第二章磁性材料

第二章各种固体材料及其应用之磁功能材料

磁学量定义以及基本理论各种磁功能材料的介绍各种磁功能器件的介绍磁学量的定义以及基本理论磁极：永磁体有两个磁极，N极和S极。同性相斥,异性相吸。两个距离为r，磁极强度分别为m1和m2的磁极间的相互作用力为:为真空磁导率磁矩：一个圆电流的磁矩定义为M=iS,式中i是电流强度，S是圆电流回线包围的面积。其方向可由右手定则来确定。磁化强度M:一个宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为——磁化强度M:磁感应强度B：在外磁场作用下，物质内部原子磁矩呈现出一定的有序排列，相当于产生一个附加的磁场。物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度B。J为磁极化强度。磁化率：=M/H磁导率：

=B/H原子磁性宏观物质的磁性来源于原子的磁性，原子磁性包括原子核外电子的磁性和原子核的磁性，但原子核磁矩仅为电子磁矩的1／1836.5，所以原子磁矩主要来源于电子磁矩。孤立状态下原子磁矩：电子除了围绕原子核作轨道运动外，还作自旋运动。原子磁矩是电子轨道磁矩和自旋磁矩的总和。根据量子力学的结果，3d过渡族金属和4f稀土金属的原子磁矩为：

J=gJ

B[J(J+1)]1/2,其中gJ称为朗德因子，J为原子总角动量量子数，L为原子总轨道量子数，S为原子总自旋量子数，

B

为Bohr磁矩。(2)晶体中的原子磁矩：过渡金属的情况：孤立原子的磁矩>>晶体中原子的磁矩原因：孤立原子组成金属后，4s电子公有化，3d电子层成为最外层电子。在晶格点阵上的离子处于周围近邻离子产生的晶体场(称为晶场)中。在晶场的作用下，晶体中原子3d电子轨道磁矩被晶场固定了，不随外磁场转动（轨道“冻结”），对原子磁矩无贡献。金属原子主要由电子的自旋磁矩来贡献。稀土金属的情况：孤立原子的磁矩

晶体中原子的磁矩原因：晶体中4f电子壳层被外层的5s和5p电子壳层所屏蔽，晶场对4f电子轨道磁矩的作用甚弱或者没有作用，所以4f金属的电子轨道磁矩和自旋磁矩对原子都有贡献。

过渡金属（3d电子的影响）稀土元素小资料：什么是稀土？稀土就是化学元素周期表中镧系元素：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素：钪(Sc）和钇(Y）共17种元素，称为稀土元素(RareEarth）。稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。轻稀土（又称铈组）包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。重稀土（又称钇组）包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。固体磁性

通过磁化率的测量，发现大多数物质的磁化率都远小于1，一般为10-7~10-5,这些物质被称为弱磁性物质。其中磁化率为正的，称为顺磁性物质，如钠、铝、氧气等；磁化率为负的，称为抗磁性物质，如铜、铋、大多数有机材料和生物材料。少数物质的磁化率远大于1，如铁、镍和四氧化三铁等，称为强磁性物质。强磁性物质的磁性种类很多，实际应用也很多，强磁性物质又称为磁性材料。判断固体中的固有磁矩是否为0?抗磁性材料是判断热运动能是否>磁矩中的交换作用能？铁磁性、反铁磁性或亚铁磁性材料顺磁性材料否否是

固体磁性抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性晶体中磁畴内部原子磁矩的排列抗磁性(diamagnetism)当物质受到外加磁场的作用时，如果产生与外磁场方向相反的磁化，即磁化率为负值，则称此种性质为抗磁性。抗磁性一般可分为三类：一般抗磁性（任何物质都具有）。将任一物质置于外磁场中，由于电磁感应产生微弱的与外磁场方向相反的感生磁矩。一切物质都存在着抗磁性效应。但在多数的情况下，此微弱的抗磁性常被较强的顺磁磁化效应所掩盖。金属中导电电子抗磁性（金属具有）。由于电子在磁场中运动形成量子化的朗道能级，使电子系统的能量比未加磁场时升高了，等效于呈现抗磁性。导电电子的抗磁磁化率等于其自旋顺磁磁化率的1/3，故导电电子呈现顺磁性。超导体的完全抗磁性。顺磁性(paramagnetism)顺磁性是指材料在外磁场的作用下表现出与外磁场方向相同但数值很小的磁化率。顺磁性一般可分为：其原子或分子具有固有磁矩，但固有磁矩之间没有相互作用或相互作用很小(<热运动能)，因而磁矩之间不能形成磁有序排列(如铁磁有序的情况)。温度高于居里点的铁磁材料和亚铁磁材料，以及温度高于Neel点的反铁磁材料所呈现的顺磁性。一些金属和合金呈现的顺磁性，其中一类是非过渡族非稀土族的金属，比如碱金属，它们并无自发磁化，其传导电子之间并无交换作用。只是在外磁场的作用下，它们的传导电子发生极化才呈现出与外磁场同向的磁化强度，这种顺磁性称为Pauli顺磁性，其磁化率与温度无关。铁磁、亚铁磁材料的单畴微粒呈现出的顺磁性。当这些微粒的体积减少到一定程度时，微粒的热运动能将超过难磁化和易磁化之间的磁晶各向异性能的位垒，于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向，而是随时间作无规则的变化，而微粒的表观磁化强度就变为零。在外磁场作用下，这些微粒倾向于沿外磁场方向排列，从而呈现出顺磁性，这种顺磁性叫做超顺磁性。顺磁性物质磁化率与温度的关系——居里定律大量的气体、液体和固体的顺磁性，近似服从由居里提出的磁化率与温度成反比的经验定律：不符合居里定律的情形，往往可以在相当宽的温度范围内符合居里-外斯定律：在常温和一般磁场强度时，由实验常数c可确定固有磁矩

