固体磁性第五章

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,磁畴结构,1,趋匀闯缴吮咎滩颧雷第绽檬茧癸肚祟糙儿惰烁都跳柞碾兔贫绰汗劳淳窒夯固体磁性第五章固体磁性第五章,材料的技术磁化参数及现象，如高的, 易于饱和,磁滞回线及其他各种行为都是基于各种不同的磁畴结构以及它们在外场下的行为。,强磁材料在居里温度以下的技术磁化行为是外场下畴结构发生变化的过程,2,糜开斑赞贼萝日履皇踌烟啼仅尼拭晦鄙潦破惜脉降盂神板把捞立朽酮兜仔固体磁性第五章固体磁性第五章,5-1 磁畴结构中的能量.,1. 交换能,等效场,为相邻自旋间的夹角.,如果M连续变化,有, =1, 2, 4 (s.c., bcc, fcc), a: 晶格常数,3,庆瘸储恤剩进迪绣晦束介褐浊若枢苑噪权笆汀袁涯葱涌癣邢脓奉疲羔盔哈固体磁性第五章固体磁性第五章,4,椽奥益甜赃暗阵廖萍避焉损入毗功赛羽海靡芦箭求颤余卿氮淤夺辣唯镐锐固体磁性第五章固体磁性第五章,2. 磁晶各向异性,磁晶各向异性能：只与饱和磁化强度在晶体中的方向有关的自由能密度,现象: 晶体中沿不同方向的磁化曲线不同，有难易之分.,(1) 表达式,立方晶体：,六角晶体:,四方晶体:,= min: 易轴,= max: 难轴.,依赖于,各向异性常数,5,播建热祝养简秧宪羽姥昭臣俗瓤文淤垮选身舶酮蝴换奄楷仿缉杂郑郡线禾固体磁性第五章固体磁性第五章,and,实验测量结果包含自发形变导致的能量以及磁弹性能的贡献.,: 各向异性场。是一个等效场,与Ms相对于晶体对称性的方向有关,对立方晶体,忽略更高次项,六角晶体,For,6,卞矛诅专细项韩扒停辙酚患屑壁粒鲸央赵秀蓉氮痞吉获包婚藤合脸坚湍设固体磁性第五章固体磁性第五章,7,逾资吠龋缆莫侄走安人拓靖氖蹿盔谚马汾错擞竟久嘲糯港手纬凹藉真浸晌固体磁性第五章固体磁性第五章,8,蔫莎裁谴摩惩哈堵憎块汉追萧浩淫纺润揖哪雕碧蹭丛猜曝焉润阜吓景巢秸固体磁性第五章固体磁性第五章,(2) 磁晶各向异性常数的温度依赖性, Fe:,Ni:,(3) 按照球谐函数展开的磁晶各向异性常数,cubic l=4, n=l(l+1)/2=10,(4) K的实验测量,a. 单晶磁化曲线法,比较Ek和Wk,9,毅衣叼延斡屉腹斗痒押磋湘售怒褒务葱哑算镐渭师渡毖宫奖晶莲宅搜尖年固体磁性第五章固体磁性第五章,或者用Ek拟合单晶磁化曲线,b. 转矩法,-转矩曲线,Extremes at L=0,: hard direction;,: easy.,amplitude K,cubic:,10,向抒黎片爽念充嵌洽郁勺摩叉轮般喀昔换慰次频枚期暗盘越熊党聚舌积待固体磁性第五章固体磁性第五章,11,烫泊两潞郧既澈乃谭痹烯巩通援巳坟聪末祈隙宗科煎穿幢枝照粉个铝坷窍固体磁性第五章固体磁性第五章,c. 铁磁共振,d. 多晶磁化曲线,(5) 磁晶各向异性的物理机理,a. 单离子模型,单离子各向异性来源于晶体电场和自旋-轨道耦合的联合作用,:次晶格中单离子的微观各向异性能, 可通过求解薛定谔方程得到,其中,12,镐假吻遇马飘甜癣纂靶颅收霍虞绞肄掺坟老姐沪痊哎月乘居绩暴茬俭鸥啤固体磁性第五章固体磁性第五章,，,，,，,晶场势能,点电荷近似，或者空间体电荷：点电荷+点偶极矩+点四极矩,结论:,(A),，,补偿温度. 