基于矢量磁光克爾效應(yīng)測(cè)試的外延磁性薄膜磁化翻轉(zhuǎn)與反磁化機(jī)制研究

馮心薇，張 慧，薛珂磊，詹清峰

(華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

近年來，磁性薄膜被廣泛應(yīng)用于磁電子學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]，如信息存儲(chǔ)[3-4]、磁傳感器[5]、微波通信[6]等. 不同應(yīng)用領(lǐng)域需要具備不同性能的磁性薄膜，因此磁性薄膜性質(zhì)的研究成為廣大研究者關(guān)注的熱點(diǎn). 本文重點(diǎn)介紹了華東師范大學(xué)在外延磁性薄膜與異質(zhì)結(jié)領(lǐng)域中的研究進(jìn)展，主要包括:外延磁性薄膜中單軸磁各向異性的調(diào)控及其對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的影響,外延交換偏置異質(zhì)結(jié)中單軸磁各向異性的調(diào)控及其對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的影響,外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)中疇壁形核與位移反磁化機(jī)制. 展示了磁光克爾效應(yīng)測(cè)試在磁學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用.

1 外延磁性薄膜的反磁化機(jī)制

磁性薄膜主要是由能夠直接或間接產(chǎn)生磁性的Fe,Co,Ni等過渡族金屬及其化合物制備而成. 外延磁性薄膜是指在單晶襯底上生長(zhǎng)的具有和單晶襯底相同晶向或者薄膜的某個(gè)結(jié)晶取向的晶格常量與單晶襯底的晶格常量相匹配的磁性薄膜. 因此，外延生長(zhǎng)的磁性薄膜都是單晶薄膜，單晶磁性薄膜與多晶磁性薄膜的主要區(qū)別在于與晶軸取向相關(guān)的磁晶各向異性.

目前常用的外延磁性薄膜制備手段有分子束外延(Molecular beam epitaxy, MBE)、磁控濺射(Magnetron sputtering, MS)以及離子束濺射(Ion beam sputtering, IBS). 通過控制沉積速率以及襯底溫度等參量，使薄膜能夠在適當(dāng)?shù)膯尉бr底上外延生長(zhǎng).

磁性薄膜受到外加磁場(chǎng)的作用時(shí)，通過磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁位移的方式，使新的磁疇結(jié)構(gòu)替代原有磁疇. 從磁中性狀態(tài)變?yōu)樗写女犎∠蚨紴橥獯艌?chǎng)方向的技術(shù)磁飽和狀態(tài)的過程稱為磁化過程，從一個(gè)方向的技術(shù)飽和磁化狀態(tài)變?yōu)橄喾捶较虻募夹g(shù)飽和磁化狀態(tài)的過程稱為反磁化過程. 反磁化機(jī)制主要包括2種理論模型，分別是Stoner-wohlfarth模型和疇壁形核與位移模型. Stoner-wohlfarth模型也稱一致轉(zhuǎn)動(dòng)模型，該理論假定磁性材料由單疇粒子的集合構(gòu)成，磁化強(qiáng)度的改變只能通過粒子磁矩在外磁場(chǎng)的作用下抵抗磁各向異性的一致轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn). 疇壁形核與位移模型是指在外磁場(chǎng)的作用下，小區(qū)域的反磁化核逐步長(zhǎng)大成為反磁化疇，并出現(xiàn)疇壁，進(jìn)而進(jìn)行可逆和不可逆疇壁位移，即在反磁化過程中分別經(jīng)歷磁疇生長(zhǎng)和疇壁位移2個(gè)階段.

2 矢量磁光克爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)與方法

磁光克爾效應(yīng)(Magneto-optic Kerr effect, MOKE)是指線偏振光經(jīng)過磁性材料表面，其反射光的偏振態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象. MOKE測(cè)試是一種高靈敏的測(cè)試技術(shù)，可以表征磁性薄膜的面內(nèi)和面外磁性[7]. 研究外延磁性薄膜反磁化機(jī)制，表征磁化翻轉(zhuǎn)路徑，需要同時(shí)測(cè)量磁化矢量平行外磁場(chǎng)的縱向分量mx和垂直外磁場(chǎng)的橫向分量my，如圖1所示[8].

圖1 外延磁性薄膜的磁化矢量示意圖

矢量MOKE測(cè)試裝置如圖2所示，主要由He-Ne激光器、起偏器、四極磁鐵、檢偏器、光彈調(diào)制器、光電檢測(cè)器組成. 通過四極磁鐵可以對(duì)樣品表面施加x方向和y方向磁場(chǎng). 保持光平面不變，通過改變磁場(chǎng)方向并旋轉(zhuǎn)樣品，利用縱向克爾效應(yīng)可以測(cè)出mx和my.

