（凝聚态物理专业论文）磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置以及磁电阻效应的研究.pdf

许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究竺 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：z 毛 力 签字日期： 嬲年 0 1 仃。，系 统出现增强的矫顽场，但无交换偏置。当界面处存在二次耦合下，其双二次耦合 可削弱甚至消除交换偏置，而总增强矫顽场。 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 三 扬州大学硕士学位论文 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。特殊地，当外应力完全垂直于磁 易轴时，应力大小的变化会引起磁电阻翻倍。而外应力场介于 8 蒯5 日，1 8 7 浙5 时，磁电阻会随应力的旋转单调上升，并在磁难轴附近急 剧增强，产生g m r 效应。另外，其磁电阻与外应力之间的关系紧密地依赖于两铁 磁层的磁致伸缩系数以及磁晶各向异性等。 关键词：铁磁反铁磁双层膜，铁磁非磁铁磁三层膜，交换偏置，磁电阻( m r ) ， 自旋结构，双二次耦合( s p i n f l o pc o u p l i n g ) ，应力场， 许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究三 a b s t r a c t t h ee x c h a n g ei m e r a c t i o na tt h ei n t e m l c eb e 铆e e naf e 仃o m a g l l e t ( f m ) a n da i l 肌t i f e r r o m a 朗e t ( a f ) m a yc r e a t eap r e f e r e n t i a ld i r e c t i o ni n 廿l es p i no r i e m a t i o no ft l l e f m ，n 锄e l y ，au 血d i r e c t i o n a la i l i s o 仃o p y ( e x c h a n g ea i l i s o 仃o p y ) t h em o s tc o m m o l l l y o b s e r 、，e dc o i l s e q u e n c e so ft l l ee x c h 乏m g ea 血s o 协) p ya r eas l l i f to fm eh y s t e r e s i sl o o p t o w a r dn e g a t i v ef i e l dv a l u e s ( e x c h a i l g eb i a s 月匆) ，锄dac o e r c i v i t ) ，e n h a n c e m e m s i n c e t 1 1 ed e s i g no fg i a mm 雄皿e t o r e s i s t i v es p i n - v a l v eb a s e do ne x c l 瑚1 9 eb i a s ，t h e r eh 嬲b e e n c o n s i d e r a b l en e r e s ti ne x c h a l l g e - b i a s e dm a 朗e t i cm u l t i l a y e r sb e c a u s ei tc 趾b eu s e 伽 i nc o m r o l l i n gt h em a g n e t i z a t i o ni i ld e v i c e s ，s u c ha sm a g n e t i cs e n s o r sa 1 1 dm a g n e t i c m e m o r yd e v i c e s t h e p h 嬲e s o ft h e a n t i f e r r o m a 黟l e t i cm a g n e t i z a t i o n a n dn l e c o l l r e s p o n d i n g e x c h a i l g eb i a sa i l dc o e r c i v i t ) ，i i le x c h a n g e _ b i a s e db i l a y e r s ( f m a f ) 晰t ha i n t e r f a c e q u 舭i ca n db i q 眦旧r a t i ce x c h a n g ec o u p l i n gk w eb e e ns t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l y t h e r