（凝聚态物理专业论文）小颗粒体系的磁化翻转和磁输运.pdf

套 学位论文使用授权声明 i i l ll l li l l li ii i l1111 1i y 17 3 2 4 5 1 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信 息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存和汇编学位论文，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。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 非涉密论文囱 论文作者签名： 导师签名： 日期：礁! 算翻州 日期：丝 竺z 堕丛 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运 中文摘要 中文摘要 铁磁颗粒磁矩的动态翻转特性是开发研制磁性传感器，磁性存储器以及磁性探测 器件的重要课题。磁性存储及探测器件的制造工艺已相当成熟，这使得其在日常生活 中的应用变得相当普遍。如今，计算机中央处理器的处理能力和速度不断提高，对存 储器高速存取的要求也日益突现出来。因此，如何减小磁性存储单元的翻转场和如何 加快颗粒磁化强度的反转时间成为研究者们共同关注的问题。另外由纳米铁磁颗粒构 成的复合介质会具有特殊的巨磁电阻性质。巨磁电阻的发现使得存储介质的密度得到 了极大的提高。对于超高密度规则排列的纳米磁颗粒复合介质，点阵体系中颗粒间的 偶极相互作用对体系的自旋输运有着重要的影响。因为巨磁电阻与近邻颗粒磁矩的相 对取向密切相关。研究磁性颗粒高密度排列复合介质中的自旋输运性质对理解磁矩关 联系统中的磁电阻效应有很大帮助，同时也为潜在的应用提供理论依据。本论文主要 从以下两个方面来研究小颗粒系统的磁学和自旋输运性质。 我们用基于l l g 方程的o o m m f ( o b j e c to r i e n t e dm i c r o m a g n e t i cf r a m e w o r k ) 软 件模拟了单畴纳米磁性颗粒内磁化强度的翻转特性。单畴纳米磁性颗粒为扁平状薄膜 小颗粒，其厚度远远小于长宽尺寸。我们以往的研究发现，用双轴磁晶各向异性材料 代替传统单轴磁晶各向异性材料可以加快磁化强度的翻转。然而双轴磁晶各向异性材 料的磁晶各向异性值依赖于具体的材料特性，无法连续调节其大小。因此，在本文中 我们提出利用颗粒平面内形状各向异性来调节体系总的有效各向异性场，使得系统的 势能在空间重新分布。当磁化强度在外加脉冲磁场作用下发生翻转进动时，我们发现 致使磁化强度发生反转的临界翻转场合发生反转所需的时间与颗粒平面内形状有密 切关系。与圆形扁平颗粒相比，适当的椭圆形扁平颗粒能够减小翻转场或加快磁化强 度的反转时间。通过改变扁平颗粒的形状，我们可以调控体系总的各向异性场，从而 有可能找到能使磁化强度更优翻转最佳的的途径。 我们还研究了纳米磁颗粒小体系中的自旋磁输运现象。在我们研究的体系中纳米 磁性颗粒规则地浸在绝缘基质中，构成二维的正方点阵结构。自旋电子在点阵中的输 运主要来源于隧穿磁电阻。由于需要考虑多粒子间的偶极相互作用，用l l g 方程来 描述众多磁性颗粒磁矩在某个时刻的取向相当困难，为此，我们采用m o n t e c a r l o 方 中文摘要 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运 法来模拟颗粒磁矩在点阵中的取向。我们发现在一定范围内，温度的升高会降低系统 的隧穿磁电阻。在这类材料中，由于颗粒间距变得很小，偶极相互作用成为影响体系 各项磁化性质的重要因素。在给定温度时，偶极相互作用的增强会导致系统的隧穿电 阻由小变大，并出现类似逾渗相变由低电阻向高电阻的转变。 关键词：磁化强度翻转、纳米磁性颗粒、形状各向异性、偶极相互作用、隧穿磁电阻 i i 作者：吕冬丽 指导教师：许晨 a b s t r a c t m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lo ff e r r o m a g n e t i c p a r t i c l e s i sa l l i m p o r t a n ti s s u e i nt h e a p p l i c a t i o n so fm a g n e t i cd a t as t o r a g e s ，m a g n e t i cf i e l ds e n s o r sa n dm a g n e t i c p r o b e s t e c h o n o l e d g eo fm a n u f a c t u r i n gt h em a g n e t i cs t o r a g ea n dm a g n e t i cd e t e c t o rh a sb e e n w e l l d e v e l o p e d i tm a k e st h e s ed e v i c e sp