（光学专业论文）外延生长fecocu（001）的结构与磁性.pdf

y6 5 2 5 0 2 日大学硕十学位论 论文题目 :外延生长f e / c o / c u ( 0 0 1 ) 的结构与磁性 信息学院光科学与工程系 2 鱼 学专业 2 0 0 3 届研究生 高 春雷指导老师 金庆原 教授 摘要 室温下， 在c u ( 0 0 1 ) 单晶 衬底上外延生长的f 。 超薄膜， 随 层厚的不同具有丰 富的结构和磁性。( i ) 1 - 4 ml( 原子层)时，f e 为f c t 结构，铁磁性，易磁化轴 乖直于膜面;( i i ) 5 - 1 1 ml区域，f e 为 f c c 结构，只有表面 1 - 2 ml为铁磁性， 内部为反铁磁性 ( 奈尔点约2 0 0 k ，室温下为非磁性) ;( i i i ) 1 1 ml以后，f e 转 变为b c c 结构， 铁磁性， 并且易磁化轴倒向 面内。 而在低温生长的f e / c u ( 0 0 1 ) 不 出现f e c 结构，直接从f c t 转变到b c c 相，与之对应的是自旋结构的变化。 f e 在f c c c o ( 0 0 1 ) 上外延生长与在c u ( 0 0 1 ) 上外延生长具有相似的结构相， 不 同的是，前者在整个 f e 厚度内易磁化轴都在膜面内，这是由于f e 与c o 之间强 烈的磁交换祸合作用所造成。 由于c o 和c u 的晶格失配相当小， 实验中c o ( 0 0 1 ) 衬底面是通过在c u ( 0 0 1 ) 上外延生长c 。 得到的。 当c 。 缓冲层的厚度小于2 ml时， 由于c 。 的生长而引起的表面粗糙度的变 化会影响到室温下生长的f e 从 f c c 到b e c 结构相变发生的厚度位置， 但是c 。 的 多少并不会影响其从 f c t 到 f c c 的相变。因此，可以认为，f c t 到 f c c 的相变是一 种体效应，而f c c 到b c c 的相变跟表面的粗糙度有关。 在低温 ( 1 0 0 k )下生长的f e 的f c t 结构区域，我们研究了由于c o引起的 f e 从垂直到面内的自 旋重定向过程。 在考虑了c 。 的双层生长模式的基础 匕 计 算了f e / c 。 的各向异性，对实验结果进行了拟合。 所有的实验都是在超高真空的环境中完成的。 利用磁光克尔效应研究了薄膜 的磁学性质;并用反射式高能电子衍射 ( r h e e d) 、低能电子衍射 ( l e e d)和 俄歇电子谱 ( a e 5 )表征了薄膜的结构、组分和生长过程。 关键词:表面磁光克尔效应，自 旋重定向，表面和界面磁性，磁各向异性 今 一 护钱认 ; 二 一 下 一 x ; ab s t r a c t t h e r e a r e a b u n d a n t s t r u c t u r a l a n d m a g n e t i c p h a s e s i n u l t r a t h i n f e fi l m s g r o w n a t r o o m t e m p e r a t u r e ( r t ) o n c u ( 0 0 1 ) . ( i ) 0 - -0 m l ( m o n o l a y e r ) , a f c t s t r u c t u r e a n d f e r r o m a g n e t i c w i t h a n o u t - o f - p l a n e e a s y a x i s o f m a g n e t i z a t io n ; ( i i ) 5 - - 1 1 m l , a f c c s t r u c t r u e , a n t i - f e r r o m a g n e t i c u n d e r n e a t h ( n e e l p o i n t : 1 0 0 k ) a n d p e r p e n d i c u l a r m a g n e t i c l i v e l a y e r a t s u r f a c e d u e t o t h e e x t e n s i o n o f l a tt i c e c o n s t a n t a l o n g t h e s u r f a c e n o r m a l ; ( i i i ) a b o v e 1 1 ml , b c c s t r u c t u r e , f e r r o m a g n e t i c w i t h a n i n - p l a n e e a s y a x i s o f m a g n e t i z a t i o n . d i ff e r e n t f r o m t h e r t g r o w n f e f i l m s , t h e s t r u c t u r e o f f e f i l m s g r o w n a t lo w t e m p e r a t u r e ( a ) ，即f c t ( f a c e c e n t e r e d t e t r a g o n u m ) 结构。