2 2 1m eikie jo h n - b e a n ( m - b ) 模型 为了解释交换偏置，m e i k l e j o h n 和b e a n 假设在铁磁一反铁磁界面上存在 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 l 页 交换耦台作用。如图2 - 3 所示，当体系温度处于反铁磁材料的奈尔温度t h 和铁 磁材料的居里温度t c ( t n t k f ) ，并且假设反铁磁层的各向异性轴均平行于单向各向 异性轴，则钉扎场的表达式如下， h 口= j “( t f mm v m ) ( 2 2 ) 方程( 2 2 ) 给出的钉扎场比实验值都大2 3 个数量级。但从上式可以得出最基 本的特征：首先交换偏置场正比于l t f m ，这一点与大多数的实验结果相符 合；其次，反铁磁层厚度存在临界值，从而解释了普遍存在的实验现象。 有一些研究对m b 模型作了一些改进，发现如果反铁磁层的各向异性常数 很大，将有如下的表达式【2 1 1 h d ；j e x ( t f mm f m ) + j e x ( 8t f mm f mt 2 a fk z a f ) ( 2 3 ) 从上式可以知道交换偏置场随着反铁磁层厚度的增加而急剧减小，最后趋于 饱和。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 2m a uri 模型 m b 模型是最基本的模型，但是用它计算的偏置场与实验结果有严重分 歧。为了更好的解释交换偏置，3 0 年后，m a u r i 等提出了反铁磁畴壁的种 新机制【2 2 1 ，大大降低了m b 模型偏置场的大小。m a u r i 在这个模型中假设， 当铁磁体和反铁磁界面耦合时，反铁磁磁矩通过形成畴壁来降低界面的交换 能。这个假设实际上就去除了m b 模型中反铁磁各向异性无穷大的因素， 把反铁磁的磁矩情况也在模型中加以考虑。其假设如下：( 1 ) 界面非常平整， 界面的耦合是铁磁性耦合；( 2 ) 铁磁层的厚度远小于铁磁层中的畴壁宽度，铁 磁层的自旋翻转完全一致转动；( 3 ) 平行于界面的畴壁在反铁磁层一侧形成， 这样使交换耦合能有一个上限，以获得比较合理的钉扎场值。在计算中，自 由能的表达式如下： e = 一f f w c o s ( 一h m f mt f m c o s ( o p ) + k ft a f s i n q j c x e o s ( d 一伍) ( 2 4 ) 上式各项依次为反铁磁畴壁能、磁场作用能、反铁磁层各向异性能和 f m a f 界面交换能。为简化起见，( 2 4 ) 式中未考虑铁磁层的各向异性。根 据能量最小原理可以获得磁化曲线，这里反铁磁层易轴与铁磁层单向各向异 性轴互相平行，即a = 0 。当铁磁层的磁化强度转动时，反铁磁层内自旋形成 畴壁结构，导致体系能量的增加。单位面积上的畴壁能量为o w = ( a a f k a f ) 2 ，其中a a f 是交换常数。 强耦合情况，即j e ， d w 时： h p = 一2 ( a a fk a f ) “z m f m t f m ( 2 - 5 ) 弱耦合时，即j c x g w ： h p = - j e x m f mt v m ( 2 - 6 ) 以及界面交换耦合能和反铁磁层的畴壁能相近时。即j 。x o w h p = ( 1 m r mt f m ) ( 6 w j e x 0 2 e x + d 2 w ) u z ) ( 2 7 ) m a u r i 模型首先成功解释了钉扎场与铁磁层厚度的关系，其次，在强耦 合的情况下由于假设反铁磁层形成了平行于界面的畴壁，能量减少 兀( a a f k a f ) “2 a 1 0 0 倍，h p 远小于m b 模型中钉扎场的计算值，与实验结 果相近，从而克服了m b 模型存在的严重不足，这是该模型成功之处。最 近的一些实验间接证明了f m a f 双层膜中铁磁层磁化强度翻转的过程中反 铁磁层的自旋形成了螺旋状结【2 3 1 。但这个模型不能说明界面是反铁磁性耦合 【2 4 】和铁磁层的磁化方向与反铁磁层的易轴垂直的情况。另外该模型提出的只 在反铁磁层形成畴壁则必须要求的是反铁磁层的各向异性能k a f 很小，否则 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 畴壁会在铁磁层一侧形成。更为重要的是，该模型不能解释反铁磁层界面为 补偿面时存在钉扎场的原因，而且其钉扎场甚至比未补偿时还要大。 2 2 3 随机场模型 从前面的分析可以知道，m a u r i 模型只考虑了完全未补偿界面的情形， 而且界面本身是理想平整的。但是，补偿反铁磁界面构成的铁磁反铁磁双 层膜也可能存在交换偏置，而且真实界面都不可避免存在粗糙度或缺陷。事 实上，由于反铁磁界面存在粗糙度或缺陷，在原子尺度上自旋分布存在不均 匀性，因此补偿界面在微观尺度上也产生净磁矩。