（光学工程专业论文）磁性薄膜磁学及热学性质的解析研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 磁性薄膜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 有广泛的应用前景。目前对磁性薄膜的磁学和热动力学性质的理论与实验研究工 作取得了些进展，但离磁性薄膜的开发和应用还有较大差距。本论文围绕磁性 薄膜的磁学和热学性质进行了理论研究，利用s 名交换作用模型、h c i s c n b e r g 模型 等物理模型，采用变分累积展开法、自旋格林函数法等方法，研究了h e i s e i l b e r g 磁性薄膜、含铁磁纳米颗粒的磁性颗粒膜等系统的自旋激发弛豫、自旋激发谱和 自旋极化激发谱、自发磁化强度、有效阻尼系数、能量耗散等磁学特征以及临界 行为等热学特征，找到了随薄膜的层数、颗粒粒径、温度等的变化规律，得到了 与实验结果符合较好的结论。 磁性薄膜的磁学和热学性质研究表明：1 ) 对于h e i s b e r g 磁性薄膜，自发磁 化强度与薄膜层数有关，其自发磁化强度依赖于薄膜的层数且随层数的减少而迅 速减小；薄膜的内能和比热与温度有关，在临界温度附近不连续，发生跃变。2 ) 对 于含铁磁纳米颗粒的颗粒膜的自旋激发弛豫，将随温度、颗粒粒经、激发方式等 变化，经自旋极化激发实现的自旋激化弛豫过程与温度无关，而经热激活的自旋 激发弛豫过程与温度有关。3 ) 颗粒膜的自旋波激发谱的频率随颗粒粒径增大而减 小，与温度无关；而颗粒膜的自旋极化激发谱与温度有关。表现出与铁磁块状晶 体自旋波谱不同的变化特征。4 ) 在外场作用下双层膜的自旋波共振谱线宽度2 a h 与波矢以及双层膜厚度、阻尼参量和回转磁化率有关。阻尼系数有较大差异的两 层膜中，自旋波线宽度2 a h 随激发层中自旋波矢增大而明显增大。 本文较为系统地对磁性薄膜的磁学和热动力学的性质的理论研究将为磁性薄 膜的实验研究以及开发应用提供强有力的理论依据，研究结果对于丰富和完善研 究磁性薄膜的理论和应用开发都具有重要的理论意义和实用价值，为该领域的进 一步研究提供了一条积极的思路。 关键词：磁性薄膜，自旋激发弛豫，s - d 交换作用模型，磁学性质，热学性质 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m a g n e t i ct h i nf i l mw i l lb ew i d e l ya p p l i e dt om a g n e t i cr e c o r d i n gm e d i u mo fs u p e r l l i g hd e n s i t y , m a g n e t o - o p t i cr e c o r d i n gm e d i u m t h i nf i l mm a g n e t i ch e a da n ds e n s o r , a t p r e s e n t , s o m ep r o g r e s s e sh a v eb e e nm a d ei nt h er e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dp r a c t i c eo f m a g n e t i ct h i nf i l mm a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s ，b u tt h e r ea r e s o m eg a p sf a rf r o mt h ee x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no fm a g n e t i ct h i nf i l m a r o u n dt h e r e s e a r c ht ot h et h e o r ya n dp r a c t i c eo fm a g n e t i ct h i nf i l mm a g n e t i cp r o p e r t i e sa n d t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s i nt h i sp a p e r , i nt h es - dc o m m u t a t i v eo p e r a t i o na n d h e i s e n b e r gm o d e la n db yv a r i a t i o n a lc u m u l a n te x p a n s i o na n ds p i ng r e e nf u n c t i o n m e t h o d ，t h em a g n e t i ca n dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e df o rs y s t e mo f h e i s e n b e r gm a g n e t i ct h i nf i l ma n df e r r o m a g n e t i cg r a n