具有不同交換偏置方向的外延FeGa/IrMn雙層膜的磁各向異性與磁化翻轉(zhuǎn)*

孟婧 馮心薇 邵傾蓉 趙佳鵬 謝亞麗 何為 詹清峰?

1) (華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,極化材料與器件教育部重點實驗室,上海 200241)

2) (中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,中國科學(xué)院磁性材料與器件重點實驗室,寧波 315201)

3) (中國科學(xué)院物理研究所,磁學(xué)國家重點實驗室,北京 100190)

采用磁控濺射方法在MgO(001)單晶襯底上制備了交換偏置分別沿著FeGa [100] 和[110]方向的FeGa/IrMn外延交換偏置雙層膜,研究了交換偏置取向?qū)Υ呕D(zhuǎn)過程與磁化翻轉(zhuǎn)場的影響.鐵磁共振場的角度依賴關(guān)系的測量與擬合,表明樣品存在不同取向的四重對稱磁晶各向異性、單向交換磁各向異性和單軸磁各向異性的疊加.矢量磁光克爾效應(yīng)測量表明交換偏置沿著 [100] 方向的樣品在不同磁場方向下表現(xiàn)矩形、非對稱和單邊兩步磁滯回線;交換偏置沿著 [110] 方向的樣品在不同磁場方向下表現(xiàn)單邊兩步和雙邊兩步磁滯回線.考慮不同交換偏置方向的疇壁形核和位移模型,能夠很好地解釋磁化翻轉(zhuǎn)路徑隨磁場方向的變化規(guī)律和擬合磁化翻轉(zhuǎn)場的角度依賴關(guān)系,表明交換偏置方向的改變使得疇壁形核能發(fā)生顯著變化.

1 引言

交換偏置(exchange bias,EB)效應(yīng)是指由鐵磁層和反鐵磁層界面交換耦合作用導(dǎo)致磁滯回線偏離磁場零點的現(xiàn)象[1,2],自1956 年被發(fā)現(xiàn)以來,一直受到眾多研究者的關(guān)注[3].作為自旋電子器件的核心,EB 效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于基于自旋閥與磁隧道結(jié)的磁傳感器及磁隨機存儲器中[4?6].目前,已廣泛研究的多晶EB 體系不僅磁滯回線偏離零點并伴隨著矯頑場增加[7,8],界面交換耦合作用給鐵磁層施加單方向磁各向異性Keb,并伴隨誘導(dǎo)單軸磁各向異性Ku,考慮磁各向異性能和外加磁場所產(chǎn)生的Zeeman 能,利用一致轉(zhuǎn)動反磁化機制可很好地解釋薄膜矯頑場的角度依賴關(guān)系.Jiménez 等[9]通過改變冷卻場獲得Keb和Ku非共線的Co/IrMn多晶EB 雙層膜,表現(xiàn)出非對稱的矯頑場和EB 的角度依賴關(guān)系,能夠使用一致轉(zhuǎn)動模型很好地解釋.

前期研究中,單晶外延EB 雙層膜由于制備困難從而被關(guān)注得較少,外延EB 體系有著銳利的鐵磁/反鐵磁界面以及有序的界面原子與磁矩的排列,是研究EB 效應(yīng)的理想體系[10,11].EB 效應(yīng)產(chǎn)生Keb和Ku,與外延鐵磁膜本征磁晶各向異性K1共同決定著外延EB 體系的磁化翻轉(zhuǎn)過程與反磁化機制[12,13].Zhan 等[14]通過改變反鐵磁層厚度來改變MnPd/Fe 外延EB 雙層膜的界面交換耦合強度,在不同磁場方向下觀察到矩形、非對稱、單邊兩步和雙邊兩步磁滯回線,提出了EB 體系的疇壁形核與位移模型,能夠定量解釋外延EB 異質(zhì)結(jié)的磁化翻轉(zhuǎn)過程和磁化翻轉(zhuǎn)場的角度依賴關(guān)系.Zhang等[15]通過傾斜濺射改變Ku的大小和方向,在FeGa/IrMn 外延EB 雙層膜中實現(xiàn)了Ku//Keb和Ku⊥Keb,獲得了具有EB 的三步磁化翻轉(zhuǎn)與非對稱多步磁化翻轉(zhuǎn).由此可見,界面交換耦合強度以及Ku和Keb的相對取向?qū)τ谕庋覧B 雙層膜的磁化翻轉(zhuǎn)過程均有顯著影響.目前,人們對于Keb與K1的相對取向?qū)ν庋覧B 雙層膜磁化翻轉(zhuǎn)的影響還缺乏足夠的認(rèn)識和研究.本文利用磁控濺射鍍膜設(shè)備在MgO(001)襯底上外延生長了單晶FeGa/IrMn 交換偏置異質(zhì)結(jié),通過調(diào)整生長時外加磁場的方向改變Keb方向,使其分別沿著FeGa[100]和[110]的方向.通過測量鐵磁共振場的角度依賴的變化確定磁各向異性的取向與強度.矢量磁光克爾效應(yīng)(magneto optic Kerr effect,MOKE)測量表明Keb方向的改變使得不同磁場方向下的磁化翻轉(zhuǎn)過程發(fā)生明顯改變.考慮不同Keb方向的疇壁形核和位移模型能夠很好地解釋磁化翻轉(zhuǎn)場的角度依賴關(guān)系,表明Keb方向的改變使得疇壁形核能發(fā)生顯著變化.