o p u l a ri no u rd a i l yl i f e d u et ot h eg r o w t ho f c o m p u t i n ga b i l i t ya n dt h es p e e do ft h ec e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ，t h ed e m a n do ft h es t o r a g eo f h i g ha c c e s ss p e e di sn e e d e d s op e o p l ea r ef o c u s i n go nh o wt oq u i c k e nt h em a g n e t i z a t i o n r e v e r s a la n d o rd e c r e a s et h e s w i t c h i n gf i e l d f u r t h e r m o r e ，t h e r ei s s p e c i a lg i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c ei nt h ec o m p o s i t e so fn a n o s i z e df e r r o m a g n e t i cp a r t i c l e s t h ed i s c o v e r y o fg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ec a u s e st h ef a b r i c a t i o no fh i g hd e n s i t ym e m o r i e s a st ot h e c o m p o s i t eo fn a n o s i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e se m b e d d e dd e n s e l yi nah o s t ，t h e d i p o l a r i n t e r a c t i o nb e t w e e nm a g e n t i cm o m e n t sw i l la f f e c tt h ep r o p e r t yo fs p i nt r a n s p o r tb e c a u s e t h eo r i e n t a t i o n so fa a j a c e n tm a g e n t i cm o m e n t sa r er e l a t e dt ot h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e i ti s h e l p f u lf o ru n d e r s t a n d i n gt h ep h e n o m e n o no fm a g n e t o r e s i s t a n c eb ys t u d y i n gt h e p r o p e r t yo fs p i nt r a n s p o r ti nt h ec o m p o s i t ec o n s i s t i n go fd e n s em a g n e t i cp a r t i c l e s m e a n w h i l e ，o u rw o r ka l s og i v e st h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nf o rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nt h i s t h e s i s ，w ew i l ls t u d yt h em a g n e t i cp r o p e r t ya n dt h es p i nt r a n s p o r ti ns m a l lp a r t i c l es y s t e m s n ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s w es t u d yt h em a g n e t i z a t i o nr e v e r a lo fan a n o s i z e ds i n g l ed o m a i nd i s kb yt h eo b j e c t o r i e n t e dm i c r o m a g n e t i c f r a m e w o r k ( o o m m f ) s o f t w a r e ，w h i c hi sb a s e do n l e l a n d a u 。