磁性材料与半导体功能材料

第四讲磁性材料与半导体材料简介4.1.1磁性材料概述具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为硬磁、半硬磁、软磁材料三种。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。4.1磁性材料★磁性材料的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防相人类生活的各个领域。据统计1994年全球磁性材料产量约650一750万吨。产值100亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值2美元。全球磁性材料需求量每年以l0％一25%速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺不断涌现。是最活跃的材料领域之一。4.1.2软磁材料矫顽力低(Hci≤100A／m)、磁导率高的磁性材料称为软磁材料。软磁材料的磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。它主要应用于制造发电机和电动机的定子和转子；变压器、电感器、电抗器、继电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与磁介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯、极头与极靴；磁路的导磁体等。它是电机工程、无线电、通讯、计算机、家用电器和高新技术领域的重要功能材料。（续）现有软磁材料若按磁特性可分为高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等；若按材料的成分，可分为电工纯铁、Fe—Si合金、Ni—Fe合金、Fe—A1合金(包括Fe—Si—Al合金)和Fe—Co合金等；也可分为晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。（1）电工纯铁和低碳电工钢电工纯铁和低碳电工钢是普遍应用的软磁材料。主要应用于直流电机和电磁铁铁芯、极头、继电器铁芯、永久磁路中导磁体和磁屏蔽、间隙工作电机和小型电机等。作为磁性材料大量应用的纯铁是工业纯铁。由于其电阻率低，故主要应用在直流磁化的场合。通常工业纯铁要求其碳的质量分数小于0.02—0.04％，而杂质的总质量分数可达0.2％—0.5％。不同牌号的纯铁，其中杂质含量是不一样的。很纯的铁，不易大量生产，价格很贵。a）电工纯铁工业纯铁可以用作合金原料。也可用作软磁材料。作为软磁材料应用时称为电工纯铁，是一种含铁量95％以上的软钢。这时要求没有磁时效，为此应使铁中含C及N量极低，因为它们是造成磁时效的根源。在纯铁中加入少量A1及Ti，可和C、N形成化合物以降低时效。获得高性能的电工纯铁，主要通过两种途径，一是去除杂质，二是控制晶粒取向。它在平炉中进行冶炼时，用氧化渣除占碳、硅、锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，出钢时在钢包中加入脱氧剂而得。通过仔细控制加工和热处理工艺，可以使磁性能得到极大的改善。