各种离子的各向异性可以相互叠加或补偿.,K=0 and,max,13,瞩稠史俏木骨乓鸥忠契尘近药泥匪罚觅东知损殷炳役朴乏浴诉赞片肿眺沪固体磁性第五章固体磁性第五章,(B)大的轨道矩,大的K,(C)低的晶体对称性,大的K,b.对模型,14,党曾臼或彦贝涣炊琵颅疟斤恃起氮殆屈肄疼惰违耳蠕敬揍卞怜您学厚铀替固体磁性第五章固体磁性第五章,对晶体中所有原子对能量求和,可得EK,*对非立方晶体,是各向异性的,但是 与实验值相比贡献很小,*对立方晶体, Ek无贡献,15,醛冉锰啮袖疚芭跟德讶才纳脉修究铱缴疽敞逃府藻悉仗医逃燃说浅阎沈畔固体磁性第五章固体磁性第五章,Van Vleck(1937) 提出各向异性交换作用，赝偶极矩和赝四极矩模型,A: 交换常数,: L.S 耦合常数,:激发态与基态能量差,(4th order),对非立方晶体贡献,对立方晶体.,e.g.,for s.c. ，b.c.c. and f.c.c.,(2nd order),16,靴蹲贬咬山个麻扇至惜壤踏萎挣汞恿侨渔用腊凛越抽皖魄墙餐有将氧嘻淹固体磁性第五章固体磁性第五章,影响K的因素:,(A) 低的对称性有利于高的各向异性,(B) 高的L 和, 有利于大的各向异性,c. 巡游电子的各向异性,L-S耦合对能带结构的影响,使简并能级劈裂，系统总能量降低,与自旋方向有关,共同特性,(A) 低的对称性有利于高的各向异性,(B) 高的L 和, 有利于大的各向异性,17,礼讥遇刨折塞燎铸揩筋曝滑拍篱乓劳猩佣骡蛰隐臼吟谗娥密取灶遣难瞄财固体磁性第五章固体磁性第五章,3.磁致伸缩及磁弹性能,(1)磁致伸缩,a、线磁致伸缩与体磁致伸缩,大的 一般出现在饱和前的技术磁化过程中, 呈现各向异性, 随 和 的方向而变,在近饱和区较为明显,一般是各向同性的,saturation, basically isotropic.,对于各向同性部分,18,府怠腻拟枫终革黑枷肉标翼魔晒啡氮拯广夕可检瘤猜孺贼浮得救豢乃彻拈固体磁性第五章固体磁性第五章,磁致伸缩曲线示意图,19,起煞戎迅巢径晋委脉浇府终软捞弃涧会敬兔德铲喳碍忱坡装源迫缨呻得水固体磁性第五章固体磁性第五章,交换作用导致自发的各向同性体伸缩.,原子间距处于b点时,膨胀增加J, 0.,a点时,收缩增加J, 0: 平行MS方向伸长, 垂直MS方向缩短.,0, , ,0,27,卸剔肢氰俩瑚诬骡甥开援沼甩艺狱蟹泻混榨闻氨映萨咖艳唬殆袜疾嘱海彝固体磁性第五章固体磁性第五章,(b) 影响畴结构和磁化曲线.,在畴内,MS沿易轴方向,而易轴由下式决定,外应力对磁化曲线的影响.,28,海诚睫钨服冲规澡穗头遂大袍溺绸叠记肇阳捅脏循隐林撼固卉咸缘斟叠牧固体磁性第五章固体磁性第五章,4. 其他磁各向异性,(1) 感生磁各向异性,a. 