（材料物理与化学专业论文）（cofec颗粒膜的微观结构与磁性质.pdf

天津大学硕士学位论文 中文摘要 本文采用对向靶直流磁控溅射法制备了系n ( c o ，f e ) 一c 颗粒薄膜样品，并对其 进行了退火处理；用原子力显微镜、x 射线光电予能谱、x 射线衍射、高分辨透 射电子显微镜、振动样品磁强计，分别研究了样品的表面形貌、成份、微观结构 和磁性质。 原子力显微镜分析结果表明，制备态c 呱c l o o 一3 0 虫笪0 ) 颗粒膜的平均表面粗 糙度俾0 比硅基片的表面粗糙度小，而f e 4 8 c 5 2 颗粒膜的尼值比硅基片的表面粗糙 度大，并随退火温度的升高而增大。 x 射线衍射、高分辨透射电子显微镜、选区电子衍射和x 射线光电子能谱分 析表明，制各态的c o l o o 。颗粒膜由一2 n r l l 的非晶c o 颗粒分散在非晶c 母体中组 成。随着退火温度升高，非晶颗粒膜结晶，c o 颗粒长大。受结晶环境的限制，在 4 5 0o c 出现了低温稳定相h c p c o 。制备态的f e 4 s c 5 2 颗粒膜由卅l l l i l 的非晶态的 f e 颗粒镶嵌在非晶态的c 母体中组成，在4 0 0o c 以上退火，f e 4 8 c 5 2 颗粒膜中的非 晶f e 结晶为n f e ，并且颗粒尺寸随着退火温度的升高而增大，从高分辨透射电镜 图像上可以看出，在相同退火条件下，f e 和c 的结晶程度比c o - c 颗粒薄膜更好。 磁性测量结果表明，由于c o 含量的增加使磁性颗粒间的相互作用增强，制备 态c o # c 1 0 0 。颗粒膜的矫顽力随c o 含量的增加而减小。制备态c 0 3 0 c 7 0 颗粒膜的矫 顽力随薄膜厚度的增加而减小，原因是随着膜厚的增加，逾渗阈值的减小，导致 颗粒间的相互作用增大；此外，薄膜厚度的减小也不利于长程磁畴结构的形成。 制备态的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜具有超顺磁性，可以用l a n g e v i n 方程来进行拟合，颗粒尺 寸满足对数一正态分布。退火的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜的矫顽力随退火温度和退火时间的 增加而增大，主要原因是随着退火温度和时间的增加，f e 和c 两相的相分离更加 完全，颗粒间的相互作用减小，磁化机制由畴壁位移转变为单畴磁矩转动，磁性 颗粒更好地表现为s t o n e r - w o h l f a r t h 颗粒行为。 关键词t 磁性颗粒薄膜，微观结构，相分离，矫顽力，畴壁位移模型，s t o n e r - w o h l f a r t h 模型 天津大学硕士学位论文 。_ _ 。_ 。_ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 a b s t r a c t ( c o ，f e ) - cg r a n u l a r f i l m sw e r ef a b r i c a t e d b yad cf a c i n g - t a r g e tm a g n e t r o n s p u t t e r i n gs y s t e ma tr o o mt e m p e r a t u r ea n dw e r es u b s e q u e n t l ya n n e a l e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s t h e s u r f a c e m o r p h o l o g y , c o m p o s i t i o n ，m i c r o s t m c t u r e a n d m a g n e t i c p r o p e a i e s w e r e i n v e s t i g a t e db yu s i n g a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p y ( a f m ) ，x - r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ，h i g h - r e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( h r t e m ) a n d v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e rf v s m ) a f mr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea v e r a g es u r f a c er o u g h n e s so fa s - d e p o s i t e dc o c g r a n u l a rf i l m si ss m a l l e ri b a nt h a to fs i ( 1 0 