（理论物理专业论文）纳米磁性材料磁光和磁电阻特性的数值计算.pdf

内容提要 内容提要 本文采用数值计算的方法研究了纳米磁性材料的磁光科尔效应和i 磁电阻效应。 主要内容安排如下： 1 首先介纠磁光效应的基本知识和测量装置幽，特别介绍了磁光科尔效麻的三 种机制和相戍的测量配置。然后介绍了磁电阻效应的一些基本知识和研究背景，主 要介绍了颗粒膜的巨磁电阻效应。在第二章中重点介绍了4 x 4 矩阵法和蒙特卡罗方 法。 2 其次，利用4 x 4 矩阵法和界面等效层理论，引入界面效应，模拟了 ( t b f e c o ) 1 0 0 - x p r ；磁陛多层膜系统的磁光特性随入射角和磁性层厚度的变化以及混合 界面层界面结构变化的关系，发现界面结构对结果有重要的影响。 3 重点利刚4 x 4 矩阵法结合蒙特卡罗方法模拟颗粒膜的磁光科尔磁滞回线和 磁i u 阻效应，模拟的磁光效应磁滞同线和巨磁电阻曲线与实验结果吻合的很好。 首先，理论模拟v s m 和m o k e 效应测得的n i 、s i 0 2 “- n 颗粒膜的磁滞同线。结 果表明，一般在倾斜入射的隋况下，【u j 磁光科尔效应测得的磁滞同线和心v s m 测 得的磁滞| 亓l 线是有区别的，这种差别随着入射角的增大而增大；对于富n i 颗粒的强 铁磁性的薄膜，这种差别比弱磁性和复合磁性薄膜的要小。 其次，计算了c 0 4 舀i - x ) 颗粒膜的磁光科尔效应和巨磁电阻效应。模拟结果表明， 各向异性作用和偶极相互作用对磁光科尔效应和巨磁电阻效应有显著的影lj 自：同时 计算了c o x a i - x ) 颗粒膜的局，丘在解释磁性颗粒膜的巨磁电阻效应有很大的帮助。 墨是一个与零场电阻m 和散射系数k 有关的参数，丘= k 概。 4 最后，基下蒙特膏罗模拟和网格电阻模型，研究了二维各向异性纳米颗粒 点阵的隧道磁电阻效应。模拟结果表明，考虑交换相互作用以后，当偶极相互作用 较弱时，磁电阻峰值随着偶极相互作h j 的增强而减小；当偶极相互作川较强时，磁 电阻峰值随着偶极相互作t | = j 的增强而增大。模拟结果能够利州不同能苗( 无规各向 异性能，偶极相互作用能和交换相互作用能) 之间的竞争作用来解释。 关键词：蒙特卡罗模拟：4 x 4 矩阵法；磁光科尔效应：磁电阻效应 福建师范火学倾卜学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i st h ek e r re f f e c ta n dm a g n e t o r e s i s t a n c eo fn a n o m a g n e t i cm a t e r i a l sh a v e b e e ns t u d i e dw i t hn u m e r i c a lm e t h o d s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea r r a n g e da s f o l l o w s ： f i r s t l y , w eb r i e f l yp r e s e n tt h ek n o w l e d g eo ft h em a g n e t o - o p t i c a le f f e c ta n di t s e x p e r i m e n t a ls c h e m e ，e s p e c i a l l yt h r e em e c h a n i s m so ft h em a g n e t o - o p t i c a lk e r re f f e c t s ， s u b s e q u e n t l y , w ea l s oe x p o u n dt h eb a s i c a li d e a so ft h em a g n e t o r e s i s t a n c e ，e s p e c i a l l yf o r g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c eo ft h eg r a n u l a rf i l m s a d d i t i o n a l l y , w ed e s c r i b et h e4 x 4m a t r i x m e t h o da n dm o n t ec a r l os i m u l a t i o nt e c h n i q u ei nt h es e c o n dc h a p t e n s e c o n d l nw i t ht h e4 x 4m a t r i xm e t h o da n dt h et h e o r yo ft h ee q u i v a l e n tl a y e r , t h e k e r re f f e c t sf o r ( t b f e c o ) l o o p rm a g n e t i cm u l t i l a y e r e d f i l m s ，a saf u n