2 實 驗

利用超高真空磁控濺射系統(tǒng)(本底真空優(yōu)于1×10–8Torr (1 Torr=1.33322×102Pa))在雙面拋光MgO(001)襯底上制備了高質(zhì)量外延FeGa(10 nm)/IrMn(10 nm)交換偏置異質(zhì)結(jié).制備過程中利用永磁體分別沿MgO[110]和[010]方向原位施加200 Oe (1 Oe=103/(4π) A/m)的磁場誘導(dǎo)不同取向的EB 場.在進(jìn)行薄膜生長之前,先將MgO襯底置于真空腔室內(nèi)在600 ℃下退火1 h.然后將襯底溫度保持在300 ℃,通過濺射Fe81Ga19合金靶材制備FeGa 鐵磁層,原位退火1 h 后,通過濺射Ir20Mn80合金靶材制備IrMn 反鐵磁層,再次退火1 h 后,自然冷卻至室溫,生長3 nm 的Ta 保護(hù)層防止樣品氧化.另外,使用相同的制備工藝,在MgO(001)襯底上生長了沒有反鐵磁層的FeGa 外延薄膜,作為參比樣品.薄膜濺射速率通過X 射線反射(X-ray reflectivity,XRR)技術(shù)預(yù)先校準(zhǔn),并通過控制沉積時間來控制膜厚.使用X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)θ-2θ掃描和φ掃描對樣品結(jié)構(gòu)與外延關(guān)系進(jìn)行表征.使用矢量MOKE 測試系統(tǒng)表征樣品在不同外磁場方向下的磁化翻轉(zhuǎn)場與磁化翻轉(zhuǎn)過程.使用電子自旋共振譜儀實現(xiàn)了鐵磁共振圖譜的測量,得到不同外磁場方向下的共振場,通過擬合獲得樣品的磁各向異性參數(shù).所有測試均在室溫下進(jìn)行.

3 實驗結(jié)果與討論

圖1(a)是FeGa/IrMn 異質(zhì)結(jié)X 射線衍射圖,襯底與薄膜僅表現(xiàn)出(002)峰,表明了FeGa 和IrMn 層為(002)晶面取向生長.圖1(b)是固定2θ在FeGa(110)反射面處FeGa/IrMn 異質(zhì)結(jié)的X射線面內(nèi)φ掃描圖,FeGa 層與MgO 襯底均出現(xiàn)4 個間隔為90°的衍射峰,表明FeGa 層很好地外延生長在MgO 單晶襯底上.FeGa 薄膜與襯底峰相互間隔45°,表明外延生長是通過面內(nèi)旋轉(zhuǎn)45°的方式,外延關(guān)系為MgO(001)[110]//FeGa(001)[100].沒有觀察到IrMn 層的X 射線面內(nèi)φ掃描峰,這是由于IrMn 與FeGa 層之間即使通過面內(nèi)旋轉(zhuǎn)45°的生長方式,晶格失配度依然高達(dá)到7.9%(IrMn和FeGa 的晶格常數(shù)分別為0.38,0.29 nm),超過了外延生長通常需要晶格失配度小于5%的臨界值[16].因此IrMn 層雖然表現(xiàn)出(002)面的取向生長,但是并不能在薄膜面內(nèi)形成很好的外延生長.

