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平整与非平整基底表面磁性薄膜的物理特性研究

作　者: 焦志伟
导　师: 叶高翔
学　校: 浙江大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 交换偏置铁磁层自旋玻璃态双层膜自旋密度波磁性薄膜薄膜系统反铁磁材料磁特性多层膜结构磁滞回线磁各向异性矫顽力居里温度薄膜磁性一致转动磁滞行为巨磁电阻交换耦合薄膜样品
分类号: O484.43
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

交换偏置机理是自旋阀巨磁电阻、硬盘磁头和磁随机存储器等元器件所用到的关键物理基础之一。对铁磁(FM)／反铁磁(AFM)薄膜系统中交换偏置效应的研究是磁电子学中一个重要的议题。近几十年来,人们对其进行了广泛研究并取得很大进展,但至今仍有一些问题尚不清楚。目前,在人们所研究的FM/AFM交换偏置系统中,铁磁层材料的居里温度Tc往往高于反铁磁层材料的奈尔温度TN,而对TC<TN的FM/AFM系统中交换偏置规律则研究甚少。本论文采用磁控溅射方法分别在载玻片和Si(100)基底上沉积Cr(TN= 311K) /Gd(Tc= 293 K)、Cr/Tb(Tc= 216 K)双层膜和多层膜系统,并研究了此类系统中交换偏置场HE、矫顽力HC与温度的关系以及退火处理对其微观结构和磁特性的影响。在上述两种系统中,铁磁层钆(Gd)和铽(Tb)的居里温度均低于反铁磁层铬(Cr)的奈尔温度。另外,本文还采用气相沉积方法在α-Al2O3陶瓷自然断面上成功制备铁薄膜逾渗系统,并研究了其微观结构和低温磁特性。研究结果表明：TC和TN的相对大小、铁磁层(Gd、Tb)和反铁磁层Cr的特殊磁结构均显著影响Cr/Gd、Cr/Tb薄膜系统的HE和Hc随温度的变化行为。对Tc略小于TN的Cr/Gd双层膜和多层膜系统,实验发现：(1)交换偏置场HE随温度的变化行为HE(T)与TC>TN的FM/AFM薄膜系统完全不同；(2)首次在TC<TN的FM/AFM薄膜系统中观察到正交换偏置现象；(3)当T>TN时交换偏置现象仍然存在。研究结果表明：由于TC与TN非常接近,在Tc< T< TN以及T稍稍大于TN的温度范围内,铁磁层受反铁磁层的强烈影响,从而导致了此类薄膜系统的反常HE(T)行为；正交换偏置的出现与Cr的自旋密度波波长随温度变化有关；当T>TN时,Gd层保持铁磁有序态,Cr层表现为公度自旋密度波反铁磁相,二者在界面发生交换耦合,因此导致交换偏置现象仍然存在。实验证明,Cr/Gd薄膜样品的矫顽力H。随温度变化行为Hc(T)与Gd层的磁结构、Cr层厚度和Gd与Cr在界面处的交换耦合有关。在Cr/Gd薄膜系统中并未观察到矫顽力增强效应,这是由磁化翻转过程的非一致转动造成的。对Cr(102nm)/Gd(90nm)双层膜、Cr(102nm)/Gd(90nm)/Cr(102nm)三层膜和[Cr(20.4nm)/Gd(18nm)]5多层膜样品,HC随温度非单调变化。当80 K<T<205K时,Hc随温度升高而逐渐减小,在T=205K达到极小值；在205 K<T<255 K温度范围内,随着温度的升高,Gd的易磁化方向与c轴夹角由0°逐渐变成90°,导致了Hc随温度升高而增大的反常现象；当255K<T<Tc时,HC又随温度升高而急剧减小；但是当T>TC时,受反铁磁Cr层的影响,Gd的各向异性突然增强,导致矫顽力随温度升高而增大。然而,对于[Cr(3.4nm)/Gd(3nm)]30多层膜样品,由于Cr层厚度较小,相邻Gd层之间通过中间Cr层发生耦合,铁磁Gd层与反铁磁Cr层的界面耦合与相邻铁磁Gd层层间耦合的共存导致了此类多层膜的Hc随温度升高线性减小。