c t i o no fi n t e r f a c i a l l a y e r , t h et h i c k n e s so fm a g n e t i cl a y e ra n dt h ei n c i d e n ta n g l e ，h a v eb e e ns i m u l a t e d i ti s f o u n dt h a tt h es t r u c t u r eo fi n t e r f a c ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ef o rm a g n e t o - o p t i c a le f f e c t s i nm a g n e t i cm u l t i l a y e r e df i l m t h i r d l y , b a s e do nt h em o n t ec a r l oa n d4 x 4m a t r i xm e t h o d ，w ep r e s e n tt h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no ft h ek e r rl o o p sa n dg i a n tm a g n e t o m s i s t a n c ec u r v e si ng r a n u l a rf i l m s t h e c a l c u l a t e dr e s u l t so fb o t hk e r rl o o p sa n dg m rc u r v e sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t h e x p e r i m e n t a lo n e s o no n eh a n d ，t h ee x p e r i m e n t a lh y s t e r e s i sl o o p sf o rn i x s i 0 2 0 x 1g r a n u l a rf i l m sa r e c a l c u i a t e d t h es i m u l a t e dr e s u l t sr e v e a lt h a t ：g e n e r a l l nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e h y s t e r e s i sl o o p sm e a s u r e d f r o mv s ma n dk e r re f f e c tr e s p e c t i v e l ya l w a y se x i s t sf o r c e r t a i ni n c i d e n ta n g l e ；t h ed i f f e r e n c ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gi n c i d e n ta n g l e ；i ti ss m a l l e r i ns t r o n gf e r r o m a g n e t i cf i l m st h a nt h a ti nw e a ko rm i x e dm a g n e t i cf i l m s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ek e r rl o o p sa n dg i a n tm a g n e t o r e s i s t a c ec u r v e si nc o a g o m g r a n u l a rf i l m sa r ec a l c u l a t e d t h es i m u l a t e dr e s u l t sr e v e a lt h a t ：t h ea n i s o t r o p ye n e r g ya n d t h ed i p o l a ri n t e r a c t i o ni n f l u e n c ee v i d e n t l yt h ek e r rl o o p sa n dt h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a c e e f f e c t ；t h ev a l u eo f 蜀f o rt h ec o x a 卧对g r a n u l a rf i l m sa r ec a l c u l a t e d ，w h i c hp l a y sa n 1 i 福建师范大学硕一卜学位论文 a b s t r a c t i m p o r t a n tr o l ef o re x p l a i n i n gt h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n