第3-2讲+磁性-磁畴与技术磁化

1、自发磁化磁畴: 在未加外磁场时,铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域.自发磁化:在未加外磁场时,铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向的现象.磁畴磁畴铁磁性材料所以能使磁化强度显著增大，在于其中存在着磁畴（Domain）结构 在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规的，因而在整体上净磁化强度为零每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴。不同的磁畴方向不同，两磁畴间的区域就称为磁畴壁 。MFM: NG-HD TopographyMFM PhaseBit size: 15030nm表面形貌图表面磁力图为什么会产生自发磁化?自发磁化:在未加外磁场时,铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向的现

2、象.“交换”作用: 直接交换作用：金属磁性材料超交换作用：氧化物在某些材料中过渡金属离子不是直接接触，直接接触交换作用很小，只有通过中间负离子氧起作用。在尖晶石结构中实际上存在A-A，B-B，A-B三种可能位置.因而存在三种交换作用。由于各种原因，这些化合物中只有其中的一种超交换作用占优势。产生铁磁性条件 铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。产生铁磁性条件： (1).有固有磁矩(未满电子壳层); (2) .原子磁矩之间有相互作用,且Rab/r 3，即一定的点阵结构。 Rab: 原子间距; r :未满电子壳层半径.交换作用能: Eex = -AS1S2 = -Acos; A0时，自发平行

3、排列； A0时，反平行排列。原子间距离太远，表现孤立原子特性 原子间距离适当时，a原子核将吸引b原子的外囲电子，同样b原子核将吸引b原子的外囲电子。原子间电子密度增加。电子间产生交换作用，或者说a、b原子的电子进行交换是等同的，自旋平行时能量最小。铁磁耦合 a.b原子核外电子因库仑相互作用相互排斥，在原子中间电子密度减少。 原子间距离再近，这种交换作用使自旋反平行，a、b原子的电子共用一个电子轨道，抅成反铁磁耦合铁磁性的起源-直接交换相互作用ab(1)(2)rabb(2)a(1)ababab( 分子场 )铁磁相互作用实验事实：铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温度以下原子磁矩间的相互作用能

4、大于热振动能，显现铁磁性。 这个相互作用是什么？首先要估计这个相互作用有多强。铁的原子磁矩为2.2MB=2.2x1.17x10-29，居里温度为103度，而热运动能kT=1.38x10-23x103。假定这个作用等同一个磁场的作用，设为Hm，那么 2.2MBxHmkT Hm109Am-1(107Oe) 序言：在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能。实际上在磁性材料中，自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向，该方向称为易轴。当施加外场时，磁化强度才能从易轴方向转出，此现

5、象称为磁晶各向异性。一、磁晶各向异性100110111由磁化曲线和M坐标轴之间所包围的面积确定。我们称这部分与磁化方向有关的自由能为磁晶各向异性能。显然易磁化方向磁晶各向异性能最小，难磁化方向最大。而沿不同晶轴方向的磁化功之差就是代表不要方向的磁晶各向异性能之差。磁化过程中的磁化功。由于磁晶各向异性的存在，如果没有其它因素的影响，显然自发磁化在磁畴中的取向不是任意的，而是在磁晶各向异性能最小的各个易磁化方向上。2. 磁晶各向异性能的表示磁晶各向异性能磁晶各向异性大的适于作永磁材料，小的适于软磁材料。材料制备中人工地使晶粒的易磁化方向排在一特定方向以提高该方向磁性能。(如硅钢片生产工艺上的冷扎退

6、化，铝镍钴生产中的定向浇铸(柱晶取向)和磁场中热处理，磁场成型等都是利用磁晶各向异性。立方晶系晶体磁晶各向异性能：室温下：铁K1= 4.2104 J/m3 ; Co K1= 41104 J/m3 ; Ni K1= -0.34104 J/m3 ; 图中看到当100方向为易磁化轴和111方向为易磁化轴的各向异性能的空间分布状况。磁晶各向异性能磁晶各向异性大的适于作永磁材料，小的适于软磁材料。材料制备中人工地使晶粒的易磁化方向排在一特定方向以提高该方向磁性能。(如硅钢片生产工艺上的冷扎退化，铝镍钴生产中的定向浇铸(柱晶取向)和磁场中热处理，磁场成型等都是利用磁晶各向异性。立方晶系晶体磁晶各向异性能：