J。铁磁性(ferromagnetism)铁磁性材料：常温下，铁、钴、镍低温下，Tb,Ho,Eu,Tm化合物：La1-xCaxMnO3(0.2<x<0.4),CrBr3,EuO,EuS,EuSe,EuI2，Eu2SiO4等。低于居里温度时，这些材料在磁场中显示出强磁性，磁化强度可达105A/m,其磁化曲线呈复杂的形式。原因：这些物质的内部存在着一种强的相互作用，使邻近原子的磁矩近似地排在同一方向，形成了自发磁化。由物质内部的交换作用引起的磁矩有序排列，称为自发磁化。由外加磁场引起的磁矩有序排列，称为技术磁化。1）OA表示对于未磁化的样品施加磁场H,随H增加磁化强度不断增加，当H增加到Hs时磁化强度达到饱和强度Ms。2）达到饱和后,再减小磁场，磁化强度并不是可逆地沿OA线下降，而是沿着图中AB变化。在B点磁场已减为0，但磁化强度并没有消失。只有当磁场沿相反方向增加到-Hc时，磁化才变为零，Hc称为矫顽力。3）继续增加反向磁场到-Hs可以使磁化强度达到反向的饱和。若再由-Hs增加到Hs，将完成如图的回线，称为磁滞回线。铁磁性的基本特点是在外磁场中的磁化过程的不可逆性。铁磁性成因

最早对铁磁性的成因进行解释的是Weiss,他在1907年提出了两个假设,都得到了实验证明：分子场假设在铁磁体的内部存在着强大的分子场(约103T)，即使不加外磁场，其内部也产生自发磁化。

1928年，Heisenberg用量子理论证明了：所谓的分子场，实际是电子自旋之间的交换作用，是电子遵循Pauli原理的必然结果。2.

磁畴假说铁磁内部的自发磁化被分为若干称为磁畴的区域，在每一区域内自发磁化到饱和，但各个区域的磁化强度方向是混乱的，因而当不加磁场时，不表现出宏观磁性。

Weiss的分子场理论参考黄昆《固体物理》，P408磁畴假说

理论与实验均已证明，在居里温度以下、在没有外磁场的作用下，铁磁体内部分成若干个小区域，在每一个小区域内原子磁矩彼此有序地排列，这种现象称为自发磁化，这一小区域称为磁畴。

为什么会自发磁化呢？

3d金属中的自发磁化

4f金属中的自发磁化

3d金属与4f金属化合物的自发磁化金属氧化物的自发磁化3d金属中的自发磁化3d金属（如铁、钴、镍），当3d电子云重叠时，相邻原子的3d电子存在交换作用，它们每秒钟以108的频率交换位置。其交换作用能Eex

与两个电子自旋磁矩的取向有关，表示为：Eex=-2A

i

j

cos,其中

为电子自旋角动量，

是相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角，A为交换积分常数。在平衡态，相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角应遵循能量最小原理。当A＞0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子的自旋磁矩夹角为零，即彼此同向平行排列，称为铁磁性耦合，即自发磁化，出现铁磁性磁有序。当A＜0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子自旋磁矩夹角为180度，即相邻原子3d电子自旋磁矩反向平行排列，称为反铁磁性磁有序。当A=0时，相邻原子3d电子自旋磁矩彼此不存在交换作用或者说交换作用十分微弱。在这种情况，由于热运动的影响，原子自旋磁矩混乱取向，变成磁无序，这是顺磁性。对于Eex=-2A

i

j

cos

的讨论交换积分常数A的绝对值的大小及其正、负与a/r3d

有关。a是相邻原子间距离，r3d是3d电子云半径。在室温以上，Fe、Co、Ni和Gd等的交换积分常数A是正的，是铁磁性的。反铁磁性的交换积分常数A为负。顺磁性物质的交换积分常数A为零。4f金属（稀土金属）中的自发磁化部分稀土元素在低温下呈现出铁磁性。原因：（非直接交换作用）稀土金属中对磁性有贡献的是4f电子，其半径仅约0.06-0.08nm。相邻的电子云不可能重叠，外层还有5s和5p电子层对4f电子起屏蔽作用，它们不可能象3d金属那样存在直接交换作用。Ruderman、Kittel、Kasuya、Yosida等人先后提出,并逐渐完善了间接交换作用理论，称为RKKY理论。这一理论可以很好地解释稀土金属和稀土与金属间化合物的自发磁化。RKKY理论的中心思想是，在稀土金属中f电子是局域化的，6s电子是巡游电子，f电子和s电子先发生交换作用，使6s电子极化。而极化了的6s电子自旋使4f电子自旋与相邻原子的4f电子自旋间接地耦合起来，从而产生自发磁化，并使稀土金属原子磁矩排列出现多种螺磁性。小资料：RKKY相互作用的特点交换常数的符号随着两磁矩的距离而周期振荡；相互作用能大小与两磁矩距离的3次方成反比。稀土-过渡金属化合物的自发磁化稀土金属(RE)与3d过渡族金属(M)形成一系列化合物。其中富3d过渡族金属间化合物，如REM5、RE2M17、REFe14B、RE(Fe，M)12等已成为重要的永磁材料。这类化合物的晶体结构都是由CaCu5型六方结构派生而来，其中REM5，如SmCo5的结构与CaCu5型结构相同。在这类化合物中RE-M原子间距较远。不论是4f电子云之间，还是3d-4f电子云之间都不可能重叠，因此，不可能有直接交换作用，只能以传导电子为媒介产生的间接交换作用使3d与4f电子磁矩耦合起来。金属氧化物的自发磁化：铁氧体磁性材料是由金属氧化物组成的，其代表式为：MO·xFe2O3，其中M是二价金属离子如Mn、Ni、Fe、Co、Mg、Ba、Sr等，x可取l-6。以MnO为例，说明金属氧化物中的间接交换作用，并进一步说明铁氧体材料中的自发磁化。在O2-两侧成一直线的两个Mn2+的磁矩必然是反平行的，这种通过氧离子而确定Mn离子磁矩相对取向的交换作用，即间接交换作用或超交换作用。自旋同向自旋反向磁畴壁与磁畴结构畴与畴之间的边界称为畴壁。相邻两个片状畴的磁矩夹角为180度，它们的边界称为180度畴壁。片状畴与三角畴(又称封闭畴)之间磁矩相互垂直，它们的边界称为90度畴壁。片状畴三角畴理论和实践证明铁磁体内确实存在磁畴。畴壁的宽度、形状、尺寸、取向平衡状态的畴结构，应具有最小的能量。交换能、退磁场能、磁晶各向异性能、磁弹性能技术磁化曲线上的磁畴微结构磁畴壁1932年，布洛赫首先从能量的观点分析了大块的铁磁体的畴壁，称为布洛赫壁。在180度畴壁中，如果原子磁矩在相邻两原子间突然反向，则交换能的变化为