e s u h ss h o wt l l a tm e r ea r ep o s s i b l ef o u rp h a s e sf o rt l l ea n t i f e n 0 m a g n e t i cm a g n e t i z a t i o i l ， m m e l ym er e v e r s i b l er e c o v e r i n gc 雒e ，i 仃e v e r s i b l eh a l f - r o t a t i n gc a s e ，i r r e v e r s i b l e r e v e r s i n ga i l di r r e v e r s i b l eh m f - r e v e r s i n gc a s e s h o 、v e v e r t h er e a l i z a t i o no ft 1 1 ec a s e s s t r o n g l yd e p e n d so ni n t e 舭eq u a d r a t i cc o u p l i n g ，i n t e r 】eb i q u a d r a t i cc o u p l i n ga i l da f “c l 【1 l e s s 1 1 1t 1 1 er e v e r s i b l er e c o v 耐n gc a s et l l ee x c l 姗g ec o u p l i n gb e t 、e e nf m 趾da f r e s u l t si i lm ee x c h a l l g eb i a s ，a 1 1 dt h e r ei sn oe x c h a n g eb i a u si nt h eo t h e rc a s e s t h e m a g n “cp h a s ed i a g 姗i nt e 肌o f t l l ea fm i c l ( 1 1 e s s 勃丹t l l ei n t e r f a c i a lb i l i n e a rc o u p l i n g 力a n d l es p i n f l o pc o u p l i n g 止l mb e e nc o n s t r u c t e d 1 1 l ec o 玎e s p o n d i n gc r i t i c 2 l l p a r 2 m e t e r sm w b i c hm ee x c h a n g eb 泌谢l lo c c u ro r 印p r o a c hs 砌a t i o nh a v eb e e na l s o p r e s e n t e d t l l er e s u l t ss h o wt h a tm eb i l i n e a r 锄d s p i n - f l o pc o u p l i n g sa r e 铆o c o m p e t i t i v ef a c t o r sf o rc o n t m l l i n gt 1 1 ev a l u eo f 月叠s p e c i a l l y ，f o re x c h a n g e - b i 嬲e d b i l a y e r s 晰m d u ti n t e 而c eq u a d r a t i cc o u p l i n g ，t l l e r ee x i s t sac r i t i c a l v a l u eo ft l l e b i q 枷i cc o u p l i n gc o n s 僦以砷，b e l o w 、) v ：h i c ht h ep o s i t i v ee x c h a n g eb i a s 印p e a r s ， 兰 扬州大学硕+ 学位论文 o t h e r w i s et h e r ei sn oe x c h a n g eb i a s ，a 1 1 dt h ec o e r c i v i t yc a i lb ee n h a n c e d f o rt h ef m a f b i l a y e r sw i t hi n t e r f - a c eq u a d r a t i ca n db i q u a d r a t i cc o u p l i n g ，t h ei n t e r f a c eb i q u a d r a t i c c o u p l i n gc a nw e a l ( e no re l i m i n a t em ee x c h a l l g eb i a s ，b u ta l w a y se n h a n c et h ec o e r c i v i t y i na d d i t i o n ，b yi n v e s t i g a t i n gt h es p i nc o n