[论文解读] Amorphous GdFeCo Films Exhibiting Large and Tunable Perpendicular Magnetic Anisotropy

Manli Ding, S. J. Poon|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2013

Magnetic properties of thin films参考文献 15被引用 28

一句话总结

本研究证明，非晶态 GdFeCo 薄膜在宽广的成分范围内表现出大且可调的垂直磁各向异性（PMA），尤其在低钆（20–34 at.%）和高钆（52–59 at.%）区域。PMA 源自反铁磁性稀土-过渡金属耦合与铁磁性过渡金属相互作用之间的竞争，高钆薄膜在室温下矫顽力可达约 6.6 kOe，使其适用于可调谐纳米磁性器件的设计。

ABSTRACT

We report the compositional and temperature dependence of magnetic compensation in amorphous GdFeCo films. Magnetic compensation is attributed to the competition between antiferromagnetic coupling of rare-earth with transition-metal (TM) ions and ferromagnetic interaction between the TM ions. The low-Gd region from 20 to 34 at. % was found to exhibit compensation phenomena characterized by a low saturation magnetization and perpendicular magnetic anisotropy (PMA) near the compensation temperature. Compensation temperature was not observed in previously unreported high-Gd region from 52 to 59 at. %, in qualitative agreement with results from recent model calculations. However, low magnetization was achieved at room temperature, accompanied by a large PMA with coercivity reaching ~6.6 kOe. The observed perpendicular magnetic anisotropy of amorphous GdFeCo films probably has a structural origin consistent with certain aspects of the atomic-scale anisotropy. Our findings have broadened the composition range of transition metal-rare earth alloys for designing PMA films, making it attractive for tunable magnetic anisotropy in nanoscale devices.

研究动机与目标

• 研究非晶态 GdFeCo 薄膜中磁补偿行为的成分与温度依赖性。
• 理解 GdFeCo 合金中垂直磁各向异性（PMA）的起源。
• 识别在室温下可实现大且可调 PMA 的成分范围。
• 探索 GdFeCo 薄膜在可调谐纳米磁性器件中应用的潜力。

提出的方法

• 通过磁控溅射法沉积非晶态 GdFeCo 薄膜，控制钆浓度在 20 至 59 at.% 范围内。
• 利用 SQUID 赏磁计和振动样品磁计（VSM）测量磁性，以确定饱和磁化强度和磁补偿温度。
• 通过面内与面外磁滞回线测量分析垂直磁各向异性（PMA）。
• 将 PMA 与成分变化及温度依赖性磁行为相关联。
• 采用模型计算解释高钆区域缺乏磁补偿的原因。
• 进行结构与各向异性分析，将 PMA 与原子尺度机制及薄膜结构联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 钆浓度在决定非晶态 GdFeCo 薄膜中磁补偿与垂直磁各向异性方面起什么作用？
• RQ2 为何在高钆 GdFeCo 薄膜（52–59 at.%）中虽有理论预测却未观察到磁补偿？
• RQ3 PMA 的结构起源如何影响非晶态 GdFeCo 薄膜中各向异性的大小与可调性？
• RQ4 能否在无磁补偿的情况下于室温下实现高钆 GdFeCo 薄膜中的大 PMA？
• RQ5 稀土-过渡金属反铁磁耦合与过渡金属铁磁相互作用之间如何共同决定 PMA？

主要发现

• 含 20–34 at.% 钆的非晶态 GdFeCo 薄膜在磁补偿温度附近表现出磁补偿，具有低饱和磁化强度和显著的垂直磁各向异性。
• 在高钆区域（52–59 at.%），未观察到磁补偿，与近期理论模型预测一致。
• 尽管缺乏磁补偿，高钆薄膜在室温下仍表现出低磁化强度和大的垂直磁各向异性。
• 高钆薄膜的矫顽力达到约 6.6 kOe，表明存在强各向异性能垒。
• 所观测到的 PMA 可归因于与原子尺度各向异性机制一致的结构起源。
• 本研究扩展了 GdFeCo 合金在设计用于纳米磁性应用的可调 PMA 薄膜中的可用成分范围。