表面磁性对具有反点晶格的薄铁磁薄膜相变的影响：蒙特卡洛模拟

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Influence of surface magnetism on phase transitions in thin ferromagnetic films with antidot lattice: Monte Carlo simulation

薄铁磁薄膜表面磁性对相变的影响研究，采用抗孔格结构模型和Ising模型，通过蒙特卡洛模拟与有限尺寸标度理论分析发现：当薄膜厚度超过六原子层时，表面相变温度高于体相变；抗孔格结构通过增加自由表面积改变交换积分，使居里温度随孔径增大先升后降，与实验数据吻合。

　　

Sergey V. Belim | Sofya S. Simakova

俄罗斯奥姆斯克州立技术大学，奥姆斯克

摘要

本文研究了表面磁性对具有反点晶格的薄铁磁薄膜相变的影响。这类薄膜具有明显的易轴磁各向异性，因此采用了伊辛模型。通过蒙特卡洛方法和梅特罗波利斯算法模拟了薄膜的磁化行为。利用有限尺寸缩放理论计算了相变温度。通过考虑多维系统并将结果近似为无限系统来计算居里温度。该模型区分了表面和体相中的交换积分，以探讨表面磁性的影响。计算结果表明，居里温度取决于薄膜厚度、孔径以及表面和体相中交换积分的比值。不同几何参数的薄膜的相图显示出这类系统的重要特征。对于厚度为六个单原子层或更薄的薄膜，不可能发生表面相变。反点晶格会降低居里温度。对于较厚的固态薄膜，可能发生表面铁磁相变。反点晶格也可能使表面相变变得不可能。破坏表面相变的孔径与薄膜厚度的依赖关系是阶梯状的。具有反点晶格的薄膜的居里温度可能高于或低于固态薄膜的相变温度，这取决于表面交换积分的大小。模拟结果与实验数据一致。

引言

具有反点晶格的薄铁磁薄膜属于人工纳米结构材料[1]、[2]。这些材料的主要特性是通过改变反点晶格的几何参数来控制其磁特性。反点晶格是在连续薄膜中排列的纳米级孔洞。目前，已有几种技术可以制备这种纳米结构[3]、[4]。这类薄膜的磁性质变化与其自由表面积的增加有关，这影响了居里温度和矫顽力[5]、[6]。

对于某些铁磁材料，由于表面层的自旋有序温度与体相的居里温度之间的差异，观察到了表面磁性现象[7]、[8]。表面磁性的原因是表面自旋之间的交换积分与体相中两个自旋之间的交换积分不同[9]、[10]。

添加反点晶格显著增加了薄膜的自由表面积，并导致两个边界平面之间的相互作用和相互影响。在最近的一项研究[11]中，对于连续薄膜，表面交换积分的增加会显著影响系统的居里温度和矫顽力。随着薄膜厚度的增加，可能发生表面相变，其温度高于体相变温度。薄膜越薄，表面交换积分对薄膜磁性质的影响越强。这种现象可以通过系统中表面自旋相对数量的增长来解释。存在一个薄膜厚度的阈值，超过该阈值后，体相和表面相变会分离。

由于具有反点晶格的薄膜表面积的增加，由表面交换积分决定的自旋相互作用的相对比例增加。因此，这类薄膜中的表面磁性影响应该比连续系统更强。

具有强垂直磁各向异性的铁磁薄膜特别适用于自旋电子学应用。这类薄膜可以显著改进磁逻辑芯片、自旋电子设备以及随机存取存储器[12]、[13]、[14]。多层Co/Permalloy薄膜取得了最佳结果[15]、[16]。这些薄膜表现出强的垂直各向异性。通过改变薄膜厚度、孔径和孔密度，可以控制其磁化和矫顽力[17]、[18]、[19]、[20]。

本文的目的是通过蒙特卡洛方法研究表面磁性对具有反点晶格的薄铁磁薄膜磁性质的影响。

模型简介

模型

在计算机建模中，考虑了一种具有方形孔洞的薄铁磁薄膜。薄膜的厚度由$D$个单原子层（ML）决定。薄膜中的孔洞大小为$a\times a$个原子。孔洞位于周期为$d$的正方形网格的节点上。系统的几何结构如图1所示。

采用伊辛模型来描述磁性质。该模型适用于描述具有易轴磁化的薄铁磁系统。

结果

计算机实验针对厚度从$D=4\mathrm{ML}$到$D=16\mathrm{ML}$的薄膜进行，步长为$?D=2\mathrm{ML}$。如有需要，也计算了其他厚度薄膜的某些性质。反点晶格的周期保持不变，为$d=8$$a=2$变化到$a=6$，周期为$?a=1$。对于尺寸为$a=1$的孔洞，计算没有提供额外的显著信息。系统的线性尺寸从$L=24$变化到

结论

对具有反点晶格的薄铁磁薄膜进行了蒙特卡洛模拟。获得的数据揭示了孔径对系统磁性质的影响。表面磁性对这些材料有额外的显著影响。这种效应可以通过孔洞产生时系统自由表面积的增加来容易解释。计算证明了在以下两种条件下系统可能发生表面相变。

CRediT作者贡献声明

Sergey V. Belim：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、项目管理、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念化。Sofya S. Simakova：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件、方法论、研究、形式分析。

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