ee f f e c to ft h eg r a n u l a rf i l m s i t s h o u l db ep o i n t e do u tt h a tt h ec o n s t a n t 蜀i sr e l a t e dw i t ht h er e s i s t i v i t ya ta z e r of i e l da n d t h es c a t t e r i n gp a r a m e t e rc o n s t a n t f o u r l y , b a s e do nm o n t ec a r l os i m u l a t i o n sa n dr e s i s t o rn e t w o r km o d e l ，t h et u n n e l i n g m a g n e t o r e s i s t a n c e ( t m r ) f o rt h es q u a r ea n i s o t r o p i cm a g n e t i cn a n o p a r t i c l ea r r a y sh a s b e e ns t u d i e d t h es i m u l a t e dr e s u l t sr e v e a lt h a t ：w i t ht h ee x c h a n g ec o u p l i n g 上f o rs m a l l d i p o l a ri n t e r a c t i o n ，t h ev a l u eo f 撇m xd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gv a l u eo fd w h i l ei t i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gv a l u eo f df o rl a r g ed i p o l a ri n t e r a c t i o n t h o s eb e h a v i o r sc a nb e e x p l a i n e dw i t ht h ec o m p e t i t i o no f t h ed i f f e r e n te n e r g i e s ，i n c l u d i n gt h er a n d o ma n i s o t r o p y , e x c h a n g ea n dd l p o l a re n e r g i e s k e y w o r d sm a g n e t o o p t i c a lk e r re f f e c t ；4 x 4m a t r i xm e t h o d ；m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ； m a g n e t o r e s i s t a n c e i i i 福建师范大学颂i ：学位论义 第一章绪论 第一章绪论 纳水科学技术对现代材料学和凝聚态物理学的发展具有着深远的影响。所谓纳米 材料是指在三维空间中至少有其中一维的尺寸处丁二纳米数量级( 1 1 0 0 n m 1 ) 或由 它们作为基本单元构成的材料，通常分为：零维材料( 纳米颗粒) 、一维材料( 纳米 线、管) 和二维材料( 纳米薄膜) 。目前，有关纳米结构磁体材料的一些物理特性的 研究是凝聚态物理的一个研究热点问题尤其是这些材料在提高磁性记录和传感器的 性能等方面有着十分广阔的应用前景。尽管人们在理论上对纳米材料的磁性研究已有 了比较完备的理沦知识，然而对 i 新型纳米材料的磁输运及磁性质的研究还很不完 茸。这包括对磁性多层膜磁性颗粒膜，纳米颗粒阵列的磁光和磁学行为的研究，对 具有各种相互作用和磁各向异性的纳米材料的研究，以及对自旋相关传导电子在颗粒 腆羽i 纳米颗粒亡j 组装点| 1 = 中的输运过科的研究( g m r 弃i i t m r ) 等等都烂我们了解微观 世界的一个重要方面。利州理论解释不同实验所产生的各种现象，对丁今后设计磁性 器件有很大的帮助。 1 1 磁光科尔效应 1 1 1 引言 表面磁光科尔效应( s m o k e ) 对磁性薄膜的研究有着重要的影响。白1 9 8 5 年 起，m o o g 和b a d e r 2 】利用该方法在超高真空系统中测量了在a u ( 0 0 1 ) 表面外延的单 层f e 薄膜的磁滞同线，人们已经应用磁光克尔效应米研究物质表面的磁性【3 5 】。从 此，磁光效应作为一种有效的表面磁性测试技术，在磁性超薄膜相变行为 6 ，7 】、 多层膜中的层间耦台( 8 ，9 、磁有序、磁备向异性 1 0 ，1 1 】、磁化反转动力学 1 2 ， 1 3 ，以及白旋重取向 1 4 ，1 5 的研究中起着重大的作用。对于颗粒膜，表面磁光克 尔效应的应用也非常，“泛，利用它可以十分简单地测量这些颗粒膜的磁滞回线。而 且它具有很高的灵敏度，测量系统的结构比较简单。 