平整與非平整基底表面磁性薄膜的物理特性研究.pdf

1、交換偏置機(jī)理是自旋閥巨磁電阻、硬盤(pán)磁頭和磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等元器件所用到的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)之一。對(duì)鐵磁(FM)/反鐵磁(AFM)薄膜系統(tǒng)中交換偏置效應(yīng)的研究是磁電子學(xué)中一個(gè)重要的議題。近幾十年來(lái)，人們對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究并取得很大進(jìn)展，但至今仍有一些問(wèn)題尚不清楚。目前，在人們所研究的FM/AFM交換偏置系統(tǒng)中，鐵磁層材料的居里溫度Tc往往高于反鐵磁層材料的奈爾溫度TN，而對(duì)Tc＜TN的FM/AFM系統(tǒng)中交換偏置規(guī)律則研究甚少。
　　 本論文

2、采用磁控濺射方法分別在載玻片和Si(100)基底上沉積Cr(TN=311K)/Gd(Tc=293 K)、Cr/Tb(Tc=216 K)雙層膜和多層膜系統(tǒng)，并研究了此類(lèi)系統(tǒng)中交換偏置場(chǎng)HE、矯頑力Hc與溫度的關(guān)系以及退火處理對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和磁特性的影響。在上述兩種系統(tǒng)中，鐵磁層釓(Gd)和鋱(Tb)的居里溫度均低于反鐵磁層鉻(Cr)的奈爾溫度。另外，本文還采用氣相沉積方法在α-Al2O3陶瓷自然斷面上成功制備鐵薄膜逾滲系統(tǒng)，并研究了其微觀結(jié)

3、構(gòu)和低溫磁特性。
　　 研究結(jié)果表明：Tc和TN的相對(duì)大小、鐵磁層(Gd、Tb)和反鐵磁層Cr的特殊磁結(jié)構(gòu)均顯著影響Cr/Gd、Cr/Tb薄膜系統(tǒng)的HE和Hc隨溫度的變化行為。
　　 對(duì)Tc略小于TN的Cr/Gd雙層膜和多層膜系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)；(1)交換偏置場(chǎng)HE隨溫度的變化行為HE(T)與Tc＞TN的FM/AFM薄膜系統(tǒng)完全不同；(2)首次在Tc＜TN的FM/AFM薄膜系統(tǒng)中觀察到正交換偏置現(xiàn)象；(3)當(dāng)T＞TN時(shí)交換偏

4、置現(xiàn)象仍然存在。研究結(jié)果表明：由于Tc與TN非常接近，在Tc＜T＜TN以及T稍稍大于TN的溫度范圍內(nèi)，鐵磁層受反鐵磁層的強(qiáng)烈影響，從而導(dǎo)致了此類(lèi)薄膜系統(tǒng)的反常HE(T)行為；正交換偏置的出現(xiàn)與Cr的自旋密度波波長(zhǎng)隨溫度變化有關(guān)；當(dāng)T＞TN時(shí)，Gd層保持鐵磁有序態(tài)，Cr層表現(xiàn)為公度自旋密度波反鐵磁相，二者在界面發(fā)生交換耦合，因此導(dǎo)致交換偏置現(xiàn)象仍然存在。
　　 實(shí)驗(yàn)證明，Cr/Gd薄膜樣品的矯頑力H。隨溫度變化行為Hc(T)與Gd

5、層的磁結(jié)構(gòu)、Cr層厚度和Gd與Cr在界面處的交換耦合有關(guān)。在Cr/Gd薄膜系統(tǒng)中并未觀察到矯頑力增強(qiáng)效應(yīng)，這是由磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程的非一致轉(zhuǎn)動(dòng)造成的。對(duì)Cr(102nm)/Gd(90nm)雙層膜、Cr(102nm)/Gd(90nm)/Cr(102nm)三層膜和[Cr(20.4nm)/Gd(18nm)]5多層膜樣品，Hc隨溫度非單調(diào)變化。當(dāng)80K＜T＜205K時(shí)，Hc隨溫度升高而逐漸減小，在T=205K達(dá)到極小值；在205 K＜T＜255 K溫

6、度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，Gd的易磁化方向與c軸夾角由0°逐漸變成90°，導(dǎo)致了Hc隨溫度升高而增大的反?，F(xiàn)象；當(dāng)255K＜T＜Tc時(shí)，Hc又隨溫度升高而急劇減??；但是當(dāng)T＞Tc時(shí)，受反鐵磁Cr層的影響，Gd的各向異性突然增強(qiáng)，導(dǎo)致矯頑力隨溫度升高而增大。然而，對(duì)于[Cr(3.4nm)/Gd(3nm)]30多層膜樣品，由于Cr層厚度較小，相鄰Gd層之間通過(guò)中間Cr層發(fā)生耦合，鐵磁Gd層與反鐵磁Cr層的界面耦合與相鄰鐵磁Gd層層間耦合的共

