L10/A1—FePt薄膜軟磁層磁性的微磁模擬

摘要：利用微磁學模擬oommf，通過改變FePt（20 nm，30 nm）/A1-FePt（x nm）（x= 5，9 nm）雙層膜的厚度，研究雙層膜的磁性。

關鍵詞：L10/A1-FePt雙層膜；微磁學模擬；交換耦合；單軸磁晶各向異性

L10-FePt的Ku接近于6.7×107 erg/cm3。L10-FePt各向異性值較大的原因是由于5d（Pt）和3d（Fe）態之間的軌道雜化以及兩種狀態和自由電子狀態之間的軌道雜化[1]。雖然，L10-FePt合金顯示出較高的Ku值，但是與軟磁相（α-Fe）相比較，顯示較低的飽和磁化強度（Ms）。因此，為了增加Ms，而硬/軟磁相的交換耦合納米磁體對于未來的高密度存儲器件更適用。用不同方法合成的交換耦合納米材料擁有良好的磁性，這些復合材料包括L10-FePd/α-Fe[2]和L10-FePt/α-Fe[3]。Yu Y.S.等人用FePd- Fe3O4納米復合材料合成了可控制矯頑力（0.8～2.6 kOe）的L10-FePd/Fe交換耦合納米材料[4]。與具有非常高的磁晶各向異性能的L10-FePt層相比，在垂直方向上磁化的L10-FePt/Fe雙層薄膜的矯頑力明顯更小。但是L10-FePt/Fe交換彈性材料的Fe暴露在低真空或者空氣中容易氧化不利于保存，而Al-FePt化學性質很穩定。本文用微磁學模擬（OOMMF）模擬了L10-FePt/Al-FePt雙層膜的微磁學特性，并分析其磁性。

1 微磁學仿真方法

本文主要以Gilbert提出了LLG方程為基礎進行的仿真，方程中的Heff有效場，包括交換彈性場、退磁場、磁晶各向異性場和外磁場（塞曼場）。模擬樣品的尺寸為300 nm×300 nm×（20 nm/（5，9）nm；30 nm/（5，9）nm），網格尺寸為5 nm×5 nm×1 nm。A1-FePt和L10-FePt模擬參數：磁化強度M約為106 A/m；交換耦合常數A約為10-11 J/m；磁晶各向異性參數Ku：KA1-FePt=0.2×106 J/m3，K L10-FePt=2.0×106 J/m3。

2 結果與討論

實驗得到的FePt（30 nm，Ta = 500℃）/A1-FePt（30 nm）雙層膜具有高的矩形比[5]。FePt（30 nm，Ta = 500℃）單層表面連續性較好。FePt（30 nm）單層薄膜的化學有序度S= 0.62，得出薄膜中L10相的體積分數為62%。所以用微磁學模擬討論，L10-FePt（20 nm）/A1-FePt和L10-FePt（30 nm）/A1-FePt薄膜的矯頑力和Ku，并且將兩者進行對比。

圖1是FePt（20 nm，30 nm）/A1-FePt（x nm）雙層膜的M/Ms-H曲線。FePt（20 nm）/A1-FePt（5 nm）（圖1（a））和FePt（30 nm）/A1-FePt（5 nm）（圖1（b））雙層膜的矯頑力分別為13.45 kOe和13.57 kOe，當軟磁層（A1-FePt）厚度為9 nm（圖1（c））時，矯頑力為11.19 kOe。圖1（a）和（b）的薄膜厚度計算得，軟磁層厚度占總厚度的比例（用D=dsoft/d表示，dsoft為軟磁層厚度，d為薄膜總厚度）分別為20%和16.7%，對比得出，D越小，薄膜矯頑力越大。圖1（a）和（c）也能得出結論：矯頑力隨著軟磁層厚度的增加而減小。所以，軟磁層的臨界厚度是交換耦合體系的重要參數。軟磁層的臨界厚度就是硬磁層的交換作用長度，等于硬磁層疇壁厚度的兩倍。低于臨界厚度的體系嚴格地耦合在一起，發生開關反轉，磁滯回線呈矩形。高于臨界厚度，磁化曲線有雙肩。形核發生在軟磁層內，形核場的大小由硬磁層的交換作用長度和軟磁層的厚度共同決定。軟磁層厚度增加形核場的大小也增大。當外加磁場到形核場的大小時，軟磁層的磁化強度開始反轉，由于硬磁層的疇壁分離了軟磁層的反轉，以致于硬磁層保持原來的狀態。軟磁層厚度變化，也會出現磁能積的變化，即，磁能積有一個較大值，厚度減小，磁能積也逐漸減小。相同的軟磁層厚度，較厚的L10-FePt薄膜顯示出較大的矯頑力和較高的形核場。還會得出具有較大的矩磁比，可能是由于硬磁層厚度占全部薄膜厚度的比例升高，說明FePt有序度變好。

3 結論

微磁學模擬得到的L10/A1-FePt雙層膜，矯頑力隨著軟磁層厚度的增加而減小。而相同的軟磁層厚度，較厚的硬磁層薄膜顯示出較大的矯頑力、較高的形核場和較大的矩磁比，可能是由于硬磁層厚度占全部薄膜厚度的比例升高，使FePt有序度變好。

參考文獻：

[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

作者簡介：

陳陽（1991-），男（漢族），甘肅省天水市，西南大學物理科學與技術學院碩士研究生，主要研究方向為磁性納米材料與磁存儲技術。