在大约1 .5 个原子层 复旦大学硕士疮文弟三章 f e 在c u ( 0 0 i 上的外廷垃构和峨性 参考文献: l j . t h o m a s s e n e t a l ., p r l 6 9 , 3 8 3 1 ( 1 9 9 2 ) 2 . d . l i e t a l . , p r l 7 2 , 3 1 1 2 ( 1 9 9 4 ) 3 . s . mu l le r e t a l . , p r l 7 4 , 7 6 5 ( 1 9 9 5 ) 4 . s . mu l l e r e t a l . , s u r f . s c i . 3 2 1 - 3 2 3 , 7 2 3 ( 1 9 9 5 ) 5 . k . h e i n z e t a l . , s u r f . r e v . l e tt . 2 , 8 9 ( 1 9 9 5 ) 6 . p . j . r o u s e t a l . , p r l 5 7 , 2 9 5 1 ( 1 9 8 6 ) 7 . d . j . k e a v n e y e t a l . , p r l 7 4 , 4 5 3 1 ( 1 9 9 5 ) 8 . r . d . e l l e r b r o c k e t a l . , p r l 7 4 , 3 0 5 3 ( 1 9 9 5 ) 9 . w a . a . ma c e d o e t a l . , p r l 6 1 , 4 7 5 ( 1 9 8 8 ) 1 0 .wa . a . m a c e d o e t a l . , j . m a g n . ma g n . ma t e r . 9 3 , 5 5 2 ( 1 9 9 1 ) 1 1 . p . a . mo n t ano e t a l . , p r l 5 9 , 1 0 4 1 ( 1 9 8 7 ) 1 2 . s . d . b a d e r e t a l . , j . a p p l . p h y s . 6 1 , 3 7 2 9 ( 1 9 8 7 ) 1 3 . a . a . h e z a v e h e t a l . , s o l i d s t a t e c o m m u n . 5 7 , 3 2 9 ( 1 9 8 6 ) 1 4 . s . s . a . r a z a e e t a l ， p r l 8 8 , 1 4 7 2 0 1 ( 2 0 0 2 ) 1 5 . v l . m o r u z z i e t a l . , p r b 3 9 , 6 9 5 7 ( 1 9 8 9 ) 1 6 . r . l o r e n z e t a l . , p r b 5 4 , 1 5 9 3 7 ( 1 9 9 6 ) 1 7 . d . s p i s a k e t a l . , p r b 6 4 , 2 0 5 4 2 2 ( 2 0 0 1 ) 1 8 . a . b e r g e r e t a l ., j . m a g n . m a g n . ma t e r . 1 8 3 , 3 5 ( 1 9 9 8 ) 1 9 . c . l i u e t a l . , p r l 6 0 , 2 4 2 2 ( 1 9 8 8 ) 2 0 . p . p a p p a s e t a l . , p r l 6 4 , 3 1 7 9 ( 1 9 9 0 ) 2 1 . p . p a p p a s e t a l . , p r b 4 5 , 8 1 6 9 ( 1 9 9 2 ) 2 2 . r . a l l e n s p a c h e t a l ., p r l 6 9 , 3 3 8 5 ( 1 9 9 2 ) 2 3 . p x h o n n e u x e t a l . , p r b 4 6 , 5 5 6 ( 1 9 9 2 ) 2 4 . f . s c h e u r e r e t a l . , p r b 4 8 , 9 8 9 0 ( 1 9 9 3 ) 2 5 . p . b a y e r e t a l ., p r b 4 8 , 1 7 6 1 1 ( 1 9 9 3 ) 2 6 . k . l . ma n e t a l . , p r b 6 5 , 0 2 4 4 0 9 ( 2 0 0 2 ) 2 7 . m. wu tt i g e t a l ., s u r f . s c i . 