NiFe/FeMn双层膜交换偏置效应的研究

摘要

由于在自旋阀巨磁电阻和隧道结巨磁电阻器件中的重要应用，铁磁/反铁磁双层膜中的交换偏置效应得到了广泛的研究。铁磁/反铁磁界面上的交换偏置是个非常复杂的问题，与反铁磁、铁磁层厚度，微观自旋构型有关。其物理机制至今仍未完全清楚。在这篇论文中，我们研究了NiFe/FeMn双层膜的交换偏置效应，其中着重研究了交换偏置的角度依赖性。主要内容总结如下:
　　 一NiFe/FeMn双层膜交换偏置的实验研究
　　 1.利用磁控溅射仪制备五个系列的NiFe/FeMn双层膜，进行XRD结构表征，结果表明FeMn(111)织构越好，交换偏置效应越强。此外发现先溅射FeMn层没有明显的交换偏置效应，XRD图谱也没有显示FeMn(111)衍射峰。
　　 2.通过VSM(振动样品磁强计)测量样品的磁滞回线，得到交换偏置场He和矫顽力Hc与铁磁层及反铁磁层厚度的关系（厚度依赖性），符合前人研究的结果。还测量了外场与单向各向异性轴的夹角从0°逐渐变化到180°时的磁滞回线，得到He、Hc与这个夹角的关系（角度依赖性）。Hc随着磁场转离单向各向异性轴而迅速减小，当磁场再转到单向各向异性轴负方向时，又迅速增大。He随着磁场从单向各向异性轴正向转到负向，从负的最大变化到正的最大。He、Hc的角度依赖性也受到FeMn和NiFe层的厚度的影响。二NiFe/FeMn双层膜交换偏置的理论模拟
　　 1.基于Mauri模型对NiFe/FeMn双层膜进行角度依赖性的模拟。偏置场的模拟结果与实验结果符合得较好。矫顽力场的模拟结果显示出相近的趋势，但是Hc的模拟值要比实验结果更小一点，且随着外场偏离单向各向异性轴迅速地下降到最小值，而实验数据则显示Hc的下降趋势更为缓慢。
　　 2.模拟出的磁化翻转过程显示随着磁场偏离单向各向异性轴，反铁磁层中形成反铁磁畴壁。总能量中增加了反铁磁畴壁能。这个能量使得反铁磁磁矩有一个很强的趋势要转回到单向各向异性轴。这个趋势会通过界面交换作用下传给铁磁层界面磁矩。无论是下降支还是上升支过程，这个趋势在界面交换作用下都促使着铁磁层界面磁矩的回到单项各向异性的易轴方向，从而降低了矫顽力。计算结果还显示单向各向异性使得铁磁层磁化转动路径局限于单向各向异性轴正方向所在的这个半圆。这就使得磁化在上升支和下降支中遇到诸如磁性结构、缺陷等方面的影响比较类似，从而大大减弱磁滞效应。
　　 3.计算和实验结果显示NiFe层越厚或者FeMn层越薄，Hc下降得越慢。这是因为铁磁层越厚，静磁能越大，从而铁磁磁矩翻转所需的能量也就越大。这个时候反铁磁畴壁通过界面交换作用施加在铁磁磁矩上的翻转趋势也就越弱。因而铁磁层磁矩也就需要磁场再减小得多一点才会翻转。而反铁磁层越厚，内部交换作用越强，反铁磁畴壁能越大，通过界面交换作用施加在铁磁磁矩上的翻转趋势也就越强。因而铁磁层磁矩只需要磁场减小一点就会翻转，所以FeMn层越厚Hc下降得越快。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 交换偏置的研究进展

1．3 强磁物质中的磁畴与磁化

1．3．1 磁各向异性

1．3．2 磁畴与畴壁

1．3．3 磁化过程

1．4 本论文的工作

参考文献

第二章 实验方法及测量原理

2．1 样品的制备

2．1．1 干涉显微镜

2．1．2 磁控溅射

2．1．3 清洗基底

2．2 样品的测量

2．2．1 X射线衍射(XRD)结构表征

2．2．2 振动样品磁强计(VSM)

第三章 NiFe/FeMn双层膜交换偏置的实验研究

3．1 NiFe/FeMn双层膜的制备和XRD结构表征

3．2 NiFe/FeMn双层膜的磁滞回线

3．3 He、Hc与NiFe、FeMn厚度的关系

3．4 角度依赖性

3．5 本章小结

参考文献

第四章 NiFe/FeMn双层膜交换偏置的理论模拟

4．1 单层磁性薄膜的模拟

4．1．1 计算方法

4．1．2 磁化翻转过程

4．2 Mauri模型的模拟

4．2．1 计算方法

4．2．2 模拟实验结果

4．2．3 磁化翻转过程

4．3 本章小结

参考文献

第五章 总结和展望

致谢