磁性薄膜基础

会计学1磁性薄膜基础低维化的意义量子尺寸效应

特殊的性能任何物质的颗粒的大小达到纳米级时都会产生表面效应、小尺寸效应和量子效应。这就使纳米材料具有许多优异的性质同时许多宏观尺度上有效的规律、定理、方式、方法，在纳米世界都将不再适用，纳米技术使世界的面目焕然一新。与半导体工艺结合有利于器件的小型化

应用纳米技术可以大大减小电子器件、集成电路的体积．优化其性能第1页/共42页磁性材料薄膜化薄膜磁性的研究始于上世纪40年代到现各种大块材料都以其薄膜形态存在并表现出优异和独特的磁性，如各向同性磁电性，同时还出现人工设计的超晶格常称之为多层膜、三层膜、隧道结膜和基于磁电阻效应的磁电子学。磁性薄膜在磁记录和磁光存储技术方面已有广泛的应用。基于磁性薄膜的各种磁性传感器在各个领域都起着很大的作用。第2页/共42页薄膜可设计性由于薄膜材料性能受制备过程的影响，在制备过程中多数处于非平衡状态，因而可以在很大范围内改变薄膜材料的成分、结构，不受平衡状态时限制，所以人们可以制备出许多块体难以实现的材料以获得新的性能：可以在很大范围内将几种材料掺杂在一起得到均匀膜，而不必考虑是否会形成均匀相，这样就能较自由地改变薄膜的性能。根据需要可以得到单晶、多晶、和非晶的各种结构薄膜。通过沉积速率的控制可以容易得到成分不均匀分布的薄膜，如梯度膜等。还可以容易地将不同材料结合一起制成多层结构的薄膜。第3页/共42页磁性薄膜材料

厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料。一般在几纳米到几百纳米。

各种磁性材料几乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜材料。一般按材料性质分为金属和非金属磁膜材料；按材料组织状态分为非晶、多层调制和微晶磁膜材料。第4页/共42页磁性薄膜的一些特点在薄膜的厚度方向上只有一个磁畴，在静态条件下薄膜的磁化强度一般是在平面上。(有例外）薄膜平面上的退磁因子极小（约为10-3-10-5），而在垂直于薄膜的方向上却等于1。薄膜内无涡流产生，直到超高频频段都是如此。由于磁畴结构的特点，薄膜的本征铁磁谐振频率较之厚实的铁磁体大10-100倍，因此，在高频时薄膜仍保持甚大的磁导率。在脉冲和正弦交变磁场中，磁薄膜反复磁化极快且损耗很小。在许多磁薄膜平面上具有明显的磁各向异性；许多磁薄膜都有矩形磁滞回线。（可以设计和控制）第5页/共42页磁性薄膜的应用广泛应用于各个领域。第6页/共42页磁性薄膜的各向异性（一）按来源分磁晶各向异性形状各向异性诱发各向异性应力引起的各向异性交换各向异性（二）按特性分单轴各向异性单向各向异性体各向异性表面各向异性第7页/共42页磁晶各向异性

由材料的晶体结构引起

Fe(K1>0)Ni(K1<0)起因:电子的自旋-轨道耦合轨道与局域环境的相互作用(晶格场)非球形的原子轨道(Lz

0)and非球形分布的晶格场。第8页/共42页应力引起的各项异性磁致伸缩效应：在磁场的作用下，材料的尺寸发生改变。导致的原因是自旋-轨道与晶格场的相互作用.由于自旋-轨道的相互作用，使电子轨道放生畸变，从而引起了晶格的形变。

磁致伸缩的各向异性第9页/共42页

表面各向异性

在表面或者界面,晶格对称的破缺导致表面各向异性，其对称轴位于表面法线方向。当Ks>0,易轴沿表面法向，---易法向当Ks<0,难轴沿法相---易平面第10页/共42页诱发各向异性磁场退火配对有序化第11页/共42页交换各向异性1956年，IBM的MeiklejohnandBean发现铁磁薄膜与反铁磁薄膜的交换耦合作用

磁滞回线发生偏置（交换偏置）

Co/CoO第12页/共42页交换偏置的机理没抵消界面完全抵消界面一般认为要产生交换偏置必须反铁磁在界面磁距不完全抵消,完全抵消界面将不产生交换偏置。多晶界面由于有缺陷等使得自旋不完全抵消第13页/共42页交换偏置的实现交换耦合不一定能产生偏置