2 9 1 , 1 4 ( 1 9 9 3 ) , s u r f. s c i . 2 8 2 , 2 3 7 ( 1 9 9 3 ) , s u r f . s c i . 3 3 1 - 3 3 3 , 6 5 9 ( 1 9 9 5 ) 2 8 . d . a . s t e i g e r w a ld s u r f . s c i . 2 0 2 , 4 7 2 ( 1 9 8 8 ) 2 2 复旦大学硕士+ t 丈 第三幸 f e 在 c u ( 0 0 1 ) t的外延姑构和曦性 2 9 . m. s t r a u b e t a l . , p r l 7 7 , 7 4 3 ( 1 9 9 6 ) s . mu l l e r e t a l . . s u r f . s c i . c . e g a w a e t a l . , s u r f . s c i . 2 1 ( 1 9 9 5 ) l 2 7 1 ( 1 9 8 9 ) r . v o l l m e r e t a l . , p r b 6 1 , 4 1 4 6 ( 2 0 0 0 ) m. z h a mi k o v e t a l . , p r l 7 6 , 4 6 2 0 ( 1 9 9 6 ) j . g i e r g ie l e t a l ., p r b 5 2 , 8 5 2 8 ( 1 9 9 5 ) j . p . p ie r c e e t a l ., p r b 6 4 , 2 2 4 4 0 9 ( 2 0 0 1 ) 303132犯3435 2 3 复旦大学硕士伦丈第v章 f e 在c o ( 0 0 1 ) 1外延生长的 此构和峨性 第四章 f e 在c o ( o u 1 ) 上外延生长的结构和磁性 第一节 c o 在c u ( 0 0 1 ) 上外延生长的 结构和磁性 f e 在c o ( o o i ) 上外延生长的结构和磁性与c 。 基底的晶 格结构和磁性有紧密 的 联 系。 在多 数的 实 验中， c o ( 0 0 1 ) 基 底都 是 通 过在c u ( 0 0 1 ) 上外 延生 长c 。 获 得 的，因 此， 有必要对c 。 在c u ( 0 0 1 ) 上外延生长的结构和磁性做简单的介绍。 1 .简介 在6 0 0 - 6 9 0 k以 下， 体 材料的c 。 是h c p ( 六角 密堆 积) 结 构， 只有在7 2 0 k 以上，才以f e e 结构存在。如何在温度较低的情况下制备稳定的f e e 结构的c o , 一直是研究的关注点。 研究发现在c u ( 0 0 1 ) 基底上能外延生长出f e e c 。 相， 这些 实 验 都是在 超高真空条件下完成， 并 且对c 。 的 结 构 1 - 5 ， 电 学 6 , 7 1 , 磁学 8 - 川 性质都做了详细的研究。 f e e 结 构的c 。 在 室 温下 的晶 格 常 数是3 .5 4 8 a ， 对 应的 在 1 0 0 方向 的 两 层 之 间 的 间 距为1 .7 7 4 入 。 c u ( 0 0 1 ) 垂 直 方向 的 层间 距 为1 .8 0 5 a ， 比 较 两者的 数 据， 在c u ( 0 0 1 ) 上外延生长f e e c 。 的晶格常数会有2 %均匀膨胀。 。能量计算 1 2 ) 表 明， 这样一个2 %的晶格失配引起的张力会导致每个c 。 原子相对f e e 相的c 。 增 加6 8 m e v能量， 这样一个能量差是比 较大的， 因为即 便是f c 。 和h c p 的c 。 之间 的能量差也只有2 7 m e v / a t o m。在实际生长过程中，要抵消这个效应，理论上有 两种方法: 1 . c o 膜先以一种拉伸的f c c 相生长到一定厚度，由于晶格的错位， 弥 补了晶格的失配， 而后接着以平常的f c c 相生长。 1 1 . 或者， c 。 