0 ) s u b s t r a t e s h o w e v e r , t h ea v e r a g es u r f a c e r o u g h n e s so fa s d e p o s i t e df e w cg r a n u l a rf i l m si sl a r g e rt h a nt h a to fs i ( 10 0 ) s u b s t r a t e s a n di n c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e a s eo f a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e x r d ，h r t e m ，s a e d ，a n dx p sa n a l y s e ss h o w t h a tt h ea s - d e p o s i t e dc o cg r a n u l a r f i l m sc o n s i s to f 2n n la m o r p h o u sc og r a n u l e se m b e d d e di na m o r p h o u scm a t r i x w i t h t h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，t h ea m o r p h o u sc o - cg r a n u l a rf i l m sc r y s t a l l i z e a n dt h es i z eo fc og r a n u l e si n c r e a s e s d u et ot h ec o n s t r i c t i o n so fc r y s t a l l o g r a p h i c e n v i r o n m e n t ，w h e nt h ea n n e a lt e m p e r a t u r er e a c h e s4 5 0o c ，h c p c op h a s ea p p e a r s ，w h i c h i s g e n e r a l l yc o n s i d e r e dt ob es t a b l e a tt e m p e r a t u r e sb e l o w4 2 5o c t h ea s - d e p o s i t e d f e 4 s c s 2g r a n u l a rt h i nf i l m sa r ec o m p o s e d o f 4n n la m o r p h o u sf eg r a n u l e sd i s p e r s e di n a m o r p h o u sc a n n e a l e d a tt e m p e r a t u r e sa b o v e4 0 0o c ，t h ea m o r p h o u sf e c r y s t a l l i z e st o 旺一f ea n di t ss i z ei n c r e a s e sw i t ht h ea n n e a lt e m p e r a t u r e c o m p a r e dw i t l lc o cg r a n u l a r f i l m s ，am o r ec o m p l e t ec r y s t a l l i z a t i o no fa m o r p h o u sf eg r a n u l e sc a nb eo b s e r v e di nt h e h r t e m i m a g e o f f e cg r a n u l a rf i l m sa n n e a l e da tt h es a m ec o n d i t i o n s m a g n e t i cm e a s u r e m e n t si n d i c a t et h a tt h ec o e r c i v i t yo fa s - d e p o s i t e dc o cg r a n u l a r f i l m sd e c r e a s e sw i t hc oc o n c e n 仃a t i o na n df i l mt h i c k n e s s w h i c hc a nb ei n t e r p r e t e da s t h ee n h a n c e di n t e r - g r a n u l ei n t e r a c t i o nt h r o u g ht h ec oa t o m sd i s p e r s e di na m o r p h o u sc m a t r i xa n dt h a ta r i s i n gf i - o mt h ed e c r e a s eo f p e r c