l i f s h i t z - g i l b e r t ( l l g ) e q u a t i o n t h es i n g l ed o m a i np a r t i c l eh a saf l a ts h a p ea n d i t st h i c k n e s si sf a rl e s st h a nt h el e n g t h w i d t hs i z e s o u rp r e v i o u ss t u d ys h o w e dt h a tt h e m a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n go fac i r c u l a rd i s kc a nb eq u i c k e n e di nb i a x i a lm a t e r i a l si n s t e a do f u n i a x i a lm a t e r i a l s h o w e v e r , t h ec r y s t a l l i n ea n i s o t r o p yd e p e n d so nt h ep r o p e r t yo f m a t e r i a l i t s e l f i ti sd i f f i c u l tt ot u n et h ec r y s t a l l i n ea n i s o t r o p yc o n t i n u o u s l yb ys e l e c t i n gd i f f e r e n t m a t e r i a l s t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i s ，w es u g g e s tt ou t i l i z et h ei n p l a n es h a p ea n i s o t r o p yt o i i i t u n et h es y s t e m se f f e c t i v ea n i s o t r o p i cf i e l ds oa st or e c o n s t r u c tt h ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o ni n s p a c e w h e nt h em a g n e t i z a t i o np r e c e s s e su n d e rt h ea p p l i e df i e l dp u l s e ，w ef i n dt h a tt h e c r i t i c a lf i e l dt h a tc a nc a u s et h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a la n dt h er e v e r s a lt i m ea r em u c h r e l a t e dt ot h ei n - p l a n es h a p eo ft h ep a r t i c l e b yc o m p a r i s o nt ot h ec i r c u l a r l ys h a p e dd i s k ， t h es w i t c h i n go ft h ep r o p e r l ys h a p e de l l i p t i cd i s kc a nb ea c h i e v e db ya p p l y i n gas m a l l e r m a g n e t i cf i e l da n dt h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lt i m ec a na l s ob es h o r t e n e d b yc h a n g i n gt h e s h a p eo ft h ed i s k ，w ec a nt u n et h es y s t e m se f f e c t i v ea n i s o t r o p i cf i e l d s oa st of i n dt h e o p t i m a la p p r o a c ht ot h em a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n g w ea l s os t u d yt h es p i nt r a n s p o r ti nt h es y s t e mc o n s i s t i n go fm a g n e t i cn a n o - p a r t i c l e s t h es y s t e mt h a tw es t u d i e di sc o m p o s e do fn a n o s i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e sr e g u l a r l y e m b e d d e di na ni n s u l a t i n