Обменное смещение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кривые перемагничивания в направлении лёгкой оси:
a) магнитно мягкого материала;
b) высокоанизотропного антиферромагнетика (магнитная восприимчивость преувеличена);
c) магнитного материала с эффектом обменного смещения.

Обме́нное смеще́ние (или: обме́нная анизотропи́я, анизотропи́я обме́нного взаимоде́йствия, однонапра́вленная анизотропи́я обме́на) — особенность петель гистерезиса перемагничивания магнитных материалов, проявляющаяся в несимметричном расположении петли относительно оси ординат. Наблюдается в слоистых и наноструктурных магнитных материалах, содержащих магнитно мягкую ферромагнитную и высокоанизотропную антиферромагнитную фазу.

Природа эффекта[править | править код]

Смещение петли гистерезиса в слоистых материалах, как правило, объясняется тем, что магнитно мягкая компонента испытывает влияние одной из магнитных подрешёток антиферромагнитной компоненты. Такое влияние называется обменным подмагничиванием или пиннингом.

История открытия[править | править код]

Эффект обменного смещения, известный также как однонаправленная анизотропия, был обнаружен в 1956 г. Мейклджоном и Бином при изучении частиц кобальта, внедренных в антиферромагнитный оксид CoO [1][2][3]. С самого начала был сделан вывод о том, что смещение петли гистерезиса вызвано наличием слоя оксида, окружающего частицы кобальта. Это означало, что магнитное взаимодействие через их общий интерфейс имеет определяющее значение в создании эффекта. После того, как его признали исключительно интерфейсным явлением, обменное смещение стало исследоваться в основном на тонких пленках, состоящих из контактирующих ферромагнитного (ФМ) и антиферромагнитного (АФМ) слоев. В настоящее время, однако, вновь стали активно изучаться литографически приготовленные структуры, а также ферромагнитные и антиферромагнитные частицы.

Основные модели эффекта[править | править код]

Первой и самой простой моделью, призванной объяснить эффект, стала теория, предложенная Мейклджоном и Бином[2]. В своей работе они исследовали однодоменные сферические частицы кобальта, покрытые оболочкой из антиферромагнитного CoO. Эти частицы обладали одноосной анизотропией, и их ось легкого намагничивания (ОЛН) выстраивалась параллельно приложенному магнитному полю. Они предположили, что спиновая конфигурация антиферромагнетика на интерфейсе совершенно не скомпенсирована и остается выровненной вдоль её ОЛН благодаря значительной анизотропии АФМ и более слабой обменной связи между антиферромагнетиком и ферромагнетиком. Такой механизм обменного смещения приводит к сдвигу петли гистерезиса на величину Hex, которая на два порядка выше, чем величины, наблюдаемые в мелкозеренных поликристаллических пленках, хотя данная теория неплохо описывает другие системы.

Хронологически второй моделью, объясняющей эффект обменного смещения, является теория Нееля[4]. Неель предложил модель некомпенсированной спиновой структуры АФМ на интерфейсе. Однако он указывал на то, что эта спиновая структура подвержена деформации и испытывает необратимые изменения во время разворота намагниченности ФМ слоя. Следовательно, поле обменного смещения Hex и коэрцитивная сила Hс определяются изменениями в АФМ в ходе перемагничивания ферромагнитного слоя. Согласно его теории, Hс имеет два вклада: внутренняя ферромагнитная компонента и член, который будет пропорционален необратимым изменениям намагниченности в АФМ. Также Неель рассматривал то, что для реальных шероховатых интерфейсов обе подрешетки антиферромагнетика должны быть представлены в области интерфейса, что приводит к частичной компенсации АФМ моментов. В случае поликристаллических АФМ число спинов на интерфейсе каждого зерна антиферромагнетика может иметь статистическое распределение, что ведет к флуктуациям моментов каждого зерна АФМ. Данная теория также не подходит для расчета значений Hex.

