Co/Ru/Co三明治结构中界面交换耦合的温度依赖性多尺度模拟研究

《Applied Ocean Research》：Effect of interface on magnetic exchange coupling in Co/Ru/Co trilayer: From ab initio simulations to micromagnetics

本文针对磁性多层膜器件在高温应用中的性能预测需求，研究了Co/Ru/Co三明治结构中界面交换耦合的温度依赖性。研究人员通过结合第一性原理计算、原子自旋动力学(ASD)和微磁学模拟，建立了从原子尺度到连续介质尺度的多尺度模拟框架，系统揭示了不同Ru层厚度下界面耦合常数JCo,Co(T)随温度的变化规律。研究结果表明，界面耦合强度随温度升高而减弱，且与饱和磁化强度Ms(T)的平方成正比，这一发现为高温磁性器件的精确设计和性能优化提供了重要理论依据。

　　

在当今数据存储技术飞速发展的时代，磁性多层膜结构作为硬盘读写磁头的核心组成部分，其性能稳定性直接决定了数据存储的可靠性和效率。特别是Co/Ru/Co这种三明治结构，通过中间Ru层的厚度调控，能够实现从反铁磁到铁磁的耦合转变，为设计新型磁存储器件提供了广阔空间。然而，随着设备工作频率的不断提高和尺寸的持续缩小，器件运行过程中产生的焦耳热会导致温度显著升高，严重影响磁性层的界面耦合特性，进而制约器件的高温稳定性和可靠性。传统研究手段难以精确表征温度对纳米尺度界面磁耦合的影响机制，这成为制约高性能磁性器件发展的关键瓶颈问题。

为攻克这一难题，研究团队在《Applied Ocean Research》上报道了一项创新性研究，他们通过多尺度模拟方法系统揭示了Co/Ru/Co三明治结构中界面交换耦合的温度依赖性规律。研究人员巧妙构建了从电子尺度到介观尺度的完整研究框架：首先利用第一性原理计算获得零温下的基本磁性参数；接着通过原子自旋动力学模拟研究有限温度下的磁性质变化；最后基于微磁学理论建立温度相关的本构关系，实现对大尺度磁结构的准确描述。

本研究采用了三项关键技术方法：基于密度泛函理论的第一性原理计算用于获取交换相互作用能和磁各向异性等基本参数；原子自旋动力学模拟通过求解包含热涨落场的Landau-Lifshitz-Gilbert方程，研究温度对磁序参数的影响；微磁学模拟基于有限元方法，通过能量最小化确定磁畴结构。研究样本为不同Ru层厚度(1-3个原子层)的Co/Ru/Co三明治结构。

界面交换耦合的温度依赖性

通过系统分析不同温度下Co/Ru/Co体系的磁化分布，研究发现界面交换耦合常数J_Co,Co(T)随温度升高而线性减小。当Ru层厚度为1-2个原子层时呈反铁磁耦合，3个原子层时转变为铁磁耦合，这一厚度依赖性与实验观测高度一致。

磁性参数的标度关系

研究确定了关键磁性参数的温度标度律：交换刚度常数A(T)与M_s²(T)成正比，磁各向异性常数K(T)与M_s³(T)成正比。这些标度关系为建立温度相关的微磁学模型提供了理论基础。

多尺度模拟的验证

通过对比原子自旋动力学与微磁学模拟得到的磁畴壁轮廓，发现在宽温度范围内两者高度吻合，验证了多尺度模拟框架的可靠性。仅在接近居里温度时观察到轻微偏差，这源于连续介质模型对纵向涨落效应的忽略。

本研究通过建立严格的多尺度模拟框架，首次系统阐明了Co/Ru/Co三明治结构中界面交换耦合的温度演化规律。研究发现的磁性参数标度关系为高温磁性器件的精准设计提供了关键理论依据，建立的模拟方法可推广至其他磁性多层膜体系的研究中。这项工作不仅深化了对纳米尺度磁耦合机理的理解，也为开发下一代高温稳定型磁存储器件奠定了坚实基础，对推动信息技术发展具有重要意义。