磁性材料和器件

磁性材料和器件第八章：磁学基础及器件应用，基本的磁物理量和磁现象；软磁材料与变压器，硬磁材料与永磁体，直流马达；磁性材料在数据存储中的应用磁矩磁化强度磁感应强度1，磁介质基本公式第一节磁学基础磁极化强度：磁化率CGS单位换算因子SI单位BG10-4BTHOe103/HAm-1MG103MAm-1磁矩emu1Am2麦克斯韦Mx10－8Wb2，磁学单位制3，磁测量振动样品磁强计（VSM）超导磁强计（SQUID）测量精度最高可到（10-10G）原理：约瑟夫逊效应心磁，脑磁大约在10－15～10－9T的量级Dc-SQUID霍尔磁强计（nT)霍尔电压：原理：霍尔效应4，物质磁性（宏观表现）物质的磁性主要分为：铁磁，反铁磁，亚铁磁，抗磁，顺磁。例：Fe，Co，Ni，FeSi，NiFe,CoFe，SmCo,NdFeB

铁磁磁化曲线磁有序都对应一个临界温度，铁磁和亚铁磁性消失的温度称为居里温度，使反铁磁性消失的点称为奈尔温度。居里温度居里－外斯定律亚铁磁磁化曲线例：各类铁氧体尖晶石结构：Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4石榴石结构：A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)磁铅石结构：BaFe12O19,PbFe12O19,SrFe12O19,钙钛矿结构：LaFeO3,Ms-T反铁磁磁化曲线例：一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物：

FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,

FeS,MnS顺磁磁化曲线例：过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa,

含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,

碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba抗磁来源：电子的回旋运动磁化曲线例：稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe

多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au,

不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr,

不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4

等几乎所有的有机化合物和生物组织（人体的组成元素中氧为顺磁性，其余为抗磁性）。M-H超顺磁性5微观机制Fe实际3d轨道上有电子7.88,4s轨道上只有0.12个不成对的为5－2.88＝2.12个3d层电子结构原子磁矩因为3d电子有巡游性，绕特定轨道运动的特性表现不明显，所以轨道磁矩对宏观磁矩的贡献很小，原子磁矩主要来自自旋磁矩Slater-paulingcurve原子饱和磁矩MBFe，Co，Ni的朗德因子g分别为1.93，1.92，1.871,交换相互作用相邻原子磁矩间的直接相互作用纯量子力学效应磁相互作用例：Fe,Co,Ni3d轨道不成对电子间的相互作用交换相互作用能为正，相邻自旋同向排列能量最低系统的磁哈密顿量(海森堡模型）交换相互作用能为负，相邻自旋反向排列能量较低阻挫2超交换相互作用例：铁氧体Fe3O4O2－八面体Fe3+（B）四面体Fe2+（A）反铁磁，亚铁磁多由超交换相互作用引起Fe2+

可以被（MnNi等）代替O2－可以被S，Se代替超交换相互作用示意图3RKKY相互作用局域磁矩通过传导电子所产生的间接交换相互作用特点：振荡，长程，R较大时随衰减4偶极相互作用磁性材料中，格点j处的自旋在i格点产生的偶极场是体系的哈密顿量为分子磁体Mn12分子结构图Mn12分子磁体的M－H曲线能级图磁晶各项异性能磁晶各项异性：磁化曲线的形状和晶体的晶轴方向有关磁晶各项异性可能来源各向异性交换作用：自旋磁矩和轨道磁矩之间有相互作用，自旋方向的改变会改变轨道的取向，从而改变交换相互作用偶极相互作用两个平行磁矩之间的相互作用能为磁晶各项异型能对于六角晶体对于体心立方晶体单轴晶体：只有一个易磁化轴的晶体K1，K2为立方磁体磁各向异性常数铁单晶（体心立方）易磁化轴是<100>,难磁化轴是<111>镍单晶（面心立方）易磁化轴是<111>,难磁化轴是<100>钴单晶(六角）易磁化轴是<0001>,难磁化轴是<1010>易轴<100><110><111>K1,K2关系K1>1K1>-K2/90>K1>-4K2/9K1,<0,K1<-4K2/9Or0<K1<-K2/9晶体结构K1/Ku1(103Jcm-3)K2/Ku2(104ergcm-3)Fe立方48.112Ni立方-5.48-2.47Co六角412143Nd-Fe-B四方5000660坡莫合金立方0.70-1.7易轴条件磁畴和畴壁6，介观磁结构在铁磁，亚铁磁材料中，因为静磁能，磁畴是必然要出现的在磁性材料中决定磁畴结构的主要有静磁能Ums,磁壁中的交换能Uex和磁各向异性能Ua，磁弹性能。例：对于单轴晶体内180o畴壁单位面积畴壁中增加的总交换能在磁壁中主要考虑交换能Uex和磁各向异性能Ua相邻格点i,j之间，增加的交换能总能量密度单位面积上的磁晶各项异性能当时，能量密度取极小值此时在测量材料磁化曲线前可以通过交流退磁；热退磁等方法，使材料退磁。初始磁化曲线初始磁导率：零场附近的磁导率；第二节软磁和硬磁材料最大磁导率1，主要磁性材料参数相对磁导率复数磁导率磁导率矫顽力HC：M=0时对应的磁场；磁滞回线（M－H，或者B－H回线）饱和磁化强度：Ms剩磁：H=0时对应的磁感应强度Br=u0Mr；磁损耗磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积涡流损耗稳定性被磁化的非闭合磁体将在磁体两端产生磁荷，会在磁性体内部产生磁场，其方向和磁化强度方向相反，有减弱磁化的作用，我们称这一磁场为退磁场。