圖2 矢量磁光克爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

具體操作方法為：

1)使用x方向的1對(duì)磁極，基于縱向MOKE測(cè)量，得到mx(正比于克爾角θK)隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系，即縱向磁滯回線；

2)將外磁場(chǎng)切換到y(tǒng)方向，同時(shí)將樣品旋轉(zhuǎn)90°，使my處于光入射面內(nèi)，而磁場(chǎng)方向垂直于my.基于縱向MOKE測(cè)量，得到my(正比于克爾角θK)隨外磁場(chǎng)的變化關(guān)系，即橫向磁滯回線；

3)通過平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)樣品，改變磁場(chǎng)H與易磁化軸的夾角φ，獲得不同磁場(chǎng)方向下的縱向與橫向磁滯回線，得到磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系.

3 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

外延磁性薄膜表現(xiàn)出內(nèi)稟磁晶各向異性K1，對(duì)于具有體心立方結(jié)構(gòu)的Fe，磁晶各向異性在面內(nèi)具有四重對(duì)稱性，如圖1所示.此外，由于單晶襯底的斜切以及傾斜生長(zhǎng)等原因，單晶外延磁性薄膜中還會(huì)額外引入1個(gè)感生單軸磁各向異性Ku[9].對(duì)于單晶外延交換偏置異質(zhì)結(jié)，鐵磁層與反鐵磁層界面處的交換耦合作用會(huì)給鐵磁層施加1個(gè)單向磁各向異性Keb，并誘導(dǎo)出1個(gè)Ku.通過傾斜生長(zhǎng)，可以在鐵磁層中獲得另外1個(gè)Ku.由于這3種磁各向異性的共同作用，外延磁性薄膜和交換偏置異質(zhì)結(jié)在不同外磁場(chǎng)方向下表現(xiàn)出不同的磁化翻轉(zhuǎn)行為，磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)表現(xiàn)出復(fù)雜的角度依賴關(guān)系.

采用矢量MOKE系統(tǒng)通過測(cè)試磁化矢量的縱向分量mx和橫向分量my，研究了Keb和Ku的強(qiáng)度與方向?qū)ν庋哟判员∧づc異質(zhì)結(jié)磁化翻轉(zhuǎn)行為影響的規(guī)律，建立了兩步連續(xù)和分立發(fā)生的90°疇壁形核與位移反磁化機(jī)制，闡明了外延磁性薄膜與異質(zhì)結(jié)的反磁化行為.

3.1 外延磁性薄膜中單軸磁各向異性的調(diào)控及其對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的影響

利用MBE技術(shù)在MgO(001)單晶襯底上采用150 ℃的襯底溫度外延生長(zhǎng)厚度分別為20 nm和100 nm的2種Fe薄膜. 反射高能電子衍射(Reflection high-energy electron diffraction, RHEED)沿Fe[110]方向測(cè)試表現(xiàn)為條紋狀，表明薄膜為原子有序的單晶態(tài)，如圖3(a)所示. 掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling microscopy, STM)測(cè)試表明Fe薄膜表面呈現(xiàn)30 nm大小的顆粒狀，如圖3(b)所示. Fe薄膜在真空中700 ℃退火1 h后，顆粒狀表面變得非常平整，達(dá)到原子級(jí)平整度，如圖3(c)所示. 使用2 keV的Ar離子束沿Fe[110]方向以60°入射轟擊100 nm薄膜樣品表面200 min，薄膜表面呈現(xiàn)出沿Fe[110]方向橫向周期為35 nm的條紋狀形貌結(jié)構(gòu)，如圖3(d)所示. Ar離子束刻蝕不僅能夠有效改變薄膜的表面形貌，還能夠減小樣品厚度，經(jīng)過Ar離子刻蝕處理的外延Fe薄膜樣品，X射線反射(X-ray reflectivity, XRR)測(cè)試表明其厚度僅為20 nm.