f i g u r a t i o ni nf e r r o m a g n e t i cm u l t i l a y e r u n d e rs t r e s sf i e l d ，t h em a g n e t o r e s i s t a n c e ( m r ) d e p e n d e n c eu p o nt h es t r e s sf i e l di nm e f e r r o m a g n e t i cm u l t i l a y e rh a sb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tm es t r e s sf i e l dc a i l i n d u c em r ，a n dt h em rs t r o n g l yd e p e n d so nb o t ht h ev a l u ea i l dt h ed i r e c t i o no ft 1 1 e s t r e s sf l e l d g e n e r a l l y ，、v h e nt h es t r e s sf i e l dd e v i a t e s 仔o mt h em a g n e t i ce a s ya ) 【i st ot h e m a g n e t i ch a r da x i s ，t h em r f i r s ti n c r e a s e ss l o w l y ，t h e nd e c r e a s e sr 印i d l y f o rag i v e n d i r e c t i o no fs t r e s sf i e l d ，t h em rf i r s ti n c r e a s e sr 印i d l y ，1 a t e rd e c r e a s e ss l o w l yw i t hs t r e s s f i e l di n c r e a s i n g m o r e o v e r ，w 1 1 e nt h ed i r e c t i o no fs t r e s sf i e l d 印p r o a c h e st h a to ft h eh a r d a x i s ，m rd e p e n d e n c eu p o nb o t ht h ev a l u ea i l dm ed i r e c t i o no ft h es t r e s sf i e l db e c o m e s o b v i o u s s p e c i a l l y ，i ft h e d i r e c t i o no ft h es t r e s sf i e l di sp e 印e n d i c u l a rt ot h ee a s ya x i s ， c h a n g eo fm r c a l lb e c o m ed o u b l ev a l u ew i t ht h es t r e s sf i e l di n c r e a s i n g w h e nm es t r e s s f i e l d 日五m e e t st o8 刀m 5 日丑1 8 刀m 5 ，m rc a ni n c r e a s em o n o t o n o u s l y ，a j l dt h e g i a n tm a g n e t o r e s i s t a j l c e ( g m r ) o c c u r s i na d d i t i o n ，t h es t r e s sf i e l dd e p e n d e n c eo fm r i sc l o s er e l a t e dw i t hb o t ht h em a g n e t o s t r i c t i o na n dt h em a g n e t o c 巧s t a l l i n ea n i s o t r o p yo f f e 1 1 r o m a g n e t i c1 a y e r k e yw o r d s ：f m a fb i l a y e r s ，f m n m f mt r i l a y e r s ，e x c h a n g eb i a s ，s p i n - s t m c t u r e ， s t r e s sf i e l d 许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究三 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 引言 早在公元前四世纪，人们就发现了天然的磁石( 磁铁矿f e 。0 4 ) ，我国古代人民 最早用磁石和钢针制成了指南针，并将它用于海事和航海。