u l ef i l mw i t hf e r r o m a g n e t i c g r a n u l e , s u c ha st h es p i ne x c i t a t e dr e l a x a t i o n , s p i ne x c i t a t i o ns p e c t r u ma n ds p i n p o l a r i z a t i o n e x c i t a t i o n s p e c t r u m ，s p o n t a n e o u sm a g n e t i z a t i o n , e f f e c t i v ed a m p i n g c o e f f i c i e n t ，e n e r g yd i s s i p a t i o na n dc r i t i c a lb e h a v i o re t c ，a 8ar e s u l t ，t h el a w sh a v e b e e n a c h i e v e df o ri t sc h a n g i n gw i t hl a y e r so f t h ef i l m ，t h es i z eo f g r a n u l ea n dt e m p e r a t u r e ，s o t h er e s u l t sa r ew e l lc o n f o r m e dt ot h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w ： 1 ) f o r t h e q u a n t u mh e i s e n b e r gf i l m ，t h es p o n t a n e o u s m a g n e t i z a t i o nd e p e n d so nt h en u m b e ro fa t o m i cl a y e r sa n dd e c r e a s e sr a p i d l ya st h e n u m b e ro fa t o m i cl a y e r si sd e c r e a s e dt h ei n t e r n a le n e r g ya n ds p e c i f i ch e a ti si nr e l a t i o n t ot e m p e r a t u r e ，n o tc o n t i n u o u si nt h ec r i t i c a lr e d u c e dt e m p e r a t u r ea n dc h a n g i n gv e r y g r e a t l y 2 ) t h es p i n c x c i t a t e dr e l a x a t i o no ff e r r o m a g n e t i c g r a n u l e f i l mw i t h f e r r o m a g n e t i cg r a n u l ew i l lc h a n g ew i t ht e m p e r a t u r e ，t h es i z eo fg r a n u l e ，e x c i t a t e dm o d e ， a n dt h ep r o c e s so f t h es p i ne x c i t a t i o nr e l a x a t i o nt h r o u g hs p i i l p o l a r i z e de x c i t a t i o ni sn o t r e l a t e dt ot e m p e r a t u r e ，h o w e v e r , t h eo n et h r o u g ht h e r m a le x c i t a t i o ni s 3 ) t h ef r e q u e n c y o ft h es p i n - w a v ee x c i t a t i o ns p e c t r u mi sh i g h e r , w h i l et h es i z eo fg r a n u l es m a l l e r t h e f r e q u e n c yi sn o tr e l a t e dt ot e m p e r a t u r e ，a n ds p i n p o l a r i z e de x c i t a t i o ns p e c t r u mi s ，a n di t s h o w sd i f f e r e n tp r o p e r t i e sf r o mt h o s eo ff e r r o m a g n e t i cm a s s i v ec r y s t a ls p i l lw a v e s p e c t r u m 4 ) w i t ht h eo u t f i e l db i l a y e rf i l ms p i nw a v es y m p a t h e t i cv i b r a t i o n ，2 