福建师范大学硕，l 学位论文 第一章绪论 迄今为止，磁光效应的理论研究主要从宏观到微观、从经典到量子角度来研究， 算法撤多，再种算法都有再自的特点。宏观上，有一些理论是用丁推动实验的发展， 搜集莉1 分析数据的 1 6 - 1 8 ；另外一些理论是基于宏观电磁波理论 1 9 2 3 的计算方法， 还有多层膜的等效层理论 2 4 ，以及改进的有效介质理论 2 5 】。微观上，主要有基于 第一性原理的理论，研究了包括过渡金属( f e ，c o ，n i 等) 2 6 - 2 9 ，稀土 3 0 和锕 系 3 1 等磁性材料的磁光效应。 1 1 2 磁光科尔效应基本知识 物质的光学性质反映了材料的电子态和能带结构及其微观性质光学方法是获得 材料内部信息的一种有效的工具，如能带结构和晶体对称性等。对于磁性材料，其磁 光特性可以通过磁光科尔光谱获得，进而通过研究材料的磁光科尔光谱来研究磁性材 料的磁畴结构。 ( a ) 投向科尔效应( b ) 缴向科尔效应 ( c ) 横向科尔效应 图i 1 二种特殊的磁光科尔效应 磁光科尔效应描述的是一束线偏振光从具有磁矩( 包括感应磁矩) 的介质表面反射时的 效应。一束线偏振光从磁性物质表面上反射时，反射光将是一束椭圆偏振光，以椭圆 的k 轴为标忠的偏振面相对丁入射的线偏振光的偏振面方向有一定的偏转，偏转的角 度为o kt 椭圆的短轴与i 之轴的比为玑，复磁光科尔角可以表示为e 1 ) t = 吼+ i t i ， 它的人小正比于线偏振光光照区域内介质的磁化强度矢量m 。理论上，根据磁化强度 矢量m 与光入射面和界面的不同相对取向，科尔效应可以分为以f 三种模式【3 2 ( 图 2 福建师范大学硕上学位论史 第一章绪论 1 1 ) ：( a ) 极向( p o l a r ) 科尔效应磁化强度欠量m 与介质界面垂直时的科尔效应；( b ) 向( l o n g i t u d i n a l ) 科尔效应磁化强度矢量m 既平行于介质表面，又平行于光的入 射面时的科尔效应；( c ) 横l 句( t r a n s v e r s e ) 科尔效应磁化强度矢量m 与介质表面平 行，但乖直于光的入射面时的科尔效应。 1 1 3 磁光科尔效应的测量 图1 2 一种测量磁光科尔效应的测量示意匿t 3 3 1 根据入射光的入射面和外加磁场方向的相对位置，传统的磁光测量方法主要有 三种配置：( 1 ) 外加磁场垂直于样品表面测量磁光科尔信号，所测山的科尔效应随着 入射角的减小而增大：( 2 ) 外加磁场平行于磁性薄膜且平行于入射光的入射面。该配 置的科尔效应对_ 丁i 薄膜磁性的研究是很重要的：( 3 ) 外加磁场方向平行于膜面内但垂 直于入射面。图1 2 给出了一种磁光测量装置1 n 3 3 。单色仪发出一束单色光入射到偏 振片p 1 上，透射光变成一束线偏振光，该线偏振光经过一个分光镜，光束分成两个 部分，一部分反射至光电倍增管i ，然后输入到锁定放大器。另一部分透射之后，入 射到位于磁场中的样品上，反射同米的椭圆偏振光透过检偏器p 2 ，通过检偏器就可 以获得该偏振光相关的一些信息。 福建师范人学硕上学位论立 第一章结论 1 2 磁电阻效应 1 2 1 引言 磁电阻效应( m a g n e t o r e s i s t a n e e ) 是在外磁场的作用下，材料的电阻率发生变化的 一种物理现象。当电子在纳米磁性材料中输运时。如果电子平均自由程与纳米磁性材 料的尺度，如磁性薄膜的厚度和磁性颗粒的尺寸等，相当或更火时，不能将电子单纯 地看作电荷的载体，还必须同时考虑电子的自旋相对于局域磁化矢量的取向。 外磁场对电子的作用可分为两种， ( 1 ) 一种是对电子的直接洛仑兹力作用，使载流子发生偏转或产生螺旋运动，从而 使其平均自由程减小电阻升高，导致正常磁电阻效应( o r d e r m a g n e t o r e s i s t a n c e ) 3 4 ， 其特点是m r = ( p ( ) 一p ( o ) ) p ( o ) 为正值，各向异性。对于多数材料，该项数值 很小，常被忽略； ( 2 ) 另一种是通过改变材料的磁化状态从而影响载流子的输运过程。这种作用又 可分为两种情况： ( a ) 一种是与铁磁材料的技术磁化过程相联系的各向异性磁电阻效应( a n i s o 昀p y m a g n e t o r e s i s t a n c e ) ，其特点是磁场平行丁电流方向的电阻变化n 为正，而磁场垂 直于电流方向的电阻变化户i 为负，各向异性，在合适的磁场下，p 。和p 都能 饱利： ( b ) 而另外一种就是凝聚态物理的研究热点一巨磁电阻效麻( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ) 。1 9 8 8 年法 f e r t 教授的科研组在f e c r 多层膜中发现了g m r 效应 3 5 ， 在数值上t ：i ：a m r 效应大约一至二个量级，巨磁电阻之名由此而来。1 9 9 2 年b e r k o w i t z 和c h j e n 科研组分别独立地发现在c o c u 颗粒膜中同样存在巨磁电阻效应 3 6 ，3 7 。