铁磁学
铁磁学-可逆磁化过程
sin ,
K2
K1
则有
h 1 NM S 2m2
m
Hk
Sucksmith-Thompson关系
9.2 可逆畴壁位移
(1) 刚性畴壁近似 畴壁在位移过程中不会变形
平衡条件
H=0时,畴壁按总自由能最低分布. H≠0时, 畴壁位移到总自由能最小
的平衡位置. UH Ui min.
UH Ui FH Fi dV 0
为一直线
材料能在一个有限大小的磁场H=2Ku/Ms时,达到饱和
对取向混乱的单轴的单畴颗粒集合体
M R 0.5M s
材料的初始磁化率
i
M H
H 0
M / H /
0
Mssin( 0 )
Ku 2 cos2 sin( 0 ) sin 2 cos( 0 )
0Ms
sin 2 ( 0 )
样品总的磁化强度为
M
2M S
S cos
40
M
2 S
cos2 H
S
初始磁化率为
i
M H
4
0
M
2 S
cos2 S
对于K1>0的立方晶系材料(如Fe)
cos2
1 3
(12
2 2
32 )
1 3
i
40M
2 S
3
S
对于K1<0的立方晶系材料,易磁化方向为<111>型方向
cos2
1 4
[
1 3
(1
E
K 1sin 2
K2
sin 4
0 MsH
sin
N 2
0M
2 S
sin 2
平衡时 E 0
铁磁学1.2PPT课件
C
4. 在居里温度附近出现比热等性质的反常。
T Tp
5. 磁化强度M和磁场H之间不是单值函数,存在磁滞效应。
构成这类物质的原子也有一定的磁矩,但宏观表现却完
全不同于顺磁性,解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最
大挑战,虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论, 但仍有很多问题有待后人去解决。
的原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性。此外,传导电
子也具有一定的顺磁性。
7
顺磁性物质也很多,常见的顺磁性物质: 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属:Mn,Cr,W,La,Nd, Pt,Pa, 含有以上元素的化合物:MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3, 碱金属和碱土金属:Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba 包含有奇数个电子的原子或分子: HCl,NO,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物: O2,有机物中的双自由基等
8
3. 铁磁性(Ferromagnetism) :
这是人类最早发现并利用的强磁性,它的主要特征是:
1. 0 磁化率数值很大。 100 105
2. 磁化率数值是温度和磁场的函数;
3. 存在磁性转变的特征温度——居里温度,温度低于居里温
度时呈铁磁性,高于居里温度时表现为顺磁性,其磁化率
温度关系服从居里-外斯定律。
FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3, FeCl2, FeF2, MnF2, FeS, MnS
右图是1938 年测到的MnO 磁化率温度曲线,它是被 发现的第一个反铁磁物质, 转变温度 122K。
14
该表取自Kittel 书2005中文版p236,从中看出反铁磁物质的 转变温度一般都很低,只能在低温下才观察到反铁磁性。
铁磁学PPT课件-动态磁化过程
1 时,进动速度与没有阻尼时相差无几。但由于阻尼小,
磁化矢量要经过很长时间才能转到-z方向
最快的反转速度
min
2 0
2 H
( 1)
12.3 交变场下的自旋共振
与易磁化方向垂直的方向上施加一交变场 ,畴壁不发生位移, 磁畴中的磁化矢量将发生转动
磁化矢量所受的有效场
H
eff
(
2K1
)k i e jt
( A)
2 dt
在半径r处由涡流产生的反向磁场为
H r0 r
j(r)dr
0 4
dM dt
(r02
r2)
(奥斯特)
越到内部合成磁场越小
效应随频率稿而增强
趋肤厚度:交变场减小到表面值的 1/e处的深度
涡流反常
由于微涡流效应的存在而产生
假定棒状样品只包含一个园柱形式180°畴壁 在畴壁园筒之内。感生电动势为零
V
(r)
0r02
dM dt
电源密度 j(r) V (r) 0 r02 dM
2r 2 r dt
单位体积的平均涡流损耗为
1
W r02
r0 R
V (r)
j(r)dr
802 r02
M
2 S
R
2
(
dR dt
)2
ln
r0 R
dM
dt 以均匀磁化的值代入
W
2 0
r02
( dM )2 ln
r0
2 dt R
1 2
磁畴结构的存在大大展宽了共振区的范围
12.4 畴壁运动方程
畴壁有效质量
以速度v运动的畴壁其能量比静止畴壁的要高 定义畴壁的有效质量为
m 2 / v2
铁磁学PPT课件-局域电子磁性
Pl
e2 4m
2
0H
2 是电子轨道半径在与 H垂直方向上投影的均方 值
设单位体积含N个原子,每原子有Z个电子
M d
N
z
(l )H
i 1
N( e2 ) z 4m i1
2
0H
d
N0
(
e2 4m
)
i
2
对满壳层 d
N
0e2
6m
ri2
i
(
2
2 3
ri2
)
量子力学中的计算
H 1
场为:
H mA ABM B AAM A
同理
H mB BAM A BBM B
设A、B次晶格中磁性离子相同,则
JA JB J gA gB g
nA
nB
Байду номын сангаас
N 2
AA
BB
AB
BA
有效场H A H M B M A H B H M A M B
每个次晶格磁化强度
M A M A0 BJ ( A ) A g J JB 0 H A / kT
M
M
0
(1
1
)
M0
系统趋向于饱和
空间量子化修正
实际上,磁矩在磁场方向投影并
非连续分布,只能取
mJ J ,(J 1),, J 1, J共2J 1个取向
在磁场中势能 V 0m J g J B H
态和Z
J
emJ gJ B0H
kT
sh( J
1 2
)
X
mJ J
sh X
X gJ B0H kT
2
M NkT LnZ
2 反铁磁性结构的实验证实
铁磁学性能材料物理性能
磁化强度与材料的微观结构、晶体取向、杂质和缺陷等 有关。
磁化强度的测量通常采用磁强计或霍尔效应测量仪等设 备进行。
磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线是描述铁磁材料在 磁场中被磁化的过程中,磁 感应强度随磁场强度变化的
曲线。
铁磁学涉及到材料的磁化、磁滞、磁畴结构等基本概念,以及与材料内部结构和电 子状态相关的物理机制。
铁磁学的重要性
01
铁磁材料在现代工业和科技领域 中具有广泛的应用,如电机、发 电机、变压器、磁记录、磁悬浮 等。
02
铁磁学的发展对于推动相关领域 的技术进步和产业升级具有重要 意义,同时也为新材料和新能源 的开发提供了理论基础。
铁磁材料的磁性能对磁记录和磁头的性能有着重要影响。高剩磁比和矫顽力使得铁磁材料能够在磁场 中保持稳定的磁化状态,从而提高了数据的存储密度和可靠性。此外,铁磁材料的耐腐蚀性和温度稳 定性也是选择和应用时需要考虑的因素。
磁流体和磁性分离
磁流体和磁性分离是利用铁磁材料的 磁性来实现物质分离的物理方法。在 磁流体中,铁磁颗粒被用来传递磁场; 在磁性分离中,铁磁颗粒被用来吸附 目标物质。
详细描述
铁磁材料的电导率受到多种因素的影响,如 温度、磁场、金属杂质等。在一定温度下, 随着磁场强度的增加,铁磁材料的电导率通 常会降低。金属杂质对铁磁材料的电导率也 有显著影响,通常会引入额外的散射机制, 降低电导率。
介电常数和介电损耗
总结词
介电常数衡量了电场作用下材料的极化程度,而介电损耗则反映了材料在电场作 用下的能量耗散。
数来表示。
铁磁材料的热膨胀系数随温 度的升高而增大,这是因为 材料内部的原子或分子的振 动幅度增大,使得原子之间
铁磁学PPT课件-铁磁体中的能量
3 2
100
(
i2i2
1) 3
3111
' ii j j
When M s // l //[100], When M s // l //[111],
(l
l
)[100][100]
100
(l
l
)[111][111]
111
When 100 111 :
l 3 (cos2 1)
l2
3
对多晶体(忽略织构)
2
( )退磁态
0
d 0
3 (cos2 1) sin
2
3
2
d sind
0
0
dd 0
对(b)
( )退磁
(a) (c)
( )饱和
( )退磁
对(c)
饱和
(b) (c)
( )饱和
( )退磁
0
对(a) 对(c) 对(d)
H 0时 / 3 (cos2 1)
2
3
/ 3 (cos2 1)
/ 0
2
3
3 2
(cos2
1) 3
3 2
(cos2
1) 3
3 2
(cos2
1) 3
3 2
(cos2
cos2
)
单轴晶体中磁化过程示意图
(2) 磁致伸缩的机理
W (r, ) g(r) p(r)(cos2 1) q(r)(cos4 6 cos2 3 )
磁性材料的能量主要有:
1.交换作用能Eex
主要指磁化矢量互不平行的状态相对于磁化矢量互 相平行的状态时交换能的增加。
2.磁晶各向异性能Ean 3.磁弹性能E 4.静磁能EM
电子科技大学铁磁学课件[优质PPT]
二、铁磁物质中的基本现象
除了存在居里温度外,铁磁性物质还具有如下引人注 目的现象
(1)磁晶各向异性
磁化曲线随晶轴方向不同而有所差别,即磁性随晶轴
方向而异,这种现象存在于铁磁性晶体中,称之为磁晶各
向异性。 [100]
M
M
[0001]
( Hd =- NM)。其作用在于削弱外磁场,故称为退磁 场。因此,材料内部的总磁场强度为 HHeHd
铁磁物质在居里温度附近被强磁场磁化时,交换作用 能变化较大,故温度上升较明显。
T与M2成比例,或者说T与H成比例,H表示物体 在磁化前后的外加磁场差值。由T~M2可以看出,在Tc 附近,H较小时不满足线性关系。对于T= Tc M0=0 时,T~Mn。实验结果表明:Fe,Co,Ni的n值分别为
2.32,2.58,2.82
M
[111]
[110] [111]
[10 1 0 ]
[110] [100]
H
单晶Fe M~H曲线
H
单晶Co M~H曲线
H
单晶Ni M~H曲线
一般常用各向异性常数K1、K2(立方晶体),Ku1、Ku2 (六角晶系或单轴情况)来表示晶体中各向异性的强弱。 它对铁磁体的µi 、Hc等结构灵敏量影响很大,并且随温度 的变化关系比较复杂。一般都是随温度上升而急剧变小。
磁致伸缩对材料的µi以及Hc等有很重要的影响。此外, 其效应本身在实际应用中也有重要作用:
超声波发生器和接受器
