nimnsnti合金的相变和交换偏置研究【字数：12053】
摘 要我采用的方法是电弧熔炼还有后续退火来制备此次实验需要的Ni43Mn46Sn11-xTix（x=0, 1, 2, 3, 4, 6）合金铸锭。然后将样品在冷水中经过快淬处理。用粉末x射线衍射仪(XRD)设备来测定样品在室温下的晶体结构，再用MPMS高精度磁学测量系统来仔细的测量样品的磁学性质。通过测量材料在场冷和零场冷的情况下的磁滞回线，发现x不同数量的掺杂会出现交换偏置现象，且每次的交换偏置现象明显程度也不同。由于Sn和Ti具有相同价电子数，Ti原子较小，掺杂后会使晶胞体积明显减小，同时反铁磁相互作用增强。
目录
1. 绪论 4
1.1引言 4
1.2 研究概述 4
1.2.1交换偏置基本特征 4
1.2.2 AFM层厚度对交换偏置的影响 5
1.3 FM层厚度和磁化反转过程不对称性的影响 7
1.3.1.磁化 9
1.3.2.缓冲层厚度的影响 10
1.3.3.FM层中微观结构的影响 11
1.3.4.FM磁化效应 12
1.3.5.正交换偏置 14
1.3.6.垂直交换偏置 16
2. Ni43Mn46Sn11xTix合金的制备和表征 18
2.1 样品制备 18
2.2 试方材料测法 18
2.2.1 X射线衍射（XRD） 18
2.2.2 扫描电子显微镜（SEM） 19
2.2.3磁学测量系统（MPMS） 20
3 .结果和讨论 21
4. 结论 28
参考文献 30
致谢 32
1. 绪论
1.1引言
自Co/CoO核壳纳米粒子中发现交换偏效应以来，由于其在自旋电子器件中的重要作用，在各种铁磁体(FM)/反铁磁体(AFM)双层膜中得到了广泛的研究。本文对交换偏置的研究现状进行了综述。首先，我们概述了电子束的基本特征，包括组成层厚度、FM层的微观结构和磁化强度的影响，并讨论了楔状FM/AFM双层膜的非对称磁化反转过程。其次，讨论了正交换偏置和垂直交换偏置的形成机理，最后讨论了旋转各向异性在这两种 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
现象中的作用。
1.2 研究概述
在FM铁磁材料中如果具有某些特性在AFM的Neel温度（TN）经过冷却时，就会产生各向异性“交换偏置”（交换偏置是一种存在与AFM和FM材料的界面上在某些条件下产生的交换各向异性现象）。
这种各向异性是Meiklejohn和Bean在20世纪中研究嵌在天然反铁磁性氧化物（CoO）中的Co粒子时发现的。首次观察到铁磁/反铁磁（FM/AFM）双层膜中的交换偏置存在于Co/CoO层中。自从发现磁多层膜中的巨磁阻效应以来，FM/AFM双层膜中的交换偏置现象得到了新的关注，为了实际应用巨磁阻效应，设计了自旋阀结构。作为中心部分，FM/AFM双层膜起着至关重要的作用，两个FM层中的一个被相邻的一个AFM层固定，这样FM层就可以在很小的外部磁场中自由反转。目前，FM/AFM双层结构广泛应用于各种自旋电子学器件中。理想情况下，需要大的交换场HE、较小的HC和很高的热稳定性。因此，该领域的大多数研究都是通过使用不同的FM和AFM层来优化交换偏置性能。从那时起，在许多不同的系统中，如果材料含有FMAFM界面，那么一般都可以观察到这种现象的产生。
1.2.1交换偏置基本特征
由于交换偏置是由FM与AFM在原子间的交换相互作用引起的。面对这一现象，揭示其背后的物理学意义重大。由于其界面性质，在固定的AFM层厚度下，HE与逆FM层厚度(1/tFM)成正比，对于较大的tFM, HC将变小。相比之下，交换偏置以更复杂的方式依赖于组成层的结晶取向。由于界面交换耦合能量与界面处FM层和AFM层的自旋结构密切相关，无论是补偿层还是非补偿层，交换偏置都与组成层的晶体取向有关。
对于Co/CoO纳米粒子，滞后环的中心位于 1.0 kOe ，样品场冷却后矫顽力HC为2.2 kOe。然而，经过零磁冷却后，在零磁场下出现了磁滞回线，HC约为1.0 kOe，如图1.1所示。磁滞环沿水平轴的位移和HC的增强现象称为交换偏置现象。同时，即使外加磁场大于各向异性磁场，也存在不消失的旋转滞后现象。