Eex＝

4A

2。若在n个等距离的原子间逐步均匀转向，则在n+1个自旋转向中，交换能Eex的总变化为Eex＝A2

2／n。

n越大，交换能就越低畴壁中的原子磁矩必然是逐渐地转向。

畴壁是由一个磁畴的原子磁矩方向逐渐转向到相邻磁畴的原子磁矩方向的过渡区。在畴壁内其交换能、磁晶各向异性能都比畴内的高。所高出的这一部分能量称为畴壁能。180度畴壁结构强磁性物质中的磁自由能

强磁性物质内存在交换作用能、静磁能、退磁场能、磁晶各向异性能和磁弹性能等。静磁能：强磁性物质的磁化强度与外磁场的相互作用能称为静磁能EH。它可表达为：EH=-MHcos,为M和H的夹角。退磁场能：铁磁体的磁化强度与自身退磁场的相互作用能。其表达式为：Ed=1/2

0NM2其中N是退磁因子，M是磁化强度。交换能：近邻原子间静电相互作用能，是各向同性的，比其他各项磁自由能大100-10000倍，使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列（自发磁化）。其他各项磁自由能不改变其自发磁化的本质，而仅改变其磁畴结构。磁晶各向性能:单晶体的磁性各向异性称为磁晶各向异性。例如Fe单晶体的[100],[110]和[111]晶向的磁化曲线是不同的。外磁场对铁单晶所做的磁化功，磁化功小的晶体方向称为易磁化，磁化功大的晶体方向称为难磁化方向。沿不同方向的磁化功的差值称为磁晶各向异性能。磁致伸缩与磁弹性能:在磁场中磁化时,铁磁体的尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩,通常用磁致伸缩系数

＝

l/l来表示。磁致伸缩系数随磁场的增强而增加。当磁场达到一定数值后，它达到饱和值，称为饱和磁致伸缩系数。对3d金属及合金，

约为10-5-10-6,REFe2型化合物可达10-3。磁致伸缩现象对铁磁体的畴结构、技术磁化行为及某些技术参量有重要的影响。当铁磁体存在内应力或有外应力作用时，磁致伸缩要与应力相互作用，与此有关的能量称为磁弹性能。铁磁材料的最低激发态：自旋波铁磁体的基态：在绝对零度时，所有自旋同向排列在低温下，铁磁体有一定的几率处于低的激发态最低的激发态：只有一个自旋反转每个自旋都与近邻的自旋相耦合，即所有自旋运动是耦合在一起的。从量子力学观点，由于反转的自旋可以处在各个不同的格点上，它们是能量简并的N个量子态，相互作用的微扰有可能使它们组合成能量更低的量子态。自旋波模型磁振子布洛赫T3/2定律黄昆《固体物理》P417？？磁振子（自旋波）声子（晶格波）

集体运动反铁磁性和亚铁磁性根据磁矩相互作用的交换能理论，当交换常数A是负值时，磁矩将倾向于反平行排列。这可能吗？反铁磁材料、亚铁磁性材料：磁矩反平行排列反铁磁性：两种相反的磁矩正好抵消，总磁矩为零亚铁磁性：两种磁矩大小不同，导致一定的自发磁化亚铁磁性和铁磁性都具有以自发磁化为基础的强磁性和磁滞回线等特征。反铁磁材料的磁化率与温度的关系其磁化率在高温遵循居里-外斯定律：其中>0Neel点磁化率具有一个尖锐的峰值，峰值位置反映了自发的反平行排列消失的温度，常称为Neel温度。温度低于Neel温度时，磁化率是随温度的增加而增加。这是由于随着温度提高，反平行排列的秩序逐步减弱，由此引起磁化率不断增加。温度高于Neel温度时，表现为顺磁性。与前面讨论的一般顺磁性相似，磁化率随温度升高而下降。各种磁功能材料永磁材料（能长期保持强磁性）