膜在面内采用c u 的晶格， 而在垂直方向压缩以保持原胞体积不变。 实验结果更倾向于后一种结果， 即稳定的压缩的f c c 相 ( 即所谓f c t 相) 实验发现， c 。 在c u ( 0 0 1 ) 上的生长几乎是一种理想的 逐层生长， 只在一开始 两层的生长会偏离这一模式.这是因为c o 和 c u的晶格常数相当接近，互溶性 小，满足异质外延结构层状生长的条件。 h o n g l i 1 3 , a . k . s c h m i d 1 4 , f . n o u v e rt n e 1 5 等人利用s t m, a r x p s 等手 复旦大学硕士奋文第回章 f e 在c o ( o o i ) 上外延生 长的站构和睡性 第二节 f e 在c o ( 0 0 1 ) 上外延生长的结构和磁性 平行于f e / c u ( 0 0 1 ) 的研究是对f e / c o ( o o 1 ) 的 研究。 在这一系统里， 对c o ( o o 1 ) 基底有两种选择，一种是采用c o ( o o i ) 的单晶材料，另一种是先将c 。 外延生长 在c u ( 0 0 1 ) 基底上( 一般是5 m l以 上) ， 然后再在上面生长f e 。 从上一节的 讨论 可知， c o 在c u ( 0 0 1 ) 上能保持层状生长多至1 5 m l ，即意味 着能 在c u ( 0 0 1 ) 上外 延生长出 相当 完美的c o ( 0 0 1 ) 结构， 由 于c u 单晶的易于制备， 很大部分f e / c o ( 0 0 1 ) 实验都是采用后一种方法。同时， 从c 。 在c u ( 0 0 1 ) 上的生长情况可知， c o ( o o i ) 和c u ( 0 0 1 ) 在表面结构上是极其相似的，因此， f e 在 c o ( o o i ) 上的生长和f e 在 c u ( 0 0 1 ) 上应该是相似的。 二.e感l一的ue一ulo山山工匡 又 _ d 2 4 6 f e丁h i c k n e s sa(m l ) 1 2 1 4 图4 - 5 f e 在c o ( 6 m l 式u ( 0 0 i ) 上生长的r h e e d曲 线 这一点 可以 从f e 在c o ( o o 1 ) 上的r h e e d生 长曲 线可以 看出。 如图4 - 5 . 在 i 区域 ( 约0 - 4 ml ) ，是f c t 结构:在i i 区域 ( 5 - i 1 ml ) ，是f c c 结构;在 i i i 区 域 ( 大于i i ml ) ，是b c c 结构。 尽管， f e 在c o ( 0 0 1 ) 上生 长和f e 在c u ( 0 0 1 ) 上生 长在晶 格结构是 极其相 似的， 但是因为 c o 是铁磁性材料而 c u 不是， 两者对 f e 的电子态和磁结构的影响是不 延旦大李硕士论文第.章 f e 在c o ( 0 0 i ) 上外廷生长的结构和睡性 一样的， 特别是在f e - c 。 和f e - c u 的界面上。 从杂化电 子的角度来说， 在c u ( 0 0 1 ) 上，f e 的d 电 子和c u 的s p 电 子是弱杂化， 而在c o ( 0 0 1 ) 上， f e 的d 电 子和c o 的 d电子产生很强的杂化作用，这一效应导致的直接结果就是在 f e - c 。界面的 f e 层显现铁磁性。另外一个不同的现象是磁各向异性。从前一章的讨论可以看 口 _ 了 r，. j 目 一口 口一 目 nq门加一。一县=ujjaj丫 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 f e t h ic k n e s s ( m l ) 图4 - 6 f e ( w e d g e ) / c o ( 8 m l ) / c u ( 0 0 1 ) 的克 尔椭偏率与f e 厚 度的 关系。 c o 和f e 都是在室温生长。 其中， c 。 层单独对信号的贡献己 经作为本底减去。 出， c u ( 0 0 1 ) 上， 在区域i 和区 域i i , f e 超薄膜的易磁化轴是垂直于表面的， 在 区域i i i ， 易磁化轴倒向面内; 而在c o ( 0 0 1 ) 上， f e 超薄膜的易磁化轴在这三个区 域 内都是在面内的。图 4 - 6是由 s m o k e 测得的在室温生长的 f e ( w e d g e ) / c o ( 8 m l ) / c u ( 0 0 1 ) 的克尔椭偏率随f e 厚度的变化( 已 经减去c o 层的贡 献) 。 