图1.1. Co/CoO颗粒经过场冷却(实线)和零场冷却(虚线)后的低温磁滞回线
1.2.2 AFM层厚度对交换偏置的影响
本文讨论的所有样品均采用高真空多源磁控溅射制备。从Py和Fe50Mn50的合金靶材上制备了1.5cm×5cm/Cu(30nm)/Fe50Mn50(= FeMn) (30nm)/Ni81Fe19(= Py)的基础样品。在这里，Py层呈楔形，从4.0 nm到30.0 nm，穿过基板5cm的距离。利用Cu底层刺激(111)织构的fccFeMn生长。因此，试样上沿楔体方向的每个位置对应一个特定的Py厚度。在沉积过程中，在薄膜平面上施加了约200 Oe的垂直于楔体方向的磁场。
沉积后，将样品FeMn加热至TN = 500k以上，然后在10koe磁场中冷却至室温，磁场施加于薄膜平面，垂直于楔体方向。同时，还制备了具有不同tAFM的Py/FeMn双层结构。最后，底物(Si)/Cr82Al18(= CrAl)(tAFM)/Py (8 nm)为楔状CrAl层，Si/CrAl(53 nm)/Py(tFM)为将Py合金靶材和Al靶材制备成楔状Py层，再用30nm厚的Cu覆盖。
上世纪60年代初，kouovel和Kasper用中子散射技术对非共线自旋结构进行了实验测定发现，无序的fccFexMn1 x合金具有较长的反铁磁顺序。假设铁自旋是铁磁耦合的，而相邻的MnMn和MnFe自旋是反铁磁耦合的。当FeFe、Mn fe和Mn Mn组对的耦合强度相当时，相邻的Mn自旋将呈非线性排列。
交换偏置对组成层厚度的依赖关系已经得到了广泛的研究。对于目前的Py/FeMn双分子层，tAFM < 3.0 nm时，HE = 0。但是它只出现在tAFM > 3.0 nm处，然后随着tAFM的增大急剧增大到最大值。HC在tAFM较小处急剧增加，在tAFM = 10nm处达到最大值，此时HE变化剧烈。之后，HC逐渐减小。临界tAFM值与其他研究小组的观测结果接近。如图1.2(b)所示，对于Py/CrAl双分子层，交换偏置的起始厚度为25nm，约比Py/FeMn双分子层3.0 nm的起始厚度大一个数量级。
目录
1. 绪论 4
1.1引言 4
1.2 研究概述 4
1.2.1交换偏置基本特征 4
1.2.2 AFM层厚度对交换偏置的影响 5
1.3 FM层厚度和磁化反转过程不对称性的影响 7
1.3.1.磁化 9
1.3.2.缓冲层厚度的影响 10
1.3.3.FM层中微观结构的影响 11
1.3.4.FM磁化效应 12
1.3.5.正交换偏置 14
1.3.6.垂直交换偏置 16
2. Ni43Mn46Sn11xTix合金的制备和表征 18
2.1 样品制备 18
2.2 试方材料测法 18
2.2.1 X射线衍射（XRD） 18
2.2.2 扫描电子显微镜（SEM） 19
2.2.3磁学测量系统（MPMS） 20
3 .结果和讨论 21
4. 结论 28
参考文献 30
致谢 32
1. 绪论
1.1引言
自Co/CoO核壳纳米粒子中发现交换偏效应以来，由于其在自旋电子器件中的重要作用，在各种铁磁体(FM)/反铁磁体(AFM)双层膜中得到了广泛的研究。本文对交换偏置的研究现状进行了综述。首先，我们概述了电子束的基本特征，包括组成层厚度、FM层的微观结构和磁化强度的影响，并讨论了楔状FM/AFM双层膜的非对称磁化反转过程。其次，讨论了正交换偏置和垂直交换偏置的形成机理，最后讨论了旋转各向异性在这两种 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
现象中的作用。
1.2 研究概述
在FM铁磁材料中如果具有某些特性在AFM的Neel温度（TN）经过冷却时，就会产生各向异性“交换偏置”（交换偏置是一种存在与AFM和FM材料的界面上在某些条件下产生的交换各向异性现象）。
