磁膜中的鐵磁共振頻率

1磁場存儲的磁線分析在熱擾動的影響方面,主要分為垂直磁記錄和垂直磁記錄兩種形式.人類社會進入信息時代后，信息存儲的快速增加要求信息存儲的密度迅速提高。目前，最重要的信息存儲方法包括磁記錄技術和光存儲，其中磁記錄技術被廣泛使用。磁記錄技術的發(fā)展也經歷了從縱向到垂直磁力記錄的轉變，即磁化強度分別為平行的和垂直的。垂直磁力記錄的出現(xiàn)和發(fā)展源于傳統(tǒng)的垂直記錄方式，它面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，隨著磁盤表面數(shù)據(jù)密度的進一步提高，單個數(shù)據(jù)集的面積必須進一步減小。隨著其尺寸的減小，熱擾動的影響尤為重要。材料剩余磁合比顯著降低，直到為零，因此存在一種非常彎曲的磁合現(xiàn)象。因此，目前磁盤數(shù)據(jù)主要采用垂直磁記錄法，被稱為“打開t級存儲門的鑰匙”，在行業(yè)引起了極大的關注。在實驗和理論上，研究人員對大量垂直磁力數(shù)據(jù)進行了研究，并取得了許多成果[3、4、5、6、7、8、9、10、11]。鐵磁共振法是研究磁性薄膜物理性質的基本方法之一,是獲得磁弛豫以及磁膜中磁化分布的重要手段.因此,研究磁性薄膜中的鐵磁共振現(xiàn)象與其磁化參量(如磁晶各向異性、外磁場等)之間的關系顯得非常有意義[15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25].特別是研究垂直場下磁性薄膜中的鐵磁共振現(xiàn)象的特證,能為垂直磁記錄材料的研究在實驗和應用中提供理論指導.本文模型中,鐵磁層具有單軸磁晶各向異性、立方磁晶各向異性和垂直磁晶各向異性,基于Smith和Beljers理論推導了其磁共振頻率的解析表達式,研究了鐵磁單層膜系統(tǒng)的鐵磁共振現(xiàn)象.著重討論了垂直場下磁晶立方各向異性、垂直各向異性、面內單軸各向異性等對其鐵磁共振頻率的影響.2鐵磁單層膜單位磁化方程對鐵磁單層膜,定義膜面為x-y平面,z軸垂直于膜面.采用球坐標系,其中θ,φ分別表示磁化方向與z軸夾角的極角和與x軸夾角的方位角.本文首先討論外磁場H沿著z軸方向的情況,即外磁場垂直于膜面的情形,其鐵磁單層膜單位面積上的總能量可以寫為第一項是退磁能與垂直各向異性能,其中是垂直膜面的退磁常數(shù),Ms表示鐵磁層的飽和磁化強度,K⊥為垂直于膜面方向的各向異性常數(shù);第二項和第三項分別表示立方磁晶各向異性能和面內單軸磁各向異性能,K‖和Ku分別為立方磁晶各向異性常數(shù)和面內單軸磁各向異性常數(shù);最后一項為鐵磁層在外加磁場H下的塞曼能.根據(jù)平衡方程,得到其平衡態(tài)下的磁化狀態(tài)θ與φ分別由下列方程決定:由(3)式可得是一個具有物理意義的解;而決定磁化角θ的(2)式可化簡為根據(jù)文獻,其系統(tǒng)的鐵磁共振頻率為其中w是共振頻率,γ是回旋比.將方程(1)代入方程(5)得其次,討論外磁場H在膜面內沿著y軸方向,垂直于單軸各向異性,并考慮磁膜具有垂直磁晶各向異性情況,則鐵磁單層膜單位面積上的總能量可寫為第一項是垂直各向異性能與退磁能,其中K⊥為垂直于膜面方向的各向異性常數(shù),是垂直膜面的退磁常數(shù),Ms表示鐵磁層的飽和磁化強度;第二項和第三項分別表示立方磁晶各向異性能和面內單軸磁各向異性能,K‖和Ku分別為立方磁晶各向異性常數(shù)和面內單軸磁各向異性常數(shù);最后一項為塞曼能.根據(jù)平衡方程,即,發(fā)現(xiàn)是這個方程的解;而磁化角θ由下式決定:將方程(7)代入方程(5)得由(6)和(9)式可討論上述兩種情形下的鐵磁共振行為特征.3聯(lián)合式聯(lián)合磁場與依據(jù)配方的共振頻率由(6)和(9)式可以分析上述兩種情形下鐵磁共振頻率與系統(tǒng)磁化參數(shù)的依賴關系,著重討論垂直各向異性、立方各向異性、單軸各向異性和外磁場對鐵磁單層膜系統(tǒng)鐵磁共振頻率動態(tài)行為的影響.首先討論第一種情形,即外磁場垂直于膜面情形下鐵磁共振頻率的行為特征.本文中,當立方各向異性場為負值時,表明立方各向異性軸沿<100)方向;反之,立方各向異性場為正值時,立方各向異性軸沿<111>方向.圖1顯示具有<100>方向立方各向異性、面內單軸各向異性等的鐵磁薄膜中,其磁共振頻率隨垂直于膜面外磁場的變化關系.