a t - ，t h e b r e a d t ho fs p i nw a v es p e c t r u mi sr e l a t e dw i t hw a v ev e c t o r , t h i c k n e s s ，d a m p i n g p a r a m e t e ra n ds p i ns u s c e p t i b i l i t ya n dt h es p i nw a v e v e c t o ri nt h ee x c i t a t i o nl a y e r i nt h e b i - l a y e rf i l m sw i ml a r g ed i f f e r e n c e s 2 n , t h eb r e a d t ho fs p i nw a v es p e c t r u mi se n l a r g e d w i t ht h es p i nw a v ev e c t o ri nt h ee x c i t a t i o nl a y e r 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 t h es y s t e m a t i c a lr e s e a r c h e so nt h et h e o r yo fm a g n e t i ct h i nf i l mm a g n e t i ca n d t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e sw i l lb et h ep o w e r f u lt h e o r e t i c a le v i d e n c ef o rt h ee x p e r i m e n t s a n dd e v e l o p m e n t so fm a g n e t i ct h i nf i l mi nt h i sp a p e r , a n dt h er e s u l t sw i l lb et h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lt oe n r i c ha n di m p r o v et h et h e o r ya n dd e v e l o p m e n to fm a g n e t i ct h i nf i l m r e s e a r c h t h u s ，a na c t i v et r a i no f t h o u g h th a sb e e na c h i e v e df o rt h ef l l l t h e rr e s e a r c h e si n t h i sf i e l d k e y w o r d s ：m a g n e t i ct h i nf i l m ，s p i ne x c i t a t e dr e l a x a t i o n ，j dc o m m u t a t i v er e c i p r o c i t y , m a g n e t i cp r o p e r t i e s ，t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s 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及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重鏖盍堂 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谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：伽0 1 年厂月z 刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：乞7 乙 导师签名： 彭霭蓼细 签字日期：2 叼年r 月肋日 签字日期：羽叼年厂月加日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 信息化时代随着计算机技术的普及来到我们面前，发展海量存储技术日趋重 型1 】【2 1 。近年来，磁性金属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逐渐显示出的应用前景1 3 】，而越来越吸引着人们的研究兴趣。 当膜足够薄时，薄膜趋于二维系统，其表面效应逐渐显示其影响，从而可以具有 与大块材料不同的性能。实验上，已相当普遍的发现，磁层厚度减小到纳米量级 时多层膜磁化强度与温度的关系逐渐过度到线性 4 1 ，理论上，人们广泛地应用平均 场理论或改进了的平均场理论，并采用合理的自旋统计模型来研究磁性薄膜的磁 性，这些研究工作已经取得了一些进展，但还有相当一段路要走。 1 1 2 研究意义 本文将研究颗粒膜和h e i s e n b e r g 磁光薄膜的磁学、热力学性质，扩展研究从 低温到高温磁性薄膜的磁学性质，包括铁磁和反铁磁耦合，它们分别对应磁性薄 膜及多层膜的两个重要特性：磁光和巨磁阻效应。