(a)RHEED譜 (b)STM表面形貌圖

(c)退火后表面形貌 (d)Fe[110]方向表面形貌圖3 外延Fe/MgO薄膜在制備態(tài)時(shí)的形貌[10]

矢量MOKE測(cè)試表明，經(jīng)過和未經(jīng)過Ar離子束表面刻蝕處理的樣品，當(dāng)外磁場(chǎng)沿Fe[100]方向測(cè)試時(shí)，磁化矢量的縱向分量M‖表現(xiàn)為單步跳躍的矩形磁滯回線，對(duì)應(yīng)180°磁化翻轉(zhuǎn)過程，磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)也就是矯頑場(chǎng)Hc;磁化矢量的橫向分量M⊥信號(hào)很弱，表明反磁化機(jī)制為疇壁形核與位移過程，如圖4(a)所示.

(a)沿Fe[100]方向

(b)與Fe[100]方向夾角25°圖4 外延薄膜在不同磁場(chǎng)方向下的磁滯回線[10]

當(dāng)外磁場(chǎng)遠(yuǎn)離Fe[100]方向時(shí)，磁化矢量的縱向分量M‖和橫向分量M⊥均表現(xiàn)為兩步跳躍的臺(tái)階型磁滯回線，對(duì)應(yīng)2次90°磁化翻轉(zhuǎn)過程，2個(gè)磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)分別為Hc1和Hc2，如圖4(b)所示.

通過平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)樣品，改變磁場(chǎng)方向與Fe[100]方向的夾角，獲得磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系. 由于磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)由磁各向異性決定，因此磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系對(duì)稱性以及單步跳躍矩形磁滯回線和兩步跳躍臺(tái)階型磁滯回線存在的磁場(chǎng)方向區(qū)間直接反映了磁性薄膜的磁各向異性.

未經(jīng)過Ar離子刻蝕處理的Fe/MgO(001)薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)與不同類型磁滯回線發(fā)生的磁場(chǎng)區(qū)間沿面內(nèi)Fe[100]方向?qū)ΨQ，表明感生單軸磁各向異性沿Fe[100]方向，與有關(guān)Fe/MgO(001)的研究報(bào)道中磁各向異性構(gòu)型相同[11]，如圖5(a)所示. 經(jīng)過Ar離子刻蝕處理的Fe/MgO(001)薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)與磁滯回線發(fā)生磁場(chǎng)區(qū)間沿面內(nèi)Fe[110]方向?qū)ΨQ，表明感生單軸磁各向異性沿著Fe[110]方向，如圖5(b)所示.

(a)未經(jīng)過Ar離子束定向刻蝕

(b)經(jīng)過Ar離子束定向刻蝕圖5 外延Fe/MgO(001)薄膜在不同磁場(chǎng)方向下的 磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系[10]

這種磁各向異性構(gòu)型通常能夠在Fe/GaAs(001)薄膜中被觀察到，但是從未在Fe/MgO(001)薄膜中被觀察到[12]. 通過離子束刻蝕定向修飾外延Fe薄膜表面，由于表面晶粒形狀的取向性，產(chǎn)生沿Fe[110]方向的單軸磁各向異性，獲得有別于以往Fe/MgO(001)相關(guān)研究工作的全新磁各向異性構(gòu)型[10].

傾斜生長(zhǎng)是在磁性薄膜中誘導(dǎo)產(chǎn)生單軸磁各向異性的常用方法，其原理為生長(zhǎng)過程中薄膜晶粒產(chǎn)生的自遮蔽效應(yīng)[13]，從而薄膜表面晶粒在垂直原子入射方向上被拉長(zhǎng)，由于晶粒的形狀呈現(xiàn)各向異性，導(dǎo)致薄膜表現(xiàn)出垂直于原子入射方向的單軸磁各向異性. 在Fe/MgO(001)薄膜外延生長(zhǎng)過程中，改變Fe原子束流與襯底法線方向的傾斜生長(zhǎng)夾角，控制原子束流的平面內(nèi)方位角沿Fe[010]或Fe[110]方向.

(a)單步

(b) 兩步

(c)“反型”兩步

(d)三步圖6 傾斜生長(zhǎng)外延Fe/MgO(001)薄膜的磁滯回線[14]

生長(zhǎng)在不同單晶襯底上的外延磁性薄膜通常都會(huì)出現(xiàn)感生單軸磁各向異性，疊加在內(nèi)稟四重對(duì)稱磁晶各向異性上，這個(gè)感生單軸磁各向異性的來源有多種可能，例如，在Fe/GaAs(001)薄膜中觀察到的單軸磁各向異性歸因于GaAs襯底表面懸掛鍵的單軸特性[15]；生長(zhǎng)在臺(tái)階表面的Fe薄膜由于奈爾表面效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)出1個(gè)垂直于原子臺(tái)階的單軸磁各向異性[16]；傾斜生長(zhǎng)由于自遮蔽效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)出1個(gè)垂直于原子束流方向的單軸磁各向異性[17].

