薄膜的磁學(xué)性質(zhì)

薄膜的磁學(xué)性質(zhì)

鐵磁性(ferromagnetism)

一、自發(fā)磁化強度(spontaneousmagnetization)

鐵磁晶體相鄰兩個原子之間存在著交換作用，致使它們的磁矩平行排列，在一定溫度以下，熱運動不足以破壞這種有序性。

物質(zhì)鐵磁性不僅是原子或離子磁性反映，更是晶體中相鄰原子或離子之間相互作用的反映。

交換作用使鐵磁質(zhì)內(nèi)部一定范圍的原子或離子磁矩平行排列，無外磁場作用時，宏觀體積內(nèi)已具有一定的磁化強度，為鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化強度。不同的鐵磁質(zhì)具有不同的自發(fā)磁化強度。二、居里溫度(Curietemperature)

溫度超過某一臨界溫度時，交換作用不足以克服熱運動作用，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化強度將消失。這個臨界溫度稱為鐵磁質(zhì)的居里溫度或居里點。

鐵的居里溫度是770℃,鐵硅合金的690℃等。鐵磁質(zhì)處于居里溫度以上鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴?/p>

三、鐵磁體內(nèi)的磁疇(magneticdomain)結(jié)構(gòu)

在無外磁場作用時自發(fā)分裂為很多小區(qū)域稱為磁疇。每個小區(qū)域內(nèi)原子或離子磁矩平行排列，而各磁疇取向平均抵消，能量最低，因而整個鐵磁體對外不顯示磁性。鐵磁體將通過兩種途徑實現(xiàn)磁化。

磁場較低時，與外磁場方向相同或相近的磁疇體積將增大，與外磁場方向相反或夾角接近180的磁疇體積將縮?。淮艌鲚^高時，每個磁疇將作為一個整體轉(zhuǎn)到外磁場方向。

如果磁化達到飽和后再撤除外磁場，鐵磁體將重新分裂為很多磁疇，但每個磁疇狀況和磁化強度取向，并不恢復(fù)到原先沒加外磁場的情形。這就使鐵磁質(zhì)的磁化過程表現(xiàn)出不可逆性。磁疇的變化可用金相顯微鏡觀測。四、磁滯現(xiàn)象(magnetichysteresis)

無外磁場作用時，如果鐵磁體對外不顯示磁性，即M=0，這時鐵磁體所處的狀態(tài)稱為退磁狀態(tài)。M縱坐標(biāo)H橫坐標(biāo)坐標(biāo)系中原點O表示退磁狀態(tài)。

用Mr

表示剩余磁化強度；使鐵磁體剩余磁化強度全部消失時所必須施加的反向磁場稱為矯頑力，常用Hc

表示。MHMsMrO

飽和磁化強度用Ms

表示。基本磁化曲線，通常不是直線，鐵磁體的磁化率m不是常量，是磁場強度H的函數(shù)。

隨著磁場強度的變化，鐵磁體的磁狀態(tài)沿著一閉合曲線變化，此閉合曲線就稱為磁滯回線。

參量B與H間的關(guān)系也表現(xiàn)為類似的閉合曲線。鐵磁體磁化過程的這種不可逆性，稱為磁滯現(xiàn)象。

鐵磁材料具有不同形狀的磁滯回線，具有不同的應(yīng)用。

1.軟磁材料：如硅鋼、坡莫合金(一種鐵鎳合金)、錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等。BHHc-Hc

特點：r大，易磁化、易退磁(起始磁化率大)，飽和磁感應(yīng)強度大，矯頑力(Hc)小，磁滯回線的面積窄而長，損耗小(HdB面積小)。

作變壓器，還用于繼電器、電機、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒。

2.作永久磁鐵的硬磁材料：碳鋼、鋁鎳鈷、稀土鈷、釹鐵硼和鋇鐵氧體等。矯頑力大(>102Am-1)剩磁大，磁滯回線的面積大，損耗大BHHc-Hc

3.作存儲記憶元件的矩磁材料:

三氧化二鐵或二氧化鉻粉層、坡莫合金薄膜和鋰錳鐵氧體等。

Br=Bs

，Hc不大，磁滯回線是矩形。當(dāng)正脈沖產(chǎn)生，H>Hc使磁芯呈+B態(tài)，負(fù)脈沖產(chǎn)生，H<–Hc使磁芯呈–B態(tài)，可作為二進制的兩個態(tài)。