这两个性质是当前进行磁性薄 膜应用开发的热点。之前已有发展变分累积展开法，并已用于磁性块体材料临界 点及相变的研究取得了成功，获得了与实验和蒙特卡罗模拟符合较好的结果。变 分累积展开法最初是在格云规范理论中提出来，其特点是其展开的一级就是平均 场理论的结果；而高次展开允许对平均场理论的结果作系统的修正，而逐渐逼近 真实情况，其实质是按关联进行展开，这特别适用于各种温度区域。本文拟扩展 这一手段和方法，研究磁性薄膜及多层膜的磁学和热动力学性质，以便为磁性薄 膜及多层膜的开发和应用奠定更坚实的理论基础。 本论文研究的磁性薄膜在超高密度磁记录介质、磁光记录介质、薄膜磁头及 传感器等方面有广泛的应用前景。对磁性薄膜的磁学和热动力学性质的理论研究 工作对磁性薄膜的开发和应用具有重大的意义。对磁性薄膜的磁学和热动力学性 质的理论研究将为磁性薄膜的开发应用提供强有力的理论依据。为新技术的诞生 无疑会起到促进作用，为科学研究提供了一条积极的思路。 1 2 国内外研究现状 随着计算机技术的日趋成熟，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研究遇到技术以及理论上的瓶颈3 1 。实验上，已经作出了一些 卓有成效的结果，但理论问题未解释清楚影响到实验上的突破。理论上，自旋波 重庆大学硕士学位论文1 绪论 理论显示大块材料的饱和磁化强度与温度的关系满足t 引2 律，并预言二维系统中 m 。与t 显线性关系【5 1 。因为自旋波理论只适用于低温，所以不能希望自旋波理论 的预言在临界点附近仍是正确的。而磁性薄膜及多层膜的温度特性是非常重要的， 比如将磁性薄膜用于磁光盘时，要求它工作在一定的温度区域。此外，人们广泛 地应用平均场理论或改进了的平均场理论，并采用合理的自旋统计模型来研究磁 性薄膜的磁性。不幸的是，对平均场理论的高次修正极难处理。所以值得探索系 统地进行高次修正的其它解析途径。 同时，也有待研究磁性薄膜的自发磁化强度m 。怎样随磁性薄膜厚度而变化。 变分累积展开( 简称v c e ) 方法在格点规范场模型研究中一直被证明是非常有效的 方法【6 1 ，其展开的一级就是平均场近似，而高于一级的展开允许对平均场结果作系 统的逐级近似修正，并且适用于整个温度范围。变分累积展开方法成功地研究了 量子h e i s e n b e r g 薄膜的临界点【n ，发现磁性薄膜的临界约化温度是薄膜层数的函 数，且临界约化温度的三级近似己给出了与蒙特卡罗模拟符合相当好的结果。 对于颗粒膜，绝热非晶基底铁磁纳米颗粒结构具有巨磁阻、磁阻随应力和温 度变化的各向异性等特性而引起人们的广泛兴趣。1 9 5 3 年d m b a g g u l e y 首次发现， 颗粒结构中铁磁共振谱的宽度要比块状晶体大得多【8 】。1 9 9 5 年文献 9 】证实铁磁颗 粒膜结构中的铁磁共振谱线宽度脯随膜中粒子浓度减小而急剧增大。2 0 0 0 年 h o c o beh 等人研究了磁性膜中自旋共振谱的变异性【1 0 l 。2 0 0 2 年文献1 1 1 1 1 2 采用 s - d 交换作用模型，在对自旋格林函数s _ d 互作用单环近似下，求出颗粒结构中的 颗粒自旋波激发谱和自旋极化激发谱。但是对铁磁颗粒膜的自旋激发谱随颗粒大 小和温度的变化规律以及磁化强度、磁化率、热容量等随温度的变化特性未作讨 论。 文献【1 3 】对射频共溅射法制备的f e - a i 颗粒膜的隧道巨磁电阻效应进行了研 究。f e 体积百分比不同为4 5 时，样品的室温磁电阻的变化率( m r ) 在1 t 的平 行膜面的磁场下可达4 4 磁测量表明在室温时样品呈超顺磁态。另外，从m r 随温度的变化关系曲线可以看出，当温度低于5 0 k 时，m r 随着温度的下降而显 著增加，m r 在2 0 k 时达到1 4 9 ，4 2 k 时可达2 6 ，大大超过理论的预期值， 这可能与低温下由库仑抑制效应引起的自旋相关隧穿的高阶效应有关。 文献 1 4 】报道了f e x c u i 。和f e 。a 9 1 。颗粒膜的磁电阻随成分和温度的变化。在 1 5 k 和7 t 磁场下测量的磁电阻值可达5 0 ，并发现磁化强度的饱和场小于2 t ， 而磁电阻在7 t 时仍未饱和。样品从低温到室温具有较大的温度系数。对上述情况 进行了初步探讨。 文献 1 5 】利用磁控溅射方法制备多层膜后，再经热处理得到c o p t c 颗粒膜。热 处理使c o p t 颗粒从非晶相转向f c c c o p t 3 和f c t c o p t 稳定有序相，c 则保持非晶态。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 p t 成分占c o ，p t 总体积的7 0 时，膜的矫顽力h e 可超过4 0 0 k a m 。c 插层厚度 为0 2 一o 6 r i m 时，h e 最大，且在磁滞回线上出现“肩膀”。分析认为这是由于存 在两个磁性不同的c o p t 晶相，受c 成分比的影响，使它们之间的耦合性质和强度 不同造成的。 文献 1 6 】研究了磁性双层膜中的自旋波激发，特别着重地讨论了横向( 平行于 界面方向) 的自旋波对于纵向( 垂直于界面方向) 自旋波的影响，给出了体系的 能带结构和色散关系。 