这种各向异性是Meiklejohn和Bean在20世纪中研究嵌在天然反铁磁性氧化物（CoO）中的Co粒子时发现的。首次观察到铁磁/反铁磁（FM/AFM）双层膜中的交换偏置存在于Co/CoO层中。自从发现磁多层膜中的巨磁阻效应以来，FM/AFM双层膜中的交换偏置现象得到了新的关注，为了实际应用巨磁阻效应，设计了自旋阀结构。作为中心部分，FM/AFM双层膜起着至关重要的作用，两个FM层中的一个被相邻的一个AFM层固定，这样FM层就可以在很小的外部磁场中自由反转。目前，FM/AFM双层结构广泛应用于各种自旋电子学器件中。理想情况下，需要大的交换场HE、较小的HC和很高的热稳定性。因此，该领域的大多数研究都是通过使用不同的FM和AFM层来优化交换偏置性能。从那时起，在许多不同的系统中，如果材料含有FMAFM界面，那么一般都可以观察到这种现象的产生。
1.2.1交换偏置基本特征
由于交换偏置是由FM与AFM在原子间的交换相互作用引起的。面对这一现象，揭示其背后的物理学意义重大。由于其界面性质，在固定的AFM层厚度下，HE与逆FM层厚度(1/tFM)成正比，对于较大的tFM, HC将变小。相比之下，交换偏置以更复杂的方式依赖于组成层的结晶取向。由于界面交换耦合能量与界面处FM层和AFM层的自旋结构密切相关，无论是补偿层还是非补偿层，交换偏置都与组成层的晶体取向有关。
对于Co/CoO纳米粒子，滞后环的中心位于 1.0 kOe ，样品场冷却后矫顽力HC为2.2 kOe。然而，经过零磁冷却后，在零磁场下出现了磁滞回线，HC约为1.0 kOe，如图1.1所示。磁滞环沿水平轴的位移和HC的增强现象称为交换偏置现象。同时，即使外加磁场大于各向异性磁场，也存在不消失的旋转滞后现象。
图1.1. Co/CoO颗粒经过场冷却(实线)和零场冷却(虚线)后的低温磁滞回线
1.2.2 AFM层厚度对交换偏置的影响
本文讨论的所有样品均采用高真空多源磁控溅射制备。从Py和Fe50Mn50的合金靶材上制备了1.5cm×5cm/Cu(30nm)/Fe50Mn50(= FeMn) (30nm)/Ni81Fe19(= Py)的基础样品。在这里，Py层呈楔形，从4.0 nm到30.0 nm，穿过基板5cm的距离。利用Cu底层刺激(111)织构的fccFeMn生长。因此，试样上沿楔体方向的每个位置对应一个特定的Py厚度。在沉积过程中，在薄膜平面上施加了约200 Oe的垂直于楔体方向的磁场。
沉积后，将样品FeMn加热至TN = 500k以上，然后在10koe磁场中冷却至室温，磁场施加于薄膜平面，垂直于楔体方向。同时，还制备了具有不同tAFM的Py/FeMn双层结构。最后，底物(Si)/Cr82Al18(= CrAl)(tAFM)/Py (8 nm)为楔状CrAl层，Si/CrAl(53 nm)/Py(tFM)为将Py合金靶材和Al靶材制备成楔状Py层，再用30nm厚的Cu覆盖。
上世纪60年代初，kouovel和Kasper用中子散射技术对非共线自旋结构进行了实验测定发现，无序的fccFexMn1 x合金具有较长的反铁磁顺序。假设铁自旋是铁磁耦合的，而相邻的MnMn和MnFe自旋是反铁磁耦合的。当FeFe、Mn fe和Mn Mn组对的耦合强度相当时，相邻的Mn自旋将呈非线性排列。
交换偏置对组成层厚度的依赖关系已经得到了广泛的研究。对于目前的Py/FeMn双分子层，tAFM < 3.0 nm时，HE = 0。但是它只出现在tAFM > 3.0 nm处，然后随着tAFM的增大急剧增大到最大值。HC在tAFM较小处急剧增加，在tAFM = 10nm处达到最大值，此时HE变化剧烈。之后，HC逐渐减小。临界tAFM值与其他研究小组的观测结果接近。如图1.2(b)所示，对于Py/CrAl双分子层，交换偏置的起始厚度为25nm，约比Py/FeMn双分子层3.0 nm的起始厚度大一个数量级。
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