纳米磁性存储单元的形状各向异性效应

第26卷第1期苏州大学学报(自然科学版)Vol126No.1 2010年1月J OURNAL OF SUZ HOU UN I VERSI TY(NATURAL SC I ENCE EDITI ON)Jan.2010
纳米磁性存储单元的形状各向异性效应
吕冬丽,许晨
(苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州215006)
摘要:用OOMM F软件研究了纳米磁颗粒内磁化强度的翻转,对比了磁化强度在各种不同形状的相同材料
内的翻转时间,发现在双轴磁晶各向异性材料中磁化强度的翻转特性与材料的形状密切相关.矩形材料的各
向异性能够有利于材料内磁化强度更快地翻转,而且可以降低翻转所需的外加磁场强度.
关键词:形状各向异性;磁化翻转;微磁模拟;磁性纳米颗粒
中图分类号:O152.1文献标识码:A文章编号:1000-2073(2010)01-0066-04
The s hape ani sotropy effect of the nano m agnetism m em ory
Lu Dong l,i Xu Chen
(School of Phys i calS ci en ce and Technol ogy,Su z hou Un iv.,Su z hou215006,Ch i na)
A bstract:W e study the m agne tizati o n sw itch i n g in nano-sized m agnetic d isks by use of OOMMF
(Ob ject O riented M icro m agnetic Fra m e w ork).The resu lts of the s w itching ti m e in d ifferent shaped
d isks sho w ed that th
e m agnetization s w itching is much re lated to t h e shape anisotropy o
f the disk w ith
b iax ial anisotropy.The shape anisotropy of the rectang le d isk can fasten the m agnetization sw itch i n g.
M eanw hile,t h e streng th o f the ex terna l dri v en field m ay be l o w ered so as to achieve t h e m agnetization
reversa.l
K ey words:shape anisotr opy;m agnetizati o ng reversa;l m icro m agnetizati o ng-si m ulati o n;m agnetic
nano-particles
0引言
磁性颗粒内磁化强度矢量的动态翻转特性是开发研制磁性存储器、磁传感器、磁探测器等器件的重要课题[1].现代技术的发展[2-4]为研究纳米尺度颗粒内的磁学特性提供了有利条件.实验上可以明显地观察到,纳米磁性颗粒具有不同于宏观体系的特殊磁学性质.由于电子元器件的不断发展,各种电子设备的响应时间越来越短,这就需要磁性存储器件的响应速度越来越快.因此,人们对磁性颗粒内磁化强度的翻转速度日益关注.一般地,磁性存储介质的磁化强度在外场作用下的动态翻转与所加外场的形式密切相关.如何实现低外场快翻转,是理论和实验研究者共同关注的问题.
为了提高磁性颗粒内磁化强度的翻转特性,研究者们提出将单易轴磁性材料替换为具有双易轴的磁性材料[5],其结果是大大提高了磁性存储材料的响应速度.但是一般对于双易轴材料的研究局限于圆形薄磁盘,在圆形平面内的形状各向异性被忽略.因此该系统的各向异性能主要来源于磁晶各向异性能.近来,已有设计者提出利用颗粒材料的形状各向异性来改善磁化强度的快速翻转[6,7].
本文中,我们研究一个矩形纳米磁性颗粒,除考虑在磁晶各向异性轴外还引入形状各向异性,通过改变矩形的长宽之比来改变材料的形状各向异性.比较了在计入形状各向异性后,初始磁化强度按两种不同方向设
收稿日期:2009-05-10
作者简介:吕冬丽(1984-),女,江苏南通人,硕士研究生,主要从事磁性颗粒磁化翻转特性的研究.
第1期 吕冬丽,许 晨:纳米磁性存储单元的形状各向异性效应67 置时材料内磁化强度的翻转时间的大小.此外,对于两种不同情况所需的外场情况也作了相应的说明.1 计算模型
1.1 进 动
磁力矩与角动量之间的关系如下:
L =-C L
(1.1)式中C 为旋磁比,若有外场H 作用在磁力矩L 上,则角动量与时间的关系为
d L d t
=L @H (1.2)把式(1.1)代入式(1.2)有 d L d t =-CL @H (1.3)
考虑一定体积V 内所有的磁力矩的总和
E j L j ,此体积内的外场H 一致,每单位体积内磁力矩与时间之间的关系可以由下式说明:
1V d E j L j d t =-C E j L j V @H (1.4)利用M =
E j L V ,我们得到 d M d t =-C M @H (1.5)
1.2 朗道-李弗西兹(LandauLifshit z)方程
由朗道和李弗西兹提出磁进动的动态模型为
d M d t =-C M @H -K M s M @(M @H eff )(1.6)
此处K >0,是阻尼系数.H eff 是作用在磁性颗粒上的总有效磁场,H eff 包括外加磁场H 、磁晶各向异性等效场H a 、形状各向异性场等.