传感器(力、速度、加速度等)
延迟线 滤波器 稳频器 磁声存贮器等 要求:λs大、灵敏度 ( B ) 高、磁-弹偶合系数 Kc 大
H
铁磁学 第二章 原子的磁性及物质的顺磁性
、
e2 V (r ) L i Si rij
仍满足洪特规则,但晶体场V(r)首先对轨道能量产 生影响,即能级分裂,简并部分或完全消除。 含3d电子组态的离子的盐类属于此 3. 强晶场
e2 V (r ) L i Si rij
μL
μJ μL-S
μS
3 J ( J 1) S ( S 1) L( L 1) J J ( J 1) B 2 J ( J 1)
3J ( J 1) S ( S 1) L( L 1) 令:g J 2 J ( J 1) 则: J=g J J ( J 1) B
晶体中的晶体场效应 a、晶体场对磁性离子轨道的直接作用 引起能级分裂使简并度部分或完全解除,导致轨 道角动量的取向处于被冻结状态。 b、晶体场对磁性离子自旋角动量的间接作用。 通过轨道与自旋耦合来实现。常温下,晶体中自 旋是自由的,但轨道运动受晶体场控制,由于自 旋-轨道耦合和晶体场作用的联合效应,导致单 离子的磁各向异性。
2、原子磁矩μJ 在磁场中的取向是量子化的; μJ在H方向的分量为: PJ H J H J cos J H J PJ mJ J g J mJ B J J 1 原子总磁量子数:mJ =J,J-1,……-J,(2J+1个取值) 当mJ取最大值J 时, μJ在H方向最大分量为:
构成原子 的总磁矩
物质磁性 的起源
一、电子轨道磁矩(由电子绕核的运动所产生) 由量子力学知:轨道角动量 P l l (l 1)
l e e l Pl Pl 2m 2m e 令 l ,轨道磁力比 2m 则: l l Pl
铁磁学PPT课件-物质磁性分类和原子磁矩
3 孤立原子的磁矩
1) 电子的磁矩:
电子自旋磁矩
S
e m
S
(S为自旋动量矩)
自旋磁矩在外磁场方向上的投影为:
SH
e m ms
1 ms 2
SH
e 2m
Bohr磁子B
e 2m
0.92731023( A m2 )
电子轨道磁矩
L
e 2m
L
(L为轨道动量矩)
gJ mJ
mJ
gJ B
mJ J ,(J 1),,0,......( J 1), J
当L 0, 当S 0,
J S J L
gJ gS 2 gJ gL 1
J J
e
S
me
L
2m
(自旋贡献) (轨道贡献)
3 Hund规则
a) 在泡利原理许可的条件下,总自旋量子数S取最大值。 b) 在满足(a)条件下,总轨道角动量量子数L取最大值。 c)在未满壳层中,电子数小于壳层总电子数一半时,总角动 量量子数J=|L-S|;电子数大于或等于壳层总电子数一半时, J=L+S
H 2 2 ze2 V
2 4 0r
例:立方晶场中的3d电子波函数
3z2 r 2
Y20
1 4
15
1 r2
(3z 2
r2)
x2 y2
1 2
(Y22
Y22
)
1 4
15
1 r2
(x2
y2)
xy
i
1 2
(Y22
Y22 )
1 2
15 1 xy
r2
yz
i
1 2
(Y21
《铁磁学》课程教学大纲
植树节居家活动总结报告一、活动背景植树节是中国一个重要的节日,也是一个环境保护和生态建设的重要宣传时刻。
而今年正值新冠疫情期间,因此无法外出参加大型的植树活动,所以我便想到在家进行一场居家植树活动,既能响应国家号召,又能充分发挥家庭成员的力量,一起为环境保护出一份力。
二、活动准备在活动开始前,我事先做好了一些准备工作。
首先,我在网上查找了一些关于植树的知识和技巧,以便在活动中能够指导家人们正确地植树。
其次,我准备了一些种植工具,包括铁锨、铲子、水桶等,以便在活动中使用。
最后,我还购买了一些树苗,包括松树、樱桃树等,以便在活动中进行植树。
三、活动过程在植树节当天,我们全家人早早地就开始了居家植树活动。
首先,我和家人们一起清理了家里的院子,为植树活动做好了准备工作。
然后,我在院子里挖好了一些树坑,准备植树。
接着,我在家里的花盆中种植了一些花草,以美化家居环境。
随后,我便开始了植树工作。
我先向家人介绍了植树的方法和技巧,然后我和他们一起进行了实践。
在我们的指导下,家人们纷纷拿起铁锨、铲子,开始了植树的工作。
我们一边说笑一边劳动,充满了欢乐的气氛。
经过几个小时的努力,我们终于完成了植树工作。
这时,院子里已经绿树成荫,花香四溢。
在这个过程中,家人们不仅体会到了植树的乐趣,还增强了环保意识,培养了团队合作精神。
四、活动效果这次居家植树活动取得了很好的效果。
一方面,我们家植树活动响应了国家号召,积极参与了植树节的活动。
另一方面,通过这次活动,我们家人不仅获得了植树的技巧和经验,还增强了环保意识,培养了团队合作精神。
同时,通过花盆种植活动,使我们的家居环境更加美化,也提升了家人们的幸福感和归属感。
总之,这次居家植树活动是一次很成功的活动。
我们不仅为环境保护出了一份力,还提高了家人的环保意识和团队合作精神,同时也美化了家居环境。
我相信,通过这次活动的举行,能够在整个家庭中树立起更加积极健康的生活态度,也能够为社会的和谐发展出一份力量。
铁磁学PPT课件-能带磁性
p
3n0
2 B
2kTF 0
m* m
在有限温度下
p
3n0 B2
2kTF 0
[1 2
12
( T )2 ] m* TF 0 m
2 传导电子抗磁性
自由电子在空间运动,受磁场作用改变运动方向,绕磁
场方向进动,产生与磁场方向相反的磁矩。
在磁场中传导电子的哈密顿量为:
H
解此方程,得能量本征值为
1 2m
(
p
N (E)dE 1
可求得
EF
2
EF 0[1 12
EF
0
[1
2
12
( kT EF 0 T ( TF 0
)2 ] )2 ]
EF 0 k TF 0
Fermi能随温度升高而下降, 但由于TF0 ~ (104 105 )K, Fermi能的实际变化很小
4.2 自由电子的顺磁性和抗磁性
1 自由电子顺磁性(泡利顺磁性)
2
Vm
23
2mE dE N (E)VdE
其中N ( E)
1
2
2
(
2m 2
)3
/
2
E
是能量为E时单位体积的状态密度。与E 的关系 是一个抛物线。
电子 在能带中分布与温度的变化关系遵从Fermi-Dirac统计,即
在温度T,处于能量为E的状态的几率为
1 f (E) e(EEF )/kT 1
T 0K时, E EF 0
金属中的某些电子不再是束缚于个别原子,而是在整个固体中运动, 称为巡游电子。这些电子不再具有明显分立的能级,而是形成能量连 续分布的能带。
一般金属:如碱金属除去价电子(S电子)外,正离子实是由满壳层 组成的,故情况简单。(顺磁性)
铁磁学教学大纲
铁磁学课程教学大纲Ferromagnetism课程性质:专业选修课适用专业:物理学专业先修课程:基础物理、量子力学I后续课程:磁存贮材料与技术总学分: 3学分其中实验学分: 0教学目的与要求:铁磁学是学生深入研究现代磁性材料的学科基础。
本课程讲授物质磁性的起源、物质磁性的分类、各种磁性的磁学理论、并介绍一些与磁学相关的科研。
通过本课程的学习,使学生对磁学的客观规律有深刻的认识,为进一步学习磁性材料课程和从事磁学研究打下坚实基础。
第一章物质磁性的起源及分类(10)§1.1 原子的壳层结构§1.2 原子的磁矩§1.3 洪德法则§1.4 主要的磁性元素§1.5 晶场作用和轨道角动量冻结§1.6 物质磁性的分类说明:1了解物质磁性的起源及分类2掌握原子磁矩的计算(重点)3了解晶场作用和轨道角动量冻结(难点)第二章物质的抗磁性和顺磁性(8)§2.1 局域电子的抗磁性§2.2 自由电子的抗磁性§2.3 顺磁性的分类§2.4 朗之万顺磁理论§2.5 自由电子的顺磁性§2.6 抗磁和顺磁的量子理论说明:1了解局域电子和自由电子对磁性的贡献2掌握抗磁和顺磁磁化率的理论计算(重点)3理解抗磁和顺磁的量子理论(难点)第三章自发磁化的分子场理论(10)§3.1 自发磁化的一些实验现象§3.2 外斯分子场理论(铁磁)§3.3 奈尔定域分子场理论(反铁磁)§3.4 亚铁磁的定域分子场理论说明:1理解自发磁化和分子场理论的相关概念2掌握自发磁化和磁化率的计算(难点、重点)第四章自发磁化的交换作用理论(8)§4.1 氢分子§4.2 海森堡直接交换作用§4.4 安德森超交换作用§4.5 RKKY交换作用说明:1理解交换作用的来源及本质(难点)2 掌握三种交换作用的物理图像和相关计算(重点)第五章自旋动力学方法(6)§5.1 磁性系统的哈密顿量§5.2 有效磁场§5.3 LLG方程§5.4 自旋动力学模拟过程说明:1 理解哈密顿量中各项的物理含义及其对平衡态的要求(难点)2掌握有效磁场的计算3 理解并掌握自旋动力学模拟方法(重点)第六章自旋波理论(6)§6.1 自旋波能量§6.2 铁磁性的统计理论§6.3 H-P变换§6.4 不同晶格的结构因子说明:1 掌握结构因子和自旋波能普的计算(难点、重点)2 理解铁磁性的统计理论参考书:1、《铁磁学》戴道生编著科学出版社,20002、《铁磁学》姜寿亭编著科学出版社,19933、《凝聚态磁性物理》姜寿亭李卫编著科学出版社,20034、《固体物理学》(下册)方俊鑫、陆栋编著上海科学技术出版社,19805、《固体物理学》黄昆编著高等教育出版社,1988教研室:物理教研中心执笔人:苏垣昌制定日期:二零一一年四月。
铁磁学中的自旋力学
铁磁学中的自旋力学铁磁学是物理学中的一个分支,研究磁性物质的性质和行为。
自旋力学是铁磁学中的一部分,研究材料中自旋的行为。
自旋是磁性物质中的一个重要特征,它决定了物质的磁性和电子结构。
本文将介绍铁磁学中的自旋力学原理和应用。
1. 自旋的概念和特征自旋是磁性物质中的一个微观特征,它不同于物体的旋转,而是描述电子围绕自身轴线旋转的特性。
自旋是一个量子力学的概念,用量子数s表示,通常为1/2,-1/2等。
自旋是产生磁矩的原因。
一个电子的磁矩与它的自旋向量成正比,而与它的轨道动量成正比。
自旋有一些重要的特征。
首先,它是量子化的,只能取离散的值。
其次,自旋可以存在于磁性材料中的每一个单电子中,包括自由电子、离子和原子中的电子。
最后,自旋的方向决定了物质的磁性,比如铁磁性、顺磁性和抗磁性。
2. 自旋力学的基本原理自旋力学是研究电子自旋之间相互作用和电子与磁场相互作用的理论。
它是铁磁学中的一个重要分支,解释了许多关于磁性材料的物理现象。
自旋力学的基本原理是电子自旋之间的相互作用。
自旋之间的相互作用引起自旋的耦合,导致自旋的取向相同。
这种耦合被称为交换耦合,它是铁磁性的重要特征。
交换耦合是由于电子之间的交换作用而产生的,当两个电子的自旋取向一致时,它们的交换能量会降低,从而产生交换耦合。
自旋力学还研究电子自旋与外部磁场之间的相互作用。
当一个材料置于外部磁场中时,它的自旋会沿着磁场方向取向,以最小化磁场能量。
这种自旋取向被称为塞贝克效应。
自旋力学还描述了磁场与自旋翻转之间的相互作用,这种相互作用被称为旋转效应。
3. 自旋电子学的应用自旋电子学是一种基于自旋和磁性的新型电子学技术。
