D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.05.014 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing ay2008 FePt颗粒膜反磁化机制 贾廷力刘勋赵素芬 陈子瑜 北京航空航天大学物理系，北京100083 摘要构造了FePt:Au有序纳米颗粒膜的微结构模型，利用微磁学模拟的方法研究了一系列不同Au含量的FePt:Au颗粒 膜的磁学性质.对比实验数据，分析反磁化过程可知：当反映Au含量的交换作用比例系数>0.4时，FPt:Au颗粒膜的矫顽 力随3减小而增大，但增幅较小，磁化反转为一致反转；当<0.3时，随B的减小矫顽力迅速增大，磁化反转一致性降低：分 析指出，当FePt磁性颗粒之间间距约为3~4m时，颗粒间的交换相互作用可以近似为零，磁化反转为非一致反转. 关键词纳米颗粒膜：微结构模型：微磁学：磁化反转 分类号TB383;0484.4+3 Magnetization reversal mechanism in FePt:Au granular films JIA Tingli,LIU Xun.ZHAO Sufen,CHEN Ziyu Department of Physics,Beihang University,Beijing 100083.China ABSTRACT A microstructure model of ordered FePt:Au nanogranular films was constructed.The magnetization reversal mecha- nism of FePtAu granular films with different percentages of non"magnetic Au were investigated by micro"magnetic simulation.The results show that the reversal mechanism significantly depends on the percentage of Au.As the interaction coefficient of proportion- ality B.which reflects the percentage of Au,is greater than 0.4.the reversal model is coherent and the coercive force increases slightly with reducing B.But for 0.3,the coercive force increases quickly with reducing B.and the consistency of magnetization reversal is weakened.It is estimated that as the space length bet ween the FePt granulars varies from 3nm to 4 nm,the interaction of granular exchange is near to zero and the magnetization reversal is incoherent. KEY WORDS nanogranular film:microstructure model:micro"magnetism:reversal model 近年来，垂直磁记录的研究备受关注]，科技 射多层膜经过快速热处理的方法制备[4，].微磁 工作者不断开发出能够满足更高记录密度的记录介 学模型中，FPt合金颗粒均匀分散在非磁性母体 质，在技术上，超高密度磁记录介质要求具有更小 Au中，不同含量的Au决定磁性颗粒之间间距 的颗粒尺寸、更高的矫顽力及颗粒间较小的磁交换 作用，其中，具有L1o结构的FePt合金颗粒薄膜由 1理论模型 于具有非常高的磁晶各向异性能（约为10'Jm3), 在忽略磁弹性能的前提下，利用总自由能极小 是超高密度磁记录介质的理想材料可]. 原理确定磁体平衡状态下的磁矩分布，系统的总自 本文利用微磁学模拟方法研究了非磁性介质 由能由交换能、磁晶各向异性能、退磁能和塞曼能组 Au含量对Llo相FePt:Au颗粒膜的磁学性质的影 成： 响，从矫顽力、剩磁和反磁化模式方面进行了讨论； Eiot=Eex十Ean十Ea十Ezae 通过与实验结果的对比研究，对反磁化机制与非磁 式中，Ex为交换能，Ean为磁晶各向异性能，Ea为退 性介质比例的依赖关系进行了探讨，样品为磁控溅 磁能，Ee为塞曼能，计算中，相邻的两个磁性单元 收稿日期：2007-03-26修回日期.2007-04-25 i、j间的交换能E由下式得出o: 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。-90305026) E=2LA[1-m(i)m(j) 作者简介：贾廷力(1974一)，男，硕士研究生：陈子瑜(1959一)，男， 其中，L是相邻的两个磁性单元i、j中心之距离，A 教授，博士，E mail:chenzy(@buaa-edu-en 是交换作用常数，m()、m()是分别沿着两个磁性
