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

论文摘要

1956年Meiklejohn和Bean首次发现Co（铁磁）/CoO（反铁磁）颗粒系统的磁滞回线中心发生偏移,其偏移量称为交换偏置。1988年Baibich等人在Fe/Cr多层膜中发现巨磁阻（GMR）效应,随后1991年Dieny利用磁性多层膜的GMR效应设计了自旋阀式磁读写头。自旋阀多层膜的GMR效应的根源在于铁磁与反铁磁交换耦合作用而诱发的交换偏置,由此,以铁磁/反铁磁为基础的磁性多层膜系统交换偏置在磁电阻器件实用化的过程中起着重要的作用。系统交换偏置效应和磁电阻效应等性能在高密度磁读写、磁传感器以及磁随机存储器等工艺上得到了广泛应用,半个世纪以来一直是凝聚态物理和材料科学领域中的一个研究热点。本文通过研究自旋结构,讨论了铁磁/反铁磁双层膜系统中交换偏置He的结构参数依赖关系以及FM/NM/FM三层膜系统中力致磁电阻效应。在第二章中,研究了铁磁/反铁磁（FM/AF）双层膜界面存在二次（线性）以及双二次（spin-flop）耦合下反铁磁自旋结构相变及其交换偏置效应。结果表明,其反铁磁膜中的磁矩转动存在可逆“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”四种情形,四种情形的出现强烈地依赖于界面二次、双二次耦合以及反铁磁膜厚度。其中可逆恢复行为情况下,系统出现交换偏置,而不可逆的半转、半倒转以及倒转情形,系统不出现交换偏置。进而,我们以界面二次耦合、双二次耦合以及反铁磁厚度为轴构建了系统交换偏置的磁结构相图,给出了交换偏置出现以及饱和的磁结构参数临界值。此外,我们还特别讨论了界面双二次交换耦合（spin-flop coupling）在交换偏置双层膜中所起的作用。结果显示,在界面处仅存在双二次耦合的情形下,其界面双二次耦合常数J 2≤0.1σw（反铁磁畴壁能量σw）时,系统有正交换偏置,若J 2 > 0.1σw,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8πM /5≤Hλ≤18πM/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GMR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。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 一些基本概念
• 1.2.1 磁晶各向异性
• 1.2.2 磁致伸缩
• 参考文献
• 第二章 铁磁/反铁磁双层膜系统中的交换偏置
• 2.1 引言
• 2.2 研究进展
• 2.3 铁磁/反铁磁双层膜系统的反铁磁自旋结构及其交换各向异性
• 2.3.1 研究背景
• 2.3.2 理论模型
• 2.3.3 分析和讨论
• 2.3.4 小结
• 参考文献
• 第三章 磁性多层膜系统中的磁电阻效应
• 3.1 引言
• 3.2 几个相关的物理概念
• 3.2.1 自旋极化和自旋相关散射
• 3.2.2 磁电阻效应和双电流模型
• 3.2.3 自旋阀结构
• 3.3 铁磁多层膜系统的力致磁电阻效应
• 3.3.1 研究背景
• 3.3.2 模型和解析
• 3.3.3 分析和讨论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表或即将发表的论文
• 致谢