矩形单元阵列的形状各向异性及磁化强度的非均匀性和非均匀激发的研究

论文题目: 矩形单元阵列的形状各向异性及磁化强度的非均匀性和非均匀激发的研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 凝聚态物理

作者: 张栋

导师: 翟亚

关键词: 矩形阵列,退磁场,形状各向异性,非一致激发

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着磁电子学的发展,尤其是随着计算机的发展以及对信息存储越来越高的要求,人们日益对磁性阵列图形感到兴趣。随着制备的阵列中单元尺寸和单元间隔的减小到微米及亚微米,其磁性质,如:饱和磁化强度、矫顽力(开关场)、剩磁比、退磁场等对单元的尺寸,形状和单元间隔的依赖关系,开始受到人们的关注。本论文中对我们自己用光刻法制备了厚度为100纳米,矩形单元长度为10微米,长宽比分别为1、1.67、2.5和5的矩形单元阵列薄膜,以铁磁共振(FMR)和振动磁强计(VSM)为主要测量手段,进行了系统的实验和理论研究,并与过去合作者提供的用电子束蚀刻的更小的矩形单元阵列的性能进行比较。主要做了如下几方面的工作:1、微米量级尺寸矩形阵列薄膜的制备用深紫外光为曝光光源,通过湿法刻蚀抗蚀剂,离子束刻蚀金属层,然后湿法去胶,得到矩形单元阵列,用扫描电子显微镜(SEM)确定薄膜成分为Ni83Fe17,阵列单元长度为10微米,矩形比(长宽比)为1、1.67、2.5和5。2、图形薄膜形状各向异性的实验测量及理论计算用振动磁强计(VSM)和铁磁共振(FMR)对图形薄膜进行了测量,并对铁磁共振的实验结果进行了理论拟合分析,得到如下结论:(1)矩形单元阵列薄膜膜面内存在着很明显的形状各向异性,其易磁化方向为单元的长边方向,难磁化方向为短边方向。由于正方形单元在刻蚀时,掩模版的边缘效应,使得直角处被蚀刻掉,而近似成为不等边八边形。FMR实验表明其共振场的角度依赖性质与以往的正方形单元不同。其正方边为最易磁化方向,八边形的四个短边方向为次易磁化方向,成180度的对角连线为难磁化方向。(2)面内形状各向异性是均匀磁化的退磁场和非均匀磁化退磁场共同作用的结果,随着单元尺寸的增大,不均匀磁化的贡献逐渐减小。为了能满意的对FMR实验数据进行理论拟合,在自由能表达式中加入了八度对称的各向异性能。(3)在单元长度一定的情况下,面内形状各向异性随着单元矩形比的增大,即单元宽度的减小而增加,而面外各向异性则是随着矩形比的增大而减小。3、矩形单元阵列退磁场的数值计算为了验证上述形状各向异性的实验结果,用微磁学数值计算方法研究了不同尺寸的矩形单元中退磁场及其分布。共三个系列:(1)厚度为10nm、宽度为300nm、矩形比为1、2、4的矩形单元;(2)厚度为20nm、宽度为900nm、矩形比为1、2、5;(3)厚度为100nm,单元长度为10微米、矩形比为1、1.67、2.5和5。除矩形单元的退磁场的大小、在单元内部的分布外,还研究了单元间退磁场相互影响随着单元间隔的变化。计算表明:(1)矩形单元的退磁场分布存在着空间的不均匀,单元中心部分的退磁场大小和方向比较均匀,在单元四个边缘处退磁场极不均匀,不只是在数值上,而且方向也不相同。退磁场在单元内的分布随着单元矩形比的增大而变的均匀。(2)周围单元在中心单元处产生的退磁场是抵消中心单元自身的退磁场,并使得单元磁化更均匀,一般要考虑中心单元的最近邻、次最近邻和次近邻。另外在宽度为300nm的单元阵列中,单元间隔在600nm左右可以忽略了,但是当宽度为900nm的阵列的单元间隔超过1微米也是不能忽略的。(3)在考虑单元间退磁场时,薄膜厚度也是一个因素,微米量级的大单元间隔在2微米时,厚度越大,单元间退磁场的影响越不能忽略,当单元厚度为几十个纳米时,面内退磁场迅速减小。4、坡莫合金连续膜和矩形单元阵列图形薄膜中的非一致激发用铁磁共振对样品各个角度的共振现象进行了研究,并与连续膜进行了比较,通过实验测量和理论拟合与分析,我们得出如下结论:(1)用不同材料作缓冲层和保护层对坡莫合金连续薄膜中自旋波的激发有差异,用Ta比用Cu激发的自旋波共振场要低。通过对自旋波共振谱强度和共振场位置的拟合,我们得到用Ta作缓冲层的坡莫合金的交换常数小于相同厚度的用Cu作缓冲层和保护层的坡莫合金,而且随着膜厚的减小,交换常数减小。而且本论文的结果要比块状材料和以前论文中得到的小1至5倍。而用我们得到的交换常数,通过oommf计算程序对单元尺度为300 nm×300nm×10nm和10μm×10μm×0.1μm矩形单元的磁滞回线的矫顽力的值更接近我们用磁光克尔效应测得的磁滞回线的矫顽力。(2)通过坡莫合金连续膜的自旋波共振峰位置和模数的平方关系可以看到,我们制备的连续膜内部是比较均匀的,并在某些情况下可以制备出上下两个表面钉扎条件相同的薄膜。(3)通过对图形薄膜共振谱的分析以及与连续膜的对比和矩形单元退磁场计算,我们看到由于非均匀退磁场而导致非均匀的内磁场,使得图形薄膜中在单元的中心部和边缘处激发局域化的自旋波。但外磁场沿膜面法线方向时,自旋波主要沿法线方向传播,强度较大的共振峰应该是由单元中部激发的,而且激发了沿单元短边方向激发的自旋波,而有一部分自旋波是有面内四个边缘区域激发的。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 图形薄膜的研究现状