从那时起，到1 9 世 纪发电机、电动机中磁性材料的应用直至现代的高频及微波磁性元件和磁存储( 如 磁带、磁盘等信息存储产品) ，以及信用卡、磁卡、冰箱封条等日用品，磁性材料 都起着不可替代的作用，是与近代工业技术发展相联系的。 量子力学出现使人们开始把对物质磁性的认识建立在原子及电子的基础上， 海森伯( w k h e i s e n b e r g ) 用静电性的交换作用对铁磁体中的分子场的性质给出 了正确的解释。揭开了现代磁学的篇章。1 9 3 6 年凡弗莱克( j h v a nv 1 e c k ) 的 著作【2j 已对物质的磁性作出了相当全面的量子阐述。与此同时，磁畴及磁化过程 的实验和宏观理论逐渐发展。它们与固体结构、特别是微结构密切相关。四十年 代末及五十年代，以铁氧体为代表的亚铁磁体的发现、研究及其应用形成了一个 热潮，改变了一百多年来金属铁磁性材料独占强磁体领域的局面。强磁材料的研 究及应用发展到高频和微波领域【3 j 。六十年代后的两个重大突破为稀土化合物及其 合金和非晶态磁性材料的研究及应用。强磁材料所含元素从3 d 发展到4 f 族。 非晶合金磁性的发展不仅打破了晶态统一强磁物质的局面而且开拓了一个优质软 磁材料的领域。 在过去的三十年中人们目睹了二十世纪人类最伟大的创造之一微电子学的飞 速发展，实现了分立的电路元件在半导体芯片上的大规模集成。而在微电子学中 的磁性元件及材料的发展却远远落后。究其原因主要是由于电子是电荷的负载体。 金属及半导体导电来源于电子电荷的移动，微电子学的发展决定于电路元件的小 型化及集成化，导电机制对其没有限制。但材料的磁性为电子自旋集合体的表现， 强磁体尺度太大，一直不能控制在有关特征相关长度( 如交换相关长度、电子平 均自由程、自旋扩散长度等) 的量级或更小。 鱼 扬州大学硕士学位论文 近二十年，一个新的应用领域正在迅猛发展，各种磁记录材料和磁光记录材 料，前者使磁体尺寸越来越小，后者将磁性材料的研究和应用发展到光频领域1 6 | 。 新的小尺度材料生长及测量技术产生出具有各种新颖磁现象的人工纳米结构。使 薄膜、超薄膜、多层膜、超微粒材料和纳米结构的研究和应用成为又一个热点。 特别是在多层膜中发现巨磁电阻以来，以自旋相关导电为核心的新原理、新材料 及器件迅猛发展，开始形成一个新的学科磁电子学1 7 | 。 目前的时代正处于大规模的信息和多媒体时代，飞速发展的各种电子信息的 交换与存储越来越要求器件的存储密度更高、速度更快、功耗更低、尺寸更小及 重量更轻。磁电子学就在这样的研究热潮中迅速发展着，同时不断的开拓其应用 领域，成为了基础研究快速转化为生产的典范。巨磁阻传感器和硬磁盘读出头已 于9 0 年代进入市场，从1 9 8 8 年在f e c r 多层膜中发现巨磁电阻，到1 9 9 5 年i b m 推出计算机硬盘g m r 磁头，只用了不到8 年的时间。特别是巨磁电阻随机存储器 m r a m ，美国资助金额达3 0 0 0 万美元的重大国防项目s p i n t r o n i c s 已在验收后宣布， 以巨磁阻器件为单元的m r a m 的存储密度，存取速度，价格均可与计算机主内存 d r a m 和s p a m 比较，且有断电不丢失信息和抗辐射等优点。数年后将可能占领市场。 巨大的商业应用前景，这也使得相关的对磁性薄膜与超薄膜的研究成为国际、国 内的一个热点研究领域。 随着科学技术的进步以及现代材料制备技术的发展( 如溅射，蒸发沉积，分 子束外延等) ，使得人们能够制备高质量的磁性多层膜。由于磁性多层膜构成元素 的多样性( 如铁磁铁磁，铁磁反铁磁、铁磁超导、铁磁半导体等) ，薄膜厚度 的可调性，和微结构的可控性，使得人们能够在十分宽广的范围内改变和控制整 个多层膜系统的磁学性质，可以出现元素及合金没有的性能，本质上这种多层膜 结构构成了新一类的磁性材料。随着对它的磁性特性研究的不断深入，发现了许 多磁性多层膜所独有的物理性质，主要包括界面磁矩的提高，维度效应、界面各 向异性、层间耦合( 包括铁磁、反铁磁层间耦合和层间交换耦合作用振荡) 、巨磁 电阻及磁光效应。 许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究 三 m e 谢e j o l l l l 和b e 锄在c o c 0 0 铁磁反铁磁混合系统中发现交换偏置以来剐， 特别是d i e n y l 9j 在设计的以铁磁反铁磁双层膜为基础的自旋阀中发现有增强的磁 电阻以后，磁薄膜在磁传感器、磁记录读出头和随机存储器以及无接触磁控元件 等方面得到了广泛的应用。为了提高它的性能，研究磁薄膜的物理性质显得非常 重要，并已经成为当今凝聚态物理中的研究热点之一。 1 2 一些基本概念 1 2 1 磁晶各向异性 磁晶各向异性通常是指磁性材料的磁性曲线对磁化方向的依赖性，严格的定 义，是饱和磁化强度在不同方向能量不同。磁各向异性是在磁性薄膜的研究和应 用中非常重要的基本磁特性之一。磁性薄膜中常见的各向异性一般包括磁晶各向 异性、感生各向异性、磁弹性各向异性、表( 界) 面各向异性等、形状各向异性 及单向各向异性等，以上是简单的介绍。 