Magnetic properties of bilayer film with antidote lattice: monte carlo modeling

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article simulates the magnetic properties of a bilayer film with an antidote lattice using the Monte Carlo method. The system consists of two films with different magnetic susceptibility (magnetosoft and magnetohard layers). The thickness of the magnetohard layer remains constant and the thickness of the magnetosoft layer varies. The antidote lattice is formed in the film. The antidote lattice is an array of square pores located at regular lattice nodes. The Ising model is used to describe the magnetic properties of the system. The film layers have different exchange constants in this model. The article studies the dependence of the Curie temperature for the system on the thickness of the soft magnetic layer and the period of the antidote lattice. The phase transition temperature depends non-linearly on both parameters. The second stage examines the process of magnetization. The antidote lattice and the magnetosoft layer distort the hysteresis loop. Dependence of coercive force and magnetization energy on system parameters is investigated.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. V. Belim

Omsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: sbelim@mail.ru
Russian Federation, Omsk

S. S. Simakova

Omsk State Technical University

Email: sbelim@mail.ru
Russian Federation, Omsk

I. V. Tikhomirov

Omsk State Technical University

Email: sbelim@mail.ru
Russian Federation, Omsk

References

  1. Krupinski M., Sobieszczyk P., Zieliński P., Marszałek M. Magnetic reversal in perpendicularly magnetized antidot arrays with intrinsic and extrinsic defects // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 13276.
  2. Belim S.V., Tikhomirov I.V. Computer simulation of Fe epitaxial films on a Cu(100) substrate // Physica Scripta. 2023. V. 98. P. 105973.
  3. Belim S.V. Investigation of Phase Transitions in Ferromagnetic Nanofilms on a Non-Magnetic Substrate by Computer Simulation // Materials 2022. V. 15. P. 2390.
  4. Kaidatzis A., del Real R.P., Alvaro R., Niarchos D., Vazquez M., García-Martín J.M. Nanopatterned hard/soft bilayer magnetic antidot arrays with long-range periodicity // J. Magn. Magn. Mater. 2020. V. 498. P. 166142.
  5. Salaheldeen M., Martínez-Goyeneche L., Álvarez-Alonso P., Fernández A. Enhancement the perpendicular magnetic anisotropy of nanopatterned hard/soft bilayer magnetic antidot arrays for spintronic application // Nanotechnology. 2020. V. 31. P. 485708.
  6. Challab N., Faurie D., Haboussi M., Adeyeye A.O., Zighem F. Differentiated Strain-Control of Localized Magnetic Modes in Antidot Arrays // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. V. 13. P. 29906–29915.
  7. Ruiz-Feal I., Lopez-Diaz L., Hirohata A., Rothman J., Guertler C.M., Bland J.A.C., Garcia L.M., Torres J.M., Bartolome J., Bartolome F., Natali M., Decanini D., Chen Y. Geometric coercivity scaling in magnetic thin film antidot arrays // J. Magn. Magn. Mater. 2002. V. 242–245. P. 597–600.
  8. Vavassori P., Gubbiotti G., Zangani G., Yu C.T., Yin H., Jiang H., Mankey G.J. Lattice symmetry and magnetization reversal in micron-size antidot arrays in permalloy film // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. P. 7992.
  9. Heyderman L.J., Nolting F., Backes D., Czekaj S., Lopez-Diaz L., Kläui M., Rüdiger U., Vaz C.A.F., Bland J.A.C., Matelon R.J., Volkmann U.G., Fischer P. Magnetization reversal in cobalt antidot arrays // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 214429.
  10. Brigneti E.V., Ramos C.A., Ureña E.B., Pirota K., Vázquez M., Prieto P., Sanz J.M. Ferromagnetic resonance and magnetization in permalloy films with nanostructured antidot arrays of variable size // J. Magn. Magn. Mater. 2008. V. 320. P. 257.
  11. Paul D.I. General theory of the coercive force due to domain wall pinning // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. P. 2362.
  12. Barnard J.A., Fujiwara H., Inturi V.R., Jarratt J.D., Scharf T.W., Weston J.L. Nanostructured magnetic networks // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 69. P. 2758.
  13. Tripathy D., Vavassori P., Porro J.M., Adeyeye A.O., Singh N. Magnetization reversal and anisotropic magnetoresistance behavior in bicomponent antidot nanostructures // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. P. 042512.
  14. Suess D., Schrefl T., Fahler S., Kirschner M., Hrkac G., Dorfbauer F., Fidler J. Exchange spring media for perpendicular recording // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. P. 012504.
  15. Asti G., Ghidini M., Pellicelli R., Pernechele C., Solzi M., Albertini F., Casoli F., Fabbrici S., Pareti L. Magnetic phase diagram and demagnetization processes in perpendicular exchange-spring multilayer // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. P. 094406.
  16. Schmool D.S., Apolinario A., Casoli F., Albertini F. Ferromagnetic resonance study of Fe/FePt coupled films with perpendicular anisotropy // IEEE Trans. Magn. 2008. V. 44. P. 3087–3090.
  17. Navas D., Torrejon J., Béron F., Redondo C., Batallan F., Toperverg B.P., Devishvili A., Sierra B., Castaño F., Pirota K.R., Ross C.A. Magnetization reversal and exchange bias effects in hard/soft ferromagnetic bilayers with orthogonal anisotropies // New J. Phys. 2012. V. 14. P. 113001.
  18. Béron F., Kaidatzis A., Velo M.F., Arzuza L.C.C., Palmero E.M., del Real R.P., Niarchos D., Pirota K.R., García-Martín J.M. Nanometer Scale Hard/Soft Bilayer Magnetic Antidots // Nanoscale Res. Lett. 2016. V. 11. P. 86.
  19. Salaheldeen M., Nafady A., Abu-Dief A.M., Díaz Crespo R., Fernández-García M.P., Andrés J.P., López Antón R., Blanco J.A. Enhancement of Exchange Bias and Perpendicular Magnetic Anisotropy in CoO/Co Multilayer Thin Films by Tuning the Alumina Template Nanohole Size // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 2544.
  20. Belim S.V., Belim S.S., Tikhomirov I.V., Bychkov I.V. Computer Simulation of Phase Transitions in Thin Films with an Antidote Lattice // Coatings. 2022. V. 12. P. 1526.
  21. Belim S.V., Simakova S.S., Tikhomirov I.V. Effect of disorder on phase transitions in antidote lattice thin films: computer simulations // Letters Mater. 2023. V. 13(4). P. 304–307.
  22. Waldman M., Hagler A.T. New combining rules for rare gas van der Waals parameters // J. Comput. Chem. 1993. V. 14. P. 1077–1084.
  23. Binder K. Critical Properties from Monte-Carlo Coarse-Graining and Renormalization // Phys. Rev. Lett. 1981. V. 47. P. 693.
  24. Landau D.P., Binder K. Phase Diagrams and Multicritical Behavior of a Three-Dimensional Anisotropic Heisenberg Antiferromagnet // Phys. Rev. B. 1978. V. 17. P. 2328–2342.
  25. Babaev A.B., Murtazaev A.K. The tricritical point of the site-diluted three-dimensional 5-state Potts model // J. Magn. Magn. Mater. 2022. V. 563. P. 169864.
  26. Бабаев А.Б., Муртазаев А.К. Моделирование трехкомпонентной модели Поттса на гексагональной решетке методом Монте–Карло // ФММ. 2023. Т. 124(7). С. 577–583.
  27. Kulesh N.A., Vázquez M., Lepalovskij V.N., Vas’kovskiy V.O. Antidot patterned single and bilayer thin films based on ferrimagnetic Tb–Co alloy with perpendicular magnetic anisotropy // Nanotechnology 2018. V. 29(6). P. 065301.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Geometrical parameters of the system.