還用于磁電式電表中的永磁鐵，耳機中的永久磁鐵，永磁揚聲器。

計算機硬盤和軟盤，錄音、錄像磁帶等。

BHHc-Hc

5.磁屏蔽

用軟磁材料（如坡莫合金）做成的閉合空腔，由于空腔的磁導(dǎo)率比外界大得多，絕大部分磁感線從空腔壁內(nèi)通過，而不會有外磁場進入腔內(nèi)，達到磁屏蔽的目的。把磁導(dǎo)率不同的磁介質(zhì)放在磁場中，在介質(zhì)交界面上磁場會發(fā)生突變，磁感應(yīng)強度大小和方向都要發(fā)生變化而引起磁感線折射。這時磁感線對界面法線的偏離很大，產(chǎn)生強烈的收縮。

4.微波磁材料：在微波波段使用的鐵磁材料，不僅磁滯回線狹小，而且還必須具有很高的電阻率，鎳鋅鐵氧體和釔鐵氧體屬于此類。

磁疇磁疇：指在未加磁場時鐵磁體內(nèi)部已經(jīng)磁化到飽和狀態(tài)的小區(qū)域。主疇：大而長，自發(fā)磁化方向沿晶體的易磁化方向。副疇：小而短，磁化方向不定。磁疇壁：相鄰磁疇的界限。

疇壁是相鄰兩磁疇之間磁矩按一定規(guī)律逐漸改變方向的過渡層。疇壁類型

按疇壁兩側(cè)磁矩方向的差別分：90度疇壁、180度疇壁180°90°90°兩相鄰疇的磁化方向相反兩相鄰疇的磁化方向垂直兩個相鄰磁疇的方向可能相差109°或71°等，這樣的疇壁也稱90°疇壁。SNNSNS（a）疇壁在雜質(zhì)中心（b）疇壁在雜質(zhì)附近雜質(zhì)、氣泡等的影響看出：疇壁在雜質(zhì)中心時，退磁場能減小很多，同時疇壁面積減小，疇壁能降低。因此疇壁位于雜質(zhì)中心時為最穩(wěn)定狀態(tài)，疇壁位移需要外磁場做功。所以，這種雜質(zhì)和空隙越多，疇壁移動越困難，磁導(dǎo)率越小

按疇壁中磁矩轉(zhuǎn)向的方式：布洛赫壁，奈爾壁

大塊晶體材料內(nèi)的疇壁屬于布洛赫壁。在布洛赫壁中，磁矩的過渡方式是始終平行于疇壁平面，180°疇壁即為布洛赫壁。

極薄的磁性薄膜中存在奈爾壁。在奈爾壁中，磁矩圍繞薄膜平面的法線改變方向，并且是平行于薄膜表面而逐步過渡的。薄膜的磁疇磁性薄膜的膜厚D較厚時，磁矩在疇壁平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在疇壁內(nèi)不產(chǎn)生磁荷，而表面磁荷的退磁場影響很小，稱Bloch疇壁。但當(dāng)膜厚很薄時，表面磁荷的退磁場就顯重要，磁矩將在膜面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，即在膜面不產(chǎn)生磁荷，而磁荷在疇壁中和兩側(cè)，稱為Neel疇壁。

對Fe-Ni膜，D>100nm是Bloch疇壁,D<30nm是Neel疇壁，其中間是過渡態(tài)的十字壁。

理論上講，D<12nm時，薄膜就是單疇，但由于膜內(nèi)退磁場很難均勻，因此總會有磁疇產(chǎn)生。

磁泡疇

對于單軸各向異性材料的薄片或薄膜，如果加偏置磁場，可以使小圓柱性磁疇（直徑在1～100μ范圍）處于穩(wěn)定狀態(tài)，這種磁疇結(jié)構(gòu)在顯微鏡下觀察很像氣泡，故稱為磁泡。磁泡是在一些薄膜磁性材料中出現(xiàn)的一種圓柱形磁疇。無磁場作用磁場作用鐵磁性各向異性1、磁晶各向異性鐵單晶磁化曲線