对Cr/Gd/Cr三层膜,退火热处理显著影响了其微观结构和磁特性。X射线衍射(XRD)结果显示：退火前样品呈无定形或微晶结构,而退火后的样品呈多晶结构。磁测量结果表明：(1)退火使样品矫顽力减小。(2)退火前样品在T<260K温度范围虽然表现出磁滞行为,但即使在15000 Oe的较强磁场下样品也未出现饱和磁化；在260 K<T<295 K时,样品呈现超顺磁特性。而退火后的样品在T<295 K时呈现铁磁特性,易饱和磁化。对于Tc远小于TN的Cr/Tb双层膜和多层膜系统,其HE(T)和H。(T)行为与Cr/Gd薄膜系统的情况都明显不同。在Cr/Tb多层膜中只观察到负交换偏置现象,HE的绝对值随温度升高而单调减小,在居里温度处HE降为零；对于Cr/Tb双层膜,HE随温度的升高由负转变为正,此现象再次证明了反铁磁Cr的自旋密度波波长随温度升高而增大的事实。磁测量结果表明,双层膜和多层膜样品的矫顽力H。均随温度升高线性减小。对于Cr/Tb双层膜,HE和HC与Cr层厚度的关系曲线中有峰值出现。对沉积在α-Al2O3陶瓷自然断面上铁薄膜的XRD结果显示：此类铁薄膜呈现微晶结构。场发射扫描电子显微镜的表面分析结果显示,样品中出现了非平整薄膜特征。磁测量结果表明：由于薄膜表面磁各向异性的无序和表面的氧化,铁膜中同时存在类自旋玻璃态和铁磁相。此类铁薄膜的矫顽力随温度变化行为HC(T),在T=10 K附近,有一明显的极大值峰,此奇异矫顽力行为与铁薄膜样品中的类自旋玻璃态有关。类自旋玻璃态中的冻结自旋与铁磁相的可翻转自旋之间的交换耦合,导致铁薄膜样品中出现了明显的交换偏置现象。交换偏置场随温度的变化关系HE(T)与冷却场大小HCF有关,当HCF=2000 Oe时,HE在测量温度范围内始终为负值；当HCF=20000 Oe时,随着温度的升高,HE出现由负到正的转变。不论冷却场大小,HE(T)在T=5 K附近均出现了极小值。本文各章节内容如下：第一章：综述磁交换偏置现象的基本特征、相关效应、理论模型、实验规律和磁性薄膜的研究现状。第二章：介绍薄膜样品制备和性质表征的实验原理和方法。第三章：系统研究TC略小于TN的Cr/Gd双层膜和多层膜中交换偏置场以及矫顽力随温度的变化规律,同时研究了退火处理对Cr/Gd/Cr三层膜的微观结构和磁特性的影响。第四章：研究TC远小于TN的Cr/Tb双层膜和多层膜的交换偏置场以及矫顽力随温度的变化规律。第五章：详细报道沉积在α-Al2O3陶瓷自然断面上铁薄膜的微观结构以及奇异低温磁特性。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-13
第一章绪论  13-35
  1.1 磁性薄膜的研究现状  13-18
    1.1.1 磁性薄膜的功能  13-14
    1.1.2 金属薄膜和氧化物磁性薄膜  14-16
    1.1.3 自旋阀巨磁电阻  16-18
  1.2 交换偏置现象及其理论模型  18-24
    1.2.1 交换偏置现象  18-19
    1.2.2 交换偏置理论模型  19-24
  1.3 交换偏置现象的实验规律  24-30
    1.3.1 交换偏置的温度效应和磁锻炼效应  24-26
    1.3.2 冷却场对交换偏置的影响及正交换偏置  26-27
    1.3.3 反铁磁层的厚度和结构取向对交换偏置的影响  27-28
    1.3.4 交换偏置和铁磁层厚度的关系  28
    1.3.5 交换偏置的角度依赖关系  28-30
  1.4 本文研究内容及其意义  30-32
  参考文献  32-35