gh o s t t h es m a l lp a r t i c l e sc o n s t r u c tat w o d i m e n s i o n a ls q u a r e d l a t t i c e t h em e c h a n i s mo fs p i nt r a n s p o r ti ns u c has y s t e mm a i n l yc o m e sf r o mt 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 ) s i n c et h ed i p o l a ri n t e r a c t i o na m o n gt h ep a r t i c l e ss h o u l db e c o n s i d e r e d ，i ti sd i f f i c u l tt ou s e t h el l g e q u a t i o nt od e s c r i b et h ei n s t a n t a n e o u so r i e n t a t i o n s o ft h em a g n e t i cm o m e n t s h e r ew eu s et h em o n t e c a r l om e t h o dt os i m u l a t et h e o r i e n t a t i o n so ft h em o m e n t si nt h el a t t i c e w ef i n dt h a tt h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ei na s u i t a b l er a n g ec a u s e st h ed e c r e a s eo ft m r i nt h e s ec o m p o s i t e sc o n s i s t i n go fd e n s e m a g n e t i cp a r t i c l e s ，t h ed i s t a n c eb e t w e e na d j a c e n tp a r t i c l e si s s m a l la n dt h e r e f o r et h e d i p o l a ri n t e r a c t i o np l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e s f o rag i v e n t e m p e r a t u r e ，t h ei n c r e a s eo fd i p o l a ri n t e r a c t i o ns t r e n g t hw i l le n h a n c et h et m r a n dt h e c o n d u c t i v i t yo ft h es y s t e mw i l lc h a n g ef r o mal o wc o n d u c t i v i t yt oah i g hc o n d u c t i v i t y ， w h i c hi ss i m i l a rt ot h ec a s eo fc o n d u c t i v i t yp e r c o l a t i o n k e y w o r d s ：m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l ；m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e ；s h a p ea n i s o t r o p y ；d i p o l a r i n t e r a c t i o n ；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 i v w r i t t e nb yd o n gl il u s u p e r v i s e db yc h e nx u 目录 第一章引言1 1 1 微磁颗粒磁化强度动态翻转研究的意义1 1 2 纳米磁性颗粒点阵的磁电阻效应研究的意义及进展4 1 3 本文主要工作6 参考文献8 第二章关于o o m m f 软件的应用1 2 2 1l l g 方程1 2 2 2o o m m f 软件简介1 4 参考文献2 0 第三章小颗粒中磁化强度的翻转性质2 1 3 1 多畴大颗粒与单畴小颗粒j 2 1 3 2 圆盘磁性颗粒在单易轴和双易轴系统中的动力学性质2 5 3 3 椭圆型薄膜颗粒的磁化强度翻转特性2 7 3 4 结论3 5 参考文献3 5 第四章纳米磁性颗粒点阵的磁电阻效应3 7 4 1 计算模型3 7 4 2 颗粒点阵的磁学性质3 9 4 3 颗粒点阵的磁输运性质4 1 4 4 结 仑4 4 参考文献4 4 第五章总结与展望4 6 硕士期间论文发表的情况4 8 致谢4 9 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运第一章引言 第一章引言 人们对快速存储和高密度存储信息的需求不断提高，使得磁记录技术在近年来得 到了快速的发展。