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纳米磁性器件的微磁学精确模拟

王素梅  
【摘要】:作为应用磁学的基本理论,微磁学理论在硬盘的发展中起到了重要的指导作用。随着磁存储密度的提高,对微磁学模型准确性的要求也越来越高。单极型写磁头中存在斜边界,所以使用有限差分法模拟时会出现锯齿形边界,这一误差随着写磁头尺寸的逐渐减小会越来越明显。此外,写磁头材料的微结构对于理解磁性性能有着重要的意义,但其机制还没有研究清楚。基于此背景,本论文中我们引入了棱柱形微磁学单元,将写磁头的模型进行改善;并使用微磁学研究微结构对FeCo薄膜磁性能的改善机理。 为了模拟任意形状的薄膜器件,我们引入了棱柱形微磁学单元。我们解析计算了长方形和三角形的退磁矩阵,并通过各表面的加和得到三棱柱或者其他形状的退磁矩阵,从而解决了引入棱柱单元后静磁相互作用的计算问题,同时对交换相互作用的计算也进行了改进;并将同一器件划分为三种方式进行验证和讨论。在微磁学基本理论部分,我们发现微磁学单元的大小在某些情况下可以采用相对较大尺寸的微磁学单元,尤其是器件形状各向异性和交换相互作用较大时。这对之前微磁学单元尺寸需小于交换相互作用长度的结论进行了修正,在保证结果准确性的同时,大大缩短计算所需要的时间。 在以上工作的基础上,我们建立了写磁头和硬磁纳米岛相对准确的模型。在我们的模型中,写磁头在主极极尖薄膜厚度为20nm时,倾斜锯齿边界的影响较大,导致模拟结果不准确。写磁头在电流驱动下的驱动场远小于磁荷产生的驱动场(稳定电流为10mA),但写磁头均能充分反转;在磁道分立时,存在一个使得写磁场取得极大值的软磁底层厚度(60nm),而在连续薄膜中,软磁底层厚度为60nm和100nm时写磁场类似。硬磁纳米岛的反转时间受各向异性场的分布和交换相互作用场的强弱影响较大。 为了准确研究FeCo软磁薄膜的磁性,我们在模型中引入了微结构,这里的微结构包括晶粒分布、晶界处的磁性参数和界面处的应力场。发现各向同性的应力场对于磁滞回线并没有贡献,而界面应力场是关键因素之一。 此外,写磁头的反转性能和初始磁导率的高频响应与易轴的方向有关,当易轴垂直于薄膜时,可以获得较大的写磁场,但截止频率较小。采用稍大微磁学单元尺寸的简单模型与含微结构的模型初始磁导率的高频响应类似。


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