双二次耦合场对铁磁／反铁磁双层膜中交换偏置场的影响

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1、2009年1月内蒙古大学学报(自然科学版)Jan．2009第40卷第1期JournalofInnerMongoliaUniversityVo1．40No．1文章编号：1OOO一1638(2009)01—0046—06双二次耦合场对铁磁／反铁磁双层膜中交换偏置场的影响郑琳，云国宏～，荣建红。(1．包头师范学院物理系，内蒙古包头014030；2．内蒙古师范大学物理与电子信息学院，呼和浩特010020；3．内蒙古大学物理科学与技术学院物理系，呼和浩特010021)摘要：研究了界面双线性耦合和双二次耦合对铁磁／反铁磁双层膜中交换偏置场的影响．结果表明：随着双线性耦合场或双二次耦合场的增加，交换偏置

2、场的最大值位置向易轴靠近．另外，交换偏置场随外磁场角度的变化曲线随着双二次耦合场的增加，逐渐趋于正弦图像．其根源在于双二次耦合场与铁磁层单轴各向异场二者作用相互抵消。使曲线趋于光滑．铁磁层的磁滞回线对双二次耦合场也有一定的依赖．关键词：铁磁／反铁磁双层薄膜；交换偏置场；双二次耦合场．夕磁场角度中图分类号：0521；TM27文献标识码：A铁磁／反铁磁双层薄膜在外磁场中从高于反铁磁的奈尔温度冷却到低温后，铁磁层的磁滞回线沿磁场方向偏离原点，其偏离量被称为交换偏置场H，同时伴随着矫顽力的增加，这一现象被称为交换偏置．1956年Meiklejion和Bean首先在CoO／Co颗粒中发现了交换偏置现

3、象。，近十几年来，由于交换偏置现象在巨磁电阻器件中的实用化过程中起到了重要作用而引起人们广泛研究，例如它可以提高磁记录读出头的灵敏度，还可以作为磁随机存储器的基本结构，另外在磁传感器方面也得到了广泛应用．Meiklejion和Bean“q给出了最早的模型，假设反铁磁界面是未补偿型，即界面上有净磁矩产生，且反铁磁层具有很强的单轴各向异性，因此通过界面的交换耦合作用使得在铁磁层中产生了单向各向异性，也就是交换偏置场，但此模型给出的值比实验值大两个数量级．此后也有很多学者也都建立了各种模型试图来解释交换偏置现象∞．但是由于影响交换偏置的因素很多如温度效应cs州，、颗粒尺寸。、界面粗糙度∞、外加磁

4、场的方向Ⅲ等等，至今还未能给出一套完整的理论模型来清楚地认识其物理根源．通常所讨论的交换偏置都是由双线性界面耦合作用所导致的，但是Koon利用微磁学证明在铁磁／反铁磁中，如果反铁磁层在界面的自旋为完全补偿型，双线性界面耦合无法使体系产生交换偏置，只有反铁磁层与铁磁层的自旋处于稳定的互相垂直状态时，体系才可能产生交换偏置，后来把这种耦合称为spin—flop耦合，它在表达式中体现为双二次耦合项．通过实验研究发现在某些铁磁／反铁磁体系中确实有双二次耦合存在卜．此外，Dimlrov对其所得出的实验结果进行分析后提出未补偿界面和补偿界面都是一种理想情况，真实界面上的自旋存在明显的任意性，所以交换耦

5、合能还应包括双二次耦合项，但未进行相应的理论讨论．随后，Spenato等人在假设交换耦合能可表示为E(*收稿日期：2008—06—10基金项目：教育部新世纪优秀人才计划(NCET一05—0272)、国家自然科学基金(10147203)、国家自然科学基金(50862007)教育部科学技术研究重大项目(206024)作者简介：郑琳(1981～)，女，内蒙古呼伦贝尔市人，助教，硕士．第1期郑琳等双二次耦合场对铁磁／反铁磁双层膜中交换偏置场的影响47一OF)一COS(r—OF)的形式时(其中当一2时的项代表双二次耦合项)，能根据这一能量形式对非对称的磁滞回线给出了很好的模拟，发现磁滞的非对称性与能

6、量形式有关．另外Joo—VonKim等人。。在理论上研究交换偏置场随外磁场角度关系时发现界面的自旋结构对于复杂的角度关系起了重要作用．综上可以看出双二次耦合是不容忽略的，我们必须将双二次耦合的影响考虑进来．以上讨论都只适用于特定体系，因此为了进一步了解交换偏置的本质，而本文将通过能量极小原理讨论双二次耦合对未补偿界面的交换偏置场随外磁场角度变化关系以及铁磁层磁滞回线的影响．1物理模型考虑铁磁／反铁磁双层膜，假设铁磁层和反铁层都具有单轴磁晶各向异性并且两各向异性轴同向．由于界面的交换耦合作用使得铁磁层中形成单畴，Zhou等人通过MOKE测量方法在Permalloy／Fe。Mn。中发现了这种单

7、畴结构的存在“．另外，由于Parkin等人在Ni。。Fe。／Fe。Mn。体系中发现当Ni。Fe。。厚度为时，磁化强度在铁磁层中均匀分布．因此可以假设铁磁层中的磁矩在外磁场下一致转动．为了简单起见，假设单向各向异性轴与铁磁层的易轴同向．体系的自由能可以表示为E===KFt，sin0F+KAFt^Fsin0F——JElCOS(0V——0AF)+JE2COS。(一0F)一HM,tFCOS(d一)(1)其中0hOAF和a分别是铁