粒子的各向异性和粒子间的相互作用对超顺磁Fe--Au多分子层矫顽磁性和剩磁的影响(共13页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上粒子的各向异性和粒子间的相互作用对超顺磁Fe / Au多分子层矫顽磁性和剩磁的影响摘要: Fe/Au(111)多层结构(MLS)的磁矫顽磁性(HC)和剩磁(MR)根据温度影响进行研究,这种结构包含由直流溅射方法制备的亚纳米级的厚铁,该研究从实验和理论上两方面着手进行。磁化过程的测量在8 - 315 K的温度范围内使用了在极地和纵向克尔几何的磁技术。为粒子尺寸分布系统开发的理论模型很好的解释了这次的实验结果,,其中包括在平均场中磁粒子间的相互作用方法和粒子依赖温度的各向异性。结果表明,正确理论性描述质点系的有效HC(T)和MR(T)的关键因素在于应该像对待粒径分布规律一
2、样地平等对待磁矫顽磁性和剩磁。通过系统的研究,有效的磁各向异性的主导因素来自于粒子形状的各向异性。Fe/Au MLS提供的结果表明,仅靠系统的矫顽磁性模型是不够的,带有磁性的剩磁模型同样重要。这个模型能和粒径分布规律一起用于其他复杂的离子键相互作用系统。1 概论纳米级系统的磁性性能引起越来越多的人对它感兴趣的原因不仅仅在于它们对基础性研究的重要性,还因为纳米元件在未来的应用前景 1,2 。这些系统的一个重要种类是由粒子系统组成的,其中人工合成的具有特定大小的纳米颗粒分布在无磁性的基体之中39。由单矢畴粒子组成的最简单单分散系统的理论模型出现在奈尔10、11、布朗12、斯托纳和沃尔法思13、比恩
3、和利文斯顿14的创始工作中,并且在这个领域有着丰富的文献。(供查询,参考文献,15 - 17引用在其中)单矢畴磁性粒子组成的系统有着相同的体积,使它存在着一个TB温度,称作阻塞温度,在该温度之上系统有顺磁性物质的性能,这样的系统被称作超顺磁性物质14。系统的TB阻塞温度和磁各向异性常数以及粒子的体积大小有关。超顺磁性粒子结构的这个重要种类有在准备阶段自动形成的特点,这些系统是由大小不同粒子尺径的粒子构成的。有不同粒径分布的粒子合金在几篇文献中被讨论研究1821。由于多分子层结构带有较小厚度的的磁性下层,这种涂层经常出现间断的情况并且包含不同大小尺寸的粒子集合体2226。这些多相的形成主要依赖于
4、分层结构准备阶段的方法和条件以及系统类型。在室温的条件下,多分子层结构的磁性性能经常出现超顺磁性粒子系统的典型特征。随着温度的降低,最大尺寸的粒子逐渐变得移动受阻,而且在逐渐增强的外力场下磁化曲线呈现出迟滞现象22。描述诸如多分子层结构的复杂系统的矫顽磁性和剩磁通常需要考虑以下几个重要方面:1、纳米粒子的尺径大小分布27,22;2、磁各向异性和磁化对温度明显的依赖28,29;3、不同的纳米粒子间磁性的相互作用和影响30,31。将13所有的因素考虑进矫顽磁力和剩磁模型的计算中最直接的方法是仿照粒子系统采用不同的蒙特卡罗技术。这个运算是用来计算带有不同类型相互作用的几个单分散系统3236。然而,这
5、种模仿的计算方法非常费时间,并且通常受限于个别的系统,它的结论也只适用于特殊类型相互作用的计算。有一个描述无相互作用的粒子系统的Hc(T)温度的现象学模型适用于解释粒子的尺寸大小分布。在科内尔,斯基37、瓦瓦索里22,38、努涅斯等人的模型中20,系统的矫顽磁性纠正了未受阻塞的部分粒子。这些模型成功应用在解Co/Cu多分子层结构 39,22 和Co/Cu 粒状合金20的Hc(T)温度和Mr(T)温度方面。在描述粒子尺径分布系统的理论模型中,各向异性常数K经常被认为是不受温度变化影响的模型参数。各向异性常数K的值是由符合Hc(T)实验数据的模型决定的。正如大家所了解的那样,按最次的顺序来看,各向
6、异性可以被当做和具有温度依赖性的本征属性一样的性质来对待。(详见参考文献的详细文章28,40)磁各向异性的温度依赖特性对超顺磁性行为和具有纳米结构材料的矫顽磁性的影响被从理论上进行了研究探索,这些研究探索有费尔南德斯用Fe、Co和Ni对磁晶体各向异性的研究29以及赫和陈对各向异性具体化工作的研究41 。在实验方面,K(T)对超顺磁性系统的Hc(T)温度的影响在参考文献42,43中被讨论。许多文献作者尝试着去解释粒子间的相互作用21,4447 ,然而,直到吉莫弗耶夫等人最新的研究成果出来之前没有一个公式可用来计算相互作用的粒子系统的Hc(T)温度48 。由于相互作用,作者提出了一个计算处在近似平
