Utbytesbias

Utbytesförspänning eller utbytesanisotropi förekommer i dubbelskikt (eller flerlager) av magnetiska material där det hårda magnetiseringsbeteendet hos en antiferromagnetisk tunn film orsakar en förskjutning i den mjuka magnetiseringskurvan för en ferromagnetisk film. Utbytesförspänningsfenomenet är av enorm nytta vid magnetisk inspelning, där det används för att fästa tillståndet för återläsningshuvudena på hårddiskar vid exakt deras punkt med maximal känslighet; därav termen "bias".

Grundläggande vetenskap

Lättaxelmagnetiseringskurvor för a) en mjuk ferromagnetisk film; b) en antiferromagnetisk film och c) ett utbytesförspänt dubbelskikt bestående av en ferromagnet och en antiferromagnet. Känsligheten (lutningen) hos antiferromagnetikens magnetiseringskurva är överdriven för tydlighetens skull.

Den väsentliga fysiken som ligger till grund för fenomenet är utbytesinteraktionen mellan antiferromagneten och ferromagneten vid deras gränssnitt. Eftersom antiferromagneter har en liten eller ingen nettomagnetisering, påverkas deras spinnorientering endast svagt av ett externt applicerat magnetfält. En mjuk ferromagnetisk film som är starkt utbyteskopplad till antiferromagneten kommer att ha sina gränssnittssnurr. Omkastning av ferromagnetens moment kommer att ha en extra energikostnad motsvarande den energi som krävs för att skapa en Néel-domänvägg i den antiferromagnetiska filmen. Den extra energitermen innebär en förskjutning i ferromagnetens kopplingsfält. Således ser magnetiseringskurvan för en utbytesförspänd ferromagnetisk film ut som den för den normala ferromagneten förutom att den är förskjuten bort från H=0-axeln med en mängd Hb .

I de flesta välstuderade ferromagnet/antiferromagnet-dubbelskikt är ferromagnetens Curie-temperatur högre än Néel - temperaturen TN för antiferromagneten. Denna olikhet innebär att riktningen för utbytesförspänningen kan ställas in genom kylning genom T N i närvaro av ett pålagt magnetfält. Momentet för den magnetiskt ordnade ferromagneten kommer att applicera ett effektivt fält på antiferromagneten när den ordnar, bryter symmetrin och påverkar bildandet av domäner.

Utbytesförspänningseffekten tillskrivs en ferromagnetisk enkelriktad anisotropi som bildas vid gränsytan mellan olika magnetiska faser. I allmänhet används processen med fältkylning från högre temperatur för att erhålla ferromagnetisk enkelriktad anisotropi i olika utbytesförspänningssystem. Under 2011 har en stor växlingsförspänning realiserats efter nollfältskylning från ett omagnetiserat tillstånd, vilket tillskrevs det nybildade gränssnittet mellan olika magnetiska faser under den initiala magnetiseringsprocessen.

Utbytesanisotropi har länge varit dåligt förstått på grund av svårigheten att studera dynamiken hos domänväggar i tunna antiferromagnetiska filmer. En naiv inställning till problemet skulle föreslå följande uttryck för energi per ytenhet:

där n är antalet gränssnittssnurrinteraktioner per ytenhet, Jex är utbyteskonstanten vid gränssnittet, S avser spinnvektorn, M avser magnetiseringen, t avser filmtjocklek och H är det yttre fältet. Underskriften F beskriver egenskaperna hos ferromagneten och AF till antiferromagneten. Uttrycket utelämnar magnetokristallin anisotropi , som är opåverkad av närvaron av antiferromagneten. Vid ferromagnetens kopplingsfält kommer stiftenergin som representeras av den första termen och Zeeman-dipolkopplingen representerad av den andra termen att balansera exakt. Ekvationen förutsäger då att utbytesförskjutningen Hb kommer att ges av uttrycket

Många experimentella fynd angående utbytesbias motsäger denna enkla modell. Till exempel är storleken på uppmätta Hb- värden typiskt 100 gånger mindre än den som förutsägs av ekvationen för rimliga värden på parametrarna. Mängden hysteresskiftning Hb är inte korrelerad med densiteten n för okompenserade spinn i planet för antiferromagneten som uppträder vid gränssnittet. Dessutom tenderar utbytesbiaseffekten att vara mindre i epitaxiella dubbelskikt än i polykristallina, vilket tyder på en viktig roll för defekter. Under de senaste åren har framsteg i grundläggande förståelse gjorts via synkrotronstrålningsbaserade elementspecifika magnetiska linjära dikroismexperiment som kan avbilda antiferromagnetiska domäner och frekvensberoende magnetiska susceptibilitetsmätningar som kan undersöka dynamiken. Experiment på modellsystemen Fe/FeF 2 och Fe/MnF 2 har varit särskilt givande.

Teknisk påverkan

Utbytesbias användes initialt för att stabilisera magnetiseringen av mjuka ferromagnetiska skikt i läshuvuden baserat på den anisotropiska magnetoresistanseffekten (AMR). Utan stabiliseringen kan huvudets magnetiska domäntillstånd vara oförutsägbart, vilket leder till tillförlitlighetsproblem. För närvarande används utbytesförspänning för att fästa det hårdare referensskiktet i spinnventilens återläsningshuvuden och MRAM- minneskretsar som utnyttjar den gigantiska magnetresistansen eller magnetiska tunneleffekten . På liknande sätt är de mest avancerade skivmedierna antiferromagnetiskt kopplade och använder sig av gränssnittsutbyte för att effektivt öka stabiliteten hos små magnetiska partiklar vars beteende annars skulle vara superparamagnetiskt.

Önskvärda egenskaper för ett utbytesförspänningsmaterial inkluderar en hög Néel-temperatur , en stor magnetokristallin anisotropi och god kemisk och strukturell kompatibilitet med NiFe och Co, de viktigaste ferromagnetiska filmerna. De mest tekniskt signifikanta utbytesförspänningsmaterialen har varit de antiferromagnetiska oxiderna med stensaltstruktur som NiO, CoO och deras legeringar och intermetalliska stensaltstrukturer som FeMn, NiMn, IrMn och deras legeringar.

Historia

Exchange-anisotropi upptäcktes av Meiklejohn och Bean från General Electric 1956. Den första kommersiella enheten som använde utbytesbias var IBM:s anisotropic magnetoresistance (AMR) diskenhetsinspelningshuvud , som baserades på en design av Hunt på 1970-talet men som inte t förskjuta det induktiva läshuvudet helt fram till början av 1990-talet. I mitten av 1990-talet spinnventilhuvudet som använde ett utbytesförspänningslager på god väg att förskjuta AMR-huvudet.

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Exchange_bias&oldid=1112848398 "