近几年来，人们在铁磁共振谱( 西 护) 和自旋共振谱( c b p ) 实验研究中， 发现了一些自旋激发弛豫的现象【9 1 。2 0 0 0 年b j i y e b 等人用自旋波谱( c b p ) 方法测出了含c 0 颗粒的4 c ：h 薄膜和c o b 6 n b 。2 t a ：颗粒的s i o ：薄膜中的磁弛豫 1 2 1 。发现金属颗粒的费米能级与基底导带的活动性边界之差a 与灯相比较，前者 “七乃而后者 七n 自旋激发弛豫实际上随温度变化很小。对这些结果，文献 f 1 7 给出了基底电子和自旋相互作用磁性系统的绝热近似值，在理论上未得到圆满 的解释。 1 3 本文研究的目的和研究内容 1 3 1 本文研究的目的 本文拟扩展研究从低温到高温磁性薄膜的磁学和热动力学性质。变分累积展 开法用于磁性块体材料临界点及相变的研究取得了初步成功，获得了与实验和蒙 特卡罗模拟符合较好的结果。变分累积展开法最初是在格云规范理论中提出来， 其特点是其展开的一级就是平均场理论的结果；而高次展开允许对平均场理论的 结果作系统的修正，而逐渐逼近真实情况，其实质是按关联进行展开，这特别适 用于各种温度区域。我们拟扩展这一手段和方法，研究磁性薄膜及多层膜的磁学 和热动力学性质，以便为磁性薄膜及多层膜的开发和应用奠定更坚实的理论基础。 本文将在已有实验工作的基础上，从理论上探索磁性薄膜的磁学和热动力学 性质，力争在研究方法和手段上有新的突破，在研究结果上有新的发现，以便为 磁性薄膜的开发和应用奠定坚实的基础。 基于磁性薄膜在信息存储方面的重要应用，目前在国内外都是研究的热门领 域之一，在巨磁阻效应、磁光效应方面已经作成功了许多重要实验，但理论解释 种类较多且很不成熟。本文将结合已有实验工作，以理论研究和计算方法研究为 主，探索磁性薄膜的磁学和热动力学特性。在已有工作和广泛研究的基础上，建 立反映磁性薄膜次近邻相互作用和表面效应的物理模型，探索计算反映磁性薄膜 磁学和热动力学性质的特征量的手段和方法，以期能解释已有的实验，并预言磁 性薄膜的新特性。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 2 本文研究的主要内容 本文拟采用变分累积展开方法解决h e i s e n b e r g 磁光薄膜的磁学、热力学性质 问题。采用s d 交换作用模型解决颗粒膜的磁学、热力学性质等问题。具体研究主 要内容如下： 应用j o 交换作用模型，在自旋格林函数s - d 交换相互作用单环近似下， 求出含铁磁纳米颗粒的颗粒膜中自旋激发弛豫。并以( 吐c ：日) l 。c o x 颗粒膜为例， 探讨了自旋激发弛豫随温度的变化规律。 利用外场作用下双层膜的自旋波共振模型，求出双层磁性膜的有效阻尼参 数，得出能量耗散特征量一自旋波谱线宽度2 h 随波矢以及双层膜厚度、阻尼 参量和回转磁化率等的变化关系。 利用自旋波理论求出了铁磁颗粒膜的自旋波激发谱和自旋极化激发谱随 颗粒粒径和温度的变化规律，以及在零级近似下，由颗粒膜自旋波激发谱引起的 磁化强度、磁化率、热容量随温度变化规律，并与铁磁块状晶体自旋波谱的变化 特征作出比较。 磁性存储是最常用的大容量存储技术，其记录密度越来越高，发展也越来 越快。通过对信息记录、读出和存储三个过程的分析，对比硬磁盘记录、垂直磁 记录和磁光记录的优缺点，讨论采用垂直记录模式、非晶结构合金薄膜或铁氧体 薄膜介质是实现超高密度记录的方向。探讨量子磁盘技术是未来极高密记录的方 向。 运用变分累积展开方法研究了伊辛薄膜的临界温度和临界指数，并且和实 验结果进行了比较。应用相关有效场理论研究了海森堡薄膜的临界行为。并把两 种方法进行比较，分析和比较出较好的解决方法。 采用变分累计展开方法研究量子h e i s e n b e r g 薄膜，分析h e i s e n b e r g 磁性薄 膜的自发磁化强度到三级累积展开。探讨自发磁化强度依赖于薄膜原子层数的规 律，寻找临界厚度的转换规律。计算内能和比热的累积展开，从三级累积展开的 结果，发现在临界约化温度处内能、比热的连续性规律。 本文拟根据不同研究对象，设计采用的物理模型( h e i s e n b e r g 模型和j 名交换 作用模型) ，引入适当的物理参量，建立相应的基本方程。分别用解析方法和数值 计算方法，辅以计算机编程，对所建立的方程进行求解，由此探讨磁性薄膜的磁 学和热力学性质。计算反映磁性薄膜的磁化强度、弛豫时间、临界温度等反映其 磁学和热动力学性质的物理量，并分析和讨论。将所得结果与实验结果和已有理 论工作比较，分析所建模型和所采用的研究方法的可行性。在以上工作的基础上， 改进所建模型和计算方法，以期能解释已有实验结果。 4 重庆大学硕士学位论文2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 2 1 磁性颗粒膜的巨磁阻效应和磁光效应 2 1 1 材料的分类 材料科学是促进生产、科学技术发展和人类社会生活水平提高、物质文明和 精神文明的基本保证，是一个国家综合国力标志之一。材料工程( 包括研制新材 料、新器件等) 是我国2 1 世纪国家战略发展三个重点工程( 即信息、生物、材料) 之一【2 】。 材料科学就是研究材料的结构，性质及其变化规律的科学。其目的是为研制 开发新材料、新产品，新器件提供理论根据。