新型反铁磁/稀释反铁磁型异质结构的交换偏置效应研究

Magnetic recording is now the most significant technology in information storage. The exchange bias (EB)effect is a cornerstone of the modern high density magnetic recording technology and the next generation ultra-high density magnetic storage technology. Recently, EB is observed in new systems，stimulating new consideration of the underlying physics of EB. The antiferromagnet(AFM)/diluted antiferromagnet (DAF) heterostructure is among those systems and proposed great application potential in the magnetoelectric coupling recording medium. However, most of the researches now focus on the macroscopic magnetic properties measurements, which do not distinguish the EB effect from other effects. Meanwhile the microscopic mechanism of EB in such systems is scarce in literature as well. In this proposal, we plan to investigate systematically the EB behavior of the AFM/DAF heterostructures by means of Monte Carlo calculations. And we propose to study its microscopic mechanisms by comparing the macroscopic magnetic properties and microscopic spin configuration of the AFM/DAF heterostructures with that of the AFM or DAF single-phase meterials.

磁记录是信息存储中最重要的技术手段。交换偏置效应是现代高密度磁记录及未来超高密度磁记录的关键物理基础之一。近年来，多种新型交换偏置体系的发现促使人们重新思考该效应背后的物理本质。反铁磁(AFM)/稀释反铁磁(DAF)核/壳纳米结构材料是最近备受关注的一种具有交换偏置效应的磁性系统，并有望在新型磁电耦合记录领域获得重要应用。然而，目前的研究大都基于宏观磁性的实验测量，难以排除尺寸效应和DAF冻结磁矩的影响，因此存在很大争议。同时，在该结构中交换偏置效应的微观机理也缺乏相应的理论研究。本项目将以Monte Carlo微磁学计算为主要手段, 从宏观磁性计算和微观自旋构型模拟两方面入手，系统地研究AFM/DAF异质结构的交换偏置效应、尺寸效应和DAF冻结磁矩效应, 深入探索交换偏置效应的微观机理。

交换偏置效应是高密度磁记录的关键物理基础之一。常见于反铁磁(AFM)/铁磁(FM)多层膜结构。近年来，多种新型交换偏置材料体系的发现促使人们重新思考该效应背后的物理本质。反铁磁(AFM)/稀释反铁磁(DAF)核/壳纳米结构材料是最近备受关注的一种具有类交换偏置效应（如：场冷磁滞回线平移、矫顽力增强）的复合磁性材料系统，并有望在新型磁电耦合记录领域获得重要应用。然而，目前的研究大都基于宏观磁性的实验测量，难以排除尺寸效应和DAF冻结磁矩的影响，因此存在极大争议。同时，该结构中交换偏置效应的微观机理也缺乏相应的理论研究。.本项目以Monte Carlo微磁学计算为主要手段, 从宏观磁性计算和微观自旋构型模拟两方面入手，系统地研究AFM/DAF异质结构的交换偏置效应、尺寸效应和DAF中冻结磁矩效应, 深入探索交换偏置效应的微观机理。.本项目通过系统的研究在理论上明确了，（1）DAF单层膜不能产生交换偏置效应，其场冷磁滞回线平移和矫顽力增强都是小回线磁化引起的，即冻结磁矩效应。（2）在AFM/DAF双层膜中，AFM层通过钉扎DAF层中的AFM磁畴从而产生显著的场冷磁滞回线平移和矫顽力增强效应，这是一种典型的层间耦合作用，因此AFM/DAF是一种新型的交换偏置系统。（3）在AFM/DAF核/壳纳米颗粒中，交换偏置效应和尺寸效应引起的多重自旋次晶格结构共同主导着场冷磁滞回线平移和矫顽力增强效应，并且尺寸越小，多重自旋次晶格的影响越大。由于多重自旋次晶格的作用，交换偏置效应呈现出方向性，这对优化系统的交换偏置场具有重要的指导意义。.通过本项目研究，基本上明确了AFM/DAF异质结构中类交换偏置效应的基本物理本质和各种效应的贡献及其作用的条件，这为加深理解交换偏置效应的微观机制提供十分关键的思路。本项目研究对反铁磁纳米材料在生物传感器，超高密度磁存储和自旋电子器件中的应用有重大的指导意义。同时，由于大部分的多重铁性材料具有反铁磁性，因此本项目研究对多重铁性材料在实际中的应用同样具有重要的科学意义。