為研究外延Fe/MgO(001)薄膜中單軸磁各向異性來源的物理機(jī)制，制備厚度為5～100 nm的外延Fe/MgO(001)薄膜. 在薄膜生長(zhǎng)過程中，通過不斷旋轉(zhuǎn)襯底的方法，避免傾斜生長(zhǎng)導(dǎo)致的單軸磁各向異性. 利用矢量MOKE測(cè)試獲得薄膜在不同磁場(chǎng)方向下的磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)，利用疇壁形核與位移模型對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系進(jìn)行擬合，能夠定量獲得單軸磁各向異性Ku與90°疇壁形核能ε90°，如圖7所示.

圖7 外延Fe/MgO(001)薄膜的單軸磁各向異性Ku及90°疇壁形核能ε90°與Fe層厚度成反比[9]

薄膜的單軸磁各向異性和疇壁形核能均與Fe層厚度成反比，表明單軸磁各向異性與疇壁形核能均來自于與界面相關(guān)的物理效應(yīng). 由于單晶襯底斜切導(dǎo)致的原子臺(tái)階是薄膜單軸磁各向異性的最主要可能來源. 此外，晶格失配產(chǎn)生的外延應(yīng)變由于磁致伸縮效應(yīng)而產(chǎn)生的磁應(yīng)力各向異性也是單軸磁各向異性的可能來源. 異質(zhì)外延生長(zhǎng)在界面處會(huì)存在位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，對(duì)疇壁位移起到釘扎作用，從而增大疇壁形核能[9].

3.2 外延交換偏置異質(zhì)結(jié)中單軸磁各向異性的調(diào)控及其對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)的影響

交換偏置效應(yīng)是鐵磁/反鐵磁異質(zhì)結(jié)由于界面交換耦合作用導(dǎo)致磁滯回線偏離中心的現(xiàn)象. 反鐵磁界面磁結(jié)構(gòu)是決定界面交換耦合的重要因素，不同的界面磁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同的界面交換耦合方式，根據(jù)鐵磁矩與反鐵磁矩取向之間的關(guān)系，可以分為平行耦合與垂直耦合[18]. 以往對(duì)于鐵磁/反鐵磁交換偏置異質(zhì)結(jié)的研究，磁性層大多以多晶形式存在，而單晶外延交換偏置體系由于制備困難而很少被關(guān)注.

相比多晶體系，外延交換偏置異質(zhì)結(jié)的界面磁結(jié)構(gòu)更容易控制，通過改變制備工藝可以獲得補(bǔ)償或非補(bǔ)償?shù)姆磋F磁界面，從而產(chǎn)生不同的界面交換耦合方式與交換偏置特性. MnPd是具有CuAu-I型原子有序結(jié)構(gòu)的反鐵磁合金，奈爾溫度為540 ℃，晶格常量a=0.407 nm,c=0.358 nm，如圖8(a)所示. 通過精確控制襯底溫度，在MgO(001)單晶襯底上獲得了MnPd的c軸取向生長(zhǎng)(補(bǔ)償反鐵磁面)和a軸取向生長(zhǎng)(非補(bǔ)償反鐵磁面)，如圖8(b)和8(c)所示，不同取向生長(zhǎng)的反鐵磁層與Fe層構(gòu)成的外延交換偏置異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出截然不同的磁學(xué)性質(zhì)[19].

(a)MnPd原子結(jié)構(gòu)

(b)補(bǔ)償反鐵磁表面 (c)非補(bǔ)償反鐵磁表面圖8 具有CuAu-I型原子有序結(jié)構(gòu)的MnPd 反鐵磁合金表面特性

圖9是外延生長(zhǎng)的MnPd/Fe異質(zhì)結(jié)的X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)圖，a軸取向樣品表現(xiàn)出MnPd(200)和Fe(002)峰，c軸取向樣品表現(xiàn)出MnPd(001)，MnPd(002)和Fe(002)峰，表明外延生長(zhǎng)關(guān)系分別是MnPd(100)[100]||Fe(001)[110]||MgO(001)[100]和MnPd(001)[100]||Fe(001)[110]||MgO(001)[100].a軸取向的MnPd/Fe異質(zhì)結(jié)，F(xiàn)e層厚度固定為10 nm，晶格常量為0.288 nm. 隨著MnPd層厚度從5 nm增加到75 nm，MnPd的晶格常量逐漸從0.392 nm增加到0.400 nm，表明由于晶格失配導(dǎo)致的外延應(yīng)變隨著薄膜厚度的增加而通過產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷的方式逐漸被釋放.