可以 看出， 在区域i 和区域i i i 内，克尔信号强度随f e 厚度均匀增加，表 明f e 膜在这两个区域内是均匀磁化的;在区域i i ，克尔信号强度不变，只有表 面或界面是铁磁性的，而内 层的f e 是非磁或反铁磁的，至于铁磁性究竟来源于 f e 的表面还是f e - c 。 界面或者两者都有，目前还没有定论 对于c o ( 0 0 1 ) 低温上生长f e 超薄膜， 其磁光克尔椭偏率与f e 厚度呈线性关 复旦大李硕士论文 第m章 f e 在c o ( 0 0 1 ) 上外廷生 长的雌构和峨性 系( 见图4 - 7 ， 外加磁场平行于膜面) ， 表示在整个f e 厚度范围铁磁性， 并且易磁 化轴平行于膜面。 与 低温生长的f e / c u ( 0 0 1 ) 类似， f e 在c o ( 0 0 1 ) 上低温外延也不 会经历f e e 相，而是从f c t 直接变化到b e e 相，至于何时发生这一转变，并没有 二.qjv之侣全一山登 0 2 4 6 a1 2 1 4 1 6 fe丁h i c k n e s s 1 0 ( m l ) 图4 - 7 f e ( w e d g e ) / c o ( 8 m l ) / c u ( 0 0 1 ) 中 克 尔椭偏率与f 。 厚 度的 关系。 其中c 。 在室温生长，f e 的生长和克尔效应的测量在 1 1 0 k进行。 c 。 层单独对信号的贡献己经作为本底减去。 直接的证据，一般认为是在4 ml之后。有趣的是，从克尔信号的线性增加可以 看出f e 的f c t 相和b e e 相的磁矩是一样的。 比 较了f e / c u ( 0 0 1 ) 和f e / c o ( 0 0 1 ) 的 相似性和不同 之处， 可以 发现， 无 论是 在 低温还是室温生长 f e ，其晶格结构在两个基底上都是相似的，而最显著的不同 则 在于f e 小于4 m l 时的 磁各向异 性，即f e / c u ( 0 0 1 ) 有垂直于膜面的各向 异性， 而f e / c o ( 0 0 1 ) 的 却平行于膜面，显然， 这一变化是由 于c o 的 面内 各向 异性引起 的，考察 c o 在何种程度上影响 f e 膜的各向异性，即c o 的厚度，以及若 c 。 层 是否填满对在其上生长的 f e的结构和磁性产生怎样的影响将是下一章的主要内 容。 复旦大学硕士论文第4章 f e 在c o ( 0 0 1 ) 一外眨生长的结构和峨性 参考文献: 1 g o n z a l e z 1 , mi r a n d a r , s a l m e r o n m , v e r g e s j a a n d y n d u r a i n f , p h y s . r e v . b 2 4 , 3 2 4 5 ( 1 9 8 1 ) 2 c l a r k e a , j e n n i n g s g , wt l l i s r f ; r o u s p j a n d p e n d ry j b , s u r f . s c i . 1 8 7 , 3 2 7 ( 1 9 8 7 ) 仁 3 l i h a n d t o n n e r b p s u r f . s c i . 2 3 7 , 1 4 1 ( 1 9 9 0 ) 4 f e r r e r s , v l i e g e a n d r o b i n s o n i k , s u r f . s c i . 2 5 0 u 6 3 ( 1 9 9 1 ) 5 mi g u e l j j , j . m a g n . m a g n . m a t . 9 1 , 1 ( 1 9 9 1 ) 6 mi r a n d a 民c h a n d a r i s d a n d l e t a n t e j , s u r f . s c i . 1 3 0 2 6 9 ( 1 9 8 3 ) 7 1 s c h n e i d e r c m , m i g u e l j j . b r e s l e r p . s c h u s t e r r mi r a n d a r a n d k i r s c h n e r j , j .e l e c t r o n . s p e c t . r e l . p h e n . 5 1 , 2 6 3 ( 1 9 9 0 a ) 8 p c s c i a d , z a m p i e r i g . s i a m p a n o n i m , b o n a g l , wi l l is r f a n d m e i e r f , p h y s . r e v . l e ft . 