当今，关于数据存储大容量及数据快速存取速度的研究因其重要的 应用前景和经济价值，已成为人们研究的热点问题。存储单元尺寸越来越接近纳米量 级，磁性颗粒磁矩的超快翻转也已达到一个纳秒( n s ) 以下的量级。对于以f e ，c o ， n i 为主的合成材料制成的单畴磁性颗粒，由于材料具有不同特性，人们对其进行了 广泛而深入的研究。此外，技术水平的不断提高【1 3 为研究纳米尺度颗粒内的磁学特 性提供了便利。纳米量级的磁性颗粒，展示出很多新的磁学特性。如何理解和应用这 些不同于宏观尺度下的新现象是研究者们普遍关注的重要问题。 1 1 微磁颗粒磁化强度动态翻转研究的意义 研究颗粒薄膜内磁化强度的翻转特性对于开发研制磁性存储器、磁性传感器等有 着至关重要的作用 4 】。目前，硬盘的存储通常采用两种方式：面内记录方式和垂直 记录方式。面内记录方式是指磁头的运行方向和磁化强度的矢量方向在一个平行的平 图1 1 ：面内记录方式与垂直记录方式的对比图。 第一章引言 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运 面内。面内磁记录由于超顺磁性的限制，会面临极限问题，因为当磁记录单元变得越 来越小，就越来越难保持自身的磁化强度矢量方向，当受到周围环境的热扰动时，磁 单元就有很大几率会改变磁化强度矢量方向或者消失磁性存储特性。因而磁记录已经 面临向其他方式转轨的问题，而最有可能取代面内磁记录方式的便是垂直磁记录方 式。1 9 7 5 年日本东北大学岩崎教授提出垂直记录技术【5 】。如图1 1 所示，垂直记录 方式的磁化强度取向和存储单元阵列平面相垂直，磁化强度的方向指向上或向下，用 来表征数据“o ”或“1 ”。与面内记录方式相比，垂直记录方式不仅解决了超顺磁现象而 且节省了存储空间，可以达到更高的存储密度。无论是数据存储硬盘、磁记录单元、 磁传感器或是随机存储器都要求不但能有很高的存储密度而且能有很快的响应速度。 因此，如何提高磁性存储单元磁化强度取向的翻转速度成为了研究的热点。实验上， 人们用如粉纹法、磁光效应法、电镜法和x 射线形貌学法等来观察磁畴的形成与翻 转过程。理论上，人们主要通过l a n d a u l i f s h i t z g i l b e r t ( l l g ) 方程来描述磁化强度的 动力学过程 6 1 5 。最初由l e vl a n d a u 和e v g e n gl i f s h i t z 提出磁进动的动态模型，在 经过了t l g i l b e r t 修正后可用于描述较大衰减阻尼系数系统 1 6 】。l l g 方程包括了磁 矩围绕等效场的l a m o r 进动项和描述体系能量耗散的衰减项。l a m o r 进动项使磁化强 度产生进动，而弛豫项消耗系统能量，使磁化强度在等效场方向上趋于稳定。所以磁 化强度在外磁场作用下将产生两种运动方式 1 7 ，1 8 】：一种是围绕磁场的进动，一种是 趋向于磁场方向的转动，如图1 2 所示。 酿i一、一 ，一_ 一 、吒 图1 2 ：在外加磁场作用下磁化强度的进动( 实线箭头表示) 和转动( 虚线箭头表示) 。 2 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运第章引言 由于l l g 方程是非线性微分方程，只在一些特殊情况下有解析解。例如在忽略 磁晶各向异性的前提下，s t a m p s 和h i l l e b r a n d s 2 2 得出了颗粒磁矩在外场下运动的解 析解。当考虑到材料本身的磁晶各向异性及颗粒形状各向异性时，我们就很难得出 l l g 方程的解析解。所幸的是，当今计算机计算能力的极大提高为数值求解l l g 方 程提供了便利。我们可以通过数值积分得出磁化强度在外加磁场下的响应特性。通过 与实验数据对比，c h o i 等人 1 9 】发现l l g 方程能很好地描述磁矩的翻转性质。因此 用l l g 方程对磁性颗粒内磁化强度矢量的翻转模拟得到广泛运用。研究者们提出了 很多加快磁化强度翻转的方法。例如d i e t e rs u e s s 等人 2 0 的研究表明，如果选择合 适的阻尼系数口，可以通过在适当范围内减小材料的尺寸来达到缩短翻转时间的目 的。y a s u t a r ou e s a k a 等人 2 1 通过模拟发现，有缺陷的磁性颗粒内磁化强度的翻转比 同样形状没有缺陷颗粒内的磁化强度翻转要更快。此外，他们的研究还发现能否实现 颗粒磁矩的更快翻转与外加场的特性密切相关。s t a m p s 和h i l l e b r a n d s 2 2 提出了施加 小的静态偏压场不仅可以降低翻转场的幅值而且在翻转时间上也有很大的优越性。此 外，研究者们还发现，磁单元的翻转过程不仅依赖于磁性材料本身的性质及外加场形 式，材料的外观几何结构也会对颗粒磁矩翻转的动态过程产生重要的影响。最近我们 e r 图1 3 ：磁化强度在x 轴上的分量随时间的变化过程。