7、均场中的单分散系统的Hc(T)温度的作用效果的简单公式。但是据我们所知,我们仍然缺乏解决不同尺径大小分布的粒子系统的类似方法。在现在的工作中,我们提出了一个模型,这个模型在计算时可以同时考虑进粒子的尺径大小分布、各向异性对温度的依赖以及粒子间的相互作用的影响因素。区别我们的模型和以往模型不同的一个关键因素是单个粒子的矫顽磁性和剩磁和粒子分布作用一起被当做一个整体,而且在这个整体中矫顽磁性和剩磁和粒子分布作用具有同等重要的地位。这个模型是用来解释依赖Hc(T)温度和Mr(T)温度的实验性获得一套Fe/Au多层结构(MLS),包含亚纳米级厚度的铁下层,这种结构呈现了和粒状合金18,49以及Fe/A
8、u多层结构23类似的超顺磁性行为。Fe/Au多层结构(MLS)研究样品是由磁性粒子镶嵌在非磁性基体中而形成的。多分子层中多相结构的形成促进了我们所了解的铁在金相生长过程中的单个铁原子聚集的趋势5052 。本篇论文的文章组织架构如下:第二章节介绍了理论模型;第三章节介绍了实验方法、计算细节,并提出和讨论了实验理论的异同对比;第四章则给出了最后的结论。2、理论模型为了描述不同尺径分布的磁性粒子系统的矫顽磁性和顺磁,它是各向异性、单矢畴,和粒子间相互作用,我们提出了一个基于以下假设的理论模型:(i)系统的有效矫顽磁性和剩磁是通过集合所有给出分布的所有粒子的作用效果计算得到的(该集合化过程中的质量因素
9、是通过分布公式的计算给出的)(ii)对于每个粒子的矫顽磁性和剩磁则是通过假定粒子间的相互作用是处在平均场中计算得到的,(iii)磁各向异性是作为明确的温度因素参与进该理论模型中。在相同的相互作用粒子的总体效果中,矫顽磁性能被描述为吉莫弗耶夫等人提出的分析公式48。我们通过用温度T、阻塞温度Tb和相互作用参数int等具体因素表示单个粒子的矫顽磁性改变了他们提出的公式。其中矫顽磁性温度Hc(T,Tb,int)是通过下面的公式得到的:其中公式(1)中的第一个部分:是无相互作用的相同粒子系统的剩磁等、宾存在状态14的经典表示修改后的表述,并纠正了(T)因素。(T)=K(T)/K0, K(T)为单个粒子
10、的各向异性常量,K0为K(T)在T=0K时的大小。公式(1)的第二个部分:a=int*ln(/0)是在平均场中粒子间的相互作用产生的矫顽磁性的作用效果,此处纠正了(T)的影响因素。粒子的阻塞温度Tb与体积V和各向异性常数K0成正比关系,并且可以用下面的标准形式来表示:在公式(1)(4)中B是波尔兹曼常数,Ms(T)是磁饱和度。当粒子磁各向异性轴线方向与外部磁场方向取向一致时常数=0.5,当粒子磁各向异性轴向方向相对于外部磁场方向随机取向时常数=0.75 55 。超顺磁性松弛时间0的数量级为10-910-10s10,14 ,磁性测量中测量时间则通常为10100s。被广泛采用的数值ln(/0)=2
11、5被人们所接受,并且适合于我们的实验。为了描述有着不同粒径大小分布的粒子系统有效的矫顽磁性(HeffC)和剩磁(MReff),我们应该认为阻塞温度Tb低于实际测量温度T的粒子未受到阻塞作用并且处在大小等于零的外力场中。这些粒子通过减小受阻粒子的相关作用效果来影响矫顽磁性(HeffC)。这个机制被内勒和卢波斯基量化的描述了出来,他们推出了由受零矫顽力的无受阻粒子和有固定大小矫顽力的受阻粒子组成的无相互作用粒子系统的矫顽磁性(HeffC)的描述方式。当由于粒子尺径分布受阻粒子在系统中受到不同的强制作用力时,出现了矫顽磁力(HeffC)大小计算的难题。一种可以解决这类在无相互作用粒子系统中存在的难题
12、的方法是采取近似的方法,就是将公式(2)中的阻塞温度Tb用系统的平均阻塞温度(Tb)T取代。平均阻塞温度(Tb)T是通过考虑分布因素f(TB)将粒子的阻塞温度(Tb)平均化后计算得到的20 。在我们的理论模型中,我们提出了一个求矫顽磁性(HeffC)大小平均值的不同的方法,这个方法适用于有着不同粒径大小分布的相互作用粒子系统。在这种方法中,粒子的矫顽磁力Hc在等式(1)中给出,伴随它们的块体温度Tb,所有这些由块体分布公式平均,同时伴随粒子的剩磁Mr。基于内勒和卢波斯基方程,系统的矫顽磁力可以表达为HCeff= / (s+),其中s易受非块体粒子的影响,符号代表给其中数值做平均,包括f (TB