7、室温下：Fe: K1= 4.2104 J/m3 ; Ni: K1= -0.34104 J/m3 ; 六角晶系晶体磁晶各向异性能：EK=Ku1sin2+KU2sin2+ Co KU1=41104 J/m3 ; 产生磁晶各向异性的来源比较复杂，一直在研究之中。目前普遍认为和自旋-轨道耦合与晶场效应有关。经过多年研究，局域电子的磁晶各向异性理论已经趋于成熟，目前有两种模型：单离子模型和双离子模型。主要适合于解释铁氧体和稀土金属的磁晶各向异性。而以能带论为基础用于解释过渡族金属的巡游电子磁晶各向异性理论进展迟缓，尚不完备。（见姜书P221-228） 下面介绍 Kittel 的一种简明解释：由于自旋-轨

8、道耦合作用使非球对称的电子云分布随自旋取向而变化，因而导致了波函数的交迭程度不同，产生了各向异性的交换作用，使其在晶体的不同方向上能量不同。5. 磁晶各向异性的机理：磁晶各向异性机理的一种简明解释见Kittelp240 磁晶各向异性是由自发磁化强度和晶格之间的相互作用产生的，因而自发磁化强度的温度关系将导致磁晶各向异性的温度变化。实际上磁晶各向异性对温度的依赖性比自发磁化强度对温度的依赖强的多。在材料中局域自旋的方向余弦( 1,2,3 )并不同于总自发磁化强度的方向余弦( 1,2,3 )，它们的差别随温度的升高而增加。温度为T的立方各向异性为：在 为所有自旋簇的角函数的平均值，在 ，角函数的幂

9、越高，函数 随着温度升高降得越快。根据对次幂函数的精确计算得到对于单轴各向异性 n=2对于立方各向异性 n=4此外，晶格的热膨胀，磁性原子电子态的热激发，化合价态的温度依赖性等，都会影响磁各向异性。见姜书p220-2216. 磁晶各向异性常数的温度依赖性特别注意符号的改变！1、磁退火效应： 在外磁场下将磁性材料进行加热或退火，即可获得磁场退火效应。对Fe-Ni合金可以覌察到这种效应。曲线A和C是经过磁场退火处理，A是平行于磁场方向的磁化曲线，C是垂直方向磁化曲线，B是没有经过磁场热处理的磁化曲线。从曲线C的平均磁化率，估计感生的单轴各向异性常数为 1x102Jm-3 。 在Fe-Ni合金系中，

10、富镍相(21.5wtFe)有高导磁率，称坡莫合金。磁场退火行为很特殊，即只有高温下淬火，才能得到高磁导率。解释其机理：( 1 )超晶格的形成，即有序相的产生。有序-无序转变温度大约4900C面心角上磁感生磁各向异性2、轧制磁各向异性 恒磁导率铁镍钴合金，成分为50Fe-50Ni，首先经过强冷轧，然后再结晶产生(001)100的晶体织构，最后再次冷轧，厚度减少50。这样制成的片材，呈现出大的单轴磁各向异性，其易轴位于轧制面内，但垂直于轧制方向。平行于冷轧方向磁化完全通过磁畴转动末实现，从而导致线性磁化曲线。 轧制磁各向异性的大小，要比磁场退火产生的大50倍。其机理，近角提出滑移感生各向异性。一般

11、发生弹性形变时，晶体的一部分会沿着某个特定的晶面和晶向相对于另一部分滑移，这个特定的晶面和晶向，称为滑移面和滑移方向。例如A3B型超晶格中，通过滑移面出现了许多BB原子对，未滑移的部分没有BB对，故BB对的分布构成了各向异性，即方向有序。易轴 一、退磁场 当铁磁体由于磁化，在表面具有面磁极( 荷 )或体磁极( 荷 )时，在铁磁体内将产生与磁化强度方向相反的退磁场 Hd 。若磁性体磁化是均匀的，则退磁场也是均匀的，且与磁化强度成比例而方向相反，因此：N 称作退磁因子，它的大小与M无关，只依赖于样品的几何形状及所选取的坐标，一般情况下它是一个二阶张量。 二.形状各向异性+-+- 均匀磁化的磁性体中