1 、磁晶各向异性 单晶体中原子排列的各向异性会导致许多物理、化学性能的各向异性，磁性 也是其中之一，称为磁晶各向异性。正是由于这种磁晶各向异性存在，单晶体沿 不同晶轴方向上磁化所测得的磁化曲线和磁化到饱和的难易程度不同。我们通常 把最容易磁化的晶轴方向称为易磁化方向，所在的晶轴称为易磁化轴，表明沿这 个晶轴方向很容易磁化到饱和；相反，把最难磁化的晶轴方向称为难磁化方向， 所在的晶轴则称为难磁化轴。 从能量的观点来看，铁磁晶体的磁晶各向异性，表现为饱和磁化在晶体不同 晶轴方向上时能量不同。在易磁化方向上能量最小。而在难磁化方向上能量最高。 通常将磁晶各向异性能表示成饱和磁化强度对于晶轴的方向余弦的自由能密度 & 。由于m s 反方向时e k 不变，磁晶各向异性的数学表达式只有偶次项，并服从 晶体的对称性。 ( 1 ) 立方对称的磁晶各向异性能可表示为： 墨扬州大学硕+ 学位论文 e = k + k 。( 口? 口；+ 口；口；+ 口；口f ! ) + k ：口i 2 口；霹+ 其中k ，k 。，k 2 ，k ，为各级磁晶各向异性常数，k 。为常数项，口，为m 。对与立方边 重合的直角坐标x 、y 、z 的方向余弦。 ( 2 ) 正方晶系的磁晶各向异性能可表示为： b = k o + k l s i n 2p + k 2 s i n 4 矽+ k 3s i n 4 臼c o s4 矽 其中k 。，k 。，k ：，k ，为各级磁晶各向异性常数，k 。为常数项，曰为m 。与正方 z 轴的交角，矽为m ，在x j ，平面内的投影与x 轴的交角。 ( 3 ) 六角晶系的磁晶各向异性能可表示为： 邑= 盔，o + k 。ls i n 2 秒+ k 材2s i n 4 秒+ 上乞3s i n 6 秒+ k 。4s i n 6 秒c o s 6 矽 其中& ，k 小k k 加k 。为各级磁晶各向异性常数，k 为常数项，p 为m ， 与正方z 轴的交角，矽为m 。在x y 平面内的投影与x 轴的交角。晶体中的难易磁 化方向决定于k 。、k ：等的符号及大小，在立方晶系中，若只考虑k 。项，k 。 o 时， b 最小， 1 0 0 】轴为易磁化方向，【1 1 1 】轴为难磁化的方向， 1 1 0 】介于二者之间。 k l o 时，应力方 向为易轴；当以 o 时易磁化方向 沿膜面法线，称为易法线各向异性；当k 。 o 或k 够 o 依赖于其中各种贡献的竞争。 当k 够 0 时，易磁化方向垂直于膜面，将出现垂直磁化；反之，易轴将位于膜面 内。渤d m a i l n 于1 9 6 8n z 】年就首先在实验中观测到膜面中的垂直表面各向异性的作 用。后来c a r c i a 【1 3 】等人也在溅射c o p d 多层膜中观测到垂直膜面的易磁化轴，相应的 竺 扬州人学硕士学位论文 k ，= + 0 1 6 p 馏c 聊2 。随后的许多实验都证实了薄膜中界面磁各向异性的存在【1 4 | 。 影响k 。大小的因素很多，除了材料本身内禀性质外，还与制备条件密切相关， 其中包括基底材料、b u f f e r 及c a p p i n g 层、温度控制、样品参数、制备手段、界 面粗糙度等。 4 、单向各向异性 单向各向异性是1 9 5 6 年有b e a n 和m e i “e j o h n 在c o c o o 颗粒系统中发现的。 当温度高于反铁磁c o o 的n e e l 点死时，此系统的行为类似一般的铁磁体( c o 的 居里点砭 瓦) ：而温度缓慢冷却至低于瓦时，在铁磁性的c o o 之间的交换作用 ( 见图1 1 ( a ) ) 将影响铁磁体磁化强度的取向并导致单向异性的产生，表现特征 之一为相应的磁滞回线有单向的位移( 见图1 1 ( b ) ) 。 这种各向异性是由于接触面上处于铁磁态和反铁磁态的两种磁性物质之间的 交换作用产生的。据此原理，人们利用反铁磁薄膜( f e m n 、c 0 0 等) 与铁磁薄膜 ( n i f e ) 之间的这种交换作用来钉扎铁磁薄膜磁化的方向。应用在磁性隧道结和 自旋阀结构中以制备钉扎型的自旋阀和隧道结。 e a s v a x l s t t t t t t 上t 土 t t t t t t l l t l l t t t t t t l l 下1 l t 丁t t t tj r t l l m ( a )( b ) 1 1 单轴各向异性示意图( a ) 铁磁与非铁磁的接触面( b ) 由于交换耦合引起的磁滞同线位移。 1 2 2 磁致伸缩 许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究旦 铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的 变化。这种现象称为磁致伸缩，其长度的变化是1 8 4 2 年由焦耳发现，通称为焦耳 效应或线性磁致伸缩，以区别由于体积变化的体积磁致伸缩。