反鐵磁耦合納米體系磁特性的微磁學(xué)研究

張光富,曾專武,鄧曙光,楊 冰

(湖南城市學(xué)院物理與電子信息工程系,湖南益陽(yáng)413000)

近年來(lái),自旋閥結(jié)構(gòu)納米體系由于在高密度磁記錄介質(zhì)以及讀出磁頭、磁傳感器等磁納米信息器件中的廣泛應(yīng)用而倍受人們關(guān)注.自旋閥結(jié)構(gòu)納米體系用于磁信息記錄和信息處理時(shí),剩磁態(tài)的微磁結(jié)構(gòu)和反磁化機(jī)制等磁特性直接影響磁信息器件的性能.如何獲得小的反轉(zhuǎn)場(chǎng)、準(zhǔn)一致的反磁化過(guò)程、具有穩(wěn)定剩磁單疇微磁結(jié)構(gòu)已成為提高磁信息器件性能的關(guān)鍵問(wèn)題.隨著磁信息器件的發(fā)展,磁性膜層的尺寸要求越來(lái)越小,膜層尺寸的減小,膜層兩極引起的退磁能將越來(lái)越大,導(dǎo)致反轉(zhuǎn)場(chǎng)顯著的增大.雖可以通過(guò)增大長(zhǎng)寬比來(lái)減小反轉(zhuǎn)場(chǎng),但大的長(zhǎng)寬比易產(chǎn)生多疇結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)不穩(wěn)定的反磁化過(guò)程[1-2].因此,傳統(tǒng)的自旋閥結(jié)構(gòu)已不利于磁信息器件的發(fā)展.最近人們提出了利用合成的反鐵磁耦合三層膜結(jié)構(gòu)(synthetic antiferromagnet(SyAF))體系代替自旋閥結(jié)構(gòu)的單層自由層[3-4].SyAF體系由磁層M1/非磁層/磁層M2組成,由于反鐵磁耦合作用使上、下磁層的磁矩反平行排列而產(chǎn)生閉合磁回路,減小了兩極產(chǎn)生的退磁場(chǎng)以及與鄰近鐵磁層的靜磁耦合作用,更利于剩磁態(tài)時(shí)系統(tǒng)單疇微磁結(jié)構(gòu)的形成,也有利于反轉(zhuǎn)場(chǎng)的減小.大量研究表明,具有SyAF自由層的自旋閥比傳統(tǒng)自旋閥結(jié)構(gòu)能獲得更小的反轉(zhuǎn)場(chǎng),具有穩(wěn)定剩磁態(tài)單疇微磁結(jié)構(gòu)[3-14].SyAF作為自旋閥結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)重要組成部分,SyAF的磁特性、反磁化機(jī)制必將對(duì)體系的磁特性、反磁化機(jī)制產(chǎn)生巨大的影響,從而影響磁信息器件的性能.而磁層的結(jié)構(gòu)參數(shù)(尺寸大小、形狀)和磁參數(shù)(飽和磁化強(qiáng)度、交換作用強(qiáng)度、磁晶各向異性參數(shù)等)的改變都將對(duì)SyAF的磁特性、反磁化機(jī)制產(chǎn)生巨大的影響.人們研究了膜面大小[4,10-14]、磁層厚度[3,10-14]對(duì)反轉(zhuǎn)場(chǎng),反磁化機(jī)制的影響,但磁層的磁參數(shù)對(duì)SyAF的磁特性、反磁化機(jī)制影響卻仍不清楚.本文利用微磁學(xué)方法研究磁層間反鐵磁耦合強(qiáng)度大小不同時(shí),SyAF納米體系的磁特性以及反磁化機(jī)制.

1 微磁學(xué)模擬方法

微磁學(xué)理論被廣泛的用來(lái)研究磁性納米結(jié)構(gòu)體系的磁學(xué)性質(zhì)[6,10,15],它是一個(gè)連續(xù)介質(zhì)理論,在這一理論中磁體穩(wěn)定的磁矩分布由磁體吉布斯自由能極小值來(lái)確定,磁矩的動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程遵循Landau-Lifshitz-Gilbert動(dòng)態(tài)方程:

其中:M是磁化強(qiáng)度矢量,γ是旋磁比,α為阻尼系數(shù),Heff代表有效場(chǎng),它包括交換場(chǎng)、磁晶各向異性場(chǎng)、退磁場(chǎng)、外磁場(chǎng)和反鐵磁耦合場(chǎng).本文采用微磁學(xué)計(jì)算軟件OOMMF[16]對(duì)SyAF結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)反磁化過(guò)程進(jìn)行模擬,模擬基于有限差分的思想,把SyAF結(jié)構(gòu)三層膜進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分,假定每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)磁矩分布是均勻的,計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的有效場(chǎng),并求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程,得到磁化強(qiáng)度矢量的動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程,從而獲得磁體的微磁結(jié)構(gòu)分布.我們對(duì)CoFe(4 nm)/Ru(1 nm)/CoFe(6 nm)進(jìn)行了模擬,括號(hào)內(nèi)為膜層的厚度,膜面大小為400 nm×400 nm,磁性層飽和磁化強(qiáng)度|MS|=1.4×106A?m,交換常數(shù)為A=1.05×10-11J?m-1;磁晶各向異性常數(shù)K=1.3×103J?m-3,易磁化軸方向?yàn)?1 0 0),阻尼系數(shù)α為0.5.