Наиболее успешной теорией обменного смещения можно считать модель Фалкомера и Кэрэпа[5][6]. Ученые провели как экспериментальное, так и теоретическое исследования обменного смещения в пленках пермаллоя, в которых в ходе обработки кислотным паром постепенно окислялся никель с образованием изолированных зерен АФМ на поверхности пленки. Они наблюдали в таких системах прогрессирующие изменения обменного смещения, связанные как с ростом размера зерна, так и с увеличением количества зерен АФМ материала. Количественное моделирование, основанное на модели разворота гранул, аналогичной системе Стонера–Вольфарта, имеет хорошее согласие с экспериментальными наблюдениями. В частности, Фалкомер и Кэрэп прогнозировали, что обменное поле, действующее на АФМ ферромагнетиком, может привести к термически активированным изменениям ориентации подрешеток АФМ, что, в свою очередь, ведет к изменению значения Hex. Важной особенностью данной теории является то, что были рассмотрены случаи с большим разбросом по размеру и форме зерен АФМ. Таким образом, значения энергий анизотропии и обменной связи варьировались в широком диапазоне. Распределение по размеру зерен было принято таким, чтобы все значения были равновероятны до некоторого максимума, а зерен большего размера не было. Они обнаружили важность рассмотрения распределения по размеру зерен, но форма такого распределения не являлась критичной. Данная модель была способна предсказать температурные зависимости величин Hex и Hс в широком диапазоне температур, включая области выше температуры Нееля, как сообщается в[7]. В целом, эта теория стала базой для других моделей гранул (зерен), основанных на эффектах тепловых флуктуаций.

К числу более современных теорий магнитного обменного смещения можно отнести модели Маури[8], Малоземова[9], Стайлза и Мак’Майкла[10], Стэмпса[11], Новака[12] и др. Одна из теорий температурного поведения величины обменного смещения была предложена О’Грейди в 2009 году[13].

Несмотря на то, что эффект обменного смещения был открыт в середине двадцатого столетия, до сих пор нет окончательной теории, которая могла бы объяснить сдвиг петли гистерезиса (Hex) и увеличенное значение коэрцитивной силы (Hc) (определяемое как половина ширины петли). Одной из причин, почему не была разработана ясная и всеобъемлющая теория, является то, что изученный на сегодняшний день круг образцов отличается большим разнообразием. К таким образцам относятся наночастицы, где, очевидно, интерфейс АФМ/ФМ не является плоским[14], эпитаксиально выращенные пленки[15], интерфейс в которых почти идеально плосок, и напыленные поликристаллические пленки[16], где интерфейс имеет значительную шероховатость, что может привести как к структурному, так и к магнитному беспорядку. Интересно отметить, что наибольшее обменное смещение при комнатной температуре наблюдается в поликристаллических (гранулированных) пленках, полученных распылением, и именно эти материалы используются для применения в таких устройствах, как магнитные записывающие головки и приложения MRAM.

Примечания[править | править код]

