疇壁結(jié)構(gòu)和疇壁能PPT精選文檔

1、1疇壁及疇壁分類疇壁及疇壁分類：Bloch壁的結(jié)構(gòu)和疇壁能壁的結(jié)構(gòu)和疇壁能：Neel壁的結(jié)構(gòu)和疇壁能：壁的結(jié)構(gòu)和疇壁能：十字壁十字壁疇壁的動態(tài)性質(zhì)疇壁的動態(tài)性質(zhì)參考姜書參考姜書4.7，4.8節(jié)節(jié) 在討論磁疇結(jié)構(gòu)之前，我們先分析疇壁的性質(zhì)，因?yàn)楫牨诘男再|(zhì)往往影響著磁疇的結(jié)構(gòu)疇壁的性質(zhì)往往影響著磁疇的結(jié)構(gòu)。4.2 疇壁結(jié)構(gòu)和疇壁能疇壁結(jié)構(gòu)和疇壁能2 理論和實(shí)驗(yàn)都證明，在兩個相鄰磁疇之間原子層的自兩個相鄰磁疇之間原子層的自旋取向由于交換作用的緣故，不可能發(fā)生突變，而是逐漸旋取向由于交換作用的緣故，不可能發(fā)生突變，而是逐漸的變化，從而形成一個有一定厚度的過渡層，稱為疇壁的變化，從而形成一個有一定厚度的

2、過渡層，稱為疇壁。 按疇壁兩邊磁化矢量的夾角來分類按疇壁兩邊磁化矢量的夾角來分類，可以把疇壁分成1800壁和900壁兩種類型。在具有單軸各向異性的理想晶體在具有單軸各向異性的理想晶體中，只有中，只有1800壁。在壁。在 K10 的理想立方晶體中有的理想立方晶體中有1800壁和壁和900壁兩種類型。在壁兩種類型。在 K10 的理想立方晶體中除去的理想立方晶體中除去1800和和900壁外，還可能有壁外，還可能有1090和和710壁，實(shí)際晶體中，由于不均壁，實(shí)際晶體中，由于不均勻性，情況要復(fù)雜得多，勻性，情況要復(fù)雜得多，但理論上仍常以理論上仍常以1800和和900壁為例壁為例進(jìn)行討論。進(jìn)行討論。一一

3、. 疇壁及疇壁分類疇壁及疇壁分類3立方晶系，易磁向立方晶系，易磁向100100 180180壁壁和和9090壁壁180疇壁疇壁疇疇90壁4立方晶系立方晶系,易磁向易磁向111，有180壁 ，71壁和109壁7110956 疇壁的概念最早是Bloch提出的，Neel 分析了它的結(jié)構(gòu)：在大塊晶體中在大塊晶體中，當(dāng)磁化矢量從一個磁疇內(nèi)的方向過渡到相鄰磁當(dāng)磁化矢量從一個磁疇內(nèi)的方向過渡到相鄰磁疇內(nèi)的方向時，轉(zhuǎn)動的僅僅是平行于疇壁的分量，垂直于疇壁疇內(nèi)的方向時，轉(zhuǎn)動的僅僅是平行于疇壁的分量，垂直于疇壁的分量保持不變，的分量保持不變，這樣就避免了在疇壁的兩側(cè)產(chǎn)生磁荷，防止這樣就避免了在疇壁的兩側(cè)產(chǎn)生磁荷，

4、防止了退磁能的產(chǎn)生。這種結(jié)構(gòu)的疇壁稱作了退磁能的產(chǎn)生。這種結(jié)構(gòu)的疇壁稱作Bloch壁壁。 Bloch1800壁的結(jié)構(gòu)：為保證自發(fā)磁化強(qiáng)度在疇壁法線方向的分量連續(xù)，疇壁應(yīng)取如圖方式。二二. Bloch壁的結(jié)構(gòu)特性和疇壁能壁的結(jié)構(gòu)特性和疇壁能7 Bloch1800疇壁中原子層電子自旋方向的轉(zhuǎn)變形式：8 為滿足沒有內(nèi)部磁極因而沒有退磁場這一要求， 900疇壁取向應(yīng)為相鄰兩疇自發(fā)磁化強(qiáng)度夾角的平分面。相鄰兩疇自發(fā)磁化強(qiáng)度夾角的平分面。9 Bloch型90壁中的自旋取向沿錐面旋轉(zhuǎn)，以保持垂直于以保持垂直于疇壁平面的分量不變疇壁平面的分量不變，避免了在疇壁兩側(cè)產(chǎn)生退磁能。即：疇壁中的原子磁矩取向始終保持與

