納米環(huán)的磁特性的數(shù)值計算.pdf

1、本論文采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法研究了對稱的鈷、鐵納米環(huán)及不對稱的鈷納米環(huán)的磁特性。論文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一部分，主要介紹了納米科技、納米環(huán)的基本概念及物理性質(zhì)、納米環(huán)的應用及研究現(xiàn)狀、本論文的主要研究方法和研究內(nèi)容。 首先，介紹了納米材料的基本概念、發(fā)展史和物理性質(zhì)。 其次，介紹了納米環(huán)的基本內(nèi)容： ①納米環(huán)的定義、發(fā)展史： ②納米環(huán)在磁記錄方面的應用。 第三，簡要概述了

2、磁性納米環(huán)的研究現(xiàn)狀及存在的主要問題。 最后，提出了本文的研究方法和主要研究內(nèi)容。 第二部分，主要介紹了本論文涉及到的理論基礎(chǔ)。 首先，介紹磁性材料的磁滯現(xiàn)象，及幾個相關(guān)參數(shù)，如剩磁Mr、矯頑力Hc等。 其次，介紹在模擬計算中的幾個重要參量，如交換相互作用、偶極相互作用，磁晶各向異性等。 最后，介紹了幾種典型的磁性材料，如軟磁材料、硬磁材料、記錄介質(zhì)等。 第三部分，介紹了蒙特卡羅方法，并說

3、明了蒙特卡羅方法在納米環(huán)的磁特性計算中的應用。 第四部分，采用蒙特卡羅方法對不同尺寸的對稱鈷納米環(huán)和鐵納米環(huán)的磁化動力學行為進行研究，分析了對稱鈷納米環(huán)和鐵納米環(huán)的在反磁化過程中自旋組態(tài)的渦旋態(tài)穩(wěn)定性與尺寸的關(guān)系、及剩磁率、矯頑力、磁滯回線中的臺階寬度與尺寸的關(guān)系，模擬得到不同尺寸納米環(huán)的磁滯回線及不同磁狀態(tài)點下的自旋組態(tài)，并分析相關(guān)磁參量的變化規(guī)律。這對于揭示對稱磁性納米環(huán)的磁化反轉(zhuǎn)機制具有指導意義。模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合

4、較好。 1.基于蒙特卡羅方法，計算了不同尺寸的對稱鈷納米環(huán)的磁滯回線及在不同磁狀態(tài)點下的自旋組態(tài)。模擬結(jié)果表明： ①大部分的鈷納米環(huán)的磁滯回線都出現(xiàn)了雙臺階，即出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)；只有寬度較小的納米環(huán)的磁滯回線有單臺階的趨勢。 ②磁滯回線的雙臺階對應的組態(tài)為雙穩(wěn)態(tài)，即渦旋“vortex”態(tài)和洋蔥“onion”態(tài)。 ③象征vortex態(tài)穩(wěn)定性的磁滯回線臺階寬度/kHfc隨著納米環(huán)厚度、寬度變化的模擬結(jié)果表明，隨著納

5、米環(huán)的厚度的增加△Hfc增大，隨著納米環(huán)寬度的增加反而有下降趨勢。 ④不同尺寸納米環(huán)的剩磁率隨其尺寸變化關(guān)系的模擬結(jié)果表明，隨納米環(huán)厚度的增加，剩磁率下降。 2.基于蒙特卡羅方法，計算了不同尺寸的對稱鐵納米環(huán)的磁滯回線、在不同磁狀態(tài)點下的自旋組態(tài)及磁滯回線臺階寬度△Hfc和矯頑力Hc隨納米環(huán)尺寸變化的關(guān)系。模擬結(jié)果表明： ①寬度為40nm的鐵納米環(huán)在磁化反轉(zhuǎn)過程中的磁滯回線出現(xiàn)雙臺階所對應的自旋組態(tài)為渦旋“vor