我国工业生产的纯铁可分为3类，一类是合金原料纯铁，有2个牌号，即DT1和DT2；另一类是电磁铁用纯铁，有4个牌号．即DT3、DT4、DT5及DT6、其中DT4、DT6是无磁时效的牌号；再一类是电子管用纯铁，即DT7和DT8。*b）铁铝合金*铁铝合金成本低，应用范围很广。含铝量在16％以下时，便可以热轧成扳材或带材；含铝量在5-6％以上时，合金冷轧较困难。铁铝合金同其它金属软磁合金相比，具有如下特点：(1)电阻率高；(2)高的硬度和耐磨性；(3)比重小，可减轻铁芯自重；(4)对应力不敏感。一般软磁合金对应力最为敏感，铁铝合金是例外；(5)时效，材料使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化；(6)温度稳定性，可采用低温退火后淬火处理，也可以在50-150℃下保温10-20h—人工时效来改善其温度稳定性。美国材料试验协会(ASTM)的电工硅钢片的应用及磁性能（2）铁镍合金和铁铝合金a）铁镍合金铁镍合金主要是含镍量为30％-90％的铁镍合金，通常称坡莫合金。铁镍合金由Fe、Ni、Mo、Cr、Cu等元素组成。铁镍合金有很高的起始磁导率μi和最大磁导率μm，电阻率在50μΩ·cm左右，Bs较低；随着组分的不同、铁镍合金可能分为铁镍二元合金，铁镍三元或多元合金等。二元合金中如果添加Mo、Cr、Cu、V一类元素，可以减慢从无序相到有序相转变的过程；如果添加Mn、Si、Ge等元素，则可使合金的长程有序度几乎保持不变。*铁镍合金广泛应用在电讯工业仪表、电子计算机、控制系统等领域中。根据合金组分的不同，能够用来制作小功率电力变压器、微电机、继电器、互感器、磁调制器等等。（3）非晶态合金非晶态合金与常用的其它晶态软磁材料（如硅钢片）相比，磁导率高，电阻大，损耗小，从长远来看，用非晶态合金代替硅钢片制作变压器铁芯前景十分可观；但就目前的情况看，仍存在许多问题：（1）温度对磁的不稳定性影响比较大，尤其当开始出现结晶时，矫顽力增加．铁损及磁导率也随之变化；（2）非晶态软磁合金的高磁导率性能只停留在铁镍合金水平上；（3）非晶软磁合金作为电力设备铁芯使用时，不能制出很宽的薄板，批量生产成本高，饱和磁感应强度比硅钢低。5类典型软磁材料性能特点和应用范围4.1.3硬磁材料硬磁材料也称为永磁材料。是指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料。它也是人类最早发现和应用的磁性材料。表征硬磁材料性能的主要参数是剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc和最大磁能积（BH）max．三者愈高，硬磁材料性能越好。由此引起这类材料具有大的磁滞损耗。硬磁材料主要用于制造永久磁铁。①铸造硬磁合金；②可变形硬磁合金；③稀土硬磁合金；④硬磁铁氧体；⑤粘结磁体等。硬磁材料可分成以下几类：铸造硬磁合金指铸造的A1—Ni—co和A1—Ni—Co—Ti系等合金，是一种应用广泛、高磁能积、高矫顽力的合金。其特点是质脆而硬．只能通过铸造(或粉末冶金)成形和磨削加工成磁体，其(BH)max从8—80kJ／m3。

由于六、七十年代永磁铁氧体和稀土永磁合金的迅速发展，铝镍钴合金开始被取代，产量自七十年代以来明显下降。但在对永磁体稳定性要求较高的许多应用中，铝镍钴系永磁合金往往是最佳选择。铝镍钴合金被广泛用于电机器件上，如发电机，电动机，继电器和磁电机；以及电子行业中的扬声器，行波管，电话耳机和受话器等。

a）铸造硬磁合金

b）可变形硬磁合金可变形硬磁合金包括含碳（或钨、铬、钴）的磁钢，Fe—Cr—Co系合金，Fe—Co—V系合金，Pt—Co(Pt—Fe)系合金，Mn—Al—C系合金，Cu—Ni—Fe(或Cu—Ni—Co)系合金等。这类磁性合金在淬火态具有可塑性，可以进行各种机械加工。合金的矫顽力是通过塑性变形和时效(回火)硬化后得到的。可用于电话机、转速表、扬声器、空间滤波器、陀螺仪、防盗标记、微型电机和录音机磁性零件的制备等。c）稀土永磁材料稀土永磁材料是稀土元素(用R表示)与过渡族金属Fe，Co，Cu，Zr等或非金属元素B，C，N等组成的金属间化合物。是一种高能积、高剩磁、高矫顽力的材科。钐钴合金和钕铁硼合金性能d）其他永磁材料近年来，微晶永磁体和纳米晶稀土永磁体的研制受到较大重视。

①微晶永磁体。其基本原理是在冷却过程中出现部分晶粒来不及成长就被凝固在金属液体中，或者把制成的非晶态通过控制晶化或使之出现新平衡相实现磁硬化。这样获得的永磁薄带，不仅机械性能好，而且热处理后可得到良好的磁性能；

②纳米晶稀土永磁体。即晶粒呈纳米量级，常泛指1—100nm范围，纳米级粉料的矫顽力比通常粉末冶金粉料高6—8倍，而且又有较好的热稳定性和耐腐蚀性。不同永磁材料的主要用途4.1.4磁记录材料磁记录发展至今，已有百年的历史、它广泛应用于录音、录像技术；计算机中的数据存贮、处理、科学研究的各个领域；军事及日常生活中。（1）磁头材料磁头的基本结构如右图所示，由带缝隙的铁芯、线圈、屏蔽壳等部分组成。*对磁头材料的基本性能要求：①高的磁导率；②高的饱和磁感应强度Bs；③低的Br和Hc；④高的电阻率和耐磨性。目前，磁头铁芯材料主要有合金材料、铁氧体材料、非晶态合金材料、薄膜材料等几类。