稀土永磁材料、铁氧体永磁材料、金属永磁材料软磁材料

金属软磁材料、软磁铁氧体、非晶软磁材料磁信息材料磁记录材料、磁存储材料、磁信息材料特种磁性材料旋磁材料、磁致伸缩材料、其他特种磁性材料永磁材料永磁材料永磁材料——硬磁材料，是指施加外磁场磁化以后能长期保留其磁性的材料。“硬”：长期保留磁性的能力高（不是指材料的力学硬度）。最早发现、最早应用、种类最多、应用最广磁性强保持磁性的能力强磁性稳定如何判断永磁材料的优劣？高的最大磁能积高的剩余磁通密度(剩磁)高的矫顽力磁滞回线越胖越好永磁材料的发展永磁之王：稀土永磁材料目前永磁性能最好的是稀土永磁材料，常被称为“永磁之王”。以稀土元素为重要组元的金属间化合物，“四高一低”：高的原子磁矩

高的剩磁高的磁晶各向异性高的矫顽力高的磁致伸缩系数高的磁光效应低的磁转变温度：限制其实际的应用。（铁和钴的居里点很高，分别为1131度和770度。因此选取适当的稀土元素和钴或铁的金属间化合物，经过适当的热处理便可能获得永磁性能良好的材料。）稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料。比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍比铁氧体、铝镍钴性能优越得多比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。永磁之王：稀土永磁材料第一代是SmCo5系第二代是Sm2Co17系第三代是Nd-Fe-B系这三代永磁材料的最大磁能积(BH)m一般在160kJ/m3以上，远远超过其他永磁材料稀土原料价格高，使用稀土永磁材料必须考虑经济和成本问题随着永磁性能的提高和生产工艺的改进，已使稀土永磁材料与其他一些永磁材料的价格相近我国的稀土矿蕴藏量约占全世界蕴藏量的80%以上，发展稀土永磁材料具有特别重要的意义永磁之王：稀土永磁材料稀土永磁材料：钴基合金第一代永磁材料：1:5型RE-Co系稀土化合物SmCo5、PrCo5、MnCo5和Ce(Co，Cu，Fe)5第二代永磁材料：

2:17型RE-Co系稀土化合物Sm(Co,Cu，Fe，Zr)z(z＝7-8.4)。Sm-Co永磁合金的发现使永磁体的矫顽力和磁能积均有一个跳跃性的发展，使永磁材料进入一个新的发展阶段，但Sm-Co型合金含有相对多的稀土元素Sm，同时含有昂贵的战略金属Co，由于其成本高，应用受到限制。稀土永磁材料：铁基合金(Nd-Fe-B)

1983年发现的第三代永磁材料：Nd-Fe-B系列优点：1）磁能积创历史记录,当时达到290kJ/m。经过二十年的发展，现在磁能积又达到一新高度即430kJ/m2）矫顽力很高，~2400kA/m3）以Fe、B和Nd作为主要原材料，资源丰富，价格便宜4）居里温度已提高到600度，其工作温度已达到240度据预测，在未来的20-30年内不可能有能取代Nd-Fe-B系永磁合金的新型永磁材料出现。1994年世界Nd-Fe-B系永磁体的产量约5000吨,2000年全球产量为到14000吨以上。铁氧体永磁材料：产量最高铁氧体永磁材料：Fe2O3为重要组分的复合氧化物磁性材料产量最高、价格低廉、种类很多生产工艺同一般陶瓷器的生产工艺相似铁氧体绝大多数是亚铁磁性材料，饱和磁化强度较低铁氧体，电阻率很高，可直接应用于高频电磁波目前，在收音机、电视机的喇叭中，在各种永磁电动机中，及其他许多应用永磁材料的器件和装置中，大量使用的仍然是铁氧体永磁材料，其成分为磁铅石型的钡铁氧体(BaFe12O19)系。金属永磁材料：性能多样

当前应用较多的有两大类金属永磁材料：硬度高因而不易机械加工的Alnico系合金，主要成分为Fe、Ni和Al，随合金成分和加工情况的不同分为Alnico1Alnico2…等，一般经过磁场热处理的各向异性Alnico合金，最大磁能积可达70kJ/m3。韧性高因而容易加工的Fe-Cr-Co系和Fe-Co-V系,是目前应用较多的可以进行机械加工和冷热塑性变形的永磁合金，可制成丝状、片状和管状。但这些合金对热处理非常敏感，不掌握最佳处理条件很难获得最佳永磁性能。金属永磁材料：以铁为主要组元、合金型永磁材料中等的最大磁能积，温度特性较好，价格居于稀土永磁材料与铁氧体永磁材料之间，故在许多情形下应用也较多。软磁材料软磁材料矫顽力低、磁导率高的磁性材料大多数是在交变磁场条件下工作，要求其体积小、重量轻、功率大、灵敏度高、发热量少、稳定性好、寿命长。主要应用：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磁路的导磁体不软的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。应具有以下四个基本条件：饱和磁感应强度量Bs高磁导率

