现代电子材料与元器件8

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8.8 磁性元器件
n 2 磁光存储
q 磁光存储是数字数据存储技术中很有效的技术手段 之一。磁光盘上具有很多同圆心的磁轨，每个磁轨 上又可划分成若干个的片段或单元。
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8.4 铁磁交换作用
n 超交换相互作用
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8.5 磁畴
n 1 磁畴与畴壁
q 磁畴是自发磁化到饱和（即其中的 磁矩均朝一个方向排列）的小区域
n 任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低 于居里温度Tc时，都是由磁畴组成 的。
q 相邻磁畴之间原子磁矩按一定规律 逐渐改变方向的过渡层叫磁畴壁。
q 另外，晶体中应力分布不均匀也是原因之一。在应力急剧变 化的地方，磁化矢量的方向也随之变化，产生磁畴。
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8.5 磁畴
n 3 畴壁的分类
q 理论和实验都证明，在两个相邻磁畴之间原子层的自旋 取向由于交换作用的缘故，不可能发生突变，而是逐渐 的变化，从而形成一个有一定厚度的过渡层，称为畴壁 。
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8.7 磁性材料
n 3 矩磁材料
q 磁心存储器的工作原理
q 利用矩磁材料具有矩磁磁滞回线的特性，
与饱和磁感应强度Bm大小相近的两种 剩磁状态+Br和-Br分别代表“l”和“0”
q 当输入一个+Im电流脉冲时，相当于磁 心受到+Hm磁场的激励而被磁化到+Bm。 脉冲过后，磁心保留+Br状态，表示存 入信号“1”。反之，输入-Im电流脉冲 时，磁心保留-Br状态，表示存入信号
矫顽力的大小表征了材料被磁化的难易 程度，来源于不可逆的磁化过程
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8.5 磁畴
n 4 磁化曲线与磁滞回线
q 依磁滞回线形状及其特点分类， 磁性材料可分为以下五种
q 软磁材料 q 硬磁材料 q 矩磁材料 q 压磁材料 q 旋磁材料
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q RKKY相互作用 •——在稀着土交金迭属，1934年提出离子晶体中的交换作
用可以通过阴离子的激发态（自旋磁矩不为 •稀土元素的磁矩来自内层零4）f 电来子间，接它完的成外。层有5s、5p、5d、6s 电子做 屏蔽，两个稀土离子的 4f 电子之间很难产生直接交换作用。局域电子
之间通过传导电子作媒介而产生交换作用的机制很适合于解释稀土金属
决定。
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8.5 磁畴
n 2 磁畴的形成
q 在铁磁体中，交换作用使晶体自发磁化，磁化强度的方向沿 着晶体内的易磁化轴，这样就使铁磁晶体内交换作用能和磁 晶各向异性能都达到极小值。但因晶体有一定的大小与形状 ，整个晶体均匀磁化的结果，必然产生磁极，磁极的退磁场 增加了退磁能 (1/2)NMs2。为了减少退磁场能，晶体分为若干 磁畴，这是磁畴形成的主要原因。
q 根据畴壁两侧磁畴的Ms方向关系，分为180°畴壁和 90°畴壁。
q 根据畴壁中磁矩的过渡方式不同，又可将畴壁分为布洛 赫(Bloch)壁和奈耳(Neel)壁。
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8.5 磁畴
n 3 畴壁的分类
q Bloch 壁
•图8.10 布洛赫壁结构
•在大块晶体中，当磁化矢量从一个 磁畴内的方向过渡到相邻磁畴内的方 向时，转动的仅仅是平行于畴壁的分 量，垂直于畴壁的分量保持不变，这 样就避免了在畴壁的两侧产生磁荷， 防止了退磁能的产生。这种结构的畴 壁称作Bloch 壁。
的自发磁化。
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8.4 铁磁交换作用
n 直接交换相互作用
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8.4 铁磁交换作用
n 直接交换相互作用
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8.4 铁磁交换作用
n 直接交换相互作用
q Heisenberg 模型和铁磁理论
•将氢分子的交换作用推广到多原子系统，提出两点假设
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2020/11/23
现代电子材料与元器件8
概述
n 磁性的来源
•电荷的运动是一切磁现象的根源。
•电子轨道运动产生电子轨道磁矩 •电子自旋产生电子自旋磁矩 •原子核由于其自身的自转也具有核磁矩，但非常小