o l a t i o nt h r e s h o l dw i t ht h ef i l mt h i c k n e s s 天津大学硕士学位论文 t h ea s d e p o s i t e df e 4 s c 5 2t h i nf i l m sa l e s u p e r p a r a m a g n e t i c ，a n d t h e i rm a g n e t i z a t i o n c l l i e sm e a s u r e da tr o o mt e m p e r a t u r ec a nb ed e s c r i b e db ya l a n g e v i nf u n c t i o nt a k i n ga l o g - n o r m a ls i z ed i s t r i b u t i o ni n t oa c c o u n t w i t h t h ei n c r e a s eo f a n n e a i i n g t e m p e r a t u r ea n d t i m e ，t h ec o e r c i v i t yo fa n n e a l e df e 4 9 c 5 2g m n 叫a rf i l m si n c r e a s e sa n dt h em a g n e t i c r e v e r s a lm e c h a n i s mc h a n g e sf r o md o m a i nw a l lm o t i o nt os t o n e r - w o h l f a r t hr o t a t i o n ， w h i c hc a l lb ea t t r i b u t e dt ot h ed e c r e a s eo fi n t e r - p a r t i c l ei n t e r a c t i o nc a u s e db yi m p r o v e d p h a s es e p a r a t i o n k e yw o r d s ：m a g n e t i cg r a n u l a rt h i nf i l m s ，m ，i c r o s t r u c t u r e ，p h a s es e p a r a t i o n ，c o e r c i v i t y , d o m a i nw a i lm o t i o nm o d e l ，s t o n e r - w o h l f a l t hr o t a t i o nm o d e l i i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘芏或其他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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 姗姥粘 签字日期：扣年月广日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：3 切年f 月i - 日 导师躲b 协 签字日期：j 却年? 月j - 日 第一章前言 第一章前言 磁性颗粒膜是由小铁磁性金属颗粒分布在非磁性薄膜基体中形成的复合材 料体系。原则上，颗粒材料与母体材料在制备条件下应互不固溶，因此颗粒膜 区别于合金、化合物，属于非均匀系统。满足此条件的材料组合有金属一金属、 金属一绝缘体( 半导体) 、半导体一半导体( 超导体) 、超导体一绝缘体等，从而构 成了内涵丰富，物理、化学性质可以人工剪裁的复合体系。从k u b o 的早期研究 开始，人们注意到了各种精细颗粒体系。由于量子尺度效应，这种系统展示出 了不同于块体材料的特殊行为。磁性质也受颗粒的尺寸和形状的影响。由于磁 性颗粒薄膜在高密度磁记录领域具有广阔的应用前景，所以部分磁性颗粒膜已 经被研究了很长时间。颗粒膜的性质除取决于组分外，还与微颗粒的尺寸、体 积百分比以及界面结构等因素有关。通过控制组分和制备工艺条件的控制，可 以获得纳米量级的颗粒薄膜，从而体系将会呈现尺寸效应。由于颗粒膜系统在 导电性、光学性质、磁性、机械性能等方面表现出丰富多彩的物理现象，因此 不论从基础研究还是实际应用角度看，颗粒膜都是一类值得深入研究的新型人 工功能材料。 上世纪9 0 年代初期，对于磁性颗粒膜的深入研究首先从铁磁金属一非金属 颗粒薄膜系统中的巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e g m r ) 开始的，而灵 感则来源于磁性多层膜系统中的巨磁电阻效应。1 9 8 8 年法国巴黎大学物理系 f e r t 教授的科研组首先在f e c r 多层膜中发现了巨磁电阻效应【”，即材料的电阻 率随材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象，他们采用分子束外延的手段， 第一章前言 在g a a s ( 0 0 1 ) 基片上外延生长了( 0 0 1 ) f e ( 0 0 1 ) c r 超晶格，在4 2k 温度下，当f e c r 层的厚度分别为3 和0 9i l i a 时，外加2k o e 的磁场可获得- 5 0 磁电阻变化率 ( a e r 。