(a)a軸取向

(b)c軸取向圖9 不同軸取向生長(zhǎng)的外延MnPd/Fe/MgO(001) 異質(zhì)結(jié)的X射線衍射圖[20]

(a)MnPd厚度20 nm

(b)MnPd厚度30 nm

(c)界面鐵磁/反鐵磁交換耦合作用隨MnPd厚度變化圖10 MnPd/Fe異質(zhì)結(jié)磁性變化趨勢(shì)[20]

(a)偏離中心的單步跳躍矩形磁滯回線

(b)“雙邊”兩步跳躍臺(tái)階磁滯回線

(c)“單邊”兩步跳躍臺(tái)階磁滯回線

(d)上行支單步、下行支兩步的非對(duì)稱磁滯回線圖11 外延MnPd/Fe交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁化翻轉(zhuǎn)

當(dāng)磁場(chǎng)沿Fe[100]方向垂直交換偏置時(shí)，外延交換偏置異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出“單邊”兩步跳躍磁化翻轉(zhuǎn)過程，磁化矢量的橫向分量表明磁滯回線上下行支都經(jīng)過Fe[010]交換偏置方向，如圖11(c)所示. 隨著反鐵磁層厚度增大，交換偏置場(chǎng)逐漸增大，例如MnPd厚度為75 nm時(shí)，樣品在偏離Fe[010]方向20°交換偏置時(shí)呈現(xiàn)出上行支單步、下行支兩步的非對(duì)稱磁滯回線，如圖11(d)所示.

通過疇壁形核模型對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果表明交換偏置單向磁各向異性Keb、單軸磁各向異性Ku、疇壁形核能ε90°隨著反鐵磁厚度的增加而變大，當(dāng)MnPd層厚度達(dá)到75 nm時(shí)還未達(dá)到飽和，明顯區(qū)別于多晶交換偏置體系[21].

根據(jù)交換偏置反鐵磁疇理論，反鐵磁層中的結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致反鐵磁疇的產(chǎn)生，導(dǎo)致未補(bǔ)償反鐵磁矩和交換偏置[22]. 外延單晶反鐵磁薄膜中的缺陷較少，隨著反鐵磁層厚度增加，結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生使得外延應(yīng)變逐漸被釋放,反鐵磁疇尺寸逐漸減小，從而使得交換偏置及其誘導(dǎo)的單軸磁各向異性不斷增大. 界面結(jié)構(gòu)缺陷同時(shí)對(duì)鐵磁疇形成釘扎作用，使得疇壁形核能不斷增大.

利用矢量MOKE，可以研究不同磁各向異性構(gòu)型對(duì)外延交換偏置異質(zhì)結(jié)磁化翻轉(zhuǎn)過程的影響規(guī)律. 具有傳統(tǒng)Ku∥Keb磁各向異性構(gòu)型的IrMn/FeGa異質(zhì)結(jié)在不同磁場(chǎng)方向下表現(xiàn)出類似MnPd/Fe體系中的單步跳躍矩形磁滯回線，“雙邊”與“單邊”兩步跳躍臺(tái)階磁滯回線，以及上行支單步、下行支兩步的非對(duì)稱磁滯回線.

通過傾斜生長(zhǎng)控制可以獲得具有Ku⊥Keb磁各向異性構(gòu)型的IrMn /FeGa樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示.

(a)新型非對(duì)稱磁化翻轉(zhuǎn)

(b)具有交換偏置的三步磁化翻轉(zhuǎn)

(c)上行支路徑 (d)下行支路徑 圖12 具有Ku⊥Keb磁各向異性構(gòu)型的IrMn /FeGa樣品，一定磁場(chǎng)方向的磁化翻轉(zhuǎn)行為及相應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)路徑

3.3 外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)中疇壁形核與位移反磁化機(jī)制

外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出多種磁化翻轉(zhuǎn)過程，具體磁化翻轉(zhuǎn)路徑由磁晶各向異性、單軸磁各向異性、單向磁各向異性，以及不同方向下施加的外磁場(chǎng)共同決定. 劍橋大學(xué)Cowburn等人認(rèn)為180°磁化翻轉(zhuǎn)遵從180°疇壁形核機(jī)制，90°磁化翻轉(zhuǎn)遵從90°疇壁形核機(jī)制，相應(yīng)的能量為180°疇壁形核能和90°疇壁形核能[24-25]. Cowburn等人建立的模型能夠解釋外延磁性薄膜中90°磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系，但是并不能解釋180°磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系[26]. 在Fe/MgO(001)薄膜中，180°磁化翻轉(zhuǎn)存在于單步跳躍矩形磁滯回線以及三步跳躍臺(tái)階磁滯回線的中間一步磁化翻轉(zhuǎn)[圖6(a)和6(d)].