5 8 , 9 3 3 ( 1 9 8 7 ) 9 1 b e i e r t j a h r r e i s h , p e s c i a d , w o i h t h a n d g u d a l w, p h y s . r e v . l e tt . 6 1 , 1 8 7 5 ( 1 9 8 8 ) 1 0 k i e f m t m a n k e y g j a n d wi l l i s r f , j . a p p l p h y s . 6 9 , 5 0 0 0 ( 1 9 9 1 ) 1 l k d m p e r k p , a b r a h a m d l a n d h o p s t e r h , p h y s . r e v . b 4 5 , 1 4 3 3 5 ( 1 9 9 2 ) ( 1 2 m a r c u s p m a n d m o m z z v l , j . a p p l . p h y s . 6 3 , 4 0 4 5 ( 1 9 8 8 ) 1 3 h o n g l i a n d b .p . t o n n e r , s u r f . s c i . 2 3 7 , 1 4 1 ( 1 9 9 0 ) 1 4 1 a . k . s c h m i d a n d j . k i r s c h n e r , u l t r a m i c r o s c o p y 4 2 - 4 4 , 4 8 3 ( 1 9 9 2 ) 1 5 f . n o u v e r m d , u . m a y , m. b a m m i n g , a . r a m p e , u . k o r t e , a n d g . g u n t h e r o d t , p h y s . r e v . b 6 0 , 1 4 3 8 2 ( 1 9 9 9 ) 1 6 1 z . q . q i u ,j . p e a r s o n , s . d . b a d e r , p h y s . r e v . b 4 6 , 8 1 9 5 ( 1 9 9 2 ) 复旦大学硕士德文第五章 f e / c o ( qml ) / c u ( 0 0 1 ) 的结构和峨性 第五章 f e / c o ( 2 ml ) / c u ( 0 0 1 ) 的结构和磁性 从前两章的讨论可以看出， f e 的结构和磁性与基底的结构和磁性有直接关 系，底层c o 对于f e 的 影响也是显而易见的。 在下面的内 容中，我们将具体考 察c 。 层在何种程 度上影响f e 层的 结 构和磁性。 我 们将小 厚 度( 2 m l ) 的c o 作 为缓冲层生长在c u ( 0 0 1 ) 上， 再在其上生长f e ， 主要用s m o k e 来研究其结构和 磁学特性。c 。 缓冲层在室温下生长， f e 分别在室温和低温生长。分两个方面作 详细的 研究: ( 1 ) c o 层对f e 结构相变的影响; ( 2 ) c 。 层对磁各向 异性的影响。 第一节磁各向异性的起源和唯象描述 实验发现铁磁性的单晶 会显现出磁化的“ 易轴” 和“ 难轴” ， 即磁化一块晶体所 需要的能量是跟外加磁场与晶轴的相对方向有关系的。从技术应用的角度来说， 磁各向异性是磁性材料的最重要的性质之一。 根据磁性材料各向异性的强弱， 有 着不同的应用，如永磁体，磁记录材料或者磁记录中的读写磁头等。 对于磁性超薄膜或多层膜， 其磁矩的大小、易磁化轴的方向， 都跟体材料有 着很大的不同。 这是由两者物理机制的不同引起的。 在超薄膜或多层膜中，由于 表面或界面的对称性破缺而引起的磁各向异性会占据主导作用。 通过改变磁性层 的厚度和选择合适的生长材料以及基底材料，可以人为地去改变薄膜的各向异 性。 其中， 值得指出的是所谓的垂直磁各向异性 ( p m a ) o p m a材料一个重要的 应用是磁光( m o ) 记录和垂直磁记录， 并且， 由 于p m a材料能大幅度提高 传统磁 存储硬盘的存储密度和能有效克服由于提高密度而减小记录尺寸引起的超顺磁 极限，引起极大的关注。 p ma主要是由于表面或界面的磁各向异性引起的， 这与体材料有很大不同， 被称作表面或界面各向 异性， 早在1 9 5 4 年n e e l 1 就预言过这一效应。 但是直到 1 9 6 8 年， 随 着薄膜制备技术的 提高， 才由g r a d m a n n 和m fl l l e r 2 在c u ( 1 1 1 ) 上生 长的n i f e 超薄膜中 观察到这一现象。 