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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

焦志伟  
【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TCTN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TCTN的FM/AFM薄膜系统完全不同;(2)首次在TCTN的FM/AFM薄膜系统中观察到正交换偏置现象;(3)当TTN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TTN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 KT205K时,Hc随温度升高而逐渐减小,在T=205K达到极小值;在205 KT255 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255KTTc时,HC又随温度升高而急剧减小;但是当TTC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T260K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 KT295 K时,样品呈现超顺磁特性。而退火后的样品在T295 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。


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