它利用电子自旋的优越性能实现新型电子器件的制造和控制。
自旋电子学在磁性存储器件、量子计算、磁性传感器、磁性隧道结等领域有广泛应用。
自旋电子学的一个主要应用是磁性存储器件。
磁性存储器件通常使用磁性条带来储存数据。
自旋电子学利用自旋取向来编码和读取信息,这样可以提高存储密度和读写速度。
铁磁学绪论
1958年
小口(Oquchi)和BPW(Beche-Peierls-Weiss) 考虑了自旋的近程作用,对临界点附近的相变行 为给出了更好的结果。
1934~1957年 在海森堡交换模型的基础上,铁磁学理
克喇末(Kramers)提出超交换模型来解释绝
缘性化合物(铁氧体)的自发磁化。1950年安
论进一步发展:
铁磁学就是研究强磁性物质中自发磁 化的成因及在不同外加条件下各种物质的 微观磁性和宏观磁性的变化规律 主要包括三部分: 自发磁化的基本现象和理论 技术磁化的机制和理论 交流磁化与磁共振的基本现象和理论
纵观100多年近代磁学的发展历程,经历了由金属—
非金属—金属的过程。这个过程与磁性材料的发展过程相
增大而增强。按照磁化方向与磁场的异同,弱磁性
又分为抗磁性和顺磁性。前者起因于电磁感应,后
者则由于元磁矩在外磁场下的取向。 能量减小,有限大的物质通常被分成若干小的区域, 不同区域的自发磁化方向则不同。
强磁性:表现为在无外加磁场时仍存在自发磁化。为使体系
在无外加磁场情况下,系统总的磁矩趋向于相互抵消. 这些小的区域称为磁畴.在外磁场下,由于畴壁的移动 或者畴内自发磁化方向的改变而通常表现出很强的磁 性。其另一个重要特点是存在一个临界温度,即居里温 点 T ,在 T 以上,由于热运动较强,致使自发磁化的消 c c 失,因此,居里温度是衡量引起自发磁化的微观作用大 小的量度。 强磁性由于自发磁化方式的不同,可分为铁磁性、 反铁磁性、亚铁磁性和螺磁性等,除反铁磁性外,这 些磁性通常又广义地称为铁磁性。
性的d电子并非是完全局域的。从而发展了巡游电子模
型,认为d电子既不像f电子那样局域,也不像s电子那
样自由,而是在各个原子的d轨道上依次巡游,形成
铁磁学PPT课件-铁磁体的磁畴结构
(
,
)d
2 z2 z1
K1 fan ( ,)dz 2 0 sin 01
f
1/ an
2
(
,)d
其中 0 A / K1
是畴壁厚度的单位
0 AK1 K1 0 是畴壁能的基本单位
例1、单轴各向异性的180º畴壁
Fan K1 sin2
fan sin 2
Z
Z 0
dz
2
2
2
1
0 fan 2 ( ,)d 0
2
0
sin2 d 0
畴壁厚度
(2
1 )
dz d
4
0
其他情况
7.3 大块晶体的磁畴结构
磁畴结构的计算通常步骤 (1)根据实验观察或理论推理,提出磁畴结构的模型;
(2)根据模型计算它们的能量,以能量最低的一种磁畴结构作为 实际存在的结构。
7.6 薄膜中的磁畴
1、薄膜中的畴壁
(a) 在薄膜中,Bloch壁的Ms绕着畴壁法线方向旋转,壁上无
磁荷, M S 0 . 但在畴壁与薄膜表面交界处 M s n 0 , 有磁荷出现. 畴壁能随薄膜厚度降低而升高.
单位畴壁面积上的退磁能
DB
0
M
2 S
4
2 D
(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.
2 磁光效应
Faraday效应 Kerr效应
优点 (1)可在各种温度下进行磁畴观察; (2)观察到的是磁畴而不是畴壁
(3)可用于观察磁畴动态过程
3 其他实验方法
(1).铁磁探针测量散磁场的方法,例如坡莫合金探 针和霍尔效应探针等;
铁磁学第一章自发磁性基本概念
磁体无限小时,体系定义为磁偶极子
+m l -m
偶极矩:jm ml 方向:-m指向+m 单位:Wb∙m
用环形电流描述磁偶极子:
磁矩:μ m iA 单位:A ∙m2
二者的物理意义:
表征磁偶极子磁性强弱与方向
jm
0μ m
o 4 10-7 H m1
电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路,必 有一个磁矩(轨道磁矩),但自旋也会产生磁矩(自 旋磁矩),自旋磁矩是基本粒子的固有磁矩。
第一章 物质磁性概述
第一节 基本磁学量 第二节 磁化状态下磁体中的静磁能量 第三节 物质按磁性分类 第四节 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线
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第一节 基本磁学量
一、磁矩 μm (仿照静电学)
永磁体总是同时出现偶数个磁极。
正磁极 正磁荷+m
负磁极 负磁荷-m
思考:磁体内、外部H和B的取向有无不同?
第三节 物质按磁性分类
从实用的观点,根据磁化率χ (=M/H)大小与符号,
可分为五种:
1
一、抗磁性 对于电子壳层被填满的物
d
质,其磁矩为零。在外磁场作
用下,电子运动将产生一个附
O
T
加的运动(由电磁感应定律而
定),出现附加角动量,感生
出与H反向的磁矩。因此:
χd<0,且| χd|~10-5,与H、T 无关。
H I 2r
方向是切于与导线垂直的且以 导线为轴的圆周
2、直流环形线圈圆心:
H I 2r
r为环形圆圈半径,方向由右 手螺旋法则确定。
3、无限长直流螺线管:
H nI
n:单位长度的线圈匝数, 方向沿螺线管的轴线方向
电磁铁磁学名词解释
什么叫磁感应强度〔B〕,什么叫磁通密度〔B〕, B与H, J, M之间存在什么样的关系理论与实践均说明,对任何介质施加一磁场H时〔该磁场可由外部电流或外部永磁体提供,亦可由永磁体对永磁介质本身提供,由永磁体对永磁介质本身提供的磁场又称退磁场---关于退磁场的概念,见9 Q〕,介质内部的磁场强度并不等于H,而是表现为H与介质的磁极化强度J之和.由于介质内部的磁场强度是由磁场H通过介质的感应而表现出来的,为与H区别,称之为介质的磁感应强度,记为B:B=?0H+J 〔SI单位制〕〔1-1〕B=H+4?M 〔CG弹位制〕磁感应强度B的单位为T, CG弹位为Gs〔1T=104G§.对于非铁磁性介质如空气、水、铜、铝等,其磁极化强度J磁化强度M几乎等于0,故在这些介质中磁场强度H与磁感应强度B相等.由于磁现象可以形象地用磁力线来表示,故磁感应强度B又可定义为磁力线通量的密度,磁感应强度B和磁通密度B在概念上可以通用.金属磁性材料分为几大类,它们是如何划分的金属磁性材料分为永磁材料、软磁材料二大类.通常将内禀矫顽力大于0.8kA/m的材料称为永磁材料,将内禀矫顽力小于0.8kA/m的材料称为软磁材料.什么叫磁能积〔BH〕m在永磁材料的B退磁曲线上〔二象限〕,不同的点对应着磁体处在不同的工作状态,B退磁曲线上的某一点所对应的Bm和Hm 〔横坐标和纵坐标〕分别代表磁体在该状态下,磁体内部的磁感应强度和磁场的大小, Bm和Hm的绝对值的乘积〔BmHm〕代表磁体在该状态下对外做功的水平,等同于磁体所贮存的磁能量,称为磁能积.在B退磁曲线上的Br点和bHc点,磁体的〔BmHm〕 =0,表示此时磁体对外做功的水平为0,即磁能积为0;磁体在某一状态下〔BmHm〕的值最大,表示此时磁体对外做功的水平最大,称为该磁体的最大磁能积,或简称磁能积,记为〔BH〕max 或〔BH〕m.因此,人们通常都希望磁路中的磁体能在其最大磁能积状态下工作.磁能积的单位在SI制中为J/m3〔焦耳/立方米〕,在CGS®中为MGOe〔兆高奥斯特〕,4??10 J/m3=1 MGOe什么叫磁场强度〔H〕1820年,丹麦科学家奥斯特〔H. C. Oersted发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转,从而揭示了电与磁的根本关系,诞生了电磁学.实践表明:通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比, 与离开导线的距离成反比.定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1/〔2?〕米远处的磁场强度为1A/m〔安/米,国际单位制SI〕;在CG弹位制〔厘米-克-秒〕中,为纪念奥斯特对电磁学的奉献,定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处的磁场强度为1Oe 〔奥斯特〕,1Oe=1/〔4?〕?103A/m.磁场强度通常用H表示.什么是永磁材料的磁性能,它包括哪些指标永磁材料的主要磁性能指标是:剩磁〔Jr,Br〕矫顽力〔bHc〕、内禀矫顽力〔jHc〕、磁能积〔BH〕m.我们通常所说的永磁材料的磁性能,指的就是这四项.永磁材料的其它磁性能指标还有:居里温度〔Tc}可工彳^温度〔Tw〕、剩磁及内禀矫顽力的温度系数〔?, ??回复导磁率〔?rec.〕、退磁曲线方形度〔?rec., Hk/ jHc>高温减磁性能以及磁性能的均一性等.除磁性能外,永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等;机械性能那么包括维氏硬度、抗压〔拉〕强度、冲击韧性等.止匕外,永磁材料的性能指标中还有重要的一项,就是外表状态及其耐腐蚀性能.什么叫磁路,什么叫磁路的开路、闭路状态磁路是指由一个或多个永磁体、载流导线、软铁按一定形状和尺寸组合, 以形成具有特定工作气隙磁场的构件.软铁可以是纯铁、低碳钢、Ni-Fe合金、Ni-Co合金等具有高磁导率的材料.软铁又称为钝铁,它在磁路中起着限制磁通流向、增加局部磁感应强度、预防或减少漏磁、以及提升整个构件的机械强度的作用.通常将没有软铁时单个磁体所处的磁状态称为开路状态;当磁体处在由与软铁一起构成的磁通回路中时,称此磁体处于闭路状态.什么叫Nd-Fe-B永磁体,它分几大类Nd-Fe-B永磁体是1982年发现的迄今为止磁性能最强的永磁材料.其主要化学成分为Nd 〔铉〕、Fe 〔铁〕、B 〔硼〕,其主相晶胞在晶体学上为四方结构,分子式为Nd2Fe14B 〔简称2:14:1相〕.除主相Nd2Fe14B外, Nd-Fe-B永磁体中还含有少量的富Nd相、富B相等其它相.其中主相和富Nd 相是决定Nd-Fe-B 磁体永磁特性的最重要的二个相.今天, Nd-Fe-B永磁体已广泛应用于计算机、医疗器械、通讯器件、电子器件、磁力机械等领域.Nd-Fe-B磁体分为烧结和粘结二大类.通常的Nd-Fe-B烧结磁体是用粉末冶金方法制造的各向异性致密磁体;而通常的Nd-Fe-B粘结磁体是用激冷的方法获得微晶粉末,每个粉末内含有多个Nd-Fe-B微晶晶粒,再用聚合物或其它粘结剂将粉末粘结成大块磁体,因而通常的Nd-Fe-B粘结磁体是非致密的各向同性磁体.因此,通常的Nd-Fe-B烧结磁体的磁性能远高于Nd-Fe-B粘结磁体,但Nd- Fe-B粘结磁体有着许多Nd-Fe-B烧结磁体不可替代的优点:可以用压结、注射等成型方法制作尺寸小、形状复杂、几何精度高的永磁体,并容易实现大规模自动化生产;另外, Nd-Fe-B粘结磁体还便于任意方向充磁,能方便制作多极乃至无数极的整体磁体,而这对于Nd-Fe-B烧结磁体来说通常很难实现;由于Nd-Fe-B粘结磁体中主相Nd2Fe14B呈微晶状态,因此它还具有比烧结磁体耐蚀性好等优点.