因为磁各向异性与样品的对称性和形状有着紧密的联系， 即便对于晶格方向 复旦大李硕士论文 第五章 f e f c o ( 2 ml ) / c u ( 0 0 1 ) 0结构和盛性 它还有 超薄 膜的 结 构改 变而引 起的自 旋重定向 ， 如前面 提到的f e / c u ( 0 0 1 ) 体系， 由于f e 从 f e e 相向b e e 相转变而导致 f e 的易磁化轴从垂直于表面倒向面内;由 表面吸附原子引起的自 旋重定向等。 ， 二 ( t a c o + ， ; a .p d ) 一 文x 一 乙 至尹 红 乃万0万d 100刁-l 尽省夕聋 2 02 5 ac d 内 图5 - 2 . c o / p d 多 层膜中， 磁各向 异性常 数与单层c 。 的厚度乘积跟 单层c 。 厚度的关系。( 摘自 参考文献 3 1 ) 2 . 薄膜中磁各向异性的起源 磁各向异性的两个主要起源是磁偶极子相互作用和自 旋一 轨道相互作用。 对 于磁偶极子作用，由于其长程相互作用的性质，对样品的形状有很大的依赖性， 常被 称为形 状各向 异 性( s h a p e a n i s o t r o p y ) 。 在薄 膜中， 磁偶极子相互作用主 要对 面内的磁化有贡献。在局域态模型中，自 旋通过自 旋一 轨道相互作用与轨道发生 祸合，这种祸合与晶格结构紧密联系。对那些巡游电子材料，自 旋一 轨道相互作 用引起的微小的轨道角动量会与总磁矩 ( 自旋十轨道磁矩) 发生于晶轴方向相关 的祸合作用。 这导致总能量对磁化方向与晶轴相对位置的依赖性。 这被称为磁晶 各向 异性 ( m a g n e t o - c ry s t a l l i n e a n i s o t r o p y ) . 薄膜中，由 于 表面或界面的 对称性破 缺使表面和界面效应成为可以和体效应相比拟的量，即前面提到的由 n e e l 在 1 4 5 4 ( 1 1 首先指出的界面 磁各向 异性。另外， 在有应力的体系中，比如由 于相邻 层之间晶格失配引起应力变化的体系中， 自 旋一轨道祸合作用也会导致所谓的磁 应力各向异性。 下面将就磁偶极各向异性和磁晶各向异性作详细的讨论。 而关于 复旦大学硕士论文第五章 f e / c o ( b c c 结 构 相变 具有不同的物理起源，f c t - ) , f e e 相变可以称作为体积效应，当f e 膜的厚度达到 一定厚度时必然发生的相变，与其他因素关系不大;而f e e -+b “相变是一种表 面效应，依赖于表面粗糙度和生长的环境，因此可以通过改变外部条件来改变 f e e 今 b e e 的相变区域。 3 . 小结 在室温生长的f e / c o / c u ( 0 0 1 ) 系统中，c 。 厚度不会引 起f e 的f c t -+ f e e 结构 相变点的变化，但是由于 c o的存在而导致表面粗糙度的变化会影响到 f e的 f e e - * b e e 结构相变点的移动。 另一方面， c o 的厚度也会影响到体系的各向异性， 并且会导致f e 磁矩的增大。 第三节 低温下由膜厚导致的自 旋重定向过程 由前一节的讨论， 低温下生长的f e 会直接从f e t 相转变到b e e 相。因此， 对 于f e 还没有发生f c t - b e e 相变的时候 ( 通常f e 的厚度小于4 ml ) ，由于c 。 的 厚度的增加而导致的自 旋从垂直于膜面到平行于膜面重定向的过程可以认为是 界面效应和体效应竞争的结果。 图5 - 8 是对应不同 缓冲c o 厚度的c o / c u ( 0 0 1 ) 上生长的f e 超薄膜的磁光克尔 回 线。 其中f e 膜的生长和克尔回线的测量都是在1 1 0 k下进行的。图5 - 8 ( a ) 对 应c o 缓冲层的厚度为 0 .2 5 ml的情况。可以看出，自旋从垂直于膜面到平行膜 复旦大学硕士论文第五章 f e / c o ( b e 。 的结构相变弓 】 起的， 这一结论与文献 【 1 2 的结论是一 致的。该文中 研究了 在低m( 1 0 0 k ) 生长的f e / c u ( 1 0 0 ) 结构， 测量到f e 的结构相 阎0 . 2 5 m - c o回q 7 5 n l c o闷1 .2 5 m - c o叻1 .7 5 陡 c o q 8 陡 一一一 0.8 m_ a a t c f - 内 祀 q8 m _刀we ,7 生了 25m 一 。 正可 ,.7 nl万晶 -口 一 ， 7 - / 利一cn.qe 一 一 2 5 侧 一口 - j 丁 -2 5 3w - 开 。 