FePt 颗粒膜反磁化机制 贾廷力 刘 勋 赵素芬 陈子瑜 北京航空航天大学物理系北京100083 摘 要 构造了 FePt∶Au 有序纳米颗粒膜的微结构模型利用微磁学模拟的方法研究了一系列不同 Au 含量的 FePt∶Au 颗粒 膜的磁学性质．对比实验数据分析反磁化过程可知：当反映 Au 含量的交换作用比例系数 β＞0∙4时FePt∶Au 颗粒膜的矫顽 力随 β减小而增大但增幅较小磁化反转为一致反转；当 β＜0∙3时随 β的减小矫顽力迅速增大磁化反转一致性降低．分 析指出当 FePt 磁性颗粒之间间距约为3～4nm 时颗粒间的交换相互作用可以近似为零磁化反转为非一致反转． 关键词 纳米颗粒膜；微结构模型；微磁学；磁化反转 分类号 TB383；O484∙4＋3 Magnetization reversal mechanism in FePt∶Au granular films JIA TingliLIU XunZHA O SufenCHEN Ziyu Department of PhysicsBeihang UniversityBeijing100083China ABSTRACT A microstructure model of ordered FePt∶Au nanogranular films was constructed．T he magnetization reversal mechanism of FePt∶Au granular films with different percentages of non-magnetic Au were investigated by micro-magnetic simulation．T he results show that the reversal mechanism significantly depends on the percentage of Au．As the interaction coefficient of proportionality βwhich reflects the percentage of Auis greater than 0∙4the reversal model is coherent and the coercive force increases slightly with reducing β．But for β＜0∙3the coercive force increases quickly with reducing βand the consistency of magnetization reversal is weakened．It is estimated that as the space length between the FePt granulars varies from3nm to4nmthe interaction of granular exchange is near to zero and the magnetization reversal is incoherent． KEY WORDS nanogranular film；microstructure model；micro-magnetism；reversal model 收稿日期：2007-03-26 修回日期：2007-04-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．90305026） 作者简介：贾廷力（1974—）男硕士研究生；陈子瑜（1959—）男 教授博士E-mail：chenzy＠buaa．edu．cn 近年来垂直磁记录的研究备受关注［1—3］科技 工作者不断开发出能够满足更高记录密度的记录介 质．在技术上超高密度磁记录介质要求具有更小 的颗粒尺寸、更高的矫顽力及颗粒间较小的磁交换 作用．其中具有 L10结构的 FePt 合金颗粒薄膜由 于具有非常高的磁晶各向异性能（约为107J·m —3） 是超高密度磁记录介质的理想材料［4—5］． 本文利用微磁学模拟方法研究了非磁性介质 Au 含量对 L10相 FePt∶Au 颗粒膜的磁学性质的影 响从矫顽力、剩磁和反磁化模式方面进行了讨论； 通过与实验结果的对比研究对反磁化机制与非磁 性介质比例的依赖关系进行了探讨．样品为磁控溅 射多层膜经过快速热处理的方法制备［46—8］．微磁 学模型中FePt 合金颗粒均匀分散在非磁性母体 Au 中不同含量的 Au 决定磁性颗粒之间间距． 1 理论模型 在忽略磁弹性能的前提下利用总自由能极小 原理确定磁体平衡状态下的磁矩分布．系统的总自 由能由交换能、磁晶各向异性能、退磁能和塞曼能组 成［9］： Etot＝ Eex＋ Ean＋ Ed＋ EZee． 式中Eex为交换能Ean为磁晶各向异性能Ed 为退 磁能EZee为塞曼能．计算中相邻的两个磁性单元 i、j 间的交换能 Eex由下式得出［10］： E ij ex＝2LA ［1—m（ i） m（ j）］． 其中L 是相邻的两个磁性单元 i、j 中心之距离A 是交换作用常数m（ i）、m（ j）是分别沿着两个磁性 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．014
