反铁磁材料微观磁结构研究手段的新进展

摘要：

@@ 随着存储密度的日益提高,存储器件的尺寸在不断减小.作为当今信息技术
在磁存贮密度、处理速度和器件复杂性日益增长的情况下,要求研究人员必须知道如何在小于100nm的尺度上控制所用材料的结构、组分和磁性质.这就不仅需要能制备样品,也需对样品磁结构的微观特征予以表征.最近Heinze等人在<Science>杂志第288卷第9期第1805页上[3]发表了他们运用一种新的扫描探针方法以原子级空间分辨率对一个反铁磁有序的Mn单层进行成像研究的结果.鉴于先前对反铁磁畴的表征无法超过微米的分辨率,他们的方法是一个重大进展.
由于对外磁场不敏感,反铁磁层在磁性电子器件中是一种基本部件.在反铁磁材料中,磁矩的方向在相邻晶格位置上是相反的,因此整体上没有宏观磁性.邻近铁磁体的反铁磁体将通过磁的交换力而"钉扎”住了铁磁体的磁矩方向,从而引起磁滞回线偏移的现象,被称为"交换偏置(exchange bias)”.模型研究指出:交换偏置是由反铁磁体表面的小铁磁矩引起的.畴壁、原子台阶与晶界等缺陷被认为是产生这些磁矩的原因并决定它们的大小[4],因为它们破坏了反铁磁体表面的对称性.纯金属如Cr和Mn,过渡金属合金如FeMn或InMn,以及过渡金属氧化物如α-Fe\-2O\-3(赤铁矿)等也都表现出反铁磁性.其他如具有著名的庞磁电阻效应的锰氧化物,依掺杂浓度和温度的不同可以是反铁磁体或铁磁体[5].
反铁磁结构的研究之所以困难是因为缺乏宏观的磁性.这妨碍了对交换偏置微观起源的认定.早在1950年,人们就用光学方法对反铁磁体单晶的大磁畴进行了研究[6].最近,已能运用X射线显微术[7]揭示微米尺度的反铁磁畴.但对在技术应用上十分重要、典型晶粒尺度为数十纳米的材料的畴进行成像仍无法实现[8].Heinze等人目前已向前迈进了一大步.他们运用R.Wiesendanger[9]等人早在1990年开创的自旋极化扫描隧道显微镜(SP-STM)技术,对磁有序Mn单层的反铁磁表面结构进行了具有原子级分辨率的成像.十多年前,Blügel等预言了这种Mn单层可能形成一种理想的二维反铁磁体[10],但时至今日,这个预言方得到确认.这是由于在一个单层中所包含的磁性材料的量实在少太,因而磁结构不能由传统的体敏感技术如中子散射来确定.
传统的磁力显微镜测量的是磁性样品和磁针间的磁偶极力.SP-STM探测的则是磁针与样品磁化方向的相对取向与隧穿电流间的依赖关系.磁针的作用尤如一个自旋-极化电子源,探测的是磁性样品自旋分裂的态密度.这种技术允许以原子分辨率成像.与普通的STM类似,SP-STM对最外层原子也是最敏感的.它有同时探测形貌、晶体学、磁学和表面化学结构的能力,从而使得SP-STM成为一种研究磁性表面和单层的非常强有力的工具.Heinze等人的工作,向人们展示了SP-STM不仅可被成功地应用于铁磁表面[11],还可应用于反铁磁的补偿表面的研究.用一根铁磁针尖,SP-STM图像显示出表面晶体学与反铁磁结构效应的叠加.磁的贡献甚至超过了样品晶体学效应的贡献.与晶格周期性比较,作者将这种出人意料的、依赖于自旋的强衬度归结为隧穿密度随简约空间频率周期性特征振荡的增强.更大的磁单胞引起相对扩大的针尖重叠,解释了它对反铁磁结构的惊人的灵敏度.
Heinze等人的方法通常可用于反铁磁和铁磁导电表面的研究.它的特别之处在于它无与伦比的空间分辨率.它使得我们能够对反铁磁畴壁内、台阶处及靠近杂质或缺陷处的磁结构进行详细的研究.由于其对铁磁和反铁磁有序同时都具有高灵敏度,SP-STM对于反铁磁表面上铁磁材料的最初生长阶段的研究是一种理想的工具.可能有助于回答是否是反铁磁的磁结构是通过磁交换耦合而印刻(imprint)在铁磁体上的.由于在反铁磁层中反向磁矩间界面上的抑制和铁磁层中磁矩的择优取向可能引起复杂的磁结构,例如90°耦合[11],这种方法亦有可能提供关于台阶、表面结构和表面粗糙度对磁结构形成所起作用的有价值的信息.
Heinze等人方法的最重要的优点,是它的特别高的表面灵敏度.在需要考虑耦合影响的研究中,这也可能是它唯一的弱点.因为STM信号源自于最外层原子.下层磁结构的可能变化也就无法被研究者观察到.因此,它是对X射线显微术的补充.由于X射线显微术的元素分辨能力和相对较深的探测深度(3-5nm),在层状系统的研究中,当我们只需要一般的空间分辨率的情况下,X射线显微术会更胜一筹.然而正如Heinze等人所展示的那样,对于磁单层,表面或表面合金的反铁磁结构研究,SP-STM的能力是无与伦比的.我们所要做的,不过是将已有的普通STM上的导电针换成磁化导电针而已.

机标关键词：铁磁材料、结构研究、反铁磁、铁磁结构、铁磁体、表面、空间分辨率、磁性、原子、样品、显微术、交换偏置、方法、单层、磁矩、技术、铁磁层、灵敏度、晶体学、铁磁有序

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分类号：O4 ;TM2

在线出版日期：2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共2页

页码：384-385