铁磁_反铁磁双层膜中交换偏置

　1期周仕明等:铁磁/

反铁磁双层膜中交换偏置73

铁磁/反铁磁双层膜体系的自由能可以表示为如下的方程

)-HMAFMtAFMcos(θ-α)+E=-HMFMtFMcos(θ-β

22)KFMtFMsinβ+KAFMtAFMsinα-Jexcos(β-α(5)

其中第一和第二项分别为铁磁层和反铁磁层中的Zeeman能,第三和四项分别为铁磁层和反铁磁层内的单轴各向异性能,最后一项为铁磁和反铁层之间的界面耦合能。H为外加磁场,MFM和MAFM分别为铁磁层和反铁磁层的净磁化强度(如果有),tFM和tAFM分别是铁磁层和反铁磁的厚度,KFM和KAFM分别为铁磁层和反铁磁层的单轴各向异性常数,Jex为铁磁和反铁磁的界面交换耦合能。人们认为第二项中反铁磁的磁化强度来源于磁场冷却过程。在磁场冷却过程中,足够大的外加磁场使得铁磁层为单畴状态。由于铁磁/反铁磁界面自旋存在相互作用,反铁磁层的自旋对称受到破坏,。该净磁化强度在低温下被固定住,[56],其Zeeman能可以忽略不计。如图(9)所示,各向异性轴之间的夹角,。计算表明tex/KAFM,或者反铁磁层的各向异性常。设铁磁层和反铁层的各向异性轴均平行于单向各向异性轴,,

HE=tFMMFM(6

)

图9　Mauri模型中铁磁及反铁磁层自旋取向,Heb为单向各向异性方向

这个模型考虑了一些主要的物理参数,得到了一些最基本的特征:首先交换偏置场正比于1/tFM,这一点与大多数的实验结果相符合;其次,反铁磁层厚度存在一临界值,从而解释了图(3)中所示的普遍存在的实验现象。有一些研究对MΟB模型作了一些改进,发现如果反铁磁层的各向异性常数很大,将有如下的表达式[124]

322(7)HE=Jex/tFMMFM+Jex/8tFMMFMtAFMKAFM

从上式可以知道交换偏置场随着反铁磁层厚度的增加而急剧减小,最后趋于饱和,从而解释了图(3)中的实验结果[14]。如果铁磁与反铁磁在界面处存在海森堡相互作用,即Jex=i,j2∑ASFMi SAFMj/a,方程(6)给出的交换偏置场的计算值比交换偏置场的实验结果(无论是单晶还是多晶AFM膜)都大2～3个量级。虽然界面粘污或粗糙度可能减少未补偿自旋的个数从而减少界面耦合能,但是这些不足以解释如此大的差别,这正是MΟB模型不足之处。