冷却场强度对铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置场的影响

李美玲，吴丽君，王 凯，庞 超，孙乃坤

(沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159)

Meiklejohn W H等在1956 年发现了交换偏置现象[1-2]，随后Dieny B在以铁磁(Ferromagnetic，FM)/反铁磁(Antiferromagnetic，AFM)双层膜为基础的自旋阀中发现了有增强的磁电阻效应[3]。从巨磁电阻效应被发现以来，各种巨磁电阻器件在机电、航空航天和高密度信息存储等领域得到了广泛的应用。在巨磁电阻器件实用化过程中，FM/AFM双层膜中的交换偏置起了重要作用，交换偏置可以提高高密度磁记录读出头的灵敏度，使得磁记录存储密度得到了飞速的发展。随后，人们对FM/AFM双层膜中的交换偏置进行了大量的研究[4-9]。

本文采用修正的蒙特卡罗模拟方法对FM/AFM双层膜系统中的界面AFM层、表面AFM层和总AFM层的归一化净磁化强度随约化冷却场强度的变化关系进行研究，从理论上证明了交换偏置场的产生是由与FM层最近邻的界面AFM层引起的。

1 模型和过程

FM/AFM系统由一层FM层(n=1)和六层AFM层(n=2～7)组成，如图1所示，其中J代表交换耦合常数。

图1 FM/AFM双层膜示意图

在外磁场作用下，该系统的哈密顿量为

(1)

本文模拟分为两个步骤，先对系统施加一个外磁场，此时的外磁场被称为“约化冷却场”，将系统从约化温度等于2.5(高于AFM层的奈尔温度)降到约化温度等于0.1；系统经冷却处理后，再改变施加的外磁场，此时的外磁场被称为“约化测量场”。 通过记录系统的降温过程和磁滞回线来研究系统的交换偏置现象，且模拟过程中，考虑了周期性边界条件用以消除边界效应。

2 结果与分析

2.1 约化冷却场强度对冷却过程的影响

图2 为不同约化冷却场强度下，界面AFM层(n=2)、表面AFM层(n=7)及总AFM层(Total)的归一化磁化强度随约化温度的变化关系图。

图2 归一化磁化强度随约化温度的变化关系

由图2a可知，界面AFM层的归一化磁化强度随约化冷却场强度的变化出现了不同的磁化行为，当约化冷却场强度为0.05或0.6时，低温下的界面AFM层的归一化净磁化强度约等于零；当约化冷却场强度小于0.6时，界面AFM层的归一化净磁化强度是负值。这是由于界面AFM层的自旋受到FM层自旋的作用，使得界面AFM层的自旋沿着约化冷却场的反方向，这导致了负的归一化净磁化强度的产生。当约化冷却场强度大于0.6时，约化冷却场能够克服FM/AFM双层膜的界面耦合场，因此，界面AFM层的归一化净磁化强度变为正值。然而，在相同的约化冷却场强度变化范围下，表面AFM层的归一化净磁化强度和总AFM层的归一化净磁化强度在低温处都只出现了正值，如图2b和图2c所示。

2.2 约化冷却场强度对约化交换偏置场的影响

本文模拟了该系统的磁滞过程，且根据交换偏置场的定义，计算出不同约化冷却场强度下的约化交换偏置场。图3为低温时，约化交换偏置场随约化冷却场强度的变化关系图。

图3 约化交换偏置场随约化冷却场强度的变化关系

由图3可知，约化交换偏置场随着约化冷却场强度的增大而逐渐由负值变为正值[10-11]，这一变化趋势与界面AFM层的归一化净磁化强度随约化冷却场强度的变化趋势完全一致(图2a)。综合图2和图3，能够推断出约化交换偏置场的产生与界面AFM层有直接关系。

为进一步解释约化交换偏置场与界面AFM层的关系，本文分别给出了不同约化冷却场强度下，界面AFM层(n=2)和总AFM层(Total)的归一化磁化强度随约化测量场的变化关系图，如图4所示。

图4 归一化磁化强度随约化测量场的变化关系

由图4可知，在整个约化测量场的变化范围内，界面AFM层(n=2)和总AFM层(Total)的归一化净磁化强度都是常数。当约化冷却场强度小于0.6时，界面AFM层由于受到近邻FM层自旋的影响，其归一化净磁化强度的值是负的。当约化测量场从正变为负时，FM层的自旋受到约化测量场作用后，将沿着约化测量场方向开始反转。由于FM层与AFM层之间存在AFM界面耦合，AFM层内的自旋将抑制FM层内的自旋反转，因此，想要完全反转FM层内的自旋就需要更强的约化测量场。当约化测量场又反转回其原来的方向时，此时，只需要一个很弱的约化测量场，FM层内的自旋便可翻转，这样就产生了负的约化交换偏置场。当约化冷却场强度大于0.6时，界面AFM层的归一化净磁化强度是正的，FM层内的自旋能够克服界面耦合作用，使FM层内的自旋与AFM层内的自旋沿相同的方向排列。所以，在改变约化测量场时，FM层内的自旋将更易于反转到约化测量场的反方向，由此产生了正的约化交换偏置场。

3 结论

运用修正的蒙特卡罗模拟方法，通过改变约化冷却场强度，对FM/AFM双层膜系统中界面AFM层、表面AFM层和总AFM层的归一化净磁化强度进行了模拟研究。结果显示，只有界面AFM层的归一化净磁化强度随约化冷却场强度的变化关系与约化交换偏置场随约化冷却场强度的变化关系完全一致，因此，能够推断出约化交换偏置场依赖于界面AFM层，这也证实了交换偏置现象是一种界面效应。