高居里温度适当高铁芯损耗要小在选择和研制软磁材料时应力求做到：单位体积内材料的磁性原子数要多原子磁矩要大杂质元素(如C、O、S、P等)的含量要尽可能少磁晶各向异性常数要低磁致伸缩系数要小内应力尽可能低掺杂物和非磁性第二相的体积百分数越小越好矫顽力要低电阻率要高磁畴宽度要小材料应能做成薄带或片状，但其厚度要足够小软磁材料按磁特性可分为：高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料按材料成分可分为：电工纯铁、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金和Fe-Co合金按形态可分为：晶态、非晶态及纳米晶软磁材料软磁材料的分类磁信息材料磁记录过程1）把声音、图象和数字等信号转变为电信号2）将电信号的强弱经过磁头转变为磁场的大小，利用这磁场去磁化磁记录介质磁记录介质的磁化情况=输入信息如果要把磁记录介质中存储的信息重放出来，即将磁记录材料经过磁重放头，将所记录的磁信息转变为电信号，再将电信号转变为声音、图象和数字，便可得到原来信号了。在磁记录和磁重放过程中，需要应用两种磁性材料：电信号磁信号，磁信号电信号磁头材料将记录和存储信息的磁记录材料外部存储设备的结构特点和工作原理

软盘硬磁盘光盘磁盘旋转，形成相对高速运动磁头的电磁感应线圈铁磁薄膜介质，磁化方向表示0、1软盘的结构特点和工作原理隨機的粒子(沒有儲存數據)電流流通(寫入的操作)有組織的粒子(代表數據)媒體讀寫頭data软盘的结构特点和工作原理硬盘:一组固定在同一个轴上，同时高速旋转的盘片盘片是铝合金的薄圆片，每个圆片的两个表面都涂附了一层很薄的高性能磁性材料，作为存储信息的介质盘片表面分为一个个同心圆磁道，每个磁道又被分成若干区段。以普通微机常用的3.5"硬盘为例，其每个盘片表面可能划分为1000个甚至更多的磁道，每个磁道又分为几十上百个区段，因此一个盘片的存储容量就非常可观。靠近每个盘片的两个表面各有一个读写磁头。这些磁头全部固定在一起，可同时移到磁盘的某个磁道位置。硬盘的结构特点和工作原理硬盘外观硬盘的结构特点和工作原理Read/writeheads硬盘的结构特点和工作原理面surface，道track，扇区sector，柱面cylinder读写头硬盘的结构特点和工作原理利用激光原理存储和读取信息光盘片用塑料制成，塑料中间夹入了一层薄而平整的铝膜，通过铝膜上极细微的凹坑记录信息一次性光盘:制作时在盘面上一次性形成的，只能读出，不能重新写入。工厂通过压制方法生产光盘时，将信息以凹坑形式生成在铝膜上，成为永久的信息记录。一片普通5”只读光盘可以存放650MB的信息。只读光盘是一种非常好的可以长期保存的存储介质。可刻录光盘可读写光盘光盘的结构特点和工作原理光盘表面：0/1光盘外观光盘工作原理激光束撞击光盘表面凹坑平面棱镜反射激光束激光二极管感光二极管聚焦光脉冲转换光盘的结构特点和工作原理光盘的工作原理磁记录材料对磁记录材料的要求：

适当高的矫顽力：以抵抗环境磁干扰和提高磁信息存储密度；

高的饱和磁化强度和剩磁比：以获得高的存储和输出信息；

陡直的磁滞回线：以提高记录信息的分辨率。目前应用的磁记录材料主要有：

-Fe2O3，表面包Co（或掺Co）-Fe2O3磁粉，目前90%以上都采用这类材料；BaFe12O19磁粉；CrO2磁粉（属于高矫顽力磁粉）；金属磁膜（如Fe-Co系和Co-Cr系磁膜）。磁头材料对磁头材料的主要要求：

高的磁导率：以提高磁头的灵敏度；

高的饱和磁化强度：以提高磁头中的磁场；

低的矫顽力：以降低对磁头的输入信号；

高的力学强度：以延长磁头的使用寿命。目前应用的磁头材料：铁氧体高密度多晶和单晶材料，如(Mn、Zn)Fe2O4;高硬度金属磁头材料，如Fe-Ni-Nb(Ta)系硬坡莫合金和Fe-Si-Al系合金；非晶磁头材料，如Fe-B(Si、C)系，Fe-Ni(Mo)-B(Si)系和Fe-Co-B(Si)系非晶磁性材料；由磁性不同的多层膜组成的磁头材料。

无论增加硬盘容量还是提升数据传输速率，都离不开磁头技术的发展，数据的读写都是通过磁头来完成的。

早期的磁头属于磁电感应式，读写都是同一个磁头。优点：设计简单，成本较低缺点：1）必须要同时兼顾到读/写两种特性，对磁盘的信号读取或者写入的时候有较大的偏差；2）盘片上磁道很密集的时候，没法进行操作，导致单碟容量上不去。读写磁头怎么办？将读写磁头进行分离，一个负责读取，一个负责写入。写入磁头仍采用磁感应磁头，MR(磁阻)磁头则作为读取磁头磁阻。优点：更好的读/写性能，对磁道的磁信号感应很敏锐，磁道间距离可以很小，增加磁道数量，这样单碟容量上得到突破。读写磁头单碟容量的不断增加，到了MR磁头的读取极限，怎么办？GMR(巨磁阻磁头技术)磁头诞生了。近两年的硬盘磁头几乎全部采用GMR，GMR磁头技术是在MR的基础上开发的，它比MR具有更高的灵敏性。小资料：MR磁头利用磁致电阻效应(magnetoresistive,

MR)制备的磁头。磁致电阻效应是指在一定磁场下电阻改变的现象。磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。工作原理：1）MR元件中通以恒定电流I,2）由磁介质中记录的“1”或“0”信号来提供MR元件的外加磁场,3）MR元件的电阻率随外加磁场的有和无而变化,通过测量阻便可读出磁介质中记录的信息。小资料：巨磁阻材料巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。1986年德国的Cdnberg教授在Fe/Cr/Fe多层膜中观察到反铁磁层间耦合。1988年法国巴黎大学的肯特教授在Fe／Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应。1990年左右，在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。1992年，美国报道了Co-Ag、Co-Cu颗粒膜中存在巨磁阻效应，这种颗粒膜是采用双靶共溅射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基体上镶嵌纳米级的铁磁的Co颗粒。

巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景。1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，从而在与光盘竞争中，磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化。1995年，自旋阀型MRAM记忆单位的开关速度为亚纳秒级，256Mbit的MRAM芯片亦已设计成功，成为可与半导体随机存储器（DRAM、SEUM）相竞争的新型内存储器。自旋极化效应的自旋晶体管设想亦被提出来了。特种磁性材料：磁致伸缩材料磁致伸缩效应是1842年由焦耳发现的。磁致伸缩传统材料：镍、铁等金属或合金。稀土超磁致伸缩材料：八十年代末新开发的，稀土-铁系金属间化合物。其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约100倍以上。

铽镝铁磁致伸缩合金（Terfenol-D）开辟了磁致伸缩材料的新时代。Terfenol-D合金：一半成份为铽和镝（有时加入钬），其余为铁，该合金由美国依阿华州阿姆斯实验室首先研制成功。当Terfenol-D置于一个磁场中时，其尺寸的变化比一般磁性材料变化大，这种变化可以使一些精密机械运动得以实现。

1．声纳（sonar是声音、导航、测距三个英文字母的缩略语）：一般的声纳发射频率都在2kHz以上。低于此频率的低频声纳有其优越性：频率越低、衰减越小、声波就传得越远；同时频率低受到水下无回声屏蔽的影响就越小。用Terfenol-D材料制做的声纳可以满足大功率、小体积、低频率的要求，所以发展较快。2．电-机换能器：主要用于小型受控动作器件，包括控制精度达纳米级，以及伺服泵、燃料注入系统、制动器等。它们用于汽车、飞机、航天器、机器人、精密机床、精密仪器、计算机、光通讯、印刷等。

3.传感器和电子器件：如袖珍测磁仪、探测位移、力、加速度的传感器以及可调谐的表面声波器件等。后者用于雷达、声纳的相位传感器和计算机的存储元件。Terfenol-D材料的应用器件磁光效应:磁场的作用下，物质的电磁特性（如磁导率、介电常数、磁化强度、磁畴结构、磁化方向等）会发生变化，通过该物质的光的传输特性也随之发生变化。磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。稀土元素由于4f电子层未填满，因而产生未抵消的磁矩，这是强磁性的来源，从而导致强的磁光效应。特种磁性材料：稀土磁光材料

单纯的稀土金属并不显现磁光效应，只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素的强磁光效应。1845年法拉弟发现了磁光效应，但在其后一百多年中，并未获得应用。上世纪60年代初，由于激光和光电子技术的开发，才使得磁光效应的研究向应用领域发展，出现了新型的光信号功能器件—磁光器件。磁光器件，就是利用磁光效应构成的各种控制激光束的器件。1966年发展了磁光调制器、磁光开关、磁光隔离器、磁光环行器、磁光旋转器、磁光相移器等磁光器件。由于光纤技术和集成光学的发展，1972年起又诞生了波导型的集成磁光器件。稀土磁光材料的应用在60年代后期，因计算机存贮技术的发展，开发了磁光存贮技术，出现了磁光印刷和磁光光盘系统。因信息技术的需要，在70年代中后期，利用磁光效应研究圆柱状磁畴（磁泡）而发展了磁泡技术。在磁泡技术的基础上，又发展了磁光信息处理机及磁泡显示器。稀土磁光材料的应用小资料：磁泡材料磁泡材料是指在一定外加磁场作用下具有磁泡畴结构的磁性薄膜或薄片结构。磁泡畴是具有较高磁各向异性和较低饱和磁化强度的磁性薄膜在一定外加磁场作用下产生的圆柱状磁畴，其中磁化强度方向与外磁场方向相反。从膜面上看好象浮在膜面的圆泡，故称磁泡。磁泡的有或无可以代表二进制中的“1”或“0”，故可以用磁泡材料制成存储器。目前可用作磁泡材料的主要有：Re3Fe5O12系铁氧体(Re是稀土元素);ReFeO3系铁氧体Tb-Fe系和Gd-Co系非晶磁膜BaFe12O19系铁氧体1．磁光调制器

利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用，可作为红外检测器的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，还可用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传输系统中。

2．磁光隔离器

在光纤通信、光信息处理和各种测量系统中，都需要有一个稳定的光源，由于系统中不同器件的联接处往往会反射一部分光，一旦这些反射光进入激光源的腔体，会使激光输出不稳定，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器能使正向传输的光无阻挡地通过，而全部排除从光纤功能器件接点处反射回来的光，从而有效地消除了激光源的噪声。稀土磁光材料的应用稀土磁光材料的应用3．磁光传感器

用磁光效应来检测磁场或电流的器件称为磁光传感器。它集激光、光纤和光技术于一体，以光学方式来检测磁场和电流的强弱及状态的变化，可用于高压网络的检测和监控，还可用于精密测量和遥控、遥测及自动控制系统。4．磁光记录

磁光记录是近十几年迅速发展起来的高新技术。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁盘和光盘两者的优点。磁光盘广泛应用于国家管理、军事、公安、航空航天、天文、气象等需要大规模数据实时收集、记录、存储及分析等领域，特别是对于集音、像、通讯、数据计算、分析、处理和存储于一体的多媒体计算机来说，磁光存储系统的作用是其它存储方式无法代替的。小资料：磁光(M-O)存储原理在一定温度下，在磁记录介质的表面上加一个强度低于该介质矫顽力的磁场,则不会发生磁通翻转,也就不能记录信息

