交換バイアス

交換バイアスまたは交換異方性は、磁性材料の二重層（または多層）において、反強磁性薄膜の硬磁化挙動が強磁性薄膜の軟磁化曲線にシフトを引き起こすことで発生します。この交換バイアス現象は磁気記録において非常に有用であり、ハードディスクドライブのリードバックヘッドの状態を最大感度点に正確に固定するために用いられます。そのため、「バイアス」という用語が用いられています。

基礎科学

a) 軟磁性強磁性膜、b) 反強磁性膜、c) 強磁性体と反強磁性体からなる交換バイアス二重層の容易軸磁化曲線。反強磁性体の磁化曲線の磁化率（傾き）は、分かりやすくするために誇張されています

この現象の基礎となる物理は、反強磁性体と強磁性体の界面における交換相互作用である。反強磁性体の正味の磁化は小さいか全くないため、そのスピン配向は外部から印加された磁場によってわずかにしか影響を受けない。反強磁性体と強く交換結合した柔らかい強磁性膜は、界面スピンが固定される。強磁性体のモーメントを反転させると、反強磁性膜内にネール磁壁を作成するために必要なエネルギーに対応する追加のエネルギーコストが発生する。追加されたエネルギー項は、強磁性体のスイッチング磁場のシフトを意味する。したがって、交換バイアスされた強磁性膜の磁化曲線は、H = 0 軸から H bだけシフトしていることを除けば、通常の強磁性体の磁化曲線に似ている。

よく研究されている強磁性体/反強磁性体の二重膜のほとんどにおいて、強磁性体のキュリー温度は反強磁性体のネール温度T Nよりも高い。この不等式は、磁場を印加した状態でT Nまで冷却することで、交換バイアスの方向を設定できることを意味する。磁気的に整列した強磁性体のモーメントは、反強磁性体が整列する際に有効磁場を印加し、対称性を破り、磁区の形成に影響を与える。[ 1 ]

交換バイアス効果は、異なる磁性相間の界面に形成される強磁性一方向異方性に起因する。一般的に、様々な交換バイアス系において強磁性一方向異方性を得るには、高温からの磁場冷却プロセスが用いられる。2011年には、バルク合金を非磁化状態からゼロ磁場冷却することで大きな交換バイアスが実現され、これは初期磁化過程において異なる磁性相間に新たに形成された界面に起因するものとされた。[ 2 ]

交換異方性は、薄い反強磁性薄膜における磁壁のダイナミクスを研究することが困難であったため、長らく十分に理解されてきませんでした。この問題に対する素朴なアプローチでは、単位面積あたりのエネルギーは次のように表されます。

E＝12nJe×SFSAF+MFtFH{\displaystyle E={\frac {1}{2}}nJ_{ex}S_{F}S_{AF}+M_{F}t_{F}H}

ここで、 nは単位面積あたりの界面スピン相互作用の数、J ex は界面における交換定数、Sはスピンベクトル、Mは磁化、tは膜厚、Hは外部磁場である。添え字Fは強磁性体の特性、AFは反強磁性体の特性を表す。この式では、反強磁性体の存在によって影響を受けない結晶磁気異方性は省略されている。強磁性体のスイッチング磁場において、第1項で表されるピンニングエネルギーと第2項で表されるゼーマン双極子結合は正確に釣り合う。したがって、この式は交換バイアスシフトH b が次式で表されること を予測する。

Hb＝nJe×SFSAF2MFtF{\displaystyle H_{b}={\frac {nJ_{ex}S_{F}S_{AF}}{2M_{F}t_{F}}}}

交換バイアスに関する多くの実験的知見は、この単純なモデルと矛盾しています。たとえば、測定された H b値の大きさは、パラメータの妥当な値に対する式で予測される値の 100 倍以下になるのが典型的です。ヒステリシス シフト H bの量は、界面に現れる反強磁性体の面内の補償されていないスピンの密度nとは相関がありません。さらに、交換バイアス効果は、多結晶二重層よりもエピタキシャル二重層の方が小さくなる傾向があり、欠陥が重要な役割を果たしていることを示唆しています。近年、反強磁性ドメインを画像化できるシンクロトロン放射に基づく元素特異的な磁気線形二色性実験や、ダイナミクスを調べることができる周波数依存の磁化率測定によって、基礎的理解が進歩しました。Fe/FeF 2および Fe/MnF 2モデル システムに関する実験は特に実り多いものでした。

技術的影響

交換バイアスは当初、異方性磁気抵抗（AMR）効果に基づくリードバックヘッドにおいて、軟磁性層の磁化を安定化させるために使用されていました。この安定化がなければ、ヘッドの磁区状態が予測不可能になり、信頼性の問題につながる可能性があります。現在では、スピンバルブ型リードバックヘッドや、巨大磁気抵抗効果または磁気トンネル効果を利用するMRAMメモリ回路において、硬磁性参照層を固定するために交換バイアスが使用されています。同様に、最先端のディスクメディアは反強磁性結合されており、界面交換を利用することで、本来であれば超常磁性的な挙動を示す小さな磁性粒子の安定性を効果的に高めています。

交換バイアス材料に求められる特性としては、高いネール温度、大きな結晶磁気異方性、そして最も重要な強磁性膜であるNiFeやCoとの良好な化学的・構造的適合性などが挙げられます。技術的に最も重要な交換バイアス材料としては、NiO、CoOなどの岩塩構造反強磁性酸化物やそれらの合金、そしてFeMn、NiMn、IrMnなどの岩塩構造金属間化合物やそれらの合金が挙げられます。

歴史

交換異方性は、 1956年にゼネラル・エレクトリックのメイクルジョンとビーンによって発見されました。[ 3 ] [ 4 ]交換バイアスを採用した最初の商用デバイスは、 IBMの異方性磁気抵抗（AMR）ディスクドライブ記録ヘッドでした。これは1970年代のハントの設計に基づいていましたが、1990年代初頭まで誘導型リードバックヘッドを完全に置き換えることはありませんでした。1990年代半ばまでに、交換バイアス層を使用したスピンバルブヘッドがAMRヘッドを置き換える方向に着実に進んでいました

参考文献

  1. ^ Nogués, J.; Ivan K. Schuller (1999-02-15). 「交換バイアス」. Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 192 (2): 203– 232. Bibcode : 1999JMMM..192..203N . doi : 10.1016/S0304-8853(98) 00266-2
    • ジョン・C・マリンソン著『磁気抵抗ヘッドとスピンバルブヘッド：基礎と応用』ISBN 0-12-466627-2。
  2. ^ Wang, BM; Liu, Y .; Ren, P.; Xia, B.; Ruan, KB; Yi, JB; Ding, J.; Li, XG; Wang, L. (2011-02-17). 「非磁化状態からのゼロ磁場冷却後の大きな交換バイアス」. Physical Review Letters . 106 (7) 077203. American Physical Society (APS). arXiv : 1101.4737 . Bibcode : 2011PhRvL.106g7203W . doi : 10.1103 / physrevlett.106.077203 . ISSN 0031-9007 . PMID 21405539. S2CID 36603253 .   
  3. ^ Meiklejohn, WH; Bean, CP (1957年2月1日). 「新しい磁気異方性」 . Physical Review . 105 (3): 904– 913. doi : 10.1103/PhysRev.105.904 . ISSN 0031-899X . 
  4. ^ Berkowitz, AE; Takano, Kentaro (1999年10月1日). 「交換異方性 — レビュー」 . Journal of Magnetism and Magnetic Materials . 200 (1): 552– 570. doi : 10.1016/S0304-8853(99)00453-9 . ISSN 0304-8853 . 
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