磁晶各向異性

1、關于磁晶各向異性第一張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月主要內(nèi)容： 感生磁各向異性12交換各向異性3內(nèi)容回顧第二張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 在磁性物質(zhì)中，自發(fā)磁化主要來源于自旋間的交換作用，這種交換作用本質(zhì)上是各向同性的，如果沒有附加的相互作用存在，在晶體中，自發(fā)磁化強度可以指向任意方向而不改變體系的內(nèi)能。實際上在磁性材料中，自發(fā)磁化強度總是處于一個或幾個特定方向，該方向稱為易軸。當施加外場時，磁化強度才能從易軸方向轉(zhuǎn)出，此現(xiàn)象稱為磁晶各向異性。 晶體中原子排列的各向異性導致磁性的各向異性1.1 磁晶各向異性：第三張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 1.2 磁晶各

2、向異性的宏觀描述及磁化功 宏觀描述 單晶體： 原子離子按同一方式 有規(guī)則地周期性排列組成的固體。 多晶體：由許多取向不同的單晶體組成的固體。 磁化功 定義：鐵磁體磁化時所需要的磁化能。 沿鐵磁晶體不同的晶軸方向上，磁化到飽和時所需要的磁化能不同第四張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1 感生磁各向異性的定義定義： 許多鐵磁性合金與鐵氧體中，通過對磁體施以某種方向性處理的工藝，可以感生出磁各向異性。這類處理方式：磁場作用下的熱處理、應力作用下的熱處理及冷軋等 。 其中磁場熱處理是強磁材料在 溫度下，處于外磁場中退火；退火目的是降低硬度；消除殘余應力，穩(wěn)定尺寸，減少變形，消除組織缺陷。冷

3、軋是指，經(jīng)過連續(xù)冷變形而引起的冷作硬化使材料的強度、硬度上升、韌塑指標下降 。 第五張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2 分類123生長感生磁向異性應力感生磁向異性磁場感生磁向異性第六張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 生長感生各向異性大多發(fā)生于磁性薄膜中，由于生長過程的特殊條件，使各個磁性離子沿著特定的方向形成有序化，導致呈現(xiàn)出生長感生各向異性。 應力感生磁各向異性的出現(xiàn)是由于應力或形變通過磁彈性相互作用影響磁化強度的從優(yōu)取向。第七張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁場感生磁各向異性，在大塊磁體和磁性膜中都可以發(fā)生，特別是在具有較高電子遷移率的磁體中更容易實現(xiàn)。

4、當磁體從高溫冷卻時，施加外磁場，使之影響磁矩的取向。如果磁體從高溫急冷到常溫，則有新的感生方向被凝結于外磁場方向，從而形成磁場感生磁各向異性，并且為單軸各向異性。第八張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3 感生磁各向異性的機理 按產(chǎn)生磁各向異性的根源，其機理可以歸 結為下面三種效應： 原子對方向性排列（方向有序）效應 逆磁致收縮效應 晶粒、晶粒邊界的形狀效應 原子對方向性排列效應，主要產(chǎn)生磁場 感生各向異性或生長感生磁各向異性。 如果是隨機占位是無序態(tài)，如果分別占據(jù) 1-Fe和2-Al位則是有序態(tài)。1221第九張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 我們用 - 合金來解釋，假定鐵

5、鎳合金中有各向異性分布的Ni-Ni ,Fe-Fe 和Ni-Fe原子對，而且Ni-Fe原子對的鍵長短。這樣方向有序引起晶格畸變，通過磁彈性能產(chǎn)生感生各向異性。無序完全有序方向有序第十張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 在這種產(chǎn)生感生磁各向異性的機理里，偶極子互相作用起著重要作用，以薄膜為例，其單軸各向異性能為： 式中 為感生磁各向異性常數(shù)， 為磁化強度和熱處理外加強磁場方向的夾角。 定義 是與磁化平行的鎳鐵原子對中的一個與其他原子交換位置時發(fā)生的能量變化。 第十一張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 現(xiàn)設鎳的濃度很?。ㄟh遠小于1），無序時就沒有 - 近鄰如圖（a），若磁場熱處理時，

