超薄磁性薄膜中疇壁動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬研究.pdf

1、過(guò)去的十幾年,人們發(fā)現(xiàn)疇壁的運(yùn)動(dòng)與諸多重要的物理現(xiàn)象相關(guān),其中鐵磁和鐵電材料中疇壁運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象一直是研究的熱點(diǎn)。在不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)外場(chǎng)下,疇壁運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變,呈現(xiàn)出豐富的相變現(xiàn)象。這是一個(gè)十分重要的研究課題:從實(shí)用角度看,它是開(kāi)發(fā)新一代立體大容量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和邏輯運(yùn)算設(shè)備的關(guān)鍵；從理論角度看,它也有助于加深對(duì)弱無(wú)序系統(tǒng)非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)的理解。當(dāng)然,疇壁運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象非常復(fù)雜,在本篇博士論文中,我們將探討其中一類(lèi)相對(duì)簡(jiǎn)單的問(wèn)題,即超薄磁性薄膜的疇壁動(dòng)力學(xué)

2、。過(guò)去人們往往使用唯象的彈性弦模型,由于未考慮微觀相互作用,其結(jié)果和實(shí)驗(yàn)存在一定差距,并且模型本身也存在不自洽性。因此在本篇博士論文中,我們?cè)噲D構(gòu)建一套包含相互作用的微觀格點(diǎn)模型,克服彈性弦模型的缺陷,研究超薄磁性薄膜中疇壁運(yùn)動(dòng)的相變現(xiàn)象。應(yīng)用遠(yuǎn)離平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)以及相關(guān)方法,我們發(fā)現(xiàn)微觀格點(diǎn)模型和彈性弦模型屬于不同的普適類(lèi),并揭示了造成兩者差別的因?yàn)?同時(shí)還解釋了新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。第三、四章是本篇博士論文的重點(diǎn)。
　　 第一章,我們簡(jiǎn)

3、單介紹磁性疇壁的定義、疇壁運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象以及研究疇壁運(yùn)動(dòng)的重要性。磁性疇壁的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,呈現(xiàn)出豐富的相變現(xiàn)象,例如有序-無(wú)序相變、釘扎相變、弛豫-蠕動(dòng)相變等。其中超薄磁性薄膜的疇壁動(dòng)力學(xué)是我們的主要研究對(duì)象,而遠(yuǎn)離平衡態(tài)的短時(shí)動(dòng)力學(xué)方法則是我們的主要研究方法。此外,我們還介紹本次工作的研究動(dòng)機(jī)和內(nèi)容:用一系列微觀格點(diǎn)模型(例如伊辛模型和隨機(jī)場(chǎng)伊辛模型)代替常用的彈性弦模型(例如QEW方程)研究超薄磁性薄膜的疇壁動(dòng)力學(xué)。通過(guò)遠(yuǎn)離平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)方

4、法,我們系統(tǒng)地分析疇壁運(yùn)動(dòng)的各種相變現(xiàn)象,并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。
　　 第二章,我們系統(tǒng)地研究有序.無(wú)序相變時(shí)疇壁界面的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,并和表面生長(zhǎng)過(guò)程相比較。由于沒(méi)有驅(qū)動(dòng)外場(chǎng),疇壁平均位置不變,但是疇壁界面變得越來(lái)越粗糙。通過(guò)引入空間標(biāo)度x,我們系統(tǒng)地分析疇壁在相變時(shí)的動(dòng)力學(xué)標(biāo)度行為,并測(cè)量得到新的臨界指數(shù)值β0／ν,d0,dw,描述疇壁界面生長(zhǎng)和粗糙化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特征,和表面生長(zhǎng)過(guò)程不同。通過(guò)分析各種不同情況下(例如不同的空間維

5、度、模型、相變類(lèi)型、疇壁結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)類(lèi)型等)有序-無(wú)序相變的疇壁動(dòng)力學(xué),我們發(fā)現(xiàn)疇壁普適的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,符合我們的解析計(jì)算結(jié)果。
　　 第三章,應(yīng)用帶弱無(wú)序相互作用的微觀格點(diǎn)模型,我們系統(tǒng)地研究疇壁運(yùn)動(dòng)的釘扎相變現(xiàn)象。不同于傳統(tǒng)觀點(diǎn),我們發(fā)現(xiàn)微觀格點(diǎn)模型和彈性弦模型屬于不同的普適類(lèi),并研究了造成兩者差別的因?yàn)椤Ｒ院愣ㄍ鈭?chǎng)驅(qū)動(dòng)下的二維隨機(jī)場(chǎng)伊辛模型為例,應(yīng)用短時(shí)動(dòng)力學(xué)方法,我們不但精確地定出相變點(diǎn)、獲得各物理量的動(dòng)力學(xué)標(biāo)度行為,還測(cè)量

6、得到各種臨界指數(shù)值。它們普遍與QEW方程的有著10％～30％的差別,表明微觀格點(diǎn)模型和彈性弦模型確實(shí)屬于不同的普適類(lèi),而造成兩者差別的因?yàn)槭轻斣嘧儠r(shí)出現(xiàn)的懸突和小島等微觀構(gòu)形。通過(guò)系統(tǒng)地分析釘扎相變的懸突動(dòng)力學(xué),我們發(fā)現(xiàn)懸突等微觀構(gòu)形的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是釘扎相變的相關(guān)參量,而它們的生長(zhǎng)機(jī)制卻和疇壁運(yùn)動(dòng)完全不同。
　　 第四章,通過(guò)構(gòu)建含時(shí)的微觀格點(diǎn)模型,我們解釋了新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,應(yīng)用數(shù)值模擬的方法得到了實(shí)驗(yàn)中弛豫-蠕動(dòng)相變的Cole-

7、Cole圖。通過(guò)測(cè)量不同溫度和交變外場(chǎng)頻率下的復(fù)數(shù)磁化率,我們系統(tǒng)地研究了交變外場(chǎng)下疇壁運(yùn)動(dòng)的弛豫態(tài)和蠕動(dòng)態(tài)行為,對(duì)應(yīng)著Cole-Cole圖中的半圓形曲線和直線。此外,我們還測(cè)得臨界指數(shù)值β,反映由溫度熱效應(yīng)導(dǎo)致的疇壁蠕動(dòng)行為的特征。我們發(fā)現(xiàn)疇壁運(yùn)動(dòng)中存在兩個(gè)特征頻率f1,f2,將整個(gè)頻率空間分為三個(gè)區(qū)間,對(duì)應(yīng)著疇壁運(yùn)動(dòng)的弛豫態(tài)、蠕動(dòng)態(tài)和中間態(tài)。有趣的是,f1,f2還分別是振幅A(f,T)和相位延遲δ(f,T)行為的轉(zhuǎn)折點(diǎn),暗示著疇壁的