磁晶各向异性

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。
W
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

Ms
0
HdM
2.1 感生磁各向异性的定义
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
1 2 2 1
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。
我们用Fe -Ni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。
现设镍的浓度很小（远远小于1），无序时就没有 Ni - Ni 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。
lo lNi Ni lFeFe 2lFe Ni
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。
Fe
无序
完全有序
方向有序
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：
E K0 Sin2
式中 K 0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 l0 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。
主要内容：
1 2 3
内容回顾
感生磁各向异性
交换各向异性
1.1 磁晶各向异性：
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
2.2 分类
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生长感生磁向异性 应力感生磁向异性
磁场感生磁向异性
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。
F K0 sin 2 Kd cos 0 MH cos
K0 sin 2 (H Kd 0 M )0 M cos
磁滞回线上的矫顽力 H C是由 F 0 和 2 F 2 0
来决定，根据上面各式，可以得到矫顽力的表达式：
HC
上式说明，磁滞回线沿磁场坐标轴向左边偏移了
Ea Kd cos
H交换
磁场中冷却到77K。
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。
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。
单向各向异性的转矩表达式是：
L( ) Kd sin
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：
2
其中 为磁场H与磁化强度M的夹角，则转矩为：
W L( )d
0
L( ) HM sin
Co-CoO在磁场中的自由能包括三部分： ⑴ Co的单轴磁晶各向异性能； ⑵ Co与CoO界面的单向各向异性能; ⑶ 磁场能。 其数学表达式为：
(4.19)
⑵ 转矩曲线为 sin 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：
Ea Kd cos
(4.20)
Kd为交换各向异性常数，它 取决于颗粒的总表面积。
3.3 Co-CoO在磁场中的自由能
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。
2.3 感生磁各向异性的机理
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 TC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 。
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：
107 1 从300K在 H 4 A m
Kd 0M
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(c)表示在此温度下，外加反向磁场， 使Co原子磁矩转动，但对CoO的原子磁 矩却影响甚小，如将反向磁场去掉，由 于介面层上Co和CoO之间的交换作用， 仍可以使Co原子磁矩又恢复到原磁化方 向。宏观上呈现出磁各向异性，并使整 个磁滞回线偏移了。如图(d)。
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。
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。
2K0 Kd 0 M 0 M
的大小，而 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。
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2K0 0 M 是单轴磁晶各向异性的矫顽力，未经磁
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