“- 5 0 ) ，这一数值比人们所熟知的f e n i 合金的各向异性磁电阻约大一 个数量级，并且为负值，故称之为巨磁电阻效应( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 以示区别。f e c r 多层膜中g m r 效应的物理机制源于相邻铁磁层问通过非磁性 c r 层产生的反铁磁性耦合，而外加磁场可改变铁磁层中磁矩的方向，使其趋于 外磁场方向取向排列，由于电子在具有不同磁矩取向的磁性层中输运时，所受 到的散射几率是不同的，从而导致电阻率随磁化状态的改变而改变。g r u n b e r g 等人【2 1 曾在1 9 8 6 年采用布里渊散射对f e c r 多层膜的层问耦合进行了研究，为 巨磁电阻效应的发现奠定了物理基础。鉴于巨磁电阻效应在基础研究和实际应 用中的重要性，f e r t 教授和g r u n b e r g 教授于1 9 9 4 年8 月在波兰华沙召开的国际 磁学会议上获得第二届i u p a p ( i n t e r n a f i o n a lu n i o n o f p u r ea n d a p p l i e dp h y s i c s ) 磁 学大奖。在磁性多层膜的巨磁电阻效应研究的启发与促进下，1 9 9 2 年b e r k o w i t z 和c h i e n 研究组 3 _ 6 】分别独立地发现在c o c u 和c o a g 颗粒膜中同样存在巨磁电 阻效应。1 9 9 3 年h e l m o l t 等人【7 】在l a o 6 7 b a o3 3 m n o x 类钙钛矿铁磁薄膜中发现室 温磁电阻效应可高达6 0 ，为这类混合价化合物的本征磁电阻效应的研究揭开 了序幕。1 9 9 5 年m i y a z a k a 等人8 】发现f e a 1 2 0 3 f e 隧道结室温下巨磁电阻效应 可达1 8 。另外，早在7 0 年代初期，g i t t l e m a n 等9 1 人，在用溅射法制备的n i s i o 颗粒膜中观察到了很小的磁电阻效应，并将它归因于自旋相关隧穿效应。2 0 多 年后，在1 9 9 5 年，f u j i m o d 和m i t a n i 等人1 0 ，1 1 】首次报道了c o a 1 一o 系统中室 温下的巨磁电阻效应，磁电阻值约为8 。此后不久，m i l n e r 掣1 2 1 l x e n i ( c o ) 一s i 一0 2 一 第一章前言 系统中也发现了这种巨大磁电阻效应。这种电子的输运过程是隧道效应的巨磁 电阻称为“隧道型磁电阻( 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 ) ”。1 9 9 6 年在 c o ( n i ) 一s i 0 2 颗粒膜中同样发现具有隧道效应的巨磁电阻效应。巨磁电阻效应的 研究，为研究领域的确立奠定了基础，并在高密度读出磁头，磁传感器，磁性 随机存储器等领域具有广阔的应用前景，从而成为国际上极为活跃的研究领域 之一。 1 1 碳基颗粒膜的研究现状 磁记录材料广泛应用于计算机和电子设备中。随着计算机产业的不断发展 对磁记录材料面密度的要求也越来越高，估计在近几年要达到1 0 0g b i n 2 。由于 在高密度磁记录介质材料方面的潜在应用前景，磁性颗粒膜( 磁性颗粒嵌在非磁 性的母体中1 已经是很长一段时间内人们研究的热点课题。当磁性颗粒的体积百 分含量较低时，磁性颗粒具有单畴磁结构并且相互之间被母体材料隔离开。其 作为高密度磁纪录材料的颗粒膜还应具有以下的特征 ( 1 ) 具有高的矫顽力； ( 2 ) 具有很高的信噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) 。因为噪音在很大程度上取决于 铁磁性颗粒间的交换耦合相互作用，因此要将颗粒充分的隔离开，以降低颗粒 间的相互作用，这主要靠母体的选择和颗粒与母体间的相分离 ( 3 ) 具有很好的磁性和结构热稳定性。在超高密度磁记录中材料要满足下式 k y k 日t 6 0 3 第一章前言 因此，在高密度磁记录领域，颗粒膜的结构和磁性质是研究的主要方面。材料 的结构和磁性质受很多因素 1 3 - 1 7 1 的影响，例如，制备条件、基底温度、薄膜厚 度、磁性金属的体积含量、退火温度和时间、磁性材料的磁各向异性等。这也 使得磁性颗粒膜在应用上遇到了很多的实际问题。 1 1 1 磁性金属的体积百分比对结构和磁性质的影响 随着磁性金属体积含量的变化，颗粒膜的结构和磁性质都会发生变化d 8 - 2 0 】。 当磁性金属体积百分含量低于逾渗闽值时，磁性颗粒被母体材料很好地分离 颗粒间的相互作用很小。每个颗粒均为单畴颗粒，并且这样的颗粒在磁化过程 中，主要以磁畴转动为主。