交换偏置各向异性的定量测量刘方泽0530092黄鑫0557005摘要.DOC

交换偏置各向异性的定量测量 刘方泽 0530092 黄鑫 0557005 摘要：本文研究了利用纵向磁光克尔效应（Longitudinal magneto-optical Kerr effect, LMOKE）结合旋转磁场的方法（LMOKE with a rotating field, ROTMOKE）定量测量Co/IrMn双层膜中交换偏置各向异性的可能性，通过与LMOKE的测量结果比较，我们认为很难通过ROTMOKE方法得到准确的交换偏置各向异性常数，原因是受IrMn反铁磁层的影响，铁磁层Co成为多畴态并且易轴方向会随外磁场的转动而发生变化。 关键词：交换偏置，磁光克尔效应 1．引言 在磁场中沉积铁磁(FM)/反铁磁(AFM)双层膜或将FM/AFM体系在恒定外磁场中从温度T(T高于奈尔温度(TN)而低于居里温度(TC))，冷却至低于TN后，FM/AFM界面发生交换耦合作用，体系的磁滞回线沿磁场反方向偏移原点，同时伴随有矫顽场(HC)的增加，这一现象称为交换偏置，偏移量称为交换偏置场(HE)，如图1。1956年Meiklejohn和Bean在研究被CoO包裹的Co颗粒时首次发现了这一现象[1]，近年来由于FM/AFM双层膜在自旋阀巨磁电阻器件以及磁记录领域具有重要应用价值[2]，对其物理性质的研究也成为了人们关注的热点之一。 交换偏置体系的能量密度可表示为： 其中H是外磁场，MFM是铁磁层饱和磁化强度，KFM是铁磁层各向异性常数，JINT交换耦合系数，φ和β分别是铁磁层和反铁磁层磁化强度与易轴的夹角。当E取最小值时有： 其中MFM是铁磁层饱和磁化强度，HE即交换偏置各向异性常数，是交换偏置现象中的一个重要参数，但是目前定量测量HE的方法并不多。1999年Mattheis等提出了用ROTMOKE方法准确测量铁磁薄膜的各向异性常数的方法[3]，受此启发，我们希望将ROTMOKE应用于定量测量HE，如果能够成功，对于交换偏置的研究将有很大帮助。 本文讨论了用ROTMOKE方法测量Co/IrMn双层膜交换偏各向异性的实验方法，对实验数据的分析表明用ROTMOKE很难准确测得交换偏置各向异性常数。 2．实验原理与装置 实验样品IrMn/Co尺寸为48mm×18mm，由磁控溅射设备完成。先在 Si 衬底上溅射一层 Cu(127.5?)缓冲层来诱导反铁磁层 IrMn 的 (111) 晶向，IrMn层为沿衬底纵向的楔形，厚度0-30 ?，之上是铁磁层Co(38 ?)，其易轴沿IrMn梯度方向，最后沉积一层Cu(42.5 ?)以防止氧化。在整个制备过程中，样品始终处于平行于IrMn梯度方向的外磁场内，因此AFM层中便诱导产生了单向各向异性。 假设样品中Co是单畴态，IrMn层磁矩方向与Co易轴方向相同并且固定不变，那么样品置于外磁场中时的能量密度可表示为： 其中Ku是单轴各向异性常数，MS是饱和磁化强度，Hex表示交换偏置各向异性常数，V是铁磁层体积，H是外磁场，α、φ分别是H和MS与易轴(ea)方向的夹角，如图2(a)，等式右侧第一项表示FM层在H中的能量，第二项表示FM层单轴各向异性能，第三项表示FM层在Hex中的能量。将(3)式对φ求导数并令其等于零便有： 令HKu=2Ku/MS得到： 由于 其中L是转矩，可令l=L/VMS，于是： 考虑到实际测量时的误差，在上式中加入误差项a和x0，成为： (8)式中H和α已知，只需求出φ便可通过l(α)对φ拟合得到HKu和Hex，为此可使用纵向磁光克尔效应与旋转磁场结合(ROTMOKE)的实验方法[3]。 纵向磁光克尔效应的克尔转角θK可表示为[4,5]： 其中m1、mtα=0°时的克尔转角，等式右侧第二项为小量，可在后面的数据处理中消去，上式成为： 这样φ便可由m1=cosφ求得： 用可旋转的外磁场代替LMOKE实验装置[6]中固定的外磁场就得到了ROTMOKE实验装置，如图2(b)。磁场由电磁铁产生，强度通过电流控制，借助步进电机实现360°旋转。实验使用的激光波长670nm，入射角约45°，样品表面的光斑直径小于0.2mm，这样通过水平和垂直移动样品，我们就可以对样品表面任意点进行测量。 进行LMOKE测量时，首先调整磁场方向和激光入射面，使其保持水平，再将样品沿IrMn梯度方向水平放置，每隔1mm测量磁滞回线，如图1，根据磁滞回线便可得到该位置的HE和HC。进行ROTMOKE测量时，磁场从α=0开始旋转，每5°测量磁滞回线，如图3(a)，将磁滞回线上最大值与最小值相减就得到θk ，θk 与α的关系曲线如图3(b)，θk 的最大值即为θsat。由(11)式得到φ，(7)式得到l(α)，做出l(α)与φ的关系曲线并对(8)式进行拟合，这样就得到了样品某一点处的HKu和Hex，如图4。 3．结果与讨