鐵磁多層膜系統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)

鐵磁多層膜系統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)

1.實驗研究的基本內(nèi)容自baibich等人在fec-lim-t膜中發(fā)現(xiàn)了巨大的磁強效應(yīng)（pmr）以來，尤其是在廣泛使用自齊氏結(jié)構(gòu)后，磁性多層膜的磁強效應(yīng)應(yīng)用于磁傳感器、磁寫入、磁機存儲系統(tǒng)和無接觸磁源元件。例如，利用磁強效應(yīng)制作的傳感器具有靈敏度高、能耗低、體積小、可靠性高、溫度特點好、工作頻率高、抗惡劣環(huán)境能力強、易于群眾識別等優(yōu)點。這是傳感器家族的亮點。因此，研究磁強效應(yīng)已成為凝聚物理和科學(xué)研究領(lǐng)域的研究熱點之一。多層磁薄膜的磁電阻依賴于相鄰磁薄膜層中磁化強度的相對取向,相鄰的兩層膜中磁化強度如反平行排列,磁電阻達最大,如果平行排列,則其磁電阻最小.為此,通?？梢允褂么艌稣{(diào)控磁電阻,實現(xiàn)電信號的存儲、讀取等.最近,多鐵材料備受關(guān)注,因為利用其電磁耦合作用可以實現(xiàn)電場調(diào)控磁電阻.然而,在實際應(yīng)用中,廣泛需要對力學(xué)信號的儲存、讀取及傳輸?shù)?因此,本文旨在研究外應(yīng)力能否調(diào)制磁電阻.目前,人們已經(jīng)對外應(yīng)力場下多層磁薄膜中的鐵磁共振以及磁化性質(zhì)等方面做了討論,但對應(yīng)力場所調(diào)制的磁阻效應(yīng)的研究尚缺乏.實驗和理論都已證實外應(yīng)力場可以改變磁薄膜中的磁化取向,特別是最近的實驗發(fā)現(xiàn),以柔軟的、高彈性的聚酰亞胺為襯底可以將外應(yīng)力很好地注入到磁性多層膜中.此外,鐵磁非磁鐵磁三層膜結(jié)構(gòu)是GMR自旋閥的核心結(jié)構(gòu).因此,本文旨在研究鐵磁非磁鐵磁三層膜系統(tǒng)中磁電阻與外應(yīng)力之間的關(guān)系,進而討論鐵磁多層膜中的力致磁電阻效應(yīng).2.磁化強度的磁化回收考慮兩層鐵磁性材料通過中間非磁層耦合而成的體系,其中間非磁層可以實現(xiàn)兩鐵磁層間交換耦合的調(diào)節(jié).假定x-y平面位于薄膜平面內(nèi),z軸垂直于薄膜平面,如圖1所示.MA,MB分別為兩鐵磁層的磁化強度(為簡化起見,令MA=MB=M).采用球坐標(biāo)系,θ,φ分別代表磁化方向與z軸、x軸之夾角,習(xí)慣上分別稱之為極向角和方位角,其中MA方向由θA和φA標(biāo)定,MB由θB和φB標(biāo)定,應(yīng)力方向由θσ和φσ標(biāo)定.考慮磁薄膜中的單軸各向異性、應(yīng)力磁彈性能以及磁薄膜間界面耦合等,則單位體積內(nèi)系統(tǒng)的自由能可表示為其中i=A,B,求和式中的三項分別為兩鐵磁層的應(yīng)力能、有效磁晶各向異性能以及平面內(nèi)單軸磁晶各向異性能,最后一項為兩鐵磁層間的交換耦合能.式中λi為第i鐵磁層的磁致伸縮系數(shù),σi為應(yīng)力強度(σA=σB=σ);Kueffi為第i層鐵磁材料的有效磁晶各向異性常數(shù),定義為Kueffi=Kui-2πMi2,包括形狀各向異性和平面外單軸各向異性,Kui是相應(yīng)的各向異性常數(shù);Kupi為第i層鐵磁層在x-y平面內(nèi)的單軸磁晶各向異性常數(shù);J為界面耦合常數(shù),J>0代表層間鐵磁性耦合,J<0代表層間反鐵磁性耦合.根據(jù)平衡方程,即Eθi=0,Eφi=0,發(fā)現(xiàn)θA=θB=90°是方程的解,表明磁化強度Mi在薄膜平面內(nèi).