7、存導(dǎo)致了此類(lèi)多層膜的Hc隨溫度升高線(xiàn)性減小。
　　 對(duì)Cr/Gd/Cr三層膜，退火熱處理顯著影響了其微觀結(jié)構(gòu)和磁特性。X射線(xiàn)衍射(XRD)結(jié)果顯示：退火前樣品呈無(wú)定形或微晶結(jié)構(gòu)，而退火后的樣品呈多晶結(jié)構(gòu)。磁測(cè)量結(jié)果表明：(1)退火使樣品矯頑力減小。(2)退火前樣品在T＜260K溫度范圍雖然表現(xiàn)出磁滯行為，但即使在15000 Oe的較強(qiáng)磁場(chǎng)下樣品也未出現(xiàn)飽和磁化；在260K＜T＜295 K時(shí)，樣品呈現(xiàn)超順磁特性。而退火后的樣品在T

8、＜295 K時(shí)呈現(xiàn)鐵磁特性，易飽和磁化。
　　 對(duì)于Tc遠(yuǎn)小于TN的Cr/Tb雙層膜和多層膜系統(tǒng)，其HE(T)和H。(T)行為與Cr/Gd薄膜系統(tǒng)的情況都明顯不同。在Cr/Tb多層膜中只觀察到負(fù)交換偏置現(xiàn)象，HE的絕對(duì)值隨溫度升高而單調(diào)減小，在居里溫度處HE降為零；對(duì)于Cr/Tb雙層膜，HE隨溫度的升高由負(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，此現(xiàn)象再次證明了反鐵磁Cr的自旋密度波波長(zhǎng)隨溫度升高而增大的事實(shí)。磁測(cè)量結(jié)果表明，雙層膜和多層膜樣品的矯頑力H。均

9、隨溫度升高線(xiàn)性減小。對(duì)于Cr/Tb雙層膜，HE和Hc與Cr層厚度的關(guān)系曲線(xiàn)中有峰值出現(xiàn)。
　　 對(duì)沉積在α-Al2O3陶瓷自然斷面上鐵薄膜的XRD結(jié)果顯示：此類(lèi)鐵薄膜呈現(xiàn)微晶結(jié)構(gòu)。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡的表面分析結(jié)果顯示，樣品中出現(xiàn)了非平整薄膜特征。磁測(cè)量結(jié)果表明：由于薄膜表面磁各向異性的無(wú)序和表面的氧化，鐵膜中同時(shí)存在類(lèi)自旋玻璃態(tài)和鐵磁相。此類(lèi)鐵薄膜的矯頑力隨溫度變化行為Hc(T)，在T=10K附近，有一明顯的極大值峰，此奇異矯

10、頑力行為與鐵薄膜樣品中的類(lèi)自旋玻璃態(tài)有關(guān)。
　　 類(lèi)自旋玻璃態(tài)中的凍結(jié)自旋與鐵磁相的可翻轉(zhuǎn)自旋之間的交換耦合，導(dǎo)致鐵薄膜樣品中出現(xiàn)了明顯的交換偏置現(xiàn)象。交換偏置場(chǎng)隨溫度的變化關(guān)系HE(T)與冷卻場(chǎng)大小HCF有關(guān)，當(dāng)HCF=2000 Oe時(shí)，HE在測(cè)量溫度范圍內(nèi)始終為負(fù)值；當(dāng)HCF=20000 Oe時(shí)，隨著溫度的升高，HE出現(xiàn)由負(fù)到正的轉(zhuǎn)變。不論冷卻場(chǎng)大小，HE(T)在T=5K附近均出現(xiàn)了極小值。
　　 本文各章節(jié)內(nèi)容如下

11、：
　　 第一章：綜述磁交換偏置現(xiàn)象的基本特征、相關(guān)效應(yīng)、理論模型、實(shí)驗(yàn)規(guī)律和磁性薄膜的研究現(xiàn)狀。
　　 第二章：介紹薄膜樣品制備和性質(zhì)表征的實(shí)驗(yàn)原理和方法。
　　 第三章：系統(tǒng)研究Tc略小于TN的Cr/Gd雙層膜和多層膜中交換偏置場(chǎng)以及矯頑力隨溫度的變化規(guī)律，同時(shí)研究了退火處理對(duì)Cr/Gd/Cr三層膜的微觀結(jié)構(gòu)和磁特性的影響。
　　 第四章：研究Tc遠(yuǎn)小于TN的Cr/Tb雙層膜和多層膜的交換偏置場(chǎng)以及矯