磁晶各向异性

磁晶各向异性第一页，共二十三页，编辑于2023年，星期一主要内容：

感生磁各向异性12交换各向异性3内容回顾第二页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

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，此现象称为磁晶各向异性。晶体中原子排列的各向异性导致磁性的各向异性1.1磁晶各向异性：第三页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

1.2磁晶各向异性的宏观描述及磁化功

⑴宏观描述

单晶体：原子离子按同一方式有规则地周期性排列组成的固体。

多晶体：由许多取向不同的单晶体组成的固体。

⑵磁化功

定义：铁磁体磁化时所需要的磁化能。

沿铁磁晶体不同的晶轴方向上，磁化到饱和时所需要的磁化能不同第四页，共二十三页，编辑于2023年，星期一2.1感生磁各向异性的定义定义：许多铁磁性合金与铁氧体中，通过对磁体施以某种方向性处理的工艺，可以感生出磁各向异性。这类处理方式：磁场作用下的热处理、应力作用下的热处理及冷轧等。其中磁场热处理是强磁材料在温度下，处于外磁场中退火；退火目的是降低硬度；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形，消除组织缺陷。冷轧是指，经过连续冷变形而引起的冷作硬化使材料的强度、硬度上升、韧塑指标下降。

第五页，共二十三页，编辑于2023年，星期一2.2分类123生长感生磁向异性应力感生磁向异性磁场感生磁向异性第六页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

生长感生各向异性大多发生于磁性薄膜中，由于生长过程的特殊条件，使各个磁性离子沿着特定的方向形成有序化，导致呈现出生长感生各向异性。应力感生磁各向异性的出现是由于应力或形变通过磁弹性相互作用影响磁化强度的从优取向。第七页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

磁场感生磁各向异性，在大块磁体和磁性膜中都可以发生，特别是在具有较高电子迁移率的磁体中更容易实现。当磁体从高温冷却时，施加外磁场，使之影响磁矩的取向。如果磁体从高温急冷到常温，则有新的感生方向被凝结于外磁场方向，从而形成磁场感生磁各向异性，并且为单轴各向异性。第八页，共二十三页，编辑于2023年，星期一2.3感生磁各向异性的机理

按产生磁各向异性的根源，其机理可以归结为下面三种效应：⑴原子对方向性排列（方向有序）效应⑵逆磁致收缩效应⑶晶粒、晶粒边界的形状效应⑴原子对方向性排列效应，主要产生磁场感生各向异性或生长感生磁各向异性。如果是随机占位是无序态，如果分别占据1-Fe和2-Al位则是有序态。1221第九页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

我们用-合金来解释，假定铁镍合金中有各向异性分布的Ni-Ni,Fe-Fe和Ni-Fe原子对，而且Ni-Fe原子对的键长短。这样方向有序引起晶格畸变，通过磁弹性能产生感生各向异性。

无序完全有序方向有序第十页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

在这种产生感生磁各向异性的机理里，偶极子互相作用起着重要作用，以薄膜为例，其单轴各向异性能为：

式中为感生磁各向异性常数，为磁化强度和热处理外加强磁场方向的夹角。定义是与磁化平行的镍铁原子对中的一个与其他原子交换位置时发生的能量变化。

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现设镍的浓度很小（远远小于1），无序时就没有-近邻如图（a），若磁场热处理时，铁镍原子的位置互换如图(b)增加了一个铁铁对和一个镍镍对，同时减少了两个铁镍对。第十二页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

⑵逆磁致伸缩效应

是指磁性体在受到形变时将发生偶极子互作用能的变化和弹性能的变化，这两种能量的平衡又决定了磁致伸缩所产生的形变大小，所以磁体受到形变时将产生磁各向异性现象。

第十三页，共二十三页，编辑于2023年，星期一⑶晶粒、晶粒边界的形状效应

主要出现在析出型合金和一些特殊成膜工艺的磁性薄膜中。对于析出型合金，在磁场热处理过程中，析出粒子产生了择优长大，结果由于这种析出物的形状各向异性，导致产生了单轴磁各向异性。第十四页，共二十三页，编辑于2023年，星期一3交换各向异性3.1

定义

将强磁性的Co微粒表面进行微弱氧化，形成薄层CoO，由于Co是铁磁性的，而CoO是反铁磁性的，在Co和CoO界面就有交换作用，当磁场热处理后，由此引起交换各向异性（做成磁带，录音效果好）。

Maiklejohn与Bean发現，颗粒直径为10-100nm的轻微氧化的Co粉，在磁场下从室温冷却到770k时，表現出单向各向异性。这种各向异性，驱使磁化强度沿着冷却时所加的外场方向。

第十五页，共二十三页，编辑于2023年，星期一3.2对Co-CoO的热处理

CoO是反铁磁性，在冷却过程中，反铁磁自旋结构在奈尔点(低于室温)形成时，由于在外场作用下，表面处的Co2+的自旋与颗粒中Co的自旋必定平行排列。图(4.19)和(4.20)为样品的磁场热处理的磁滞回线和转矩曲线。热处理的条件是：从300K在磁场中冷却到77K。

H交换第十六页，共二十三页，编辑于2023年，星期一(4.19)在77K温度下，轻微氧化的Co粉的磁滞回线实线：磁场中冷却；虚线：无外场下冷却。

可以看出：

⑴磁滞回线发生了偏移；

这是因为Co粒子的磁化强度趋向于外磁场的正向，在反向磁化时，为了使磁化强度反转到负方向，必须在负方向施加一个额外的场，也就是交换各向异性产生的交换场。

第十七页，共二十三页，编辑于2023年，星期一⑵转矩曲线为形式。

这表明它是一种单向各向异性，不同于单轴各向异性—即自发磁化的稳定方向（或易磁化方向）平行于一特殊晶轴。其产生的各向异性能可

表示为：

Kd为交换各向异性常数，它取决于颗粒的总表面积。

(4.20)第十八页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

单向各向异性的转矩表达式是：

转动磁滞代表正反旋转磁场一周分别测量的转矩曲线所需要的能量之差。其表达式为：

其中为磁场H与磁化强度M的夹角，则转矩为：

3.3Co-CoO在磁场中的自由能第十九页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

Co-CoO在磁场中的自由能包括三部分：⑴Co的单轴磁晶各向异性能；⑵Co与CoO界面的单向各向异性能;⑶磁场能。其数学表达式为：

第二十页，共二十三页，编辑于2023年，星期一

磁滞回线上的矫顽力是由和来决定，根据上面各式，可以得到矫顽力的表达式：上式说明，磁滞回线沿磁场坐标轴向左边偏移了的大小，而是单轴磁晶各向异性的矫顽力，未经磁场热处理的Co-CoO，只有Co的单轴磁晶各向异性，它的磁滞回线形状，以坐标原点为中心是对称的。图4-19虚线所示。而对于经过磁场热处理的Co-CoO，由于交换各向异性的作用，致使磁滞回线发生偏移。

第二十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期一3.4交换各向异性的起源

右图(a)表示高于CoO的奈耳点以上温度时的情况，CoO的反铁磁结构不存在，只有Co的铁磁结构。图(b)表示在强磁场中进行热处理时的情况。当温度冷却到CoO的奈耳点以下时，则CoO形成反铁磁结构，同时，由于Co与CoO的介面上的交换作用，使CoO的原子磁矩成为平行与反平行于Co的原子磁矩的取向。图