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8.3 磁性的分类
n 物质磁性分类的原则
“0”。
•图8.31 磁心存储器原理
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8.7 磁性材料
n 3 矩磁材料
q 磁心存储器的工作原理
q 在读出信息时，可通入-Im电流脉冲， 如果原来存入的信号是“0”，则磁感应 强度的变化由-Br→-Bm，变化很小，感 应电压也很小，相当于没有信号电压输 出，表示输出为零。而原有信号为“1” 时，则磁感应强度由Br→-Bm，变化很 大，故有明显的电压信号输出。这样， 根据磁感应电压的大小，就可判断磁心 所存储的信息。
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8.5 磁畴
n 4 磁化曲线与磁滞回线
q 磁化曲线
M(B)与H的变化关系 开始M的增加比较缓慢 后来增加较快 最后达到Ms(饱和磁化强度) 纵坐标改为磁感应强度B，
则对应于平衡值Ms的磁感应 强度值称为饱和磁感应强度 (Bs）
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8.5 磁畴
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8.4 铁磁交换作用
n 1 磁相互作用
q
直接交换相互作用 ••—它—来过源渡于金量属子和力合学金全同粒子系的特性，
即来源于电子之间的交换，能发生交换
q 超交换相互作用 •绝作大用多的数电反子铁之磁间物需质要和电亚子铁云磁或物轨质道都有是较非导
q
双交换相互作用
电 •—多的—的化化交合合迭物物。，结阳构离的子反的铁近磁邻物都质是和阴亚离铁子磁，物因质 而金属磁性离子的电子壳层之间已不可能存
•图8.31 磁心存储器原理
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8.7 磁性材料
n 3 矩磁材料
q 要求： n ①剩磁比要高，特殊情况下还要求B-1/2/Bm要高； n ②矫顽力要小； n ③开关系数要小； n ④损耗低； n ⑤对温度、振动等外界因素的时间稳定性要好。
q 铁氧体材料形成矩形磁滞回线的条件是结晶各向异性和应力 各向异性。一般密度高、晶粒均匀、结晶各向异性较大的尖 晶石型铁氧体都可制成磁性能较好的矩磁材料。
q A. 是否有固有原子磁矩？
q B. 是否有相互作用？ q C. 是什么相互作用？ n 物质磁性的分类 q 抗磁性：没有固有原子磁矩
•每一种材料至少表现 出其中一种磁性，这 取决于材料的成分和 结构。
q 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用
q 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用
q 反铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用
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8.5 磁畴
n 4 磁化曲线与磁滞回线
q 磁滞回线
n 1)饱和磁化强度Ms n 2)剩余磁化强度Mr
•剩磁是反磁化过程中不可逆磁化的标志， 其大小取决于材料从饱和磁化降到H=0的 反磁化过程中磁畴结构的变化，与磁各相 异性、晶体的缺陷等有关。
n 3)矫顽力Hc
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8.4 铁磁交换作用
n 直接交换相互作用
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8.4 铁磁交换作用
n 超交换相互作用
q 以MnO的反铁磁性为例
•当M1-O-M2是180°，超交换作用最强。随角度变小超交换减弱，当90° 夹角时，相互作用倾向变为正值。
•氧离子的 p 电子被激发到阳离子的 d 状态并按 Hund 法则相耦合，此时剩 余的未成对的 p 电子则与另一近邻的阳离子产生交换作用，这种交换作用 是以氧离子为媒介的，称为超交换作用或间接交换作用。
q 被磁化的非闭合磁体将在磁体两端产生磁荷，如果磁性体内 部磁化不均匀，还将产生体磁荷，面磁荷和体磁荷都会在磁 性体内部产生磁场，其方向和磁化强度方向相反，有减弱磁 化的作用，这一磁场称为退磁场。显然，磁性体在磁化过程 中，因为受到自身退磁场的作用，将产生退磁场能。
q 退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。 q 磁畴的数目和尺寸形状等由退磁场能和磁畴壁能的平衡条件
q 磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层， 在过渡层中磁矩方向逐渐改变
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8.5 磁畴