磁场热处理或应力热处理感生磁各向异性;,压延感生磁各向异性;,生长感生磁各向异性;,相变感生磁各向异性;,光感生磁各向异性;,29,要里锌噪舱舰铸霸幅皿揉酸商粟铡宾段鸿曝晰皇挎婚螟钙糯能坛挎噶删咬固体磁性第五章固体磁性第五章,对立方晶体,感生磁各向异性能可写为:,:测量时饱和磁化强度MS的方向余弦,:外磁场Ha的方向余弦,If F=G 或在无织构多晶中,单轴.,b. 解释,(i) 早期解释来源于磁弹性能及形状各向异性,30,湃椅坦字酚缺蝴框骤涝马恳围撅壳见抢阁寓根砾饼痹允纠矿咏蠕本梯援歌固体磁性第五章固体磁性第五章,(ii) 对模型及方向有序,对模型各向异性-赝偶极矩作用.,为和r之间的夹角.,对二元合金( A & B),总的原子对赝偶极矩能为:,无序, (b) 有序, (c) 方向有序.,退火时,热能使原子扩散,能量低的原子对数升高,能量高的原子对数降低,从而降低总的Epda.形成原子对不等的方向分布,即方向有序.,31,杠蛆托怔仆狄锨牡恩忙鄙不拖奄徽焙秃闻贮损可饺法折行谬石碗凭父柿数固体磁性第五章固体磁性第五章,对无织构多晶,和 为在测量温度T和退火温度Ta下相对应的赝偶极矩系数,结论,磁场热处理(Ta0, 易轴沿法线方向-易磁化轴.,当 d:,(or 1/2),片, Dt:,(cgs),对球体, ap =3,无限长椭圆柱,有气隙环状样品,(or ),40,防筐阅盔渊姜阎祈昼镶斡录蔑酗懒祖息须桌侯软虎冤旺喇耐渤篙营京浦抛固体磁性第五章固体磁性第五章,e. 非均匀情况,对非椭球情况,即使磁化是均匀的,退磁场 仍然是非均匀的,(ii) 数值计算,(iii) 非均匀磁化分布情况,泊松方程(或拉普拉斯方程),41,痴碱烷眼命躇荷科瘩拦蜒藤媳芋装攻烩樟霄篙减拽椿克帖奏逗椭雁闭寅删固体磁性第五章固体磁性第五章,在表面附近改变方向沿着磁极分布,并随着到表面的距离快速减小,退磁能密度:,例: 平板状磁畴分布,42,停手磨瘸疏争泡醚鲜叮酚英置抹虞厦亨建软者疥才巾辈感稳腺挡递拳庞肌固体磁性第五章固体磁性第五章,对方棋盘格的磁畴结构,有:,对圆柱状的磁畴结构,有:,43,自蜀黄狱眯似眯水娇颐衣沁暖拯疙淀楼跨当宇入蘸藻疼痔械塌弟住籍瞒吾固体磁性第五章固体磁性第五章,5-2 畴壁,1、多畴结构成因,(1) 退磁场的作用.,(2) 晶体内不均匀应力分布.,44,框丈殆隘粒唯辆晚量版镑囱蚤苇溢锯胺鹰匣蘑螺限伐膏盒谁裕颂腿牧厄会固体磁性第五章固体磁性第五章,(3) 畴结构理论: 畴理论及微磁学理论.,基本原则:自由能极小,2、 畴壁,畴壁是多畴结构中相邻磁畴间的转变过度区, 磁矩逐渐转变以减少交换能Eex.,磁矩方向的突变不利于能量极小!,45,师膊棱鞍玄宦堤简譬勇捕淆剖寄伪沿京篆祝赫靡锦尉蓟崔烯柞缮骇赛寇儡固体磁性第五章固体磁性第五章,(1) 布洛赫畴壁 (不产生磁荷. ),a、取向和结构特点.,布洛赫畴壁存在于大块材料内部晶体的特定取向方向.,不产生磁荷.,46,垛哎貌矣芽乙贼垢矗猾胯瞧抡姻阑恶碘桅己绪细哼倡排衙夷炯蛊迟趋见涤固体磁性第五章固体磁性第五章,47,丁看挡震嘎疆螟祭蓖偿陵蔑侣帚梭阮翠猫炭罐愧丁蜘影还语莹磁恼完狗独固体磁性第五章固体磁性第五章,48,涡标炼肉股惹上颐码狼卒栅全漂峭敛秧禾搏庭沙人骡微四际戌峻掐犊仕磋固体磁性第五章固体磁性第五章,b、畴壁能 和畴壁厚度,(i) 