12、有效磁场Heff与外磁场Hex、退磁场Hd三者关系：HexMHd 二.形状各向异性旋转椭球形状样品的磁化是均匀的，我们选取坐标系与椭球的主轴重合，则退磁场的三个分量可以表示为： 如果磁性体不是椭球形状，即使在均匀外场中，磁化也是不均匀的，这时退磁场的大小和方向随位置而变，很难用退磁因子来表示。在CGS单位值中旋转椭球的极限情况： 显然，磁性体在磁化过程中，也将受到自身退磁场的作用，产生退磁场能，它是在磁化强度逐步增加的过程中逐步积累起来的，单位体积内对于均匀材料制成的椭球样品，容易得出;N 是磁化方向的退磁因子。对于非球形样品，沿不同方向磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随磁化方

13、向的变化，通常也称形状各向异性能。退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。退磁场能铁磁体的形状各向异性及退磁能铁磁体被磁化后产生的退磁场强度：Hd = -NM; 其中N为几何退磁因子，M为磁化强度，负号表示退磁场与M反向。退磁能： 退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。退磁场对样品磁性能的影响是明显的：有退磁场是曲线倾斜 所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁场的数值，材料性能的实际测量中必须尽量克服退磁场的影响。 利用形状各向异性的一个典型例子就是AlNiCo5永磁合金。该合金除了Fe以外，含有Al,Ni和Co 。在13000C以上是体心立方

14、结构的均匀固溶体，但在9000C以下，脱溶成两相。通过磁场冷却，感生出一种易轴平行于冷却时所加磁场方向的各向异性。由电镜照片看到针状脱溶物，针状相是含较多Fe和Co的强铁磁相，基体是含较多Al和Ni的弱磁相。其中Is与Is分别为基体和析出相的饱和磁化强度，为析出颗粒的体积分数，Nz是单个弧立析出粒子沿长轴方向的退磁因子。这种脱溶称为斯皮诺答尔( spinodal )分解。多孔阳极氧化铝(AAO) 2um x 2um2um x 2um500nm x 500nm 铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。由磁致伸缩导致的形变l / l 一般比较小，其范围在10-510-6之间。虽然磁

15、致伸缩引起的形变比较小，但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中，仍是一个很重要的因素。 应变l /l 随外磁场增加而变化，最终达到饱和 。产生这种行为的原因是材料中磁畴在外场作用下的变化过程。每个磁畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发的形变e 。且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致样品整体上的形变。式中：e 为磁化饱和时的形变， 覌察方向(测试方向)与磁化强度方向之间的夹角。H四、磁致伸缩磁致伸缩效应L/L(106)-3030045坡莫合金FeCoNiL/L0-100-110111B/(Wb/m)12Fe Single Crystal磁致伸缩效应的应用磁致伸缩效应：利用在交变磁场作用下的伸

16、与缩，可制成超声波发生器和接收器，以及力，速度，加速度等传感器，延迟线，滤波器，温频器和磁声存储器等。在另一方面，磁致伸缩要小：变压器，镇流器等。在所受应力时的磁弹性能：E = (3/2)s sin2; 磁畴与技术磁化磁性物理的基础 二、磁畴的形成三、技术磁化四、动态磁化过程一、磁畴的覌察磁畴三、磁畴的覌察1、磁畴结构的观察的历史和粉纹法 1907年，Weiss首先假设磁畴存在：铁块之间不能吸引。 1919年巴克豪森发现铁磁材料的磁化过程：巴克豪森效应。坡莫合金丝，C2处成核，畴壁位移。 1931年Bitter用胶体中的铁磁性颗粒放在已抛光的铁磁晶体表面，用反射金相光学显微镜观察到磁性粒子不均

