铁磁/ 反铁磁双层膜中交换偏置

铁磁/反铁磁交换偏置在巨磁电阻器件中具有重要的应用。引起了物理学及材料学等领域内广大科学家的浓厚兴趣，本文首先阐述了交换偏置的基本性质。然后简述了交换偏置的实验研究方法；最后，着重介绍了几种主要的理论模型。     

铁磁/反铁磁双层膜系统中交换各向异性及其厚度依赖性

研究铁磁/反铁磁双层膜系统中交换偏置场和矫顽场的冷却磁场依赖性.结果表明,随着冷却磁场的增加,交换偏置场由负值向正值转变.在转变点附近,矫顽场有-个特别的增强,并达到最大值.结果同相关实验-致.研究铁磁层和反铁磁层厚度对交换偏置场和矫顽场的影响.发现,正负交换偏置场和矫顽场随着铁磁层厚度的增大而减小,但随反铁磁层厚度的变化关系复杂.在正交换偏置场的情形,随反铁磁层厚度的增大,交换偏置场增强,矫顽场减弱;在负交换偏置场的情形,随反铁磁层厚度的增大,交换偏置场减弱,矫顽场增强.     

热效应在电流驱动反铁磁/铁磁交换偏置场翻转中的显著作用

电流驱动的面内交换偏置场翻转具有无需外磁场辅助、抗磁场干扰以及强磁各向异性等优势,受到广泛关注.然而,在纳米级厚度薄膜系统中,反铁磁/铁磁异质结的阻塞温度较低,同时电流脉冲会产生大量的焦耳热,理论上电流热效应对于交换偏置场翻转有着显著作用,但是其作用机制缺乏相关研究和验证.我们制备了一系列反铁磁IrMn厚度不同的Pt/IrMn/Py异质结,系统性地研究了热效应在电流翻转交换偏置场中的作用机制.结果表明,在毫秒级电流脉冲下,焦耳热能够使得器件升温至阻塞温度以上,解除反铁磁/铁磁界面的交换耦合,同时电流产生的奥斯特场和自旋轨道矩能够翻转铁磁磁矩,在降温过程中完成交换偏置场的翻转.并且,在翻转过程中,反铁磁/铁磁异质结的各向异性磁阻曲线呈现与温度相关的两步磁化翻转现象,分析表明该现象起源于交换偏置耦合与铁磁直接交换作用之间的竞争关系.本文的研究结果厘清了热效应在电流驱动交换偏置场翻转过程中的重要作用,有助于推动基于电控交换偏置场的自旋电子器件发展.     

外应力场下铁磁/反铁磁双层膜系统中的交换偏置

采用自由能极小的方法研究了铁磁/反铁磁双层膜系统在外应力场下的交换各向异性.本模型中铁磁层具有单轴磁晶各向异性和立方磁晶各向异性，而反铁磁层仅具有单轴磁晶各向异性，但其厚度趋于半无穷.理论上解析地给出了系统的等效交换偏置和钉扎角(它显示了反铁磁层对铁磁层磁化的钉扎作用)与外应力场之间的关系.数值计算表明：系统的等效交换偏置与外磁场的方向有关，而与其大小无关；然而外应力场的大小和方向均对系统的等效交换偏置有影响，其根源在于外应力场的大小和方向都影响着钉扎角. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 交换偏置 钉扎角 应力场     

铁磁/反铁磁双层膜系统中的磁畴动力学行为

比较了铁磁单层膜与铁磁/反铁磁双层膜结构中的磁畴演化行为, 发现由于反铁磁层膜对铁磁层膜的耦合作用使得系统的磁畴壁厚度、 磁畴壁等效质量、磁畴壁移动速度等发生了改变, 系统的矫顽场增强, 并出现了交换偏置场. 文章具体研究了反铁磁层耦合作用下其磁畴壁厚度、 等效质量以及磁畴壁移动速度等与反铁磁层的净磁化、 磁各向异性、界面耦合强度以及温度等的关系; 并研究了其对铁磁/反铁磁双层膜中的交换偏置场、矫顽场的影响. 进而 从磁畴结构的形成及其演化上揭示了铁磁/反铁磁双 层膜中出现交换偏置以及矫顽场增加的物理机制.     

