反铁磁耦合纳米体系磁特性的微磁学研究

张光富,曾专武,邓曙光,杨 冰

(湖南城市学院物理与电子信息工程系,湖南益阳413000)

近年来,自旋阀结构纳米体系由于在高密度磁记录介质以及读出磁头、磁传感器等磁纳米信息器件中的广泛应用而倍受人们关注.自旋阀结构纳米体系用于磁信息记录和信息处理时,剩磁态的微磁结构和反磁化机制等磁特性直接影响磁信息器件的性能.如何获得小的反转场、准一致的反磁化过程、具有稳定剩磁单畴微磁结构已成为提高磁信息器件性能的关键问题.随着磁信息器件的发展,磁性膜层的尺寸要求越来越小,膜层尺寸的减小,膜层两极引起的退磁能将越来越大,导致反转场显著的增大.虽可以通过增大长宽比来减小反转场,但大的长宽比易产生多畴结构诱导不稳定的反磁化过程[1-2].因此,传统的自旋阀结构已不利于磁信息器件的发展.最近人们提出了利用合成的反铁磁耦合三层膜结构(synthetic antiferromagnet(SyAF))体系代替自旋阀结构的单层自由层[3-4].SyAF体系由磁层M1/非磁层/磁层M2组成,由于反铁磁耦合作用使上、下磁层的磁矩反平行排列而产生闭合磁回路,减小了两极产生的退磁场以及与邻近铁磁层的静磁耦合作用,更利于剩磁态时系统单畴微磁结构的形成,也有利于反转场的减小.大量研究表明,具有SyAF自由层的自旋阀比传统自旋阀结构能获得更小的反转场,具有稳定剩磁态单畴微磁结构[3-14].SyAF作为自旋阀结构体系的一个重要组成部分,SyAF的磁特性、反磁化机制必将对体系的磁特性、反磁化机制产生巨大的影响,从而影响磁信息器件的性能.而磁层的结构参数(尺寸大小、形状)和磁参数(饱和磁化强度、交换作用强度、磁晶各向异性参数等)的改变都将对SyAF的磁特性、反磁化机制产生巨大的影响.人们研究了膜面大小[4,10-14]、磁层厚度[3,10-14]对反转场,反磁化机制的影响,但磁层的磁参数对SyAF的磁特性、反磁化机制影响却仍不清楚.本文利用微磁学方法研究磁层间反铁磁耦合强度大小不同时,SyAF纳米体系的磁特性以及反磁化机制.

1 微磁学模拟方法

微磁学理论被广泛的用来研究磁性纳米结构体系的磁学性质[6,10,15],它是一个连续介质理论,在这一理论中磁体稳定的磁矩分布由磁体吉布斯自由能极小值来确定,磁矩的动力学变化过程遵循Landau-Lifshitz-Gilbert动态方程:

其中:M是磁化强度矢量,γ是旋磁比,α为阻尼系数,Heff代表有效场,它包括交换场、磁晶各向异性场、退磁场、外磁场和反铁磁耦合场.本文采用微磁学计算软件OOMMF[16]对SyAF结构的动力学反磁化过程进行模拟,模拟基于有限差分的思想,把SyAF结构三层膜进行适当的网格划分,假定每个网格内磁矩分布是均匀的,计算每个网格内的有效场,并求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程,得到磁化强度矢量的动力学变化过程,从而获得磁体的微磁结构分布.我们对CoFe(4 nm)/Ru(1 nm)/CoFe(6 nm)进行了模拟,括号内为膜层的厚度,膜面大小为400 nm×400 nm,磁性层饱和磁化强度|MS|=1.4×106A◦m,交换常数为A=1.05×10-11J◦m-1;磁晶各向异性常数K=1.3×103J◦m-3,易磁化轴方向为(1 0 0),阻尼系数α为0.5.

2 结果与讨论

对由CoFe/Ru/CoFe组成的SyAF纳米体系进行微磁学模拟,首先沿(100)方向加足够大的外磁场,使磁性层沿该方向达到完全饱和磁化,然后逐渐把外场减小到相反方向,当外场沿相反方向达到反转场(Hsw)时,磁矩将发生反转.在保持磁结构参数、磁晶各向异性常数以及交换常数不变的情况下,模拟了磁层间具有不同的反铁耦合强度(0.05×10-3J◦m-2～4×10-3J◦m-2)的SyAF纳米体系的动力学反磁化过程.模拟发现,当SyAF纳米体系的上、下磁层间的反铁磁耦合强度较小时(<0.2×10-3J◦m-2),出现如图1所示的磁滞回线.从图1中可以看出,在反磁化过程中,SyAF纳米体系的上、下磁层都仅发生了一次反转.上磁层先反转(上层的厚度小于下层的厚度),在剩磁态时,上、下磁层达到了反平行排列,随外磁场继续减小,下磁层反转,达到反向饱和态,中间只出现一次磁化矢量反平行排列过程;这可能是由于上下层间的反铁磁耦合能太小,下磁层反转过程中,反铁磁耦合能不足以使上磁层随下磁层再次发生反转.当反铁磁耦合强度较大时,出现图2所示的磁滞回线,在反磁化过程中上磁层出现两次反转,随外磁场从饱和场减小,上磁层先发生反转,下磁层不反转,在剩磁态时,上、下磁层达到了反平行排列,随外磁场继续减小,下磁层反转,在下磁层反转的同时,上磁层再次反转,反磁化过程中再次出现上、下磁层再次反平行排列,因此在磁滞回线上可以看出两个明显的平台,如图2中的插图为Jex=1.2×10-3J◦m-2的磁滞回线中心部分.模拟还发现当磁层间反铁磁耦合强度大于Jex=0.2×10-3J◦m-2时,磁滞回线中心部分完全重合,另外从插图中也看出磁体系的矫顽力能很好反应磁矩的反转场的大小.图3给出了SyAF纳米体系的矫顽力随反铁磁耦合强度的变化曲线.从图3中可以看出,反铁磁耦合强度达到Jex=0.2×10-3J◦m-2这个临界点时,矫顽力达到最小值(仅为13 mT),然后随反铁磁耦合强度的增大,矫顽力先增大后不随反铁磁耦合强度变化.从图4可以看出SyAF纳米体系的饱和场随反铁磁耦合强度的增大线性增大.