2 結(jié)果與討論

對(duì)由CoFe/Ru/CoFe組成的SyAF納米體系進(jìn)行微磁學(xué)模擬,首先沿(100)方向加足夠大的外磁場(chǎng),使磁性層沿該方向達(dá)到完全飽和磁化,然后逐漸把外場(chǎng)減小到相反方向,當(dāng)外場(chǎng)沿相反方向達(dá)到反轉(zhuǎn)場(chǎng)(Hsw)時(shí),磁矩將發(fā)生反轉(zhuǎn).在保持磁結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁晶各向異性常數(shù)以及交換常數(shù)不變的情況下,模擬了磁層間具有不同的反鐵耦合強(qiáng)度(0.05×10-3J?m-2～4×10-3J?m-2)的SyAF納米體系的動(dòng)力學(xué)反磁化過(guò)程.模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)SyAF納米體系的上、下磁層間的反鐵磁耦合強(qiáng)度較小時(shí)(<0.2×10-3J?m-2),出現(xiàn)如圖1所示的磁滯回線.從圖1中可以看出,在反磁化過(guò)程中,SyAF納米體系的上、下磁層都僅發(fā)生了一次反轉(zhuǎn).上磁層先反轉(zhuǎn)(上層的厚度小于下層的厚度),在剩磁態(tài)時(shí),上、下磁層達(dá)到了反平行排列,隨外磁場(chǎng)繼續(xù)減小,下磁層反轉(zhuǎn),達(dá)到反向飽和態(tài),中間只出現(xiàn)一次磁化矢量反平行排列過(guò)程;這可能是由于上下層間的反鐵磁耦合能太小,下磁層反轉(zhuǎn)過(guò)程中,反鐵磁耦合能不足以使上磁層隨下磁層再次發(fā)生反轉(zhuǎn).當(dāng)反鐵磁耦合強(qiáng)度較大時(shí),出現(xiàn)圖2所示的磁滯回線,在反磁化過(guò)程中上磁層出現(xiàn)兩次反轉(zhuǎn),隨外磁場(chǎng)從飽和場(chǎng)減小,上磁層先發(fā)生反轉(zhuǎn),下磁層不反轉(zhuǎn),在剩磁態(tài)時(shí),上、下磁層達(dá)到了反平行排列,隨外磁場(chǎng)繼續(xù)減小,下磁層反轉(zhuǎn),在下磁層反轉(zhuǎn)的同時(shí),上磁層再次反轉(zhuǎn),反磁化過(guò)程中再次出現(xiàn)上、下磁層再次反平行排列,因此在磁滯回線上可以看出兩個(gè)明顯的平臺(tái),如圖2中的插圖為Jex=1.2×10-3J?m-2的磁滯回線中心部分.模擬還發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁層間反鐵磁耦合強(qiáng)度大于Jex=0.2×10-3J?m-2時(shí),磁滯回線中心部分完全重合,另外從插圖中也看出磁體系的矯頑力能很好反應(yīng)磁矩的反轉(zhuǎn)場(chǎng)的大小.圖3給出了SyAF納米體系的矯頑力隨反鐵磁耦合強(qiáng)度的變化曲線.從圖3中可以看出,反鐵磁耦合強(qiáng)度達(dá)到Jex=0.2×10-3J?m-2這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí),矯頑力達(dá)到最小值(僅為13 mT),然后隨反鐵磁耦合強(qiáng)度的增大,矯頑力先增大后不隨反鐵磁耦合強(qiáng)度變化.從圖4可以看出SyAF納米體系的飽和場(chǎng)隨反鐵磁耦合強(qiáng)度的增大線性增大.