非磁性掺杂下的铁磁/反铁磁系统中的交换偏置和矫顽场

采用Monte Carlo方法,分别讨论了在铁磁/反铁磁双层膜和铁磁/反铁磁单层混合膜中,掺入非磁性物质后,掺杂浓度对交换偏置以及矫顽场的影响.计算结果表明:随着掺杂浓度的增大,双层膜和单层膜交换偏置都有先增大后减小的现象,而其矫顽场则先减小后增大.在相同掺杂浓度下,对随机掺杂和规则掺杂两种不同掺杂方式的结果比较发现:铁磁/反铁磁双层膜中,规则掺杂下产生的交换偏置和矫顽场都得到了增强;对于单层混合膜,随机掺杂下的交换偏置更强,规则掺杂下的矫顽场更大.研究发现对于双层膜规则掺杂可明显地导致其磁滞回线的不对称性,说明铁磁/反铁磁系统中磁滞回线的不对称性与界面自旋微结构密切相关.     

铁磁/反铁磁/铁磁三层膜系统中反铁磁自旋结构及其交换各向异性

研究铁磁/反铁磁/铁磁三层膜中界面存在二次以及双二次交换耦合下反铁磁磁矩转动及其交换各向异性.结果表明,其反铁磁膜中的磁矩转动存在可逆"恢复行为"、不可逆"连续倒转行为"以及不可逆"中断倒转行为"三种情形,三种情形的出现强烈地依赖于两界面处的线性耦合和双二次耦合.钉扎界面的交换耦合与旋转界面的交换耦合相互竞争,当钉扎界面耦合占主导时,反铁磁磁矩发生可逆"恢复行为",系统出现交换偏置.在旋转界面耦合占主导情形下,其线性耦合与双二次耦合也相互竞争,分别导致反铁磁磁矩发生不可逆"连续倒转行为"和不可逆"中断倒转行为",系统都不出现交换偏置,但矫顽场都得以增强.相关结论为实验上观测的磁滞能耗以及界面垂直耦合提供了可能的解释.     

铁磁/反铁磁双层膜系统中的交换偏置及矫顽场的温度特性

提出了一个讨论铁磁／反铁磁双层膜中的交换偏置及矫顽场温度特性的物理模型，该模型，假设铁磁层为具有单畴各向异性的单畴膜而反铁磁层由许多相互独立具有多晶各向异性的颗粒组成，其温度依赖性主要来源于系统态的热不稳定，包括反铁磁颗粒易轴取向的热涨落和相关磁学量的温度依赖性等。计算结果表明其交换偏置随温度的增加非线性地减少而其矫顽场在体阻截温度处达极大值，且其体阻截温度随反铁磁颗粒粒径的增加而增加。我们的计算结果和相关实验结果一致，通过本的讨论，我们建议通过铁磁膜耦合上大粒径硬反铁磁颗粒膜可获得高交换偏置、低矫顽场且近独立于温度的相关磁学器件。     

铁磁球/反铁磁纳米体系磁滞回线的Monte Carlo模拟

利用经典Heisenberg模型和Monte Carlo方法研究外磁场和反铁磁磁晶各向异性、交换相互作用对铁磁球均匀嵌入到反铁磁基体中的铁磁/反铁磁纳米体系磁滞回线的影响.模拟结果显示,外加反向最大磁场不同时,磁滞回线形状不同.当磁场正向增加时,体系的磁化强度会产生一个跃变,但跃变高度与反向场最大值无关.反铁磁磁晶各向异性越大,体系的交换偏置现象越明显,且磁化强度回到饱和值所需的外磁场越大.随着反铁磁基体交换相互作用的增大,在正向和负向磁场区域还可能出现新的磁滞现象.     