巨磁 i b 阻效应的计算一般采用如f 的定义： 4 福建师范大学硕士学位论文 第一章绪论 a p p = ( p ( h ) 一p ( o ) ) ，尸( o ) 或a p p = ( p ( 月) 一p ( h s ) ) p ( h s ) 。 在g m r 效应研究热潮的推动下。由铁磁金属和绝缘介质组成的隧道结和颗粒膜 体系中的隧道磁电阻( t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) 效应引起了人们的广泛兴 趣。对于铁磁金属一绝缘体颗粒系统中磁电阻效应的研究早在7 0 年代初期就开始， g i t t l e m a n 等人在用溅射法制备的n i s i - o 颗粒膜中观察到了磁电阻效应【3 8 】。 1 2 2 颗粒膜的巨磁电阻效应 自1 9 8 8 年b a i b i c h 等人【3 5 】在f e j c r 多层膜中观察到巨磁电阻效应以来，人们开始对 这种由铁磁性薄膜与金属非磁性薄膜交替排列的多层膜体系的巨磁电阻效应进行了 大量的研究。人们通常利用膜层表面对屯子自旋相关散射的唯象模型来解释多层膜中 的巨磁电阻现象 3 9 ，4 0 。基于多层膜的模型，b c r k o w i t z 等a d 6 和x i a o 等a 3 7 对颗 粒膜的输运性质进行了研究，为了全面深入的研究这种材料的磁输运和磁学性质，人 们做了大量的实验和提出了各种理论模型。 在实验上。用加热蒸发方法制各t c o - a g 颗粒膜 4 1 ，4 2 ，溅射法制各t f e - a g 。 f e c u ，c o - a g 等 4 3 ，4 4 ，低能粒子束沉积法制备c o - a g 颗粒薄膜【4 5 】，以及融溶旋转 法制各c o c u 条带状复合物【4 6 4 9 】等，所有的这些制各方法得到的颗粒膜都出现了巨 磁电阻现象。 为了解释实验中观察的这些现象，人们对这种金属磁性颗粒膜的研究在理论上做 了大量的工作。在众多韵理论模型中，人们普遍认为巨磁电阻现象与电子的自旋散射 有关。z h a n g s n l e v y 5 0 ，5 1 】提出颗粒膜中出现的巨磁电阻效应与多层磁性薄膜中出 现的巨磁电阻有着相同的物理本质，其主要是来源于磁性颗粒与非磁性基质表面的自 旋相互散射，而在磁性颗粒内部的自旋相关散射是个次要的部分。为了计算磁电阻， 他们引入了颗粒尺寸分布函数，在界面上以及在颗粒内部的自旋相关与自旋无关的势 福建师范大学硕士学位论文 第一章绪论 能比值a 和m 以及表征界面粗糙和在颗粒体内杂质散射的平均自由程等参数丑和 a 。等参数。从这个模型所得表达式中可以推导出巨磁电阻偏离磁化强度平方值的实 验事实，但是无法解释巨磁电阻随颗粒浓度变化出现峰值的实验结论 5 2 】，从理论上 能解释这种现象的文章不多。r y a n g 等人【5 3 。5 4 】用有效介质理论并结合双通道模型 得出了磁电阻随浓度变化出现了峰值。但计算结果和实验值相差甚远。 在理论上，用蒙特卡罗模拟方法研究颗粒膜的磁学性质及磁输运也是种有效的 方法。在大多数的唯象理论中对于颗粒膜介质的磁化状态的描述往往忽略了磁性颗 粒问的相互作用。如果要考虑相互作用作深入的研究，理论推导就变得比较复杂且要 作多步近似和规定约束条件 5 5 】。用蒙特卡罗方法，我们只要给出体系的哈密顿量， 通过计算机作不停的运算。就可以得到到磁性颗粒磁矩在热力学平衡状态下的分布。 在哈密顿量中可以容易地包含相互作用项以及磁性颗粒的磁各向异性能和塞曼能。 很多学者利用蒙特卡罗方法去探讨金属颗粒膜中出现的丰富现象 5 6 - 6 7 。其中为了研 究金属颗粒膜的磁输运现象，人们对传导电子在介质中传播的具体物理过程作了唯象 的描述并提出了模型。首先人们认为传导电子在其平均自由程的传输过程中会受到磁 性颗粒的相关散射。因为电子具有自旋磁矩，其必然受到周围无规分散的磁矩对它的作 用。周围磁性颗粒在外磁场下的相关状态将引起局域的不同自旋相关的电子散射，而造 成微观上与自旋相关的不同局域电导率。从宏观角度来说，电子自旋相关散射与体系中 颗粒磁矩在空间的统计分布密切相关。早在1 9 7 2 年，g i t t l e m a n 等人【3 8 】就提出了一个简单 而又能较好描述磁性颗粒介质中电阻率p 和外磁场的关系，p = p 。一k c o s ( 4 ) 口f ，其 中po 和k 分别是零场电阻和散射系数，a 为电子平均自由程长度。b ，为相邻磁性颗粒 磁矩间的夹角， 表示热力学平均。利用蒙特卡罗模拟即可求出( c o s ( n0 ，从而就 、 。j 可以求出巨磁电阻。d a l t b i r 等人利用蒙特卡罗方法和上述模型定性研究巨磁电阻效应， e h 于无法确切知道p 和k 的确切比值，因此只能定性研究巨磁电阻效应的一些规律。 6 福建师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 隧道磁电阻效应 隧道巨磁电阻结由于比较容易制成电子器件，所需的饱和外磁场较小以及有着较 高的室温磁电阻值，它在应用上也有很好的前景。