AB雙層磁性薄膜的界面自旋波

邱榮科, 張欣榮, 劉忠菊

(沈陽工業大學 理學院, 沈陽 110870)

隨著信息產業在生產生活、航空航天、國防安全等領域的快速發展,研制出以半導體材料為基礎的具有可靠性高、功耗低、集成度高等優點的集成電路系統迫在眉睫,直到2004年Andre Geim和Kostya Novoselov采用機械剝離法從石墨材料剝離出具有低維特性二維材料石墨烯[1],人們才將目光轉向了二維材料(納米薄膜、超晶格等),并發現薄膜材料可以應用于信息處理與存儲以及自旋器件等領域.磁性薄膜的巨磁電阻效應、巨霍爾效應等特性應用較為廣泛.基于磁性薄膜的巨磁電阻效應可以制備出具有高信噪比、高靈敏度、高存取速度的GMR磁頭.

磁性材料中電子的自旋磁矩將圍繞其在外場中的平衡位置進行旋轉,并產生鐵磁共振頻率.如果自旋序列并非單一形式,則會產生集體運動并在鐵磁中傳播形成自旋波[2].自旋波傳輸、存儲和處理信息是通過將信息編碼到電子自旋角動量而非電子電荷中,因而可以更快地處理數據,同時降低能量耗散.磁性薄膜自旋波的性質對邏輯器件、色散濾波器、自旋電子學器件性能的提高起著重要作用[3].近年來,科研工作者對磁性薄膜自旋波性質進行了大量實驗研究,其中以鐵磁共振[4-7]、光散射[8]、電子能量損失譜[9]等手段為主,如Rajeswari[9]采用電子能量損失譜法檢測到Co/Ni和Co/Cu雙層膜界面自旋波的直接信息.在理論分析中常采用線性自旋波近似方法[10]、格林函數方法[11]、哈密頓對角化方法[12]、界面重標化方法[13]等對磁性薄膜中自旋波的性質進行了研究.邱榮科等[11]研究了鐵磁性薄膜中表面自旋波頻率受不同因素的影響規律;Yun等[13]分析了界面自旋波存在的充分必要條件.由于界面可以誘發許多磁性物理現象,如界面感應磁化反轉效應、超快磁化過程中的界面效應等[14],可對提高一些基于磁性多層膜技術的現代信息設備性能具有至關重要的作用.鑒于自旋波和多層膜的界面效應的重要性,研究非對稱雙層膜界面自旋波的性質具有重要意義.

1 模型與計算

非對稱雙層磁性薄膜結構如圖1所示.圖1a為非對稱性AB雙層磁性薄膜模型;圖1b為AB雙層磁性薄膜原子層示意圖;圖1c為單層原子層的x-y平面結構圖;圖1d為二維布里淵區.

圖1 非對稱雙層磁性薄膜結構

以海森堡模型為基礎,研究外部物理因素和界面參數對非對稱雙層磁性薄膜中界面自旋波性質的影響.本文采用的哈密頓量和計算方法與文獻[15]相似.

非對稱雙層磁性薄膜的哈密頓量可以表示為

(1)

最初自旋方向沿z軸正方向,外磁場方向與自旋初始方向相同.為了分析非對稱雙層磁性薄膜中界面自旋波的性質,引入格林函數,即

(2)

式中:S+和S-分別為自旋產生和湮滅算符;a為常數;ω為自旋波頻率.

建立格林函數運動方程時利用Tyablikov退耦近似和Anderson-Callen退耦近似分別處理交換耦合項和單格點各向異性項.模型中第4、5原子層為界面層.令JAB為第4、5原子層的層間交換耦合系數;Jint為第4、5原子層的層內交換耦合系數;Dint為第4、5原子層的界面各向異性參數.設A層自旋量子數SA為1,B層自旋量子數SB=1.5.為了計算簡便,將薄膜內體交換耦合系數設為1,且將其作為其他物理量的約化單位.將薄膜內部原子的體各向異性參數設為零,故只考慮薄膜界面原子的各向異性參數.本文重點研究各物理參數對非對稱性AB雙層磁性薄膜界面自旋波在布里淵區內占有面積的影響.

2 計算結果分析

圖2為非對稱性AB雙層磁性薄膜在二維布里淵區內頻率隨波矢的變化情況.8支自旋波譜按照能量由小到大排列分別表示為ω1,ω2,…,ω8.在布里淵區Γ-M和K-Γ中,自旋波頻率隨波矢的增加而增加,但ω1、ω2、ω3和ω4的上升趨勢較慢,ω5、ω6、ω7和ω8的上升趨勢比較迅速.在平面布里淵區M-K中所有自旋波譜均隨著波矢的增加而緩慢增加.因為A和B層的自旋量子數具有非對稱性,自旋波在雙層膜中的分布如圖3所示.圖3中ρ/ρ0為約化態密度,ρ為不同頻率下自旋波的態密度值,ρ0為在M點處磁性薄膜界面層(第5原子層)中界面自旋波的態密度值.SA、SB、B0、JAB、Jint、Dint和τ的數值設定與圖2相同.

