現(xiàn)代電子材料及元器件_8

1、第八章磁電子學材料與器件光電工程學院微電子教學部馮世娟2概述n磁性的來源電荷的運動是一切磁現(xiàn)象的根源。電荷的運動是一切磁現(xiàn)象的根源。電子軌道運動產(chǎn)生電子軌道磁矩電子軌道磁矩電子自旋產(chǎn)生電子自旋磁矩電子自旋磁矩原子核由于其自身的自轉也具有核磁矩，但非常小38.3 磁性的分類 n 物質磁性分類的原則qA. 是否有固有原子磁矩？qB. 是否有相互作用？qC. 是什么相互作用？n物質磁性的分類q抗磁性：沒有固有原子磁矩q順磁性：有固有磁矩，沒有相互作用q鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用q反鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作用q亞鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作用每一種材料至少表現(xiàn)每一種材料至少表

2、現(xiàn)出其中一種磁性，這出其中一種磁性，這取決于材料的成分和取決于材料的成分和結構。結構。48.3 磁性的分類 n1 抗磁性58.3 磁性的分類 n2 順磁性68.3 磁性的分類 n3 鐵磁性q具有高的飽和磁化強度，因而表現(xiàn)出很強的磁性。n對于大多數(shù)鐵磁性材料來說，在不太強的磁場中（103104A/m，）就可以磁化到飽和磁化狀態(tài)。q磁化率數(shù)值很大，1105，并且是溫度和磁場的函數(shù)。q存在磁性轉變的特征溫度Curie 溫度，溫度低于Curie 溫度時呈鐵磁性；高于Curie 溫度時表現(xiàn)為順磁性，其磁化率溫度關系服從Curie-Weiss 定律。q磁化強度M 和磁場H 之間不是單值函數(shù)，存在磁滯現(xiàn)象。

3、q飽和磁化強度與溫度的關系q大多數(shù)鐵磁性材料具有磁晶各向異性和磁致伸縮效應。78.3 磁性的分類 n4 亞鐵磁性88.3 磁性的分類 n5 反鐵磁性98.4 鐵磁交換作用 n1 磁相互作用q直接交換相互作用q超交換相互作用q雙交換相互作用qRKKY相互作用它來源于量子力學全同粒子系的特性，即來源于電子之間的交換，能發(fā)生交換作用的電子之間需要電子云或軌道有較多的交迭。絕大多數(shù)反鐵磁物質和亞鐵磁物質都是非導電的化合物，陽離子的近鄰都是陰離子，因而金屬磁性離子的電子殼層之間已不可能存在著交迭，1934年提出離子晶體中的交換作用可以通過陰離子的激發(fā)態(tài)（自旋磁矩不為零）來間接完成。稀土元素的磁矩來自內(nèi)層

4、 4f 電子，它的外層有5s、5p、5d、6s 電子做屏蔽，兩個稀土離子的 4f 電子之間很難產(chǎn)生直接交換作用。局域電子之間通過傳導電子作媒介而產(chǎn)生交換作用的機制很適合于解釋稀土金屬的自發(fā)磁化。過渡金屬和合金化合物結構的反鐵磁物質和亞鐵磁物質稀土金屬108.4 鐵磁交換作用 n直接交換相互作用118.4 鐵磁交換作用n直接交換相互作用128.4 鐵磁交換作用n直接交換相互作用qHeisenberg 模型和鐵磁理論將氫分子的交換作用推廣到多原子系統(tǒng)，提出兩點假設138.4 鐵磁交換作用n直接交換相互作用148.4 鐵磁交換作用n超交換相互作用q以MnO的反鐵磁性為例氧離子的 p 電子被激發(fā)到陽離

5、子的 d 狀態(tài)并按 Hund 法則相耦合，此時剩余的未成對的 p 電子則與另一近鄰的陽離子產(chǎn)生交換作用，這種交換作用是以氧離子為媒介的，稱為超交換作用或間接交換作用。當M1-O-M2是180，超交換作用最強。隨角度變小超交換減弱，當90夾角時，相互作用傾向變?yōu)檎怠?58.4 鐵磁交換作用n超交換相互作用168.5 磁疇 n1 磁疇與疇壁 q磁疇磁疇是自發(fā)磁化到飽和（即其中的磁矩均朝一個方向排列）的小區(qū)域n任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時，都是由磁疇組成的。q相鄰磁疇之間原子磁矩按一定規(guī)律相鄰磁疇之間原子磁矩按一定規(guī)律逐漸改變方向的過渡層叫逐漸改變方向的過渡層叫磁疇壁。磁疇壁。q

