鐵磁/反鐵磁多層膜系統(tǒng)中非磁性摻雜的計(jì)算模擬研究

李美玲　吳麗君　徐志潔　杜安

摘要：該文采用修正的蒙特卡羅（Monte Carlo）模擬方法研究了鐵磁/反鐵磁多層膜系統(tǒng)中界面反鐵磁非磁性摻雜濃度對(duì)界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場(chǎng)的影響。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，非磁性摻雜濃度增加使界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場(chǎng)呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算模擬，非磁性摻雜，熱力學(xué)性質(zhì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0228-02

1 概述

六十多年來，在磁性薄膜材料方面，交換偏置現(xiàn)象一直受到人們廣泛的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，鐵磁/反鐵磁雙層膜系統(tǒng)中影響交換偏置場(chǎng)的主要因素之一有冷卻場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。在界面相互作用是反鐵磁性耦合的鐵磁/反鐵磁雙層膜系統(tǒng)中，逐漸增大冷卻場(chǎng)可使交換偏置場(chǎng)由負(fù)值變?yōu)檎?；除此以外，薄膜厚度，各向異性，界面耦合等都?huì)對(duì)交換偏置場(chǎng)產(chǎn)生影響[1，2]。近年來，人們發(fā)現(xiàn)對(duì)磁性薄膜進(jìn)行不同方式或程度的磁性摻雜或非磁性摻雜[3]，都可以很有效地改變交換偏置場(chǎng)；不同條件下的交換偏置場(chǎng)隨著摻雜濃度的變化趨勢(shì)存在差異。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，材料模擬算法的不斷改進(jìn)，計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為研究材料性能的一種可靠方法，可進(jìn)一步為材料性能的實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

2 模型和方法

本文所選用的鐵磁/反鐵磁多層膜系統(tǒng)由四層鐵磁薄膜和六層反鐵磁薄膜組成，其中與鐵磁層近鄰的界面反鐵磁層為非磁性摻雜層。此系統(tǒng)的哈密頓量為：

其中，Si（j）代表i（j）位置的經(jīng)典矢量，[ei]代表自旋易磁化方向的單位矢量，在界面反鐵磁中，若Si （ Sj）位置的自旋是非磁性的，則定義 [σi]（[σj]） 的值等于零；若Si （ Sj）位置的自旋是磁性的，則定義 [σi]（[σj]）=1。（1）式中的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別代表了鐵磁層的交換作用能和各向異性能；第三項(xiàng)和第四項(xiàng)分別代表了反鐵磁層的交換作用能和各向異性能，第五項(xiàng)代表了鐵磁層與最近鄰反鐵磁層的交換作用能，最后一項(xiàng)是Zeeman能。在本文中，均采用約化單位，令鐵磁交換作用常數(shù) JFM=1.0，則反鐵磁交換作用常數(shù) JAFM/JFM=-0.2，層間交換作用常數(shù) JIF/JFM=-1.0，鐵磁各向異性常數(shù) KFM/JFM=0.2，反鐵磁各向異性常數(shù) KAFM/JFM=5.0，外磁場(chǎng)h和交換偏置場(chǎng)HEB的單位均是JFM/[gμB]， 溫度T的單位是 JFM/kB。

本文運(yùn)用修正的蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行了計(jì)算，此方法與傳統(tǒng)的蒙特卡羅方法相比，它不僅考慮了初始態(tài)能量和試驗(yàn)態(tài)能量，同時(shí)也考慮了兩個(gè)態(tài)中間的能量勢(shì)壘[4]，在計(jì)算模擬中，又考慮了周期性邊界條件以消除邊界效應(yīng)。模擬過程分為兩個(gè)步驟：第一步是外加一個(gè)冷卻場(chǎng)（hFC=0.2）將此系統(tǒng)從高于奈爾溫度（T=2.5）開始冷卻；第二步當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)（T=0.1），改變外磁場(chǎng)h，記錄下磁化強(qiáng)度M隨外磁場(chǎng)h變化的完整曲線（即磁滯回線）。

3 結(jié)果和討論

當(dāng)冷卻場(chǎng)hFC=0.2時(shí)，圖1（a） 展示了不同摻雜濃度P下的界面反鐵磁凈剩磁M隨溫度T的變化曲線。由圖可知，各摻雜濃度下的凈剩磁都隨著溫度的降低而減小，當(dāng)溫度降低到某一值時(shí)，凈剩磁M基本不變。由圖1（b）可知，在低溫下，不同摻雜濃度所對(duì)應(yīng)的凈剩磁是不同的，且凈剩磁M隨著摻雜濃度P的增加，經(jīng)歷了先增大再減小的過程。

由磁滯回線和公式HEB=-（HRIGHT+HLEFT）/2，計(jì)算出了交換偏置場(chǎng)HEB，圖（2）展示了交換偏置場(chǎng)HEB隨摻雜濃度P的變化曲線。研究表明：在同一冷卻場(chǎng)和溫度下，交換偏置場(chǎng)HEB隨著摻雜濃度P的增加，先增強(qiáng)后減弱，這與界面反鐵磁凈剩磁隨摻雜濃度的變化趨勢(shì)是基本一致的，且均在同一摻雜濃度下出現(xiàn)極值點(diǎn)。由此可見，界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場(chǎng)是密切聯(lián)系的。

4 結(jié)論

本文對(duì)界面反鐵磁進(jìn)行了非磁性摻雜，利用修正的蒙特卡羅計(jì)算模擬方法研究了非磁性摻雜濃度對(duì)界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：反鐵磁凈剩磁和交換偏置場(chǎng)隨摻雜濃度的變化趨勢(shì)是基本一致的，都是先增大再減小，且在同一位置出現(xiàn)了極值。這對(duì)理解產(chǎn)生交換偏置現(xiàn)象的微觀機(jī)制和增強(qiáng)交換偏置場(chǎng)的研究是非常有意義的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周仕明，李合印，袁淑娟，等.鐵磁/反鐵磁雙層膜中交換偏置[J].物理學(xué)進(jìn)展，2003，23（1）：62-81.

[2] Tsai S H，Landau D P， Schulthess T C. Effect of interfacial coupling on the magnetic ording in ferro-antiferromagnetic bilayers[J]. J Appl Phys，2003，93（10）：8612-8614.

[3] 劉奎立，周思華，陳松嶺.金屬離子摻雜對(duì)CuO基納米復(fù)合材料的交換偏置調(diào)控[J].物理學(xué)報(bào)，2015，64（13）：137501-137506.

[4] Du H F， Du A. The hysteresis curves of nanoparticles obtained by Monte Carlo method Based on the Stoner-Wohlfarth model[J]. J Appl Phys， 2006（99）：104306.endprint