圖1 反鐵磁耦合強(qiáng)度為Je x=0.08×10-3J?m-2 SyAF納米體系的磁滯回線

圖2 反鐵磁耦合強(qiáng)度為Jex=1.2×10-3J?m-2SyAF納米體系的磁滯回線,插圖為J=1.2×10-3J?m-2的磁滯回線中心

圖3 SyAF納米體系的矯頑力隨磁層反鐵磁耦合強(qiáng)度大小的變化曲線

圖4 SyAF納米體系的飽和場(chǎng)隨磁層反鐵磁耦合強(qiáng)度大小的變化曲線

磁滯回線的不同也預(yù)示著磁體系存在著不同的反磁化機(jī)制.圖5給出了反鐵磁耦合強(qiáng)度為Jex=0.08×10-3J?m-2的SyAF納米體系在不同時(shí)刻上下磁層的微磁結(jié)構(gòu)分布,圖5(a)和(e)分別為SyAF納米體系上、下磁層在剩磁態(tài)時(shí)的微磁結(jié)構(gòu),上、下磁層形成反平行的U型微磁結(jié)構(gòu).由于U型微磁結(jié)構(gòu)邊緣疇為反對(duì)稱結(jié)構(gòu),為了減小體系退磁能,反磁化過(guò)程中更利于反磁化核的形成,因此反磁化過(guò)程中,下磁層開口向下的U型口越來(lái)越小,慢慢閉合形成渦旋反磁化核結(jié)構(gòu)(如圖5(f)和(g)所示),最后反磁化核移出膜面消失,下磁層完全反轉(zhuǎn);而在下磁層反轉(zhuǎn)過(guò)程中,由于上、下磁層間反鐵磁耦合強(qiáng)度較小時(shí),反鐵磁耦合能不足以使上磁層再次形核,因而不易反轉(zhuǎn).在整個(gè)過(guò)程中,上、下磁層都只反轉(zhuǎn)一次,反磁化過(guò)程是伴隨反磁化核形成與消失的反轉(zhuǎn)過(guò)程.正因?yàn)榉创呕^(guò)程的不一致,剩磁態(tài)時(shí)雖是反平等排列,但隨外磁場(chǎng)的減小,磁結(jié)構(gòu)就開始形成反磁化核,因此導(dǎo)致系統(tǒng)的磁矩變小,中間的磁矩反平行排列保持磁矩沒有變化的時(shí)間不長(zhǎng),所以在如圖1所示的磁滯回線中反平行平臺(tái)并不明顯.而當(dāng)上、下磁層間反鐵磁耦合強(qiáng)度較大時(shí),SyAF納米體系的反磁化過(guò)程是類一致反轉(zhuǎn)過(guò)程,即反轉(zhuǎn)過(guò)程中整個(gè)磁層內(nèi)的磁化狀態(tài)始終基于保持一致(如圖6所示).從圖6(i)和(n)可以看出,磁層間反鐵磁耦耦合強(qiáng)度為Jex=1.2×10-3J?m-2時(shí),上、下磁層剩磁態(tài)微磁結(jié)構(gòu)是S型結(jié)構(gòu).整個(gè)反磁化過(guò)程中上、下磁層都始終保持反平等排列,膜面內(nèi)部的反轉(zhuǎn)過(guò)程是完全一致反轉(zhuǎn),兩極跟隨膜面內(nèi)部向反轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn);最后再次達(dá)到反平行結(jié)構(gòu),上磁層發(fā)生了兩次反轉(zhuǎn)過(guò)程,因此在磁滯回線上可以看到兩個(gè)明顯平臺(tái).

圖5 反鐵磁耦合強(qiáng)度Jex=0.08×10-3J?m-2的SyAF自由層從剩磁態(tài)開始隨外場(chǎng)變化的反轉(zhuǎn)過(guò)程,(a)～(d)和(e)～(h)分別為對(duì)應(yīng)的上、下磁層。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖6 反鐵磁耦合強(qiáng)度Jex=1.2×10-3J?m-2的SyAF自由層從剩磁態(tài)開始隨外場(chǎng)變化的反轉(zhuǎn)過(guò)程,(i)～(m)和(n)～(q)分別為對(duì)應(yīng)的上、下磁層。

利用微磁學(xué)方法研究了磁層間反鐵磁耦合強(qiáng)度對(duì)SyAF納米體系的反磁化過(guò)程.研究表明,隨著SyAF納米體系中上、下磁層間的反鐵磁耦合強(qiáng)度的增大,SyAF納米體系有兩種不同的磁滯回線.當(dāng)磁層間反鐵磁耦合強(qiáng)度較小時(shí),體系的矯頑力隨反鐵磁耦合強(qiáng)度的增大而增大,反磁化過(guò)程中,隨外磁場(chǎng)的減小,上磁層先反轉(zhuǎn),再下磁層反轉(zhuǎn),磁性層都僅反轉(zhuǎn)一次,磁滯回線中只出現(xiàn)一次磁層反平行排列的平臺(tái).反磁化機(jī)制為反磁化核的形成與傳播的反轉(zhuǎn)過(guò)程.而當(dāng)磁層間反鐵耦合強(qiáng)度較大時(shí),體系的矯頑力基本不隨反鐵磁耦合強(qiáng)度變化,反磁化過(guò)程中,隨外磁場(chǎng)的減小,上磁層先反轉(zhuǎn),上磁層反轉(zhuǎn)時(shí)下磁層不反轉(zhuǎn),隨道外磁場(chǎng)的繼續(xù)減小,下磁層反轉(zhuǎn),下磁層反轉(zhuǎn)的同時(shí)上磁層再次發(fā)生了反轉(zhuǎn),磁滯回線中只出現(xiàn)了兩次較明顯磁層反平行排列的平臺(tái).反磁化機(jī)制為類一致反轉(zhuǎn)過(guò)程.磁層間的反鐵磁耦合強(qiáng)度大于0.2×10-3J?m-2的SyAF納米體系具有小的矯頑力,并且在剩磁態(tài)為穩(wěn)定的單疇結(jié)構(gòu),反磁化機(jī)制為類一致反轉(zhuǎn)過(guò)程,更適合于作為自旋閥結(jié)構(gòu)的自由層.

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