伍清萍

(華東交通大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，江西南昌330013)

交換耦合彈性磁體由于具備垂直交換耦合、磁電阻、磁致伸縮、磁能積、交換偏置等諸多效應(yīng)，越來(lái)越成為一種引人注目的新興磁性材料。其磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)于技術(shù)應(yīng)用以及了解自旋傳輸具有極其重要的意義[1-8]。

由于交換耦合彈性多層膜體系的尺度易于在沉積過(guò)程控制以及其磁特性的可裁剪性，而越來(lái)越成為人們研究納米交換彈性磁體的便利模型[9-18]。交換耦合彈性多層膜由通過(guò)界面耦合的硬磁相與軟磁相依次疊加而成，我們已經(jīng)詳細(xì)地研究了當(dāng)外場(chǎng)平行于硬磁層易軸時(shí)交換耦合Sm-Co/α-Fe多層膜體系的磁特性與反磁化過(guò)程[17-18]。當(dāng)外場(chǎng)大于層間交換耦合場(chǎng)Hex時(shí)，在軟磁層內(nèi)會(huì)形成一螺旋狀的磁結(jié)構(gòu):越接近于界面處其的自旋由于受到硬磁層的釘扎，將更加接近于外場(chǎng)方向，離界面越遠(yuǎn)，其自旋方向與外場(chǎng)方向間的夾角越大，結(jié)果形成一類(lèi)似于布洛赫疇壁的空間自旋結(jié)構(gòu)。這樣的過(guò)程是可逆的，當(dāng)撤掉外場(chǎng)后，軟磁層的自旋又會(huì)重新平行于硬磁層的易軸方向。然而，硬磁層是通過(guò)形核的疇壁移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其反磁化過(guò)程;且硬磁層的反轉(zhuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)大于軟磁層的反轉(zhuǎn)場(chǎng)。

基于此，本文研究了在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)作用下，α-Fe/Sm-Co雙層膜體系的反磁化過(guò)程。

1 模型和方法

圖1是FCB的結(jié)構(gòu)示意圖，ns與nh分別是軟、硬磁層厚度，L，W分別表示體系的長(zhǎng)與寬。

在微磁學(xué)理論中，自由能的表達(dá)式為

式中:E ex是交換作用能，E k是磁晶各向異性能，E H是外磁場(chǎng)能，Edemg是退磁能。其中Eex由軟硬磁層間交換能、軟磁層內(nèi)交換能與硬磁層內(nèi)交換能3部分組成。磁矩從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的變化過(guò)程遵循Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)動(dòng)態(tài)方程

圖1 交換耦合硬/軟磁雙層膜體系的模型

其中:M是磁化強(qiáng)度矢量，ω是旋磁比，α是阻尼系數(shù)，有效場(chǎng)Heff定義為自由能的變分提供作用在磁化強(qiáng)度矢量上的實(shí)際力矩。模擬基于有限差分的思想，把材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，假定每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)磁矩分布是均勻的，給定一初始的磁矩分布，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的有效場(chǎng)并求解Gilbert方程，得到磁化強(qiáng)度矢量的動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程，從而獲得磁體的微磁結(jié)構(gòu)分布(計(jì)算中只考慮最近鄰相互作用，計(jì)算過(guò)程選擇了自由邊界條件)。

2 模擬結(jié)果及討論

對(duì)于體系長(zhǎng)寬均為500 nm的α-Fe(20 nm)/Sm-Co(20 nm)雙層膜體系，其體系參數(shù)為:其硬磁層交換耦合常數(shù)、各向異性常數(shù)與飽和磁化強(qiáng)度分別是Ahs=1.2×10-11J/m，Kh=5×106J/m3，Mh=0.55×106A/m;軟磁層交換耦合常數(shù)、各向異性常數(shù)與飽和磁化強(qiáng)度分別是A s=2.8×10-11J/m、K s=102J/m3，M s=1.7×106A/m;層間交換耦合系數(shù)(A hs)取1.8×10-11J/m。每一剖分單元的長(zhǎng)、寬和高分別為50 nm，50 nm與0.2 nm;硬磁相與軟磁相的起始磁化方向均沿x軸(硬磁相的易軸方向)。

當(dāng)面內(nèi)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)較小時(shí)(≈0.1 T)，隨外場(chǎng)逐漸由0°旋轉(zhuǎn)至ψ=360°(ψ為外場(chǎng)與x軸的夾角)的過(guò)程中，由于外場(chǎng)太小(小于軟磁層可逆反轉(zhuǎn)場(chǎng))結(jié)果導(dǎo)致當(dāng)外場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，體系磁矩被釘扎在易軸方向，其角坐標(biāo)只能在θ=0°處振蕩(其中θ磁化方向與x軸間的夾角)[圖2(a)]。