图1 反铁磁耦合强度为Je x=0.08×10-3J◦m-2 SyAF纳米体系的磁滞回线

图2 反铁磁耦合强度为Jex=1.2×10-3J◦m-2SyAF纳米体系的磁滞回线,插图为J=1.2×10-3J◦m-2的磁滞回线中心

图3 SyAF纳米体系的矫顽力随磁层反铁磁耦合强度大小的变化曲线

图4 SyAF纳米体系的饱和场随磁层反铁磁耦合强度大小的变化曲线

磁滞回线的不同也预示着磁体系存在着不同的反磁化机制.图5给出了反铁磁耦合强度为Jex=0.08×10-3J◦m-2的SyAF纳米体系在不同时刻上下磁层的微磁结构分布,图5(a)和(e)分别为SyAF纳米体系上、下磁层在剩磁态时的微磁结构,上、下磁层形成反平行的U型微磁结构.由于U型微磁结构边缘畴为反对称结构,为了减小体系退磁能,反磁化过程中更利于反磁化核的形成,因此反磁化过程中,下磁层开口向下的U型口越来越小,慢慢闭合形成涡旋反磁化核结构(如图5(f)和(g)所示),最后反磁化核移出膜面消失,下磁层完全反转;而在下磁层反转过程中,由于上、下磁层间反铁磁耦合强度较小时,反铁磁耦合能不足以使上磁层再次形核,因而不易反转.在整个过程中,上、下磁层都只反转一次,反磁化过程是伴随反磁化核形成与消失的反转过程.正因为反磁化过程的不一致,剩磁态时虽是反平等排列,但随外磁场的减小,磁结构就开始形成反磁化核,因此导致系统的磁矩变小,中间的磁矩反平行排列保持磁矩没有变化的时间不长,所以在如图1所示的磁滞回线中反平行平台并不明显.而当上、下磁层间反铁磁耦合强度较大时,SyAF纳米体系的反磁化过程是类一致反转过程,即反转过程中整个磁层内的磁化状态始终基于保持一致(如图6所示).从图6(i)和(n)可以看出,磁层间反铁磁耦耦合强度为Jex=1.2×10-3J◦m-2时,上、下磁层剩磁态微磁结构是S型结构.整个反磁化过程中上、下磁层都始终保持反平等排列,膜面内部的反转过程是完全一致反转,两极跟随膜面内部向反转方向旋转;最后再次达到反平行结构,上磁层发生了两次反转过程,因此在磁滞回线上可以看到两个明显平台.

图5 反铁磁耦合强度Jex=0.08×10-3J◦m-2的SyAF自由层从剩磁态开始随外场变化的反转过程,(a)～(d)和(e)～(h)分别为对应的上、下磁层。

3 结束语

图6 反铁磁耦合强度Jex=1.2×10-3J◦m-2的SyAF自由层从剩磁态开始随外场变化的反转过程,(i)～(m)和(n)～(q)分别为对应的上、下磁层。

利用微磁学方法研究了磁层间反铁磁耦合强度对SyAF纳米体系的反磁化过程.研究表明,随着SyAF纳米体系中上、下磁层间的反铁磁耦合强度的增大,SyAF纳米体系有两种不同的磁滞回线.当磁层间反铁磁耦合强度较小时,体系的矫顽力随反铁磁耦合强度的增大而增大,反磁化过程中,随外磁场的减小,上磁层先反转,再下磁层反转,磁性层都仅反转一次,磁滞回线中只出现一次磁层反平行排列的平台.反磁化机制为反磁化核的形成与传播的反转过程.而当磁层间反铁耦合强度较大时,体系的矫顽力基本不随反铁磁耦合强度变化,反磁化过程中,随外磁场的减小,上磁层先反转,上磁层反转时下磁层不反转,随道外磁场的继续减小,下磁层反转,下磁层反转的同时上磁层再次发生了反转,磁滞回线中只出现了两次较明显磁层反平行排列的平台.反磁化机制为类一致反转过程.磁层间的反铁磁耦合强度大于0.2×10-3J◦m-2的SyAF纳米体系具有小的矫顽力,并且在剩磁态为稳定的单畴结构,反磁化机制为类一致反转过程,更适合于作为自旋阀结构的自由层.

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