交換偏置場

交換偏置場是一種界面效應，其大小強烈依賴於界面自旋構型、各向異性、反鐵磁自旋取向以及冷卻場、界面粗糙度等因素都會對交換偏置場產生影響。

基本介紹

• 中文名：交換偏置場
• 外文名：exchange bias field
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 類型：一種界面效應
• 影響因素：界面自旋構型等多種因素

定義

鐵磁（FM）/反鐵磁（AFM）體系在外磁場中，從高於反鐵磁奈爾溫度而又低於鐵磁層的居里溫度冷卻到反鐵磁奈爾溫度以下（即經過場冷過程）時，鐵磁層的磁滯回線將沿磁場方向偏離原點，其偏離量被稱為交換偏置場，同時伴隨著矯頑力的增加，這一現象被稱為交換偏置效應。

研究方向和意義

這些現象在反鐵磁的奈爾點或者接近奈爾點時就消失了，由此可見是反鐵磁層的出現導致了這種單向各向異性。1956年Meiklejohn和Bean首先在實驗上發現了CoO/Co鐵磁/反鐵磁顆粒系統的磁滯回線中心發生偏移。為了能夠更好地了解交換偏置場的基本特徵，人們一般採用鐵磁/反鐵磁雙層膜結構。實驗表明:鐵磁/反鐵磁系統中交換偏置場展現出很多新的物理現象，不僅和鐵磁、反鐵磁材料的磁參量有關，而且和材料的微結構也有很大的關係。例如：鐵磁層、反鐵磁層的厚度，鐵磁、反鐵磁的各向異性常數，反鐵磁層的結構取向，界面粗糙度與反鐵磁的晶粒尺寸，摻雜，溫度，冷卻場的大小和方向等。鐵磁/反鐵磁體系的交換偏置場具有豐富的物理意義，並在巨磁電阻器件中具有重要的套用價值，因此倍受人們關注。儘管在交換偏置場的基礎研究和套用方面都非常深入，但仍有一些問題不是很清楚，依然是人們研究的熱點問題。

影響因素

鐵磁層厚度

實驗和理論研究表明，鐵磁/反鐵磁雙層膜中的交換偏置場是一種界面效應。對於鐵磁/反鐵磁雙層膜，如果反鐵磁層厚度保持不變，並且鐵磁層的厚度小於其疇壁的尺寸，交換偏置場場將反比於鐵磁層的厚度。但是大多數工作發現儘管交換偏置場場與鐵磁層厚度的倒數成線性關係，但是當鐵磁層厚度的倒數趨於零時，交換偏置場場不為零，有可能是下面三種原因：其一，鐵磁層的厚度沒有得到準確測量，要準確得到鐵I反鐵磁系統中交換偏置場場與鐵磁層厚度的關係，需要在實驗上對鐵磁層的厚度精確測量，但是做到這一點是比較困難的；其二，偏離正比例規律可能是由於在磁化反轉的過程中鐵磁層內形成了平行於界面的疇壁；其三，如果鐵磁層太薄而不成連續膜時，這一線性規律可能不再成立。另外，我們發現冷卻場的大小和方向也會對這一現象產生影響。

反鐵磁層厚度

交換偏置場與反鐵磁層厚度的關係相對複雜一些。當反鐵磁層很厚時，交換偏置場場為一常數。隨著反鐵磁層厚度的減小，價急劇地減小。當反鐵磁層厚度小於一臨界值時，交換偏置場場趨向於零。因為當反鐵磁層厚度小於臨界值時，反鐵磁層的各向異性能小於界面交換能，所以反鐵磁層中的自旋隨著鐵磁層磁化強度的反轉而一起轉動，磁滯回線沒有出現交換偏置場場。由於不同的反鐵磁材料具有不同的各向異性常數，因此不同的雙層膜即有不同的臨界值。由臨界值就可以求出反鐵磁材料的單軸各向異性常數，為測量弱磁性的反鐵磁材料的各向異性常數提供了新的方法。實驗中發現，在反鐵磁層厚度從小到大的變化過程中，鐵磁層的矯頑力會出現一峰值。很多實驗發現當反鐵磁層的厚度小於臨界值時，與相應的單層膜相比，鐵磁層的矯頑力仍然有增強。

交換偏置場對反鐵磁層厚度的依賴關係還與鐵磁/反鐵磁雙層膜的生長順序有關，一些實驗發現如果鐵磁層在反鐵磁層的上面，交換偏置場場HE隨反鐵磁層厚度的變化存在一峰值。這裡需要注意的是，反鐵磁層厚度的變化可能引起鐵砌反鐵磁界面形貌結構的變化，從而影響交換偏置場的行為。

反鐵磁層的界面粗糙度、晶粒尺寸

交換偏置場的特徵與鐵磁/反鐵磁界面的粗糙度和反鐵磁的晶粒尺寸都密切相關。由於交換偏置場來自鐵磁/反鐵磁界面的相互作用，所以界面的粗糙度和反鐵磁的晶粒尺寸直接影響交換偏置場的特徵，在 雙層膜中，交換偏置場場隨界面粗糙度的增加而迅速減小，但是有些單晶反鐵磁構成的雙層膜中，交換偏置場場隨粗糙度的增加而增加；大多數多晶反鐵磁構成的雙層膜，其交換偏置場場隨界面粗糙度的增加而減小，但是有些多晶反鐵磁構成的雙層膜中交換偏置場場對粗糙度不敏感。交換偏置場場也隨反鐵磁層內晶粒尺寸的變化而變化。

研究方法

磁滯回線法

磁滯回線可以常用來反映物質磁性，測量方法主要有振動樣品磁強計（VSM）、超導量子干涉儀（SQUID）和表面磁光效應（SMOKE）。由於靜磁測量可以直觀地給出交換偏置場場和矯頑力，可與磁電阻器件的設計直接相聯繫，還能反映磁化強度的不對稱翻轉及高場下轉動磁滯等現象。靜磁測量是研究鐵磁/反鐵磁雙層膜交換偏置場最常用的方法，由於高靈敏度和快速測量的特點，表面磁光效應常用來研究交換偏置場的熱穩定性和磁馳豫。

鐵磁共振法

鐵磁共振測量中，樣品被安裝在高頻微波腔中，掃描直流磁場，通過對譜線形狀、共振場的位置與樣品取向依賴關係的分析，人們可以得到有關各向異性、磁馳豫方面及薄膜中磁化強度分布等信息。在研究鐵磁/反鐵磁雙層膜時，通常人們將外加磁場平行於膜面，然後測量共振場與外磁場的方位角之間的關係。

磁電阻法

測量薄膜電阻對外磁場大小或方位角的依賴關係，可以得到各向異性的信息。與靜磁測量相比，這種方法最大的優點在於它的高靈敏度，特別適合超薄膜。主要從兩個方面研究交換偏置場，包括研究自旋閥的磁電阻效應，FM/AFM雙層膜的各向異性磁電阻。