虚线表示的是双轴各向异性薄膜内的 磁化强度翻转，实线是单轴各向异性薄膜内的磁化强度翻转。偏压场大小吃 k = 0 2 。( 引自文 献2 3 ) 第一章引言小颗粒体系的磁化翻转和磁输运 小组提出，可以用双易轴各向异性材料来代替传统单轴各向异性材料作为存储颗粒 2 3 1 。由双易轴各向异性材料作为存储器的优势非常明显，在相同条件下，由于双易 轴比单易轴多了两个稳定态方向。在难轴之间，双易轴各向异性多出来的两个稳态降 低了难轴的能量势垒，这就使得翻转变得更容易，所需的时间也更短( 如图1 3 所示) 。 最新的一些研究结果表明，除了可以通过上述磁性颗粒平面内磁化强度的翻转来 实现数据存储外，还可以通过无磁晶各向异性的纳米磁颗粒内磁漩涡( 或反磁漩涡) 中 心磁化强度的上下翻转来存储信息 2 4 2 8 】。 1 2 纳米磁性颗粒点阵的磁电阻效应研究的意义及进展 在通有电流的材料上施加磁场时，电阻率随外加磁场的变化而变化，这种现象被 称为磁致电阻效应( m r ) 。磁致电阻效应能够把外加的磁场信号转化为电信号。因此， 它在磁头读写，磁存储器件和磁性传感器等领域都有广泛的应用。目前，被广泛研究 的磁性材料的磁电阻效应大致有以下几种：由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻 ( o m r ) ，与技术磁化相关的各向异性磁电阻( a m r ) ，多层膜与颗粒膜中的巨磁电 阻( g m r ) 【2 9 ，3 0 】。巨磁电阻效应通常用两自旋电流模型来描述。如图1 4 所示，s p i n 的箭头表示自旋方向，r 士( r 小) 表示电阻大( 电阻小) 。传导电子的自旋磁矩方向 与区域磁化方向平行( 相反) 时受到的散射小( 大) ，因而电阻率就低( 高) 。除上述 几种磁电阻效应外，隧道磁电阻( t m r ) ( 又称隧道巨磁电阻) 【3 1 因其灵敏度高， 可控性强，及其高响应，小能耗的特点引起研究者们的普遍关注。自从t e d r o w 和 m s e r v e y 【3 2 利用超导体非绝缘体铁磁金属的隧道结测量出f e 、c o 、n i 等磁性金属 在输运过程中的自旋极化电子流后，f m i f m ( 如图1 5 所示) 磁性隧道结被广泛研究。 多层膜的巨磁电阻效应一般发生在铁磁层非磁金属层铁磁层之间，而磁性隧道结是 由两铁磁性金属中间夹着薄的绝缘层组成。若在垂直于膜面的方向上有电压作用( 如 图1 5 ( b ) ) ，便形成隧穿电流，从而形成隧道磁电阻效应。同样，当这些磁性膜被磁 性小颗粒取代而形成的颗粒复合介质后，自旋电子在该种复合介质中传输时将仍会有 巨磁电阻效应或隧道磁电阻效应 3 3 3 7 】。 4 ! ：嬖塾竺至堕磁些翻转和磁输运 第一章引言 s p i n f m n mf m 卜 ( a ) s p i n f mn mf m “ 图1 4 ：巨磁电阻效应示意图，f m 表示磁性材料层，n m 为非磁性材料。( a ) 为自旋相反的 传导电子穿过磁矩反平行排列的两相邻磁层所受的散射状态，( b ) 为两自旋相反的传导电子穿过 磁矩平行排列的相邻磁层时所受散射的状态。 g m r t 腿 ( a ( b ) 图1 5 ：g m r 效应( a ) 与t i v i r 效应( b ) 的装置原理图。 通常对于超高密度排列的磁性颗粒复合介质，颗粒的间距和颗粒的尺寸都仅为几 个到几十个纳米。这些颗粒规则地排列在一个二维平面而构成一个正方、三角或六角 5 第一章引言 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运 的点阵结构 3 8 4 0 。对于上述纳米点阵体系，由于颗粒排列的密度很高，因此在这样 的点阵体系中，磁偶极相互作用会明显地影响到磁矩的构型【4 1 】及磁化动力学过程 【4 2 ，而体系的隧穿磁电阻又与点阵体系的磁化状态密切有关。我们知道，纳米量级 的磁性颗粒通常为单畴，且具有较强的磁性，当颗粒间距变得很小，颗粒之间的长程 关联相互作用将不可忽略。在实验上r o s s 等人已制备出n i ，c o ，c o p ，及c o n i 等各种 形状的单畴纳米颗粒点阵 4 3 4 5 。i n o u e 和m a e k a w a 4 6 】引入无规电阻网络模型以解 释c o a i o 颗粒膜的隧穿磁电阻的弱温度依赖性。i n o u e m a e k a w a 模型将铁磁隧道结的 j u l l i e r e 模型 4 7 】与s h e n g 4 8 关于颗粒金属导电性的理论相结合，得到区别于h e l m a n a b e l e 关于金属颗粒间的电子跳跃输运模型的铁磁颗粒复合介质中磁输运的理论模型 【4 6 】。h e 4 9 等人研究了有限尺度对垂直各向异性小点阵的基态能量的影响。纳米自 组装形成的规则磁颗粒体系中的磁输运研究，引起了人们特别的兴趣 5 0 。b l a c k 等人 的研究表明纳米c o 粒子的自组装薄膜电导是由自旋相关的隧穿机制引起的，当温度 低至约2 0 k 时，将有一个较大的隧穿磁电阻( 1 0 ) 【5 0 】。