張光富,曾專武,鄧曙光,楊 冰

(湖南城市學院物理與電子信息工程系,湖南益陽413000)

近年來,自旋閥結構納米體系由于在高密度磁記錄介質以及讀出磁頭、磁傳感器等磁納米信息器件中的廣泛應用而倍受人們關注.自旋閥結構納米體系用于磁信息記錄和信息處理時,剩磁態(tài)的微磁結構和反磁化機制等磁特性直接影響磁信息器件的性能.如何獲得小的反轉場、準一致的反磁化過程、具有穩(wěn)定剩磁單疇微磁結構已成為提高磁信息器件性能的關鍵問題.隨著磁信息器件的發(fā)展,磁性膜層的尺寸要求越來越小,膜層尺寸的減小,膜層兩極引起的退磁能將越來越大,導致反轉場顯著的增大.雖可以通過增大長寬比來減小反轉場,但大的長寬比易產生多疇結構誘導不穩(wěn)定的反磁化過程[1-2].因此,傳統(tǒng)的自旋閥結構已不利于磁信息器件的發(fā)展.最近人們提出了利用合成的反鐵磁耦合三層膜結構(synthetic antiferromagnet(SyAF))體系代替自旋閥結構的單層自由層[3-4].SyAF體系由磁層M1/非磁層/磁層M2組成,由于反鐵磁耦合作用使上、下磁層的磁矩反平行排列而產生閉合磁回路,減小了兩極產生的退磁場以及與鄰近鐵磁層的靜磁耦合作用,更利于剩磁態(tài)時系統(tǒng)單疇微磁結構的形成,也有利于反轉場的減小.大量研究表明,具有SyAF自由層的自旋閥比傳統(tǒng)自旋閥結構能獲得更小的反轉場,具有穩(wěn)定剩磁態(tài)單疇微磁結構[3-14].SyAF作為自旋閥結構體系的一個重要組成部分,SyAF的磁特性、反磁化機制必將對體系的磁特性、反磁化機制產生巨大的影響,從而影響磁信息器件的性能.而磁層的結構參數(shù)(尺寸大小、形狀)和磁參數(shù)(飽和磁化強度、交換作用強度、磁晶各向異性參數(shù)等)的改變都將對SyAF的磁特性、反磁化機制產生巨大的影響.人們研究了膜面大小[4,10-14]、磁層厚度[3,10-14]對反轉場,反磁化機制的影響,但磁層的磁參數(shù)對SyAF的磁特性、反磁化機制影響卻仍不清楚.本文利用微磁學方法研究磁層間反鐵磁耦合強度大小不同時,SyAF納米體系的磁特性以及反磁化機制.

1 微磁學模擬方法

微磁學理論被廣泛的用來研究磁性納米結構體系的磁學性質[6,10,15],它是一個連續(xù)介質理論,在這一理論中磁體穩(wěn)定的磁矩分布由磁體吉布斯自由能極小值來確定,磁矩的動力學變化過程遵循Landau-Lifshitz-Gilbert動態(tài)方程:

其中:M是磁化強度矢量,γ是旋磁比,α為阻尼系數(shù),Heff代表有效場,它包括交換場、磁晶各向異性場、退磁場、外磁場和反鐵磁耦合場.本文采用微磁學計算軟件OOMMF[16]對SyAF結構的動力學反磁化過程進行模擬,模擬基于有限差分的思想,把SyAF結構三層膜進行適當?shù)木W格劃分,假定每個網格內磁矩分布是均勻的,計算每個網格內的有效場,并求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程,得到磁化強度矢量的動力學變化過程,從而獲得磁體的微磁結構分布.我們對CoFe(4 nm)/Ru(1 nm)/CoFe(6 nm)進行了模擬,括號內為膜層的厚度,膜面大小為400 nm×400 nm,磁性層飽和磁化強度|MS|=1.4×106A?m,交換常數(shù)為A=1.05×10-11J?m-1;磁晶各向異性常數(shù)K=1.3×103J?m-3,易磁化軸方向為(1 0 0),阻尼系數(shù)α為0.5.

2 結果與討論

對由CoFe/Ru/CoFe組成的SyAF納米體系進行微磁學模擬,首先沿(100)方向加足夠大的外磁場,使磁性層沿該方向達到完全飽和磁化,然后逐漸把外場減小到相反方向,當外場沿相反方向達到反轉場(Hsw)時,磁矩將發(fā)生反轉.在保持磁結構參數(shù)、磁晶各向異性常數(shù)以及交換常數(shù)不變的情況下,模擬了磁層間具有不同的反鐵耦合強度(0.05×10-3J?m-2～4×10-3J?m-2)的SyAF納米體系的動力學反磁化過程.模擬發(fā)現(xiàn),當SyAF納米體系的上、下磁層間的反鐵磁耦合強度較小時(<0.2×10-3J?m-2),出現(xiàn)如圖1所示的磁滯回線.從圖1中可以看出,在反磁化過程中,SyAF納米體系的上、下磁層都僅發(fā)生了一次反轉.上磁層先反轉(上層的厚度小于下層的厚度),在剩磁態(tài)時,上、下磁層達到了反平行排列,隨外磁場繼續(xù)減小,下磁層反轉,達到反向飽和態(tài),中間只出現(xiàn)一次磁化矢量反平行排列過程;這可能是由于上下層間的反鐵磁耦合能太小,下磁層反轉過程中,反鐵磁耦合能不足以使上磁層隨下磁層再次發(fā)生反轉.當反鐵磁耦合強度較大時,出現(xiàn)圖2所示的磁滯回線,在反磁化過程中上磁層出現(xiàn)兩次反轉,隨外磁場從飽和場減小,上磁層先發(fā)生反轉,下磁層不反轉,在剩磁態(tài)時,上、下磁層達到了反平行排列,隨外磁場繼續(xù)減小,下磁層反轉,在下磁層反轉的同時,上磁層再次反轉,反磁化過程中再次出現(xiàn)上、下磁層再次反平行排列,因此在磁滯回線上可以看出兩個明顯的平臺,如圖2中的插圖為Jex=1.2×10-3J?m-2的磁滯回線中心部分.模擬還發(fā)現(xiàn)當磁層間反鐵磁耦合強度大于Jex=0.2×10-3J?m-2時,磁滯回線中心部分完全重合,另外從插圖中也看出磁體系的矯頑力能很好反應磁矩的反轉場的大小.圖3給出了SyAF納米體系的矯頑力隨反鐵磁耦合強度的變化曲線.從圖3中可以看出,反鐵磁耦合強度達到Jex=0.2×10-3J?m-2這個臨界點時,矯頑力達到最小值(僅為13 mT),然后隨反鐵磁耦合強度的增大,矯頑力先增大后不隨反鐵磁耦合強度變化.從圖4可以看出SyAF納米體系的飽和場隨反鐵磁耦合強度的增大線性增大.