交换偏置系统中的反铁磁磁化与自旋波

采用自由能变分法研究了铁磁/反铁磁双层膜系统在反铁磁层存在净磁化下的自旋波谱.本模型中铁磁薄层具有单轴磁晶各向异性和立方磁晶各向异性,反铁磁层仅具有单轴磁晶各向异性,但厚度有限,推导出了系统铁磁共振频率的表达式.结果表明：系统的自旋波谱分光学模和声学模两种,其中光学模仅在反铁磁层存在净磁化时得到激发.自旋波谱可按外磁场强度的变化情况分为强弱两支;区分强磁场和弱磁场的临界场依赖于铁磁/反铁磁间的交换作用,反铁磁层的磁化强度以及反铁磁层的厚度等.交换偏置场对光学模的影响明显于声学模,而反铁磁的净磁化和其厚度对系统的影响紧密联系,难以区分.但当反铁磁层净磁化很小可忽略时,系统只存在声学模激发. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 反铁磁层净磁化 光学模 声学模     

外应力场下铁磁/反铁磁双层膜系统的铁磁共振性质

从系统能量出发，采用Smith和Beljers理论方法研究了铁磁/反铁磁双层膜系统在外应力场下的铁磁共振现象.本模型中铁磁薄层具有单轴磁晶各向异性和立方磁晶各向异性，而反铁磁层非常薄因而其能量可忽略.推导出了该系统的铁磁共振频率和频谱宽度的解析式.结果表明：外应力场仅在低磁场下对具有立方磁晶各向异性系统的铁磁共振有影响，且区分弱磁场和强磁场的临界场依赖于外应力场的方向. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 交换偏置 铁磁共振 应力场     

掺杂下铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置的增强

采用了Monte-Carlo方法，讨论了反铁磁层中不同非磁性掺杂浓度下，铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置的温度特性. 模拟结果显示：反铁磁层中非磁性掺杂能导致铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置的增强. 同时，交换偏置随非磁性掺杂浓度的变化存在极大值，即同一温度下交换偏置随掺杂浓度的变化是非单调的. 并且，随着温度的升高交换偏置的最大值所对应的掺杂浓度向浓度低的方向移动. 它和Hong Jung-Il等人的实验结果完全一致. 究其原因在于反铁磁层相应的自旋排布、磁畴结构等随掺杂浓度的改变发生大的变化，当其正向磁畴和负向磁畴都形成连通的网络结构时，系统的交换偏置达最大. 比较了随机掺杂与规则掺杂的模拟结果. 模拟结果表明规则掺杂能够获得比随机掺杂更大的交换偏置，进一步表明了铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置的特性与铁磁/反铁磁界面磁畴结构密切相关.     

交换偏置双层膜中的反铁磁自旋结构及其交换各向异性

研究了交换偏置双层膜中界面存在二次以及双二次交换耦合下反铁磁磁矩转动及其交换各向异性.结果表明，其反铁磁膜中的磁矩转动存在可逆“恢复行为”、不可逆“半转动行为”、不可逆“倒转行为”以及不可逆“半倒转行为”四种情形，四种情形的出现强烈地依赖于界面二次、双二次耦合以及反铁磁膜厚度.其中可逆恢复行为情况下，系统出现交换偏置，而不可逆的半转、半倒转以及倒转情形，系统不出现交换偏置.特别地,在界面处仅存在双二次耦合的情形下，其界面双二次耦合常数J₂≤0.1 σ关键词： 反铁磁自旋结构 交换各向异性 界面双二次耦合 交换偏置     

铁磁/反铁磁双层膜中冷却场对交换偏置场的影响

用铁磁畴壁模型研究了非补偿界面铁磁/反铁磁双层膜中冷却场（包括大小及其方向）对交换偏置场h_E的影响.结果表明：当冷却场的方向与反铁磁层磁易轴一致时,h_E大小与冷却场大小无关.当冷却场的方向偏离磁易轴时,h_E的大小随偏离角度的增大有缓慢的改变,但当冷却场的方向偏离到临界角度γ_c处,h_E的大小发生突变,其γ_c的大小随冷却场的增大而增大.特别是当冷却场的偏离角度大于γ_c后,h_E出现由负转正的现象,其转变点还与冷却场的大小有关.另外,h_E与铁磁层原子层数N_F的关系会发生由h_E∝N^-1_F向h_E∝N^-λ_F的转变,其中λ>1.其发生转变的条件与N_F、冷却场大小和方向密切相关. 关键词： 铁磁/反铁磁双层膜 交换偏置 冷却场     

铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置及矫顽场的温度特性研究

讨论了铁磁-反铁磁双层膜中交换偏置和矫顽场随温度变化的关系。在本模型中,温度的依赖性来源于系统态的热激发以及相关磁学参量的温度依赖性。数值结果显示:低温下,交换偏置和矫顽场随温度的升高而减少,但是随着界面的交换耦合的增强或铁磁层各向异性的减少,其交换偏置变得平坦。随着温度的升高,交换偏置减少直至零;而矫顽场却达到峰值后再减为零。这些结果与实验结果定性一致。根据数值计算结果,可以预见软的铁磁层耦合上硬的反铁磁层,在恰当的交换耦合强度下,可构建具有大的交换偏置、小矫顽场;并在某温度区几乎不随温度变化的磁存贮器件.     