最近，有研究者在 c o ，f e a i 。，s i 。；中用休斯勒强铁磁性合金电极测出了更大的隧道磁电阻和垂直于平面 的巨磁电阻【5 1 ，5 2 。当温度分别为9 k 和3 0 0 k 相对应的c 0 2 f e a l 0 5 s i 的极化率分别 为0 9 0 和o 8 1 时，隧道磁电阻率将达到8 3 2 和3 8 6 。因此，研究磁性颗粒复合介 质中隧道磁电阻的机理及特性是十分有意义的。 1 3 本文主要工作 为了研究小磁性颗粒系统的磁学和自旋输运性质，本文主要从以下几个方面对其 展开讨论。 一、具有形状各向异性的磁性颗粒内磁化强度的翻转特性 对于具有单轴磁晶各向异性的单畴磁性颗粒，其较大的磁晶各向异性的存在使得 热扰动不足以破坏磁化强度的稳定性。然而正是由于该较大的磁晶各向异性的存在， 翻转场通常也需要较大的值。这给实际应用带来一定的困难。另外，在满足热稳定的 6 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运第一章引言 条件下，通过选择合适的具有较小的磁晶各向异性的材料并不容易。我们对双轴各向 异性材料的研究表明 2 3 1 ，双轴各向异性系统能比单轴各向异性系统进一步减小翻转 场和加快翻转时间。其原因是双轴各向异性改变了势能在空间的分布情况，降低了磁 化强度的翻转能垒。利用这一机理，我们在本文中提出通过改变材料的平面形状各向 异性来有效地调节势能在空间的分布，在满足热稳定的条件下( 即颗粒不出现超顺磁 现象) ，调节平面内各向异性来实现磁化强度的快速翻转。为了研究和验证这一想法， 本文中我们将考虑扁平薄片形状的纳米磁性颗粒( 如椭圆形) ，通过改变椭圆的长短轴 之比来改变材料的形状各向异性。材料具有单轴磁晶各向异性并沿某一个椭圆主轴取 向。本文中我们仅考虑单轴磁晶各向异性，易轴方向为磁化强度稳定方向( 即无外加 磁场时，此处的能量最低) ，该稳定方向实际为两个等价的相反取向方向。因此，我 们将具体研究磁化强度在外加脉冲磁场作用下，从沿其中一个易轴取向方向反转到另 一个相反易轴取向方向的翻转性质。我们假设易轴和椭圆的一根主轴沿x 轴向，另 一根主轴沿y 轴向。椭圆平面在x y 平面内。当沿+ y 轴向( 或沿+ z 轴向) 施加一 脉冲磁场后，我们发现在某些情况下，磁化强度的临界翻转场和磁化强度的翻转时间 可以比圆形磁盘颗粒的情形进一步减小。翻转时间和临界翻转场随着颗粒平面内形状 各向异性的变化而不同。我们可以通过调节颗粒平面内形状各向异性参数来获得最佳 的翻转特性，即获得最短的翻转时间或最小的临界翻转场。我们的计算模拟结果表明， 可以通过改变材料的形状各向异性来获得较好的有利于磁化强度翻转所需的条件。本 文将在第三章中应用o o m m f 软件具体研究具有形状各向异性的磁性颗粒内磁化强 度的翻转特性。 二、纳米磁性颗粒点阵的磁电阻效应研究 纳米颗粒高密度排列体系有其独特的磁学和电输运性质。现代纳米技术已经可以 加工出超高密度( 1 乃i n 2 ) 磁性存储介质【5 3 】。微小的磁性颗粒通常是单畴的且具 有较强的磁性。当颗粒间距变小后，颗粒之间的长程关联不可忽略。温度对单畴磁性 小颗粒的影响也将变得很重要，当温度r 低于临界温度瓦( 瓦与构成颗粒的材料及尺 寸有关) 时，颗粒显示铁磁性，而当温度丁高于临界温度时，单畴颗粒磁矩将在系统 7 第一章引言小颗粒体系的磁化翻转和磁输运 中不同的稳态与亚稳态之间不断反复跃迁，从而使颗粒显示出超顺磁性【5 4 】。本文主 要研究具有单轴各向异性的单畴磁性颗粒二维正方点阵的磁性和隧穿磁电阻效应。我 们研究的系统中，纳米磁性颗粒规则地浸在绝缘基质中。自旋电子在点阵中的输运主 要来源于隧穿磁电阻。颗粒磁矩的取向与隧穿磁电阻的大小直接相关。由于需要考虑 多粒子间的偶极相互作用，用l l g 方程来描述众多磁性颗粒磁矩在某个时刻的取向 相当困难。为此，我们将采用m o n t e c a r l o 方法 5 5 】来模拟颗粒磁矩在点阵中的取向。 我们发现磁偶极矩相互作用的强弱及温度对该种纳米颗粒点阵系统中的磁学和电输 运性质有重要的影响。弱偶极相互作用下，系统的磁化强度和隧穿磁电阻随温度的增 加而减小。在给定温度时，偶极相互作用强度的增加，使系统出现由低电阻状态向高 电阻状态的转变。强偶极相互作用使系统出现明显的磁电阻各向异性。本文将在第四 章中研究纳米磁性颗粒点阵中的隧穿磁电阻效应。 