既然磁致伸缩是由 于材料内部磁化状态的改变而引起的长度变化，反过来，如果对材料施加一个压 力或张力( 拉力) ，使材料的磁性发生变化的话，则材料内部的磁化状态亦随之变 化，这是磁致伸缩的逆效应，通常称为压磁效应。 磁致伸缩不但对材料的磁性有很重要的影响，而且效应本身在实际中的应用 上也是很重要的。利用材料在交变磁场作用下的伸长和缩短，可以制成超声波发 生器和接收器，以及力、速度、加速度等的传感器、延迟线、滤波器、稳频器和 磁声存储器等。 1 、磁致伸缩的理论说明 磁致伸缩不仅与磁场强度有关，而且与测量方向有关。从自由能极小的观点 看，磁性材料的磁化状态发生变化时，其自身的形状和体积都要改变，因为只有 这样才能使系统的总能量最小，具体来说下述三个原因导致样品的形状和体积的 改变。 ( 1 ) 自发形变( 自发的磁致伸缩) 这是由于交换力所引起的，假想有一个单 畴的晶体，在居里温度以上是球形的，当它自居里温度以上冷却下来以后，由于 交换作用力使晶体自发磁化，与此同时，晶体也就改变了形变，这就是“自发 的变形。 ( 2 ) 场致形变( 磁致伸缩) 磁性材料在磁场的作用下显示形状和体积的改变， 称为磁致伸缩，随着所加磁场的大小不同，形变也可以不同，当磁场比饱和磁场 小时，样品的形变主要是长度的改变( 线性磁致伸缩) ，而体积几乎不变；当磁场 大于饱和磁场时，样品的形变主要是体积的变化，即所谓体积磁致伸缩，这样样 品内的磁化强度已大于自发磁化强度了，我们知道，自发磁化强度的产生及变化 是与交换作用有关的，所以体积磁致伸缩是与交换力有关的。线性磁致伸缩与磁 化过程密切相关，并且表现出各向异性。目前，认为引起线性磁致伸缩的原因是 轨道耦合和自旋一轨道耦合相叠加的结果。 里扬州大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 形状效应设一个球形的单畴样品，想象它的内部没有交换作用和自旋 一轨道耦合作用，而只有退磁能，为了降低退磁能，样品的体积要缩小，并且磁 化方向要伸长以减小退磁因子。这便是形状效应，其数量级比其他磁致伸缩要小。 2 、立方晶系中的磁弹性能、弹性能和应力能 前面提到线性磁致伸缩来源于原子中电子自旋和轨道的耦合作用，以及轨道 之间的耦合作用，同时导出了某一方向的磁致伸缩公式： 九= 知。( 口御+ 口獗+ 口；掰一丢) + 3 丑。，( 叩：。：+ 口：口，：，+ 口，口，。屈) 可见线性磁致伸缩不但与测量方向屈有关，而且与自发磁化强度的取向口，有关。 下面我们从奈尔的理论出发，进一步讨论磁致伸缩的机理，这个原理是用来解释 表面各向异性和磁场热处理后所产生的各向异性的。 设任意两个近邻原子间的相互作用能可表示为： 嘶，c 。s 矽) = 如) 坝c 。s 2 矽一三) + 撕) ( c o s 4 矽一号c o s 2 矽+ 妄) + ， ( 1 - 1 ) ，表示原子间的距离，矽为原子磁矩与，间的交角，g ，g 是，的函数。从原则 上说，任何函数都可以展成( 1 1 ) 的勒让德( l e g e n d r e ) 多项式，但是实际计算 时必须根据物理图象来化简，假定式( 1 1 ) 的第一项是与交换作用能有关的项， 它与磁矩的取向无关，因此在考虑线性磁致伸缩时可以忽略；第二项表示与自旋 一轨道以及轨道间的作用有关的能量，它是线性磁致伸缩的主要来源；其余各项 虽然也对磁致伸缩有贡献，但比起第二项来要小的多，故可以忽略。这样，式便 简化为 彩( ，矽) = j ( r ) ( c o s 2 矽一妄) 。 ( 1 2 ) 假定晶体发生了形变，原子间的距离从变至+ 毋，相应的方向余弦由 届，：，屈变至i ，但磁矩的方向余弦仍是口。，口：，口，由式( 1 2 ) 可得晶 体在形变前后的能量差是 许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究旦 国= 国一彩z2 ，+ 爱毋 c 。s 2 矽+ 万c c 。s 2 矽，一吾 一，c c 。s 2 一三， 。3 ， ：罢毋( c 。s ：矽一昙) + ，万( c 。s 2 矽) g r3 由于 ，f ，) 2 ， ( 江1 ，2 ，3 ) ( 1 4 ) 万( c o s 2 矽) = ( 优l i + 口2 以+ 口3 ；) 2 一( 口1 屈+ 口2 及+ 口3 屈) 2 = ( 口，声i ) 2 一口，屈) 2 毋 又由式可知一= 厂0 a 4 8 l p j 1 。l 将式( 1 4 ) 至式( 1 6 ) 的式子代入( 1 3 ) ，得到 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 缈= 昙否以屈岛 ( 口) 2 一舅+ ， ( 口，) 2 一口，屈) 2 】 c - 7 ) 利用坐标转换公式 得出 rx = x o + 彳1 1 x o + 彳1 2 y o + 彳1 3 z o ， ly 2 y o + 彳2 1 x o + 彳2 2 y o + 彳2 3 z o ， z = z o + 彳3 l x o + 彳3 2 y o + 彳3 3 z o j 2 = c 2 ( f + 彳盯) 2 2 = c 2 ( 故得到 = c 2 ( 孑+ 2 。