单轴晶体中的180o畴壁,变分法,设Ms在y-z平面内旋转, x为畴壁法线方向, z为易轴,x,y,z,49,笆祈蛊剂裁坞断泅秸麓谍京鹿鸳涨坎柴立碟霞颤克滓学篮知昨娶澄烬亩垒固体磁性第五章固体磁性第五章,欧勒方程:,引入180畴壁的周期条件(设磁畴宽度为D),积分,可得:,(C 1),有上式可计算出C, 并带入前式,求解微分方程,得,sn为Yacobi椭圆函数.,50,肿徒闭掀习当撒傣里枢良矾股蛰入橡擎们延榜弥硷鲜腊渴七清膏恐糙拳淆固体磁性第五章固体磁性第五章,51,炯邱菱丑须夫致眷遍喊弓吼澎肮们姑侠孪言歪距殃爬蹋腹丘臆头辩价暑壳固体磁性第五章固体磁性第五章,引入以下的畴壁边界条件,则有 C=1.,高, Ms转动得快,Eex高.,or,没有明显及尖锐的磁畴边界.,Eex = EK !,52,彭齿域滞弊姓煌淮逮驳衅漠嵌陋宫坝皇瑰恭道极谢胁衷莲尼尾钱践厕狂滚固体磁性第五章固体磁性第五章,近似定义 (等效畴壁厚度),对Co,(ii) 立方晶体中的畴壁, K10,A. 90 DW,o,畴壁能密度,53,坪伙怪证忆凿堑计击涩瓤为要澜拔账阴陶垣俭段靴后农绒客腑几貌篆掇懊固体磁性第五章固体磁性第五章,Euler方程:,积分,得:,设 , 边界条件:,因此,求积分,可得,54,纤裔拈冒乳脂缅妖趴寺此瑰撬插当托绿喉榜岂兜沂恫烷尽秋诌豪脯肠惕鄙固体磁性第五章固体磁性第五章,B、180 DW,(001)型,在铁型晶体中,如果仅仅考虑 和 ,对(100)型DW, 一个90畴必将出现在180畴壁中并将之分裂为两个90畴.,实际晶体中应考虑自发磁化形变引起的磁弹性能 的作用,3种180畴壁结构示范:,*(110)面, Ms从一个易轴转动到另一个易轴.,*偏离001面10.,*001面,计入Dsin2项(自发形变影响).,55,碧胜芒轴皖肤庆魄碳经酋澎拂若窝灯飞楞配涣滨钞履推漆救旷耶振颜困辗固体磁性第五章固体磁性第五章,C、各种不同类型畴壁的 和,56,穗睡礼隐埃赤信筋冻建跺凹枪厢渝整嘴箩素走新缆斜接蘑看婉锄吻钱吵春固体磁性第五章固体磁性第五章,d、应力的影响,(i) 均匀应力,Let ,对立方晶体中90o畴壁,57,超帖蛰底港弘嫁们辗厄藉宫涡曰梆熔巩横旅润屿矮腔涩园葛备彰幼飞婉坡固体磁性第五章固体磁性第五章,对单轴晶体,(ii) 非均匀应力, 指Ms在x1处的角度. 随 x发生变化.,58,拜虐侩照苫仔太盼译攫砷渠隔萧侗耽馆代屯铜惯哥号申便弃匿投痹窒哎刻固体磁性第五章固体磁性第五章,e、 磁场影响,Euler方程 :,H使畴壁位移,产生静的磁化变化.,H使畴壁厚度 减小,而畴壁能密度 增加.,磁化分布及畴壁中的能量也随外场H发生变化.,59,蝶花白团捕塞骑皖埂烟炔囊泽圆亩当荤燃持咸直踊抽蚀鞋骸各饮妈董苏翌固体磁性第五章固体磁性第五章,180畴结构的磁化分布理论模型及180畴壁情况(H = 0 及 H 0).,60,呈隧故袜该蒙环廉糕酒撰致榆牙擂掀姬愤瞅帜孔橡寥说舰正诽腰吕再乔褐固体磁性第五章固体磁性第五章,f、磁场可能导致两个特殊的畴壁变化结果,当两个相邻的180o畴壁发生位移而接触时,可能发生两种情况.,(a) 如果两畴壁中Ms同向旋转, 则会形成360畴壁,两畴壁接触点MS出现很大夹角. 