一般认为，磁畴转动所要越过的势垒要比畴壁转动 所要越过的势垒高，所以这样颗粒的聚集体的矫顽力很大，具备硬磁材料的基 本特性。当磁性金属的含量大于逾渗阈值时，颗粒互相连接在一起形成金属网 状结构，颗粒间的相互作用增加，在磁化过程中主要以畴壁位移为主，矫顽力 很小，表现为软磁特性。因此，磁性颗粒间的相互作用一般会随磁性金属的含 量增加而增强，导致磁性质发生变化。 1 1 2 基底温度和退火处理对颗粒膜的结构和磁性质的影响 在制备颍粒薄膜时，基底温度是个十分重要的工艺参数。一般地，随着基 底温度( 功的增加，颗粒将逐渐长大。但是也有例外，如k o n n o 等2 1 1 在c o c 系统中发现当瓦从3 5 0o c 变到4 0 0o c 时，颗粒略有减小。另外，当瓦升高时， 颗粒相与母体相的相分离更加明显，而且晶相也发生变化，如在c o c 系统中， 4 第一章前言 当疋升高时，c o 从面心立方f f c c ) 结构转变化为六角密排( h c p ) 结构。高的基底温 度不利于亚稳态的碳化物等中间相的形成【2 2 1 。热处理可以在很大程度上可以改 善膜的结构和磁性能【2 3 - 2 7 1 ，因此需要对样品进行退火。相同的退火条件对不同 成分的颗粒膜的影响也是不一样的。认为热处理对磁性金属含量大的样品影响 更大一些，例如，一般地认为颗粒尺寸随退火温度的升高而长大，但从长大的 程度上看，磁性金属体积百分比小样品的要比含量大的样品变化小。适当的退 火还可以改变磁性金属的晶格结构，获得不同的磁晶各向异性常数，从而影响 其磁性质。 1 1 3 薄膜厚度的影响 同样的材料，不同的薄膜厚度，其结构和磁性材料也有所不同。k o n n o 2 1 ： 和c h r i s t o d o u l i d e s 等人1 2 8 】分别在c o c 和f e s i 0 2 颗粒膜中发现矫顽力随着薄膜 厚度的增加而减小。可见，不同厚度的薄膜样品具有不同的结构和磁性质。一 般认为，颗粒膜系统的逾渗阈值随着薄膜厚度的增加而减小，在成份不变的条 件下，逾渗阈值的减小使颗粒间的相互作用增强，矫顽力降低。此外，人们已 经在异质合金和铁磁性的纳米复合结构中观察到由于相应的交换耦合和偶极相 互作用而引起的长程磁畴结构。薄膜厚度的减小不利于形成长程的磁畴结构， 因此，随着颗粒膜厚度的减小矫顽力会增加。 1 1 。4 热稳定性 由于近年来磁记录密度的要求越来越高，也就是说在近几年内面密度要达 5 第一章前言 到1 0 0g b i n 2 ( 现在为2 0g b i n 2 ) ，人们把这种记录介质材料叫超高密度磁纪录材 料。为了降低介质噪音，矫顽力要达到4k o e ，并且颗粒的尺寸小于1 0n n l 。对 于大小为1 01 1 1 1 1 的颗粒，热稳定性又是一个十分重要的问题。在以往的磁记录 材料中一般认为 而在超高密度纪录材料中 。v l k 日t 4 0 ， j i 。v l k 日t 6 0 ， ( 1 2 ) ( 1 3 ) 其中，k 。为单轴各向异性常数，v 为颗粒的体积，k 。为玻尔兹曼常数，t 为绝 对温度。可看出，对于屯z 2 x 1 0 6e r g e m 3 的材料，当颗粒的尺寸小于1 0n l n 时， 在室温下不能满足( 1 - 3 ) 式。而对于具有面心四方结构( f c t ) 的c o p t ( k 。“5 1 0 7e r g c m 3 ) ，在颗粒尺寸为4n m ( 矿= 6 4 x 1 0 。2 0c m 3 ) 时仍可以满足( 1 3 ) 式。所以c o p t 和f e p t 合金是目前高密度磁记录的最佳候选材料。但是，要想 得到面心四方的c o p t 和f e p t 并不容易。一般需要在高温下对其退火，所以如 何降低退火温度又是一个问题。目前，有些人 2 9 - 3 1 】采用在f e p t 、c o p t 合金中掺 杂其它金属的方法来降低退火温度，般可降低1 0 0 。c 。但退火温度下降的物 理本质还不清楚。 1 1 5 颗粒尺寸分布对磁性质的影响 磁性颗粒膜中颗粒尺寸分布的不均匀性对其最终的应用形成了很大的障 碍。当颗粒尺寸分布很宽时，样品的磁性质会变得相当的复杂。例如，z h a n g 等 6 一 第一章前言 人【3 2 】在研究f e c o ( c ) 系统时在z f c 肛丁曲线中发现三种不同的磁化强度对温度 的依赖关系。并把这种现象解释为小的单畴颗粒磁化的非冻结性( 1 l i l b l o c k i n g ) 和 大的多畴磁性颗粒的钉扎效应。同时还发现样品的饱和磁化强度随温度的增加 单调减少，而矫顽力随温度的增加也有很大的减小。这些都是颗粒尺寸分布的 不均匀造成的。因此，如何降低颗粒的尺寸分布是亟待解决的问题。 1 1 6 颗粒间的相互作用 在高密度记录材料中，对繇粒间的相互作用的理解是获得高的转换密度 ( t r a n s i t i o nd e n s i t i e s ) 和高信噪比的关键。实验表明3 m 曲线可以表征颗粒间的相 互作用。其中8 m 为 8 m = 2 m ，一1 一m d ，( 1 - 4 ) m ，是以交流退磁状态为起点的剩磁，m 。是以饱和态为起点的剩磁。