圖1 樣品FeGa/IrMn/MgO(001)的X 射線衍射圖 (a) θ-2θ 掃描圖;(b) 面內(nèi)φ 掃描圖Fig.1.X-ray diffraction measurement for the sample of FeGa/IrMn/MgO(001):(a) θ-2θ scan;(b) in-plane φ-scan.

單晶外延的FeGa 層在宏觀上表現(xiàn)出與體心立方(BCC)晶體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的磁晶各向異性,在薄膜面內(nèi)表現(xiàn)出沿FeGa〈100〉方向的四重對稱磁各向異性K1.由于FeGa 鐵磁磁矩與IrMn 反鐵磁磁矩通過界面交換耦合,在FeGa 層內(nèi)會產(chǎn)生一個單方向的交換磁各向異性Keb,通過在薄膜生長過程中原位施加沿著MgO[110](對應(yīng)FeGa[100])和MgO[010](對應(yīng)FeGa[110])方向的磁場,從而可以獲得相應(yīng)取向的Keb.此外,由于IrMn 非補償界面是反鐵磁磁結(jié)構(gòu),因此通常會伴隨產(chǎn)生1個與Keb方向相同的單軸磁各向異性Ku[17?19].樣品的磁各向異性參數(shù)可通過測試并擬合鐵磁共振場的角度依賴關(guān)系定量獲得.圖2(a)和圖2(b)分別是FeGa單層膜和Keb沿著FeGa[100]方向的FeGa/IrMn雙層膜在外加磁場相對FeGa[100]方向的夾角φH0°,30°和45°時的代表性鐵磁共振微分吸收譜,使用的微波頻率f=9.31 GHz.由于IrMn在室溫下處于反鐵磁態(tài),因此在0—2500 Oe 的測試磁場范圍內(nèi)只能檢測到鐵磁層FeGa 的信號,吸收峰的位置隨著φH的變化而變化.鐵磁共振譜線信號可以分解為洛倫茲反對稱和對稱分量,

其中,a和b分別是反對稱和對稱系數(shù),Hr是共振場,?H是共振線寬.利用(1)式可以很好地擬合不同磁場方向下的鐵磁共振微分譜線,獲得鐵磁共振場[20].

圖2(c)和圖2(d)分別是FeGa 單層膜和Keb//[100]的FeGa/IrMn 雙層膜Hr的角度依賴關(guān)系.對于FeGa 單層膜,Hr隨φH的變化表現(xiàn)出了很好的四重對稱性,在φH0°,90°,180°和270°出現(xiàn)極小值,在φH45°,135°,225°和315°出現(xiàn)極大值,表明FeGa 薄膜的易磁化軸沿著 〈100〉 方向,難磁化軸沿著 〈110〉方向.對于Keb//[100] 的FeGa/IrMn樣品,Hr在φH0°,90°,180°和270°表現(xiàn)四重對稱極小值,由于誘導(dǎo)的Keb沿著 [100]方向,使得Hr在φH0°處表現(xiàn)為全局極小值.對于Keb//[110]的樣品,Hr在φH=0°,90°,180°和270°表現(xiàn)為極小值,在φH45°,135°,225°和315°表現(xiàn)為極大值,在4 個極大值中,由于誘導(dǎo)的Keb沿著 [110] 方向,使得Hr在φH=45°處的值相對較小.Hr隨φH的變化可以使用Kittel 方程進(jìn)行擬合[21,22]:其中γ是旋磁比,M是磁化強度;β是Keb和Ku的方向,對于Keb//[100]的樣品,β0°;對于Keb//[110]的樣品,β45°.利用(2)式可以很好地擬合Hr隨φH的變化關(guān)系.對于FeGa 單層膜,通過擬合得到磁晶各向異性場 2K1/M341.8 Oe,單軸各向異性場 2Ku/M是由于生長或襯底誘導(dǎo)的,2Ku/M8.6 Oe[23].對于Keb//[100] 的FeGa/IrMn 樣品,擬合得到 2K1/M344.6 Oe ,2Ku/M12.4 Oe,以及EB 場Keb/M34.5 Oe.對于Keb//[110] 的樣品,擬合得到 2K1/M345.2 Oe ,2Ku/M13.4 Oe,Keb/M34.0 Oe.FeGa 層的磁晶各向異性為內(nèi)稟屬性,基本保持不變,與FeGa 塊體材料符合得較好[24].兩個FeGa/IrMn 異質(zhì)結(jié)樣品的EB 場與單軸磁各向異性雖然取向不同,但是大小基本相同.

