L10/A1—FePt薄膜软磁层磁性的微磁模拟

摘要：利用微磁学模拟oommf，通过改变FePt（20 nm，30 nm）/A1-FePt（x nm）（x= 5，9 nm）双层膜的厚度，研究双层膜的磁性。

关键词：L10/A1-FePt双层膜；微磁学模拟；交换耦合；单轴磁晶各向异性

L10-FePt的Ku接近于6.7×107 erg/cm3。L10-FePt各向异性值较大的原因是由于5d（Pt）和3d（Fe）态之间的轨道杂化以及两种状态和自由电子状态之间的轨道杂化[1]。虽然，L10-FePt合金显示出较高的Ku值，但是与软磁相（α-Fe）相比较，显示较低的饱和磁化强度（Ms）。因此，为了增加Ms，而硬/软磁相的交换耦合纳米磁体对于未来的高密度存储器件更适用。用不同方法合成的交换耦合纳米材料拥有良好的磁性，这些复合材料包括L10-FePd/α-Fe[2]和L10-FePt/α-Fe[3]。Yu Y.S.等人用FePd- Fe3O4纳米复合材料合成了可控制矫顽力（0.8～2.6 kOe）的L10-FePd/Fe交换耦合纳米材料[4]。与具有非常高的磁晶各向异性能的L10-FePt層相比，在垂直方向上磁化的L10-FePt/Fe双层薄膜的矫顽力明显更小。但是L10-FePt/Fe交换弹性材料的Fe暴露在低真空或者空气中容易氧化不利于保存，而Al-FePt化学性质很稳定。本文用微磁学模拟（OOMMF）模拟了L10-FePt/Al-FePt双层膜的微磁学特性，并分析其磁性。

1 微磁学仿真方法

本文主要以Gilbert提出了LLG方程为基础进行的仿真，方程中的Heff有效场，包括交换弹性场、退磁场、磁晶各向异性场和外磁场（塞曼场）。模拟样品的尺寸为300 nm×300 nm×（20 nm/（5，9）nm；30 nm/（5，9）nm），网格尺寸为5 nm×5 nm×1 nm。A1-FePt和L10-FePt模拟参数：磁化强度M约为106 A/m；交换耦合常数A约为10-11 J/m；磁晶各向异性参数Ku：KA1-FePt=0.2×106 J/m3，K L10-FePt=2.0×106 J/m3。

2 结果与讨论

实验得到的FePt（30 nm，Ta = 500℃）/A1-FePt（30 nm）双层膜具有高的矩形比[5]。FePt（30 nm，Ta = 500℃）单层表面连续性较好。FePt（30 nm）单层薄膜的化学有序度S= 0.62，得出薄膜中L10相的体积分数为62%。所以用微磁学模拟讨论，L10-FePt（20 nm）/A1-FePt和L10-FePt（30 nm）/A1-FePt薄膜的矫顽力和Ku，并且将两者进行对比。

图1是FePt（20 nm，30 nm）/A1-FePt（x nm）双层膜的M/Ms-H曲线。FePt（20 nm）/A1-FePt（5 nm）（图1（a））和FePt（30 nm）/A1-FePt（5 nm）（图1（b））双层膜的矫顽力分别为13.45 kOe和13.57 kOe，当软磁层（A1-FePt）厚度为9 nm（图1（c））时，矫顽力为11.19 kOe。图1（a）和（b）的薄膜厚度计算得，软磁层厚度占总厚度的比例（用D=dsoft/d表示，dsoft为软磁层厚度，d为薄膜总厚度）分别为20%和16.7%，对比得出，D越小，薄膜矫顽力越大。图1（a）和（c）也能得出结论：矫顽力随着软磁层厚度的增加而减小。所以，软磁层的临界厚度是交换耦合体系的重要参数。软磁层的临界厚度就是硬磁层的交换作用长度，等于硬磁层畴壁厚度的两倍。低于临界厚度的体系严格地耦合在一起，发生开关反转，磁滞回线呈矩形。高于临界厚度，磁化曲线有双肩。形核发生在软磁层内，形核场的大小由硬磁层的交换作用长度和软磁层的厚度共同决定。软磁层厚度增加形核场的大小也增大。当外加磁场到形核场的大小时，软磁层的磁化强度开始反转，由于硬磁层的畴壁分离了软磁层的反转，以致于硬磁层保持原来的状态。软磁层厚度变化，也会出现磁能积的变化，即，磁能积有一个较大值，厚度减小，磁能积也逐渐减小。相同的软磁层厚度，较厚的L10-FePt薄膜显示出较大的矫顽力和较高的形核场。还会得出具有较大的矩磁比，可能是由于硬磁层厚度占全部薄膜厚度的比例升高，说明FePt有序度变好。

3 结论

微磁学模拟得到的L10/A1-FePt双层膜，矫顽力随着软磁层厚度的增加而减小。而相同的软磁层厚度，较厚的硬磁层薄膜显示出较大的矫顽力、较高的形核场和较大的矩磁比，可能是由于硬磁层厚度占全部薄膜厚度的比例升高，使FePt有序度变好。

参考文献：

[1]Staunton J B，Ostanin S，Razee S S A，et al. Temperature Dependent Magnetic Anisotropy in Metallic Magnets from an Ab Initio Electronic Structure Theory：L10-Ordered FePt. Phys Rev Lett，2004，93：257204

[2]Sakuma N，Ohshima T，Shoji T，et al. Exchange Coupling Interaction in L10-FePd/α-Fe Nanocomposite Magnets with Large Maximum Energy Products. ACS Nano，2011，5：2806-2814

作者简介：

陈阳（1991-），男（汉族），甘肃省天水市，西南大学物理科学与技术学院硕士研究生，主要研究方向为磁性纳米材料与磁存储技术。