6、磁疇壁是一個有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變178.5 磁疇 n1 磁疇與疇壁 q磁疇的產(chǎn)生是自發(fā)磁化平衡分布要滿足能量最小原理的結果。n鐵磁體內(nèi)的五種相互作用能鐵磁體內(nèi)的五種相互作用能n電子自旋之間的交換能電子自旋之間的交換能 Eexn鐵磁晶體的磁晶各向異性能鐵磁晶體的磁晶各向異性能 Ek，由晶體場與軌道電子間的作用、電子的軌道磁矩與自旋磁矩間作用的耦合效應所造成的；n磁性與彈性的相互作用能磁性與彈性的相互作用能E，包括磁彈性能與應力能；n外磁場能外磁場能EHn退磁場能退磁場能Ed，鐵磁體被磁化后在其表面或內(nèi)部不均勻處產(chǎn)生的磁荷在鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生退磁場，退磁場與鐵磁體磁化強度的作用

7、能。188.5 磁疇 n1 磁疇與疇壁 q被磁化的非閉合磁體將在磁體兩端產(chǎn)生磁荷，如果磁性體內(nèi)部磁化不均勻，還將產(chǎn)生體磁荷，面磁荷和體磁荷都會在磁性體內(nèi)部產(chǎn)生磁場，其方向和磁化強度方向相反，有減弱磁化的作用，這一磁場稱為退磁場退磁場。顯然，磁性體在磁化過程中，因為受到自身退磁場的作用，將產(chǎn)生退磁場能。q退磁能的存在是自發(fā)磁化后的強磁體出現(xiàn)磁疇的主要原因。q磁疇的數(shù)目和尺寸形狀等由退磁場能和磁疇壁能的平衡條件決定。198.5 磁疇 n2 磁疇的形成q在鐵磁體中，交換作用使晶體自發(fā)磁化，磁化強度的方向沿著晶體內(nèi)的易磁化軸，這樣就使鐵磁晶體內(nèi)交換作用能和磁晶各向異性能都達到極小值。但因晶體有一定的大

8、小與形狀，整個晶體均勻磁化的結果，必然產(chǎn)生磁極，磁極的退磁場增加了退磁能 (1/2)NMs2。為了減少退磁場能，晶體分為若干磁疇，這是磁疇形成的主要原因。q另外，晶體中應力分布不均勻也是原因之一。在應力急劇變化的地方，磁化矢量的方向也隨之變化，產(chǎn)生磁疇。 208.5 磁疇 n3 疇壁的分類 q理論和實驗都證明，在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，而是逐漸的變化，從而形成一個有一定厚度的過渡層，稱為疇壁。q根據(jù)疇壁兩側磁疇的Ms方向關系，分為180疇壁和90疇壁。q根據(jù)疇壁中磁矩的過渡方式不同，又可將疇壁分為布洛赫(Bloch)壁和奈耳(Neel)壁。 218.

9、5 磁疇 n3 疇壁的分類 qBloch 壁圖8.10 布洛赫壁結構 在大塊晶體中，當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，這樣就避免了在疇壁的兩側產(chǎn)生磁荷，防止了退磁能的產(chǎn)生。這種結構的疇壁稱作Bloch 壁。疇壁厚度是交換相互作用能與各向異性能之間的折中。總勢能最小。Fe的疇壁為0.1um228.5 磁疇 n3 疇壁的分類 qNel 壁圖8.11奈耳壁結構 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 Nel 壁的變化形式，即壁內(nèi)的自旋取向始終平行于薄膜表面轉向，在疇壁面內(nèi)產(chǎn)生了磁荷

10、和退磁場，但在樣品表面沒有退磁場。238.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁化曲線pM(B)與H的變化關系p開始M的增加比較緩慢p后來增加較快p最后達到Ms(飽和磁化強度)p縱坐標改為磁感應強度B，則對應于平衡值Ms的磁感應強度值稱為飽和磁感應強度 (Bs）248.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁化曲線p起始或可逆部分：M-H為線性關系，疇壁可逆位移為主p瑞利部分：線性關系不成立p非線性陡峭部分：不可逆疇壁位移為主p趨進飽和部分：疇轉動為主，最后達到飽和磁化強度 p順磁部分25q磁化曲線 8.5 磁疇沿外磁場強度H方向上的磁化強度MH可以表示為SH0cosiiiM VMV當外磁場強度H改