在i b m 等公司中，由隧道磁电阻效 廊制作的感廊磁头和磁存储器什等已经投入了市场。白从1 9 9 5 年隧道磁电阻效廊在铁 磁隧道结中取得突破性的进展以来 6 8 6 9 。对隧道磁电阻的研究已引起了人们极人的 兴趣。隧道磁电阻效应不仅存在于平面型隧道结中，而且存在r 丁铁磁金属一绝缘体颗 粒膜中 7 0 ，7 1 。 在f m i f m 隧道结中，隧道磁致电阻效麻强烈地取决于铁磁层的磁化方向的排 列，这是和多层膜的g m r 效应的相似之处，都是属t 白旋极化电子输运过程。二者 不同的地方在于，g m r 是源于铁磁t b 磁界面和铁磁体内部的白旋相关敞射过程，而 t m r 月, i j 是来自于白旋相关的的隧穿过程。在g m r 输运过程中，由于s 电子的有效质量 要远小于d 电子的有效质量，所以s 电子在总电流中占据了主导作片j 。在t m r 过程中， 隧穿主要发生在费米面附近，而d 电子在费米面附近的电子数要远大于s 电子在费米 面附近的电子数，d 电子对隧穿电导起到了重要贡献。 隧道颗粒膜中巨大的t m r 效应来源于由绝缘介质势垒分隔开来的两个铁磁颗粒 间的电子的自旋相关隧道效应。隧穿电阻与颗粒磁矩的相对取向有关，如果所有铁磁 颗粒的磁矩平行排列，隧穿几率人，隧穿电阻小；反之，当磁矩反平行时，隧穿儿率 小而隧穿电阻犬；当颗粒混乱排列时，隧穿几率介于上述两种情况之间，隧穿电阻较 人。所以在外磁场的作用下当所有铁磁颗粒的磁矩从混乱状态趋于一致排列时，薄 膜电阻减小。白旋相关的电导与磁性颗粒的极化率和磁矩的相对取向有密切的关系。 i n o u e 7 2 从理论上证明了隧道颗粒膜系统中t m r 与费米面处的白旋极化率p 的平方成 j e 比。m o o d e r e 等人 6 9 1 在f e c o a 1 2 0 3 c o 隧道结中取得了室温下1 8 ，4 2 k 时高达4 7 ，比纯f e 和c o 的臼旋极化率4 0 和3 4 都要高。 在二维的纳米磁性颗粒点阵和颗粒膜中，有一个重要的新特性是磁电阻效应 7 福建师范大学顾士学位论文 第一章绪论 f 7 5 - 7 8 。颗粒膜，白组合纳米点阵和磁性半导体，这些材料由于对提高磁记录密度有 潜在的作用，目前它们的隧道自旋极化电子和磁电阻效应引起了极大的兴趣。b l a c k 等人 7 6 研究c o 纳米颗粒白组装超晶格的自旋相关隧道效应，在很低温度：2 0 k 时得n t l o 的t m r 。在t m r 效应的实验中，t m r s n 潜在的磁化反转机制有很大的关系，自旋 相关输运测量已经被用做测量自旋阀的微磁结构、磁隧道结点、人工铁磁层和铁磁环 的有效探测手段 7 9 8 2 1 。在这些实验中，不管是纳米磁性颗粒还是具有不同磁化方向 的磁畴，自旋相关电阻都是和单独的磁性体之间平均的相对磁矩成正比。因此，磁电 阻信号和自旋组态的分布是有联系的。h i l a l l g 等人 8 3 】，利用蒙特卡罗方法模拟了自 旋相关隧穿和库仑阻塞效应共同作用下的纳米结构材料的隧穿磁电阻效应。近来网 格电阻模型已经被提出用来模拟颗粒膜和自组装纳米颗粒点阵的磁电阻。在参考文献 【7 8 中，纳米颗粒点阵在没有考虑交换相互作用的情况下，利用蒙特卡罗方法和网格 电阻模型分析了t m r 随磁场的变化以及相应的磁化曲线，发现偶极相互作用会抑制 t m r 的峰值。然而对有交换相互作用的系统，很少有人研究交换相互作用能和偶极 相互作用能共同对t m r 的影响。 1 3 本论文的研究内容 目前，有关纳米结构磁体材料的一些物理特性的研究是凝聚态物理的一个研究热 点问题，尤其是这些材料在提高磁性记录和传感器的性能等方面有着十分广阔的应用 前景。本文采用数值计算的方法研究y c r b v c c o ) 1 0 0 - x p r x 磁性多层膜系统入射角和磁性 层厚度的变化以及混合界面层界面结构变化的关系；模拟了v s m 和m o k e 效应测得 的n i 。s i 0 2 f 1 m 颗粒膜的磁滞回线；模拟t c o 。a g ( 1 - x ) 颗粒膜的磁光科尔效应和巨磁电阻 曲线：研究了各向异性纳米颗粒点阵的隧道磁电阻效应其中考虑了交换相互作用， 和偶极相互作用_ d 。本文研究的目的是通过数值模拟探究纳米磁性材料的磁光和磁输 运性质，为实验和材料的研究设计提供一些参考。具体安排如下： 第二章中，重点介绍了用于数值计算的两种基本方法，4 4 矩阵方法和蒙特卡罗方法。 福建师范大学硕- 上学位论文 第一章绪论 第三章中，利用4 x 4 矩阵方法结合界面等效层理论重点研究口b 2 3 f e 7 25 c 0 45 ) i 。p r x 或( t b 2 7 f e 6 5 c o b ) l j h 磁性多层膜的磁光科尔效应。 第四，五章中，利用蒙特卡罗方法和4 4 矩阵方法研究n i 。s i 0 2 ( 】日希i c o x a g c l _ x ) 两 种颗粒膜的磁光效应和巨磁电阻效应，发现v s m 和m o k e 效应钡i 得i * n i 。