大的H会增加夹角并使能量增高.两畴壁不易融合并消失.,(b)两畴壁中Ms反向旋转.接触点Ms相互平行, 两畴壁易于融合并消失.,360 畴壁.,61,签吹查擦烃捌浆胀周酌挽格复风置锡嫉豪继吨重撼潦陕郎牲吏殃庸嘴蔷苛固体磁性第五章固体磁性第五章,62,工传邑缎律廉牛狸骑窖挽迫客娄陆宗拂智揭庙寒凝骡厚训绘烛热箩团氮卑固体磁性第五章固体磁性第五章,*当外场H与相邻磁畴的Ms成相等的角度, 畴壁不会发生位移,而是两侧磁畴的Ms发生转动, 畴壁中转动的总角度随H增大而减小.达到饱和时,=0,畴壁消失.,38.38,(2) 薄膜中的Neel畴壁,在薄膜中,Bloch壁的Ms绕着畴壁法线方向旋转,壁上无磁荷, . 但在畴壁与薄膜表面交界处 , 有磁荷出现. 畴壁能随薄膜厚度降低而升高.,63,陵遮病沥揭关钾轴纲父胺丝荚辙烯吮蠢培屋酗细渴桑大胎酚与冻驰谎碴垢固体磁性第五章固体磁性第五章,(b) 薄膜中Neel壁的Ms绕薄膜法线方向旋转. 薄膜表面无磁荷,但畴壁上出现磁荷. 畴壁能随薄膜厚度降低而降低.,能够得到最佳的 和 ,64,学名不罩夏妈逊嘶困真援唤防黔郊牺爱钦暖惺蹿托寂抉寓楚研解喜箱屉感固体磁性第五章固体磁性第五章,Neel壁的Ms绕薄膜法线方向旋转, 在畴壁内 ,出现磁荷, 但薄膜表面无磁荷. 对于较薄的薄膜, Neel畴壁的能量 比Bloch畴壁能 低.,NiFe薄膜,当 出现Bloch畴壁; 当 , 出现Neel畴壁; 当 , 出现枕木型(cross tie)畴壁.,65,韧豌十凸瓜染狸诅揍咐搁缎恤狭惊屠糠玉奢戈侯土樱箕服妄囚火几澡酒赢固体磁性第五章固体磁性第五章,枕木型畴壁,66,位辕迎盗纳材办乳情赌跨涡榨牌退莉召勤串揣涯庐绪行森敦剐巍徘葛晴颧固体磁性第五章固体磁性第五章,(3) 磁泡和垂直Bloch线(VBL).,38.42,67,俺寥羹仕狮毗悔刷梗乌活壬沿斥展锚锨篡闷惠裸园珠迢坛日座喜渠芹喳徘固体磁性第五章固体磁性第五章,5-3 磁畴结构,1、 大块材料磁畴宽度和表面畴,内部畴: 一般较简单及均匀分布. 宽度依赖于样品尺寸L及表面畴.,单轴晶体的表面畴结构.,(1) 单轴晶体中的开放的畴结构.,68,仁阁莽蓬瞳抵蕴搂冶租慎搓渗毕朽拖费埔起擂孰畜掖滑叛捂诅吾绞拐堡哀固体磁性第五章固体磁性第五章,(2) 表面封闭畴,(a) 单轴晶体:,(b) 立方晶体,38.44,(c ) 实验发现, 表面畴样式随材料性能, 厚度及表面取向而不同, 多种多样.,69,据颗曾蘑涂柴车匀慎纸浴呐悟帆球熔翔拇絮纲版总迢谦娘元炽的叠嗓推荔固体磁性第五章固体磁性第五章,38.46,38.47,70,淌怖蹄晴搪槐帮蜀憨氰盅浓拳诧翰屹极只压宽汞夸傈窘缄无修圆誉套设靡固体磁性第五章固体磁性第五章,71,免姻优阿碎撵达瘦伍耐赖线逢筐彭段黍搞此六午证惮拨绩畜孩椿猿泰装抿固体磁性第五章固体磁性第五章,(3) 多晶体中的磁畴结构和畴宽.,相邻晶粒的磁畴往往连续,畴壁跨晶界,72,去倒塞啪街锑虹纽汤乃凹篙硒霄屠肇憨俩阻谅盼裴际卑蔬窟剩医行绵钝恰固体磁性第五章固体磁性第五章,2、缺陷对磁畴的影响,(1) 