冷卻場強度對鐵磁/反鐵磁雙層膜中交換偏置場的影響

李美玲，吳麗君，王 凱，龐 超，孫乃坤

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159)

Meiklejohn W H等在1956 年發(fā)現(xiàn)了交換偏置現(xiàn)象[1-2]，隨后Dieny B在以鐵磁(Ferromagnetic，F(xiàn)M)/反鐵磁(Antiferromagnetic，AFM)雙層膜為基礎(chǔ)的自旋閥中發(fā)現(xiàn)了有增強的磁電阻效應(yīng)[3]。從巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，各種巨磁電阻器件在機電、航空航天和高密度信息存儲等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在巨磁電阻器件實用化過程中，F(xiàn)M/AFM雙層膜中的交換偏置起了重要作用，交換偏置可以提高高密度磁記錄讀出頭的靈敏度，使得磁記錄存儲密度得到了飛速的發(fā)展。隨后，人們對FM/AFM雙層膜中的交換偏置進行了大量的研究[4-9]。

本文采用修正的蒙特卡羅模擬方法對FM/AFM雙層膜系統(tǒng)中的界面AFM層、表面AFM層和總AFM層的歸一化凈磁化強度隨約化冷卻場強度的變化關(guān)系進行研究，從理論上證明了交換偏置場的產(chǎn)生是由與FM層最近鄰的界面AFM層引起的。

1 模型和過程

FM/AFM系統(tǒng)由一層FM層(n=1)和六層AFM層(n=2～7)組成，如圖1所示，其中J代表交換耦合常數(shù)。

圖1 FM/AFM雙層膜示意圖

在外磁場作用下，該系統(tǒng)的哈密頓量為

(1)

本文模擬分為兩個步驟，先對系統(tǒng)施加一個外磁場，此時的外磁場被稱為“約化冷卻場”，將系統(tǒng)從約化溫度等于2.5(高于AFM層的奈爾溫度)降到約化溫度等于0.1；系統(tǒng)經(jīng)冷卻處理后，再改變施加的外磁場，此時的外磁場被稱為“約化測量場”。 通過記錄系統(tǒng)的降溫過程和磁滯回線來研究系統(tǒng)的交換偏置現(xiàn)象，且模擬過程中，考慮了周期性邊界條件用以消除邊界效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 約化冷卻場強度對冷卻過程的影響

圖2 為不同約化冷卻場強度下，界面AFM層(n=2)、表面AFM層(n=7)及總AFM層(Total)的歸一化磁化強度隨約化溫度的變化關(guān)系圖。

圖2 歸一化磁化強度隨約化溫度的變化關(guān)系

由圖2a可知，界面AFM層的歸一化磁化強度隨約化冷卻場強度的變化出現(xiàn)了不同的磁化行為，當約化冷卻場強度為0.05或0.6時，低溫下的界面AFM層的歸一化凈磁化強度約等于零；當約化冷卻場強度小于0.6時，界面AFM層的歸一化凈磁化強度是負值。這是由于界面AFM層的自旋受到FM層自旋的作用，使得界面AFM層的自旋沿著約化冷卻場的反方向，這導(dǎo)致了負的歸一化凈磁化強度的產(chǎn)生。當約化冷卻場強度大于0.6時，約化冷卻場能夠克服FM/AFM雙層膜的界面耦合場，因此，界面AFM層的歸一化凈磁化強度變?yōu)檎?。然而，在相同的約化冷卻場強度變化范圍下，表面AFM層的歸一化凈磁化強度和總AFM層的歸一化凈磁化強度在低溫處都只出現(xiàn)了正值，如圖2b和圖2c所示。

2.2 約化冷卻場強度對約化交換偏置場的影響

本文模擬了該系統(tǒng)的磁滯過程，且根據(jù)交換偏置場的定義，計算出不同約化冷卻場強度下的約化交換偏置場。圖3為低溫時，約化交換偏置場隨約化冷卻場強度的變化關(guān)系圖。

圖3 約化交換偏置場隨約化冷卻場強度的變化關(guān)系

由圖3可知，約化交換偏置場隨著約化冷卻場強度的增大而逐漸由負值變?yōu)檎礫10-11]，這一變化趨勢與界面AFM層的歸一化凈磁化強度隨約化冷卻場強度的變化趨勢完全一致(圖2a)。綜合圖2和圖3，能夠推斷出約化交換偏置場的產(chǎn)生與界面AFM層有直接關(guān)系。

為進一步解釋約化交換偏置場與界面AFM層的關(guān)系，本文分別給出了不同約化冷卻場強度下，界面AFM層(n=2)和總AFM層(Total)的歸一化磁化強度隨約化測量場的變化關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 歸一化磁化強度隨約化測量場的變化關(guān)系

由圖4可知，在整個約化測量場的變化范圍內(nèi)，界面AFM層(n=2)和總AFM層(Total)的歸一化凈磁化強度都是常數(shù)。當約化冷卻場強度小于0.6時，界面AFM層由于受到近鄰FM層自旋的影響，其歸一化凈磁化強度的值是負的。當約化測量場從正變?yōu)樨摃r，F(xiàn)M層的自旋受到約化測量場作用后，將沿著約化測量場方向開始反轉(zhuǎn)。由于FM層與AFM層之間存在AFM界面耦合，AFM層內(nèi)的自旋將抑制FM層內(nèi)的自旋反轉(zhuǎn)，因此，想要完全反轉(zhuǎn)FM層內(nèi)的自旋就需要更強的約化測量場。當約化測量場又反轉(zhuǎn)回其原來的方向時，此時，只需要一個很弱的約化測量場，F(xiàn)M層內(nèi)的自旋便可翻轉(zhuǎn)，這樣就產(chǎn)生了負的約化交換偏置場。當約化冷卻場強度大于0.6時，界面AFM層的歸一化凈磁化強度是正的，F(xiàn)M層內(nèi)的自旋能夠克服界面耦合作用，使FM層內(nèi)的自旋與AFM層內(nèi)的自旋沿相同的方向排列。所以，在改變約化測量場時，F(xiàn)M層內(nèi)的自旋將更易于反轉(zhuǎn)到約化測量場的反方向，由此產(chǎn)生了正的約化交換偏置場。

3 結(jié)論

運用修正的蒙特卡羅模擬方法，通過改變約化冷卻場強度，對FM/AFM雙層膜系統(tǒng)中界面AFM層、表面AFM層和總AFM層的歸一化凈磁化強度進行了模擬研究。結(jié)果顯示，只有界面AFM層的歸一化凈磁化強度隨約化冷卻場強度的變化關(guān)系與約化交換偏置場隨約化冷卻場強度的變化關(guān)系完全一致，因此，能夠推斷出約化交換偏置場依賴于界面AFM層，這也證實了交換偏置現(xiàn)象是一種界面效應(yīng)。