.510 北京科技大学学报 第30卷 单元i、j磁化方向的单位向量，在本文中，交换作 化.可以看出，当>0.4时，基本为线性变化且变 用常数用A(0≤≤1)替代.在颗粒内部，交换作 化缓慢.当<0.3时，随B的减小矫顽力迅速增 用比例系数B恒等于1：在颗粒之间，0≤≤1，其大 大，和实验结果一致，可见，当FPt颗粒之间的相 小与颗粒间距即铁磁性颗粒含量的百分比有关，E 互作用减小到一定值的时候，薄膜矫顽力会显著 的计算使用了快速傅里叶变换，用共轭梯度法求得 增大. 自由能极小值，从而确定磁体的磁矩分布、材料的 32 参数取自实验制备的FePt:Au样品，饱和磁化强度 2.8 |M.|=9.98X10Am;磁晶各向异性常数K.= 2.4 4.5×105Jm-3,交换作用常数A=10-1Jm1. 2.0 2结果与讨论 VW/H 1.6 图1给出了一系列FePt:Au颗粒膜样品的实 验结果，可以看出，随着Au成分的增加矫顽力迅速 0.8 增大，尤其当Au体积分数超过20%时，增加更快. 040 0.2 0.40.60.81.0 相应的饱和磁化强度却随Au含量的增加而下降； 特别在Au体积分数低于20%时，下降尤为明显， 图2矫顽力H。随交换作用因子P的变化 Fig.2 Dependence of coercive force on B 10 从磁化反转模式的角度来看，计算结果显示，当 <0.4时不同区域的磁化反转一致性下降.图3 所示为当B=1时FPt颗粒膜反磁化过程中的磁矩 分布变化，从图中可以看出，当外磁场H从 6 -4.48X105Am-1到-4.64×105Am-1变化时， 磁化矢量基本上一致转向外场方向，FPt颗粒膜的 00.050.100.150.200.250.300.35 反磁化是一致反转，在反转过程中，整个薄膜的磁 Au的体积分数 矩基本保持一致， 图1FPt:Au颗粒膜矫顽力He及饱和磁化强度M,与Au体积 当β值下降到0.4时，磁化反转的一致性下降， 分数关系的实验曲线 但仍可视为准一致反转.图4(a)、(b)分别显示了外 Fig.1 Experimental results of the dependence of coercive force and 磁场由饱和降为零时，B=0.4和B=0.7的磁矩 saturation magnetization on the volume fraction of Au 分布. 为了模拟不同非磁性介质Au含量的FePt:Au 图5所示为当B=0.2时FePt颗粒膜反磁化过 薄膜的反磁化过程，改变交换作用比例系数阝值， 程中的磁矩分布变化.可以看出，此时FεPt颗粒膜 使其从1到0变化，对应Au体积分数从零不断增 的磁化反转模式发生了改变，不同的区域磁化翻转 加，图2反映了矫顽力随交换作用比例系数B的变 一致性明显降低 6) (b) 图3B=1.0时FeP1颗粒膜的反磁化过程.(a)=1.0,Hm=-4.48X105Am1:(b)B=1.0,Hm=-4.64×105Am-1 Fig.3 Reversal process of FePt granular films at B=1.0:(a)8=1.0.H=-4.48X105 A'm1;(b)=1.0.H=-4.64X105 Am-1
单元 i、j 磁化方向的单位向量．在本文中交换作 用常数用 βA （0≤β≤1）替代．在颗粒内部交换作 用比例系数 β恒等于1；在颗粒之间0≤β≤1其大 小与颗粒间距即铁磁性颗粒含量的百分比有关．Ed 的计算使用了快速傅里叶变换．用共轭梯度法求得 自由能极小值从而确定磁体的磁矩分布．材料的 参数取自实验制备的 FePt∶Au 样品饱和磁化强度 ｜Ms｜＝9∙98×105A·m —1 ；磁晶各向异性常数 Ku＝ 4∙5×106 J·m —3交换作用常数 A＝10—11 J·m —1． 2 结果与讨论 图1给出了一系列 FePt∶Au 颗粒膜样品的实 验结果可以看出随着 Au 成分的增加矫顽力迅速 增大尤其当 Au 体积分数超过20％时增加更快． 相应的饱和磁化强度却随 Au 含量的增加而下降； 特别在 Au 体积分数低于20％时下降尤为明显． 图1 FePt∶Au 颗粒膜矫顽力 Hc 及饱和磁化强度 Ms 与 Au 体积 分数关系的实验曲线 Fig．