铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置磁锻炼效应研究

Studies of the exchange bias training effect in ferromagnet (FM)/antiferromagnet (AFM) bilayers not only help to get deep insight into the nature of the exchange bias but also improve the thermal stability of the spintronic devices. In this project, we will fabricate the FM (=NiFe, FeCr) /AFM (=IrMn, FeMn, CoO) bilayers with longitudinal exchange bias and FM (Pt/Co/Pt, Ni/Co/Ni) /AFM (=IrMn, FeMn, CoO) multilayers with perpendicular exchange bias. With microstructural and magnetic characterization, we will study the exchange bias training effects as follows: (1) by selecting different magnetic materials with different magnetization reversal mechanisms, to study the influences of magnetization reversal mechanisms on the exchange bias training effects and reveal the relationship between the asymmetry and the training effects; (2) by measurements of hysteresis loops and torque curves, to reveal the mechanisms of type I and type II training effects; (3) by studying the training effects in all bilayers above, to reveal the general scaling law of training effects, especially, the relationship between the exchange field and the cycling number; and (4) by changing fabrication conditions or the buffer materials and thickness hereof, to study the dependence of the training effects and the key parameter (γ) on the intrinsic properties of AFM and the extrinsic ones, i. e., grain size of AFM layers and measuring temperature.

研究铁磁/反铁磁双层膜中交换偏置的磁锻炼效应，不但有利于深入理解交换偏置的机理，而且可以有效改善自旋阀等自旋电子学器件的热稳定性。本项目将制备(1)FM(=NiFe,FeCr)/AFM(=IrMn,FeMn,CoO)等面内交换偏置双层膜；(2)FM(Pt/Co/Pt,Ni/Co/Ni)/AFM(=IrMn,FeMn,CoO)垂直交换偏置双层膜。以上述体系为研究对象，通过结构表征和磁性测量，研究其交换偏置磁锻炼效应。具体开展以下几个方面工作：（1）选取磁化翻转方式各异的磁性层，研究磁化翻转方式对磁锻炼效应的影响。（2）通过磁滞回线和转矩曲线测量，研究产生一类和二类磁锻炼效应的物理机制。（3）在各种双层膜进行研究的基础上，研究交换偏置场与磁滞回线测量次数之间的一般性规律。（4）改变制备条件和缓冲层的材料和厚度，研究反铁磁内禀性质以及微结构与界面形貌、测量温度等对磁锻炼效应及其关键参数γ的影响。

该项目旨在研究交换偏置双层膜的磁锻炼效应，研究不同磁化翻转机制对磁锻炼效应的影响，发现磁锻炼效应与磁滞回线循环测量次数之间的关系，分析磁锻炼发生的机制，并获取抑制磁锻炼效应，增强材料热稳定性的方法。通过实验制备了NiFe/FeMn和FeCr/IrMn等交换偏置双层膜，Pt/Co/Pt/IrMn垂直交换偏置多层膜，生长在AAO衬底上的多种交换偏置薄膜，研究了上述体系中在不同温度时的交换偏置及磁锻炼效应。研究发现，1.体系的磁锻炼行为与铁磁层的磁化翻转模式密切相关。一致转动磁化翻转模式可以引起第一类磁锻炼效应，畴壁位移磁化翻转模式引起第二类磁锻炼效应。利用转矩方法，可以人工改变铁磁层的磁化翻转模式，从而调控磁锻炼的类型。2.在不同孔径的AAO模板上生长了Pt/Co/Pt/IrMn垂直交换偏置多层膜，发现体系的磁锻炼效应随着孔径尺寸的减小而减弱，同时还伴随着交换偏置场的增加。这为调控磁锻炼效应的强度给出了一个方法。3.对上述交换偏置薄膜做了上百次的连续磁滞回线测量，详细分析了上升支和下降支的矫顽场同测量次数之间的关系，提出了一个通用公式以拟合偏置场和矫顽力的变化趋势，并给出了一个衡量界面反铁磁剩余磁矩的参数k。通过比较上升支和下降支的k参数，可以较为直观的预测磁锻炼属于第一类还是第二类。通过该项目的实施，详细的研究了交换偏置中的热点问题——磁锻炼效应，分析了温度、尺寸以及磁化翻转模式对磁锻炼效应的调控作用，并给出了磁锻炼效应的通用公式，为提高交换偏置器件、巨磁阻自旋阀器件的热稳定性打下了基础。