对于没有 相互作用的单轴颗粒系统来说，8 m 为0 。在磁性材料中，8 m 与0 的偏差被认 为是来源于颗粒间的相互作用。因此，对踟的测量可以反映颗粒间的相互作用。 一般认为，当8 m 为正值时，相互作用有利于磁化过程，为交换相互作用： 当8 m 为负值时，相互作用有利于逆磁化过程，为偶极相互作用。 目前，人们研究3 m 曲线主要使用下面的睢象模型【3 3 3 9 】，基于以下几点假设 ( 1 ) 由单畴颗粒组成的系统； ( 2 ) 颗粒具有单畴各向异性( 应力、结构、形状各向异性) ： ( 3 ) 只考虑在外加磁场方向的磁化强度： 7 第一章前言 ( 4 ) 每个颗粒具有常数l 暖矩； ( 5 ) 固有矫顽力h k 具有对数正态分布 删= 砺1 唧 _ ( 掣 2 ， m s ， 其中，h 。为对数正态分布的中值。若取h k = h k h o ，h = 驯日。，则有 刖= 丽1e 坤 一( 掣 2 m s ， 满足以上假设可以得到当没有相互作用时， 鸠= f p 慨协t ，( 1 - 7 ) m d = 2 f p ( 1 d h 。一1 ( 1 - 8 ) 对于有相互作用的材料则 m ，= + ( u , ) p ( h k ) d h k ， ( 1 - 9 ) 帆= 2 f + ， 坼p 魄玩- 1 ( 1 - 1 0 ) 其中，f ( m ) 是有效相互作用场，即 厂似) = a m + f l ( 1 一m 2 ) ， ( 1 - 1 1 ) 第一项洲是以整体磁化强度和局域相互交换作用为基础的平均场的贡献，第二 项卢( 1 一m 2 ) 为相互作用场相对平均场的波动。 这个唯象模型不仅可以用于颗粒系统而且还可以用于双层膜系统。 8 一 第一章前言 1 1 7 宏观量子隧穿效应对记录密度的影响 磁化强度矢量的能量低于方向相反的两个磁矢量间的势垒时，仍能改变其 方向，隧穿势垒。这种效应称为磁化强度的宏观量子隧道效应( q u n t u mt u n n e l i n g o f m a g n e t i z a t i o n ，q t m ) 。 考虑单轴单畴磁性颗粒，在易磁化轴的两个方向，存在一个势垒u ，当颗 粒从亚稳态( 肘与外场日反向) 转到稳定态( m 与日同向) 时，就要克服这一势垒。 假设颗粒磁矩在z 轴方向，外加磁场圩与之反向。为使一个原子磁矩与其它原 子磁矩一起转动，每个原子将耗去交换能五0 ，而要使总的粒子磁矩一致转动偏 离各向异性轴，则需要能量e 。当n e e x e a - 1 0 3 - 1 0 5 时，就有可能使m 向着能 量最小状态一致转动，即磁化反转。当温度低于l 这种磁化反转必须通过量 子效应方能实现。 取各向异性能密度为 e 。= 一k m ：+ 世m ：一露再( 1 - 1 2 ) 在球坐标系中，上式可化为 k = k + k s i n 20 - m h ( 1 一c o s o ) ( 1 1 3 ) 当h h n = 2 k m 时，存在两个能量最小值8 = 0 和疗= 兀，最大值( 西= o ) 位于o ， c o s 0 = h h 。如图1 - 1 所示。势垒的高度u = 翰v e 2 ，其中矿是粒子的体积， s = 1 一日，磁化强度矢量吖满足l a u d a u l i f s h i t z - g i l b e r t 方程 丝=一廊墨，(1-10to m 4 ) ， ， 9 第一章前言 式中r 是旋磁比。最近研究表明，方程的实时解可以用来解释诸如f m r ，自旋 波等现象，虚时解则对应于隧穿过程。 在低温下，m 从初始态向终态坶反转的量子输运几率可以用下面的路 径积分来求得 巳d 阻( r ) e x p i l h ) ，( 1 - 1 5 ) 从m 开始到m 止，对其积分。其中j 是系统的作用因子，可以用下式表示 ，= f d t ( - m l y 庐+ m y o c o s o e p ，妒) ) ( 1 一1 6 ) 将( 1 1 3 ) 式带x ( i 一1 6 ) 式可以得到，再将代入( 1 1 5 ) 式可以得到隧穿几率为 i q s j 2 6 5 4 啦堂h 警e x p ( - 8 s 3 ( h 。| hj 8 3 2 、) ( 1 - 1 7 ) 最令人感兴趣的是多大的尺寸的颗粒能出现明显的量子效应。目前，i b m 公司的两个科学家h e l d 和g r i n s t e i n 4 0 】对这个问题作了细致的分析并且给出了计 算稳定的最小颗粒尺寸的公式( 即在低温下，出现宏观量子隧道效应的尺寸) 。 随着面记录密度的增加，颗粒膜系统中的颗粒变得越来越小。这样热稳定 性就成了很重要的问题。热激发可以使磁矩自发的反转。但是，是不是当温度 降到足够低时，面密度会无限的增大呢? 答案是否定的。当颗粒尺寸小到一定 程度，温度足够低时，将出现宏观量子隧道效应。这时，在磁矩的自发反转过 程中，宏观量子隧道效应将取代热激发效应而占主导地位。 ，l o 第一章前言 ( a ) c o ) 。