5、疇壁法線夾角不變疇壁中的原子磁矩取向始終保持與疇壁法線夾角不變。10 疇壁厚度主要取決于交換能與各向異性能的平衡。疇壁厚度主要取決于交換能與各向異性能的平衡。交換作用能要求相鄰原子層間轉(zhuǎn)角越小越好，以致疇壁厚度無限大，然而疇壁中磁化強(qiáng)度對易磁化方向的偏離又帶來各向異性能的增加，后者要求疇壁越窄越好，兩者的綜合考慮決定了疇壁的厚度。 疇壁能的討論一般使用單位面積疇壁能單位面積疇壁能的概念，即單位疇壁面積的能量，它和單位體積能量不同，與疇壁厚度密切與疇壁厚度密切相關(guān)相關(guān)。疇壁厚度和疇壁能的估算疇壁厚度和疇壁能的估算11 設(shè)疇壁厚度為N個原子間距 a。假定單層單位單層單位疇壁面積上有1/a2個原子，

6、原子自旋均勻轉(zhuǎn)向，則單位疇壁面積的交換能的面密度為： (A為交換積分 )2222221exASNASNaNa磁晶各向異性能平均密度可以近似表示為：1kK Na2212exkASK NaNaNa 為疇壁厚度，疇壁能密度為求能量極小值的條件221220ASK aNa N 得到：1222311S ASANK aaK a 1800疇壁厚度和疇壁能估算疇壁厚度和疇壁能估算121112K AK AK ASSSaaa帶回表達(dá)式中，有：1ANaSK a疇壁厚度穩(wěn)定值處疇壁厚度穩(wěn)定值處交換能和磁晶各向交換能和磁晶各向異性能數(shù)值相等。異性能數(shù)值相等。 以上半定量分析中可以看出：疇壁能處于極小值的條件是交換能疇壁能

7、處于極小值的條件是交換能密度等于磁晶各向異性能密度。在密度等于磁晶各向異性能密度。在疇壁各處都應(yīng)滿足此要求，因而磁疇壁各處都應(yīng)滿足此要求，因而磁晶各向異性能小的區(qū)域，相鄰層電晶各向異性能小的區(qū)域，相鄰層電子自旋的轉(zhuǎn)角小，磁晶各向異性能子自旋的轉(zhuǎn)角小，磁晶各向異性能大的區(qū)域，相鄰層電子自旋的轉(zhuǎn)角大的區(qū)域，相鄰層電子自旋的轉(zhuǎn)角大，大，顯然均勻轉(zhuǎn)角的假定是不對的。顯然均勻轉(zhuǎn)角的假定是不對的。13代入鐵之?dāng)?shù)據(jù)，估算數(shù)值：21104318322.16 10J, 1, 2.86 10m, 4.81 10 J m 135, 3.87 10 m, 3.785 10 J mwASaKNNa 上面的估算只考慮了磁

8、晶各向異性，如果存在其它各上面的估算只考慮了磁晶各向異性，如果存在其它各向異性，則必須也在考慮之內(nèi)。向異性，則必須也在考慮之內(nèi)。 顯然，估算是過分簡單了，但更加嚴(yán)格的計(jì)算也只是顯然，估算是過分簡單了，但更加嚴(yán)格的計(jì)算也只是給出了相同的量級，所以從簡單估算結(jié)果中給出的定性分給出了相同的量級，所以從簡單估算結(jié)果中給出的定性分析是正確的。析是正確的。wexk 參照：如果在垂直于疇壁的方向上有磁荷，則產(chǎn)生的退磁能密度要大得多：2320130 10 J m2SNM14比較嚴(yán)格的采用變分法給出1800Bloch壁計(jì)算結(jié)果是：六角晶系單軸各向異性六角晶系單軸各向異性：轉(zhuǎn)角曲線，中間快這里：10212d( )

9、2( )dzAfAf( )kFf21ASAa21sinkFK11114AKAK見姜書見姜書P24415立方晶系立方晶系： K10 時， （以上詳見姜書p242-250） 按照變分理論計(jì)算，疇壁厚度不是一個收斂解，當(dāng)900時，厚度趨于無窮，1800壁不能存在，而要分為相隔無限遠(yuǎn)的兩個900壁，但理論上的這個困難并不是真實(shí)的，考慮到磁致伸縮能的影響后，兩個分離的90壁必然連成一片，成為一個180壁。(180)112 AK16 從物理學(xué)的觀點(diǎn)看，疇壁寬度是難以準(zhǔn)確表示的，因此常把下式稱作疇壁寬度參量（或說單位） . 而把 稱作疇壁能密度單位101AK011AK 在只考慮磁晶各向異性和交換作用的情況下

10、，疇壁厚度和單位面積疇壁能量可以一般表示為：111AcK211cAK其中c1,c2 是與晶體結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。90(100)1190(110)111.73AKAK900Bloch壁的計(jì)算結(jié)果如下壁的計(jì)算結(jié)果如下17摘自摘自B.A.LiLLey, Phil. Mag.,41,792,1950 見宛書見宛書p243該表與姜書p249表47相同，但已經(jīng)換算為SI單位制Jm-318附錄：Fe 的相關(guān)數(shù)據(jù)之估算231B211043K, 1.38 10J K , bcc, =1 = 0.152.16 10JCBCTkSAk T211111.5 10J m2,1ASASa8101320111.77