圖2 (a) FeGa 單層膜和(b) Keb//[100]的FeGa/IrMn 雙層膜在 φH 0°,30°,45°時的代表性鐵磁共振微分吸收譜;(c),(d) 相應(yīng)的共振場 Hr隨 φH 的變化關(guān)系(空心點為實驗值,實線(a),(b)和虛線(c),(d)為擬合曲線)Fig.2.Representative ferromagnetic resonance derivative absorption spectra for (a) FeGa single layer and (b) FeGa/IrMn bilayer with Keb//[100]measured at φH 0°,30°,45°;(c),(d) the corresponding resonance field Hras a function of φH (Open dots are the experimental data,solid (a),(b) and dashed (c),(d) lines are the theoretical fitting results).

使用矢量MOKE 測試系統(tǒng)表征FeGa/IrMn異質(zhì)結(jié)在不同外磁場方向下的磁化翻轉(zhuǎn)場與磁化翻轉(zhuǎn)過程.由于MOKE 測試系統(tǒng)使用的激光在金屬薄膜中的穿透深度只有10 nm,無法穿透3 nm的Ta 保護(hù)層和10 nm 的IrMn 反鐵磁層,從而無法探測FeGa 鐵磁層的信號.因此本實驗使用了雙面拋光具有良好透光性的MgO 襯底,激光從未生長磁性薄膜的一側(cè)入射MgO 襯底,不經(jīng)IrMn 層直接探測FeGa 層的磁性.激光斑點聚焦到100 μm,薄膜磁疇遠(yuǎn)大于光斑尺寸,光斑在薄膜不同位置處測得的磁滯回線具有很好的一致性[12,25].圖3 是采用磁光克爾測量系統(tǒng)得到的FeGa/IrMn 雙層膜在不同磁場方向下的縱向(//)和橫向(⊥)磁滯回線.根據(jù)磁化翻轉(zhuǎn)過程中涉及的初始和最終的易磁化方向,將順時針方向發(fā)生的90°磁化翻轉(zhuǎn)過程對應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)場定義為HcI—HcIV,逆時針方向發(fā)生的90°磁化翻轉(zhuǎn)過程對應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)場定義為Hc1—Hc4.對于Keb//[100] 的樣品,磁場施加在[100]方向(φH0°)附近時,表現(xiàn)出朝著磁場負(fù)方向偏移的矩形磁滯回線,EB 場HebKeb/M34.5 Oe,相應(yīng)的橫向磁滯回線信號很弱,表明FeGa 磁矩通過疇壁形核和位移的反磁化機制在 [100]和 [] 方向之間翻轉(zhuǎn),如圖3(a)所示.

本課題組前期工作表明在外延鐵磁性薄膜和EB 異質(zhì)結(jié)中發(fā)生的180°磁化翻轉(zhuǎn)的反磁化機制是兩步連續(xù)發(fā)生的90°疇壁形核與位移[14,23].當(dāng)磁場偏離[100]方向(φH30°)時,如圖3(b)所示,樣品表現(xiàn)出非對稱型磁滯回線,對于磁場下行支FeGa磁矩經(jīng)歷兩步磁化翻轉(zhuǎn)過程從 [100]轉(zhuǎn)變到 [] 方向,對于磁場上行支FeGa 磁矩從 [] 直接翻轉(zhuǎn)到[100]方向.相應(yīng)的橫向磁滯回線表明下行支中磁化翻轉(zhuǎn)的中間態(tài)對應(yīng)FeGa 磁矩指向 [] 方向,磁矩通過兩次90°疇壁形核和位移機制實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn).當(dāng)外磁場沿著[110]方向(φH45°)時,在磁場下行支中,磁矩從K1難磁化[110]方向通過一致轉(zhuǎn)動到[100]方向,而后通過疇壁形核與位移機制翻轉(zhuǎn)到[]方向,[100]→[] 的跳躍,如圖3(c)中黑框所示.隨著負(fù)方向磁場的逐步增強,磁矩最終一致轉(zhuǎn)動到 [],相對應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)場依然表現(xiàn)出磁場零點不對稱.橫向磁滯回線表明磁場上行支與下行支都經(jīng)過[100]交換偏置方向.需要說明的是縱向磁滯回線的剩磁(0.791)高于理論值(0.707).一方面是由于MOKE 測量中的二次方效應(yīng)(quadratic effect)使縱向克爾信號中混入少量橫向克爾信號,導(dǎo)致縱向克爾信號并不嚴(yán)格與磁化強度成正比[26];另一方面是由于磁場方向有一定誤差(<5°),并不嚴(yán)格平行[110]方向.當(dāng)磁場沿著 [010]方向(φH90°)時,也就是垂直Keb方向附近處,如圖3(d)所示,縱向磁滯回線表明磁場上下行支均為兩步磁化翻轉(zhuǎn),磁化翻轉(zhuǎn)場相對磁場零點對稱,橫向磁滯回線表明下行支和上行支的磁化翻轉(zhuǎn)路徑均經(jīng)過 [100]方向,分別為 [010]→[100]→[]和[]→[100]→[010].這種單邊兩步型磁滯回線的出現(xiàn)是由于Keb沿著 [100]方向,使得磁矩位于 [100] 方向的磁各向異性能低于相對應(yīng)的 [] 方向,從而無論磁場上行或下行,磁化翻轉(zhuǎn)的中間態(tài)都傾向于經(jīng)過能量較低的 [100] 方向.