若磁性体磁化是均匀的，则退磁场也是均匀的，可以表示为：如果磁性体内部磁化不均匀，还将产生体磁荷N仅与磁体形状有关，细长棒N～0，扁平盘N～1，球体N＝1/3

退磁能：2,软磁材料（高磁导率材料）要求：快速响应外磁场变化，在很低的损耗下获得高磁通密度高磁导率（初始磁导率，最大磁导率），低矫顽力，低损耗，较高的饱和极化强度，低磁滞损耗，高电阻率，低磁致伸缩系数，低各向异性通常矫顽力在10-1~102Am-1的量级常见用途：电动机，发电机，变压器，继电器，磁记录常见软磁材料纯Fe结构：室温为体心立方（α铁），高温（1184K以上）为面心立方（γ铁），高压下为六角密排（ε铁）。铁中碳含量对μmax和Hc

的影响C，Cu，Mn，Si

，N，O，S等杂质含量的提高都会降低纯铁的软磁性能。主要是杂质作为畴壁的钉扎点，提高了磁畴翻转所需能量，其他类型的缺陷有类似作用。电工软铁（纯铁）一般用在继电器，小型发电机中提高软磁性能一般原则：增大晶粒，减少杂质，降低内应力合金合金化的好处：提高电阻，减少铁损；降低磁各向异性系数和磁致伸缩系数。合金化的不利之处：降低饱和磁通密度软磁合金按照新添加元素所处的位置可分为：替位式和填隙式固溶体合金前者的例子有硅钢和坡莫合金，后者如碳钢当畴壁运动是Hc的决定因素时当原子磁矩是Hc的决定因素时分子上的常数分别是磁致伸缩系数，内应力，畴壁宽度K为各向异性常数软磁材料的初始磁导率表征弹性应变的参数硅钢硅的质量分数在1.5%～4.5%掺硅的作用：增加最大磁导率，增加电阻率，降低矫顽力特点：最大磁导率和饱和磁感应强度较大，矫顽力和磁滞损耗较低，便宜用途：继电器，变压器，发电机，电动机的磁芯（大功率软磁材料）坡莫合金（FeNi合金）用途：磁屏蔽，磁头，继电器等

45%～50%，具有1.6T的最大饱和磁极化强度。

35%～40%，具有最高的电阻率，镍含量40%时，ρ=60μΩ.cm。坡莫合金：铁镍合金，镍量在35％～90％

50%～65%，有最高的居里温度。

70%～81%，具有最高的磁导率，矫完力可到0.5Am-1

。性能与镍含量有很大关系纳米晶软磁材料，各项指标全面占优非金非晶材料处于亚稳态，其结构为长程无序，短程有序，无晶粒边界，位错，各向异性非晶磁性材料磁导率高，矫顽力低，电阻高，涡流损耗小。制备方法：气相急冷（冷底板气相沉积）；液相急冷（甩带）；缺陷导入（离子注入）等。非晶软磁分类：过渡金属（Fe，Co，Ni）－非金属（B，C，Si

