磁性薄膜表面粗糙度对磁特性的影响

摘要

本文主要采用Monte Carlo方法研究了表面粗糙度对薄膜磁特性的影响。论文的具体内容安排如下： 1、简单介绍了纳米磁性材料的基本概念、分类及其物理特性，接着主要介绍了本论文所涉及的一些理论基础，以及本论文所采用Monte Carlo方法。 2、基于Monte Carlo方法，具体研究了不同薄膜的粗糙度对薄膜磁特性的影响，研究发现：(1)薄膜表面粗糙度由其表层格点有、无原子填充决定，即由表面原子占据比例决定，表面粗糙度γ需要根据具体的薄膜结构分别定义为γ+和γ-；(2)对于γ+和γ-两种情况，铁磁性薄膜的热磁化强度M、居里温度Tc和矫顽力Hc等性质随粗糙度γ变化的趋势显著不同，这是因为配位数与粗糙度有密切的关系，它对薄膜磁特性有很大的作用：(3)在由铁磁和反铁磁原子组成的混合膜中，反铁磁原子占多数与铁磁原予占多数的两种情况下，粗糙度γ对系统矫顽力Hc的影响有明显不同，这是因为平均配位数-z和铁磁性原子掺杂量X0共同影响系统的Hc。 3、采用Monte Carlo模拟，进一步研究了自由表面粗糙度对铁磁性薄膜磁特性的影响，计算结果表明表面粗糙度对自由表面和介质中的薄膜的磁特性的影响不同，这种不同与自由表面原子磁矩的急剧增加有关。 纳米磁性薄膜是二维纳米材料，它在磁、光、电方面有着独特的性能，有广阔的应用前景。然而薄膜在制备过程中总是存在凹凸不平的表面，即表现为表面粗糙度总是存在的。粗糙度不仅影响薄膜磁化曲线，磁交换机制以及磁性多层膜的磁各向异性，还显著影响纳米材料的巨磁电阻及隧穿磁电阻。因此，粗糙度对薄膜的磁学、自旋电子学特性的影响一直是令人关注的研究课题。 本文基于Monte Carlo方法，研究了表面粗糙度对薄膜磁特性如热磁化强度M、居里温度Tc和矫顽力Hc等的影响。论文的具体内容安排如下： 第一部分，介绍纳米磁性材料的基本概念、分类、物理特性以及磁性薄膜粗糙度的研究历史和现状。 第二部分，主要介绍本论文所涉及的基本理论知识，包括磁性的分类、基本特征、磁化曲线以及对磁性材料的磁特性起决定作用的磁相互作用。 第三部分，重点介绍本论文所采用的数值计算方法--Monte Carlo方法。 第四部分，采用Monte Carlo方法模拟研究了不同薄膜时粗糙度对系统磁特性的影响。 首先，我们研究了完全铁磁性薄膜的表面粗糙度对系统磁特性的影响，结果表明： (1) 表面粗糙度γ需要根据具体的薄膜结构分别定义为γ+和γ-，且薄膜的最近邻平均配位数-z(γ+)随γ+的变化在γ+=0.4583处出现极小点，-z(γ-)随γ-增加而减小； (2) γ+和γ-两种情况下的薄膜磁特性不同，且粗糙度参数γ对热磁化强度M、居里温度瓦和矫顽力Hc等磁特性的影响都与配位数-z有关。以上模拟结果说明对于γ+和γ-情况，薄膜磁特性随粗糙度变化的趋势显著不同，这是因为配位数与粗糙度有密切的关系，它对薄膜磁特性有很大的作用。 进一步，我们研究了铁磁/反铁磁混合磁性薄膜的表面粗糙度对系统磁特性的影响，结果表明： (1) 混合膜中，反铁磁原子占多数与铁磁原子占多数的两种情况下，粗糙度γ对系统矫顽力的影响有明显不同。 (2) 平均配位数-z和铁磁性原子掺杂量X0共同影响系统的Hc-γ曲线。 (3) 系统的Hc-X0曲线呈峰形，这与实验的结果一致，且γ+时的最高峰位在X0=0.8左右，γ时的最高峰位从X0=0.8移动到X0=0.9。 第五部分，基于Monte Carlo方法，研究了自由表面粗糙度对铁磁性薄膜磁特性的影响，比较分析了表面粗糙度对自由表面和介质中的薄膜磁特性的不同影响。模拟结果表明： 薄膜所处环境及表面粗糙度都影响着薄膜的热磁化行为和居里温度，具体表现如下： (1) 自由表面薄膜的居里温度高于介质中的薄膜，这与自由表面原子磁矩的急剧增加有关。居里温度Tc随γ的变化与平均配位数-z有关。 (2) 自由表面条件下薄膜的Bloch指数b随γ-变化的趋势与介质中薄膜的相似，然而自由表面的b随γ+变化的趋势与介质中的不同，且自由表面的b小于介质中的6，这与配位数的减少导致表面原子磁矩的急剧增加有关。 (3) 自由表面薄膜的Bloch系数B随γ的变化与介质中薄膜的相似，这说明了影响Bloch系数B的主要因素是平均配位数-z。但是随着粗糙度γ的减小，自由表面薄膜的B减小的速度比介质中薄膜的快，这与自由表面原子磁矩的急剧增加有关。

目录

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摘要

中文文摘

第1章绪论

1.1纳米磁性材料的基本概念、分类及应用

1.2纳米磁性材料的物理特性

1.3磁性薄膜粗糙度的研究历史和现状

1.4本论文研究的内容

第2章理论基础

2.1磁性的分类及其基本特征

2.2磁化曲线

2.3磁相互作用

2.4粗糙度的表征

第3章Monte Carlo方法

3.1 Monte Carlo方法

第4章不同结构薄膜的粗糙度对其磁特性的影响

4.1引言

4.2铁磁性薄膜表面粗糙度对系统磁特性的影响

4.3混合磁性薄膜表面粗糙度对系统磁特性的影响

第5章自由表面粗糙度对铁磁性薄膜磁特性的影响

5.1引言

5.2模型与计算方法

5.3模拟结果与讨论

5.4结论

结论

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历