  1. W. H. Meiklejohn. Exchange Anisotropy—A Review (англ.) // Journal of Applied Physics. — 1962-03. — Vol. 33, iss. 3. — P. 1328–1335. — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550. — doi:10.1063/1.1728716. Архивировано 19 октября 2021 года.
  2. 1 2 W. H. Meiklejohn, C. P. Bean. New Magnetic Anisotropy (англ.) // Physical Review. — 1956-06-01. — Vol. 102, iss. 5. — P. 1413–1414. — ISSN 0031-899X. — doi:10.1103/PhysRev.102.1413.
  3. W. H. Meiklejohn, C. P. Bean. New Magnetic Anisotropy (англ.) // Physical Review. — 1957-02-01. — Vol. 105, iss. 3. — P. 904–913. — ISSN 0031-899X. — doi:10.1103/PhysRev.105.904.
  4. Louis Néel. Étude théorique du couplage ferro-antiferromagnétique dans les couches minces // Annales de Physique. — 1967. — Т. 14, вып. 2. — С. 61–80. — ISSN 1286-4838 0003-4169, 1286-4838. — doi:10.1051/anphys/19671402061.
  5. E. Fulcomer, S. H. Charap. Thermal fluctuation aftereffect model for some systems with ferromagnetic‐antiferromagnetic coupling (англ.) // Journal of Applied Physics. — 1972-10. — Vol. 43, iss. 10. — P. 4190–4199. — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550. — doi:10.1063/1.1660894. Архивировано 19 октября 2021 года.
  6. E. Fulcomer, S. H. Charap. Temperature and frequency dependence of exchange anisotropy effects in oxidized NiFe films (англ.) // Journal of Applied Physics. — 1972-10. — Vol. 43, iss. 10. — P. 4184–4190. — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550. — doi:10.1063/1.1660893.
  7. M. Grimsditch, A. Hoffmann, P. Vavassori, Hongtao Shi, D. Lederman. Exchange-Induced Anisotropies at Ferromagnetic-Antiferromagnetic Interfaces above and below the Néel Temperature (англ.) // Physical Review Letters. — 2003-06-24. — Vol. 90, iss. 25. — P. 257201. — ISSN 1079-7114 0031-9007, 1079-7114. — doi:10.1103/PhysRevLett.90.257201.
  8. D. Mauri, H. C. Siegmann, P. S. Bagus, E. Kay. Simple model for thin ferromagnetic films exchange coupled to an antiferromagnetic substrate (англ.) // Journal of Applied Physics. — 1987-10. — Vol. 62, iss. 7. — P. 3047–3049. — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550. — doi:10.1063/1.339367. Архивировано 19 октября 2021 года.
  9. A. P. Malozemoff. Random-field model of exchange anisotropy at rough ferromagnetic-antiferromagnetic interfaces (англ.) // Physical Review B. — 1987-03-01. — Vol. 35, iss. 7. — P. 3679–3682. — ISSN 0163-1829. — doi:10.1103/PhysRevB.35.3679.
  10. M. D. Stiles, R. D. McMichael. Model for exchange bias in polycrystalline ferromagnet-antiferromagnet bilayers (англ.) // Physical Review B. — 1999-02-01. — Vol. 59, iss. 5. — P. 3722–3733. — ISSN 1095-3795 0163-1829, 1095-3795. — doi:10.1103/PhysRevB.59.3722.
  11. R L Stamps. Mechanisms for exchange bias // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2000-12-07. — Т. 33, вып. 23. — С. R247–R268. — ISSN 1361-6463 0022-3727, 1361-6463. — doi:10.1088/0022-3727/33/23/201. Архивировано 10 октября 2021 года.
  12. U. Nowak, K. D. Usadel, J. Keller, P. Miltényi, B. Beschoten. Domain state model for exchange bias. I. Theory (англ.) // Physical Review B. — 2002-07-17. — Vol. 66, iss. 1. — P. 014430. — ISSN 1095-3795 0163-1829, 1095-3795. — doi:10.1103/PhysRevB.66.014430.
  13. K. O’Grady, L.E. Fernandez-Outon, G. Vallejo-Fernandez. A new paradigm for exchange bias in polycrystalline thin films (англ.) // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2010-04. — Vol. 322, iss. 8. — P. 883–899. — doi:10.1016/j.jmmm.2009.12.011. Архивировано 21 января 2022 года.
  14. J Sort, V Langlais, S Doppiu, B Dieny, S Suriñach. Exchange bias effects in Fe nanoparticles embedded in an antiferromagnetic Cr 2 O 3 matrix // Nanotechnology. — 2004-04-01. — Т. 15, вып. 4. — С. S211–S214. — ISSN 1361-6528 0957-4484, 1361-6528. — doi:10.1088/0957-4484/15/4/017.
  15. L. Wee, R. L. Stamps, L. Malkinski, Z. Celinski, D. Skrzypek. Thermal training of exchange bias in epitaxial Fe / KNiF 3 (англ.) // Physical Review B. — 2004-04-29. — Vol. 69, iss. 13. — P. 134425. — ISSN 1550-235X 1098-0121, 1550-235X. — doi:10.1103/PhysRevB.69.134425.
  16. H. Brown, E. Dan Dahlberg, C. Hou. Exchange bias measurements of CoFe/IrMn (англ.) // Journal of Applied Physics. — 2001-06. — Vol. 89, iss. 11. — P. 7543–7545. — ISSN 1089-7550 0021-8979, 1089-7550. — doi:10.1063/1.1358832. Архивировано 19 октября 2021 года.