Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3) 单相多铁性及室温磁电耦合效应的研究进展

在单相多铁材料中,利用电场代替磁场来可逆控制磁性这一手段是实现下一代高密度、低功耗磁电多功能器件的理想方法。然而,目前所发现的单相多铁材料大多数都表现出了弱的室温铁电性、铁磁性或者低于室温的磁电工作温度,这严重限制了其在实际生产中的应用。近年来的研究发现,具有强磁电(ME)耦合的第Ⅱ类室温单相多铁Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3),其剩余铁电极化强度(Pr)和饱和磁化强度(Ms)在最优的条件下分别可以达到25μC/cm^(2)和1.2μB/f.u.,因而是一种极有可能同时解决上述问题的新型替代材料。首先介绍了单相多铁材料的研究现状以及潜在的应用;然后总结了Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)材料单相多铁性和ME耦合效应的研究历程;最后,围绕Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)未来面临的关键科学问题和挑战进行了详细讨论。

不同结构Sm-Co/α-Fe薄膜体系磁性能的研究

根据微磁学模拟理论,设置交换耦合双层膜中的Sm-Co硬磁层和α-Fe软磁层薄膜总厚度各自保持不变,通过改变结构来研究其对磁化反转过程和磁性能的影响。结果表明,从双层膜变化到三层膜的过程中,不同的结构具有不同的磁性能和磁化反转过程;当结构优化为Sm-Co(10 nm)/α-Fe(5 nm)/Sm-Co(10 nm)三层膜时,最大磁能积和矫顽力达到最大值,分别为1.4×10~6A/m和856.05 k J·m^(-3)。此结论对高性能交换耦合类磁性薄膜的制备具有一定的指导意义。

磁性纳米体系形状各向异性效应的微磁学模拟

利用微磁学模拟软件OOMMF详细研究了形状对磁性纳米体系矫顽力的影响。模拟结果显示当体系厚度一定时,随着长度和宽度的增加,矫顽力先迅速降低,然后逐渐趋于平缓,通过计算体系的退磁因子论证了矫顽力降低的原因主要来源于形状各向异性。同时,对不同尺寸体系的磁化反转过程进行了研究,结果发现由于形状各向异性的影响,体系在不同的尺寸范围内表现出不同的磁化反转过程,这种不同的磁化反转过程,是引起体系矫顽力大小有所差异的主要原因。

Sm-Co/α-Fe/Sm-Co三层膜磁反转过程的微磁学模拟

使用微磁学模拟软件OOMMF详细研究了软、硬磁层厚度对Sm-Co/α-Fe/Sm-Co磁性纳米三层膜体系磁反转过程的影响。结果显示,固定硬磁层厚度2.5nm,随着软磁层厚度的增大,体系由完全耦合的单相反转行为转变为软磁中心部分优先成核的两相反转行为。对于指定的硬磁层,只有软磁层达到一定厚度时,Sm-Co/α-Fe/Sm-Co磁性纳米三层膜才会体现出与Sm-Co单层膜不一样的磁反转过程和磁性能。

Sm-Co/α-Fe双层膜和多层膜磁反转的微磁学模拟

采用微磁学模拟软件OOMMF,详细研究了软/硬磁层总厚度不变,结构的变化对Sm-Co/α-Fe薄膜磁性能和磁反转过程的影响。结果显示,从双层膜变化到多层膜的过程中,不同的结构具有不同的磁性能和磁反转过程;当结构优化为Sm-Co(7.5 nm)/α-Fe(2.5 nm)/Sm-Co(5 nm)/α-Fe(2.5 nm)/Sm-Co(7.5 nm)多层膜时,最大磁能积和矫顽力相比Sm-Co(20 nm)/α-Fe(5 nm)双层膜大幅度提高,分别为1015.44 k J/m3和μ0Hc=1.891T。此结论对高性能交换耦合类磁性薄膜的研究具有一定的指导意义。

Nd_2Fe_(14)B/α-Fe双层膜和多层梯度膜磁反转过程的微磁学模拟

利用微磁学有限差分计算方法,详细研究了软/硬磁层总厚度固定不变,结构的变化对Nd2Fe14B/α-Fe双层膜和Nd2Fe14B/α-Fe/Nd2Fe14B多层梯度膜的磁性能和磁反转过程的影响。结果表明,从双层膜变化到多层梯度膜的过程中,不同的结构具有不同的磁性能和磁反转过程;当结构优化为Nd2Fe14B(10 nm)/α-Fe(5 nm)/Nd2Fe14B(10 nm)多层梯度膜时,磁滞回线台阶消失,矫顽力大幅度降低。此结论对交换耦合梯度介质的实验设置具有一定的指导意义。

软硬磁层厚度对L1_0-FePt/Fe交换耦合双层膜磁性能的影响:模拟与实验

首先采用磁控溅射的方法在玻璃基片上沉积不同硬/软磁层厚度的FePt/Fe交换耦合双层膜,结合实验结果,依据微磁学理论对L10-FePt/Fe交换耦合双层膜的磁性能进行研究。结果显示,当FePt硬磁层厚度固定20nm,随Fe软磁层厚度的增加双层膜矫顽力逐渐减小。当Fe软磁层厚度超过其畴壁宽度时,其对矫顽力的影响大幅度降低。Fe软磁层厚度固定为10nm,FePt硬磁层厚度发生变化时,由于理论和实际双层膜界面的不同,导致对双层膜成核场起作用的临界硬磁层厚度也不一样。

L1_0-FePt/Fe交换耦合多层梯度膜的微磁学模拟

以微磁学理论为基础,详细研究了磁晶各向异性梯度变化对L10-Fe Pt/Fe交换耦合多层梯度膜磁性能的影响。结果显示,随着梯度跨度增大,矫顽力和剩余磁化强度逐渐减小。适当低的矫顽力使磁头容易记录信息,但大幅度降低的剩余磁化强度不利于磁头读取信息。通过在L10-Fe Pt/Fe交换耦合多层梯度膜上覆盖一层2.5nm的L10-Fe Pt硬磁层后,矫顽力基本不变,但剩余磁化强度大幅度提高,解决了磁头读写信息的矛盾。此结论对实验制备交换耦合类梯度介质具有一定的指导作用。

Nd_2Fe_(14)B图形化点阵的微磁学模拟

以微磁学理论为基础,详细研究了厚度不变,尺寸和间距的变化对Nd_2Fe_(14)B图形化点阵磁性能和磁反转过程的影响。结果显示,当点阵厚度(20 nm)和间距(30 nm)保持不变,随着点阵半径的增大,矫顽力和交换作用能降低,静磁能逐渐增大,磁化过程由一致反转的单畴态过渡到非一致反转的多畴态;保持点阵厚度(20 nm)和点阵半径(30 nm)不变,随着点阵间距的增大,磁耦合相互作用减弱,矫顽力逐渐增大,当间距增大到40~50 nm时,磁耦合相互作用基本消失,矫顽力基本不再发生变化。

C掺杂对L1_0-FePt/Fe交换耦合复合薄膜磁性的影响

采用磁控溅射的方法制备了L1_0-FePt/[Fe/C]_n薄膜,并与L1_0-FePt/Fe双层膜磁性能进行了对比。结果表明,当[Fe/C]_n周期数固定时,薄膜的矫顽力随C层厚度的增大呈先减小后增大的趋势,C层厚度为1 nm时,矫顽力最低。另外,通过一系列硬磁层掺C的[L1_0-FePt/C]_(10)/Fe5 nm多层膜中发现,掺入适当的C后,不但降低薄膜的矫顽力,而且可以改善晶粒间的相互作用,提高信噪比。