n 1 磁畴与畴壁
q 磁畴的产生是自发磁化平衡分布要满足能量最小原理的 结果。
n 铁磁体内的五种相互作用能
n 电子自旋之间的交换能 Eex n 铁磁晶体的磁晶各向异性能 Ek，由晶体场与轨道电子间的作用
•当外磁场强度H改变ΔH时，相应的磁化强度的改变为ΔMH
•磁化过程的磁化机制有三种：①磁畴壁的位移磁化过程， ②磁畴转动磁化过程，③顺磁磁化过程。
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8.5 磁畴
q 磁化曲线
大多数铁磁体磁化曲线的变化通常可以分为四个阶段： n ①弱磁场范围内的可逆畴壁位移； n ②中等磁场范围内的不可逆畴壁位移； n ③较强磁场范围内的可逆磁畴转动； n ④强磁场下的不可逆磁畴转动。
n 对于大多数铁磁性材料来说，在不太强的磁场中 （103~104A/m，）就可以磁化到饱和磁化状态。
q 磁化率数值很大，χ~1−105，并且是温度和磁场的函数。
q 存在磁性转变的特征温度－Curie 温度，温度低于Curie 温度 时呈铁磁性；高于Curie 温度时表现为顺磁性，其磁化率温 度关系服从Curie-Weiss 定律。
q 亚铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用
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8.3 磁性的分类
n 1 抗磁性
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8.3 磁性的分类
n 2 顺磁性
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8.3 磁性的分类
n 3 铁磁性
q 具有高的饱和磁化强度，因而表现出很强的磁性。
8.7 磁性材料
3 矩磁材料
矩磁材料的矫顽力也很小，与软磁相似， 它的特点是滋滞回线呈矩形。
由于矩磁材料主要用于磁记录和磁存储 技术方面，所以又叫做磁记录与磁存储 材料。
剩磁比：Br/Bm来表征回线的矩形程度— —开关矩形比
剩磁比： B-Hm/2/Bm (或简写为B-1/2/Bm)— —记忆矩形比
n 4 磁化曲线与磁滞回线
q 磁化曲线
起始或可逆部分：M-H为线性关系， 畴壁可逆位移为主 瑞利部分：线性关系不成立 非线性陡峭部分：不可逆畴壁位移为 主 趋进饱和部分：畴转动为主，最后达 到饱和磁化强度 顺磁部分
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8.5 磁畴
q 磁化曲线
•沿外磁场强度H方向上的磁化强度MH可以表示为
q 磁化强度M 和磁场H 之间不是单值函数，存在磁滞现象。 q 饱和磁化强度与温度的关系
q 大多数铁磁性材料具有磁晶各向异性和磁致伸缩效应。
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8.3 磁性的分类
n 4 亚铁磁性
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8.3 磁性的分类
n 5 反铁磁性
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、电子的轨道磁矩与自旋磁矩间作用的耦合效应所造成的；
n 磁性与弹性的相互作用能Eσ，包括磁弹性能与应力能； n 外磁场能EH n 退磁场能Ed，铁磁体被磁化后在其表面或内部不均匀处产生的
磁荷在铁磁体内产生退磁场，退磁场与铁磁体磁化强度的作用 能。
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8.5 磁畴
n 1 磁畴与畴壁
•磁性材料的磁化，实质上是材料受外磁场的作用，其内部 的磁畴结构发生变化。
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8.5 磁畴
n 4 磁化曲线与磁滞回线
q 磁滞
•将外磁场强度H减小，磁化强度M 将不再按照原来的初始磁化曲线减 小，而是更加缓慢地沿较高的磁化 强度M减小。 •这是因为发生刚性转动的磁畴方向 保留了外磁场方向。即使外磁场强 度等于零时，M≠0。这种磁化曲线 与退磁曲线不重合的性质称为磁化 的不可逆性。 •磁化强度M的改变滞后于磁场强度 H的现象称为磁滞现象。
•畴壁厚度是交换相互作用能与各向 异性能之间的折中。总势能最小。 •Fe的畴壁为0.1um
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8.5 磁畴
n 3 畴壁的分类
q Néel 壁
•图8.11奈耳壁结构
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•畴壁内原子自旋取向变化的方 式除去 Bloch 方式以外，还在 薄膜样品中发现了另一种 Néel 壁的变化形式，即壁内的自旋 取向始终平行于薄膜表面转向， 在畴壁面内产生了磁荷和退磁 场，但在样品表面没有退磁场。