张应力对铁磁/反铁磁体系交换偏置的影响

 采用能量极小原理及Stoner-Wohlfarth模型,研究了张应力对铁磁/反铁磁双层薄膜交换偏置的影响。在不施加外磁场时,根据体系能量与铁磁层磁化强度方向之间的关系,得到了内禀易轴与内禀难轴的位置。交换各向异性与单轴各向异性之间的竞争使体系存在单稳态与双稳态两种不同的状态,直接决定了交换偏置的角度依赖关系。分析磁化过程发现,外磁场在沿内禀易轴及内禀难轴方向施加时,磁滞回线的一支转换场发生突变,另一支转换场保持不变,最终导致交换偏置场和矫顽场出现阶跃行为。在阶跃点处,体系具有较大的交换偏置场和矫顽场。数值计算表明：张应力的大小与方向对交换偏置均有很大的影响,均可以使体系在单稳态与双稳态之间相互转变并导致角度依赖关系发生显著变化。研究表明,应力可作为一种可行的方法来控制和调节铁磁/反铁磁体系的交换偏置。     

NiFe/FeMn双层膜交换偏置的形成及热稳定性研究

研究了在铁磁(NiFe)/反铁磁(FeMn)双层膜之间，交换偏置的形成过程和热稳定性，特别是NiFe/FeMn的交换偏置作用与FeMn层晶粒尺寸的关系.和以前作者不同的是，本文方法采用非磁性Ni-Fe-Cr合金作缓冲层材料，改变Cr的含量就可以获得不同晶粒尺寸的反铁磁FeMn层.实验表明，晶粒尺寸较小的FeMn产生较强的铁磁/反铁磁交换偏置场；但是，对于较大晶粒的FeMn层，出现交换偏置作用所要的临界厚度较小.这符合Mauri提出的理论模型.交换偏置场的热稳定性实验表明，具有较大晶粒尺寸的FeMn层给出较 关键词： 交换偏置 热稳定性 反铁磁 晶粒尺寸     

铁磁/反铁磁双层膜中的磁锻炼效应

采用Monte Carlo 方法,研究铁磁/反铁磁双层膜中的磁锻炼效应.结果表明,反铁磁层中冷场诱发的界面净磁化(钉扎效应)的磁弛豫可导致系统中的交换偏置场的磁锻炼效应.进一步研究表明,反铁磁层中掺杂可调控交换偏置场的磁锻炼效应,原因在于反铁磁层中掺杂能有效地改变冷场诱发的净磁化的磁弛豫过程.     

铁磁/反铁磁双层膜中自旋波交换偏置的理论与实验分析

考虑铁磁/反铁磁界面粗糙度的随机性及局域外单向的界面能的随机性,考虑原子尺度在交换偏置强度上的至关作用,提出随机场效应概念.对(Fe/FeF2)研究表明,交换偏置和自旋波线宽频率在铁磁/反铁磁双层界面是依赖于外部磁场的.应用玻恩近似,计算了交换偏置对随机场的依赖,由于界面的粗糙度,证明了在反铁磁层出现时在界面自旋波线宽的增加,但自旋波随机场线宽随着外磁场增加而减小,在较大的外场下,从实验能观察到扩展的峰.     

铁磁和反铁磁双层膜中铁磁共振的研究

采用微磁学理论研究了铁磁/反铁磁双层膜中的铁磁共振现象.本模型将铁磁薄层抽象为一个单晶,具有立方磁晶各向异性和单轴磁晶各向异性,而反铁磁层视为厚度趋近于半无穷,且只有单轴磁晶各向异性.推导出了该系统的铁磁共振频率和频率谱宽度的解析式.数值计算表明,铁磁共振模式分两支,取决于立方磁晶各向异性.而界面的交换耦合,是磁易轴具有单向性的起因.