11、10 m0.85 10 J mAKAK4314.81 10 J mK各文獻(xiàn)所取數(shù)值不盡相同。各文獻(xiàn)所取數(shù)值不盡相同。4314.2 10 J mK該值和前面表中數(shù)值有別，但量級是相同的該值和前面表中數(shù)值有別，但量級是相同的。803201.9 10 m0.8 10 J m差別并不大。差別并不大。32180021.7 10 J m這是一個下面常用的數(shù)值。這是一個下面常用的數(shù)值。19 疇壁內(nèi)原子自旋取向變化的方式除去Bloch方式以外，還在薄膜樣品中發(fā)現(xiàn)了另一種 Neel 壁壁的變化形式，前者壁內(nèi)的自旋取向始終平行于疇壁面轉(zhuǎn)向，多發(fā)生在大塊材料中，后者壁內(nèi)的自旋取向始終平行于薄膜表面轉(zhuǎn)向后者壁內(nèi)的自旋

12、取向始終平行于薄膜表面轉(zhuǎn)向，在疇壁面內(nèi)產(chǎn)生了磁荷和退磁場，但在樣品表面沒有了退磁場。三三. Neel壁的結(jié)構(gòu)和疇壁能壁的結(jié)構(gòu)和疇壁能20Neel 壁Bloch 壁SMSMSMSMSMSM 從圖可以看出：隨著材料厚度的變薄，Bloch壁在樣品表面產(chǎn)生的退磁場能會變得很大，相反，Neel壁的退磁場能會變得比較小，所以薄膜中會出現(xiàn)Neel壁。具體計(jì)算如下：21 在薄膜厚度為D的兩面有露出的磁極，產(chǎn)生退磁能。疇壁可以看成是橢圓截面的柱體，長軸為D ，短軸為疇壁寬度 ，產(chǎn)生的單位疇壁面積退磁能近似等于222002122sdMNMD 其中N為長軸方向的退磁因子M要取平均值ND2sinssMMMBloch疇

13、壁單位面積的總能量為：222101222() 0SexkdKMAD 給出平衡值。顯然有：, D該表達(dá)式和姜書該表達(dá)式和姜書p251有區(qū)別，但有區(qū)別，但結(jié)論是一致的。結(jié)論是一致的。 布洛赫壁布洛赫壁22 仍然把疇壁當(dāng)作一個橢圓截面的柱體，但長軸為，短軸為D,長軸方向的退磁因子為Neel壁單位面積疇壁內(nèi)的退磁場能為：DND22002122()SdD MNMD2sinssMMM這里同樣要考慮平均值 Neel壁單位面積疇壁的總能量可以寫作： 22101222()0SexkdKD MAD給出平衡值。, DNeel壁壁23 從上述結(jié)果可以看出，厚度對兩種疇壁能的影響是不同的。當(dāng)大塊材料的尺度減小時，Blo

14、ch形式的壁在材料表面的退磁能將變得十分突出，相反，如采用 Neel壁形式退磁能反而會比較低。DD24Neel 1955 年計(jì)算結(jié)果Dietze等1961計(jì)算結(jié)果見姜書見姜書p25225 上圖給出二種疇壁能與厚度的關(guān)系，交叉點(diǎn)即為疇壁由交叉點(diǎn)即為疇壁由布洛赫型向涅耳型轉(zhuǎn)化的臨界厚度布洛赫型向涅耳型轉(zhuǎn)化的臨界厚度。Neel 給出的臨界厚度和狄切和托馬斯給出的有所不同。后者給出的臨界厚度是：代入Fe的相關(guān)數(shù)據(jù)估算出的臨界厚度為：32510-10m. 實(shí)際在該臨界厚度附近有一過渡區(qū)，會出現(xiàn)一種十字壁(cross-tie wall)的形式。例如實(shí)驗(yàn)表明Fe-Ni 合金薄膜的情形如下13.9cSADMD

15、20 nm100 nmNeel wallBloch wallcross-tie wall26 在薄膜厚度300900 1010m的80FeNi合金中發(fā)現(xiàn)了一種十字壁。這是因?yàn)槌霈F(xiàn)Neel壁后引發(fā)了體磁荷，它的退磁場又影響了原子磁距的取向，因此出現(xiàn)了十字壁以減小Neel壁兩側(cè)面上磁荷的影響，使Neel壁又分成許多磁荷正負(fù)相間的小段，而小段和小段之間由Bloch壁分開。四四. 十字壁十字壁27 十字壁也稱橫結(jié)壁（cross-tie wall)，主疇壁是極性相間的Neel壁，兩個Neel壁之間是很窄的Bloch壁（線）。28D210-8m 為Neel 壁，D10-7m 為Bloch壁，中間區(qū)域出現(xiàn)十字壁29 疇壁在運(yùn)動過程中的能量要比靜止時候大，增加的這部分能量與疇壁運(yùn)動速度的平方成正比，