用转矩仪测量薄膜磁各向异性的研究

　　1引言

　　用转矩仪测量物质的磁各向异性是最常用的方法。对于磁性薄膜，由于它具有显著的形状各向异性和材料的各向异性混合在一起，使测量变得很复杂。已 经有一些文献报导了几个使用转矩仪测定薄膜磁各向异性及其它磁性的特别方法，专门用于测量具有单轴各向异性且易轴垂直于膜平面的薄膜样品。可是对于易轴任 意取向的薄膜，使用上述方法测量是很困难的。本文介绍一种使用转矩仪测定薄膜磁各向异性的新方法，用于测定具有单轴各向异性而且易轴是任意取向的薄膜样 品。

　　2原理

　　假定一个薄膜样品具有单轴磁各向异性(亦称为本征磁各向异性，它是薄膜材料的磁各向异性，不包括形状各向异性)，它的易轴与膜面的夹角为α角，以最近膜面为基准，a<90 ⁰，参见图1。只考虑一级磁各向异性常数Ku，把它称为本征各向异性常数，并假定大块膜的磁化强度为M，则形状各向异性常数Ks为u0M2/2。那么，在一个磁场H作用下，系统的自由能E和所受的力矩r可以分别表达为:

　　式中，u。是真空磁导率;V是薄膜样品的体积;θ为磁化强度矢量和磁场方向与易轴的夹角;Φ表示磁场方向与易轴间的夹角，如图1所示。系统处于稳定状态时，自由能有最小值，则有dE/d θ=0，可得样品所受到的转动力矩为:

　　方程(3)所含的两项可合并成为一个正弦表达式:

　　(图中Ku和Ks分别表示相应易轴的取向)

　　θ ' 代表磁化强度方向与表观易轴间的夹角。

　　从(4)式可看出，材料的本征磁各向异性和形状各向异性在这情况下可合成为一个新的单轴磁各向异性，可称它为表观各向异性，其常数为K o θ'代表磁化强度方向与表观易轴间的夹角。在这个平面内的转矩曲线仍然为正弦曲线，这说明转矩随角度变化的规律不变。因此在这个平面内，可用通常的转矩方 法来测量这个表观各向异性，即测出转矩的极大值Tm，利用KV= tm得到K的数值。找到:t=0时磁场的方向，就是表观各向异性的易轴取向。由于形状各向异性的易轴总是固定在膜平面内，故此可以断定表观易轴一定取向在 本征易轴Ku方向与最靠近的膜平面之间，当表观易轴与膜平面的夹角为Ψ时，则0<Ψ 当样品不受转矩，即T=0时，磁场的方向和磁化强度的方向相同，而且同时也和表观易轴的取向一致，因此，存在角度关系0=ΦΦ=a-Ψ，如图2所示。把这 个角关系代入方程(3)可得到一个新的方程:

　　由结果(7)和(8>式看出，Ku和a可以通过K和 Ψ的值来计算。更详细说，对于本征易轴的取向角度a和常数Ku的值，可通过测定表观易轴的取向角度平和常数K的值，然后利用方程(7)和(8)计算出 来。这两个方程与Sung-Chul Shins〕等人使用的方程有些类似。