曲線(a)僅存在沿著y軸方向的單軸各向異性,曲線(b)僅存在<100>方向的立方各向異性,曲線(c)同時存在<100>方向的立方各向異性和沿y軸方向單軸各向異性.結果顯示:三種情況下其共振頻率都隨外磁場的增加均單調地非線性減小.進一步研究發(fā)現(xiàn):對前兩種情形,其共振頻率都隨外磁場的增加總是單調地非線性減小,其共振頻率隨各向異性的增強而增加;但對第3種情形,其共振頻率隨外磁場的變化依賴于立方各向異性與單軸各向異性之比,如圖2所示.圖2給出了具有不同面內單軸各向異性和<111>方向立方各向異性的磁性單層膜系統(tǒng)中磁共振頻率與外磁場的關系.結果顯示,當立方磁晶各向異性場Hk1與單軸磁晶各向異性場Ha之比值近似在2/3<|Hk1/Ha|<1時,鐵磁共振頻率隨外磁場增加而單調增加,這與相關的實驗結果一致;當5/9<|Hk1/Ha|<2/3時,共振頻率隨外磁場增加出現(xiàn)先單調增加后單調減小的趨勢,若比值再減小則磁共振頻率隨外磁場的增加而單調減小;但|Hk1/Ha|>1時,只出現(xiàn)磁共振吸收.為便于比較,本文還討論了當外磁場在膜面內且垂直于單軸各向異性,并考慮磁性膜具有垂直磁晶各向異性時,系統(tǒng)的磁共振頻率隨外磁場的變化情況.圖3(a)顯示具有不同垂直各向異性的鐵磁型薄膜中,鐵磁共振頻率隨膜面內外磁場的變化關系.結果發(fā)現(xiàn):垂直各向異性對系統(tǒng)鐵磁共振頻率的影響與外磁場垂直膜面的情況有明顯的不同.由于垂直單軸各向異性場的作用,系統(tǒng)中共振頻率隨膜面內外磁場的變化分為兩支,即高頻支和低頻支,其高頻支隨外磁場的增加緩慢增加,而低頻支隨外磁場的增加快速增加,并且高頻支總是存在,而低頻支的存在依賴于垂直各向異性的大小.垂直各向異性場較小或較大時,鐵磁共振僅存在高頻支,反之,鐵磁共振分為高頻支和低頻支兩種情況.進一步研究表明,系統(tǒng)中磁共振出現(xiàn)高頻支與低頻支的原因是系統(tǒng)在該情況下其自旋磁化存在兩種穩(wěn)定狀態(tài),如圖3(b)所示.其中,相對比較穩(wěn)定的磁狀態(tài)激發(fā)了高頻支,而另一亞穩(wěn)定的磁狀態(tài)激發(fā)了低頻支.為便于比較,本文還討論了面內各向異性對系統(tǒng)磁共振頻率及磁化性質的影響,如圖4和圖5所示.圖4為面內單軸各向異性對系統(tǒng)磁共振頻率及磁化性質的影響.圖4(a)表明,當垂直各向異性占優(yōu)勢時,隨著面內單軸各向異性場的增加磁共振頻率曲線出現(xiàn)兩支,即高頻支與低頻支,并且鐵磁共振頻率的兩支都隨外磁場單調增加.其中,高頻支隨面內單軸各向異性場的增加緩慢增加,而低頻支增加顯著.但當面內單軸各向異性占優(yōu)勢時,表現(xiàn)出的磁共振頻率的特征與文獻的研究結果一致.圖4(b)表明系統(tǒng)中磁共振出現(xiàn)高頻支與低頻支的行為依賴于其自旋磁化狀態(tài).圖5顯示了面內立方各向異性對系統(tǒng)鐵磁共振頻率及其磁化性質的影響.結果發(fā)現(xiàn):當垂直各向異性占優(yōu)勢時,立方各向異性對鐵磁共振頻率的影響與面內單軸各向異性的相似,但較圖4的變化趨勢明顯.并且高頻支在外磁場較小時,隨著立方各向異性場的增加,鐵磁共振頻率顯著減小;而在較大外磁場下,其鐵磁共振頻率趨于相同.圖5(b)為其相應系統(tǒng)的磁化行為.4共振頻率隨靜置時間的變化基于Smith和Beljers理論,討論了垂直場下鐵磁單層膜的鐵磁共振行為特征,并推導出鐵磁單層膜系統(tǒng)磁共振的解析式.結果顯示:對外磁場垂直于膜面的情形,其磁共振頻率隨外磁場的關系僅存在一支情況.具體地,當系統(tǒng)僅具有單軸磁晶各向異性或立方磁晶各向異性的情形時,其共振頻率都隨外磁場的增加總是單調地非線性減小,共振頻率隨各向異性的增強而增加,但當系統(tǒng)同時具有單軸各向異性和立方各向異性時,其共振頻率隨外磁場的變化依賴于立方各向異性與單軸各向異性之比,即在立方各向異性場和單軸各向異性的場的比值近似介于2/3—1時,系統(tǒng)中的磁共振頻率隨外磁場的增加單調增加;在其比值近似為5/9—2/3時,其共振頻率隨外磁場的增加出現(xiàn)了先單調增加后單調減小;而其他情況下,系統(tǒng)中的磁共振頻率都隨外磁場的增加單調地非線性減小,但其磁共振頻率都隨各向異性場的增加單調增加.當外磁場在膜面內且垂直于單軸各向異性,考慮磁性膜具有垂直磁晶各向異性情形時,其磁共振頻率隨外磁場的變化是非單調性的,并且分高頻支和低頻支