什么叫矫顽力〔bHc〕,什么叫内禀矫顽力〔jHc〕?在永磁材料的退磁曲线上,当反向磁场H增大到某一值bHc时,磁体的磁感应强度B为0,称该反向磁场H值为该材料的矫顽力bHc;在反向磁场H=bHc时,磁体对外不显示磁通,因此矫顽力bHc表征永磁材料反抗外部反向磁场或其它退磁效应的水平.矫顽力bHc是磁路设计中的一个重要参量之一.值得注意的是:矫顽力bHc在数值上总是小于剩磁Jr.由于从〔1-1〕式可以看到,在H= bHc处,B=0,那么?0 bHc =J上面已经说明,在J退磁曲线上任意点的磁极化强度值总是小于剩磁Jr,故矫顽力bHc在数值上总是小于剩磁Jr.例如:Jr =12.3kGs的磁体,具bHc不可能大于12.3kOeo换句话说,剩磁Jr在数值上是矫顽力bHc的理论极限.当反向磁场H= bHc时,虽然磁体的磁感应强度B为0,磁体对外不显示磁通,但磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和往往并不为0,也就是说此时磁体的磁极化强度J在原来的方向往往仍保持一个较大的值.因此, bHc还缺乏以表征磁体的内禀磁特性;当反向磁场H增大到某一值jHc时,磁体内部的微观磁偶极矩的矢量和为0,称该反向磁场H值为该材料的内禀矫顽力jHco内禀矫顽力jHc是永磁材料的一个非常重要的物理参量,对于jHc远大于bHc的磁体,当反向磁场H大于bHc但小于jHc时,虽然此时磁体已被退磁到磁感应强度B 反向的程度,但在反向磁场H撤消后,磁体白^磁感应强度B仍能因内部的微观磁偶极矩的矢量和处在原来方向而回到原来的方向.也就是说,只要反向磁场H还未到达jHc,永磁材料便尚未被完全退磁.因此,内禀矫顽力jHc是表征永磁材料反抗外部反向磁场或其它退磁效应,以保持其原始磁化状态水平的一个主要指标.矫顽力bHc和内禀矫顽力jHc的单位与磁场强度单位相同.什么叫居里温度〔Tc〕,什么叫磁体白^可工作温度Tw,二者有何关系随着温度的升高,由于物质内部根本粒子的热振荡加剧,磁性材料内部的微观磁偶极矩的排列逐步紊乱,宏观上表现为材料的磁极化强度J随着温度的升高而减小,当温度升高至某一值时,材料的磁极化强度J降为0,此时磁性材料的磁特性变得同空气等非磁性物质一样,将此温度称为该材料的居里温度T0居里温度Tc只与合金的成分有关,与材料的显微组织形貌及其分布无关.在某一温度下永磁材料的磁性能指标与室温相比降低一规定的幅度,将该温度称为该磁体的可工作温度Tw.由于磁性能的这一降低幅度需要视该磁体的应用条件及要求而定,因此,所谓的磁体的可工作温度Tw对于同一磁体来说是一个待定值,也就是说,同一永磁体在不同的应用场合可以有不同的可工作温度Tw.显然,磁性材料的居里温度Tc代表着该材料的理论工作温度极限.事实上,永磁材料的实际可工作Tw远低于Tc.例如,2^三元的Nd-Fe-B磁体的Tc为312?C,而其实际可工作Tw通常不到100?C通过在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金属以及Co Ga等元素,可显著提升Nd-Fe-B磁体的Tc和可工作Tw.值得注意的是,任何永磁体的可工作Tw不仅与磁体的Tc有关,还与磁体的jHc 等磁性能指标、以及磁体在磁路中的工作状态有关.什么叫剩磁〔Jr, Br〕,为什么在永磁材料的退磁曲线上任意测量点的磁极化强度J值和磁感应强度B值必然小于剩磁Jr和Br值永磁材料在闭路状态下经外磁场磁化至饱和后,再撤消外磁场时,永磁材料的磁极化强度J和内部磁感应强度B并不会因外磁场H的消失而消失,而会保持一定大小的值,该值即称为该材料的剩余磁极化强度Jr和剩余磁感应强度Br,统称剩磁.剩磁Jr和Br的单位与磁极化强度和磁感应强度单位相同.根据关系式〔1-1〕可知,在永磁材料的退磁曲线上,磁场H为0时,Jr=Br, 磁场H 为负值时,J与B不相等,便分成了J-H和B-H二条曲线.从关系式〔1-1〕还可以看到,随着反向磁场H的增大,B从最大值Br=Jr变化到0,最后为负值,对于现代永磁材料,B 退磁曲线的变化规律往往为直线;J退磁曲线的变化规律那么不同:随着反向磁场H的增大,B值线性减小,由于B值的减小量总是大于或等于反向磁场H的增大量,故在J退磁曲线上的一定区域内可以保持相对平直的直线,但其J值总是小于Jr.什么叫磁极化强度〔J〕,什么叫磁化强度〔M〕,二者有何区别现代磁学研究说明:一切磁现象都起源于电流.磁性材料也不例外,其铁磁现象是起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流,亦称分子电流.这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性.由于每一个微电流都产生磁效应,所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子.定义在真空中每单位外磁场对一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩pm,每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度J,其单位为T 〔特斯拉,在CG弹位制中,J的单位为Gs, 1T=104G§.定义一个磁偶极子的磁矩为pm/?0, ?0为真空磁导率,每单位材料体积内磁矩的矢量和为磁化强度M,其SI单位为A/m, CG弹位为Gs传斯〕.M与J的关系为:J=?0M,在CG弹位制中,?0=1,故磁极化强度与磁化强度的值相等;在SI 单位制中,?0=4??10-7H/m停/米〕.。
电子科技大学铁磁学
其中 而
B J (y ) 2 2 J J 1 C2 2 J o J 1 y t2 1 J h C2 y J o t ( 2 ) h
y Jk J g B T H m Jk J g B TM (T )(3 )
当T->0时,y—> ∞,BJ(y)->1,代
入(1)式 M (T 0 ) nJJ g B M (0 )
有磁矩的。如加上外磁场,则在磁场方向会有一总磁
矩M’,设: M’=ngJJμBB(y) 此时y中所包含的磁场是外磁场与分子场之和。(因为
考虑了原子磁矩之间的相互作用以后,只要物体内出
现总磁矩,便有一个分子场)即:
y Jk J g B T (H 外 .+ H m ) Jk J g B T (H 外 + M ')..8 )...23 .(
强的分子场,使原子磁矩有序排列形成自发磁化,这种自 发磁化又局限在一个个被称为磁畴的小区域(10-3—10-5cm) 中。由于物体存在许多这样的小区域,各个小区域的自发 磁化方向又不尽相同,因此在无外加磁场时它们互相抵消, 而显示不出宏观磁性。
1.磁化强度与外磁场强度和温度的关系实验
铁磁物质在很低的外磁场(H~10Oe或103A/m)下就
特点:可只解决目前的现象,而不去追究这些现象的 微观本质。
.
17
19世纪70s初,在实验上 正确地测量出铁磁物质的磁 化曲线。
对其磁化曲线的解释,最 早由罗津格和Weiss于20世纪 初提出。建立于两点假设基 础上:分子场和磁畴。 =>“分子场”理论 =>现代铁 磁性理论的基础。
理现 论代
铁
自发磁化理论
其中
yJgJB kT
Hm
此式也是一条直线,其斜率与(5)式相同,相当于将
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Evolution of magnetization reversal mechanism in Fe-Cr alloy films T. R. Gao, S. P. Hao, S. M. Zhou, and L. SunCitation: J. Appl. Phys. 100, 073909 (2006); doi: 10.1063/1.2357637View online: /10.1063/1.2357637View Table of Contents: /resource/1/JAPIAU/v100/i7Published by the American Institute of Physics.Additional information on J. Appl. Phys.Journal Homepage: /Journal Information: /about/about_the_journalTop downloads: /features/most_downloadedInformation for Authors: /authorsEvolution of magnetization reversal mechanism in Fe-Cr alloyfilms T.R.Gao,S.P.Hao,and S.M.Zhou a͒Surface Physics Laboratory(State Key Laboratory)and Department of Physics,Fudan University,Shanghai200433,ChinaL.SunDepartment of Mechanical Engineering,University of Houston,Houston,Texas77204͑Received8November2005;accepted29July2006;published online13October2006͒A large thinfilm sample of Fe x Cr1−x alloy with a composition gradient͑x=0.38−0.52͒has beenprepared by co-sputtering to investigate magnetic anisotropy and magnetization effects on reversalmechanisms.The single-phased Fe-Crfilms have a bcc structure with͓110͔preferred orientation.Since the magnetization decreases as the Fe content is decreased and the uniaxial anisotropy energykeeps at almost constant,the uniaxial anisotropicfield H K is increased.At the same time,the pinningfield H p͑0͒changes little since the lattice constant of Fe-Cr alloyfilm does not change much withthe composition.Consequently,the H K can be much larger than H p͑0͒for low Fe concentrations andbecomes comparable with increasing Fe concentration.As a result,the magnetization reversalmechanism evolves from a mode based on the pinning and motion of domain wall to another modebased on modified Kondorsky model as the Fe content is increased.