鐵磁/反鐵磁多層膜系統中非磁性摻雜的計算模擬研究

李美玲　吳麗君　徐志潔　杜安

摘要：該文采用修正的蒙特卡羅（Monte Carlo）模擬方法研究了鐵磁/反鐵磁多層膜系統中界面反鐵磁非磁性摻雜濃度對界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場的影響。計算機模擬結果顯示，非磁性摻雜濃度增加使界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場呈現出先增加后減小的變化趨勢。

關鍵詞：計算模擬，非磁性摻雜，熱力學性質

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0228-02

1 概述

六十多年來，在磁性薄膜材料方面，交換偏置現象一直受到人們廣泛的關注。研究發現，鐵磁/反鐵磁雙層膜系統中影響交換偏置場的主要因素之一有冷卻場的強度和方向。在界面相互作用是反鐵磁性耦合的鐵磁/反鐵磁雙層膜系統中，逐漸增大冷卻場可使交換偏置場由負值變為正值；除此以外，薄膜厚度，各向異性，界面耦合等都會對交換偏置場產生影響[1，2]。近年來，人們發現對磁性薄膜進行不同方式或程度的磁性摻雜或非磁性摻雜[3]，都可以很有效地改變交換偏置場；不同條件下的交換偏置場隨著摻雜濃度的變化趨勢存在差異。隨著計算機技術的迅速發展，材料模擬算法的不斷改進，計算機模擬已經成為研究材料性能的一種可靠方法，可進一步為材料性能的實驗研究提供理論依據。

2 模型和方法

本文所選用的鐵磁/反鐵磁多層膜系統由四層鐵磁薄膜和六層反鐵磁薄膜組成，其中與鐵磁層近鄰的界面反鐵磁層為非磁性摻雜層。此系統的哈密頓量為：

其中，Si（j）代表i（j）位置的經典矢量，[ei]代表自旋易磁化方向的單位矢量，在界面反鐵磁中，若Si （ Sj）位置的自旋是非磁性的，則定義 [σi]（[σj]） 的值等于零；若Si （ Sj）位置的自旋是磁性的，則定義 [σi]（[σj]）=1。（1）式中的第一項和第二項分別代表了鐵磁層的交換作用能和各向異性能；第三項和第四項分別代表了反鐵磁層的交換作用能和各向異性能，第五項代表了鐵磁層與最近鄰反鐵磁層的交換作用能，最后一項是Zeeman能。在本文中，均采用約化單位，令鐵磁交換作用常數 JFM=1.0，則反鐵磁交換作用常數 JAFM/JFM=-0.2，層間交換作用常數 JIF/JFM=-1.0，鐵磁各向異性常數 KFM/JFM=0.2，反鐵磁各向異性常數 KAFM/JFM=5.0，外磁場h和交換偏置場HEB的單位均是JFM/[gμB]， 溫度T的單位是 JFM/kB。

本文運用修正的蒙特卡羅模擬方法進行了計算，此方法與傳統的蒙特卡羅方法相比，它不僅考慮了初始態能量和試驗態能量，同時也考慮了兩個態中間的能量勢壘[4]，在計算模擬中，又考慮了周期性邊界條件以消除邊界效應。模擬過程分為兩個步驟：第一步是外加一個冷卻場（hFC=0.2）將此系統從高于奈爾溫度（T=2.5）開始冷卻；第二步當冷卻到某一溫度時（T=0.1），改變外磁場h，記錄下磁化強度M隨外磁場h變化的完整曲線（即磁滯回線）。

3 結果和討論

當冷卻場hFC=0.2時，圖1（a） 展示了不同摻雜濃度P下的界面反鐵磁凈剩磁M隨溫度T的變化曲線。由圖可知，各摻雜濃度下的凈剩磁都隨著溫度的降低而減小，當溫度降低到某一值時，凈剩磁M基本不變。由圖1（b）可知，在低溫下，不同摻雜濃度所對應的凈剩磁是不同的，且凈剩磁M隨著摻雜濃度P的增加，經歷了先增大再減小的過程。

由磁滯回線和公式HEB=-（HRIGHT+HLEFT）/2，計算出了交換偏置場HEB，圖（2）展示了交換偏置場HEB隨摻雜濃度P的變化曲線。研究表明：在同一冷卻場和溫度下，交換偏置場HEB隨著摻雜濃度P的增加，先增強后減弱，這與界面反鐵磁凈剩磁隨摻雜濃度的變化趨勢是基本一致的，且均在同一摻雜濃度下出現極值點。由此可見，界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場是密切聯系的。

4 結論

本文對界面反鐵磁進行了非磁性摻雜，利用修正的蒙特卡羅計算模擬方法研究了非磁性摻雜濃度對界面反鐵磁凈剩磁和交換偏置場的影響。結果表明：反鐵磁凈剩磁和交換偏置場隨摻雜濃度的變化趨勢是基本一致的，都是先增大再減小，且在同一位置出現了極值。這對理解產生交換偏置現象的微觀機制和增強交換偏置場的研究是非常有意義的。

參考文獻：

[1] 周仕明，李合印，袁淑娟，等.鐵磁/反鐵磁雙層膜中交換偏置[J].物理學進展，2003，23（1）：62-81.

[2] Tsai S H，Landau D P， Schulthess T C. Effect of interfacial coupling on the magnetic ording in ferro-antiferromagnetic bilayers[J]. J Appl Phys，2003，93（10）：8612-8614.

[3] 劉奎立，周思華，陳松嶺.金屬離子摻雜對CuO基納米復合材料的交換偏置調控[J].物理學報，2015，64（13）：137501-137506.

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