提高温度，降低矫顽力,使其低于外加磁场强度,则将发生磁通翻转利用激光照射磁性薄膜,温度上升,矫顽力下降,在外加磁场下发生磁矩翻转,记录信息

抹除信息和记录信息的原理一样,外加一个和记录方向相反的磁场,对已记录信息的介质用激光束照射,使照射区反方向磁化,从而恢复到记录前的磁化状态。磁光存储是通过激光加热和施加反向磁场在稀土非晶合金薄膜上，产生磁化强度垂直于膜面的磁畴，利用该磁畴进行信息的写入和读出。磁光盘是80年代开始应用的产品。1）由于其写、读皆通过材料的磁光效应，与盘无机械接触，故寿命长，反复擦、写可达上百万次（寿命大于10年以上，而一般光盘约为2年）。2）磁光盘记录密度是硬磁盘的50倍，是普通微机软磁盘的800-1000倍以上，因此发展十分迅速。3）磁光盘是以稀土元素铽、镝、钆等与过渡族金属铁、钴的非晶合金薄膜为记录介质。这种磁光记录薄膜是用Tb-FeCo等RE-TM合金靶材通过真空溅射沉积而成的，RE-TM合金靶材是制造磁光盘的关键材料。4）日本等发达国家已于1988年将磁光盘系统推向市场，据报道，2000年仅日本的磁光盘系统市场将达1万亿日元。

小资料：磁光(M-O)存储原理特种磁性材料：磁致冷材料

1920年末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。其逆效应？磁致冷材料：用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。磁致冷机的核心部分，即制冷剂或制冷工质。磁致冷：1）是给材料加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列（能量低）2）撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱（能量高）3）过程2）材料从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。经过多年的努力，目前低温磁致冷技术已达到实用化。磁致冷材料：稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)

Dy3Al5O12(DAG)单晶低温磁致冷装置：小型化、高效率，广泛应用于低温物理、磁共振成像仪、粒子加速器、空间技术、远红外探测及微波接收等领域。。特种磁性材料：磁致冷材料

磁阻式随机存取器技术的发展单自旋金属材料的性质和应用巨磁阻现象及其在自旋阀中的应用新概念新进展巨磁阻現象及其在自旋閥之應用何謂磁阻（magnetoresistance）?

晶格散射产生电阻若自由電子受外加磁場而改變行徑，向陽離子衝撞的機率增高，此即為電阻增高之原因。受磁場或磁性作用影響而改變的電阻，稱之為磁阻。何謂巨磁阻（GMR

）?

傳統的電子元件只使用電子的電荷，而忽略了電子的自旋特性。１９８８年，由於巨磁阻(giantmagnetoresistance,GMR)的發現，利用到電子自旋特性的自旋電子學開啟了序幕。在巨磁阻的多層結構中，兩層鐵磁性材料中間夾著一層一般金屬如銅，利用這兩層磁性材料彼此之間磁化方向的異同，電子的自旋相依散射(spin-dependentscattering)會造成磁阻的巨大變化。１９９５年，兩層鐵磁性材料中間夾著一層絕緣層的結構在室溫底下被發現具有比巨磁阻還要大的穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistance,TMR)的現象

。電子通過第一層鐵磁性薄膜時，被鐵磁層極化成單一自旋電子，當兩層鐵磁層磁化方向相同時，自旋電子易通過第二鐵磁層，故電阻小.當兩層鐵磁層磁化方向相反時，自旋電子會產生自旋相依散射（spin-dependentscattering）因而電阻較大，此為巨磁阻原理.

巨磁阻的解释自旋閥(Spinvalve)結構、分類與應用

(1)

緩衝層（bufferlayer）：為使鍍膜有較佳之晶向成長方向，也稱之為種子層（seedlayer）。(2)自由層（freelayer）：由易磁化之軟磁材料所構成，易受外加磁場而改變磁化方向，而與固定層形成磁化方向平行或反平行。常用之鐵磁性材料有鐵、鉻與鈷。

(3)中間夾層（spacer）：為非鐵磁性材料，目的為於無外加磁場時，讓上下兩鐵磁層偶合作用。常用之非鐵磁性材料有銅、銀與金。自旋閥(Spinvalve)結構(4)固定層（pinnedlayer）：被偏壓層固定磁化方向之鐵磁性材料。(5)偏壓層（biasinglayer）：為固定pinnedlayer磁化方向之抗鐵磁性（Anti-Ferromagnetic，AF）材料。常用之抗鐵磁性材質有鐵氧化物、錳的非序合金等。自旋閥(Spinvalve)結構各類型巨磁阻之奈米結構及磁阻曲線型態

多层膜结构自旋阀结构磁性合金颗粒颗粒和薄膜混合结构自旋閥結構之製備

由於自旋閥結構為多層薄膜結構，且單層薄膜厚度皆小於10nm，故奈米薄膜之製備為一重要研究課題。薄膜之製備條件影響了薄膜的組成與形貌（morphology），進而影響了自旋閥之磁阻變化。

1. 化學氣相沉積（CVD）:利用高蒸氣壓之氣相前驅物反應分解後，沉積於基材表面而形成薄膜。反應速率的控制如溫度與時間為重要之參數。濺射（sputtering）:利用加速之離子或原子直接衝撞靶材，使得靶材表面原子經撞擊後逸飛而出，最後沉積於積材上而形成薄膜。因組成可於靶材製備時加以控制，故為常用之物理製備薄膜方法之一

