橢圓鈷納米環(huán)磁化動力學(xué)研究

葉晴瑩，李銘領(lǐng)，吳洋洋，楊 莉，朱偉波，陳水源，黃志高

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院，福建福州350108)

橢圓鈷納米環(huán)磁化動力學(xué)研究

葉晴瑩，李銘領(lǐng)，吳洋洋，楊 莉，朱偉波，陳水源，黃志高

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院，福建福州350108)

利用Monte－Carlo方法模擬了不同偏心率、不同厚度的橢圓鈷納米環(huán)的磁特性.模擬結(jié)果表明:當(dāng)系統(tǒng)的偏心率較小時，厚度越大的橢圓鈷納米環(huán)的渦旋態(tài)(“vortex”態(tài))越穩(wěn)定，此系統(tǒng)的磁滯回線保持圓形納米環(huán)的主要特征;系統(tǒng)的偏心率較大時，系統(tǒng)的磁特性與圓形納米環(huán)有較大差別，渦旋態(tài)的穩(wěn)定性與厚度并無明顯關(guān)聯(lián);對橢圓鈷納米環(huán)的自旋組態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，橢圓系統(tǒng)在極化態(tài)(“onion”態(tài))與渦旋態(tài)之間出現(xiàn)了更多的亞穩(wěn)態(tài).

橢圓鈷納米環(huán);偏心率;厚度;磁滯回線;自旋組態(tài)

0 引言

由于磁性納米材料可用于高密度存儲，因此近年來磁性納米材料研究一直倍受關(guān)注［1－3］.已有資料表明，方形、矩形或其他多邊形納米磁性材料不適用于高密度存儲［4－5］，而圓形納米材料可較有效地阻止邊緣磁疇形成，并減少雜散場，從而形成穩(wěn)定的渦旋態(tài)［1，6－7］.因此，圓形納米材料可用于制作高密度存儲器.然而圓盤形納米材料的渦旋態(tài)中心存在高能渦旋，使重復(fù)磁化反轉(zhuǎn)困難［8］，因此圓盤系統(tǒng)并非存儲器的最優(yōu)材料.為了解決這個問題，人們設(shè)計出環(huán)形納米磁性材料 (簡稱納米環(huán)).納米環(huán)不僅具有圓形磁性材料的優(yōu)點，且當(dāng)處于渦旋態(tài)時中心不存在高能渦旋［9－11］，這使多次磁化反轉(zhuǎn)易于實現(xiàn)，所以納米環(huán)磁性材料在高密度存儲方面具有巨大潛力［12－13］.本課題組已對納米環(huán)進行了一些研究，并取得了一些有意義的結(jié)果［14－16］.在研究過程中發(fā)現(xiàn)，納米磁性材料的幾何形狀對自旋組態(tài)起著重要作用［4，14－16］，而批量制作納米環(huán)時，精確度常難以達到100%，因此不可避免地會產(chǎn)生部分橢圓形納米環(huán)，這將使系統(tǒng)的磁特性發(fā)生變化.本文主要研究橢圓納米環(huán)對系統(tǒng)磁特性的影響，以期為實驗提供理論指導(dǎo).

1 模型和方法

圖1 橢圓鈷納米環(huán)模型Fig.1 The model of ellipse Co nanoring.

2 結(jié)果與討論

圖2分別給出了長軸a=200 nm，短軸b=160 nm，內(nèi)徑d=40 nm，厚度t為10 nm、20 nm、30 nm、40 nm的橢圓鈷納米環(huán)的磁滯回線.定義一個處于渦旋態(tài)的臺階寬度△Hfc［18］，如圖2(a)所示.從圖2中可以明顯看到，臺階寬度△Hfc隨著厚度的增大而增大.利用文獻 ［16］的理論:△Hfc越大，渦旋態(tài)所對應(yīng)的磁場強度H的范圍就越大，即外加磁場可以在更大的范圍內(nèi)變化，但系統(tǒng)依然可保持渦旋態(tài) (渦旋態(tài)穩(wěn)定).因此△Hfc可以用來表征渦旋態(tài)的穩(wěn)定性［16］.由此可見，對于偏心率較小的橢圓鈷納米環(huán)，其結(jié)果與圓形納米環(huán)的結(jié)果有相似之處［16］，即厚度越大的橢圓鈷納米環(huán)的渦旋態(tài)越穩(wěn)定，此結(jié)論與實驗事實相符［18］.另外，從圖2b、圖2c、圖2d中可以發(fā)現(xiàn)，對于較大厚度 (t=20 nm，30 nm，40 nm)橢圓鈷納米環(huán)，其磁滯回線呈現(xiàn)多個臺階，這意味著從渦旋態(tài)轉(zhuǎn)變到極化態(tài)之間存在多個亞穩(wěn)態(tài)，此結(jié)論亦與圓形納米環(huán)類似［16］.綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)的偏心率較小時，系統(tǒng)的磁滯回線依然保持圓形納米環(huán)的主要特征.