系統(tǒng)平衡態(tài)的能量為且φi由下面兩個方程決定:根據(jù)方程(3)和(4)可以得到兩鐵磁層磁化強度的取向角φA,φB,進而獲得兩鐵磁層磁化取向之夾角Δφ隨外應(yīng)力場Hλ大小和方向的變化關(guān)系.實驗與理論研究表明:理想情況下,磁性多層膜的磁電阻與相鄰磁性層磁化取向之夾角Δφ之間的關(guān)系,對J>0,對J<0,因此,相應(yīng)的磁電阻率分別為或其中RP為磁化方向平行時系統(tǒng)磁電阻;RA為磁化方向反平行時系統(tǒng)磁電阻;其中ΔR為系統(tǒng)磁電阻最大變化量,即ΔR=RA-RP.因此,通過(3)—(8)式,可以討論磁電阻與外應(yīng)力、磁各向異性以及磁致伸縮系數(shù)等之間的關(guān)系.3.應(yīng)力方向相關(guān)性分析我們首先研究鐵磁非磁鐵磁三層膜系統(tǒng)中層間耦合為鐵磁性耦合(J>0)情形下,其GMR效應(yīng)對應(yīng)力大小和方向的響應(yīng).數(shù)值計算中,我們選取參數(shù):4πM=10(MAm),HupA=1.0(MAm),HupB=3HupA=3.0(MAm),λA=0.1,λB=λA=0.1,He=0.1(MAm).圖2描繪了不同應(yīng)力場值Hλ的情況下,兩鐵磁層磁化強度夾角Δφ和系統(tǒng)磁電阻率(MR)隨外應(yīng)力角度φσ的變化關(guān)系.在外應(yīng)力從系統(tǒng)易軸(x)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)180°的過程中,兩鐵磁層磁化強度的夾角變化分為兩種情形.對于8πM5≤Hλ≤18πM5的情況,Δφ隨φσ的增大而增大,當(dāng)φσ旋轉(zhuǎn)到180°時,Δφ達到最大值,即180°.在Hλ<8πM5或Hλ>8πM5的情況下,Δφ發(fā)生兩次對稱的恢復(fù)行為,在φσ=90°附近出現(xiàn)最大值Δφmax,變化相對急劇.從MR隨外應(yīng)力角度φσ的變化關(guān)系,我們可以發(fā)現(xiàn):如果Hλ<8πM5或Hλ>18πM5,MR隨φσ發(fā)生對稱的非單調(diào)性變化.在應(yīng)力從易軸旋轉(zhuǎn)90°的過程中,MR先緩慢增大后快速恢復(fù),并在磁難軸附近出現(xiàn)峰值.當(dāng)外應(yīng)力旋轉(zhuǎn)到90°時,MR恢復(fù)到初始值.如果8πM5≤Hλ≤18πM5,MR隨φσ的增大而單調(diào)上升,產(chǎn)生GMR效應(yīng),且在系統(tǒng)難軸附近,MR最敏感,當(dāng)外應(yīng)力旋轉(zhuǎn)到180°時,MR達到最大值.為了研究磁性能參量(如各向異性常數(shù)、磁致伸縮系數(shù)等)對磁電阻的應(yīng)力方向相關(guān)性的影響,我們分析了磁致伸縮系數(shù)不同的情況下,磁化取向之夾角以及磁電阻隨外應(yīng)力方向的變化關(guān)系.如圖3所示,保持兩鐵磁層單軸各向異性HupB=3HupA=3.0MAm不變,λB分別取0.5λA,2λA.結(jié)合圖2,我們發(fā)現(xiàn):隨著λBλA的減小,產(chǎn)生GMR效應(yīng)的應(yīng)力大小范圍變大,小端臨界值恒為8πM5(即4.0MAm),大端臨界值隨λBλA的減小而增大.比如,圖3(a)產(chǎn)生GMR效應(yīng)的Hλ的范圍為8πM5≤Hλ≤38πM5,圖2產(chǎn)生GMR效應(yīng)的Hλ范圍為8πM5≤Hλ≤18πM5.此外,我們還注意到:隨著λBλA與HupBHupA差距的擴大,MR隨應(yīng)力方向的變化關(guān)系類似,但其變化幅度明顯增大,即MR的靈敏度和最大值都顯著提高,但出現(xiàn)峰值MRmax的位置遠離磁難軸.