矫顽力增大在磁场中将薄膜在磁场中设定

方法：加温，温度T>TN

在磁场中冷却第14页/共42页体各向异性例子:

磁晶各向异性控制的等轴磁铁矿颗粒有四个易磁化轴，而不象单轴颗粒只有两个。易磁化轴与外加磁场之间的最大夹角为55。因此，没有通过原点的单个回线。xzyK1>0,K2=0K1<0,K2=0第15页/共42页单轴各向异性各向异性能量1)K1>0K2=0磁场沿易轴方向

此回线为具有单轴各向异性的单畴颗粒的回线回线与磁场方向的关系

易轴

u=K1sin2

+K2sin4

+...(更高阶向以般可以忽略)第16页/共42页K2≠0情形Easycone4)K1<0,K2>½|K1|EnergysurfaceEasyplane(=90o)3)K1<0,K2=0:u=-|K1|sin2

=+|K1|cos2

(+constant)与扁球体的形状各向异性类似.2)K1>0,K2>0:u=|K1|sin2

+|K2|sin4

第17页/共42页磁性薄膜中的各种能量交换能磁晶各向异性能磁弹性能静磁能（退磁场）塞曼能第18页/共42页交换能交换能的作用是让相邻的磁矩沿同一方向排列常数A用以量度交换作用的强弱第19页/共42页磁弹性能和塞曼能磁弹性能：依赖于M与晶体应力的相对方向；是极化率M与晶格间的弹性相互作用引起。塞曼能：M与外加磁场的相互作用能第20页/共42页退磁场HBMm=M-m=-Mm=0柱外: M=0,B=0H柱内: M=Mêz,Bz>0 Hz<0(but|Hz|<M)Hdemag=Hin

0asD/L0第21页/共42页静磁能由非均匀极化强度M造成的退极化场引起ΔN为退极化因子的差acc第22页/共42页磁畴形成的原因各种能量的竞争退磁场退磁场大减小退磁场和外场第23页/共42页磁畴与畴壁磁畴

磁矩同向排列的区域畴壁

两个相邻磁畴在磁矩改变方向前的过渡区域180º畴壁第24页/共42页畴壁与膜厚的关系厚膜中90oand180o

畴壁[100][010]zz/2往往在厚膜中产生第25页/共42页布鲁赫和奈尔畴壁BlochNéelabtmsNéelBloch第26页/共42页磁性薄膜的磁化过程连续反转单畴晶体或多畴晶体且易轴平行于畴壁，当磁场沿难轴方向时，有磁矩的转动，而沿易轴则未必。HH第27页/共42页连续反转对于单畴晶体，磁矩转动时连续的Hh1m1h1m1难轴:=/2第28页/共42页畴壁移动由磁畴扩大（b）及磁化矢量（c）引起的磁化过程，（a）是退磁状态下的磁畴分布（在下方的磁化曲线标明了对应的阶段）（a）（b）（c）HH可逆壁移不可逆壁移转向磁化abcOHsHBs磁畴壁完全消失第29页/共42页畴壁移动一维情况

180º畴壁

是否为畴壁移动，在于薄膜的厚度第30页/共42页稳定性磁性的弛豫现象在零场下，对于具有单轴各项异性的磁性粒子KV第31页/共42页超顺磁效应当测量时间~弛豫时间(Mr=0,Hc=0)E~kTln(f0t)Ift=100sec,thenE~25kTIft=10years,thenE~40kTMhasdoubleexponentialdependenceonKandV第32页/共42页矫顽力与时间的关系superparamagnetism第33页/共42页薄膜的制备方法薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛,制膜技术的发展也十分迅速。制膜方法—分为物理和化学方法两大类；具体方式上—分为干式、湿式和喷涂三种，而每种方式又可分成多种方法。

第34页/共42页电子束蒸发把被加热的物质放置在水冷坩锅中，利用电子束轰击其中很小一部分，使其熔化蒸发，而其余部分在坩锅的冷却作用下处于很低的温度。第35页/共42页化学沉积方法化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的气态反应剂的蒸汽及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应，并把固体产物沉积到