旋轉場作用下Sm-Co/α-Fe雙層膜體系的反轉特性

伍清萍

(華東交通大學基礎科學學院，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，越來越成為一種引人注目的新興磁性材料。其磁化反轉過程對于技術應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程控制以及其磁特性的可裁剪性，而越來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界面耦合的硬磁相與軟磁相依次疊加而成，我們已經詳細地研究了當外場平行于硬磁層易軸時交換耦合Sm-Co/α-Fe多層膜體系的磁特性與反磁化過程[17-18]。當外場大于層間交換耦合場Hex時，在軟磁層內會形成一螺旋狀的磁結構:越接近于界面處其的自旋由于受到硬磁層的釘扎，將更加接近于外場方向，離界面越遠，其自旋方向與外場方向間的夾角越大，結果形成一類似于布洛赫疇壁的空間自旋結構。這樣的過程是可逆的，當撤掉外場后，軟磁層的自旋又會重新平行于硬磁層的易軸方向。然而，硬磁層是通過形核的疇壁移動來實現其反磁化過程;且硬磁層的反轉場遠大于軟磁層的反轉場。

基于此，本文研究了在面內旋轉場作用下，α-Fe/Sm-Co雙層膜體系的反磁化過程。

1 模型和方法

圖1是FCB的結構示意圖，ns與nh分別是軟、硬磁層厚度，L，W分別表示體系的長與寬。

在微磁學理論中，自由能的表達式為

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

圖1 交換耦合硬/軟磁雙層膜體系的模型

其中:M是磁化強度矢量，ω是旋磁比，α是阻尼系數，有效場Heff定義為自由能的變分提供作用在磁化強度矢量上的實際力矩。模擬基于有限差分的思想，把材料進行適當的網格劃分，假定每個網格內磁矩分布是均勻的，給定一初始的磁矩分布，計算每個網格內的有效場并求解Gilbert方程，得到磁化強度矢量的動力學變化過程，從而獲得磁體的微磁結構分布(計算中只考慮最近鄰相互作用，計算過程選擇了自由邊界條件)。

2 模擬結果及討論

對于體系長寬均為500 nm的α-Fe(20 nm)/Sm-Co(20 nm)雙層膜體系，其體系參數為:其硬磁層交換耦合常數、各向異性常數與飽和磁化強度分別是Ahs=1.2×10-11J/m，Kh=5×106J/m3，Mh=0.55×106A/m;軟磁層交換耦合常數、各向異性常數與飽和磁化強度分別是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(A hs)取1.8×10-11J/m。每一剖分單元的長、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)。

當面內旋轉場較小時(≈0.1 T)，隨外場逐漸由0°旋轉至ψ=360°(ψ為外場與x軸的夾角)的過程中，由于外場太小(小于軟磁層可逆反轉場)結果導致當外場旋轉時，體系磁矩被釘扎在易軸方向，其角坐標只能在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)與外場旋轉角(ψ)的關系圖，(a)H=0.1 T，(b)H=0.5 T，(c)H=3 T，(d)H=5 T

當H=0.5 T時，隨旋轉場磁矩角坐標增大，Sm-Co層的磁矩角坐標仍然處于θ=0°，僅僅在體系耦合區(qū)磁矩角坐標在θ=0°附近處有所振蕩;然而α-Fe層的磁矩角坐標逐漸增加，且隨離Sm-Co層的距離增大，α-Fe層的磁矩角坐標會逐漸增大，結果形成一類似布洛赫疇壁的空間自旋結構。圖2(b)顯示了體系總有效磁矩角坐標與外場角坐標之間的關系，由圖可知隨ψ增加，θ逐漸增加，但當ψ大約等于235°(≈270°)時(也即硬磁層的易軸)，θ會出現突變現象，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，結果導致體系交換耦合能以及各向異性能增加;但由于此時旋轉場太大，迫使體系磁矩只能以一種連續(xù)但滯后的方式隨外場旋轉;然而由于滯后效應，當ψ大約等于235°(接近270°)時，θ會發(fā)生突變(超過90°轉到180°附近);這時ψ若繼續(xù)增加，則軟磁層的磁矩會迅速地轉至270°附近。

如果外場大小進一步增大到H=3 T，則體系總有效磁矩角坐標仍然隨外場角坐標的增大而增大，但此時有效磁矩角坐標并沒有明顯的突變[圖2(c)];這主要是由于各向異性勢壘的存在。盡管，隨ψ增大，磁化方向會被迫偏離θ=0°方向，結果使得交換能以及各向異性能增加;但當ψ偏離90°接近140°時，此時各向異性能開始減小，當ψ=180°時，此時各向異性能降至最小，塞曼能與交換能達到最大值;結果導致圖2(c)的結果。

最后當H=5 T時，開始隨外場的旋轉，軟磁層內會形成一空間自旋結構，硬磁層沒有明顯的偏轉;然而當ψ=120°以及ψ=300°時，在硬磁層內部磁矩會發(fā)生180°突變。但這時外場大小遠小于Sm-Co相的不可逆反轉場，最終導致圖2(d)的結果。

3 結論

由于交換彈性耦合磁體對于自旋電子器件的發(fā)展有極其重要的影響，因此本文以微磁學理論為基礎研究了FCB的旋轉特性。結果顯示，在不同的旋轉場作用下，由于能量競爭，使得體系具有非常豐富的磁結構，這使得體系具有不同的反轉形式;而且，模擬結果顯示體系硬磁層的不可逆反轉場遠遠低于硬磁相單獨存在時的不可逆反轉場。這將有助于人們研究其它的自旋電子學課題(如磁電阻、磁傳感器以及隨機存取存儲器等)。

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