©2006American Institute ofPhysics.͓DOI:10.1063/1.2357637͔I.INTRODUCTIONMetallic ferromagneticfilms are of crucial importance because of their potential applications in magnetoelectronics and spintronic devices.In spin valves,for example,ferro-magnetic layers with large asymmetry of spin-dependent scattering are required for high giant magnetoresistance ratio. In order to enhance the sensitivity of the device,small coer-civity and uniaxial anisotropy are desired.More importantly, the control of the magnetization reversal process in free fer-romagnetic layer can help to suppress the noise level caused by imperfect magnetization reversal.1For magnetic materials with uniaxial anisotropy,there are three mechanisms to describe magnetization reversal in magnetic singlefilms,including coherent magnetization re-versal,pinning and motion of domain wall,and the Kondor-sky model.2In the coherent rotation model,the magnetiza-tion reversal is accompanied by the coherent rotation of magnetization under an external magneticfield.In the sec-ond model,the magnetization reversal is accomplished only through the motion of the domain wall when the pinning field of the domain wall H p͑0͒along the easy axis must be much smaller than the uniaxial anisotropicfield H K͑=2K U/M S͒,where the K U is the induced uniaxial aniso-tropic energy and M S is the saturation magnetization.H p͑0͒is equal to the maximum of thefirst derivative of the areal domain wall energy with respective to the location.The switchingfield H S͑H͒is the magneticfield to overcome the irreversible motion of the domain wall and H S͑H͒=H p͑0͒sec͑H͒.3It is usually found in single crystal mate-rials with large intrinsic uniaxial anisotropy like CrO2, LaSrMnO3,barium ferrite,and some permanent magnetic materials.2,4–6In addition to these two mechanisms,the Kon-dorsky model is developed to describe the magnetization re-versal under the condition where the H p͑0͒and H K are com-parable,and the above two magnetization reversal mechanisms coexist.Up till now,in most studies,the mag-netization reversal mechanism has been studied case by case and few experimental studies have been performed on the evolution of the magnetization reversal mechanism in one system.On one hand,in most of the binary alloys of transition metals,magnetization can be tuned continuously through composition control,and thus these systems can provide im-portant information on the evolution of magnetization reversal.7The uniaxial anisotropy can be induced in the alloy films by deposition magneticfield and have a maximal value at a certain composition.To achieve a wide enough expan-sion of H K,single phase alloys with a wide composition range and thus a wide magnetization range are desired.In this work,we have chosen metastable single-phased Fe-Cr alloyfilms as an example to study the evolution of the mag-netization reversal mechanism with the alloy composition.It is well known that the Fe-Cr alloy exhibits antiferromag-netic,spin glass and ferromagnetic phases in the Fe concen-tration range from0.5to30at.%.8,9For the Fe concentra-tion higher than30at.%,the ferromagnetic phase can usually be observed.As the magnetization is decreased with decreasing Fe content,the magnitude of H K varies sharply with the composition.10On the other hand,since the lattice constant of the Fe-Cr alloys does not change significantly as a function of the alloy composition,the H p͑0͒of the domain wall displacement is expected to change little.Therefore,the magnetization reversal mechanism can be expected to change through modification of the ratio H p͑0͒/H K as a func-tion of the alloy composition.a͒Author to whom correspondence should be addressed.Electronic mail:shimingzhou@JOURNAL OF APPLIED PHYSICS100,073909͑2006͒0021-8979/2006/100͑7͒/073909/6/$23.00©2006American Institute of Physics100,073909-1II.EXPERIMENTSA large sample ͑1cm ϫ5cm ͒of a Fe-Cr alloy film was deposited onto a glass substrate by a multisource sputtering system.The base pressure is 5ϫ10−8Torr and the Ar pres-sure is 5mTorr during deposition.Instead of fabricating many Fe-Cr samples with different Fe-Cr compositions,which are susceptible to run-to-run variations,we have made a single specimen of Fe x Cr 1−x with a composition gradient by rf and dc sputtering of Fe and Cr targets,respectively.The