薄膜的磁学性质

薄膜的磁学性质

铁磁性(ferromagnetism)

一、自发磁化强度(spontaneousmagnetization)

铁磁晶体相邻两个原子之间存在着交换作用，致使它们的磁矩平行排列，在一定温度以下，热运动不足以破坏这种有序性。

物质铁磁性不仅是原子或离子磁性反映，更是晶体中相邻原子或离子之间相互作用的反映。

交换作用使铁磁质内部一定范围的原子或离子磁矩平行排列，无外磁场作用时，宏观体积内已具有一定的磁化强度，为铁磁质的自发磁化强度。不同的铁磁质具有不同的自发磁化强度。二、居里温度(Curietemperature)

温度超过某一临界温度时，交换作用不足以克服热运动作用，铁磁质自发磁化强度将消失。这个临界温度称为铁磁质的居里温度或居里点。

铁的居里温度是770℃,铁硅合金的690℃等。铁磁质处于居里温度以上铁磁性转变为顺磁性。

三、铁磁体内的磁畴(magneticdomain)结构

在无外磁场作用时自发分裂为很多小区域称为磁畴。每个小区域内原子或离子磁矩平行排列，而各磁畴取向平均抵消，能量最低，因而整个铁磁体对外不显示磁性。铁磁体将通过两种途径实现磁化。

磁场较低时，与外磁场方向相同或相近的磁畴体积将增大，与外磁场方向相反或夹角接近180的磁畴体积将缩小；磁场较高时，每个磁畴将作为一个整体转到外磁场方向。

如果磁化达到饱和后再撤除外磁场，铁磁体将重新分裂为很多磁畴，但每个磁畴状况和磁化强度取向，并不恢复到原先没加外磁场的情形。这就使铁磁质的磁化过程表现出不可逆性。磁畴的变化可用金相显微镜观测。四、磁滞现象(magnetichysteresis)

无外磁场作用时，如果铁磁体对外不显示磁性，即M=0，这时铁磁体所处的状态称为退磁状态。M纵坐标H横坐标坐标系中原点O表示退磁状态。

用Mr

表示剩余磁化强度；使铁磁体剩余磁化强度全部消失时所必须施加的反向磁场称为矫顽力，常用Hc

表示。MHMsMrO

饱和磁化强度用Ms

表示。基本磁化曲线，通常不是直线，铁磁体的磁化率m不是常量，是磁场强度H的函数。

随着磁场强度的变化，铁磁体的磁状态沿着一闭合曲线变化，此闭合曲线就称为磁滞回线。

参量B与H间的关系也表现为类似的闭合曲线。铁磁体磁化过程的这种不可逆性，称为磁滞现象。

铁磁材料具有不同形状的磁滞回线，具有不同的应用。

1.软磁材料：如硅钢、坡莫合金(一种铁镍合金)、锰锌铁氧体和镍锌铁氧体等。BHHc-Hc

特点：r大，易磁化、易退磁(起始磁化率大)，饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小(HdB面积小)。

作变压器，还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。

2.作永久磁铁的硬磁材料：碳钢、铝镍钴、稀土钴、钕铁硼和钡铁氧体等。矫顽力大(>102Am-1)剩磁大，磁滞回线的面积大，损耗大BHHc-Hc

3.作存储记忆元件的矩磁材料:

三氧化二铁或二氧化铬粉层、坡莫合金薄膜和锂锰铁氧体等。

Br=Bs

，Hc不大，磁滞回线是矩形。当正脉冲产生，H>Hc使磁芯呈+B态，负脉冲产生，H<–Hc使磁芯呈–B态，可作为二进制的两个态。

还用于磁电式电表中的永磁铁，耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。

计算机硬盘和软盘，录音、录像磁带等。

BHHc-Hc

5.磁屏蔽

用软磁材料（如坡莫合金）做成的闭合空腔，由于空腔的磁导率比外界大得多，绝大部分磁感线从空腔壁内通过，而不会有外磁场进入腔内，达到磁屏蔽的目的。把磁导率不同的磁介质放在磁场中，在介质交界面上磁场会发生突变，磁感应强度大小和方向都要发生变化而引起磁感线折射。这时磁感线对界面法线的偏离很大，产生强烈的收缩。

4.微波磁材料：在微波波段使用的铁磁材料，不仅磁滞回线狭小，而且还必须具有很高的电阻率，镍锌铁氧体和钇铁氧体属于此类。

磁畴磁畴：指在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。主畴：大而长，自发磁化方向沿晶体的易磁化方向。副畴：小而短，磁化方向不定。磁畴壁：相邻磁畴的界限。

畴壁是相邻两磁畴之间磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层。畴壁类型

按畴壁两侧磁矩方向的差别分：90度畴壁、180度畴壁180°90°90°两相邻畴的磁化方向相反两相邻畴的磁化方向垂直两个相邻磁畴的方向可能相差109°或71°等，这样的畴壁也称90°畴壁。SNNSNS（a）畴壁在杂质中心（b）畴壁在杂质附近杂质、气泡等的影响看出：畴壁在杂质中心时，退磁场能减小很多，同时畴壁面积减小，畴壁能降低。因此畴壁位于杂质中心时为最稳定状态，畴壁位移需要外磁场做功。所以，这种杂质和空隙越多，畴壁移动越困难，磁导率越小