，P等）；过渡金属（Fe，Co，Ni）－金属（Ti,Zr,Nb,Ta等）；过渡金属（Fe，Co）－稀土（Gd，Tb，Dy

，Nd等）；铁氧体（MO·Fe2O3

：MnFe

2O4，MgFe2O4…）晶系立方晶系铁氧体分类六方晶系统尖晶石型MFe2O4(M=Fe,Ni,Zn)石榴石型RFe2O12(R为稀土元素)钙钛矿型RFeO3(R为稀土元素)MFe12O19M＝Ba

，Sr

，Pb

对称性低，各向异性强，硬磁材料对称性高，磁性最软电阻高，涡流损耗小，多用于高频（通讯用线圈1K～1M，高频变压器～300K，磁头等。尖晶石结构O2－八面体位四面体位以MnFe2O4为例：Mn2+占据八面体位，Fe3+一半占据四面体位，一半占据八面体位，Mn2+

和Fe3+皆有磁矩，通过超交换相互作用，形成反平行的自旋（亚铁磁），八面体位和四面体位的Fe3+

相互抵消，剩下Mn2+产生净磁矩。一个晶胞中有八个MFe2O4，有8个四面体位，16个八面体位如果正二价的无磁矩的金属例子（Zn2+）占据四面体位，Fe3+占据八面体位，则只有铁离子间的交换相互作用，结果为顺磁。要求：有高的矫顽力，剩磁，最大磁能积最大磁能积：（BH）maxFe:Js＝2.15T，但HcJ=0.8kA/m,

3硬磁材料主要硬磁材料：稀土永磁材料：SmCo5,Sm2Co17Nd2Fe14B…..过渡族元素合金永磁材料：FeCrCo

，MnBi…..铁氧体永磁材料：BaFe

12O19，SrFe

12O19合金永磁材料：Al-Ni-Co,Al-Ni-Fe为了使易磁化轴方向一致，合金在磁场中进行热处理，铁氧体和稀土永磁材料的磁粉在磁场中压制成型。高矫顽力的获得原则1，畴壁钉扎如果磁矩翻转是通过畴壁的移动实现的，增加体内缺陷，掺杂，或者做成混相，使畴壁不能自由移动，2，增加各向异性单畴的（晶粒足够小），磁晶各向异性和形状各向异性越大，矫顽力越大合金永磁材料：（MK钢）Al-Ni-Co,Al-Ni-Fe形状各向异性：由于磁体大小有限，除球形外，反磁场系数将不同，所以伴随磁矩方向的变化，静磁能将变化静磁能Al-Ni-Fe是有磁性的Fe或者FeCo相和无磁性的NiAl相的混相。其高矫顽力主要来自磁性相的形状各向异性。铁氧体永磁材料：MO·xFe2O3(M=Ba,Sr)BaFe

12O19，SrFe

12O19制作方法：Ba

，Sr

，Pb的氧化物和Fe2O3混和烧结六方晶体系Ba2+(Fe3+)2(O2－)4

Ba2+

无磁性，Fe3+之间通过氧离子超交换稀土永磁材料：SmCo5,Sm2Co17，Nd2Fe14B…..第一代稀土永磁体SmCo5（1－5型）稀土元素R（Sm,Nd,Pr)与过渡金属TM（Co，Fe）所形成的一类高性能永磁体。YCo5CeCo5PrCo5SmCo5Js/T1.0600.8701.1200.950K/(MJ.m-3)5.5～7.3～8.0～9.5Tc/K9737379121020（BH)max

kJ/m3224150249179无4f电子分子结构比较复杂，为六方结构的堆砌，稀土4f电子和Co的3d电子,对磁性都有贡献制作方法：烧结第二代稀土永磁体Sm2Co17（2－17型）最大磁能积：（BH）max～200－240kJ/m3,Fe代替Co，可提高Js,各向异性系数降低，居里点降低（～300K）和第一代相比，减少了Sm的含量，提高了最大磁能积第三代稀土永磁体Nd-Fe-B制造方法：烧结，超急冷（甩带）粘结永磁体：将永磁体粉末与树脂等混和加压成型合金熔炼－粉碎－磁场中压缩成形－烧结（1100度）－热处理Nd

2Fe14B（T1相，磁性）Nd

1.1Fe4B4（T2相，非磁性）Nd-Fe-B烧结磁体主要由主相Nd

2Fe14B决定Tc，饱和磁化强度等Nd-Fe-B烧结过程正方结构，空间群P42/pm，晶格常数a=0.882nm,c=1.224nm,单轴各向异性，c轴为易磁化轴。一个晶胞由四个Nd2Fe14B分子组成