composition changes from x =0.38to x =0.52across the length of 5cm,approximately as a linear function of the location.At the same time,the film thickness also changes linearly from 36to 25nm.As buffer and coverage layers,two 30nm thick Cu layers were deposited by dc sputtering.The deposition rates of the Fe-Cr and Cu layers are about 0.1nm/s.The large specimen was then cut into many small samples along the gradient direction.The composition and thickness of each small sample are essentially constant.The microstructure of Fe-Cr films was characterized by x-ray dif-fraction ͑XRD ͒.In-plane hysteresis loops of individual small samples were measured using a vibrating sample magneto-meter ͑VSM ͒of Model 7407from LakeShore Co.In-plane anisotropic properties were characterized by the ferromag-netic resonance ͑FMR ͒technique.FMR spectra were mea-sured with a fixed microwave frequency of 9.78GHz at varying azimuthal angles when the dc external field was kept in the film plane.All measurements were carried out at room temperature.III.RESULTS AND DISCUSSIONFigure 1shows the XRD spectra of Fe-Cr alloy films.There are three diffraction peaks from 2=35°to 55°.Thepeaks near 2=43°and 51°can be identified as Cu ͑111͒and Cu ͑200͒,respectively.The small peak at the right-hand side of Cu ͑111͒does not shift with the composition.In principle,it can be attributed to either body-centered-tetragonal ͑bct ͓͒110͔preferred orientation of Fe-Cr alloys or bcc ͓110͔pre-ferred orientation of Fe-Cr,or pure Fe or Cr because they are located closely to each other.11However,the small peak should be bcc ͓110͔preferred orientations of Fe-Cr alloys,as discussed below.In experiments,hysteresis loops of Fe-Cr films are squared along the easy axis as shown below.Espe-cially,there is only one resonance peak in the FMR spectra when the external magnetic field is aligned along the film plane.It is a clear indication that there is only one phase in the Fe-Cr alloy films and no granular structure exists.More-over,since the Curie temperature of bct Fe-Cr is lower than room temperature,it can also be excluded.10The present Fe-Cr films consist of bcc FeCr alloys.It is quite different from previously reported experiments,in which within the present range of Fe contents the Fe-Cr films consist of bcc and bct phases.10This might be related to either the effect of the Cu buffer layer or the co-sputtering technique.In order to get insight into the mechanism of the mag-netization reversal,it is necessary to measure in-plane hys-teresis loops of all samples at various orientations of the external magnetic field and to see the variation of the switch-ing field H S ,the coercivity H C ,and the remanent ratio.It is noted that the magnetization at H C is equal to zero while dH /dM =0at the switching field H S .Figure 2shows the typical hysteresis loops at various orientations for x =0.38.For H =0,the hysteresis loop is squared and then becomes more slanted with increasing H .One can find that for H =0°,H C =H S ,while for large H ,H C ϽH S .With increasing H ,the remanent ratio is decreased.Figure 3shows the an-gular dependence of the in-plane normalized remanent ratio for Fe-Cr alloy films with different alloy compositions.It is noted that the remanent ratio is not equal to zero at H =90°.For all samples,the experimental results ͑the squared symbols ͒coincide with the fitted results ͑the solid lines ͒of M r =cos H at all orientations,except for near H =90°.This is because without an external magnetic field,the magneti-zation should be aligned along the easy axis and the rema-nent magnetization should be equal to the project of the satu-ration magnetization along the external magnetic field.The disagreement near H =90°can be attributed to a narrow dispersion of the easy axis.Figure 4shows three representative angular dependence of measured H C and H S .For all Fe-Cr films,H C is equal to H S near the easy axis,yet with increase of H ,the two fields begin to deviate from each other with H C ϽH S .For a low Fe content of x =0.38,H S increases from 20to 120Oe as H is increased from 0°to 90°.At the same time,H C initially increases with H but exhibits a peak at around 72°.When the Fe concentration is increased to 0.456,H S increases monotonically and H C decreases monotonically with increas-ing H ,respectively.For a higher Fe concentration of 0.49,H C decreases monotonically with increasing H ,yet H S dis-plays a minimum at H =50°.Figure 5shows a plot of 1/H S vs cos H for different Fe concentrations.For x =0.38,the inverse H S is proportionaltoFIG.1.X-ray diffraction spectra of Fe x Cr 1−x films with four different Fe compositions x .The inserted number refers