s i 0 2 ( 】- x ) 颗 粒膜的磁滞同线是在理论上是有区别的；更重要的是，讨论了偶极相互作用能和无规 各向异性能等参数对k e r r 磁滞同线 t l g m r 效应的作用，并推测参量丘可用来解释颗粒 状薄膜材料的g m r 效应，这对于揭示纳米结构磁性材料的物理特性及其机理有一定 的理论指导意义。 第六章中。利用蒙特卡罗方法研究t - - - 维纳米颗粒点阵的隧道磁电阻效应，其 中考虑了交换相互作用珊n 偶极相互作用d ，从中得出的一些有趣的现象可以利用磁性 系统各能量之间的竞争作用来解释。 参考文献 5 6 7 8 9 1 0 1 1 j a c o w e n ，b a r r ys t o l z m a n ，1 l s a v e r b a c ka n dh h a r t ，j a p p l p h y s ，6 1 ，3 3 1 7 ，1 9 8 7 。 e r m o o ga n ds d b a d e r ，s u p e d a t t i c e sm i c r o s t r u e t 1 ，5 4 3 ，1 9 8 5 。 c l i u ，e r m o o g ，a n ds d b a d e r , p h y s r e v l e t t 6 0 ，2 4 2 2 ，1 9 8 8 。 s d b a d e ra n dj l e r s k i n e ，i nu l t r a t h i nm a g n e t i cs t r u c t u r e s ，e d i t e db yj a c b l a n d a n db h e i n r i c hs p r i n g e r - v e d a g ，b e r l i n ，1 9 9 4 ，v 0 1 i i ，c h a p 4a z q q i ua n ds d b a d e r ，r e v s c i i n s t r u m 7 1 ，1 2 4 3 ，2 0 0 0 。 w d u nm t a b o r e l l i ，0 p a u l ，& 触n a lw g u l ld p e s c i a ，a n dm la n d o l t , p h y s r e v k 札6 2 2 0 6 ，1 9 8 9 。 z q q i u ，j p e a r s o n ，a n ds d b a d e r ，p h y s r e v l e t t 6 7 ，1 6 4 6 ，1 9 9 1a w r b e n n e t t ，w s c h w a r z a e h e r ，a n d w f ，e g e l h o f f , a h y s r e v l e t t ，6 5 ，3 1 6 9 ，1 9 9 0 。 b h e i n r i e h ，z c e l i n s k i ，j e c o c h r a n ，a s a r r o t t ，a n dk m y r t l e ，p h y s r e v b4 7 ，5 0 7 7 ， 1 9 9 3 。 r k k a w a k a m i ，e j e s e o r c i a - a p a r i c i o ，a n dz q q i u ，p h y s r e v l e t t 7 7 ，2 5 7 0 ，1 9 9 6 。 s h o p e ，e g u ，b c h o i ，a n dj a c b l a n d , p h y s r e v l e t t 8 0 ，1 7 5 0 ，1 9 9 8 。 福建师范大学硕：b 学位论文 第一章绪论 1 2 1 3 1 4 3 3 3 4 3 5 3 6 1 l p c o w b u m ，s j g r a y ，a n dj a c b l a n d ，p h y s r e v l e t t 7 9 , 4 0 1 8 ，1 9 9 7 。 s - b c h o ea n ds - ( 3 s h i n ，p h y s r e v b5 7 ，1 0 8 5 ，1 9 9 8 ：6 2 ，8 6 4 6 ，2 0 0 0 。 m f a r l e ，b m i r w a l d - s c h u l z ，a n a n i s i m o v ，w p l a t o w ，a n dk b a b e r s c h k e p h y s r e v b 5 5 ，3 7 0 8 ，1 9 9 7 。 c s a m o l d ，h l j o h n s t o n ，a n dd v e n u s ，p h y s r e v b5 6 ，8 1 6 9 ，1 9 9 7 。 j m f l o r c z a k a n d e d d a h l b e r g , j a p p l p h y s 6 7 ，7 5 2 0 1 9 9 0 ；p h y s r e v b 4 4 9 3 3 8 ，1 9 9 1 。 a b e r g e r a n d m 1 l p u f a l l ，a p p l p h y s l e t t 7 1 ，9 6 5 ，1 9 9 7 ；j a p p i p h y s 8 5 ，4 5 8 3 ，1 9 9 9 。 