按畴壁中磁矩转向的方式：布洛赫壁，奈尔壁

大块晶体材料内的畴壁属于布洛赫壁。在布洛赫壁中，磁矩的过渡方式是始终平行于畴壁平面，180°畴壁即为布洛赫壁。

极薄的磁性薄膜中存在奈尔壁。在奈尔壁中，磁矩围绕薄膜平面的法线改变方向，并且是平行于薄膜表面而逐步过渡的。薄膜的磁畴磁性薄膜的膜厚D较厚时，磁矩在畴壁平面内旋转，在畴壁内不产生磁荷，而表面磁荷的退磁场影响很小，称Bloch畴壁。但当膜厚很薄时，表面磁荷的退磁场就显重要，磁矩将在膜面内旋转，即在膜面不产生磁荷，而磁荷在畴壁中和两侧，称为Neel畴壁。

对Fe-Ni膜，D>100nm是Bloch畴壁,D<30nm是Neel畴壁，其中间是过渡态的十字壁。

理论上讲，D<12nm时，薄膜就是单畴，但由于膜内退磁场很难均匀，因此总会有磁畴产生。

磁泡畴

对于单轴各向异性材料的薄片或薄膜，如果加偏置磁场，可以使小圆柱性磁畴（直径在1～100μ范围）处于稳定状态，这种磁畴结构在显微镜下观察很像气泡，故称为磁泡。磁泡是在一些薄膜磁性材料中出现的一种圆柱形磁畴。无磁场作用磁场作用铁磁性各向异性1、磁晶各向异性铁单晶磁化曲线

在测量单晶铁磁性样品时发现沿不同晶向的磁化曲线不同。

其中有一个方向的磁化曲线最高，即最容易磁化。

在单晶体的不同晶向上，磁性能不同的性质，称为磁性的各向异性。

21.5%Fe-Ni合金磁化曲线2、退火产生的感生磁各向异性A：纵向磁场冷却B：冷却时无磁场C：在垂直或圆磁场中冷却3、轧制产生的感生磁各向异性

平行于轧制方向的磁化完全通过磁畴转动来实现，为线性磁化曲线。4、形状各向异性及退磁能

铁磁体的形状对磁性有重要影响沿长片状试样不同方向测得的磁化曲线形状各向异性

巨磁阻效应是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。巨磁阻效应一、合金磁头材料

含钼坡莫合金(4wt%Mo-17%Fe-Ni)磁芯材料：饱和磁化强度比铁氧体磁心材料高出很多，因而具有很好的写入特性。但耐磨性差，不能用于VTR等录像带运动速度很高的场合。电阻率较低，即使在中频下，由涡流造成的磁导率下降也十分显著，因此通常采用薄膜层叠结构。坡莫合金系磁心用薄膜现在主要用电镀、溅射镀膜等方法制作。

仙台斯特合金(Fe-9.6%Si-5.4%Al系)磁芯材料：导磁率与高镍的Fe-Ni合金相当，Hv达500，饱和磁感应强度约1T，电阻率110×10-8·m。该合金制备的磁头具有高的耐磨性和优良的高频特性。是四磁头录像技术中普遍应用的磁头材料。缺点是对合金成分的变化非常敏感，又硬又脆，难加工，使磁头价格昂贵。二、铁氧体磁头材料

以Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体为主，电阻率比大部分金属磁性材料至少要高3个数量级，因此损耗较低，可用在高频领域。硬度Hv达600～700，耐磨性高，主要用于制作录像机、数字磁带机、磁盘机和磁鼓的磁头铁心。饱和磁感应强度低，因此在提高记录密度方面有困难。目前应用最多最普遍的是多晶热压铁氧体，其最大缺点是磁头缝隙附近容易产生剥落，从而导致磁记录质量的下降。采用单晶和取向铁氧体抗剥落性得到显著改善，但增加了磁头制造工艺的难度。磁记录之主要磁头材料三、非晶态磁头材料晶体磁各向异性为零，由于不存在晶界及晶格缺陷引起的内应力，因此矫顽力很低。薄膜化可使涡流损耗变得很小，明显改善高频特性。已开发出耐磨性、耐腐蚀性均优良的实用型非晶态磁头材料，如Co-Nb-Zr（金属-金属系）、Co-Fe-Si（金属-非金属系）。四、微晶薄膜磁头材料典型的体系为[Fe-M(Nb,Ta,Zr,Hf,Ti,V等)-X(N,C,B)]，由溅射沉积法形成非晶态膜，而后加热形成微晶，通过晶粒微细化，达到磁致伸缩。通过添加X，来抑制晶粒生长，与上述M元素一起实现热稳定性，从而获得更大的饱和磁化强度，用其制作的磁头要比非晶材料更适合高矫顽力磁性介质的高密度特性。五、多层膜磁头材料将超薄膜周期性积层获得。以Fe-C/Ni-Fe多层膜为例，由于多层膜效应抑制了柱状晶生长（抑制了磁各向异性），微晶化实现了低磁致伸缩。Bs高达2T，Hc也很低，但耐热性差，在500℃热处理后晶粒长大，软磁性能变坏。六、磁电阻磁头材料因坡莫合金(Ni90Fe10)的磁各向异性小，磁电阻系数大，因此仍是沿用至今的MR磁头材料。高磁力高记录密度低噪声高可靠性1）饱和磁通密度（Bs）大2）矩形比(Br/B