材料类别可以做以下分类： 按功能和用途分类：装饰材料，钟表材料，建筑材料，“ 按结构分类：晶体材料，准晶体材料，非晶体材料。 按状态分类：固体材料，液体材料，” 按材料的性质分类：金属材料，电介质材料，磁介质材料，半导体材料，光 学材料，一 按材料新旧分类：旧材料( 即普通材料) ，新材料。 应提出：新旧区分不严格；即使按性质分也不一定严格( 如有的就磁介质和 电介质兼有) 。 普通材料( 旧材料) 普通材料包括：金属和合金，电介质材料，磁性材料，半导体材料，光学材 料，半导体材料等 其中每类又可分为许多种，例如， 磁学材料包括：永磁材料( f e 、c o 、n i 等) 、顺磁材料、逆磁材料、磁信息材 料、微波磁性材料等。 光学材料包括：光介质材料、光纤维材料、光学薄膜材料、固体发光材料、 电光材料、声光材料等。 新材料 新材料的种类不同时期有不同的标准【。目前指的新材料包括如下1 0 类， 1 ) 半导体微电子光电子材料：用于计算机网络、通讯等； 2 ) 特种陶瓷：用于集成电路； 3 ) 新型合金材料：用于航天航空，精密仪器等； 4 ) 新型高分子材料； 5 ) 新型人工晶体材料，用于医疗等； 重庆大学硕士学位论文 2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 6 ) 新型薄膜材料( 包括磁性薄膜等，金刚石薄膜等) ； 7 ) 新型多孔材料( 如多孔硅；多孔陶瓷等) ： 8 ) 纳米材料； 9 1 光纤光通讯材料； 1 0 ) 特种功能材料。 这些新材料与电子技术、通讯、信息产业，军事、激光武器，航天技术、生 物医学工程密切相关。新式武器、远程导弹离不开这些新材料的研制。 新材料的制备方法 获得制备新材料，是理论、技术、设备先进性的体现。制备方法有物理方法， 化学方法、物理与化学结合的办法，生物方法等。 晶体材料制备法：溶液法、提拉法、焰溶法等。 溶液法是利用相交的原理，即在一定温度和压强下由液相变为固相，搅拌提 供相变趋动力。成功关键因素有样品纯，恒温恒压，相变趋动力不断提供，单晶 样品不可少，即晶核不可少。提拉法是利用在一定温度和压强下由液相变为固相 的原理。其它方法不做赘述。 2 1 2 磁性薄膜材料的分类 各种块体材料都能以薄膜形态存在，大多数磁性存储器件都离不开磁性薄膜， 特别是近些年来，大规模的信息和多媒体时代，各种电子信息的交换与存储要求 器件存储密度更高。速度更快。消耗功率更低、尺寸更小，这种集成化、微型化 发展趋势可从表2 1 所列数据看出【1 9 】。 表2 1 集成电路与硅单晶的发展情况 年份 1 9 5 81 9 6 51 9 7 31 9 7 81 9 8 71 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 7 s s im s il s i v l s iu l s i1 0 9 - 1 0 1 0 集成度 1 0 1 1 0 2x 0 2 1 0 31 0 2 1 0 5 1 0 s 1 0 6 ( 1 0 5 ) 存储器 6 4 2 5 61 0 0 01 6 g 特征尺寸t a n 1 072 3o 8 1o 3 5o 2 50 1 8 o 1 0 硅单晶 l245781 2 1 21 8 直径m m2 55 01 0 01 2 71 7 8 2 0 03 0 04 5 7 集成化与小型化发展趋势，使得磁性薄膜材料已成材料科学的一个重要分支， 在国防、航空航天、通讯、电子工业。光学工业等方面有特殊用途。因此制备各 类优质磁性膜是理论和实验上都是主要的研究问题。 6 重庆大学硕士学位论文 2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 磁性薄膜的制备方法 物理气相沉积( p v d ) 分为热蒸发法( 如电阻加热蒸发，电子束加热蒸发， 离子束加热蒸发，激光蒸发，反应蒸发等) ；溅射法( 如阴极溅射，高频溅射，磁 控溅射，离子束溅射等) ；离子镀；分子束外延。 化学气相沉积( c v d ) 分为常压c v d ；低压c v d ；等离子和光激活c v d ； 金属有机气相沉积( m o c v d ) 。 溶液成膜法分为化学反应沉积和电化学反应沉积。 磁性薄膜的分类 按层数分类：单层膜，多层膜。 按厚度分为超薄薄膜( 几个分子层) 和普通薄膜。 磁性多层膜分为：磁性金属多层膜；磁自旋阀( 或叫磁自旋开关) 磁隧道结 膜、磁性颗粒膜等。分别简介如下： 1 ) 磁性金属多层膜 铁磁层( f m ) 和非铁磁层( a f m ) 交替生长。如c u f e c u 。膜的优点： 有大的g m r 效应，制备简单；缺点：灵敏度 低，饱和磁化强度太高( 2 0 k o e ) 。 磁自旋阀 与磁性金属多层膜区别在于：两铁磁层间 不存在耦合作用或耦合作用甚弱，而磁性多层 膜两铁磁层间为金属，耦合极强。 磁自旋阀分两类，分别为不同矫顽力型自 旋阀( 图2 1 a ) 和偏置型自旋阀( 图2 1 b ) 。偏 a m f 卫也 n m i ：m l 衬底 ab 图2 1 磁自旋阀的结构 f i g2 1s t r u c t u r eo f m a g n e t a cs p i nc l i q u e 置型自旋阀通过反铁磁( a f m ) 与铁磁层( f m ) 的耦合。 