1 Experimental results of the dependence of coercive force and saturation magnetization on the volume fraction of Au 为了模拟不同非磁性介质 Au 含量的 FePt∶Au 薄膜的反磁化过程改变交换作用比例系数 β值 使其从1到0变化对应 Au 体积分数从零不断增 加．图2反映了矫顽力随交换作用比例系数 β的变 化．可以看出当 β＞0∙4时基本为线性变化且变 化缓慢．当 β＜0∙3时随 β的减小矫顽力迅速增 大和实验结果一致．可见当 FePt 颗粒之间的相 互作用减小到一定值的时候薄膜矫顽力会显著 增大． 图2 矫顽力 Hc 随交换作用因子 β的变化 Fig．2 Dependence of coercive force on β 从磁化反转模式的角度来看计算结果显示当 β＜0∙4时不同区域的磁化反转一致性下降．图3 所示为当β＝1时 FePt 颗粒膜反磁化过程中的磁矩 分布变化．从 图 中 可 以 看 出当 外 磁 场 Hext 从 —4∙48×105 A·m —1到—4∙64×105 A·m —1变化时 磁化矢量基本上一致转向外场方向FePt 颗粒膜的 反磁化是一致反转．在反转过程中整个薄膜的磁 矩基本保持一致． 当β值下降到0∙4时磁化反转的一致性下降 但仍可视为准一致反转．图4（a）、（b）分别显示了外 磁场由饱和降为零时β＝0∙4和 β＝0∙7的磁矩 分布． 图5所示为当β＝0∙2时 FePt 颗粒膜反磁化过 程中的磁矩分布变化．可以看出此时 FePt 颗粒膜 的磁化反转模式发生了改变不同的区域磁化翻转 一致性明显降低． 图3 β＝1∙0时 FePt 颗粒膜的反磁化过程．（a） β＝1∙0Hext＝—4∙48×105 A·m —1；（b） β＝1∙0Hext＝—4∙64×105 A·m —1 Fig．3 Reversal process of FePt granular films at β＝1∙0：（a） β＝1∙0Hext＝—4∙48×105 A·m —1；（b） β＝1∙0Hext＝—4∙64×105 A·m —1 ·510· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第5期 贾廷力等：FePt颗粒膜反磁化机制 ,511. (b) 图4P分别取0.4(a)和0.7(b)时在外场为零时FP:颗粒膜的磁矩分布 Fig4 Moment distribution of FePt granular films under the applied magnetic field of HA'mat 0.4 (a)and 8=0.7 (b) (a) (b) (c) (d) 图5=0.2时FcPt颗粒膜的反磁化过程.(a)H=-0.96×105Am-1;(b)H=-1.28×10Am;(c)Hm=-1.60X105A· m-;(d)Hm=-1.84X103Am- Fig.5 Reversal process of FePt granular films at B=0.2:(a)H=-0.96X105 A'm;(b)Heo=-1.28X105 Am (c)Hs=-1.60X 105Am-1;(d)Hm=-1.84X105Am-1 图6所示为不同B值时磁滞回线的计算结果 可以看出，随着阝的减小，磁滞回线形状发生变化 1.0 >0.4时，在反转场附近基本没有台阶.可以推断 >0.4时的磁化反转为一致反转；而<0.4时，磁 0.5 滞回线出现台阶，反转场分布增大.在B=0.2时， 随着外场的反向增大，达到一1.04×105Am-1后， 磁化强度呈阶梯状的分步下降，直到一1.92× 10Am时完成反转.磁化强度的分步下降说明 4-B-1.00 0.5 4-B-0.70 了颗粒膜反磁化过程中的磁矩是分区域逐步反转 -0-B-0.40 -B-0.30 的，这些结果与磁矩分布的计算结果是一致的. ◆-B0.20 -1.0 -B-0.15 根据构造的计算模型，3值为0.4~0.2对应于 -2 0 2 4 FePt磁性颗粒间距约为3~4nm,分析得出：随着B He/(105 A.m) 的减小FPt颗粒间距增大，交换作用变小，在反磁 图6不同阝时FPt颗粒膜的磁滞回线 化过程中磁矩反转的一致程度也不断降低，当FPt Fig.6 Calculated hysteresis loop of FePt granular films at different 颗粒间距增大到3~4nm时，颗粒间的交换作用基 B values