圖1 反鐵磁耦合強度為Je x=0.08×10-3J?m-2 SyAF納米體系的磁滯回線

圖2 反鐵磁耦合強度為Jex=1.2×10-3J?m-2SyAF納米體系的磁滯回線,插圖為J=1.2×10-3J?m-2的磁滯回線中心

圖3 SyAF納米體系的矯頑力隨磁層反鐵磁耦合強度大小的變化曲線

圖4 SyAF納米體系的飽和場隨磁層反鐵磁耦合強度大小的變化曲線

磁滯回線的不同也預示著磁體系存在著不同的反磁化機制.圖5給出了反鐵磁耦合強度為Jex=0.08×10-3J?m-2的SyAF納米體系在不同時刻上下磁層的微磁結構分布,圖5(a)和(e)分別為SyAF納米體系上、下磁層在剩磁態(tài)時的微磁結構,上、下磁層形成反平行的U型微磁結構.由于U型微磁結構邊緣疇為反對稱結構,為了減小體系退磁能,反磁化過程中更利于反磁化核的形成,因此反磁化過程中,下磁層開口向下的U型口越來越小,慢慢閉合形成渦旋反磁化核結構(如圖5(f)和(g)所示),最后反磁化核移出膜面消失,下磁層完全反轉;而在下磁層反轉過程中,由于上、下磁層間反鐵磁耦合強度較小時,反鐵磁耦合能不足以使上磁層再次形核,因而不易反轉.在整個過程中,上、下磁層都只反轉一次,反磁化過程是伴隨反磁化核形成與消失的反轉過程.正因為反磁化過程的不一致,剩磁態(tài)時雖是反平等排列,但隨外磁場的減小,磁結構就開始形成反磁化核,因此導致系統(tǒng)的磁矩變小,中間的磁矩反平行排列保持磁矩沒有變化的時間不長,所以在如圖1所示的磁滯回線中反平行平臺并不明顯.而當上、下磁層間反鐵磁耦合強度較大時,SyAF納米體系的反磁化過程是類一致反轉過程,即反轉過程中整個磁層內的磁化狀態(tài)始終基于保持一致(如圖6所示).從圖6(i)和(n)可以看出,磁層間反鐵磁耦耦合強度為Jex=1.2×10-3J?m-2時,上、下磁層剩磁態(tài)微磁結構是S型結構.整個反磁化過程中上、下磁層都始終保持反平等排列,膜面內部的反轉過程是完全一致反轉,兩極跟隨膜面內部向反轉方向旋轉;最后再次達到反平行結構,上磁層發(fā)生了兩次反轉過程,因此在磁滯回線上可以看到兩個明顯平臺.

圖5 反鐵磁耦合強度Jex=0.08×10-3J?m-2的SyAF自由層從剩磁態(tài)開始隨外場變化的反轉過程,(a)～(d)和(e)～(h)分別為對應的上、下磁層。

3 結束語

圖6 反鐵磁耦合強度Jex=1.2×10-3J?m-2的SyAF自由層從剩磁態(tài)開始隨外場變化的反轉過程,(i)～(m)和(n)～(q)分別為對應的上、下磁層。

利用微磁學方法研究了磁層間反鐵磁耦合強度對SyAF納米體系的反磁化過程.研究表明,隨著SyAF納米體系中上、下磁層間的反鐵磁耦合強度的增大,SyAF納米體系有兩種不同的磁滯回線.當磁層間反鐵磁耦合強度較小時,體系的矯頑力隨反鐵磁耦合強度的增大而增大,反磁化過程中,隨外磁場的減小,上磁層先反轉,再下磁層反轉,磁性層都僅反轉一次,磁滯回線中只出現(xiàn)一次磁層反平行排列的平臺.反磁化機制為反磁化核的形成與傳播的反轉過程.而當磁層間反鐵耦合強度較大時,體系的矯頑力基本不隨反鐵磁耦合強度變化,反磁化過程中,隨外磁場的減小,上磁層先反轉,上磁層反轉時下磁層不反轉,隨道外磁場的繼續(xù)減小,下磁層反轉,下磁層反轉的同時上磁層再次發(fā)生了反轉,磁滯回線中只出現(xiàn)了兩次較明顯磁層反平行排列的平臺.反磁化機制為類一致反轉過程.磁層間的反鐵磁耦合強度大于0.2×10-3J?m-2的SyAF納米體系具有小的矯頑力,并且在剩磁態(tài)為穩(wěn)定的單疇結構,反磁化機制為類一致反轉過程,更適合于作為自旋閥結構的自由層.

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