圖3 在不同外磁場方向 φH下,Keb//[100]和 Keb//[110] 的FeGa/IrMn 雙層膜的典型縱向和橫向MOKE 磁滯回線(Ms 是飽和磁化強度) (a) Keb//[100], φH 0?;(b) Keb//[100], φH 30?;(c) Keb//[100], φH 45?;(d) Keb//[100], φH 90?;(e) Keb//[110],φH 0?;(f) Keb//[110],φH 35?;(g) Keb//[110],φH 45?;(h) Keb//[110],φH 90?. 藍(lán)線和紅線分別對應(yīng)于磁滯回線的磁場下行支和磁場上行支;磁化翻轉(zhuǎn)過程中FeGa 自旋方向用箭頭表示;相應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)場也標(biāo)記在圖中Fig.3.Typical longitudinal and transverse MOKE loops at different external field orientations φH for the FeGa/IrMn bilayer with Keb//[100]and Keb//[110],Ms is the saturation magnetization:(a) Keb//[100], φH 0?;(b) Keb//[100], φH 30?;(c)Keb//[100],φH 45?;(d) Keb//[100], φH 90?;(e) Keb//[110],φH 0?;(f) Keb//[110],φH 35?;(g)Keb//[110],φH 45?;(h) Keb//[110], φH 90?. The blue and red curves correspond to the magnetic field descending and ascending branches of hysteresis loops,respectively;the arrows enclosed by a square represent the orientation of FeGa spins in the magnetic switching routes;the corresponding magnetic switching fields are presented as well.

對于Keb//[110] 的樣品,當(dāng)磁場沿著[100]方向(φH0°)時,如圖3(e)所示,縱向磁滯回線表明磁場上下行支均為兩步磁化翻轉(zhuǎn).由于Keb的作用使得[100]和[010]方向的磁各向異性能低于[]和[]方向的能量,橫向磁滯回線表明下行支和上行支的磁化翻轉(zhuǎn)路徑分別為[100]→[010]→[]和 []→[010]→[100],磁化翻轉(zhuǎn)的中間態(tài)都傾向于經(jīng)過能量較低的 [010] 方向,而不是相對的[]方向.當(dāng)磁場偏離[100]方向(φH35°)時,如圖3(f)所示,樣品表現(xiàn)出雙邊兩步型磁滯回線.無論是磁場上行支或下行支,FeGa 磁矩均經(jīng)歷兩次疇壁形核和位移過程實現(xiàn) [100]和 [] 方向之間翻轉(zhuǎn),相應(yīng)的橫向磁滯回線表明下行支中磁化翻轉(zhuǎn)的中間態(tài)為 [010] 方向,而上行支中磁化翻轉(zhuǎn)的中間態(tài)則是相對應(yīng)的 [] 方向.當(dāng)外磁場沿著[110]方向(φH45°)時,即Keb方向,如圖3(g)所示,磁滯回線中心向磁場負(fù)方向偏移,EB 場Heb34.0 Oe,磁化翻轉(zhuǎn)路徑與Keb//[100] 的樣品相同,磁場下行支為 [110]→[100]→[]→[],上行支是下行支的逆過程.縱向磁滯回線的剩磁(0.768)依然略高于理論值.當(dāng)磁場沿著 [010]方向 (φH90°) 時,如圖3(h)所示,磁滯回線偏離磁場中心,EB 場依然存在.橫向磁滯回線表明磁化翻轉(zhuǎn)為單邊兩步型,磁場上行支和下行支磁化翻轉(zhuǎn)的中間態(tài)都傾向于經(jīng)過能量較低的 [100] 方向,相應(yīng)的磁化翻轉(zhuǎn)路徑分別為 []→[100]→[010]和 [010]→[100]→[].在Keb// [110] 的樣品中,通過改變外磁場方向,并不能觀察到矩形磁滯回線以及非對稱磁滯回線,這表明EB場方向的改變使得樣品的磁化翻轉(zhuǎn)過程發(fā)生了明顯的變化.