1.3 朗道-李弗西兹-吉尔伯特LLG(Landau -L ifshitz -G ilbert)方程
由吉儿伯特在上述方程中添加阻尼项,添加项如下:
A M s M @5
M 5t
(1.7)至此,完整的朗道-李弗西兹-吉尔伯特LLG(Landau -Lifsh itz -G il b ert)方程由以下形式给出:
d m d t =-C m @H eff +A M s m @d m d t (1.8)
其中C 为旋磁比,A 是唯象阻尼系数,m 为磁化强度,M s 为饱和磁化强度.
我们运用OOMMF 软件来模拟由朗道-李弗西兹-吉尔伯特LLG(Landau-Lifsh itz -G il b ert)方程描述的磁化翻转过程.
本文主要研究磁化强度m 在外加脉冲场作用下的翻转特性,我们选取一系列不同尺寸的矩形微磁颗粒作为研究对象.磁性颗粒具有双易轴磁晶各向异性,其易磁化轴分别沿x 轴和y 轴的方向,难磁化轴沿(1,1)和
(-1,1)方向,各向异性常数K =530@103J/m 3.材料的饱和磁化强度M s =1400@103A /m,唯象阻尼系数
A =0.05.材料的厚度是2@10-9
m,作为模拟计算的单元尺寸.材料的长和宽随考察情形的变化而不同.模拟过程中,我们以2nm @2nm @2nm 的单元格对样品进行微分,每一个单元格作为有效的单元磁矩与周围磁矩发生相互作用.整个样品的磁化强度随时间的演化可由OOMMF 软件求解得出.
68 苏 州 大 学 学 报(自然科学版)第26卷 (a)矩形的长平行于y 轴 (b)矩形的长平行于x 轴图1 初始磁化状态图2 结果与讨论
文献[5]的研究结果表明,在相同的外加磁场条件下,
具有双易轴各向异性的圆形薄磁盘内磁化强度的翻转可
明显快于单易轴的情形.当双易轴微磁材料的形状变成矩
形时,必须考虑材料的形状各向异性对磁化强度翻转的影
响.即我们必须同时考虑双轴磁晶各向异性和形状各向异性对外加场作用下磁化强度翻转产生的影响.
为了更清楚
图2 相应一定外场下使磁化强度翻转的最小脉冲持续时间对比(矩形的长宽之比a B b =1.2B 1,a =30n m,b =20nm,圆的直径d =20nm )地展示矩形长宽不同而产生的形状各向异性,我们研究两种不同
的矩形其长宽比例分别设置为1.2B 1和1.5B 1.首先我们将矩形的
长a 和宽b 分别设置为24@10-9m 和20@10-9m,即长宽比例为
1.2B 1.当矩形的长与y 轴平行,且外加沿y 轴方向的脉冲场时,我
们假设材料内的初始磁化强度方向沿+x 轴,如图1(a)所示,此
时微磁材料所需的最小临界翻转场和最小临界脉冲时间如图2中
黑色点线所示,图2中三角点线和方块点线或圆点线分别表示材
料是圆形(圆的直径为20@10-9m )以及矩形(a 平行于x 轴或y
轴)时,磁化强度从+x 轴翻转到-y 轴所需的最小脉冲场和最短
脉冲时间.图2中,每条曲线的左下方对应的区域为不可翻转区
域.由图2可以看出,当矩形材料按如图1(a)所示方式放置时,外
加脉冲场H 与磁晶各向异性场H a 的比值H H a
=0.193时,便能使磁化强度翻转.当矩形材料按如图1(b)所示的方式放置时,所需
要的最小约化外加脉冲场增加到0.226.而圆形材料所需的最小
约化外加脉冲场H H a
的值介于这两者之间.从图2中还可以看出,致使磁化强度发生翻转的条件可以通过调节外加磁场的幅值和脉冲时间来获得.一般来说,临界翻转场随着幅值的增大其脉冲时间相应减小.因此,在外加脉冲场幅值相同时,如当
H H a =0.231时,如图1(a)方式放置的矩形材料同样只需要最小的临界脉冲持续时间即可翻转磁化强度.而按图1(b)方式放置的矩形材料的临界脉冲时间值最大.
