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65面内的自旋互相平行,界面总的磁矩不为零,即构成所谓的未补偿界面,它与反铁磁材料相邻原子面的自旋反平行排列。例如,FeMn的(001)和(111)构成所谓补偿面,而CoO或NiO的(111)及FeMn的(110)则构成未补偿界面。未补偿界面的实验结果比较一致,且直观上容易理解。而对于补偿界面实验结果不尽相同,且理解有一定难度。在一些补偿界面的情况,如准外延NiFe/CoO(100)或NiFe/CoO(110)双层膜中HE为零[23],然而在另外一些补偿界面中,如外延FeNi/FeMn(111)双层膜,不但存在交换偏置场,而且数值比由未补偿面构成的双层膜还要大[24]。真实界面总具有一定的粗糙度,补偿界面也由此产生局部的未补偿磁矩,从而产生宏观的交换偏置。对于由多晶反铁磁材料构成的双层膜,当反铁磁材料的择优取向度增加时,交换偏置场将随之增加或减小。实验发现由于FeMn(111)面的交换偏置场最大,FeNi/FeMn(111)织构的强度增加。如果出现新的相,[25](如面心立方的反铁磁Fe50Mn50)是亚稳相,/,、矫顽力及截止温]1.4　由于交换偏置来自铁磁/反铁磁界面的相互作用,所以界面的粗糙度和反铁磁的晶粒尺寸直接影响交换偏置的特征[30～39],但是由于这个问题本身比较复杂,不同的研究小组得到的结论不完全相同。例如,在准外延Fe/FeF2(110)双层膜中,交换偏置场随着界面粗糙度的增加而迅速减少[35],但是在其它单晶反铁磁构成的双层膜中,交换偏置场随粗糙度的增加而增加[36];尽管大多数多晶反铁磁构成的双层膜,其交换偏置场随着界面粗糙度的增加而减少,但是有些多晶AFM构成的双层膜中交换偏置场对粗糙度不敏感[30],甚至随粗糙度的增加而增加[31～35]。界面粗糙度对由单晶和多晶反铁磁构成的双层膜中的交换偏置都有影响,相比较而言,粗糙度对单晶反铁磁构成的双层膜中交换偏置影响更严重。正如人们理解的那样,对于未补偿界面,粗糙度的影响是比较容易理解的。根据唯象模型,对于未补偿界面,粗糙度的增加使得反铁磁层界面自旋的方向分布更加弥散,因此减少了AFM层某一方向的自旋数,从而减少了交换偏置场。但是这一简单的物理图象不能解释补偿界面的结果。有人认为界面粗糙度改变了层间耦合强度从而改变交换偏置的强度[37]。也有理论表明随着反铁磁层中界面缺陷密度的增加交换偏置场线性地减少,而矫顽力却随之线性地增加,同时界面粗糙度严重影响交换偏置的角度依赖关系[38～39]。如果反铁磁层生长在铁磁层的上面,则界面粗糙度还将影响反铁磁层的结构,从而进一步影响交换偏置的行为。

交换偏置场也随反铁磁层内晶粒尺寸的变化而变化。例如,Berkowitz等人发现在CoO/NiFe双层膜中交换偏置场与CoO层内晶粒直径的倒数呈正比[40],并认为界面交换

),这里,Jint,L和ξ

分别为理想铁磁/反铁磁界面的交换能密度,反铁磁能Jex=Jint/(L/ξ

的晶粒尺寸及相干长度。除此之外,反铁磁的晶粒尺寸还影响交换偏置的热稳定性和磁锻炼效应(见下面)。铁磁/反铁磁界面的粗糙度和反铁磁层晶粒尺寸对交换偏置的影响往往很难互相区分开[27]。