以j + ) ， jj 所+ 2 屈么) = c 2 ( 1 + 2 么口，) ju l c = ( 1 + 2 ，以，) 一i = 1 一4 ，色 将( 1 9 ) 代入( 1 8 ) 得出 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 母趣 挣 r 玖 口 以 膨 口 吃 螂 舶 西 婷 妒 r 0 时，秒= o 。 或万都将使应力能最小，这就是说，对于磁致伸缩为正的材料而言，施加张力( 拉 力) 将使材料的磁化强度沿着张力的方向。同理，当名， 0 的材料中，压力将使它的磁化强度垂直于压力的方向；在 旯。 盯。的不可逆倒转行为两种旧1 。而考 虑到界面双二次耦合后，我们发现其反铁磁磁矩转动行为较为复杂，可分为四个 不同行为，即：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 。 ( a ) 口= 1 8 0 。，仍= o( 恢复行为) ( b ) 口= 1 8 0 。，仍= 1 8 0 。 ( 倒转行为) x ( c ) 口= 1 8 0 。，0 ( 仍( 9 0 。 ( 半转动行为) ( d ) 口= 1 8 0 。，9 0 。( 仍( 1 8 0 。( 半倒转行为) z 图2 1 不同的界面二次交换耦合以、双二次耦合，2 下，四种不同的反铁磁白旋结构示意图。 图2 1 描述了不同，。和，：下，反铁磁铁磁双层膜中反铁磁磁矩随铁磁磁矩 m 脚旋转的构型图。图2 1 ( a ) 显示了铁磁磁化从反铁磁易轴开始旋转，反铁磁 磁矩形成螺旋结构。当m 刚旋转至1 8 0 。时，反铁磁磁矩回旋恢复到初始状态， 我们称之为“恢复行为”；图2 1 ( b ) 显示了反铁磁磁矩螺旋结构松散后，进入不 稳定状态，当m 删旋转1 8 0 。时，反铁磁磁矩却旋至与初始状态相反的方向，我 们称之为“倒转行为；图2 1 ( c ) 显示了反铁磁磁矩螺旋结构松散后，回旋恢复 许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究丝 至初始状态，随后继续跟随m 刚旋转，当m 脚旋转1 8 0 。时，耦合界面处的反铁 磁磁矩仍趋近反铁磁难轴，但仍 9 0 。，我们称之为“半转动行为 。图2 1 ( d ) 显示了反铁磁磁矩螺旋结构在相变点突然松散至初始状态，随后继续跟随m 删旋 转，当m 删旋转至1 8 0 。时，耦合界面处的反铁磁磁矩却能超越反铁磁难轴，但 仍 仃。 图2 3 ，l = 5 o 盯。，f 彳f = 3 o 万。时，以分别取o 5 盯。，5 o 仃。的情况下，系统能量岛以及仍 随口的变化关系。 图2 3 描绘了引入界面双二次耦合常数，2 后，在= 5 o 盯。，a f = 3 o 艿。时，以 分别取o 5 盯。，5 0 仃。的情况下，反铁磁磁矩构型图。如图2 3 ( a ) 所示，厂：盯。的 情形与以= 0 的h x i 等人的情形n 卵是类似的。反铁磁磁矩随m 肼旋转发生不可逆 堑扬州人学硕士学位论文 “倒转行为”，m 刚从o 。旋转至1 8 0 。的过程中，界面耦合使得界面处反铁磁磁矩 紧跟其后，当m 肼旋转超过反铁磁难轴，到达一个临界角度口= 口，砷( 此例中口。硎 = 1 3 5 。) 时，反铁磁磁矩螺旋结构开始松散，进入不稳定的松散状态。当m 刚旋 转1 8 0 。时，反铁磁磁矩也旋转至1 8 0 。当m 刚从3 6 0 。倒转至o 。时，仍随口旋转 的曲线与正转过程曲线不能重合，此过程中反铁磁磁矩倒转行为是不可逆的。这一 过程与图2 1 ( b ) 相对应，我们称之为不可逆“倒转行为 。但，： 仃。时，仍曲 线也可分为两个阶段，如图2 3 ( b ) 所示。第一阶段中，仍随着口的增大几乎线 性增大，当口达到一个临界角度口。洲( 此例中口。咖= 5 1 。) 时，仍会突然减至o 。， 反铁磁磁矩螺旋结构突然松散，进入初始状态。随着m 删的继续旋转，系统进入 第二阶段，仍随口线性增大，口一仍几乎保持不变( 此例中为6 7 。) 。当口= 1 8 0 。 时，界面处反铁磁磁矩超过反铁磁难轴，但仍 o 1 仃。时，如图2 4 ( b ) 所示，反铁磁磁矩跟随m 删旋转， 但其夹角保持不变。当m 删旋转到口= 9 0 。时，反铁磁磁矩突然松散，进入仍= o 垄 扬州大学硕士学位论文 。的初始状态。紧接着，随着m 删的旋转，反铁磁磁矩继续跟随旋转，其夹角仍然 保持不变。当口= 1 8 0 。时，反铁磁磁矩不会超过反铁磁难轴( 即仍 盯。的情况下， 当，：盯。时，反铁磁磁矩发生不可逆完全“倒转行为”，而当，： 仃。时，反铁磁 磁矩发生不可逆“半倒转行为”。系统不会出现交换偏置，但矫顽场m 得以加强。 ( 3 ) 在j ，仃。的情况下，厂2 o 1 盯w 时，反铁磁磁矩发生可逆虮恢复行为”，系 统出现交换偏置胎。进一步计算表明其交换偏置随着，的增大会变小，当 ，： o 1 盯。