[科普中国]-层间耦合

层间耦合是指磁性多层材料的层与层之间的耦合作用，相邻磁性层间有两种耦合，即铁磁性耦合和反铁磁性耦合，且这两种耦合对多层薄膜的物理性质有很大的影响。

层间耦合简介磁性多层材料的层间耦合问题越来越受到人们的关注。在理论和实验上都发现：相邻磁性层间有两种耦合，即铁磁性耦合和反铁磁性耦合，且这两种耦合对多层薄膜的物理性质有很大的影响，例如，当传导电子在多层材料薄膜中运动时，电阻率随耦合类型而有很大差别，从而可引起巨磁阻效应，近而利用这些特点，可制成巨磁阻磁头，为超高密度存储创造了条件。铁磁性是指相邻原子3d电子的自旋磁矩夹角为零，即磁矩彼此同向平行排列；反铁磁性是指相邻原子3d电子的自旋磁矩夹角为180度，即磁矩彼此反向平行排列。

铁磁耦合铁磁耦合则是研究两铁磁性层的层间耦合。

纳米磁性多层膜由于存在低维效应、层间耦合、巨磁电阻效应，因而在磁电阻传感器、磁随机存储器以及高灵敏度磁头材料等方面具有重要的应用价值。自Baibich[1]等在Fe/Cr/Fe三明治结构中发现巨磁电阻效应以来，已有多种纳米多层膜结构见诸报道，其中，利用2层磁性薄膜的矫顽力不同产生巨磁电阻效应的纳米磁性多层膜膺自旋阀结构，因其结构简单，不需要易腐蚀的强反铁磁性材料，因而作为磁随机存储器材料得到了广泛的研究。在赝自旋阀结构中，两磁性层的层间耦合直接影响巨磁电阻效应，当磁性层材料与结构确定之后，中间层的厚度以及中间层与磁性层的结合状态将直接影响两磁性层之间的耦合效应。因此，研究赝自旋阀结构中两磁性层之间的耦合效应随中间层厚度的变化规律，将有助于赝自旋阀的研制。

采用洛仑兹电子显微镜研究了磁控溅射沉积制备的Cu/Co/Cu/Co纳米多层膜磁畴结构随铁磁层间耦合效应的变化。Cu中间层厚度较薄时，由于铁磁层之间的耦合作用，纳米多层膜为垂直易磁化，磁畴为磁泡结构，磁泡的平均直径随Cu中间层厚度的增加而减小，多层膜矫顽力呈减小趋势。当Cu中间层厚度大于3nm时，铁磁层之间的耦合作用减弱，纳米多层膜为而内易磁化，磁泡结构的磁畴消失，全部为具有波纹状的接近180度畴壁的磁畴结构。1

反铁磁耦合近年来，自旋阀结构纳米体系由于在高密度磁记录介质以及读出磁头、磁传感器等磁纳米信息器件中的广泛应用而倍受人们关注。自旋阀结构纳米体系用于磁信息记录和信息处理时，剩磁态的微磁结构和反磁化机制等磁特性直接影响磁信息器件的性能。如何获得小的反转场、准一致的反磁化过程、具有稳定剩磁单畴微磁结构已成为提高磁信息器件性能的关键问题。随着磁信息器件的发展，磁性膜层的尺寸要求越来越小，膜层尺寸的减小，膜层两极引起的退磁能将越来越大，导致反转场显著的增大。虽可以通过增大长宽比来减小反转场，但大的长宽比易产生多畴结构诱导不稳定的反磁化过程。

因此，传统的自旋阀结构已不利于磁信息器件的发展。人们提出了利用合成的反铁磁耦合三层膜结构（SYAF）体系代替自旋阀结构的单层自由层。

采用微磁学方法研究了磁层间反铁磁耦合强度对SyAF纳米体系磁特性的影响。当SyAF纳米体系上、下磁层间的反铁磁耦合强度不同时，SyAF纳米体系具有两种不同类型的磁滞回线。当磁层间反铁磁耦合强度较小时，体系的矫顽力随反铁磁藕合强度的增大而增大，反磁化机制为反磁化核的形成与传播的反转过程。而当磁层间反铁耦合强度较大时，体系的矫顽力基本不随反铁磁藕合强度变化，并且在剩磁态为稳定的单畴结构，反磁化机制为类一致反转过程。这类SyAF纳米体系更适合于作为磁信息器件中自旋阀的自由层。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学