13、)函数和 TB。最终表达式,源自有效矫顽磁力数值Heff和不同粒子分布的相互作用粒子系统的剩磁数值MReff,在我们的模型中,方程式表达为 其中(T, TB, int)是单个粒子的相关剩磁值。在平均步骤下,粒子结合转化成一体,块体温度Tb时方程式(4)。结合状态时,Tb数值大于Tcr的极限,HC(T,TB, int)由方程(1)给出。我们假想温度依赖于单个粒子(T, TB, int)温度,它能被描述为狭窄温度范围内T附近Tcr的逐步官能化反应。这种假设和计算一致,分析方法和MonteCarlo对于非结合的粒子,我们假想这种情况对结合的粒子同样清晰。对于块体和非结合的(int=0),或者说块体但
14、结合作用弱的粒子(0int1/2ln(/0);Tcr = T/(T) (7)(T,Tb,int)=(T,Tb)。 (8)对于结合作用强烈(int1/2ln(/0),但并不完全是非块体粒子:Tcr = T/(T), (9)(T,Tb,int)=(T,Tb)+(1-)(T,Tb,int) (10)结合作用强的粒子(T,Tb,int)在温度或高或低的时候能表现出不同的剩磁强度。我们测定强度的时候在方程(10)中引入附加的参数x。换句话说,参数x 刻画了粒子相互作用的剩磁,但不是块体的。在方程(8)和(10)中的函数(T,Tb)和(T,Tb,int)由下列方程给出:其中(T) 方程(11)和(12)描
15、述(T,Tb)和(T,Tb,int)的广泛用途,并通过p的多项式表示。在方程(6)中,是在低场中敏感粒子的极限。这在特定温度T下是具有严格顺磁效应的,例如,非块体和非结合作用的粒子。在方程式(5)和(6)中,r和是StonerWohlfarth粒子滞后现象的参数表示。函数f(Tb),Ms(T)和K(T)是受系统影响的,将会在下一部分专门介绍。3.结果与讨论3.1实验和方法实现目前实验的目标,通过使用直流溅射技术,准备好铁金MLS在GaAs(001)基底上的全面结构Fe(dFe)/Au(dAu)20/Au(600 A )。金元素分解速率大约在1A/s,铁在0.5A/s。铁的多层结构用dFe表示,
16、范围在2-4A之间,金的多层结构用dAu表示,范围在5-15A。名义上样本中次层的厚度列在表1中。样本的化学分解决定于X射线荧光分析。样本结构通过使用X射线衍射的方法来研究。高角XRD数据显示研究中的铁金样本具有fcc的织构。低角衍射图样显示样本S1-S没有显示高峰,只在S4-S6中检测到微弱的峰。在结构研究中,我们能够推测在研究的系统中没有形成铁的连续层。我们知道铁和金溶解的相互作用十分微弱,这有利于铁在金中能形成区域。研究的结构可以认为是不同大小分布的粒子以补丁形式构成。以极性和纵向克尔几何体的弹光调制器为基础的极化调制技术,可以用光磁克尔效应磁力仪在Fe/Au中测量出其磁化流程。已经测量
17、出的克尔角度与样品的磁化呈线性相关。在光源方面,我们用发射出在470-850纳米范围准单色光的二极管启动LED灯。在纵向几何中,光束的角度发生率在极化几何里是60度和3度。对于几何体来说,外部最大磁化区域可以高达1T。克尔自转的大小和椭圆角度已经作为磁场区域的一个函数以0.001分钟顺序的高感知能力在不同的温度下执行。样品被放置在里面的一个合拢的能在8315K下进行工作的低温恒温器周期冰箱里。3.2 计算详情已经应用在第二节提出的理论模型,是为了描述在 Fe/Au MLS中得到的实验数据。我们发现一组自由参数,能够必要和充分的描述实验数据,包括: (i)f(TB )用到的参数的分布函数。我们假
18、定了最常用自发的对数正态分布所形成的颗粒系统。20 其中参数的位数和Tbm标准偏差S,(ii)在零摄氏度下矫顽力的效果 (MS0 是在绝对温度下的饱和磁化强度),(iii) 参数int的相互作用和(iv)剩磁幅度放参数x。 在计算中,我们用r=0.5,a=0.479 13和b=0.75 55 用来假设粒子的随即取向的各向异性轴。对于所有的样品,我们用公式DT=0.05T和在Eq中p=2。 (11)和(12)例如扩大的抛物线多项式。在测得的从实验中获得的温度范围内发现,Ms(T)对温度的依赖性。k(T)对温度的依赖性是在Callen和他的理论的基础上确定的56,用来表示温度乘幂关系依赖的各向异性
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