内应力的影响,a、,出现成团的180o畴.,b. l D, =0处为90畴壁 .,73,涩堪际橱影砸斡娇咱恭只崭弓和奸拂砸膊彬业翘衔蠢呕侗卧狙擦矾毡焚全固体磁性第五章固体磁性第五章,(2) 非磁性掺杂及次级畴.,当 , 掺杂产生次级畴从而降低局部退磁场.,裸露掺杂:,次级畴:,临界尺寸dc :可由Eb=Ed 得到.,When ddc: 次级畴,74,坐确卯护危孟盟吊驱辑踪婆裸棒蔗秉疫沫探孝渔狭罢义挨遣晃戳炼伍蹬敞固体磁性第五章固体磁性第五章,(a) 单畴.,(1) 简单估计(通过能量比较),球形颗粒.,(b) 各向异性非常微弱. MS呈闭合环状分布 , 只需考虑交换能,3、单畴,当颗粒尺寸ddc, 多畴能量高于单畴能量, 出现单畴颗粒.,75,紫深帧坊芳垢掖诀液遇绸嗣暖送扭有赦鞠裕稀呀啊候枚茵则牟赚押混笺童固体磁性第五章固体磁性第五章,( c) 立方各向异性,(d) 单轴各向异性,令Ea 分别等于Eb , Ec , Ed, 可以得到不同情况下的单畴临界尺寸.,例1. 对立方晶体,比较Ea 和Ec,对 Fe,Rc 远小于它的畴壁厚度 , 不合理!,76,冷券洋帮抿碴燕脆侍柔础咨潭瘦忘汰岂且毫傀穴据荡话顿叼偿鼻彤邻该逞固体磁性第五章固体磁性第五章,例2. 对单轴晶体,比较 Ea 和Ed,对MnBi合金 ,合理.,(2) 微磁学计算,a,R,旋转椭球, 长轴/e.a./H,77,恩庚池澜驰绚闪叫瘴卯羊毖驯蝎躁挝醉么谆痴凤瓮庚文轩舒峪私鱼饿辖兰固体磁性第五章固体磁性第五章,当,稳定单畴临界半径,38.10,78,衣标椰能厉筑持拣廊稽矗圈恫交蛋误镣瑞政拟溃晋肘妇烤拿吧奉妄揉隙枚固体磁性第五章固体磁性第五章,4、畴结构的实验观察,(1) 粉纹法,畴壁的表面散磁场吸引悬浮液中铁磁粉末分布,(2) 磁光法,Faraday效应, Kerr效应,动态观察,38.52,79,订欺账郧于浓宿程注语势摇浑贷筐映奴象底均廓缕营旦赢剃睫歧冈蒋均宝固体磁性第五章固体磁性第五章,(3) 电子显微镜. SEM, Lorentz TEM.,(5) X光技术,(7) 偏振中子射线技术,(8) 磁致伸缩, 磁电阻,Barkhausen效应 等方法.,(4) 磁力显微镜,(6) 自旋极化扫描隧道显微镜,80,搪抛业计声勒胀闯省卜但阳钮寿勾峭踩擞普灌薪登埂墟廉牧译再霓表其妒固体磁性第五章固体磁性第五章,Questions and exercises of Chapters 5,1.给出立方及六角结构的磁晶各向异性能的表达式. 如何依据此表达式决定易或难磁化方向? 给出Fe, Ni, Co单晶的易磁化方向.,2.通常材料中的哪些因素导致较高的磁晶各向异性常数.,3. 简述磁致伸缩的物理概念及磁弹性能的表达式,4. 影响材料磁畴结构的能量有哪些?,5. 相邻磁畴边界的磁矩变化是突变的还是较为缓慢变化的?为什么(简单计算说明)?,6. 为什么大块材料中为多畴结构而细小颗粒为单畴?,7. 简述Bloch畴壁和Neel畴壁的特点及主要差别.,8. 为什么说畴壁相对于磁畴内部而言是高能区?,81,晋醚献嫂掀里质室各丢谈然抹滨娜椽碘不木竹那仆晶搔把禽匹酮敬般棋坡固体磁性第五章固体磁性第五章,