圖2 非對稱磁性薄膜的自旋波譜

圖3 不同波矢的自旋波分布

所以在自旋波譜中不存在簡并現象.計算中各項參數取值如下:SA=1.0,SB=1.5,B0=0.15,JAB=0.65,Jint=0.75,Dint=0,約化溫度τ=T/Tc=0.5(T為溫度,Tc為上述參數下的居里溫度).

圖4為溫度對界面自旋波在平面布里淵區中占有面積的影響.第4、5原子層界面自旋波在平面布里淵區中的占有面積分別用紅色和藍色陰影表示(圖5～8陰影顏色設定相同).界面自旋波占有面積的邊界對應于臨界波矢量.計算中SA=1.0,SB=1.5,B0=0.15,JAB=0.65,Jint=0.75,Dint=0,τ為0.45、0.5、0.7和0.8.當τ=0.45時,只有第5原子層界面存在界面自旋波ω5.隨著τ的增大,第4原子層界面中出現了界面自旋波ω4.兩個界面層的界面自旋波在布里淵區中占有面積的變化規律均為先增大后減小.當τ=0.8時,只有第5原子層界面存在界面自旋波ω5,第4原子層界面的界面自旋波ω4消失.可見,第4原子層界面自旋波存在于中溫區間,第5原子層界面自旋波存在于全溫區間.

圖4 溫度對布里淵區中界面自旋波的影響

圖5 外磁場對布里淵區中界面自旋波的影響

圖5為外磁場對界面自旋波在布里淵區中占有面積的影響.計算中SA=1.0,SB=1.5,τ=0.5,JAB=0.65,Jint=0.75,Dint=0,B0為0.01、0.05、0.15和0.5.由圖5可知,隨著外磁場的增大,兩個界面層的界面自旋波在布里淵區的占有區間面積減小,當B0=0.5時,只有第5原子層界面存在界面自旋波ω5,第4原子層界面的界面自旋波ω4消失.

圖6為界面自旋波在布里淵區中占有面積受界面層間交換耦合系數的影響規律.計算中SA=1.0,SB=1.5,τ=0.5,B0=0.15,Jint=0.75,Dint=0,JAB為0.3、0.65、0.75和0.9.由圖6可知,當JAB=0.3時,只有第5原子層界面存在界面自旋波ω5.隨著界面層間交換耦合系數的增大,第4原子層界面出現了界面自旋波ω4,且第4原子層界面自旋波ω4在布里淵區中的占有面積逐漸增加,而第5原子層界面自旋波ω5在布里淵區中的占有面積逐漸減小.

圖6 界面層間交換耦合對布里淵區中界面自旋波的影響

圖7為界面自旋波在布里淵區中占有面積受界面層內交換耦合的影響規律.計算中SA=1.0,SB=1.5,τ=0.5,B0=0.15,JAB=0.65,Dint=0,Jint為0.5、0.75、0.8和0.9.由圖7可知,當Jint=0.5時,只有第5原子層界面存在界面自旋波ω5.隨著界面層內交換耦合系數的增大,第4層界面也出現了界面自旋波ω4,且第4原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸增加,第5原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸減小.

圖7 界面層內交換耦合對布里淵區中界面自旋波的影響

圖8為界面自旋波在布里淵區中占有面積受界面各向異性的影響規律.計算中SA=1.0,SB=1.5,τ=0.5,B0=0.15,JAB=0.65,Jint=0.75,Dint為-0.3、0、0.1和0.3.由圖8可知,當Dint=-0.3時,兩個界面層均存在界面自旋波ω4和ω5.隨著界面各向異性參數的增大,第4原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸增加,第5原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸減小.但第4原子層界面自旋波在布里淵區中占有面積增加得較為明顯,第5原子層界面自旋波在布里淵區中占有面積減小幅度較小.

圖8 界面各向異性對布里淵區中的界面自旋波的影響

3 結 論

通過構建非對稱AB雙層磁性薄膜的結構模型研究了各項物理參數對界面自旋波在平面布里淵區中占有面積的影響.結果表明:隨著溫度的升高,界面自旋波在布里淵區中的占有面積先增大后減小,且第4原子層界面自旋波存在于中溫區間,第5原子層界面自旋波存在于全溫區間.隨著外磁場強度的升高,界面自旋波占有面積減小.隨著界面層間和界面層內交換耦合的增大,第4原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸增加,第5原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸減小,且當界面層間和界面層內交換耦合較小時,只存在一個界面自旋波ω5.隨著界面各向異性的增大,第4原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸增加,第5原子層界面自旋波在布里淵區中的占有面積逐漸減小.界面自旋波趨于出現在大波矢區域,即易出現短波長界面自旋波,界面自旋波在二維布里淵區占有面積的增大,意味著短波長界面自旋波和長波長界面自旋波有可能出現,這為進一步設計基于磁性多層薄膜的微波器件提供了理論基礎.