图4 β分别取0∙4（a）和0∙7（b）时在外场为零时 FePt 颗粒膜的磁矩分布 Fig．4 Moment distribution of FePt granular films under the applied magnetic field of Hext＝0A·m —1at β＝0∙4（a） and β＝0∙7（b） 图5 β＝0∙2时 FePt 颗粒膜的反磁化过程．（a） Hext＝—0∙96×105 A·m —1；（b） Hext＝—1∙28×105 A·m —1；（c） Hext＝—1∙60×105 A· m —1；（d） Hext＝—1∙84×105 A·m —1 Fig．5 Reversal process of FePt granular films at β＝0∙2：（a） Hext＝—0∙96×105A·m —1；（b） Hext＝—1∙28×105A·m —1；（c） Hext＝—1∙60× 105 A·m —1；（d） Hext＝—1∙84×105 A·m —1 图6所示为不同 β值时磁滞回线的计算结果． 可以看出随着 β的减小磁滞回线形状发生变化． β＞0∙4时在反转场附近基本没有台阶．可以推断 β＞0∙4时的磁化反转为一致反转；而 β＜0∙4时磁 滞回线出现台阶反转场分布增大．在 β＝0∙2时 随着外场的反向增大达到—1∙04×105 A·m —1后 磁化 强 度 呈 阶 梯 状 的 分 步 下 降直 到 —1∙92× 105 A·m —1时完成反转．磁化强度的分步下降说明 了颗粒膜反磁化过程中的磁矩是分区域逐步反转 的．这些结果与磁矩分布的计算结果是一致的． 根据构造的计算模型β值为0∙4～0∙2对应于 FePt 磁性颗粒间距约为3～4nm．分析得出：随着β 的减小 FePt 颗粒间距增大交换作用变小在反磁 化过程中磁矩反转的一致程度也不断降低．当 FePt 颗粒间距增大到3～4nm 时颗粒间的交换作用基 图6 不同 β时 FePt 颗粒膜的磁滞回线 Fig．6 Calculated hysteresis loop of FePt granular films at different βvalues 第5期 贾廷力等： FePt 颗粒膜反磁化机制 ·511·
.512 北京科技大学学报 第30卷 本可以忽略，磁化反转过渡为非一致反转 [3]Chen JS.Lim B C.Wang J P.Controlling the erystallographic orientation and the axis of magnetic anisotropy in Lio FePt films. 3结论 Appl Phys Lett.2002.81(10):1848 [4]Yan M L.Zeng H.Powers N.et al.Lio.(001)oriented FePt: FePt颗粒膜的非磁性介质所占比例对其反磁 B203 composite films for perpendicular recording.J Appl Phys. 化过程有着很大的影响，当非磁性介质所占比例较 2002,91(10):8471 小时，磁性颗粒间相互作用强，磁矩反转模式是一致 [5]Wu X W,Guslienko K Y,Chantrell R W.et al.Magnetic 反转，随着非磁性介质比例的提高，FPt颗粒膜的 anisotropy and thermal stability study on FePt nanoparticle assem- 磁矩反转一致性逐渐下降，当FPt颗粒之间间距 bly.Appl Phys Lett,2003,82(20):3475 [6]Yan M L.Xu Y F.Li X Z,et al.Highly (001)-oriented Ni-doped 为3~4nm时，颗粒间交换作用可被忽略，磁化反转 Lo FePt films and their magnetic properties.JAppl Phys.2005. 为非一致反转.FPt颗粒膜的矫顽力在磁矩反转模 97(10):309 式的转变过程有着显著变化，在一致反转时，矫顽 [7]Yan M L.Li X Z,Gao L,et al.Fabrication of nonepitaxially 力随着非磁性介质比例的增加而增大，但增幅较小； grown double-layered FePtC/FeCoNi thin films for perpendicular 当反转模式转变为非一致反转后，矫顽力迅速增大， recording.Appl Phys Lett.2003.83(16):3332 [8]Zhou J.Skomski R.Kashyap A.et al.Highly coercive thin film 参考文献 nanostructures.J Magn Magn Mater.2005,290:227 [9]Yang T,Ahmad E.Swuki T.FePt-Ag nanocomposite film with [1]Kanazawa H.Lauhoff G.Swuki T.Magnetic and structural perpendicular magnetic anisotropy.JAppl Phys.2002.91(10): properties of (Co,Feo-)soPtso alloy