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.     

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/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.     

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     

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.     

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     

Exchange bias in ferromagnet/antiferromagnet bilayers

Since the exchange bias （EB） effect was discovered in the Co/CoO core-shell nanoparticles, it has been extensively studied in various ferromagnet （FM）/antiferromagnet （AFM） bilayers due to its crucial role in spintronics devices. In this article, we review the investigation of the EB in our research group. First, we outline basic features of the EB, including the effects of the constituent layer thickness, the microstructure and magnetization of the FM layers, and we also discuss asymmetric magnetization reversal process in wedged-FM/AFM bilayers. Secondly, we discuss the mechanisms of the positive EB and the perpendicular EB. Thirdly, we demonstrate the hysteretic behavior of the angular dependence of the EB and analyze the EB training effect. Finally, we discuss the roles of the rotatable anisotropy in the two phenomena.     

The structure dependence of exchange bias in ferromagnetic/antiferromagnetic bilayers

The structure dependence of exchange bias in ferromagnetic/antiferromagnetic （FM/AF） bilayers has been investigated in detail by extending Slonczewski＇s ＇proximity magnetism＇ idea. Here three important parameters are discussed for FM/AF bilayers, i.e. interracial bilinear exchange coupling J1, interracial biquadratic （spin-flop） exchange coupling J2 and antiferromagnetic layer thickness tAF. The results show that both the occurrence and the variety of the exchange bias strongly depend on the above parameters. More importantly, the small spin-flop exchange coupling may result in an exchange bias without the interracial bilinear exchange coupling. However, in general, the spin-flop exchange coupling cannot result in the exchange bias. The corresponding critical parameters in which the exchange bias will occur or approach saturation are also presented.     

(Ni0.81Fe0.19)1－xCrx作为种子层对NiFe/PtMn双层膜交换偏置的影响

将NiFe/PtMn双层膜生长在(Ni_0.81Fe_0.19)_1-xCr_x种子层材料上，通过改变种子层中Cr的原子含量，系统的研究了NiFe/PtMn双层膜中PtMn晶粒尺寸和织构对交换偏置的影响.对退火270℃，5h后的NiFe/PtMn双层膜磁性的研究表明,PtMn织构强弱对交换偏置场的影响不明显，而PtMn的晶粒尺寸是影响交换偏置场的主要因素，PtMn颗粒的相干长度在11.3nm左右时得到了较大的交换偏置场. 关键词： NiFe/PtMn双层膜 交换偏置场     

PtMn层厚度对NiFe/PtMn双层膜交换偏置形成及热稳定性的影响

采用磁控溅射的方法制备了一组以(Ni_0.81Fe_0.19)_1-xCr_x作为缓冲层的NiFe/PtMn双层膜样品，研究了NiFe/PtMn双层膜的形成过程和热稳定性.实验表明，Cr成分的不同会引起NiFe/PtMn双层膜中PtMn层晶粒尺寸的不同，使NiFe/PtMn双层膜的交换偏置场与PtMn层厚度之间呈现不同的变化关系.热稳定性实验表明，PtMn晶粒尺寸较大的样品，出现交换偏置现象所需要的临界厚度较小，热稳定性好，这与Mauri的理论模型一致. 关键词： NiFe/PtMn双层膜 交换偏置场 热稳定性     

Thickness dependence of positive exchange bias in ferromagnetic/antiferromagnetic bilayers

For the ferromagnetic (FM)/antiferromagnetic (AFM) bilayers, both negative and positive exchange bias H_E have been observed for low and high cooling field H_CF, respectively. The thickness dependence of H_E and coercivity H_C have been investigated for the cases of negative and positive H_E. It is found that the negative H_E and the positive one have similar FM thickness dependence that is attributed to the interfacial nature of exchange bias. However, the AFM thickness dependence of positive H_E is completely contrary to that of the negative one, which clearly demonstrates that the AFM spins play different roles for the cases of positive and negative H_E. In particular, the AFM thickness of positive H_E was first highlighted by an AFM spin canting model. These results should be attributed to the interfacial spin configuration after field cooling procedure.     

NiFe/FeMn双层膜的交换耦合

采用平面霍尔效应测量方法，对NiFe/FeMn双层膜的交换耦合进行了研究. 结果表明，在NiFe/FeMn体系中不存在spin-flop模型给出的单轴各向异性场. 而导致交换耦合场可逆与不可逆测量结果之间较大差异的原因是反铁磁颗粒的不稳定性或铁磁层的分畴现象. 关键词： 反铁磁/铁磁双层膜 交换偏置场 可逆与不可逆测量     

Bi对自旋阀钉扎场的影响及机理

实验发现将Bi插入自旋阀多层膜TaNiFeCuBi(x)NiFeFeMn中可以显著地提高自旋阀的钉扎场Hex.采用XPS对Cu,Bi元素的分布情况进行了研究,发现Bi的插入明显抑制了Cu原子在自旋阀的制备过程中在NiFeFeMn界面的偏聚.进一步研究表明:自旋阀钉扎层NiFeFeMn界面中,Cu原子的存在是导致自旋阀Hex小于TaNiFeFeMn多层膜Hex的主要原因. 关键词： 自旋阀 钉扎场 交换各向异性 表面活化剂