17、匀分布而描绘出磁畴的形状。 随着颗粒悬浮液的改进，铁磁颗粒集聚在畴壁附近，因而可以清楚的观察到磁畴，称为毕特粉纹法。2、磁光方法 磁光效应，例如克尔效应和法拉第效应都可用来观察磁畴结构。克尔效应是指光线从磁性材料表面反射时其偏振平面发生旋转的现象。如图b所示，两个磁畴中磁化强度垂直样品表面但方向相反，反射出的光的偏振面的旋转方向相反，如果调整检偏振镜使某一方向的磁畴反射光通过量最大，则另一方向的磁畴就会变暗。 法拉第效应，是光在通过样品传播时，偏振面发生旋转的现象。此方法要求铁磁样品能透过光，如铁石榴石单晶样品。4、磁力显微镜MFM AFM针尖在与样品表面接触时，相互作用力主要是短程的原子间排

18、斥力，而将针尖离开样品表面一段距离时，磁力、静电力及吸引的范德华力等长程作用力就能被检测出来。MFM的工作原理同非接触模式的AFM相似，只是MFM采用的是磁性针尖；而且操作时，针尖与样品表面间距要比AFM非接触模式中的间距(520nm)大，一般为10200nm。当振动的针尖接近磁性样品时，针尖与样品所产生的漏磁场相互作用而感受到磁力。 实际操作时，首先探针同样品表面接触，进行第一次扫描，获得表面形貌信息，然后抬高探针到100nm左右进行第二次扫描，测磁力信息。用表面形貌信息对磁力信息进行修正，获得真实的磁力图信息。Topographic AFM imageMagnetic MFM imageM

19、ultiwalled carbon nanotube shows no magnetic contrast on CuMFM of nanotube on CuFerrite(Cr,Mo)-Austenite(N,Ni) Alloy40um x 40um 40um x 40um TopographyMFM Phase实验室设备 原子力/磁力显微镜（瑞士Nanosurf公司）高真空快速退火炉（北京东之星公司） 实验研究方法第十五届全国磁学会议实验设备： 磁控溅射仪热处理设备：快速退火炉（RTP）表征手段：XRD 晶体结构FE-SEM 截面形貌VSM 磁滞回线AFM & MFM 形貌与磁畴瑞士Na

20、nosurf公司原子力显微镜RTP-500 快速退火炉 AFM & MFM(a) 2D AFM (b) 3D AFM 第十五届全国磁学会议第十五届全国磁学会议 基底温度效应（a） Ts = 310 C（b） Ts = 25 C第十五届全国磁学会议 溅射气压影响第十五届全国磁学会议振动样品磁强计JGP600型多功能磁控溅射仪 在铁磁体中，交换作用使晶体自发磁化，磁化强度的方向沿着晶体内的易磁化轴，这样就使铁磁晶体内交换作用能和磁晶各向异性能都达到极小值。但因晶体有一定的大小与形状，整个晶体均匀磁化的结果，必然产生磁极，磁极的退磁场增加了退磁能(1/2)NMS2。 一、磁畴的形成 例如对一个单轴各

21、向异性的钴单晶。( a )图是整个晶体均匀磁化，退磁场能最大( 如果设Ms103高斯，则退磁能106尔格/厘米3 )。从能量的覌点出发，分为两个或四个平行反向的自发磁化的区域( b ),( C )可以大大减少退磁能。 如果分为n个区域(即n个磁畴)，能量约可减少1/n，但是两个相邻的磁畴间的畴壁的存在，又增加了一部分畴壁能。因此自发磁化区域(磁畴)的形成不可能是无限的，而是畴壁能与退磁场能的和为极小值为条件。 形成如图d，e的封闭畴将进一步降低退磁能，但是封闭畴中的磁化强度方向垂直单轴各向异性方向，因此将增加各向异性能。单轴晶体内磁畴的形成( e )( d )N S N S S N S NN

22、N S SS S N NN N N N S S S S( a )( c )( b )磁畴的形成是能量最低原理的结果退磁能(减小表面自由磁极) ；磁弹性能(减少磁畴尺寸) ；畴壁能(包括磁晶各向异性能，磁弹性能)畴壁数量减少。N S N S S N S NN N S SS S N NN N N N S S S S( a )( c )( b ) ( e )( d ) 1 技术磁化过程的一般描述 2 疇壁移动磁化过程 3 磁化矢量转动磁化过程 4 多晶体在强磁场中的磁化曲线 5 反磁化过程 6 交变磁场下的磁化过程三、技术磁化 本章研究已经自发磁化后的强磁材料在外磁场中的行为，与磁性材料的应用密切相

