磁性薄膜基础

磁性薄膜材料基础磁性材料的低维化三维二维一维零维块状晶体各种薄膜纳米线,纳米管纳米颗粒,纳米点低维磁性材料二维磁性薄膜一维纳米线零维纳米点以及纳米颗粒低维化的意义n n量子尺寸效应量子尺寸效应 特殊的性能特殊的性能 任何物质的颗粒的大小达到纳米级时都会产生表面效应、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性质 同时许多宏观尺度上有效的规律、定理、方式、方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。然一新。n n与半导体工艺结合与半导体工艺结合n n有利于器件的小型化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积优化其性能磁性材料薄膜化n n薄膜磁性的研究始于上世纪薄膜磁性的研究始于上世纪4040年代年代 到现各种大块材料都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、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。膜在磁记录和磁光存储技术方面已有广泛的应用。n n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。作用。薄膜可设计性n n由于薄膜材料性能受制备过程的影响，在制备过程中多数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：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。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。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，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。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。还可以容易地将不同材料结合一起制成多层结构的薄膜。磁性薄膜材料n n厚度在厚度在1 1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料。材料。一般一般 在几纳米到几百纳米。在几纳米到几百纳米。n 各种磁性材料几乎都可制成成分和厚度可以控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。微晶磁膜材料。磁性薄膜的一些特点n n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。强度一般是在平面上。(有例外）有例外）n n薄膜平面上的退磁因子极小（约为薄膜平面上的退磁因子极小（约为1010-3-3-10-10-5-5），而在垂直于薄），而在垂直于薄膜的方向上却等于膜的方向上却等于1 1。n n薄膜内无涡流产生，直到超高频频段都是如此。薄膜内无涡流产生，直到超高频频段都是如此。n n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磁体大10-100 10-100 倍，因此，在高频时薄膜仍保持甚大的磁导率。倍，因此，在高频时薄膜仍保持甚大的磁导率。n n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。在脉冲和正弦交变磁场中，磁薄膜反复磁化极快且损耗很小。n n在许多磁薄膜平面上具有明显的磁各向异性；在许多磁薄膜平面上具有明显的磁各向异性；n n许多磁薄膜都有矩形磁滞回线。（可以设计和控制）许多磁薄膜都有矩形磁滞回线。（可以设计和控制）磁性薄膜的应用广泛应用于各个领域。磁性薄膜的各向异性（一）按来源分n n磁晶各向异性磁晶各向异性n n形状各向异性形状各向异性n n诱发各向异性诱发各向异性n n应力引起的各向异性应力引起的各向异性n n交换各向异性交换各向异性（二）按特性分n n单轴各向异性单轴各向异性n n单向各向异性单向各向异性n n体各向异性体各向异性n n表面各向异性表面各向异性磁晶各向异性n n 由材料的晶体结构引起 Fe(K1 0)Ni(K1 0,易轴沿表面法向，-易法向n n当Ks TT TN N 在磁场中冷却在磁场中冷却体各向异性例子例子:磁晶各向异性控制的等轴磁铁矿颗粒有四个易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角 为为5555。因此，没有通过原点的单个回线。因此，没有通过原点的单个回线。xzyK1 0,K2=0K1 0 K0 K2 2=0=0磁场沿易轴方向磁场沿易轴方向 此回线为具有单轴各向此回线为具有单轴各向异性的单畴颗粒的回线异性的单畴颗粒的回线回线与磁场方向的关系回线与磁场方向的关系 易轴 u=K1 sin 2 +K2 sin 4 +.(更高阶向以般可以忽略)K20 情形4)K1|K1|Energy surfaceEasy plane(=90o)3)K1 0,K2 0:u=|K1|sin 2 +|K2|sin 4 磁性薄膜中的各种能量n n交换能n n磁晶各向异性能n n磁弹性能n n静磁能（退磁场）n n塞曼能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磁弹性能和塞曼能n n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。n n塞曼能：M 与外加磁场的相互作用能退磁场Mm=M-m =-Mm=0柱外:M=0,B=0H柱内:M=Mz,Bz 0 Hz 0(but|Hz|M)Hdemag=Hin 0 as D/L 0静磁能n n由非均匀极化强度M造成的退极化场引起N为退极化因子的差acc磁畴形成的原因n n各种能量的竞争退磁场退磁场大减小退磁场和外场磁畴与畴壁磁畴 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 180畴壁畴壁与膜厚的关系厚膜中90o and 180o 畴壁100010zz/2往往在厚膜中产生布鲁赫和奈尔畴壁BlochNelabtmsNelBloch磁性薄膜的磁化过程n n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连续反转连续反转n n对于单畴晶体，磁矩转动时连续的Hh1m1h1m1难轴:=/2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可逆壁移可逆壁移不不可可逆逆壁壁移移转向磁化转向磁化abcOHs HBs磁畴壁完全消失畴壁移动n n一维情况 180 畴壁 是否为畴壁移动，在于薄膜的厚度稳定性稳定性n n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超顺磁效应当测量时间弛豫时间(Mr=0,Hc=0)E kT ln(f0t)If t=100 sec,then E 25 kTIf t=10 years,then E 40 kTM has double exponential dependence on K and V矫顽力与时间的关系superparamagnetism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。电子束蒸发n把被加热的物质放把被加热的物质放置在水冷坩锅中，置在水冷坩锅中，利用电子束轰击其利用电子束轰击其中很小一部分，使中很小一部分，使其熔化蒸发，而其其熔化蒸发，而其余部分在坩锅的冷余部分在坩锅的冷却作用下处于很低却作用下处于很低的温度。的温度。化学沉积方法n n化学气相沉积是把含有构成化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的气态反应剂的蒸薄膜元素的气态反应剂的蒸汽及反应所需其它气体引入汽及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化反应室，在衬底表面发生化学反应，并把固体产物沉积学反应，并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程。到表面生成薄膜的过程。前驱物前驱物反应物反应物固体产物固体产物（膜或粉）（膜或粉）气相产物气相产物能量能量电镀n n通过氧化阳极物质在通过氧化阳极物质在 阴极沉积薄膜阴极沉积薄膜 参考材料参考材料n nMBE 方法n n超高真空n n极低的沉积速率n n极好的控制n n可以生成好的晶体结构的薄膜n n昂贵n n沉积合金膜需多个源n nMBE可以控制单个原子层的沉积 因而可以形成很陡的界面外延生长外延生长外延生长