时，反铁磁磁矩发生不可逆的“半转动行为 ，系统不再出现舶，但比 仍有大的增强。，表示的“旋转跳跃”耦合有削弱甚至消除交换偏置胁，提高矫 顽场胁的作用，这与相关文献口，1 3 3 结果一致。( 4 ) 相比h x i 等人的研究，引入界面 双二次项耦合后，反铁磁磁矩随铁磁磁矩的旋转可分成四个相，且系统中的交换 偏置和矫顽场与以、，：以及，爿f 都有着紧密的联系，因此，在研究反铁磁铁磁双 层膜的交换各向异性时，其界面的粗糙度及形貌扮演着关键性的作用，表现在实 验上由于界面形态和结构难以控制引起实验结果的多样性。( 5 ) 通过研究，= 0 的 极限情形，我们可以更加清晰地认识“旋转跳跃耦合在反铁磁铁磁双层膜系统 中的作用，并有助于理解的产生以及m 提高的物理机理。在，：0 1 盯。时，反铁 许小勇：磁性多层膜系统中的白旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究望 磁磁矩发生微弱的可逆“恢复行为”，系统出现微弱的正交换偏置，但其根源仍归 于反铁磁矩的净磁化及其强的单轴磁晶各向异性。在， 0 1 仃。，时，反铁磁磁矩发 生不可逆的“半转动行为”，系统不出现交换偏置，而胞有很大的增强。 通过以上分析，我们发现f m a f 双层膜交换偏置是一种界面效应，其紧密依赖 于界面线性耦合、双二次耦合以及反铁磁厚度等结构参量。为此，我们进一步研 究了交换偏置的结构参量依赖关系，并构建交换偏置结构相图。 图2 5 以界面二次交换耦合l ，l 、双二次交换耦合j 2 和反铁磁厚度f 4 f 为轴的磁结构相图。其 中i 区域出现交换偏置，i i 区域和i i i 区域中无交换偏置。 有且只有在“可逆恢复”情形下，系统产生交换偏置，而不可逆行为可以诱 发大的矫顽场m 3 ，但系统无交换偏置。进而，我们以反铁磁厚度f 。，、界面线性耦 合，和界面双二次耦合，为轴构建了决定交换偏置有无的磁结构相图。因为只有 在，。1 o 盯。的情况下系统才有可能出现交换偏置，因此为简单起见，我们只考察 了，1 o 盯。的磁结构空l 白j ，如图2 5 所示。我们发现，磁结构空间分为三个区域， 其中i 区域存在交换偏置，i i 区域和i 工i 区域中没有交换偏置。三个区域由a f 垫扬州大学硕士学位论文 层厚度、界面线性耦合以及双二次耦合的三个临界值面划分。图2 5 展现出：决 定交换偏置有无的双二次耦合的临界值，：咖由界面线性耦合和a f 层厚度f 爿f 共 同决定，即，：洲随着以的增大而增大，随着，爿f 的增大而减小。此外，决定交换偏 置有无的a f 层厚度临界值f 肌胁由界面线性耦合以和双二次耦合，：共同决定，即 ，：会减小，爿删，以会增大，一胁。这一结果与胡经国盯1 等人的结论一致。特别地， 在f m a f 界面处无二次耦合情况下，当双二次耦合很小时系统有微弱的正交换偏 置，这与k o o n 的结论1 5 3 一致，但一般地，它不能单独诱发交换偏置，这与s c h u l t h e s s 的讨论乜钉一致。 在i 区域内，a f 磁矩发生可逆恢复行为，系统出现交换偏置。在磁滞回线测 量中，交换偏置的大小等于慨垂直易轴时的外磁场强度舶。因此，系统交换偏置 可由( 2 4 ) 获得。 胁= 协卜( 去) ( 警卜，： 泣4 ， 式中f 刚表示f m 层的厚度。计算结果显示了交换偏置对界面线性耦合、双二次耦 合以及a f 层厚度的依赖关系，如图2 6 所示。 气 吨 寸 、 _ 芏 = 孑 i 工 图2 6 交换偏置的结构依赖关系： ( a ) 不同的以情况下，胁随，2 变化关系；( b ) 不同的，2 情 况下，胁随f 爿f 变化关系。 许小勇：磁性多层膜系统中的自旋结构、交换偏置和磁电阻效应的研究丝 如图2 6 ( a ) 所示，随着，：的增大，胎缓慢下降，以能够大幅度的增强舶。因 此，界面二次耦合和双二次耦合对系统交换偏置的作用是相互竞争的，而且界面 二次耦合对交换偏置起着决定性作用，双二次耦合可以消弱甚至消除交换偏置。 这一结论为界面粗糙度会减小交换偏置的实验结论提供了解释乜2 鹦1 。从图2 6 ( a ) 我们还发现：对于确定的线性耦合以，系统总存在一个临界的双二次耦合以咖， 当厶 ，：咖时，交换偏置突然消失。此外，随以的增大，使胁消失的双二次耦合 临界值以咖会增大。图2 6 ( b ) 描述了不同的界面双二次耦合情况下，系统交换偏 置随a f 层厚度的变化关系。结果显示，对于确定的双二次耦合，随着a f 层厚度 的增大，系统交换偏置先恒为零，当a f 厚度达到一临界值r 一，交换偏置会迅速 增大，并趋于饱和。此外，我们发现：双二次耦合以可以消弱胎，减低f 删。基 于以上分析，为了获得较大的交换偏置场，我们首先应当确保系统磁结构参数满 足图2 5 给定的出现交换偏置的条件，然后尽量提高界面线性耦合，减低双二次 耦合。因此，我们给出的交换偏置的结构参量依赖关系对实验上设计强交换偏置、 弱矫顽场的f m a f 双层膜具有指导意义。 此外，我们还能够总结出一些有意义的现象：1 、在不可逆的磁矩