低维磁性纳米材料磁各向异性和磁化翻转行为的调控

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1、密级：中国科学院大学UniVersityofChineseAcademyofSciences博士学位论文2013年s月1舢舢ⅧⅢⅢ⋯删洲舢川ⅢY2382177ManIpUIatIOnOtmagnetlCanIS0trODIeSanamagnetIZatIOnreVerSaIlnlOWaImenSlonaImagnetlCnanO—matenalSByWuQiongAThesisSubmittedtoTheUniVersityofChineseAcademyofSciencesInpartiaIfuIf．¨men

2、toftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceInStituteOfPhysiCSMaⅥ20132摘要本论文中，我们主要是利用分子束外延(MBE)的方法在多种衬底(si(111)、si(557)、HoPG)上制备了低维磁性纳米结构，并在制备过程中通过衬底台阶，离子枪轰击，倾斜入射生长等方法设计和调控了低维磁性纳米材料磁各向异性和磁化翻转行为。利用原位扫描隧道显微镜和磁光克尔磁强计，以及非原位的面内转角一磁光克尔效应磁强计和磁光克尔显微镜等手段，对低维磁性纳米结构分别

3、进行了磁性以及形貌结构等表征，并利用一致转动模型计算和自关联函数计算，ooMMF计算等理论计算方法与实验结果进行了对照，对各样品磁各向异性和磁化翻转行为的表现加以了合理解释。主要内容包括：1．我们采取了一种非常新颖的方法来调制Si(111)衬底的宽度，在这里我们控制的是衬底处理过程中直接通过样品表面的直接加热电流的方向。对应的生长在si(111)表面上的外延Fe薄膜的磁性质就得到了近似连续性的调制。扫描隧道显微镜图像能够体现出Si(1l1)衬底上的台阶宽度是能够被加热电流的方向连续调制的。磁光克尔效应测量的磁滞

4、回线揭示出台阶宽度对生长在Si(111)衬底上的外延Fe薄膜的磁各向异性有非常明显的影响。自关联函数计算的结果表明从表面形貌上诱导出的磁各向异性与我们实验上测到的结果是符合的很好的。那么这个良好的符合性证明了在这个Fe／Si(111)体系中的可调节的单轴各向异性主要是来源于不同宽度的台阶表面上的自旋之间的长程的偶极相互作用。我们的研究工作表明了在Si(111)衬底上的Fe薄膜的磁各向异性可以被直接电流加热的方法进行灵活的调控。在我们已知的文献中，这种通过加热电流方向的变化来调控Si(111)衬底上的超薄膜的磁各

5、向异性的方法是未被报道过的。这一发现开拓了一条新的调控磁各向异性的途径，即采用对原子级平整台阶衬底进行修饰的方法来调控磁各向异性，这丰富了我们构造磁性纳米结构和调控磁性质的能力，并具有应用上的潜力。2．我们利用氩离子枪对HOPG衬底表面进行轰击，轰击的电压强度和时间可控，从而获得表面粗糙度不同的衬底。之后采用斜入射的方法，在样品表面生长了20个原子单层的Co薄膜，之后，将样品取到腔外，使用面内旋转的克尔效应磁强计来对样品面内各个方向进行磁滞回线的测量。测量结果表明，样品都体现出明显的单轴各向异性，经过衬底轰击处

6、理的样品，其矫顽力有了非常明显的减小，而其各向异性常数的大小却几乎不变。通过基于一致转动模型的模拟的磁滞回线结果比对，我们认为这种变化来源于磁化翻转机制由于衬底粗糙度的变化而发生了改变，并且OOMMF计算的结果也应证了我们的实验现象。3．我们研究了Si(557)衬底上的不同厚度的Fe磁性薄膜的各向异性。我们观察到了Fe／Si(557)超薄膜的较宽区域的厚度诱导自旋重取向过程以及温度诱导的自旋重取向过程，另外还研究了较厚的Fe／Si(557)的面内单轴各向异性，并讨论了不同斜切角度衬底上Fe薄膜单轴各向异性方向的

7、变化。4．我们采用了通过交流磁控溅射的方法来制备的底部钉扎结构的[Co(0．6nm)／Pt(1nm)]2／Co(O．6nm)／IrMn(6nm)／Pt(2nm)／Ta(4nm)币口[Co(0．6nm)／Pt(1nm)]2／C06。Fe。。(0．6nm)／IrMn(6nm)／Pt(2nm)／Ta(4nm)。我秆]发现，通过替代IrMn层邻近的Co层为Co。。Fe。。的方法能够实现垂直交换偏置场和磁化翻转不对称性的增强。这个铁磁层成分的替代过程产生了界面交换耦合能及其分布范围数值的增大，最终增强了交换偏置场和翻转不

8、对称性。关键词：低维磁性纳米结构，磁各向异性的调控，磁化翻转机制，磁光克尔效应4AbstractlnthIsartIcIe，wemaInIyempIoyedMoIecuIeBeamEpitaxy(MBE)tofabricateIowdimensionaImagneticnanostructuresonVarioussubstrates(Si(111)、Si(557)、HOPG)．1nt