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

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[3–9]。

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[18–21]。

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[22–26]。这些多相的形成主要依赖于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1~3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[32–36]。然而，这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[21,44–47]，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/Au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[50–52]。

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λint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