圖4(a)是在不同外磁場方向φH下Keb//[100]的FeGa/IrMn 雙層膜的磁化翻轉(zhuǎn)場.當(dāng)0°≤φH≤45°時,樣品表現(xiàn)為矩形磁滯回線和非對稱磁滯回線,其中矩形磁滯回線轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍ΨQ磁滯回線的臨界角φH ≈10°;當(dāng)45°<φH≤180°時,表現(xiàn)為單邊兩步磁滯回線.圖4(b)是Keb//[110] 的FeGa/IrMn 雙層膜的磁化翻轉(zhuǎn)場隨φH的變化關(guān)系.當(dāng)0°≤φH≤45°時,樣品表現(xiàn)為單邊兩步磁滯回線和雙邊兩步磁滯回線,其中單邊兩步磁滯回線轉(zhuǎn)變?yōu)殡p邊兩步磁滯回線的臨界角φH ≈35°;當(dāng)45°<φH≤180°時,表現(xiàn)為單邊兩步磁滯回線.

圖4 FeGa/IrMn 雙層膜的磁化翻轉(zhuǎn)場隨外磁場方向 φH的變化關(guān)系 (a) Keb//[100];(b) Keb//[110] (實心和空心點對應(yīng)于實驗值,實線和虛線對應(yīng)于擬合曲線)Fig.4.External magnetic field orientation φH dependence of the magnetic switching fields for the FeGa/IrMn bilayers:(a) Keb//[100];(b) Keb//[110] (The solid and open dots represent experimental values,and the solid and dashed lines represent fitted curves).

具有不同EB 取向的外延FeGa/IrMn 雙層膜的磁化翻轉(zhuǎn)場角度依賴關(guān)系可以采用疇壁形核與位移模型解釋.FeGa 磁性層的總自由能為

其中,第一項是靜磁能,第二項是磁晶各向異性能,第三項是單軸磁各向異性能,第四項是單向磁各向異性能.這里φM是磁 化強度M與 [100] 方向的夾角.在磁晶各向異性、單軸磁各向異性、單向磁各向異性的共同作用下,磁各向異性能的面內(nèi)四重對稱性被打破,極小值不再是嚴(yán)格沿著面內(nèi) 〈100〉 方向.

圖5(a)和圖5(b)是利用鐵磁共振定量獲得的磁各向異性參數(shù),得到Keb// [100]和Keb//[110] 的FeGa/IrMn 雙層膜的磁各向異性能隨磁化強度方向的變化關(guān)系.當(dāng)Keb//[100] 時,磁各向異性能極小值出現(xiàn)在φM0?,90??δ,180°和 270?+δ.由于四重對稱的K1疊加了沿著 [100]方向的Ku和Keb,使得磁矩處于 [100] 方向的磁各向異性能低于其他易磁化方向,并且使得原本處于 [010]和 [] 的易磁化方向偏向 [100]方向δ角.偏離角δ的大小由磁各向異性的相對大小決定,在Ku

圖5 FeGa/IrMn 雙層膜的磁各向異性能隨磁化強度方向的變化關(guān)系 (a) Keb//[100];(b) Keb//[110];(c),(d) 相對應(yīng)的磁各向異性改變示意圖Fig.5.Magnetic anisotropy energy as a function of orientation of magnetization in FeGa/IrMn bilayers: (a) Keb//[100];(b) Keb//[110];(c),(d) corresponding schematic diagram of magnetic anisotropy change.