+ ! f ：t ：- ： t ：- o ：- ：、：= = ：= = 点 遍露、莲掺甄fld ：一：、 i ：1 w i 、- ：- ：甲 r ： 蓥 l m l o n e t l z z t l d nu t i l e 0 l d 叼 图1 - 1 ( a ) 记录材料中的s t o n e r - w o h l f a r t h 颗粒 ( b ) 磁性能与0 之间的函数关系 图1 - 1 ( a ) 为记录材料中的s t o n e r w o h l f a r t h 颗粒，图1 - l ( b ) 为磁性能与0 之 间的函数关系。可见，记录密度是有极限的，那么不同的材料所能达到的最大 密度是多少呢? 下面将给出计算方法。如图1 - 1 所示，假设颗粒为独立的、弱 相互作用的s t o n e r - w o h l f a r t h 颗粒。颗粒所具有的能量为 e ( o ，妒) = k v s i n 2 口一d m 。v c o s ( o 一庐) ，( 1 - 1 8 ) 其中，k 为各向异性能密度，v 为颗粒的体积，胁为退磁化场，蝇为饱和磁化 强度，0 为磁化强度矢量与易磁化轴之间的夹角，西退磁化场与易磁化轴方向的 夹角。磁化强度在写磁场方向上的分量与时间的变化关系为m ( r ) = m o p r 7 一。 用w k b 方程可以计算出，锄r = p 。，其中，r 0 1 “2 芦k m 。，y 为旋磁比， 且y 群i 7 6 1 0 7 0 e ， “= 2 s f d o s i n 弛( z p ) + i 丽口) ，( 1 - 1 9 ) 第一章前言 z p ) ；- x v s i n 2 0 - 而w ( o 万, # ) 一- e ( o + , q k ) ， ( 1 2 。) n 为图1 - 1 b 中亚稳态势井的位置，口一定义为e 缸，庐) = e ( 或，妒) 时所对应的位置。 当h 。 k t 。这时上( 盯) = 1 ，因而得到m = 蛳，称为饱和磁化。 在实际系统中，颗粒的尺寸并不是均匀的，而是有一定的分布的，因此， 磁矩为 ，4 6 第四章( c o ，f e ) - c 颗粒膜的磁性质 m 啦f 三( 气笋如玑 ， 其中，三是朗之万方程，_ ，( 功是颗粒的尺寸分布。为了简化，假设颗粒是球形的 直径为d ，则有对数正态分布为 其中 他，= 丽1 历e 冲 _ 噻等斗 睁 f f ( d ) d o = l ( 4 - 1 1 ) 对图4 - 3 ( a ) 的拟合结果为d = 4 5n l i l ，l n a = 0 3n l n 。此结果和透射电镜的结果 基本一致。 图4 - 4 给出了不同温度下退火的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜的面内和面外m - h 曲线。从 图中可以看出，退火样品均为铁磁性，并且易磁化轴平行于薄膜表面。面内矫 顽力随着退火温度的升高而增大，这主要是因为随着退火温度的增加，f e 和c 两相分离的更加完全，颗粒长大且颗粒问相互作用减小，导致矫顽力增加。 图4 5 给出了5 0 0o c 退火1 小时的f e 4 s c 5 2 颗粒膜在不同角度下的m - h 曲 线。从图中可以看出，当角度越小时越容易饱和，进一步说明了易磁化轴平行 于薄膜表面。 4 7 第四章( c o ，f e ) - c 颗粒膜的磁性质 。一i np l a n e 一i np l a n e o 口u c o f p l a n e i 厂。 o 硼o fp l a n e 厂 。 一。 _ 。夕 ： _ ( a ) ：( b ) i 。_ 卜_ i np l a n e 。hi np l a n e o o u io f p l a n e 矿 o 日u io fp l a n e 旷7 _ 。么 i：_ ! c ) 。 l il 。 。一i np l a n e 1 0_ 5051 0 - 。- o u t o f p l a n e矿 h ( k o e ) j 一力 f - ： ( e )： fj 1 050 5 h ( k o e ) 图4 - 4 不同温度下退火的f e 4 8 c ，2 颗粒膜的面内和面外磁滞回线 ( a ) 3 5 0 。c ，( b ) 4 0 0o c ，( c ) 4 5 0 。c ，( d ) 5 0 0o c 和( e ) 5 5 0 o c 4 8 ooo 9 6 3 o 击西9 6 3 o 击西9 6 3 o 与园 一o。，了em一乏 第四章( c o ，f e ) - c 颗粒膜的磁性质 8 j e 旦 至 图4 55 0 0 。c 退火1 小时的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜在不同角度下的磁滞回线 图4 - 6 给出了不同温度下退火的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜的矫顽力和角度之间的关 系。可以看出，随着退火温度的升高，磁化机制逐渐从畴壁位移向单畴转动转 转变。一般地，当磁化机制为畴壁位移时，矫顽力与角度的余弦函数的倒数成 正比，即 h 。1 c o s o ( 4 1 2 ) 其中，口为膜面与磁场方向间的夹角。