磁性多层膜的磁性以及磁阻研究

摘要

自1988年，M.N.Baibich等人在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻(GMR)效应以来，磁性多层膜尤其是自旋阀结构由于具有灵敏度高、能耗低、体积小、可靠性高、温度特性好、工作频率高、耐恶劣环境能力强以及易与数字电路匹配等优点，已经被广泛地应用到磁传感器件、磁读写、磁随机存储器及无接触磁控元件等技术领域中。因此，无论是理论还是实验，对磁性多层膜，尤其是自旋阀结构的研究已经引起了科学研究者的高度关注与兴趣，并成为凝聚态物理学与材料物理学的前沿课题之一。本文利用能量最小原理，讨论了铁磁/非磁/铁磁以及铁磁/非磁/铁磁/反铁磁系统中力致磁电阻效应以及利用第一性原理计算了四个不同界面磁结构下，Co3/Cu2/Co3/NiO7自旋阀结构的电子结构性质。
　　 第二章介绍了工作所采用的理论模型以及理论数值计算方法。首先介绍了多层膜磁电阻的唯象理论一双电流模型，接着介绍了密度泛函理论(DFT)的基础知识，包括Hohenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程和局域密度近似以及最近局域密度近似的发展；然后着重介绍了我们采用的基于DFT的全势线性缀加平面波方法(FLAPW)。首先介绍了LAPW基函数的构造，Muffin-tin势以及可以更快收敛的APW+1o方法。最后还介绍了此方法的适用范围。
　　 在第三章中，通过研究外应力场下铁磁多层膜系统中的自旋结构，讨论了系统磁电阻对外应力的依赖关系。结果表明，外应力能够诱发磁电阻效应，且其磁电阻紧密依赖于外应力的大小和方向。一般地，大小一定的外应力由磁易轴向磁难轴旋转的过程中，磁电阻先缓慢增大后急剧减小，在磁难轴附近变化较敏锐，并出现一峰值。外应力方向一定时，磁电阻随应力的增大先敏锐增强后缓慢减小，且应力方向偏离磁易轴越远，变化趋势越显著。。
　　 在第三章的基础上，第四章用相同的方法研究了自旋阀结构的力致磁阻效应。
　　 结果表明，铁磁膜中的磁化性质与膜面内所加应力场的大小，方向密切相关，而反铁磁层的嵌入将明显地改变着铁磁层的磁矩向应力场方向磁化的行为。特别地，在应力场方向垂直于铁磁易轴情况下，当应力场Hλ=2(K1+Kup)/3M时，将发生磁化从易轴方向到应力方向的突变。为此，可采用自旋阀结构，通过其膜面内的应力场米调节磁化行为，进而实现力学调控的磁电阻效应。
　　 第五章利用线性缀加平面波(LAPW)以及广义梯度近似(GGA)的方法，研究了四个不同界面构型下，Co3/Cu2/Co3/NiO7自旋阀的磁性质和电子结构，并通过原子力的计算，得到了系统的最优化结构。结果表明，除了Ni4和Col之间的垂直距离增大外，自旋阀结构的体积受到了明显的压缩。真空层的加入，使得表面层Co6与Co5成键减弱，但磁矩增大至1.86μB。相邻铁磁层中磁化方向的反平行排列，增强了Co/Cu界面处Co的自旋相关散射。与此相反，Col和Ni4的AFM性耦合，并没有对界面处的Co层产生影响。自旋反对称系数α可以刚来表征自旋相关散射，对其的分析和理论结果一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引 言

1.2磁性多层膜的磁化特征

1.2.1磁化曲线

1.2.2磁化与反磁化

1.2.3交换偏置和矫顽场

1.2.4磁相互作用

1.3巨磁电阻效应

1.3.1磁电阻的分类

1.3.2自旋阀结构

1.3.3巨磁电阻的应用

1.4本论文的研究工作

参考文献

第二章理论计算方法

2.1引 言

2.2多层膜GMR的唯象理论—双电流模型

2.3密度泛函理论

2.3.1 Hohenberg-Kohn定理

2.3.2 Kohn-Sham定理

2.3.3局域密度近似

2.3.4局域密度近似的改进

2.4全势APW方法

2.4.1 LAPW方法

2.4.2 APW+lo方法

2.4.3一般方法

参考文献

第三章磁性多层膜的力致磁阻效应

3.1研究背景

3.2几个相关的物理概念

3.2.1磁晶各向异性

3.2.2表面各向异性

3.3模型和解析

3.4结果和讨论

3.5小结

参考文献

第四章 自旋阀结构中的力致磁阻效应

4.1引 言

4.2模型和解析结果

4.2.1铁磁单层膜系统

4.2.2铁磁／反铁磁双层膜系统

4.3分析与讨论

4.4小结

参考文献

第五章 自旋阀结构Co／Cu／Co/NiO的第一性原理研究

5.1引 言

5.2模型与方法

5.3结果与讨论

5.3.1磁和电子性质

5.4本章小结

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表或即将发表的论文