對 于Keb//[100] 的 情況,FeGa 單疇在4 個易磁化軸的能量分別為:E0??MHcosφH?Ku?Keb,E90??δ?MHsin(φH+δ)?Kusin2δ?Kebsinδ,E180?MHcosφH?Ku+Keb和E270?+δMHsin(φH?δ)+Kebsinδ.磁矩在不同易磁化方向之間的磁化翻轉(zhuǎn)場可以通過磁化翻轉(zhuǎn)過程前后所在易磁化方向的能量差值來獲得[15].圖5(c)和圖5(d)分別是Keb//[100]和Keb//[110] 時磁各向異性改變示意圖.基于疇壁形核與位移模型給出的磁化翻轉(zhuǎn)場理論表達(dá)式,能夠很好地擬合磁化翻轉(zhuǎn)場的角度依賴關(guān)系,進(jìn)而定量得到疇壁形核能,結(jié)果如圖4 所示.對于Keb//[100] 的樣品,通過擬合得到疇壁形核能參數(shù)ε90??δ/M,ε90?+δ/M分別為51.9,71.9 Oe.ε90?+δ顯然大于ε90??δ,這是由于 90?+δ疇壁形核需要克服 []或 []方向的能量勢壘,90??δ疇壁形核需要克服 [110]或 [] 方向的能量勢壘.由于沿著 [100]方向的Keb和Ku的引入,磁各向異性能的四重對稱性被打破,使得 []和 [] 方向的能量勢壘明顯高于 [110]和 []方向.對于Keb//[110]的樣品,通過擬合得到疇壁形核能參數(shù)ε90?/M,分別為51.7,77.2,44.1 Oe.這是由于 90?+2δ1疇壁形核需要克服 []方向的能量勢壘,90?疇壁形核需 要克服 []或 []方向的能量勢壘,90??2δ1疇壁形核需要克服 [110] 方向的能量勢壘.由于沿著[110]方向的Keb和Ku的引入,使得 [] 方向的能量勢壘最高,[]和 []方向其次,[110] 方向最低.需要強調(diào)的是,疇壁形核能屬于外稟參數(shù),其大小不僅取決于磁各向異性能量勢壘,而且與薄膜中的雜質(zhì)、缺陷和應(yīng)力的大小和分布密切相關(guān)[23].在磁化翻轉(zhuǎn)過程中,磁矩傾向于經(jīng)歷磁化翻轉(zhuǎn)場更小的路徑,因此不同磁場方向下的磁化翻轉(zhuǎn)路徑可以通過比較不同路徑所需要的臨界磁化翻轉(zhuǎn)場進(jìn)行判斷.對于Keb//[100] 的樣品,當(dāng)0°≤φH≤45°時,不同類型的磁化翻轉(zhuǎn)路徑主要由Hc1和Hc2的大小決定.當(dāng)Hc1>Hc2時,磁滯回線的磁場下行支表現(xiàn)為兩步連續(xù)發(fā)生的90°疇壁形核與位移過程;而當(dāng)Hc1Hc3時,磁滯回線表現(xiàn)為單邊兩步磁滯回線,磁場上下行支中間態(tài)均經(jīng)過能量較低的 [010] 方向.因此,可以獲得單邊兩步和雙邊兩步磁滯回線發(fā)生改變的臨界角為φH利用擬合參數(shù)得到理論臨界角φH28°,與圖3(b)中實驗結(jié)果符合較好.

4 結(jié)論

采用磁控濺射方法在MgO(001)單晶襯底上制備了FeGa/IrMn 外延EB 雙層膜,通過調(diào)整生長時外加磁場的方向使EB 方向分別沿著[100]和[110]方向.通過測量鐵磁共振場隨外磁場角度的變化關(guān)系,基于Kittel 方程的擬合確定了四重對稱磁晶各向異性、單向磁各向異性和單軸磁各向異性的取向與強度.矢量MOKE 測量表明EB 方向的改變使磁化翻轉(zhuǎn)過程發(fā)生明顯改變,Keb//[100] 的樣品在不同磁場方向下表現(xiàn)為矩形、非對稱和單邊兩步磁滯回線;Keb//[110] 的樣品表現(xiàn)為單邊兩步和雙邊兩步磁滯回線.考慮不同Keb方向的疇壁形核和位移模型,能夠很好地解釋不同外磁場方向下的磁化翻轉(zhuǎn)路徑和磁化翻轉(zhuǎn)場,結(jié)果表明EB 方向的改變使得疇壁形核能發(fā)生顯著變化.

感謝中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的支持.