比如Hλ=3.0MAm時,MR峰值的位置和大小分別為圖3(a),φσcrit=74°,MRmax=0.43RPΔR;圖2φσcrit=76°,MRmax=0.034RPΔR;圖3(b)φσcrit=82°,MRmax=0.015RPΔR.特別地,如果λBλA=HupB=HupA,兩鐵磁層磁化取向之夾角Δφ隨外應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)不變,其誘發(fā)的系統(tǒng)磁電阻恒為零.圖2、圖3均表明:在磁易軸方向上的外應(yīng)力不帶來層間磁化取向之改變,故不能誘發(fā)系統(tǒng)磁電阻.而當(dāng)外應(yīng)力在磁難軸附近時,將顯著地誘導(dǎo)層間磁化取向的差異,得到巨磁阻效應(yīng).圖4描繪了外應(yīng)力方向偏離易軸60°,80°,90°的情況下,兩鐵磁磁化強度夾角Δφ和系統(tǒng)磁電阻(MR)隨外應(yīng)力場大小Hλ的變化關(guān)系.當(dāng)φσ=60°時,Δφ隨Hλ的增大先快速增大后緩慢下降,在某臨界點(此例Hλcrit=6.0MAm)出現(xiàn)Δφmax峰值.而φσ=80°時,這種非單調(diào)變化的趨勢更加明顯,Δφmax峰值變大,但出現(xiàn)峰值的位置不變.特別地,當(dāng)φσ=90°時,隨Hλ的增大,Δφ先恒為0°,當(dāng)Hλ達到臨界值H′λcrit(此例H′λcrit=10.2MAm)時,Δφ突然急速上升為90°,并保持不變.由磁電阻隨應(yīng)力大小的變化關(guān)系,我們可以得到MR隨Hλ的增大先敏銳增強后緩慢降低,有峰值出現(xiàn).而且,當(dāng)應(yīng)力方向趨近磁難軸時,MR對應(yīng)力大小Hλ的敏感度增強,其峰值也顯著增大.特別地,當(dāng)外應(yīng)力完全垂直于磁易軸時,隨應(yīng)力大小Hλ的增大,在臨界點(此例H′λcrit=10.2MAm)處MR會從0突變?yōu)棣2RP,導(dǎo)致GMR效應(yīng).同樣,為了研究磁性能參量(各向異性常數(shù)、磁致伸縮系數(shù))對磁電阻的應(yīng)力依賴性的影響,我們亦分析了磁致伸縮系數(shù)不同的情況下,磁化取向之夾角以及磁電阻隨外應(yīng)力大小的變化關(guān)系.如圖5所示,保持兩鐵磁層單軸各向異性HupB=3HupA=3.0MAm不變,λB分別取0.5λA,2λA.結(jié)合圖4,我們發(fā)現(xiàn):隨著λBλA趨近HupBHupA(此例為3),MR隨Hλ的變化關(guān)系類似,但MR變化的靈敏度和幅度明顯減弱,其峰值MRmax出現(xiàn)的位置向零點偏移.比如φσ=60°的情況下,MRmax的位置及其大小分別圖5(a)隨著λB/λA比值與HupB/HupA比值差距的減小,MR發(fā)生突變的應(yīng)力臨界值H′λcrit也向零點漂移.應(yīng)當(dāng)指出,如果λB/λA=HupB/HupA,Δφ將不隨外應(yīng)力大小Hλ和方向φσ變化,恒為0°,即系統(tǒng)磁電阻不受應(yīng)力大小Hλ和方向φσ的影響.對于層間耦合為反鐵磁性耦合(J<0)情形,其鐵磁非磁鐵磁三層膜系統(tǒng)的磁電阻隨外應(yīng)力方向和大小的變化關(guān)系如圖6所示.其中圖6(a)描繪了不同應(yīng)力場值Hλ的情況下,兩鐵磁層磁化強度夾角Δφ和系統(tǒng)磁電阻率MR隨外應(yīng)力角度φσ的變化關(guān)系.圖6(a)表明:在外應(yīng)力從系統(tǒng)易軸(x)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)180°的過程中,兩鐵磁層磁化之夾角Δφ的變化分為兩種情形,對于8πM5≤Hλ≤18πM5的情況,Δφ隨φσ的增大而減小,當(dāng)φσ旋轉(zhuǎn)到180°時,Δφ達到最小值,即0°;在Hλ<8πM5或Hλ>18πM5的情況下,Δφ發(fā)生兩次對稱的恢復(fù)行為,在φσ=90°附近出現(xiàn)最小值Δφmix,變化相對急劇.