to the value of x .the cos H for cos H Ͼ0.2,i.e.,H Ͻ80°,in agreement with the pinning model.These observations mean that the magnetization switching is accompanied by the domain wall pinning and motion with little contribution from the magne-tization coherent rotation.Therefore,H p ͑0͒=H S ͑0͒=H C ͑0͒.For x =0.38,the value of H S ͑H ͒at H =80°is about 3–4times larger than H S ͑0͒.For polycrystalline permalloy thin films,the H S ͑H ͒/H S ͑0͒is increased by a factor of 1.4.12For H Ͼ80°,the variation of H S is deviated from that of the pinning model and the switching process is also accompa-nied by the magnetization coherent rotation,in addition to the pinning model.It is suggested that for H Ͼ80°,the H p ͑H ͒is close to or larger than the switching field of the magnetization coherent rotation.For x =0.40and 0.425,the results are similar to that of x =0.38.When x is increased from 0.38to 0.425,the onset of cos H for the linear depen-dence is shifted,as indicated by arrows.For x =0.40and 0.425,the inverse H S obeys the proportional relationship with cos H in a narrower region of H .Actually,for x Ն0.425,no linear dependence of the switching field is ob-served.As discussed above,there are three possible magnetiza-tion reversal mechanisms for a ferromagnetic film with uniaxial anisotropy:coherent rotation,domain wall pinning,and the modified Kondorsky model.2In the coherent rotation model,the H S ͑H ͒has the so-called S-W angular depen-dence,in which the H S first decreases to reach a minimum at H =45°and then increases with increasing H .The H C de-creases monotonically when H is increased from 0°to 90°.In this case,the H p ͑0͒is much larger than H K .In the second model,domain pinning and domain wall motion cause mag-netization reversal and H S obeys a linear dependence on sec H .This sec H relation requires the strength of H p ͑0͒to be much smaller than that of the H K .The Kondorsky model has been developed to describe the magnetization reversal when H p ͑0͒approaches H K .Under this circumstance,both coherent rotation and the motion of domain wall contribute to magnetization reversal and the H S will obey neither the angular dependence of 1/cos H nor that of the S-W model.Thus,the angular dependence of the H S is determined by the ratio of H p ͑0͒/H K .From the above analysis,one can know that for x =0.38and 0.40the magnetization reversal process is accompanied mainly by the motion of domain wall in a wide range of H ,whereas for x Ͼ0.425the magnetization reversal process is accompanied by the modified Kondorsky model.From above analysis,one can know that the ratio H p ͑0͒/H K is far smaller than 1.0for x =0.38and 0.40and is estimated to be equal to or larger than 0.5for x =0.425,0.456,0.49,and 0.52,as shown in the inset of Fig.5.In order to study the uniaxial anisotropic field,the FMR spectra were measured at various orientations.Figure 6shows typical FMR spectra of a Fe 45Cr 55film.A smallreso-FIG.2.Representative hysteresis loops of the Fe 0.38Cr 0.62films measured with different in-plane external fieldorientations.FIG.3.Angular dependence of the normalized in-plane remnant magneti-zation for two different Fe concentrations.The lines correspond to cos H .The H represents the angle between the applied magnetic field and the easy axis.nance peak is observed in the low field region,which is possibly due to the switching of the magnetization upon ap-plication of the magnetic field.Only one resonance peak at high magnetic fields can be observed for all external field orientations.This confirms the homogeneity of the Fe-Cr films.The resonance field is shifted toward high magnetic fields with increasing H .From the FMR spectra,one can get the angular dependence of the resonance field.Figure 7shows the results.Apparently,a uniaxial anisotropy exists.Since the resonance field is much smaller than the effective demagnetizing field,the in-plane angular dependence of the resonance field can be approximately described as follows 13:H res =24M eff ␥2−H K cos 2H ,͑1͒where is the resonance frequency,␥is the magnetogyric ratio,and 4M eff is the effective demagnetizing field.The results in Fig.7can be described by Eq.