1.3 基本概念

1.3.1 磁畴

1.3.2 交换作用

1.3.3 磁各向异性

1.3.4 静磁相互作用

1.3.5 自旋波

1.4 本论文的工作

参考文献

第二章 基本实验方法及测试原理

2.1 薄膜的制备

2.1.1 直流磁控溅射法

2.1.2 射频溅射法

2.1.3 图形磁性结构物质的制备

2.2 结构表征与物性测量

2.2.1 扫描电子显微镜(SEM)

2.2.2 铁磁共振和自旋波共振（FMR 及SWR）

2.2.3 干涉显微镜

2.2.4 振动样品磁强计（VSM）

参考文献

第三章 矩形阵列图形坡莫合金薄膜的制备及磁各向异性的研究

3.1 前言

3.2 矩形阵列图形坡莫合金薄膜的制备和表征

3.2.1 连续薄膜的制备

3.2.2 刻蚀样品的制备

3.2.3 图形薄膜样品的形貌

3.3 图形薄膜的磁滞回线的测量

3.4 矩形阵列图形薄膜铁磁共振研究

3.4.1 铁磁共振实验测量结果

3.4.2 对铁磁共振实验数据的理论拟合

3.4.3 拟合结果

本章总结

参考文献

第四章 矩形单元退磁场的计算

4.1 引言

4.2 退磁场计算的理论模型

4.3 单个单元的退磁场

4.4 单元间退磁场的相互影响

本章总结

参考文献

第五章 坡莫合金薄膜的自旋波激发

5.1 前言

5.2 样品

5.3 连续膜自旋波激发测量结果

5.4 拟合实验数据的有关理论

5.4.1 表面非均匀模型（SI）

5.4.2 表面钉扎模型（SP）

5.5 拟合结果

5.6 矩形单元阵列薄膜的非一致激发的测量结果

5.7 图形薄膜铁磁共振测量结果的分析

本章总结

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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