功能材料概论

1、功能材料概论功能材料概论17.4磁性薄膜17.4.1 磁性膜的基本性质 饱和磁化强度M，是膜厚L和温度T的函数，在三维情况下，Ms（T）服从T二分之三次方的关系，而当L=30nm以下时，随L的减少，又T二分之三次方关系转变为T的关系。由此推断，随着膜厚L的减少，屋里温度Tc也会降低。 铁磁性薄膜具有单轴磁各向异性，并由此产生矩形磁化曲线和磁滞回线。由于薄膜中所特有的内应力分布，认为磁滞伸缩是诱发产生垂直磁各向异性的原因。 铁磁体中加有磁场时，电阻率正比于磁场强度平方。称为正常磁阻效应；另外电阻率会随磁化强度的不同而变化，这种现象为异常磁阻效应。磁性薄膜的各向异性磁阻效应可用于磁头、磁泡检测、磁

2、场检测用磁传感器等。17.4.2 单晶态磁性薄膜 磁性单晶膜可利用外延法来制备。在离子型晶体或金属单晶体的结晶面上可通过真空度法进行外延，要求基体的温度必须在外延温度以上。 在NaCL单晶解理面（100）上制备NI单晶膜，其各向异性常数K1的值具有各向异性。在MgO(100)解理面上，NI的K1值随基体温度增加而增加。K1越大表明完全单晶化程度越高。-Fe膜是特殊单晶膜，通常的Fe是体心立方体晶体结构，面心立方的-Fe 仅存在于块状的合金。但是如果在Cu单晶体上，使外延单晶Fe膜尽可能薄，也可获得-Fe膜，当膜厚为2nm以下时，是-Fe（100）/Cu（100），利用磁矩仪测出的K1值，表明膜

3、层为铁磁性的。实验表明，在不同衬底面上，所得磁性薄膜性能不同。在Cu(100)面上生成反铁磁性膜，在Cu（100）与（111）面上，室温时为铁磁性的。 非晶态膜的制作方法分电镀、电解、蒸镀、溅射等。可以利用电镀、电解方法制备Co-P膜、Ni-P膜、Co-Ni-P膜等非晶膜。由溅射法制备的软磁膜属于金属-非金属系、金属-金属系或金属、非金属的一方或双方都由几种成分构成的多成分系统，由Fe，Co，Ni和Si，B,C等组成的金属-非金属系，其铁磁性金属的饱和磁化随非磁性元素的添加量而成比例降低。对于金属-金属系，除去两组元都是铁磁性的情况，上述规律也基本成立。为获得非晶态膜，大多数情况下需要添加金属

4、的量比需要添加非金属的量要下。因此为达到高饱和磁化强度，应尽量采用金属-金属系。另一方面，为获得低矫顽力、高磁导率，要求膜层的磁致伸缩要小。17.4.3 非晶态磁性薄膜 非晶态软磁膜具有不存在晶态学磁各向异性，以及不存在由晶粒边界引起的磁畴壁钉扎等优点，而且与熔融金属急冷非晶薄带相比，具有下述优点：（1）组成范围比冷急薄带宽；（2）厚度可以做到数微米以下（3）对形状的限制比较小。17.4.4 磁泡 当外加磁场增加到某一程度时，磁性晶体的一些磁畴便缩成圆柱状，其磁化强度与磁场方向相反，在外磁场作用下可以移动，像一群浮在模面上得水泡，称为磁泡。磁性材料薄膜在外磁场作用下产生的圆柱形稳定磁化区域，其

5、磁化方向垂直于薄膜材料的平面。磁泡是30年来在磁学领域中发展起来的一个新概念。一般情况下。一个铁磁体总要分成很多小区域，在同一个小区域中磁化矢量方向是相同的，这样的小区域称为磁畴。相邻两个磁畴的磁化矢量方向总是不同的。1932年Bloch建立畴壁概念。他指出在两个磁畴的分界面处，磁化矢量方向的变化不是突然由一个磁畴的方向变到另一个磁畴的方向。而是在一个小的范围内逐渐的变化过去的。磁畴和磁畴之间过渡区成为畴壁。 磁泡是在磁学薄膜中形成的一种圆柱状的磁畴。在未加外磁畴上时，薄膜中的磁畴呈迷宫状，由一些明暗相间的条状畴构成，两者面积大体相等。明畴中的磁化方向是垂直于膜面向下的，而暗畴中的磁化方向是垂

6、直于膜面向上的。在垂直于膜面向下的方向加一外磁场Hb,随Hb增大，明畴的面积逐渐增大，暗畴的面积逐渐减小，部分暗畴变成一段一段的段畴，。当Hb增加到某一值时。段畴缩成圆形的磁畴，这些图形的磁畴看起来很像是一些泡泡，故称为磁泡。 从垂直于膜面的方向来看，磁泡是圆形的。单实际上磁泡是圆柱形的。在磁泡区域中磁化方向和Hb相反。如增加Hb，则磁泡的直径将随Hb的增大而减小。Hb增加到某一数值时，磁泡会突然消失。 在形成磁泡以后，如果保持Hb不变，则磁泡是很稳定的，即已经形成的磁泡不会自发的消失。没有磁泡的区域部会自发的形成新的磁泡。在磁性薄膜的某一位置上“有磁泡”和“没有磁泡”是两个稳定的物理状态，可

7、以用来存贮二进制的数字信息，用磁泡来存贮信息的技术称为磁泡技术。 磁泡材料种类很多。但不是任何一种磁性材料都能形成磁泡。磁泡只能在自发磁化垂直于膜面的材料中形成。而且要使缺陷尽量少，透明度尽量高，磁泡的迁移速度要快，材料的化学稳定性、机械性能要好。满足这些要求的材料有六万铁氧体（MeFe12O9）、氟化铁（FeF3）、硼酸铁（FeBO3）和尖晶石（MeFe2O4）、稀土正铁酸盐和稀土石榴石，其中Me为Ba，Ca，Sr和Pb。l 磁泡材料只要通过外延法生长出单晶薄膜。液相外延法是使溶解有析晶物质的饱和和溶液于保持稍低温度的晶种基片相接触来生长单晶薄膜的方法。用液相外延法已生长出Eu2.0Er1.0Ga0.7Fe4.3O12和Eu1.0Er2.0Ga0.7Fe4.3O12等稀土石榴石薄膜单晶，质量较好，磁性缺陷密度仅为2个缺陷/厘米。 气相外延法是以稀土何铁的卤化物做原料。首先在高温下将其变为气体，然后通过氧化沉积到基片上长出Y3Fe12O19，Gd3Fe5O12，Y1.5Gd1.5Fe5O12等石榴石单晶薄膜的方法。目前用这种方法已生长出等石榴石单晶薄膜。该方法工艺简单。沉积速度快，是生长磁泡薄膜的好方法。17.4.5 磁性薄膜的应用 磁记录是用磁带或磁