矩形單元陣列的形狀各向異性及磁化強(qiáng)度的非均勻磁化和非均勻激發(fā)的研究.pdf

1、隨著磁電子學(xué)的發(fā)展，尤其是隨著計算機(jī)的發(fā)展以及對信息存儲越來越高的要求，人們?nèi)找鎸Υ判躁嚵袌D形感到興趣。隨著制備的陣列中單元尺寸和單元間隔的減小到微米及亞微米，其磁性質(zhì)，如：飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力(開關(guān)場)、剩磁比、退磁場等對單元的尺寸，形狀和單元間隔的依賴關(guān)系，開始受到人們的關(guān)注。本論文中對我們自己用光刻法制備了厚度為100納米，矩形單元長度為10微米，長寬比分別為1、1.67、2.5和5的矩形單元陣列薄膜，以鐵磁共振(FMR)和振動磁

2、強(qiáng)計(VSM)為主要測量手段，進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗和理論研究，并與過去合作者提供的用電子束蝕刻的更小的矩形單元陣列的性能進(jìn)行比較。主要做了如下幾方面的工作： 1、微米量級尺寸矩形陣列薄膜的制備 用深紫外光為曝光光源，通過濕法刻蝕抗蝕劑，離子束刻蝕金屬層，然后濕法去膠，得到矩形單元陣列，用掃描電子顯微鏡(SEM)確定薄膜成分為Ni83Fe17，陣列單元長度為10微米，矩形比(長寬比)為1、1.67、2.5和5。 2、圖

3、形薄膜形狀各向異性的實驗測量及理論計算 用振動磁強(qiáng)計(VSM)和鐵磁共振(FMR)對圖形薄膜進(jìn)行了測量，并對鐵磁共振的實驗結(jié)果進(jìn)行了理論擬合分析，得到如下結(jié)論： (1)矩形單元陣列薄膜膜面內(nèi)存在著很明顯的形狀各向異性，其易磁化方向為單元的長邊方向，難磁化方向為短邊方向。由于正方形單元在刻蝕時，掩模版的邊緣效應(yīng)，使得直角處被蝕刻掉，而近似成為不等邊八邊形。FMR實驗表明其共振場的角度依賴性質(zhì)與以往的正方形單元不同。其正方邊

4、為最易磁化方向，八邊形的四個短邊方向為次易磁化方向，成180度的對角連線為難磁化方向。 (2)面內(nèi)形狀各向異性是均勻磁化的退磁場和非均勻磁化退磁場共同作用的結(jié)果，隨著單元尺寸的增大，不均勻磁化的貢獻(xiàn)逐漸減小。為了能滿意的對FMR實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行理論擬合，在自由能表達(dá)式中加入了八度對稱的各向異性能。 (3)在單元長度一定的情況下，面內(nèi)形狀各向異性隨著單元矩形比的增大，即單元寬度的減小而增加，而面外各向異性則是隨著矩形比的增大而

5、減小。 3、矩形單元陣列退磁場的數(shù)值計算 為了驗證上述形狀各向異性的實驗結(jié)果，用微磁學(xué)數(shù)值計算方法研究了不同尺寸的矩形單元中退磁場及其分布。共三個系列：(1)厚度為10nm、寬度為300nm、矩形比為1、2、4的矩形單元；(2)厚度為20nm、寬度為900nm、矩形比為1、2、5；(3)厚度為100nm，單元長度為10微米、矩形比為1、1.67、2.5和5。除矩形單元的退磁場的大小、在單元內(nèi)部的分布外，還研究了單元間退磁

6、場相互影響隨著單元間隔的變化。計算表明： (1)矩形單元的退磁場分布存在著空間的不均勻，單元中心部分的退磁場大小和方向比較均勻，在單元四個邊緣處退磁場極不均勻，不只是在數(shù)值上，而且方向也不相同。退磁場在單元內(nèi)的分布隨著單元矩形比的增大而變的均勻。 (2)周圍單元在中心單元處產(chǎn)生的退磁場是抵消中心單元自身的退磁場，并使得單元磁化更均勻，一般要考慮中心單元的最近鄰、次最近鄰和次近鄰。另外在寬度為300nm的單元陣列中，單元間

7、隔在600nm左右可以忽略了，但是當(dāng)寬度為900nm的陣列的單元間隔超過1微米也是不能忽略的。 (3)在考慮單元間退磁場時，薄膜厚度也是一個因素，微米量級的大單元間隔在2微米時，厚度越大，單元間退磁場的影響越不能忽略，當(dāng)單元厚度為幾十個納米時，面內(nèi)退磁場迅速減小。 4、坡莫合金連續(xù)膜和矩形單元陣列圖形薄膜中的非一致激發(fā) 用鐵磁共振對樣品各個角度的共振現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并與連續(xù)膜進(jìn)行了比較，通過實驗測量和理論擬合與分

8、析，我們得出如下結(jié)論： (1)用不同材料作緩沖層和保護(hù)層對坡莫合金連續(xù)薄膜中自旋波的激發(fā)有差異，用Ta比用Cu激發(fā)的自旋波共振場要低。通過對自旋波共振譜強(qiáng)度和共振場位置的擬合，我們得到用Ta作緩沖層的坡莫合金的交換常數(shù)小于相同厚度的用Cu作緩沖層和保護(hù)層的坡莫合金，而且隨著膜厚的減小，交換常數(shù)減小。而且本論文的結(jié)果要比塊狀材料和以前論文中得到的小1至5倍。而用我們得到的交換常數(shù)，通過oommf計算程序?qū)卧叨葹?00nm×30

9、0nm×10nm和10μm×10μm×0.1μm矩形單元的磁滯回線的矯頑力的值更接近我們用磁光克爾效應(yīng)測得的磁滯回線的矯頑力。 (2)通過坡莫合金連續(xù)膜的自旋波共振峰位置和模數(shù)的平方關(guān)系可以看到，我們制備的連續(xù)膜內(nèi)部是比較均勻的，并在某些情況下可以制備出上下兩個表面釘扎條件相同的薄膜。 (3)通過對圖形薄膜共振譜的分析以及與連續(xù)膜的對比和矩形單元退磁場計算，我們看到由于非均勻退磁場而導(dǎo)致非均勻的內(nèi)磁場，使得圖形薄膜中在單