23、关，重点在于从磁化机理上寻找出控制、改善和提高磁性材料性能的途径。The magnetic domain change by the external magnetic field generator(MFM) Single CrystalTopography MFM image Magnetic field Generator 270G 170G 0G H0，M0H0，M0 因此技术磁化过程存在着三种途径：畴壁移动过程；磁化矢量转动过程； 顺磁磁化过程。技术磁化讨论的是前两个过程。原子磁矩的扇形转向移动示意图施加磁场后，畴壁两旁的磁畴在磁场中的能量出现差异：畴壁自然右移以降低系统能量，移动距

24、离到产生的磁化强度带来的退磁场和外磁场相等为止。畴壁上的压强180Bloch畴壁的位移：低于居里温度，形成自发磁化的小区域磁畴。为了降低退磁能，磁畴磁化矢量不同取向，总磁化强度为零，处于退磁状态。施加磁场后，磁畴结构发生变化，在磁场方向出现磁化强度。铁磁体的磁化过程金属磁性材料在低场下一般是畴壁移动为主，高场下才发生磁化矢量的转动过程。氧化物磁性材料畴壁移动的阻力较大，在低磁场范围就会发生磁化矢量转动过程。 样品从退磁状态开始，外加磁场从零一直加到磁化强度达到饱和 Is的磁化过程。退磁状态是指样品没有宏覌磁化强度，所以磁化曲线是从I -H座标原点O开始。为了使样品处在退磁状态，通常採用零场下，

25、样品从居里温度以上，逐渐降温到室温；用交流退磁的方法。( 1 )起始或可逆区域：( 4 )趋近饱和区域：磁化曲线缓慢地升高，最后趋近一水平线(技术饱和)， 这一段过程具有比较普遍的規律性，称为趋近饱和定律(对于多晶铁磁体)。( 5 )顺磁区域-技术饱和以上的区域。高场磁化率p。HIxaopQ12345或a或 a称为起始磁化率或起始磁导率。( 2 )瑞利( Rayleigh )区域：或( 3 )最大磁化率区域：磁化强度M和磁感应强度B急剧地增加，磁化率和磁导率经过其最大值m 或m，在这个区域产生巴克豪生跳跃。技术磁化过程，包括畴壁位移和磁畴磁化强度的转动两个过程。1、起始磁化曲线：畴壁位移磁化强

26、度的转动 Ms可以理解为该温度下的自发磁化强度抗磁性物质磁化曲线顺磁性物质磁化曲线2.磁化曲线：反映材料特性的基本曲线，从中可以得到标志材料的参量：饱和磁化强度Ms、起始磁化率 和最大磁化率不可逆磁化的特征：巴克毫生跳跃 1919年巴克豪森发现铁磁材料的磁化过程，是分成许多小的不连续步骤进行。此现象称为巴克豪森效应。饱和磁感应强度剩余磁感应强度矫顽力最大磁导率起始磁导率磁化曲线磁滞迴线退磁曲线饱和磁化后去掉磁场，再加反向磁场磁化到饱和，如此反复形成了饱和磁滞迴线，它的形状决定了磁性材料的一些应用参数数值。磁化的不可逆过程是磁滞迴线出现的根本原因。反磁化过程：反磁化过程的宏观描述是磁滞回线。研究各种磁滞回线的成因是研究反磁化过程的任务。一般铁磁体在弱场范围内的磁化过程主要是畴壁的位移过程。实际铁磁晶体内总是存在晶格缺陷、杂貭和某种形式分布的内应力，结构的这种不均匀产生了对畴壁位移的阻力，使起始磁化率降低，而且使畴壁位移过程有了可逆和不可逆的区别。分析影响畴壁可逆移动和不可逆移动的原因，找出提高起始磁化率的途径是本节的任务。由于180和 90壁影响因素稍有不同，我们分别进行讨论。疇壁移动磁化过程F从180 壁的位移模型分析 由畴壁位移产生不可逆磁化的唯像说明。出现 Barkhausen 跳跃的原因。 无磁场时，1800畴壁的平衡位置 x0 应在自由能极