3 1 磁遂道结 由磁性金属月 磁性金属磁性金属之形成；为三明治结构，结构示意如图。 4 1 磁性颗粒膜( g r a n u l a rf i l m s ) 指铁磁颗粒弥散在非铁磁磁性薄膜中构成的 复合膜。 颗粒膜和基质元素在制备及应用条件下互不固溶，形成一种非均匀相、处于 相分离状态、兼具超微颗粒和多层膜双重性质。 非铁磁材料为金属( 图2 2 a ) 和非铁磁材料为绝缘体( 图2 2 b ) 的两种情况如图2 2 所示。 7 重庆大学硕士学位论文2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 ab 图2 2 磁性颗粒膜的结构 f i g2 2s 仃u c t u r eo f m a g n e t i cg r a n u l a rf i l m s 二相组成的颗粒膜可能的几种组合类型见表2 2 。 表2 2 二相颗粒膜的组合类型 t a b l e2 2c o m b i n a t i o ns t y l eo f g r a n u l a rf i l m si nt w op h a s e 觥 金属半导体绝缘体超导体 基质 金属f e - c uc o - a gg e a l s 1 0 2 - n i 半导体p b g eg a a s - a l g a a ss i o - g eb i - g e 绝缘体 a u a 1 2 0 3c d s s i 0 2 m g c r 2 0 4 - m g a l 2 0 4 b i k r 超导体 c 0 b a 1 2 0 3 一b i 2 1 3 颗粒膜的巨磁阻效应 巨磁电阻效应 磁电阻效应是指材料电阻随外加磁场的改变而变化的现象1 9 1 。 m r ：2 1 璺二2 业1 0 0 p ( o ) 衡量磁电阻材料的两个基本参数是：一是最大磁电阻；二是获得最大磁电阻 时所加的饱和磁场的强度。应用观点是：磁电阻愈大，达到最大磁电阻的饱和磁 场强度愈小愈好。 按磁电阻大小和机理不同分为：正常磁电阻、各向异性磁电阻、巨磁电阻、 庞磁电阻。 1 1 正常磁电阻( o m r ) 来源为磁场对电子的洛仑兹力，导致电子运动发生偏转或产生螺旋运动，导 致电阻升高。正常磁电阻存在于所有的金属及半导体，但很小，例如c u ，o m r = 4 1 0 8 。 2 ) 各向异性磁电阻( a m r ) s 重庆大学硕士学位论文2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 磁性金属电阻率随磁场变化与方向有关。来自磁性晶体各项异性散射。 3 1 巨磁电阻效应( g m r ) 1 9 8 8 年，m n b a i b i c h 等人在f e c r 金属膜中发生，其磁电阻值达到m r = 8 4 ， 1 9 9 0 年b a r k i n 等人近一步发现此现象。多年研究发现，磁金属多层膜，自旋阀， 磁性颗粒膜。 巨磁电阻效应的解释 目前较公认的是莫特( m o r t ) 二流体模型。 该理论认为：铁磁金属中电子自旋极化的存在，传导电流可分为两个相互独 立的具有不同自旋方向的电流。由于自旋相关散射，多数自旋电流受到散射小， 对应小电阻；少数自旋电流受散射大，对应大电阻。多层膜中，当相邻铁磁层磁 矩反平行时，两种自旋电流均受较强的散射，总电阻较大；而外磁场作用下相邻 铁磁层磁矩平行时，多数自旋电流通过两铁磁层，未受到散射电阻很小。 磁电阻效应的应用 1 ) 传感器 传感器是把物理、化学、生物等非电信号转变为电信号的一种敏感器件，利 用磁电阻效应制作的传感器，性能比一般的传感器( 半导体制) 具有突出优点： 温度系数小、灵敏度高、体积小、性能稳定等突出优点，可传感微弱磁场( 如识 别伪钞等) 、自动控制无人驾驶、卫星定位等。 2 ) 读写磁头 突出特点是：高密度磁记录，可达到4 0 0 g b i n 2 ，而目前最好的合成铁磁介质 材料达到1 0 6 g b i n 2 。 3 ) 随机存储器 利用磁电阻效应制造的随机存储器比现在的半导体和微型铁氧体制的存储器 具有抗辐射、长寿命、低成本等优点。用于计算机芯片电话、固态录象机、个人 数字助理机，特别是军事、航天航空有广泛应用前景。 2 1 4 磁性颗粒膜的磁光效应 常见磁光效应 具有磁矩的物质在和光辐射的相互作用中，一方面，磁场的存在使光的光学 晶轴感生各向异性，使光学晶轴偏转，这种现象叫磁光效应。反之，光也会使介 质的磁性发生变化，这种现象叫光磁效应。 磁光效应包括：法拉第旋光效应；克尔效应；磁双折射；磁圆偏二色性和磁 线偏振二色性；能级的磁调谐等等。简单描述如下。 1 ) 法拉第效应与克尔效应 这两种效应是指平面偏振光入射磁介质，其反射光和透射光通常是园偏振， 9 重庆大学硕士学位论文2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 而且椭圆主轴发生旋转。其中反射光中观察到的为克尔效应，透射光中观察到的 为法拉第效应。 劲磁双折射 某些透明晶体( 如稀土、铁石榴石晶体) ，当加入磁场后，或者有的甚至不加 入磁场，光线入射时都会发生双折射现象。 3 ) 磁圆振二色性和磁线偏振二色性 光透过晶体时，波长由一个变为二个甚至多个波长的现象。 