6、tex”態(tài)和洋蔥“onion”態(tài)，而且渦旋態(tài)比較穩(wěn)定；寬度為80nm的鐵納米環(huán)在磁化反轉(zhuǎn)過程比較復雜，磁滯回線出現(xiàn)多臺階，除了“vortex”態(tài)和“onion”態(tài)外，還出現(xiàn)了局域渦旋態(tài)；半徑為100nm的圓盤一樣出現(xiàn)多臺階，但渦旋態(tài)極不穩(wěn)定。說明了鐵納米環(huán)及圓盤的尺寸對其磁化反轉(zhuǎn)機制以及“vortex”態(tài)的穩(wěn)定性有著很大的影響。 ②磁滯回線臺階寬度△Hfc和矯頑力Hc隨鐵納米環(huán)尺寸變化關(guān)系的模擬結(jié)果表明，在Hc-W曲線中，當矯頑

7、力Hc=0時，△Hfc-W曲線出現(xiàn)最大的峰值。在不同厚度的納米環(huán)中也得到類似結(jié)論。說明了“vortex”態(tài)的穩(wěn)定性具有明顯的尺寸效應。 第五部分，構(gòu)建內(nèi)部形狀為小圓和橢圓的不對稱鈷納米環(huán)兩種模型，基于蒙特卡羅方法，主要通過模擬其在不同磁狀態(tài)點下的自旋組態(tài)和磁滯回線來研究這兩種鈷納米環(huán)磁化反轉(zhuǎn)過程中疇壁運動機制和渦旋態(tài)的旋轉(zhuǎn)特征(順時針和逆時針方向)。模擬結(jié)果表明： 當外加正向飽和磁場時，都出現(xiàn)正向“onion”態(tài)，當減少

8、外加磁場，卻出現(xiàn)了相反方向的渦旋態(tài)的特征，即一個為順時針，一個為逆時針。而且在磁化反轉(zhuǎn)過程中，疇壁的運動也不同。對比磁滯回線，從中可以看出磁化反轉(zhuǎn)過程中渦旋態(tài)的特征隨外加磁場方向的變化而變化。 第六部分，采用蒙特卡羅方法分別對一定尺寸的不對稱鈷納米環(huán)隨外加磁場方向的改變進行模擬計算，分析了它們的磁化動力學特征。發(fā)現(xiàn)外加磁場的不同對不對稱納米環(huán)在磁化反轉(zhuǎn)過程中的渦旋態(tài)特征、疇壁運動機制、渦旋態(tài)形成的難易的程度及渦旋態(tài)的穩(wěn)定性都有一

9、定的影響。 1.模擬計算了不對稱納米環(huán)的在外加磁場方向為0°和90°時的磁滯回線及在不同磁狀態(tài)點下的自旋組態(tài)以及分析了其疇壁運動的機理。模擬結(jié)果表明： ①當外加磁場方向為0°時，隨著正向磁場的減少出現(xiàn)逆時針的渦旋特征：而外加磁場方向為90°時出現(xiàn)隨著正向磁場的減少出現(xiàn)順時針的渦旋特征，且渦旋態(tài)的產(chǎn)生更為容易。 ②納米環(huán)中的疇壁能隨納米環(huán)的寬度及厚度的變化關(guān)系分析可以得出，隨著厚度和寬度的增加，疇壁能也在增加。在磁

10、化反轉(zhuǎn)的過程中，疇壁往疇壁能小的方向運動，所以當外加磁場方向為90°時，納米環(huán)的渦旋態(tài)比較容易產(chǎn)生。 2.模擬計算了一定尺寸的不對稱鈷納米環(huán)在不同方向的外加磁場下的磁滯回線，及臺階寬度△Hfc，開關(guān)場Hsw隨外加磁場角度變化的關(guān)系。模擬結(jié)果表明：所有磁滯回線都出現(xiàn)了明顯的臺階，即對應于自旋組態(tài)中的渦旋態(tài)；開關(guān)場Hsw隨角度的增加有所增大，但出現(xiàn)了兩個平臺；臺階寬度△Hfc隨角度的增加而增大，但出現(xiàn)了三個平臺。說明了外加磁場方向?qū)?/p>