磁性双层膜系统交换偏置行为的研究

论文摘要

近年来,由于纳米磁性材料在高密度磁记录和生物医学等方面的应用,使其在基础和应用研究中受到了广泛地关注。当其应用于磁记录时,最大的挑战是如何克服纳米尺度下材料在有限温区出现的超顺磁性,因为这种现象会破坏记录单元的热稳定性。经研究发现,复合纳米磁性材料中的交换偏置效应有可能成为解决此类问题的关键性技术。受近期实验的启发,本论文使用经典的Heisenberg模型并采用修正的Monte Carlo方法模拟研究了不同形态结构的纳米磁性双层膜系统的交换偏置效应,包括铁磁-非晶磁性双层膜系统,标准铁磁-反铁磁双层膜以及具有一定位错的铁磁-反铁磁双层膜系统。本论文对标准的Monte Carlo方法进行了修正。不仅考虑了系统内所有自旋在任意方向上的热扰动,同时计算了它们在任意时刻的能量以考察在反转过程中是否存在势垒。标准Monte Carlo方法的接受概率是由自旋初末两态的能量差决定的,而本论文中若自旋反转需要跨越势垒,则其新态的接受概率由初态与势垒的能量差决定。通过修正,使Monte Carlo方法能更好的运用到具有有限各向异性大小的系统中。对于铁磁-非晶磁性双层膜系统,畴内自旋各向异性取向无序时,系统的磁滞回线关于坐标原点对称,没有观察到体系的交换偏置行为。畴内自旋各向异性增强,系统的矫顽力、磁能积随之增加,但饱和磁化强度变化不大；畴内自旋各向异性取向围绕z轴正态分布或者取向恒定时,在畴内自旋各向异性取值较小的情况下,双层膜系统仍然没有偏置效应,当畴内自旋各向异性增大到3.5时,系统出现交换偏置行为,并且交换偏置场随各向异性的增强而增大,但矫顽场随各向异性的变化非单调,冷却场对偏置场及矫顽场的大小影响不大,畴内自旋间的相互作用对交换偏置效应有很大影响,界面处铁磁或反铁磁耦合性质及耦合作用的强弱对交换偏置效应及矫顽力影响明显,这根源于界面处畴内自旋各向异性对铁磁自旋的钉扎作用及界面净剩磁的大小。随后,考察了铁磁-反铁磁双层膜系统的交换偏置效应,发现当反铁磁层各向异性较小时,改变其他参数,系统的交换偏置效应不明显,但对系统的矫顽力影响明显,更为有趣的是我们观察到反铁磁层的小磁滞现象,可能是因为反铁磁自旋间的阻挫效应使得系统会有两个亚稳态所致；当反铁磁自旋各向异性取值较大（大于5）时,系统表现出明显的交换偏置效应,并且交换偏置场随反铁磁各向异性的增大而增大。反铁磁自旋的各向异性、界面耦合作用及冷却场对体系的交换偏置行为都有较大影响,计算结果表明反铁磁层在交换偏置系统中起着关键的作用。最后,考察了具有一定位错的铁磁-反铁磁双层膜体系的交换偏置行为,发现反铁磁各向异性较小时,同样的参数下,这种系统的偏置效应比没有位错的铁磁-反铁磁系统要弱,同时也没有观察到无位错系统中出现的磁滞效应,这是因为此种模型下,不同层间最近邻的自旋个数为4,反铁磁自旋各向异性钉扎铁磁自旋的同时,也受到铁磁自旋的耦合作用,使得反铁磁自旋的亚稳态分布变得不稳定。总的来说,本论文利用修正的Monte Carlo方法模拟研究了不同形态纳米磁性双层膜系统的交换偏置效应。通过计算磁化强度、交换偏置场以及矫顽力等物理量,阐明了不同形态纳米系统的交换偏置效应的微观起源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 物质磁性及纳米磁性材料
• 1.1.1 物质磁性的发展及分类
• 1.1.2 纳米科技及纳米磁性材料
• 1.2 磁记录概述
• 1.2.1 磁记录的发展历程
• 1.2.2 典型的磁记录模式
• 1.3 交换偏置
• 1.3.1 基本现象
• 1.3.2 纳米结构的交换偏置研究的主要内容
• 1.4 本论文的主要工作
• 第2章 磁系统模拟中的修正Monte Carlo方法
• 2.1 计算机模拟方法概论
• 2.1.1 计算机模拟方法的优势
• 2.2 Monte Carlo方法
• 2.2.1 统计力学中的Monte Carlo方法
• 2.2.2 Monte Carlo方法中的随机数
• 2.2.3 周期性边界条件
• 2.3 Monte Carlo Metropolis算法的修正
• 2.3.1 目前典型的修正Metropolis算法
• 2.3.2 Stoner-Wohlfarth模型
• 2.3.3 本论文中使用的Metropolis算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 铁磁-非晶态双层磁性薄膜的交换偏置效应
• 3.1 实验基础
• 3.2 建立模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 畴内自旋各向异性方向随机
• 3.3.2 畴内自旋各向异性择优取向
• 3.3.3 畴内自旋各向异性方向确定但大小服从正态分布
• 3.4 本章小结
• 第4章 铁磁-反铁磁双层磁性薄膜的磁学行为
• 4.1 铁磁-反铁磁双层膜的交换偏置
• 4.1.1 铁磁各向异性对磁化曲线的影响
• 4.1.2 反铁磁层的磁滞效应
• 4.1.3 反铁磁自旋各向异性大小对偏置效应的影响
• 4.1.4 冷却场对偏置效应的影响
• 4.1.5 界面耦合对偏置效应的影响
• 4.2 具有一定位错的铁磁-反铁磁双层膜
• 4.2.1 铁磁各向异性对磁化曲线的影响
• 4.2.2 反铁磁各向异性的的影响
• 4.2.3 冷却场的影响
• 4.2.4 界面耦合的影响
• 4.3 同参数下两种结构模型的比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