钔能级的磁调谐 稀土族晶体和过渡族金属晶体中，磁性粒子的能级随磁化强度的方向改变而 变化的现象。 应指出：磁光效应是介质中电磁波性质的反映，因此与介质磁导率张量、电 导率张量矿，介电张量s 密切相关。要讨论磁光效应，就要研究、盯、的性质和 光作用对它们的影响。 磁光材料分类 磁光材料总的要求是透明和具有磁性，有一定的矫顽力，合适的转高温度。 第一代磁光材料：t b f e c o 材料的晶体薄片或单层薄膜。常用的磁光材料晶体 有： 1 ) 亚铁磁性石榴石( f m g 、y i g 、g d l g 等晶体) 2 ) 尖晶石铁氧体( l i f e o ，m g f e a l 2 0 3 等) 3 ) 正铁氧铁( m f e 0 3 ，e r f e 0 3 ) 和钡铁氧体( b a f e l 2 0 1 9 ) 4 1 二价铕化合物晶体( e u o ，e u s 、e u s e 、e u t e 等) 5 ) 铬的三卤化物( c r c l 3 、c r b r 3 、c r l 3 等) 以上这些磁光材料的最大不足之处是克尔转角小，如f e 、c o 、n i 的克尔角仅 分别为2 07 、3 07 、1 8 。 第二代磁光材料：p t c o 合金多层膜系列。常见的第二代p t c o 磁光薄膜有 p t c o 多层膜、p t 3 c o 多层膜、p t ，c 0 1 _ x n i 。等a 磁光效应的应用 磁光效应是研究磁性介质微观性质的最重要手段之一，在实验研究上有三方 面的重要应用。 1 ) 磁畴观察和磁化强度分布 利用磁旋光非互易性，可观察透明晶体中磁化强度的分布，可用偏振光性质 观察光转动和消光现象来实现。 2 ) 磁光抵消点存储器 用光读出和光写入，不仅有高存储密度可达1 0 。位c n l 2 ，而且有不必与存储 1 0 重庆大学硕士学位论文2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 元件作机械接触或电接触，利用克尔效应来制作磁光点存储器，它的固有优点是 所有线路都能置的一边，而光存取限于膜的另一边，而透射方法的任何利用均碰 到布线复杂的问题。 3 1 静磁自旋波观察 利用克尔效应可观察自旋波频率与波长关系。 磁光效应具有如下两方面的实用价值： 1 ) 利用克尔效应可制备一些典型器件：如光隔离器、光开关、旋转器、环行 器等。 2 ) 宽频带红外调制器：磁光调制器比电光调制器和半导体p n 结调制器有更多 优点如下。 a 调制范围更宽，可达2 0 0 兆赫 b 插入损耗低，只有0 2 5 c 信号输入更低，只有o 0 8 6 w d 调制指数高：2 0 而电光调制、半导体p n 结调制均达不到上述要求。 磁光存储薄膜研究概况 磁光存储要达到的目的是增大存储密度( 而目前可达到的为2 5 x 1 0 5 存储位 寸2 ) ；性能稳定；适用频率范围宽，特别是向短波方向；记录可擦写；灵敏度高； 应用性好。 为了做到上述各点，特别是增大存储密度，在制备工艺上要解决的问题是： 1 1 增大克尔角，目前可达到1 2 7 0 。 2 ) 适中的居里温度：目前主要矛盾是降低温度的问题。目前可达到的居里温 度为t c = 2 1 0 c ( 1 9 9 5 年r o o n e y 等人) ，我国为t c = 2 0 5 c 。 3 1 增大各向异性，即磁滞回线更矩形化。如图中的x = 0 4 3 ，x = 0 5 0 矩形化 较好。 钔较高的矫顽力，目前较高的为h c = 3 0 4 k m m 。 5 ) 大的垂直各向异性常数。 回低的介电噪声。 7 ) 降低饱和磁化强度。 为了解决工艺上的困难，采取如下解决途径： 1 ) 掺杂，用成分调节多层膜。1 9 9 3 年，k i s h n a n ( 克p t n i 膜希尼) 在p t n i 多层膜的n i 层中掺c o ，使膜的居里温度降到2 5 0 。1 9 9 8 年，k i l n 等人，对p t 3 c o 膜进行掺f e ，m n 等，使t c 降低到2 4 0 ；日本的铃木秀夫在钇铁石榴石薄膜中搀 入b i ，增大了克尔角，还提出用a 1 ，g a 代替f e 并加c u ，以降低磁化温度和提高 重庆大学硕士学位论文 2 磁性存储技术的研究现状和发展方向 矫顽力等方法。 2 1 优化设计 a 增加膜的层数和合理调节各层膜的厚度成分。2 0 0 0 年，中科院周建等人和 新加坡浦天延等人对p t c o 合金多层膜进行优化，采取4 层结构。所制薄膜的 忙1 2 7 0 ，t c = 2 0 5 。 b 调节( p t 、c o ) n i 合金薄膜中非磁性原子的比例适量合金化的方法。例如 2 0 0 0 年中国科学院周建等人在p t 3 c o 合金膜中，加入适量n i 并将其合金化，制备 ( p t 3 c o ) 1 x n i 。合金膜。当x = 0 4 3 时，可获得t c = 2 6 8 c ，矫顽力h c = 3 0 4 k a m 。 3 1 利用稀土和过渡族的特征，在原有f e c o p d ( p t ) 膜的基础上，制备稀土和 过渡族非晶f e c o 膜( d y 、g d 、t b ) f e c o ( p t ，p d ) 多层膜，再利用贵金属在短 波方向为促进磁光效应，提