在測量單晶鐵磁性樣品時發(fā)現(xiàn)沿不同晶向的磁化曲線不同。

其中有一個方向的磁化曲線最高，即最容易磁化。

在單晶體的不同晶向上，磁性能不同的性質(zhì)，稱為磁性的各向異性。

21.5%Fe-Ni合金磁化曲線2、退火產(chǎn)生的感生磁各向異性A：縱向磁場冷卻B：冷卻時無磁場C：在垂直或圓磁場中冷卻3、軋制產(chǎn)生的感生磁各向異性

平行于軋制方向的磁化完全通過磁疇轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，為線性磁化曲線。4、形狀各向異性及退磁能

鐵磁體的形狀對磁性有重要影響沿長片狀試樣不同方向測得的磁化曲線形狀各向異性

巨磁阻效應(yīng)是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻最大。巨磁阻效應(yīng)一、合金磁頭材料

含鉬坡莫合金(4wt%Mo-17%Fe-Ni)磁芯材料：飽和磁化強度比鐵氧體磁心材料高出很多，因而具有很好的寫入特性。但耐磨性差，不能用于VTR等錄像帶運動速度很高的場合。電阻率較低，即使在中頻下，由渦流造成的磁導(dǎo)率下降也十分顯著，因此通常采用薄膜層疊結(jié)構(gòu)。坡莫合金系磁心用薄膜現(xiàn)在主要用電鍍、濺射鍍膜等方法制作。

仙臺斯特合金(Fe-9.6%Si-5.4%Al系)磁芯材料：導(dǎo)磁率與高鎳的Fe-Ni合金相當(dāng)，Hv達500，飽和磁感應(yīng)強度約1T，電阻率110×10-8·m。該合金制備的磁頭具有高的耐磨性和優(yōu)良的高頻特性。是四磁頭錄像技術(shù)中普遍應(yīng)用的磁頭材料。缺點是對合金成分的變化非常敏感，又硬又脆，難加工，使磁頭價格昂貴。二、鐵氧體磁頭材料

以Mn-Zn和Ni-Zn鐵氧體為主，電阻率比大部分金屬磁性材料至少要高3個數(shù)量級，因此損耗較低，可用在高頻領(lǐng)域。硬度Hv達600～700，耐磨性高，主要用于制作錄像機、數(shù)字磁帶機、磁盤機和磁鼓的磁頭鐵心。飽和磁感應(yīng)強度低，因此在提高記錄密度方面有困難。目前應(yīng)用最多最普遍的是多晶熱壓鐵氧體，其最大缺點是磁頭縫隙附近容易產(chǎn)生剝落，從而導(dǎo)致磁記錄質(zhì)量的下降。采用單晶和取向鐵氧體抗剝落性得到顯著改善，但增加了磁頭制造工藝的難度。磁記錄之主要磁頭材料三、非晶態(tài)磁頭材料晶體磁各向異性為零，由于不存在晶界及晶格缺陷引起的內(nèi)應(yīng)力，因此矯頑力很低。薄膜化可使渦流損耗變得很小，明顯改善高頻特性。已開發(fā)出耐磨性、耐腐蝕性均優(yōu)良的實用型非晶態(tài)磁頭材料，如Co-Nb-Zr（金屬-金屬系）、Co-Fe-Si（金屬-非金屬系）。四、微晶薄膜磁頭材料典型的體系為[Fe-M(Nb,Ta,Zr,Hf,Ti,V等)-X(N,C,B)]，由濺射沉積法形成非晶態(tài)膜，而后加熱形成微晶，通過晶粒微細化，達到磁致伸縮。通過添加X，來抑制晶粒生長，與上述M元素一起實現(xiàn)熱穩(wěn)定性，從而獲得更大的飽和磁化強度，用其制作的磁頭要比非晶材料更適合高矯頑力磁性介質(zhì)的高密度特性。五、多層膜磁頭材料將超薄膜周期性積層獲得。以Fe-C/Ni-Fe多層膜為例，由于多層膜效應(yīng)抑制了柱狀晶生長（抑制了磁各向異性），微晶化實現(xiàn)了低磁致伸縮。Bs高達2T，Hc也很低，但耐熱性差，在500℃熱處理后晶粒長大，軟磁性能變壞。六、磁電阻磁頭材料因坡莫合金(Ni90Fe10)的磁各向異性小，磁電阻系數(shù)大，因此仍是沿用至今的MR磁頭材料。高磁力高記錄密度低噪聲高可靠性1）飽和磁通密度（Bs）大2）矩形比(Br/B