不同形态的铁磁/反铁磁复合纳米结构中交换偏置的模拟

摘要

近年来，由于纳米磁性材料在高密度磁记录和生物医学等方面的应用，使其在基础和应用研究中受到了广泛地关注。当其应用于磁记录时，最大的挑战是如何克服纳米尺度下材料在有限温区出现的超顺磁性，因为这种现象会破坏记录单元的热稳定性。经研究发现，复合纳米磁性材料中的交换偏置效应有可能成为解决此类问题的关键性技术。受近期实验的启发，本论文使用经典的Heisenberg模型并采用修正韵Monte Carlo方法模拟研究了不同形态结构的纳米系统的交换偏萋效应，这些形态包括核-基底、核-壳、“类合金”和纳米柱。
　　本论文对标准的Monte Carlo方法进行了修正。不仅考虑了系统内所有自旋在任意方向上的热扰动，同时计算了它们在任意时刻的能量以考察在反转过程中是否存在势垒。标准Monte Carlo方法的接受概率是由自旋初末两态的能量差决定的，而本论文中若自旋反转需要跨越势垒，则其新态的接受概率由初态与势垒的能量差决定。通过修正，使Monte Carlo方法能更好的运用到具有有限各向异性大小的系统中。
　　首先，本论文研究了核-基底形态系统的交换偏置效应。当铁磁/反铁磁界面为反铁磁性耦合时，强场降温后交换偏置场可能出现正值，并且反铁磁性的界面耦合越弱正交换偏置现象越容易出现。矫顽力受冷却场的影响很小，但随着界面耦合变化却表现出相对于零界面耦合轴对称的趋势。冷却场方向的改变仅仅决定于在测量方向上磁化强度投影值的大小，但是测量场方向的变化却可能改变磁化反转机制。此外，反铁磁体的交换耦合越强，其反铁磁序越稳定、界面处净剩磁越小，导致交换偏置场较小;然而，随着反铁磁体的各向异性的增强，弱场降温后交换偏置场单调负向增大，而强场降温后会表现出先负向增大，然后突然改变符号向正向增大，最终稳定。这些现象是由于系统内交换耦合能尤其是铁磁/反铁磁界面耦合能、反铁磁体的各向异性能，以及降温过程和磁化过程中的Zeeman能之间的竞争造成的。若互换核与基底之间的磁性，交换偏置场与矫顽力也会因为其内部铁磁和反铁磁自旋分布和数量的变化而发生改变，但是它们受其它因素影响的趋势却不变。
　　其次，本论文研究了反铁磁核-铁磁壳形态系统的交换偏置效应。模拟结果表明其与温度、界面耦合、尺寸、反铁磁体中缺陷的依赖关系以及其“锻炼效应”都与实验发现很一致。当此形态系统的形状为卵形时，其交换偏置效应随冷却场以及反铁磁核尺寸和位置的变化关系反映出在其中存在着除了反铁磁核之外的另一种成分——硬铁磁颗粒表面，作为新的产生交换偏置效应的钉扎源的事实。然而，正是由于存在这种额外的作用，使结果与从传统形态系统中获得的结果差别很大。
　　然后，本论文研究了“类合金”形态系统的交换偏置效应。因为“类合金”形态是实验中最常用也是最容易获得的形态结构之一。研究发现交换偏置的阻隔温度随冷却场增强单调减小;而随系统中铁磁成分比例增大是先稍微减小，而后快速减小，最后变为零。它的行为与层状系统结果最大的区别在于当铁磁成分较多时阻隔温度可能会突然地增大或减小而偏离主曲线趋势，这是由于随机地放置铁磁和反铁磁成分造成的。另外，在这类系统中交换偏置效应强烈依赖于铁磁/反铁磁接触面的形态。当接触面自旋一致取向时，交换偏置场不仅比随机取向时获得的结果大十倍左右，甚至强场降温后，交换偏置场与磁化强度竖直偏移量的线性关系也能得到。矫顽力的行为受冷却场影响表现出三种行为，这也是由于成分比例变化引起的铁磁/反铁磁接触面变化造成的。当接触面自旋随机取向时，交换偏置场的行为变得复杂，而矫顽力在铁磁和反铁磁成分比为1∶1时最大。磁滞回线两支的矫顽场行为直接地解释了上述的结果，表明此类形态系统的交换偏置效应不仅与铁磁/反铁磁接触面的交换耦合作用和降温过程中的冷却场强弱有关，同时还强烈依赖于磁化过程中的外磁场方向。
　　最后，本论文研究了纳米柱形态系统的交换偏置效应。结果表明，随着纳米柱切割长度和纳米柱圆平面的倾斜角度的变化，摆动的交换偏置行为将分别被观察到。但是，矫顽力随切割长度变化却是单调减小的，而随倾斜角度变化仍是摆动的。通过分析系统的微观自旋构型和磁滞回线中的磁化反转机制，摆动的交换偏置行为主要是由于系统形状的变化引起了界面耦合的能量变动以及不均匀的畴分布。
　　总的来说，本论文利用修正的Monte Carlo方法模拟研究了不同形态的铁磁/反铁磁复合纳米结构中的交换偏置效应。通过计算磁化强度、微观自旋构型和自旋能量分布，以及磁滞回线等物理量，阐明了不同形态纳米系统的交换偏置效应的微观起源。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 物质磁性及纳米磁性材料