68个原子，分布在9个晶位

Fe原子占六个晶位(16k1、16k2、8j1、8j2、4e、4c)，

B原子占一个晶位（4g）。

4e,16k1位的Fe围成三棱柱以及中间的Nd、B面构成基本骨架，起到偶合上下层Fe原子的作用这对主相的原子交换作用、居里温度以及其他内禀磁性有决定性影响。Nd

2Fe14B相性质

Nd原子占两个晶位（4f、4g），

R2Fe14B的分子磁矩由稀土R原子和Fe原子共同决定；所以一般采用轻稀土元素，例如Pr、Nd、Sm

等，只有在需要提高材料的各向异性和矫顽力时，才添加少量的重稀土元素，例如Dy、Tb等。

Nd2Fe14B中的Nd原子平均磁矩为2.0

、Fe原子平均磁矩为2.2

。Nd2Fe14B的分子磁矩室温时为34.8

饱和磁极化强度取决于分子磁矩和磁体密度，也随温度变化，在所有R2Fe14B合金中，Nd2Fe14B的分子磁矩和饱和磁极化强度最高室温值为1.61T。Nd2Fe14B分子磁矩排在Gd之前的轻稀土元素，原子总磁矩（j=l－s

），与Fe的原子磁矩取向相同，为铁磁性，分子磁矩等于Fe原子和稀土R原子磁矩之和，饱和磁化强度高；

Gd之后的重稀土元素，原子总磁矩（j=l＋s）与Fe原子磁矩取向相反,为亚铁磁性。分子磁矩等于Fe原子和稀土R原子磁矩之差，饱和磁化强度低；

R2Fe14B中存在三种磁性原子之间的交换作用，即R-R、T-T、R-T交换作用。由于R原子磁矩源于4f电子，4f电子壳层比较靠内半径比原子间距小一个数量级，所以R-R相互作用比较弱，T-T相互作用最强，则R2Fe14B的居里温度Tc由

Pr2Fe14B，Sm2Fe14B，Gd2Fe14B的居里温度分别为565K,616K，650K，居里温度随远离Gd向轻、重稀土元素改变都呈降低趋势变化。用Co替代Fe构成Nd2Co14B，居里温度可高达985K。确定，att，atr

和art

分别是T-T、R-T交换作用能

Nd2Fe14B的居里温度Tc由不同晶位上的Fe-Fe,Fe-Nd原子对的交换相互作用确定。其中距离大于0.25纳米的Fe原子对有27对，交换相互作用为正，距离小于0.25纳米的原子对有15对交换相互作用为负，部分抵消，使其居里温度比较低（583K）Nd2Fe14B居里温度

R2Fe14B的各向异性是由R亚点阵和Fe亚点阵共同贡献的，由于R原子的存在，Fe亚点阵的各向异性比纯Fe的各向异性大许多,所以各向异性主要是由于沿c轴方向Fe原子分布的不对称、不均匀引起的。

虽然Nd-Fe-B硬磁性相为Nd2Fe14B，但若按Nd2Fe14B成分配料，得到的磁体硬磁性能很低，通常需要适当增加Nd和B的含量（2～3at%），才能得到性能高的磁体。为获得高的饱和磁化强度，需要在满足富Nd间隔相的要求、保证矫顽力足够高的前提下，尽量提高铁磁性相分数，使之接近2∶14∶1相的成分比，可取为R：T：B＝12.8：80.7：6.5。Nd2Fe14B各向异性Nd-Fe-B成分配比

高矫顽力Nd-Fe-B磁体的理想晶粒微结构应当是：主相晶粒结构均匀，无杂质，无缺陷，尺寸集中在3～5微米；主相晶粒之间被富Nd相薄层间隔，隔断交换耦合相互作用；晶粒形状为球状或椭球状，边界完整、光滑，不存在尖锐的角、棱和突起，以降低有效退磁因子，提高矫顽力。

晶粒微结构缺陷和晶粒之间的相互作用是限制其性能的主要因素替代和掺杂的作用

Dy,Tb代替Nb使晶粒细化，粒度均匀；掺杂Cu,Al,Ga,Sn等易溶元素,形成非磁性晶界相，可抑制主相晶粒长大，减小晶粒结构缺陷，限制晶粒间的相互作用；富Nb相易被腐蚀，替代和掺杂可以提高抗腐蚀性；提高Nd2Fe14B性能的途径磁记录原理用磁介质的磁化方向或者磁化翻转来表示0，1第三节磁记录材料磁记录介质材料要求：饱和磁感应强度要大；矫顽力在磁头允许范围内尽量大；一个信息单元要尽可能的小；