因为a f m 中的未补偿磁 矩与f m 层的磁矩之间存在耦合作用，铁磁自旋对于反铁磁层存在随机场作 用( 随机场模型最早被用来研究铁磁体系中的磁畴结构) 。于是m a l o z e m o f f 于1 9 8 7 年提出一种随机场模型来定量解释其交换偏置【2 孓2 6 1 。其假设如下， 考虑铁磁体为单畴结构。反铁磁层被看成一个二维体系，通过形成很多磁畴 来降低体系能量。反铁磁层的畴壁法线方向平行于膜面。在界面处由于反铁 磁层的分畴，降低了界面耦合强度。通过计算反铁磁层内部的交换能，各向 异性能和反铁磁铁磁界面耦合能的平衡，可以得到反铁磁层内部的磁畴大 小为l 兀( a a f k a f ) “2 ，a a f 为a f 层的耦合系数，交换场为 h p = a o 2 m f mt f m = 2z ( a a f k a f ) “。n zm f mt f m ( 2 - 8 ) 与m a u r i 模型中的结果相似。但是，随机场模型给出的钉扎场与m b 模型 相比减少了约1 0 0 倍。从空间上看，m a u r i 模型中反铁磁层为一维结构，即 磁矩只在z 方向上变化，而m a l o z e m o f f 则把反铁磁体系看成了一个x y 平 面的二维畴结构。但本质上他们都是通过考虑反铁磁层的磁构型来降低m b 模型给出的交换偏置场。另外，m a l o z e m o f f 的模型不仅大大降低了交换偏 置场，而且还能成功地解释了交换偏置中的热稳定性，磁锻炼效应等。此外 这个模型也被成功用来解释n i f e c o 等双层膜低温矫顽力与铁磁层厚度的 关系。但m a l o z e m o f f 模型也有缺陷，该模型只适用于单晶的反铁磁系统， 不能适用于多晶反铁磁构成的系统。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 _ _ 卜- 。_ p - 。 _ - - _ - p _ _ _ - _ - _ - - 。- - _ p - - _ - - _ _ ， , - - - 4 m - , - - - 4 m - - 卜 p - - p - _ 。p _ - - _ ，- - _ - _ _ _ ，- _ _ - 一 _ 。：- - - - - _ - - _ _ _ - 一_ _ 一：- _ _ - ：_ _ 一 ：- ： - _ r - _ _ - _ - _ - o - _ _ - - _ - - _ - o _ - 一o - - 一一 图2 - 5a f f m 界面原子磁矩的排列结构。虚线表示a f f m 界面。黑点位置是f m 耦 合，没有黑点的位置是a f 耦合 f i g 2 - 5 t h es t r u c t u r eo ft h ea t o m i cm a g n e ti cm o m e n ti nt h ea f f m i n t e r f a c e d o t t e d ii n ei n d i c a r et h e f f min t e r f a c e b i a c ks p o t st h a tf m c o u p li n g 1 3 0b l a c kt h a ts p o t sa fc o u p i n g 2 3影响交换偏置的因素 从f m a f 交换偏置的各种模型来看，涉及到交换偏置的问题很多，人 们通过对铁磁反铁磁( f m a f m ) 双层膜的交换偏置进行了大量的理论和实 验研究，发现交换偏置的基本特征受到众多因素的影晌，例如铁磁层厚度、 反铁磁层厚度、反铁磁层的结构取向、界面粗糙度与晶粒尺寸、温度效应等、 冷却场的大小和方向、磁锻炼效应及热稳定性等。 2 3 1铁磁层厚度的影响 许多实验和理论研究表明，铁磁反铁磁双层膜中的交换偏置是一种界 面效应【2 7 2 8 1 。目前的实验研究中表明对于f m a f m 双层膜，如果反铁磁层 厚度固定不变，而且f m 层的厚度小于其畴壁的尺寸，交换偏置场将反比于 铁磁层f m 的厚度( 如下图2 6 所示) ，即h e o c t f m ，这样就可以根据直线的 斜率求出双层膜的交换能j 。x 。夏国强【2 9 j 等通过对直流磁控溅射法制备的 n i e l f e l 9 c r 8 2 a l l 8 双层膜中的交换耦合进行研究，样品的室温矫顽力与1 t f m 近似成正比例关系，从而表明在n i 8 f e l 9 c r 8 2 a l l s 中交换耦合为铁磁反铁磁 界面的随机相互作用。但是，z h a n g 等人在c o o f e n i 双层膜中发现矫顽力 与1 t 3 彪f m 呈线性关系，很显然矫顽力的这依赖关系就不能简单地理解为 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 界面效应【3 们。因此，在铁磁反铁磁连续膜中，矫顽力总是随着铁磁层的厚 度的增加而减少的，但并不一定随厚度的倒数成线性关系【3 。 o 勺 2 o ： c 西 = n i f et h i o k n e s s ( a ) 图2