但上述結(jié)論對于偏心率較大的橢圓鈷納米環(huán)不再適用.圖3分別給出了長軸a=200 nm，短軸b=100 nm，內(nèi)徑d=40 nm，厚度t為10 nm、20 nm、30 nm、40 nm的橢圓鈷納米環(huán)的磁滯回線.從圖3中并沒有觀察到臺階寬度△Hfc隨著厚度的增大而增大.相反，在圖3b、圖3c中的臺階寬度顯得尤為狹小，即渦旋態(tài)不再穩(wěn)定.同時，圖3b、圖3c在渦旋態(tài)與極化態(tài)之間呈現(xiàn)多臺階化，即系統(tǒng)出現(xiàn)多個亞穩(wěn)態(tài)，但在圖3d中多臺階化卻已不再清晰.這說明當(dāng)系統(tǒng)的偏心率較大時，系統(tǒng)的磁特性與圓形納米環(huán)有較大差別.

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于:對于短軸較長、偏心率較小的系統(tǒng)，其幾何形狀與圓形系統(tǒng)較接近，因此其磁特性與圓形納米環(huán)相似;而對于短軸較小、偏心率較大的系統(tǒng)，其幾何形狀與圓形系統(tǒng)相距甚遠，所以磁滯回線與圓形鈷納米環(huán)有較大差別.上述結(jié)果說明橢圓鈷納米環(huán)渦旋態(tài)的穩(wěn)定性與納米環(huán)的偏心率、厚度密切相關(guān)，即渦旋態(tài)的穩(wěn)定性具有明顯的尺寸效應(yīng).這一模擬結(jié)果對于實驗設(shè)計以及鈷納米環(huán)的實際應(yīng)用具有很好的參考意義.

圖2 a=200 nm、b=160 nm、d=40 nm及不同厚度橢圓鈷納米環(huán)磁滯回線Fig.2 The hysteresis loops of ellipse Co nanorings with different thickness for a=200 nm,b=160 nm,d=40 nm

圖3 a=200 nm、b=100 nm、d=40 nm及不同厚度橢圓鈷納米環(huán)磁滯回線Fig.3 The hysteresis loops of ellipse Co nanorings with different thickness for a=200 nm,b=100 nm,d=40 nm

為了進一步理解橢圓鈷納米環(huán)的磁化過程，以a=200 nm、b=160 nm、d=40 nm，t=30 nm的橢圓鈷納米環(huán)為例，詳細展示系統(tǒng)在磁化過程中的自旋翻轉(zhuǎn)及疇壁運動過程.由于系統(tǒng)各層次的自旋組態(tài)基本類似，圖4給出該系統(tǒng)中一層的自旋組態(tài)用以研究.首先，當(dāng)外加磁場很大時 (圖2c中的(1)點)，系統(tǒng)對應(yīng)的自旋組態(tài)為極化態(tài) (如圖4(1));然后，由于外場的減小，系統(tǒng)的自旋發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在右下方邊緣形成一逆時針局域渦旋 (如圖4(2))，此時系統(tǒng)的磁化強度減小 (圖2c中的(2)點);接著，外加磁場繼續(xù)減小 (如圖2c中的 (3)點)，自旋在外場的作用下于系統(tǒng)的左上方又形成一順時針局域渦旋 (如圖4(3))，此時系統(tǒng)同時存在2個局域渦旋;隨著外場的持續(xù)減小，當(dāng)H=－500 Oe時 (圖2c中的 (4)點)，2個局域渦旋的疇壁在運動中湮滅，但在系統(tǒng)的右上方再次形成一順時針局域渦旋 (如圖4(4))，此時系統(tǒng)已接近渦旋態(tài);當(dāng)磁場減小為0時 (圖2c中的(5)點)，系統(tǒng)疇壁在運動中全部湮滅，呈現(xiàn)出一個完整的渦旋態(tài) (如圖4(5))，系統(tǒng)磁化強度接近于0;接著外磁場反向增大，當(dāng)H=700 Oe時 (圖2c中的 (6)點)，系統(tǒng)呈現(xiàn)2個順時針局域渦旋 (如圖4(6));外磁場從700 Oe～1300 Oe的過程中 (圖2c中的 (6)— (8))，系統(tǒng)的疇壁逐漸下移 (如圖4(6)— (8));最后，疇壁湮滅在下方邊緣，系統(tǒng)再次呈現(xiàn)自旋極化態(tài) (如圖4(9)).