從MR隨外應(yīng)力角度φσ的變化關(guān)系可以發(fā)現(xiàn):層間反鐵磁性耦合的系統(tǒng)磁電阻隨應(yīng)力方向的依賴性與層間耦合為鐵磁性耦合的情形類似,MR隨φσ單調(diào)變化,產(chǎn)生GMR效應(yīng)的應(yīng)力大小范圍都是8πM5≤Hλ≤18πM5;而且,同樣在應(yīng)力方向處于系統(tǒng)磁難軸附近時,MR最敏感.圖6(b)描繪了外應(yīng)力方向偏離易軸60°,80°,90°的情況時,反鐵磁性耦合下兩鐵磁層磁化夾角Δφ和系統(tǒng)磁電阻率MR隨外應(yīng)力場大小Hλ的變化關(guān)系.當(dāng)φσ=60°時,Δφ隨Hλ的增大先快速減小后緩慢增大,在某臨界點(此例Hλcrit=5.0MAm)出現(xiàn)Δφmax最小值.而φσ=80°時,這種非單調(diào)變化的趨勢更加明顯,Δφmax極值變小,但出現(xiàn)極值的位置不變.特別地,當(dāng)φσ=90°時,隨Hλ的增大,Δφ先恒為180°,當(dāng)Hλ達到臨界值H′λcrit(此例H′λcrit=10.0MAm)時,Δφ突然急速減小為90°,并保持不變.研究結(jié)果還表明:層間耦合為反鐵磁性耦合情況下,系統(tǒng)的磁電阻隨應(yīng)力大小的變化關(guān)系與層間耦合為鐵磁耦合的情形也基本一致.但MR隨Hλ的增大先敏銳增強后緩慢降低,有峰值出現(xiàn).而且,當(dāng)應(yīng)力方向趨近磁難軸時,MR對應(yīng)力大小Hλ的敏感度增強,其峰值也顯著增大.特別地,當(dāng)外應(yīng)力完全垂直于磁易軸時,隨應(yīng)力大小Hλ的增大,在臨界點(此例H′λcrit=10.0MAm)處MR會從0突變?yōu)?ΔR2RA,導(dǎo)致GMR效應(yīng).進一步研究還發(fā)現(xiàn):層間耦合為反鐵磁性耦合的情形下,磁性能參量(各向異性常數(shù)、磁致伸縮系數(shù))對磁電阻的應(yīng)力相關(guān)性的影響與鐵磁性耦合的情形類似,都是隨著λBλA與HupBHupA之差距的減小,MR隨應(yīng)力大小和方向的變化幅度減小,如果λBλA=HupBHupA,Δφ不隨外應(yīng)力大小或方向變化,恒為180°,系統(tǒng)磁電阻不變.因此,對反鐵磁性層間耦合,其GMR效應(yīng)對應(yīng)力大小和方向的響應(yīng)近似地相反于鐵磁性層間耦合情形.究其原因在于應(yīng)力各向異性是單軸性的,不是單向性的.4.應(yīng)力誘發(fā)的磁電阻本文通過研究外應(yīng)力場下鐵磁非磁鐵磁三層膜系統(tǒng)中的自旋結(jié)構(gòu),討論了系統(tǒng)磁電阻對外應(yīng)力的依賴關(guān)系.結(jié)果表明,外應(yīng)力能夠誘發(fā)磁電阻效應(yīng),且其磁電阻緊密依賴于外應(yīng)力的大小和方向.一般地對鐵磁性層間耦合J>0,如果兩鐵磁層的磁致伸縮系數(shù)比值與單軸各向異性常數(shù)比值相等,系統(tǒng)磁電阻不受外應(yīng)力場的影響,不出現(xiàn)應(yīng)力誘發(fā)的磁電阻效應(yīng).當(dāng)兩鐵磁層的磁致伸縮系數(shù)以及單軸各向異性常數(shù)不相等時,大小一定的外應(yīng)力由磁易軸向磁難軸旋轉(zhuǎn)的過程中,磁電阻先緩慢增大后急劇減小,在磁難軸附近變化較敏銳,并出現(xiàn)峰值;當(dāng)外應(yīng)力偏離磁易軸方向一定時,磁電阻隨應(yīng)力的增大先敏銳增強后緩慢減小,出現(xiàn)極值,且應(yīng)力方向偏離磁易軸