参考文献 1 】 s u ns h o u h e n g ，m u r r a ycb ，w e l l e rd ，f o l k sl ，a n dm o s e ra ，s c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 8 7 ， 19 8 9 ；z i t o u nd ，r e s p a u dm ，f r o m e nm - c ，c a s a n o v em j ，l e c a n t ep ，a m i e n sc ，a n d c h a u d r e tb ，p h y s r e v l e t t ，2 0 0 2 ，8 9 ，0 3 7 2 0 3 【2 】2 p a nmh ，l i uh ，w a n gjz ，j i ajf ，x u eqk ，l ijl ，q i ns ，m i r d a i d o vum ，w a n gx r m a r k e tjt ，z h a n gzya n ds h i hck ，n a n ol e t t ，2 0 0 5 ，5 ，8 7 【3 】h i l l e b r a n d sb a n dq u n a d j e l ak ，s p 伽d y n a m i c si nc o n f i n e dm a g n e h cs t r u c t u r e s1 h ( s p r i n g e r - v e r l a g ，b e r l i n ，2 0 01 ) 4 w e l l e rd ，m o s e ra ，i e e et r a n s m a g n ，19 9 9 ，3 5 ，4 4 2 3 【5 】s 1 w a s a k ia n dyn a k a m u l a , i e e et r a n s m a g n ，1 9 7 7 ，1 3 ，1 2 7 2 6 p h a mnh ，d u m i t r ul ，s t a n c ua ，a n ds p i n ul ，j a p p l p h y s ，2 0 0 4 ，9 5 ，7 0 0 4 【7 】7m a y e r g o y zi ，d i m i a nm ，b e n o 钍ig a n ds e r p i c oc ，j a p p l p h y s ，2 0 0 4 ，9 5 ，7 0 0 4 【8 】8d a q u i n om ，s c h o l zw s c h r e f lt s e r p i c oc ，a n df i d d l e rj ，j a p p l p h y s ，2 0 0 4 ，9 5 ， 7 0 0 5 9 】b e l m e g u e n a im ，d e v o l e rt ，a n dc h a p p e r tc ，j a p p l p h y s ，2 0 0 5 ，9 7 ，0 8 3 9 0 3 8 小颗粒体系的磁化翻转和磁输运 第一章引言 1 0 】s t a m p srl ，c a m l e yre ，p h y s r e v b ，1 9 9 9 ，6 0 ，11 6 9 4 1 1 】s t a m p srl ，c a m l e yre ，p h y s r e v b ，1 9 9 9 ，6 0 ，1 2 2 6 4 【1 2 】s t a m p srl ，c a m l e yre ，j m a g n m a g n m a t e r ，1 9 9 8 ，1 7 7 1 8 1 ，8 1 3 1 3 】z h a n glf ，x uc ，h u ipm ，m ayq ，j a p p l p h y s ，2 0 0 5 ，9 7 ，1 0 3 9 1 2 【1 4 】z h a n glf ，x uc ，p h y s l e t t a ，2 0 0 6 ，3 4 9 ，8 2 1 5 】x uc ，h u ipm ，m ayq ，z h a n glf ，s o l i ds t a t ec o m m u n ，2 0 0 5 ，1 3 4 ，6 2 5 【16 】k i k u c h i 心j a p p l p h y s ，1 9 5 6 ，2 7 ，13 5 2 17 s u nzz ，w a n gxr p h y sr e vl e t t ，2 0 0 6 ，9 7 ，0 7 7 2 0 5 【1 8 】卫荣汉，赖梅凤，张庆瑞磁性微结构中自旋磁化组态及其动态过程物理双月 刊，2 0 0 4 ，2 6 ，5 6 5 1 9 】c h o ibc ，b a l l e n t i n ege ，b e l o vm ，f r e e m a nm r ，p h y s r e v b ，2 0 0 1 ，6 4 ，1 4 4 4 1 8 2 0 】d i e t e rs u e s ，t h o m a ss c h r e f l ，j o s e ff i d d l e r , a n dv a s i l l i o st s i a n t o s ，i e e et r a n s m a g n ， 2 0 0 1 ，3 7 ，1 9 6 0 21 y a s u t a r ou e s a k a , y o s h i n o b un a k a t a n i ，a n dn o b u oh a y a s h i ，j a p p l p h y s ，19 91 ，6 9 ， 0 8 4 8 4 7 2 2 】s t a m p srl ，h i l l e b r a n d sb ，a p p l p h y s l e t t ，19 9 9 ，7 5 ，l1 4 3 【2 3 】k j t a n g ，c x u