二” m .一 一 . 一 二 3 3 m_ 口 -佗co一50义 口 月 卫陡 f e hd a m f e n 宜 匆甘ss m a g - e tic fi e ld ( 训 图5 - 8 不同 缓冲层厚度下外延f e 超薄膜的磁光克尔回线。 c o 在室温下生长，而f e 的生长和回线的测量都是在 i i o k下进行。 变厚度约为3 . 8 ml ，正好在3 .3 ml到4 .2 ml的区域。如前一节讨论的那样， c o 和c u 的晶 格失配很小， 生长c 。 层等价于改变c u ( 0 0 1 ) 面的粗糙度，而粗糙 度对于f e 的f c t 结构相影响很小。 文献 【 1 2 , 1 3 的结果表明， 尽管低温生长会 导致大的表面粗糙度， 室温和低温下在c u ( 0 0 1 ) 上生长的f e 在f c t 结构区域是相 同的，并且f c t 结构不随温度改变而改变。 当c o 缓冲层的厚度增加到0 .7 5 m l 时， 如图5 - 8 ( b ) 所示， 体系易磁化轴 在f e 为3 .3 ml厚时已经变成面内了， 自 旋重定向的过程发生在f e 的厚度为2 .5 ml和3 .3 ml之间。这一过程可以认为是由于f e 厚度增加引起的自 旋重定向， 复旦大学硕士论文第五章 f e / c o ( a 2 m l ) / c u ( 0 0 1 ) 的结构和峨性 这是因为在f e 膜小于3 .3 ml 时，结构相变并没有发生，仍然是f c t 铁磁相。当 c o 厚度进一步增加， 发生自 旋重定向的区 域会进一步提前， 如图5 - 8 ( c ) , ( d ) 所 示， c o 厚度为1 .2 5 ml时自 旋重定向发生在 1 .7 ml和2 . 5 ml 之间， 而c o 厚度 为1 .7 5 ml时，发生在0 . 8 ml和1 .7 ml之间。因此，我们认为c 。 缓冲层的厚 度决定了f e / c o / c u ( 0 0 1 ) 系统的磁 性表现， 特别决定了自 旋重定向 的 厚度。 通过将发生自 旋重定向的区域两端对应的f e - c o 的厚度表示在一张图上， 就 得到了图5 - 9 中所示的结果。 我们采用了与膜厚度相关的自 旋重定向机制拟合了 这一结果。 ou t - o f - p l a n e i n - p la n e 入.了 - -j乏sseu忿。一二j。亩工j。pun。0 f e c r it i c a l t h i c k n e s s ( m l ) 图5 - 9 1 0 0 k 温 度下， f e 在c o / c u ( 0 0 1 ) 上生 长的自 旋重定向 的相图。方点和圆点分别代表垂直和平行的磁化.f e 的自 旋重 定向就发生在它们之间。图中的直线是计算的结果 如本章第一节所指， 当自旋从垂直转向面内的重定向过程完成时， 晶各向异性和形状各向 异性 ( 即退磁场) 正好抵消。如式( 6 ) 所示: k ， 一 k , + 2 k , i d 一 2 k m _,2 薄膜的磁 ( 6) 廷旦大李硕士论文第五章 f e / c o ( 2 ml ) / c u ( 0 0 1 ) 的姑构和睡性 其中k , ，凡 。 ， 药: 分 别 是 一阶 总的 、 体 和 表面 的 各向 异 性常 数，d 是 磁 性 膜的 厚 度，m ， 是 饱 和 磁 化强 度。 对 于f e / c o / c u ( 0 0 1 ) 体 系，k ie ，k ,， 必 须 包括f e 和 c o 分别按其平均厚度或表面( 界面) 面积权重后的贡献。因此可以得到下式: k ; (t ) x d f + k ; 0 (t ) x d c o 十 d , + d c o k , - (t ) + l 一 p k ; -c (t ) + 1: ;. c (t ) + k ; - fe (t ) d , + d c m f (t )x d f + m c.(t )x d co 丫 d ,+ 姚。少 ( 7 ) 其 中 k ,f (t ) , k b 0 ( t ) 是f e 和c 。 的 体 各 向 异 性 常 数 ， k f - ( t ) , k f - c (t ) , k c - c - 食 ) ， k c ,- f 仓 ) 分 别 是f e 一 真 空 ， f e - c u , c o - c u , c o - f e 界 面 的 各向 异 性 常 数。 在实际计算中， 我们粗略的假设f e 一真空和f e -c u 界面的各向异性常数是 相同 的， 即k 泞 - v. = k f e - c . =