(a)傾斜生長(zhǎng)的樣品

(b)無傾斜生長(zhǎng)的樣品

(c)經(jīng)Ar離子刻蝕的樣品圖13 具有不同單軸磁各向異性的Fe/MgO(001)薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系[26]

為從理論上理解外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁化翻轉(zhuǎn)過程與反磁化機(jī)制，探究180°疇壁形核機(jī)制不能解釋180°磁化翻轉(zhuǎn)過程的原因，在Cowburn等人建立的疇壁形核與位移模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步推廣與補(bǔ)充. 外延磁性薄膜具有磁晶各向異性K1和單軸磁各向異性Ku，外延交換偏置異質(zhì)結(jié)除此之外還具有交換偏置單向磁各向異性Keb. 因此，外延磁性薄膜與異質(zhì)結(jié)中任意單疇的總自由能包括四重對(duì)稱磁晶各向異性能、單軸磁各向異性能、單向磁各向異性能和外磁場(chǎng)導(dǎo)致的塞曼能：

Kebcosθ-MHcos (φ-θ),

(1)

其中，M是磁化強(qiáng)度，H是外磁場(chǎng)強(qiáng)度，φ是H和[010]方向的夾角，θ是M和[010]方向的夾角，如圖14所示.

圖14 外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)具有K1,Ku和Keb

外延磁性薄膜中，Keb=0.外延交換偏置異質(zhì)結(jié)中，Keb≠0，Ku>0表明Ku沿[010]方向，Ku∥Keb；Ku<0表明Ku沿[100]方向，Ku⊥Keb.磁化強(qiáng)度在四重對(duì)稱磁晶各向異性易磁化方向之間的磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)分別定義為Hc1～Hc4和HcI～HcIV.通過計(jì)算磁化翻轉(zhuǎn)過程中的終止軸和起始軸之間的能量差可以得到90°磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的理論表達(dá)式[23]：

(2)

其中，ε90°是90°疇壁形核能.

(3)

其中，ε180°是180°疇壁形核能.

(a)H=Hc (b)H=Hc1

(c)H=Hc1 (d)H=Hc2圖15 具有四重對(duì)稱磁晶各向異性和單軸磁各向異性的外延磁性薄膜體系在不同外磁場(chǎng)下的自由能曲線圖[9]

Cowburn等人認(rèn)為180°磁化翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)180°疇壁形核機(jī)制，簡(jiǎn)單地以單一勢(shì)壘來考慮180°和0°之間的能量差，忽略了90°中間態(tài)仍存在能量最低點(diǎn). 本文采用2次連續(xù)發(fā)生的90°疇壁形核機(jī)制能夠很好地解釋磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系，能夠與2次分立發(fā)生的90°疇壁形核機(jī)制很好地統(tǒng)一[9]. 本文提出的模型能夠很好地?cái)M合具有不同磁各向異性的外延磁性薄膜與外延交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了提出機(jī)制的正確性與普適性[27].

4 結(jié)束語

磁光克爾效應(yīng)是很多高校開設(shè)的本科生近代物理實(shí)驗(yàn)，利用磁光克爾效應(yīng)能夠測(cè)試磁性薄膜的磁滯回線. 本文利用Ar離子束表面刻蝕處理、傾斜生長(zhǎng)等技術(shù)調(diào)控外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁各向異性構(gòu)型. 將矢量磁光克爾效應(yīng)測(cè)試作為主要表征手段，通過測(cè)試磁化矢量的縱向與橫向分量，確定了外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁化翻轉(zhuǎn)路徑. 利用磁光克爾效應(yīng)轉(zhuǎn)角測(cè)試獲得了外延磁性薄膜與交換偏置異質(zhì)結(jié)的磁化翻轉(zhuǎn)場(chǎng)的角度依賴關(guān)系. 建立了基于疇壁形核與位移的反磁化機(jī)制模型，能夠很好地解釋外延磁性薄膜與異質(zhì)結(jié)的各種磁化翻轉(zhuǎn)過程.