磁学特性要分布均匀；表面光滑，耐磨，对加压，加热反应不敏感；生产工艺：磁粉涂布和制备磁性薄膜磁性薄膜的制备方法：电子束蒸发（磁带），磁控溅射（磁盘），分子束外延垂直磁各向异性产生的机制水平记录介质因为退磁效应限制了存储密度按照磁矩的方向分为：水平记录，垂直记录柱状晶粒引起的形状各向异性；界面磁各向异性；金属超晶格（～埃）中会产生垂直各向异性（机制不明）晶体磁各向异性。金属多层膜；如Fe—Pt、Co—Pd多层膜垂直磁记录介质主要有：Co—Cr合金系列垂直磁化膜；

有CoCrPt，CoCrPtTa，CoCrPtNb和CoCrPtB等Co—Cr合金磁盘结构Co-Cr基合金－氧化物颗粒介质（SiO2）；非晶膜FeCoB;体系其中Cr比较容易从晶粒中析出，聚集在晶粒的边界形成富Cr边界，从而可以降低晶粒之间耦合相互作用；Ta的存在有助于Cr的析出；Pt的添加可以增高磁性各向异性；B比Cr

更容易在晶粒边界析出，可以有效降低晶粒之间的耦合相互作用磁头水平磁记录垂直磁记录电磁感应式磁头磁头材料磁头材料的要求:高导磁率，高饱和磁化强度，低矫顽力，高电阻率材料主要有：合金（坡莫合金，饱和磁化强度高，不耐磨，电阻率低）铁氧体（Mn－Zn、Ni－Zn铁氧体，电阻高，耐磨，受环境影响小）非晶（Co-Nb-Zr、Co-Fe-B-Si,各向异性小，高电阻，高磁导率）微晶（Fe–Ta-C,饱和磁化强度较高)多层膜（Fe–C/Ni-Fe，可抑制柱状晶化）磁阻效应：外加磁场使物质电阻发生变化的现象电流方向平行于外场时在磁场的电子受到洛伦兹力尔偏转或着螺旋运动，使电阻升高（2%以内）磁致电阻效应（MR）磁头反常磁阻效应：对于铁磁体（坡莫合金）磁场和电流垂直时，电阻相对无外场时下降。AMR磁头玻莫合金的饱和AMR~3%，饱和场Hs~10Oe，S可达0.3%/Oe。S=MR/Hs多层膜结构中的巨磁阻（Fe/Cr多层膜磁阻50%）巨磁阻效应零场时铁磁层反平行排列~3nm～1nmACBFe/Ag,Fe/Mo,Co/Al,Co/Cu,Fe/Cu,FeNi/Cu多层膜结构中都有巨磁阻效应出现巨磁阻的条件：2超晶格的周期比载流子平均自由程短（Cu～34nm)；1磁化状态在外场下可变；3电子自旋向上和向下时，在磁性原子上的散射差别比较大GMR对非磁性隔离层厚度敏感，机制金属中传导电子，分为自旋向上和自旋向下的两部分，电子自旋与原子磁矩相同时，受到的散射小，相反时受到的散射大自旋阀自旋阀结构示意图有两种方式实现自旋阀：铁磁层1和2厚度不同（或材料不同）导致两层的翻转场（开关场）不同；自由层+钉扎层，钉扎层的磁化方向被相邻反铁磁层AF的交换耦合钉扎，不易转动。自旋阀原理自旋阀磁头Co/Cu多层膜室温下GMR第一峰值60-80%，饱和场1Tesla，其磁场传感灵敏度S=MR/Hs，低于0.01%/Oe，小于AMR的玻莫合金低场下的灵敏度隧道型磁阻(TMR)（Fe/Al2O3/Fe磁阻18%）机制锰氧化物磁阻CMR（磁阻变化可以到几个量级）低温下Mn离子之间通过氧离子进行超交换相互作用，导致面内铁磁，面间反铁磁排列，La3+被Ca2+

取代后，在材料中引入空穴,掺杂增加，电导上升。Bi0.4Ca0.6MnO3

庞磁阻材料随着温度的降低会出现有金属绝缘体相变，同时有发生顺磁到铁磁的相变随着空穴的增加体系会发生反铁磁绝缘体到铁磁绝缘体再到铁磁金属的相变低温下庞磁阻特点薄膜样品，单晶，多晶样品上都存在；