電鍍（electrodeposition）磁性随机存储器（MRAM）磁性随机存储器：

Magnetic

Random

Access

Memory是一种非挥发性的磁性随机存储器。“非挥发性”，指关掉电源后，仍可以保持记忆完整，功能与

FLASH雷同。

“随机存取”，指中央处理器读取资料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率，从内存的任何部位读写信息。。

MRAM运作的基本原理与硬盘相同。数据以磁性为依据，存储为0或1。存储的数据具有永久性，直到被外界的磁场影响之后，才会改变这个磁性数据。速度一般都为25至100ns。拥有静态随机存储器（Static

Random

Access

Memory）的高速，和动态随机存储器（Dynamic

Random

Access

Memory）的高集成度。而且可以无限次地重复写入。什么是磁性随机存储器典型的MRAM单元由一个晶体管和一个磁性隧道结(MTJ)组成。磁性隧道结包括一个固定方向的磁化层和一个自由磁层，两个层面由隧道栅相互隔离。MRAM利用电子的自旋特性，通过改变自由层的磁化方向所产生的磁阻变化来记录0或1，从而写入数据。

迄今为止，大多数的MRAM开发都是基于磁场的数据写入技术，即通过加入磁场来改变自由层的磁化方向。这种方法写入速度很快。什么是磁性随机存储器目前全球對於MRAM的研發投入都以國家級的力量支持：美國以國防部的DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）計畫支持，目前包括IBM、Infineon及Motorola是進度最快的公司，且宣稱2004年將推出256Mbits/in2或512Mbits/in2級的產品。韓國也是以國家型的Tera-levelnanodevices計畫支持，Samsung是當中動作最積極的公司，預計2005~2006年之間可推出產品。日本也有國家型計畫支持，計畫成員公司包括Sony、Toshiba及NEC等，且宣稱2004年可以推出MRAM的成品。磁性随机存储器的发展前景MRAM若能進一步低成本、高密度，占领市场將輕而易舉。NEC/東芝在1KbitMRAM中導入了磁束集中結構Bit线垂直于word线MRAM的寫入機制是利用上下兩層XY軸向的導電金屬層，中間夾著穿隧式磁電阻(TMR)或是巨磁電阻(GMR)的記憶元(cell)若將上下兩層導線均通以電流，則可視為記憶單元(cell)置於相互垂直的磁場中(HX,HY)。若要在其中一個記憶元(cell)寫入資料，例如第I行第J列，則將電流通過第I行的word線，加的電流只比臨界值(ThresholdValue)要低一點(電流如果大于临界值，則會使word線上的自由層通通翻轉)，此時再加上一小電流到第J列的bit線就會使的此記憶元的自由層磁化方向翻轉。當X或Y軸其中一軸的電流加到一臨界值時，另一軸只要加一小電流值就可使自由層磁化方向翻轉。MRAM的寫入機制通过“自由層磁化方向翻轉”与否记录“0”或“1”。一電流通過單位記憶元1）當兩鐵磁性層的磁化方向為順向排列時，因磁阻低，故Vout較低；2）兩鐵磁性層的磁化方向為反向排列時，磁阻較高，所以Vout較高。根據Vout的高低狀態的不同便能判斷單位記憶元所儲存的資料為”1”或”0”。MRAM的讀取機制MRAM核心技術的發展現状MRAM的核心技術主要包括：(1)高MR比值的磁性材料結構(2)降低位元尺寸(3)讀寫的架構及方法目前國際報導TMR薄膜以金屬鐵磁層/絕緣層/金屬鐵磁層為主要結構，其中金屬鐵磁層部分可由Fe,Co,Ni

等作適當之調配而成。而絶緣層部分大多使用氧化鋁，雖然文獻中之磁阻達到40%~70%，但仍有一些問題，其中最嚴重的有2項：一）電流的非線性效應，也就是MR值與偏壓的大小有關，雖然理想的MR比率可達~70%，但改變電壓可能減小MR值。二）一个更嚴重的問題，則是TMR薄膜的電阻太大(~1KΩ)，因此電流很小。為了要減少電阻值，最直接的辦法則是將絶緣層做薄。然而目前發現當絕緣層降至~7埃時,有嚴重的短路現象發生，因此電阻降低則受到限制，造成TMR材料的最大困難。(一)磁性材料層的結構(二)降低位元尺寸縮小每單一記憶元橫向尺度及記憶元間距是提高容量密度的唯一方式，此部份目前多利用電子束微影術、反覆對準製作、及使用電漿耦合乾式離子蝕刻之回蝕刻技術，來達到製作奈米尺度之記憶元陣。結構設計部分，將包括橫向形狀及多層膜層狀結構，以達到低電流讀寫及記憶元穩定的要求。尤其當位元尺寸到達奈米層級時，所要克服的瓶頸不單是如何製作還包含要如何提升讀寫效率等，究竟要如何才能夠得到最理想的MRAM成效。（三）熱穩定度改良技術當磁性記憶位元尺寸不斷縮小下，磁矩方向易受到熱擾動的影響而出現不規則轉動，導致無法產生穩定磁區，此稱為超順磁現象(super-paramagneticphenomena)。寻找和採用較高磁異向性材料(highanisotropicmaterial）單自旋金屬材料的性質與應用

單自旋金屬(half-metal)的概念首先由deGroot

等人所提出。

這種新材料的特性在於自旋向上與自旋向下的