m r p u f a l l ，c p l a t t ，a n da b e r g e r , j a p p l p h y s 8 5 ，4 8 1 8 ，1 9 9 9 。 w a m c g a h a na n dj w o o l l a m ，a p p l p h y s c o m m u n 9 ，1 ，1 9 8 9 。 m m a n s u f i p u r ，j a p p l p h y s 6 7 ，6 4 6 6 ，1 9 9 0 。 s v i s n o v s k y ，m n y v l t ，v p r o s s e r ，r l o p u s n i k ，r u r b a n ，j f e r r e ，g p e n i s s a r d ，d r e n a r d ，a n dr k r i s h n a n ，p h y s r e v b5 2 ，1 0 9 0 ，1 9 9 5 。 k r h e l ma n dm r s c h e i n f e i n ，j m a g n m a g n m a t e r 1 5 4 ，1 4 1 ，1 9 9 6 。 c yy o ua n ds 4 2 s h i n ，j a p p l p h y s 8 4 ，5 4 1 ，1 9 9 8 。 r a t k i n s o n ，j m a g n m a g n m a t e r 9 5 6 1 ，1 9 9 1 ；9 5 ，6 9 ，1 9 9 1 。 c - y y o u ，s c s h i n ，a n ds - y k i m ，p h y s r e v b5 5 ，5 9 5 3 ，1 9 9 7 。 m k i m ，a j f r e e m a n a n dr w u ，p h y s r e v b5 9 。9 4 3 2 ，1 9 9 9 。 p m o p p e n e e r , t m a u r e r ，j s t i c h t ，a n dj k u b l e r ，p h y s r e v b4 5 ，1 0 9 2 4 ，1 9 9 2 。 o y g u oa n dh e b e r t ，p h y s r e v b5 0 ，1 0 3 7 7 ，1 9 9 4a t g a s e h e ，m s s b r o o k s 。a n db j o h a n s s o n ，p h y s r e v b5 3 ，2 9 6 ，1 9 9 6 。 v n a n t o n o v ，b n h m a n o n , 丸y p e r l o v , a n d a n y a r e s k o ，p h y s r e v , b ，5 9 ，1 4 5 6 1 ，1 9 9 9 。 v n a n t o n o v , b n h a r m o n , a n y a r e s k o ，a n d a y p c r l o v , p h y s r e v b 5 9 ，1 4 5 7 1 ，1 9 9 9 。 刘公强，乐忐强，沈德芳磁光学上海，上海科学技术出版社，2 0 0 1 年5 月第1 版 磁光效应自动测量系统的分析沈俊南京大学；朱伟荣，董国胜，陈艳，金晓峰，真 空科学与技术1 7 ，2 4 3 ，1 9 9 7 ；z j y a n g a n d m r s c h e i n f e i n ，j a p p l p h y s 7 4 ，6 8 1 0 ， 1 9 9 3 。 a b p i p p a r d , m a g n e t o r e s i s l m l c e i n m e t a l s , c a m b r i d g e u n i v e r s i t y p r e s s , c a m b r i d g e ，1 9 8 9 。 m n b a i b i e h ，j m b r o t o ，a f e r t ，f n g u y e n ，e ta l p h y s r e v l e t t 6 1 ，2 4 7 2 ，1 9 8 8 。 a e b e r k o w i t z ，j r m i t e k e l l ，m j c o r e y ，a p y o u n g ，c ta lp h y s r e v l e t t 6 8 ，3 7 4 5 ，1 9 9 2 。 0 福建师范大学硕士学位论文 坫m博捞加甜 控”m筋；号”勰凹如”弛 第一章绪论 6 0 6 1 6 2 j q x i a o ，j s j i a n ga n dc ，l c h i e ne ta lp h y s r e v l e t t 6 8 ，3 7 4 9 ，1 9 9 2 。 j l g i t t l e m a n ，y g o l d s t e i