圖2 交換耦合硬/軟磁雙層膜總有效磁化角(θ)與外場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角(ψ)的關(guān)系圖，(a)H=0.1 T，(b)H=0.5 T，(c)H=3 T，(d)H=5 T

當(dāng)H=0.5 T時(shí)，隨旋轉(zhuǎn)場(chǎng)磁矩角坐標(biāo)增大，Sm-Co層的磁矩角坐標(biāo)仍然處于θ=0°，僅僅在體系耦合區(qū)磁矩角坐標(biāo)在θ=0°附近處有所振蕩;然而α-Fe層的磁矩角坐標(biāo)逐漸增加，且隨離Sm-Co層的距離增大，α-Fe層的磁矩角坐標(biāo)會(huì)逐漸增大，結(jié)果形成一類(lèi)似布洛赫疇壁的空間自旋結(jié)構(gòu)。圖2(b)顯示了體系總有效磁矩角坐標(biāo)與外場(chǎng)角坐標(biāo)之間的關(guān)系，由圖可知隨ψ增加，θ逐漸增加，但當(dāng)ψ大約等于235°(≈270°)時(shí)(也即硬磁層的易軸)，θ會(huì)出現(xiàn)突變現(xiàn)象，這可歸于體系能量的改變;由于起始磁矩方向全部沿x軸，此時(shí)體系處于能量最小，但隨著H逐漸改變，磁矩被拖離θ=0°方向，結(jié)果導(dǎo)致體系交換耦合能以及各向異性能增加;但由于此時(shí)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)太大，迫使體系磁矩只能以一種連續(xù)但滯后的方式隨外場(chǎng)旋轉(zhuǎn);然而由于滯后效應(yīng)，當(dāng)ψ大約等于235°(接近270°)時(shí)，θ會(huì)發(fā)生突變(超過(guò)90°轉(zhuǎn)到180°附近);這時(shí)ψ若繼續(xù)增加，則軟磁層的磁矩會(huì)迅速地轉(zhuǎn)至270°附近。

如果外場(chǎng)大小進(jìn)一步增大到H=3 T，則體系總有效磁矩角坐標(biāo)仍然隨外場(chǎng)角坐標(biāo)的增大而增大，但此時(shí)有效磁矩角坐標(biāo)并沒(méi)有明顯的突變[圖2(c)];這主要是由于各向異性勢(shì)壘的存在。盡管，隨ψ增大，磁化方向會(huì)被迫偏離θ=0°方向，結(jié)果使得交換能以及各向異性能增加;但當(dāng)ψ偏離90°接近140°時(shí)，此時(shí)各向異性能開(kāi)始減小，當(dāng)ψ=180°時(shí)，此時(shí)各向異性能降至最小，塞曼能與交換能達(dá)到最大值;結(jié)果導(dǎo)致圖2(c)的結(jié)果。

最后當(dāng)H=5 T時(shí)，開(kāi)始隨外場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，軟磁層內(nèi)會(huì)形成一空間自旋結(jié)構(gòu)，硬磁層沒(méi)有明顯的偏轉(zhuǎn);然而當(dāng)ψ=120°以及ψ=300°時(shí)，在硬磁層內(nèi)部磁矩會(huì)發(fā)生180°突變。但這時(shí)外場(chǎng)大小遠(yuǎn)小于Sm-Co相的不可逆反轉(zhuǎn)場(chǎng)，最終導(dǎo)致圖2(d)的結(jié)果。

3 結(jié)論

由于交換彈性耦合磁體對(duì)于自旋電子器件的發(fā)展有極其重要的影響，因此本文以微磁學(xué)理論為基礎(chǔ)研究了FCB的旋轉(zhuǎn)特性。結(jié)果顯示，在不同的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)作用下，由于能量競(jìng)爭(zhēng)，使得體系具有非常豐富的磁結(jié)構(gòu)，這使得體系具有不同的反轉(zhuǎn)形式;而且，模擬結(jié)果顯示體系硬磁層的不可逆反轉(zhuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬磁相單獨(dú)存在時(shí)的不可逆反轉(zhuǎn)場(chǎng)。這將有助于人們研究其它的自旋電子學(xué)課題(如磁電阻、磁傳感器以及隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等)。

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