1．1．1 物质磁性的发展及分类

1．1．2 纳米科技及纳米磁性材料

1．2 磁记录概述

1．2．1 磁记录的发展历程

1．2．2 典型的磁记录模式

1．2．3 磁记录介质

1．3 交换偏置

1．3．1 基本现象

1．3．2 纳米结构的交换偏置系统的形态

1．3．3 纳米结构的交换偏置研究的主要内容

1．4 本论文的主要工作

第2章 磁系统模拟中的修正Monte Carlo方法

2．1 计算机模拟方法概论

2．1．1 计算机模拟方法的优势

2．1．2 计算机模拟中的空间尺度及对应的模拟方法

2．2 Monte Carlo方法

2．2．1 统计力学中的Monte Carlo方法

2．2．2 Monte Carlo方法中的随机数

2．2．3 周期性边界条件

2．3 Monte Carlo Metropolis算法的修正

2．3．1 目前典型的修正Metropolis算法

2．3．2 Stoner-Wohlfarth模型

2．3．3 本论文中使用的Metropolis算法

2．4 本章小结

第3章 核-基底形态系统的交换偏置效应

3．1 计算模型及模拟的实验过程

3．2 铁磁纳米颗粒-反铁磁基底体系

3．2．1 冷却场强度对交换偏置场及矫顽力的影响

3．2．2 冷却场与测量场方向对磁化反转的影响

3．2．3 界面耦合大小对交换偏置场及矫顽力的影响

3．3 反铁磁纳米颗粒-铁磁基底体系

3．3．1 冷却场强度对交换偏置场及矫顽力的影响

3．3．2 界面耦合大小对交换偏置场及矫顽力的影响

3．3．3 反铁磁核交换耦合对交换偏置场及矫顽力的影响

3．3．4 反铁磁核各向异性对交换偏置场及矫顽力的影响

3．4 两种核-基底体系的结果比较

3．5 本章小结

第4章 反铁磁核-铁磁壳形态系统的交换偏置效应

4．1 具有强表面各向异性的纯铁磁纳米颗粒

4．1．1 计算模型及模拟的实验过程

4．1．2 模拟结果分析与讨论

4．2 孤立的Co／CoO复合纳米颗粒的交换偏置效应

4．2．1 计算模型及模拟的实验过程

4．2．2 交换偏置效应的温度依赖关系

4．2．3 交换偏置效应的界面耦合依赖关系

4．2．4 交换偏置效应的表面各向异性依赖关系

4．2．5 交换偏置效应的尺寸依赖关系

4．2．6 反铁磁核缺陷对交换偏置效应的影响

4．2．7 交换偏置的“锻炼效应”

4．3 铁磁壳形状对交换偏置效应的影响

4．3．1 计算模型及模拟的实验过程

4．3．2 模拟结果分析与讨论

4．4 孤立的卵形复合纳米颗粒的交换偏置效应

4．4．1 计算模型及模拟的实验过程

4．4．2 交换偏置效应的冷却场依赖关系

4．4．3 交换偏置效应的反铁磁核半径依赖关系

4．4．4 交换偏置效应的反铁磁核位置依赖关系

4．5 本章小结

第5章 其它形态系统的交换偏置效应

5．1 “类合金”形态的纳米系统的交换偏置效应

5．1．1 计算模型及模拟的实验过程

5．1．2 冷却场和成分比例对阻隔温度的影响

5．1．3 成分比例对交换偏置效应的影响

5．2 侧面氧化的Co纳米柱的交换偏置效应

5．2．1 计算模型及模拟的实验过程

5．2．2 切割长度对交换偏置效应的影响

5．2．3 倾斜角度对交换偏置效应的影响

5．3 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著和获奖情况

作者简介