11、變H時，相應的磁化強度的改變?yōu)镸HSSSH000cos(cos)cos iiiiiiiMVM VVMMVVVMMM 位移順磁轉動磁化過程的磁化機制有三種：磁疇壁的位移磁化過程，磁疇轉動磁化過程，順磁磁化過程。 26q磁化曲線 大多數(shù)鐵磁體磁化曲線的變化通常可以分為四個階段：n弱磁場范圍內(nèi)的可逆疇壁位移；n中等磁場范圍內(nèi)的不可逆疇壁位移；n較強磁場范圍內(nèi)的可逆磁疇轉動；n強磁場下的不可逆磁疇轉動。8.5 磁疇磁性材料的磁化，實質上是材料受外磁場的作用，其內(nèi)部的磁疇結構發(fā)生變化。278.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁滯將外磁場強度H減小，磁化強度M將不再按照原來的初始磁化曲線減小，而是更加緩

12、慢地沿較高的磁化強度M減小。這是因為發(fā)生剛性轉動的磁疇方向保留了外磁場方向。即使外磁場強度等于零時，M0。這種磁化曲線與退磁曲線不重合的性質稱為磁化的不可逆性。磁化強度M的改變滯后于磁場強度H的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。 288.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁滯回線n1)飽和磁化強度Msn2)剩余磁化強度Mrn3)矯頑力Hc剩磁是反磁化過程中不可逆磁化的標志，其大小取決于材料從飽和磁化降到H=0的反磁化過程中磁疇結構的變化，與磁各相異性、晶體的缺陷等有關。矯頑力的大小表征了材料被磁化的難易程度，來源于不可逆的磁化過程298.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q依磁滯回線形狀及其特點分類，磁性材料可

13、分為以下五種 q軟磁材料 q硬磁材料 q矩磁材料 q壓磁材料 q旋磁材料 308.7 磁性材料 n3 矩磁材料q矩磁材料的矯頑力也很小，與軟磁相似，它的特點是滋滯回線呈矩形。q由于矩磁材料主要用于磁記錄和磁存儲技術方面，所以又叫做磁記錄與磁存儲材料。n剩磁比：Br/Bm來表征回線的矩形程度開關矩形比n剩磁比： B-Hm/2/Bm (或簡寫為B-1/2/Bm)記憶矩形比318.7 磁性材料 n3 矩磁材料q磁心存儲器的工作原理q利用矩磁材料具有矩磁磁滯回線的特性，與飽和磁感應強度Bm大小相近的兩種剩磁狀態(tài)+Br和-Br分別代表“l(fā)”和“0”q當輸入一個+Im電流脈沖時，相當于磁心受到+Hm磁場的

14、激勵而被磁化到+Bm。脈沖過后，磁心保留+Br狀態(tài)，表示存入信號“1”。反之，輸入-Im電流脈沖時，磁心保留-Br狀態(tài)，表示存入信號“0”。 圖8.31 磁心存儲器原理 328.7 磁性材料 n3 矩磁材料q磁心存儲器的工作原理q在讀出信息時，可通入-Im電流脈沖，如果原來存入的信號是“0”，則磁感應強度的變化由-Br-Bm，變化很小，感應電壓也很小，相當于沒有信號電壓輸出，表示輸出為零。而原有信號為“1”時，則磁感應強度由Br-Bm，變化很大，故有明顯的電壓信號輸出。這樣，根據(jù)磁感應電壓的大小，就可判斷磁心所存儲的信息。 圖8.31 磁心存儲器原理 338.7 磁性材料 n3 矩磁材料q要求

15、：n剩磁比要高，特殊情況下還要求B-1/2/Bm要高；n矯頑力要小；n開關系數(shù)要小；n損耗低；n對溫度、振動等外界因素的時間穩(wěn)定性要好。q鐵氧體材料形成矩形磁滯回線的條件是結晶各向異性和應力各向異性。一般密度高、晶粒均勻、結晶各向異性較大的尖晶石型鐵氧體都可制成磁性能較好的矩磁材料。 348.8 磁性元器件 n2 磁光存儲q磁光存儲是數(shù)字數(shù)據(jù)存儲技術中很有效的技術手段之一。磁光盤上具有很多同圓心的磁軌，每個磁軌上又可劃分成若干個的片段或單元。q磁光存儲兼有磁存儲和光存儲兩者的優(yōu)點，具有可擦寫、高密度、非接觸、隨機存取和不易變的特點。q基本方式是用激光束照射磁性薄膜，實現(xiàn)熱磁記錄和擦除信息，應用磁光法拉第或克爾效應讀出信息。358.8 磁性元器件 n2 磁光存儲q熱磁寫入 n居里溫度寫入n補償溫度寫入激光熱磁寫入示意圖 外加偏磁場使磁光膜磁化到飽和，然后在剩磁狀態(tài)下用激光束照射，磁光膜的局部溫度上升，當溫度TTC時，微區(qū)