͑1͒,and the uniaxial anisotropic field can be fitted.Figure 8shows the variations of H S ͑0͒and H K with the Fe content.For x Յ0.425,H K is increased sharply and is much larger than H S ͑0͒.Since the magnetization switching is accompanied by the motion of domain wall for H Ͻ80°,H S ͑0͒=H p ͑0͒.Therefore,H K ӷH p ͑0͒.So the prerequisite forthe motion of the domain wall can be satisfied.For high Fe contents,H K and H E ͑0͒have comparable values.During the switching process,both the motion of domain wall and the magnetization coherent rotation coexist.In this way,H S ͑0͒is related to both H K and H p ͑0͒.Thus,it is suggested that H p ͑0͒does not change significantly with the Fe content.As is well known,the H p ͑0͒is induced by the inhomogeneity of micro-structure and stress,and is determined by the first derivative of the domain wall energy with respect to the location.7Since Fe and Cr atoms have very similar lattice parameters,the microstructure of the Fe-Cr films and thus H p ͑0͒do not change much as a function of the alloy composition.For this reason,one can understand the results in the inset of Fig.5.Figure 9͑a ͒shows the variation of the magnetization at room temperature with the alloy composition.The magneti-zation increases monotonically with the increase of the Fe content,which approximately agrees with that of Slater-Pauling curve.7According to K U =H K M S /2,one can easily calculate the uniaxial anisotropy K U as a function of the Fe concentration.Figure 9͑b ͒shows the K U dependence on the Fe content.As is well known,a uniaxial anisotropy can be induced in binary ferromagnetic alloy films.In Fe-Ni alloys,for example,the induced uniaxial anisotropy will have a maximum value when the atomic contents of Fe and Ni ele-ments are close to each other.14However,in the present Fe-Cr alloys,the uniaxial anisotropy does not changemuchFIG.4.Angular dependent in-plane switching field H S ͑squares ͒and coer-cive field H C ͑circles ͒for three different Fe contents.The inserted numbers refer to the values of x.FIG.5.Angular dependence of inverse H S for Fe x Cr 1−x thin films with x =0.38and 0.40͑a ͒,and 0.425,0.456,and 0.49͑b ͒.The solid lines refer to fitted results of the linear dependence.The arrows indicate the onset of the cos H for inverse H S to deviate from the linear dependence.The inset shows the variation trend of the ratio H p ͑0͒/H K ,which is estimated from the results in Figs.4and 5.FIG.6.Typical FMR spectra of the Fe-Cr film at various orientations for x =0.45.The inset shows the value of H.FIG.7.Angular dependence of the in-plane resonance field for the Fe-Cr film at various orientations for x =0.45.The solid line refers to the fitted results by Eq.͑1͒.position dependent in-plane H S ͑0͒͑a ͒and H K ͑b ͒for the single phase bcc Fe x Cr 1−x alloyfilms.FIG.9.Magnetization ͑a ͒and uniaxial anisotropy energy K U ͑b ͒of Fe x Cr 1−x alloy at the room temperature.with the Fe content in the present composition region.Thismight be related to the specific spin structure of the Fe-Cralloys.8Fortunately,the H K can be modified,changing thealloy composition since the magnetization increases with in-creasing Fe content and the K U in Fe-Cr alloyfilms changeslittle,as shown in Fig.9.IV.CONCLUSIONSIn short summary,a Fe x Cr1−x alloyfilm with a composi-tion gradient͑x=0.38−0.52͒has been prepared by co-sputtering.The Fe-Crfilm has a bcc structure with͓110͔preferred orientation along thefilm normal direction.As theFe content is decreased,the H K increases.Since the latticeconstant of the Fe-Cr alloyfilm remains almost constant,H p͑0͒changes little with respect to the alloy composition.In contrast,the uniaxial anisotropicfield shows strong compo-sition dependence since the magnetization of the alloy de-creases sharply when the Fe concentration drops in a narrowrange.So the value of H K can have significant increaseswhen Fe content is decreased.The will result in a remarkablycontrol of H p͑0͒/H K in a wide range.Therefore,the magne-tization reversal mechanism is evolved as a function of the alloy composition,from the displacement of the domain wall to modified Kondorsky model.ACKNOWLEDGMENTSThis work was supported by the National Science Foun-dation of China Grant Nos.10574026,60271013,60490292, 10021001,and10321003,and the State Key Project of Fun-damental Research Grant No.2002CB613504,Shanghai Nanotechnology Program Center͑No.0252nm004͒.1B.Dieny,V.S.Speriosu,S.S.P.Parkin,B.A.Gurney,D.R.Wilhoit,and D.Mauri,Phys.Rev.B43,1297͑1991͒.2D.V.Ratnam and W.R.Buessem,J.Appl.Phys.43,1291͑1972͒.3L.Sun,P.C.Searson,and C.L.Chien,Appl.Phys.Lett.79,4429͑2001͒. 4F.Y.Yang,C.L.Chien,E.F.Ferrari,X.W.Li,G.Xiao,and A.Gupta, Appl.Phys.Lett.77,286͑2000͒.5Z.H.Wang,G.Cristiani,and H.U.Habermeier,Appl.Phys.Lett.82, 3731͑2003͒.6K.H.J.Buschow,Rep.Prog.Phys.54,1123͑1991͒.7Physics of Ferromagnetism,edited by S.Chikazumi͑Clarendon,Oxford, 1997͒,p.173.8E.Fawcett,H.L.Alberts,V.Yu.Galkin,D.R.Noakes,and J.V.Yakhmi, Rev.Mod.Phys.66,25͑1994͒.9H.L.Alberts and J.A.J.Lourens,J.Phys.:Condens.Matter4,3835͑1992͒.10N.H.Duc,A.Fnidiki,J.Teillet,J.Ben Youssef,and H.Le Gall,J.Appl. 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