Download (11KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Binder cumulants for a bilayer film with layer thicknesses D1=8, D2=6 and antidot lattice period d=8: (a) for the entire bilayer film; (b) for the hard magnetic layer; (c) for the soft magnetic layer.

Download (45KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the phase transition temperature TC of a bilayer film on the lattice period of antidots. The red dotted line shows the temperature of a continuous film without an antidot lattice.

Download (11KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of magnetic susceptibility on temperature both for the film layers and for the bilayer film as a whole. (MH is the susceptibility graph for the hard magnetic layer; MS is the susceptibility graph for the soft magnetic layer; BL is the susceptibility graph for the bilayer film.)

Download (13KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Hysteresis loops for films with different thicknesses of the soft magnetic layer D2 and the ratio of exchange integrals R: (a) R=0.4; (b) R=0.8.

Download (30KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Hysteresis loops for films with different thicknesses of the soft magnetic layer D2, ratios of exchange integrals R and lattice period of antidots d: (a) R=0.4, a=2, d=4; (b) R=0.4, a=2, d=8; (c) R=0.8, a=2, d=16; (d) R=0.8, a=2, d=16.

Download (60KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the coercive force Hc on the ratio of the exchange integrals R for different thicknesses of the soft magnetic component D2 for a continuous film and a film with different lattice periods of antidots d: (a) continuous film; (b) d=16; (c) d=8; (d) d=4.

Download (64KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of the coercive force Hc on the ratio of exchange integrals R for films with a soft magnetic layer thickness D2=6 and different lattice periods of antidots d.

Download (17KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependence of the magnetization reversal energy Em on the ratio of exchange integrals R for different thicknesses of the soft magnetic component D2 for a continuous film and a film with different lattice periods of antidots d: (a) continuous film; (b) d=16; (c) d=8; (d) d=4.

Download (66KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Dependence of the magnetization reversal energy on the ratio of exchange integrals for D2=6 and different lattice periods of antidots.

Download (16KB)
Indexing metadata


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».