图3给出了当矩形的长宽比为a B b =1.5B 1,且长和宽分别为30@10-9m 和20@10-9
m 时所需临界外加脉冲场情况.结果表明,与图2相比,当矩形的长宽比增加后,长a 平行于y 轴的样品所需要的临界脉冲时间变短而长a 平行于x 轴的样品所需要的临界脉冲时间变长了.这进一步说明当将材料由圆变成矩形时,材料内磁化强度的翻转受到形状各向异性场的影响,且当矩形长边沿y 轴方向时,磁化强度翻转所需的临界脉冲幅值和临界脉冲持续时间都小于圆的情形.矩形的长宽比值变大,材料的形状各向异性随之增大,磁化强度翻转所需的外加场就更小.
图4反映了相同的外加场幅值和相同的脉冲持续时间下不同形状样品的磁化强度翻转时间t ,当长宽相同的矩形按图1(a)和图1(b)两种不同方式放置时,翻转时间t 在图4中分别对应于方块曲线和圆曲线,其中外加场H 和磁晶各向异性场H a 的比值H H a =0.251.图中脉冲持续时间S <0.031ns 时按图1(a)方式放置的颗粒内的磁化强度翻转速度明显快于按图1(b)放置的情形;而当S >0.031ns 时,结果相反,按图1(a)方式放置的颗粒内磁化强度的翻转时间变得很长.这是因为在一定的外场下,当脉冲时间逐渐增大,按图1(a)方式放置的样品比按图1(b)方式放置的更容易翻转过-x 轴,到达-x 轴与-y 轴所夹的区域,于是需要更长的
第1期 吕冬丽,许 晨:纳米磁性存储单元的形状各向异性效应69 时间在各向异性场的作用下回到-x 轴的方向.图4中的两条曲线分别有一个最小值,方块曲线的最小翻转时间比a //x 的最小翻转时间缩短了10%以上,且所需要的脉冲持续时间更小.
图3 相应一定外场下使磁化强度翻转的最小脉冲持续时间对比图4 固定外场强度,脉冲持续时间变化过程中,磁化强度的翻转时间对比
3 结 论
综上所述,为了减小外加脉冲幅值和脉冲时间以及缩短磁化翻转时间,调节存储单元的形状各向异性,可使快速磁化翻转对外加场的要求降低.适当调节矩形的长宽比,可以实现在更短时间内磁化强度的翻转.参考文献:
[1]W e ller D,M oser A.T he r m al effect li m its i n u ltrah i gh -density m agne ti c record i ng[J].IEEE T ransM agn ,1999,35:4423-4439.
[2]Sun Shouheng ,M urray C B ,W e ller D ,et al .M onodisperse FeP t N anopa rtic l es and Fe rro m agne ti c F eP t N anocrysta l Super lattices
[J].Science ,2000,287:1989-1992;Z itoun D,R espaudM,F ro m enM C ,et al .M agne tic enhance m ent i n N anosca le CoR h part-i cles [J].Phys R ev Le tt ,2002,89,037203:1-4.
[3]H ill ebrands B ,Q unadjela K.Spi n D ynam i cs in Con fined M agnetic structures I &II [M ].Ber li n :Spri nger -V erlag ,2001.
[4]T ang K J ,Xu C,H u i P M.M agnetization s w itch i ng i n a s i nga -l dom ai n biax i a lm agnetic d i sk [J].So lid State Comm un ,2008,146:
265-268.
[5]Christian Seber i no ,N eal Bertran H.N u m er i ca l st udy of hysteres i s and mo rpho l ogy i n elongated tape partica ls [J].J A pp l Phys ,
1999,85:5543-5545.
[6]Johnson J A,G r i m sditchM,V avassor i P ,et al .M agneto -optic kerr effect i nvesti ga ti on o f cobalt and per m a ll oy nanosca l e do t arrays :
shape effec ts on m agnetization reversa l [J].A pp l Phys Le tt ,2000,77:4410-4412.
[7]M a rti n J I ,N ogues J ,L i u K,et al .O rdered m agnetic nanostructures :fabricati on and properti es [J].J M agn M agn M ater ,2003,
256:449-501.
(责任编辑:周建兰)。