圖4 a=200 nm、b=160 nm、d=40nm、t=30nm橢圓鈷納米環(huán)自旋組態(tài)Fig.4 The spin configurations of Co nanorings for a=200 nm,b=160 nm,d=40 nm,t=30 nm

從系統(tǒng)的磁化過程可以看出，橢圓鈷納米環(huán)保留了圓形納米環(huán)的主要特征，即系統(tǒng)外場較大時呈現(xiàn)極化態(tài)，磁場為零時呈現(xiàn)完整的渦旋態(tài)［16］.但由于尺寸效應(yīng)，橢圓鈷納米環(huán)的磁化過程比圓形納米環(huán)的更為復(fù)雜［16］，出現(xiàn)了更多的過渡狀態(tài) (亞穩(wěn)態(tài)).

3 結(jié)論

利用Monte－Carlo方法模擬了不同偏心率、不同厚度的橢圓鈷納米環(huán)的磁特性，模擬結(jié)果表明:當(dāng)系統(tǒng)的偏心率較小時，厚度越大的橢圓鈷納米環(huán)的渦旋態(tài)越穩(wěn)定，此結(jié)論與實驗事實相符，同時，由于尺寸接近圓形納米環(huán)，系統(tǒng)的磁滯回線依然保持圓形納米環(huán)的主要特征;系統(tǒng)的偏心率較大時，由于尺寸與圓形納米環(huán)相距甚遠，系統(tǒng)的磁特性與圓形納米環(huán)有較大差別;橢圓鈷納米環(huán)渦旋態(tài)的穩(wěn)定性具有明顯的尺寸效應(yīng);對橢圓鈷納米環(huán)的自旋組態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的磁化過程存在極化態(tài)與渦旋態(tài)，但相對圓形納米環(huán)而言，系統(tǒng)在極化態(tài)與渦旋態(tài)之間出現(xiàn)了更多的亞穩(wěn)態(tài).

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(責(zé)任編輯 馬建華 英文審校 黃振坤)

Magnetic Dynamic Properties for Ellipse Co Nanorings

YE Qing－ying，LI Ming－ling，WU Yang－yang，YANG Li，ZHU Wei－bo，CHEN Shui－yuan，HUANG Zhi－gao
(College of Physics and Energy，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Based on the Monte－Carlo simulation，the effects of different thickness and eccentricity for ellipse Co nanorings were studied.It was found that the stability of vortex－type states increases with increasing the thickness of ellipse Co nanorings when eccentricity was less.Moreover，the magnetic hysteresis loops of this system were similar to those of circular Co nanorings.However，there exists obvious difference between magnetic hysteresis loops of ellipse Co nanorings and those of circular Co nanorings when the eccentricity increased.The stability of vortex－type state was not significantly associated with the thickness.From the spin configurations，it was observed that there were more metastable states in the system of ellipse Co nanorings than those of circular Co nanorings.

ellipse Co nanorings;eccentricity;thickness;hysteresis loop;spin configuration

O 482.5

A

1007－7405(2012)05－0389－05

2012－05－25

2012－07－09

國家自然科學(xué)基金資助項目 (11004039，11004031);福建省自然科學(xué)基金資助項目 (2010J01277，2012J01003);福建省教育廳基金資助項目 (JA10086，JB11024);福建省大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃項目(Fjnu2011－004，BKL2011－010，cxxl－078)

葉晴瑩 (1980—)，女，講師，從事納米磁性材料設(shè)計與理論計算研究，E－mail:qyye@fjnu.edu.cn.