第二章薄膜的制备及其性质表征  35-46
  2.1 薄膜制备方法  35-38
    2.1.1 直流磁控溅射法  36-37
    2.1.2 射频磁控溅射法  37-38
  2.2 薄膜厚度的测量  38-40
    2.2.1 α台阶仪法  38-39
    2.2.2 石英晶振法  39-40
  2.3 薄膜形貌的表征  40-41
    2.3.1 扫描电子显微镜分析  40
    2.3.2 X射线衍射分析  40-41
  2.4 薄膜磁性能的测量  41-45
    2.4.1 振动样品磁强计(VSM)  42-43
    2.4.2 多功能材料物理特性测量系统(PPMS)  43-45
  参考文献  45-46
第三章 Cr/Gd双层膜和多层膜的微观结构及其磁特性  46-76
  3.1 引言  46-52
    3.1.1 铁磁/反铁磁薄膜中交换偏置场HE的温度行为  46-47
    3.1.2 矫顽力的基本理论模型  47-49
    3.1.3 Gd和Cr的磁结构  49-52
  3.2 实验方法  52-53
  3.3 薄膜的微观结构  53-54
    3.3.1 Cr/Gd双层膜和Cr/Gd/Cr三层膜的微观结构  53-54
    3.3.2 Cr/Gd多层膜的微观结构  54
  3.4 薄膜磁特性的测量和研究  54-67
    3.4.1 Gd薄膜的居里温度  54-56
    3.4.2 Cr/Gd双层膜和多层膜的奇异磁滞行为  56-59
    3.4.3 矫顽力随温度的变化  59-62
    3.4.4 交换偏置场HE随温度的变化  62-65
    3.4.5 冷却场对Cr/Gd双层膜交换偏置效应的影响  65-67
  3.5 退火处理对Cr/Gd/Cr三层膜磁特性的影响  67-72
    3.5.1 对薄膜磁滞回线的影响  67-70
    3.5.2 对薄膜的磁相及剩磁的影响  70-72
  3.6 结论  72-73
  参考文献  73-76
第四章 Cr/Tb薄膜系统的矫顽力和交换偏置效应  76-94
  4.1 铽(Tb)的磁结构  76-77
  4.2 实验方法  77
  4.3 Cr/Tb双层膜和多层膜的微观结构与磁特性  77-91
    4.3.1 Cr/Tb双层膜的微观结构  77-78
    4.3.2 Ta/Tb薄膜的磁特性  78-80
    4.3.3 Cr/Tb双层膜和多层膜的奇异磁滞行为  80-85
    4.3.4 矫顽力和交换偏置效应  85-91
  4.4 结论  91-93
  参考文献  93-94
第五章 α-Al_2O_3陶瓷自然断面上铁膜的磁特性  94-113
  5.1 引言  94
  5.2 自旋玻璃态  94-96
  5.3 实验方法  96-97
  5.4 铁薄膜的微观结构和表面形貌  97-98
  5.5 低温磁特性的测量和研究  98-110
    5.5.1 奇异的磁滞行为  98-100
    5.5.2 反常的磁各向异性  100-102
    5.5.3 类自旋玻璃态  102-106
    5.5.4 铁磁——反铁磁交换耦合  106-109
    5.5.5 反常的热剩磁  109-110
  5.6 结论  110-111
  参考文献  111-113
附录攻读博士期间已发表和待发表的论文目录  113-114
致谢  114

平整与非平整基底表面磁性薄膜的物理特性研究

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