thin films.J Appl Phys 6860 2000,87(9):6143 [10]Zhao S F,Jin H M,Wang X F,et al.Demagnetization curves [2]Sun S H.Murray C B.Weller D.et al.Monodisperse FePt at different temperatures for single phase nanocrystalline Nd-Fe- nanoparticles and ferromagnetic FePt nano-crustal super lattices. B magnets studied micromagnetically Phys Condens Matter. Science,2000,287:1989 2001,13,3865
本可以忽略磁化反转过渡为非一致反转． 3 结论 FePt 颗粒膜的非磁性介质所占比例对其反磁 化过程有着很大的影响．当非磁性介质所占比例较 小时磁性颗粒间相互作用强磁矩反转模式是一致 反转．随着非磁性介质比例的提高FePt 颗粒膜的 磁矩反转一致性逐渐下降．当 FePt 颗粒之间间距 为3～4nm 时颗粒间交换作用可被忽略磁化反转 为非一致反转．FePt 颗粒膜的矫顽力在磁矩反转模 式的转变过程有着显著变化．在一致反转时矫顽 力随着非磁性介质比例的增加而增大但增幅较小； 当反转模式转变为非一致反转后矫顽力迅速增大． 参 考 文 献 ［1］ Kanazawa HLauhoff GSuzuki T．Magnetic and structural properties of （Co xFe100— x）50Pt50 alloy thin films．J Appl Phys 200087（9）：6143 ［2］ Sun S HMurray C BWeller Det al．Monodisperse FePt nanoparticles and ferromagnetic FePt nano-crustal super lattices． Science2000287：1989 ［3］ Chen J SLim B CWang J P．Controlling the crystallographic orientation and the axis of magnetic anisotropy in L10FePt films． Appl Phys Lett200281（10）：1848 ［4］ Yan M LZeng HPowers Net al．L10（001）-oriented FePt∶ B2O3composite films for perpendicular recording．J Appl Phys 200291（10）：8471 ［5］ Wu X WGuslienko K YChantrell R Wet al．Magnetic anisotropy and thermal stability study on FePt nanoparticle assembly．Appl Phys Lett200382（20）：3475 ［6］ Yan M LXu Y FLi X Zet al．Highly （001）-oriented N-i doped L10FePt films and their magnetic properties．J Appl Phys2005 97（10）：309 ［7］ Yan M LLi X ZGao Let al．Fabrication of nonepitaxially grown double-layered FePt∶C／FeCoNi thin films for perpendicular recording．Appl Phys Lett200383（16）：3332 ［8］ Zhou JSkomski RKashyap Aet al．Highly coercive thin-film nanostructures．J Magn Magn Mater2005290：227 ［9］ Yang TAhmad ESuzuki T．FePt-Ag nanocomposite film with perpendicular magnetic anisotropy．J Appl Phys200291（10）： 6860 ［10］ Zhao S FJin H MWang X Fet al．Demagnetization curves at different temperatures for single-phase nanocrystalline Nd-FeB magnets studied micromagnetically．J Phys Condens Matter 200113：3865 ·512· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