（2）磁记录介质材料磁记录介质材料的发展是磁记录技术发展的要求。随着记录密度迅速提高，对记录介质的要求也越来越高。对制做记录介质的磁性材料（磁粉及磁性薄膜）提出以下要求：1）剩余磁感应强度Br高；2）矫顽力从适当的高；3）磁滞回线接近矩形，Hc附近的磁导率尽量高；4）磁层均匀，厚度适当，记录密度越高，磁层愈薄；5）磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态；6）磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应；7）基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应；8）磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形成磁路闭合的粒子集团。*目前使用的磁记录介质有磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片等。从结构上看又可分为磁粉涂布型介质和连续薄膜型介质两大类。一般来说，磁粉涂布型介质有利于水平记录模式，而垂直记录宜采用薄膜介质。a）

颗粒（磁粉）涂布型介质：这类磁记录介质是将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜（涤纶）基体上制成，磁粉主要有γ—Fe2O3磁粉、包钴的γ—Fe2O3磁粉、CrO2磁粉、钡铁氧体磁粉、金属磁粉等几类。纯铁的饱和磁化强度大约为氧化铁的四倍，从理论上说是理想的磁记录材料。其缺点是稳定性差，易氧化。通常采用合金化或有机膜保护的方法控制表面氧化，但这种方法会使磁粉的磁化强度降低。b）连续薄膜型磁记录介质:研究表明，为提高记录密度，要求磁记录介质减小磁层厚度，增大矫顽力，同时保持适当的Br；提高磁特性和其它性能的均匀性及稳定性。连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，所以剩余磁感应强度及矫顽力比颗粒涂布型介质高很多，是磁记录介质发展的重要方向。制备连续薄膜型磁记录介质的方法有两种：湿法（或称化学法，如电镀及化学镀）和干法（或称物理法，如溅射法、真空蒸饺法及离子喷镀法等）。4.2半导体材料

4.2.1半导体材料的概念物质按其导电的难易程度可以分为三大类：导体、半导体和绝缘体。半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，数值一般在10-4~1010Ω·cm范围内，但是单从电阻率的数值上来区分是不充分的。半导体的电阻率还具有以下一些特性：加入微量的杂质、光照、外加电场、磁场、压力以及外界环境（温度、湿度、气氛）改变或轻微改变晶格缺陷的密度都可能使电阻率改变若干数量级。因此人们通常把电阻率在10-4~1010Ω·cm范围内，并对外界因素，如电场、磁场、光、温度、压力及周围环境气氛非常敏感的材料称为半导体材料。4.2.2半导体材料的分类元素半导体结晶态半导体化合物半导体无机半导体固溶体半导体半导体非晶态半导体有机半导体半导体材料的分类1）

元素半导体在元素周期表中介于金属和非金属之间具有半导体性质的元素有十二种，但是其中具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优良持性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。2）二元化合物半导体它们由两种元素组成，而且种类很多，主要有III—V族化合物半导体、II—VI族化台物半导体、IV—VI族化合物半导体、II—IV族化合物半导体、铅化物及氧化物半导体等。二元化合物半导体有许多为元素半导体所不具有的性质，开辟了应用的新领域。

III—V族半导体主要由III族元素Al，Ga，In与V族元素P，As，Sb所组成，应用最广的是GaAs，还有GaP，InP等已成为微波、光电器件的基础材料，人们可以根据要求来选择不同的III—V族材料。

II—VI族半导体主要指由II族元素Zn，Cd，Hg和VI族元素S，Se，Te所组成，主要用来制作微光电器件，红外器件和光电池，在国防上有重要用途。3）三元化合物半导体以A1GaAs和GaAsP为代表的三元化合物半导体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；此外AgSbTe2是良好的温差电材料；CdCr2Se4，MgCr

2S4是磁性半导体材料；SrTiO3是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它