6、鐵鎳原子的位置互換如圖(b)增加了一個鐵鐵對和一個鎳鎳對，同時減少了兩個鐵鎳對。第十二張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 逆磁致伸縮效應 是指磁性體在受到形變時將發(fā)生偶極子互作用能的變化和彈性能的變化，這兩種能量的平衡又決定了磁致伸縮所產(chǎn)生的形變大小，所以磁體受到形變時將產(chǎn)生磁各向異性現(xiàn)象。 第十三張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶粒、晶粒邊界的形狀效應 主要出現(xiàn)在析出型合金和一些特殊成膜工藝的磁性薄膜中。對于析出型合金，在磁場熱處理過程中，析出粒子產(chǎn)生了擇優(yōu)長大，結果由于這種析出物的形狀各向異性，導致產(chǎn)生了單軸磁各向異性。第十四張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3

7、 交換各向異性3.1 定義 將強磁性的Co微粒表面進行微弱氧化，形成薄層CoO，由于Co是鐵磁性的，而CoO是反鐵磁性的，在Co和CoO界面就有交換作用，當磁場熱處理 后，由此引起交換各向異性（做成磁帶，錄音效果好）。 Maiklejohn與Bean發(fā)現(xiàn)，顆粒直徑為10-100nm的輕微氧化的Co粉，在磁場下從室溫冷卻到770k時，表現(xiàn)出單向各向異性。這種各向異性，驅(qū)使磁化強度沿著冷卻時所加的外場方向。 第十五張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 對Co-CoO的熱處理 CoO是反鐵磁性，在冷卻過程中，反鐵磁自旋結構在奈爾點( 低于室溫 )形成時，由于在外場作用下，表面處的Co2+

8、的自旋與顆粒中Co的自旋必定平行排列。 圖(4.19)和(4.20)為樣品的磁場熱處理的磁滯回線和轉(zhuǎn)矩曲線。熱處理的條件是： 從300K在 磁場中冷卻到77K。 H交換第十六張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 (4.19)在77K溫度下，輕微氧化的Co粉 的磁滯回線 實線：磁場中冷卻；虛線：無外場下冷卻。 可以看出： 磁滯回線發(fā)生了偏移； 這是因為Co粒子的磁化強度趨向于外磁場的正向，在反向磁化時，為了使磁化強度反轉(zhuǎn)到負方向，必須在負方向施加一個額外的場，也就是交換各向異性產(chǎn)生的交換場。 第十七張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 轉(zhuǎn)矩曲線為 形式。 這表明它是一種單向各向異性，

9、不同于單軸各向異性即自發(fā)磁化的穩(wěn)定方向（或易磁化方向）平行于一特殊晶軸 。其產(chǎn)生的各向異性能可表示為： Kd為交換各向異性常數(shù)，它取決于顆粒的總表面積。 (4.20)第十八張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 單向各向異性的轉(zhuǎn)矩表達式是： 轉(zhuǎn)動磁滯代表正反旋轉(zhuǎn)磁場一周分別測量的轉(zhuǎn)矩曲線所需要的能量之差。其表達式為： 其中 為磁場H與磁化強度M的夾角，則轉(zhuǎn)矩為： 3.3 Co-CoO在磁場中的自由能第十九張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 Co-CoO在磁場中的自由能包括三部分： Co的單軸磁晶各向異性能； Co與CoO界面的單向各向異性能; 磁場能。 其數(shù)學表達式為： 第二十張，

10、PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁滯回線上的矯頑力 是由 和 來決定，根據(jù)上面各式，可以得到矯頑力的表達式： 上式說明，磁滯回線沿磁場坐標軸向左邊偏移了 的大小，而 是單軸磁晶各向異性的矯頑力，未經(jīng)磁場熱處理的Co-CoO，只有Co的單軸磁晶各向異性，它的磁滯回線形狀，以坐標原點為中心是對稱的。圖4-19虛線所示。而對于經(jīng)過磁場熱處理的Co-CoO，由于交換各向異性的作用，致使磁滯回線發(fā)生偏移。 第二十一張，PPT共二十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3.4 交換各向異性的起源 右圖(a)表示高于CoO的奈耳點以上溫度時的情況，CoO的反鐵磁結構不存在，只有Co的鐵磁結構。圖(b)表示在強磁場中進行熱處理時的情況。當溫 度冷卻到CoO的奈耳點以下 時，則CoO形成反鐵磁結構，同時，由于Co與CoO的介面上的交換作用，使CoO的原子磁矩成為平行與反平行于Co的原子磁矩的取向。圖(c)表示在此溫度下，外加反向磁場，使Co原子磁矩轉(zhuǎn)動，但對CoO的原子磁矩卻影響甚小，如將反向磁場