对于磁化机制为磁矩转动的单畴颗粒，可 以用s t o n e r - w o h l f a r t h 模型来描述。从图中可以看出，随角度的增大，矫顽力减 j 、。 4 9 第四章( c o f e ) - c 颗粒膜的磁性质 3 泸2 工 ： s o - r 1 0 01 53 04 56 07 59 0 a n g l e ( d e g r e e ) 图4 - 6 不同温度下退火的f e 3 8 c 5 2 颗粒膜的矫顽力和角度问的关系 图4 7 给出了不同退火温度下退火的f e 4 8 c 强颗粒膜的面内矫顽力随测量温 度的变化关系。从图中可以看出，对于4 0 0 、4 5 0 和5 0 0o c 退火的样品在7 7k 到3 0 0 k 范围内，面内矫顽力随温度升高而线性降低，并且下降得很明显。对于5 5 0o c 退火的样品，矫顽力与一t v 2 成正比。如果假设薄膜是由独立排列的 s t o n e r w o h l f a r t h 颗粒组成的，h c ( 幻可以表示为 帅阳小( 等n 洚均 5 0 第四章( c o ，f e ) - c 颗粒膜的磁性质 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 t ( k ) 图4 7 不同退火温度下退火的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜的面内矫顽力随测量温度的变化关系 其中，k 。= m 。h k 2 ，哟颗粒的体积。用公式( 4 - 1 3 ) 对5 5 0 。c 退火的样品进行 拟合，可以得到很好的结果。因此，5 5 0o c 退火的样品表现为s t o n e r _ w 0 h 1 伽n 颗粒系统行为，其矫顽力要比低温退火样品的矫顽力大。对于畴壁位移模型， 矫顽力可以给出下列表达式【7 3 】 一十降 4 ， 件 5 1 6 4 2 0 8 6 4 2 1 1 1 1 0 o 0 o 一o邑，d工 第四章( c o f e ) - c 颗粒膜的磁性质 。 望 3 e n l 、_ ， = 一i np l a n e 沪。 。一i np l a n e 歹 。一o u t o fp l a n e。一o u to fp l a n e t a _ 3 0 m i n 。 ；么 c a 6 0 m i n 么二j 一np l a n e 伊? 一i np l a n e 旷 o u t o f p l a n e 。一o u io fp l a n e 么 2 9 0 m i n 。 么 。1 2 0m i n 1 05051 01 05051 0 h ( k o e ) 图4 84 5 0o c 不同退火时间的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜的磁滞回线 对于4 0 0 、4 5 0 和5 0 0o c 退火的样品，用公式( 4 1 4 ) 拟合矫顽力和测量温度的关 系均得到口= 1 ，所以4 0 0 、4 5 0 和5 0 0o c 退火的样品在磁化过程中主要以畴壁 位移为主。随着退火温度的升高，颗粒薄膜中磁化机制的转变可以做如下解释： 在高退火温度下，f e 和c 的相分离更加完全，颗粒间的相互作用减小。所以， 随着退火温度的升高，颗粒更加符合s t o n e r w o h l f a r t h 磁矩转动模型。这一结果 与从矫顽力与角度变化关系得到的结果( 图4 6 ) 一致。 图4 - 8 给出了在4 5 0o c 退火温度下，不同退火时间的f e 4 8 c 5 2 颗粒膜的磁滞 回线。从图中可以看出，所有样品均表现为铁磁性，易磁化轴平行于膜面，并 且随着退火时间的增加，面内矫顽力增大。这是因为随着退火时间的增加，与 5 2 o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 第四章( c o ，f e ) - c 颗粒膜的磁性质 提高退火温度的结果类似，颗粒间的相互作用减小，以使得每个颗粒表现为独 立的s t o n e r - w o h l f a r t h 颗粒，磁化过程主要以磁矩转动为主，使矫顽力增大。 图4 - 9 给出了4 5 0o c 退火l 小时不同膜厚的f e 4 s c 5 2 颗粒膜的面内磁滞回 _ 一( b ) 厂 ( a ) 厂。 - _ _ i ； 6 7n m 。j 1 0 0n m h c = 9 9 0 e - h c = 3 5 8o e _ - _ _ i ： 。 ： ( c ) 厂一 ( d ) - 厂 - 。 一) 1 3 3n m 。j 1 6 6n m h c = 3 8 3 0 e 。h c = 1 1 0o e ： j 。 ! ( e ) - m r _ 厂。 _ f i 1 l 。j 2 0 0n m2 3 3 n m h c = 1 7 8 0 e - h c = 3 0 1o e - _ ， 1 050 51 0- 1 05051 0 h ( k o e ) 图4 - 94 5 0o c 退火l 小时不同膜厚的f e 4 。c 5