磁晶各向異性

磁晶各向異性第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一主要內(nèi)容：

感生磁各向異性12交換各向異性3內(nèi)容回顧第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

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(qiáng)度可以指向任意方向而不改變體系的內(nèi)能。實(shí)際上在磁性材料中，自發(fā)磁化強(qiáng)度總是處于一個(gè)或幾個(gè)特定方向，該方向稱為易軸。當(dāng)施加外場(chǎng)時(shí)，磁化強(qiáng)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(dǎo)致磁性的各向異性1.1磁晶各向異性：第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

1.2磁晶各向異性的宏觀描述及磁化功

⑴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。

⑵磁化功

定義：鐵磁體磁化時(shí)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(shí)所需要的磁化能不同第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.1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(duì)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(chǎng)作用下的熱處理、應(yīng)力作用下的熱處理及冷軋等。其中磁場(chǎng)熱處理是強(qiáng)磁材料在溫度下，處于外磁場(chǎng)中退火；退火目的是降低硬度；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形，消除組織缺陷。冷軋是指，經(jīng)過連續(xù)冷變形而引起的冷作硬化使材料的強(qiáng)度、硬度上升、韌塑指標(biāo)下降。

第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.2分類123生長(zhǎng)感生磁向異性應(yīng)力感生磁向異性磁場(chǎng)感生磁向異性第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

生長(zhǎng)感生各向異性大多發(fā)生于磁性薄膜中，由于生長(zhǎng)過程的特殊條件，使各個(gè)磁性離子沿著特定的方向形成有序化，導(dǎo)致呈現(xiàn)出生長(zhǎng)感生各向異性。應(yīng)力感生磁各向異性的出現(xiàn)是由于應(yīng)力或形變通過磁彈性相互作用影響磁化強(qiáng)度的從優(yōu)取向。第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)磁體從高溫冷卻時(shí)，施加外磁場(chǎng)，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(jié)于外磁場(chǎng)方向，從而形成磁場(chǎng)感生磁各向異性，并且為單軸各向異性。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.3感生磁各向異性的機(jī)理

按產(chǎn)生磁各向異性的根源，其機(jī)理可以歸結(jié)為下面三種效應(yīng)：⑴原子對(duì)方向性排列（方向有序）效應(yīng)⑵逆磁致收縮效應(yīng)⑶晶粒、晶粒邊界的形狀效應(yīng)⑴原子對(duì)方向性排列效應(yīng)，主要產(chǎn)生磁場(chǎng)感生各向異性或生長(zhǎng)感生磁各向異性。如果是隨機(jī)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第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

我們用-合金來解釋，假定鐵鎳合金中有各向異性分布的Ni-Ni,Fe-Fe和Ni-Fe原子對(duì)，而且Ni-Fe原子對(duì)的鍵長(zhǎng)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頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

在這種產(chǎn)生感生磁各向異性的機(jī)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(qiáng)度和熱處理外加強(qiáng)磁場(chǎng)方向的夾角。定義是與磁化平行的鎳鐵原子對(duì)中的一個(gè)與其他原子交換位置時(shí)發(fā)生的能量變化。

第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

現(xiàn)設(shè)鎳的濃度很?。ㄟh(yuǎn)遠(yuǎn)小于1），無序時(shí)就沒有-近鄰如圖（a），若磁場(chǎng)熱處理時(shí)，鐵鎳原子的位置互換如圖(b)增加了一個(gè)鐵鐵對(duì)和一個(gè)鎳鎳對(duì)，同時(shí)減少了兩個(gè)鐵鎳對(duì)。第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

⑵逆磁致伸縮效應(yīng)

是指磁性體在受到形變時(shí)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(shí)將產(chǎn)生磁各向異性現(xiàn)象。

第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一⑶晶粒、晶粒邊界的形狀效應(yīng)

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(duì)于析出型合金，在磁場(chǎng)熱處理過程中，析出粒子產(chǎn)生了擇優(yōu)長(zhǎng)大，結(jié)果由于這種析出物的形狀各向異性，導(dǎo)致產(chǎn)生了單軸磁各向異性。第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3交換各向異性3.1

定義

將強(qiáng)磁性的Co微粒表面進(jìn)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(dāng)磁場(chǎng)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(chǎng)下從室溫冷卻到770k時(shí)，表現(xiàn)出單向各向異性。這種各向異性，驅(qū)使磁化強(qiáng)度沿著冷卻時(shí)所加的外場(chǎng)方向。

第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.2對(duì)Co-CoO的熱處理

CoO是反鐵磁性，在冷卻過程中，反鐵磁自旋結(jié)構(gòu)在奈爾點(diǎn)(低于室溫)形成時(shí)，由于在外場(chǎng)作用下，表面處的Co2+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(chǎng)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(chǎng)中冷卻到77K。

H交換第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一(4.19)在77K溫度下，輕微氧化的Co粉的磁滯回線實(shí)線：磁場(chǎng)中冷卻；虛線：無外場(chǎng)下冷卻。

可以看出：

⑴磁滯回線發(fā)生了偏移；

這是因?yàn)镃o粒子的磁化強(qiáng)度趨向于外磁場(chǎng)的正向，在反向磁化時(shí)，為了使磁化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)到負(fù)方向，必須在負(fù)方向施加一個(gè)額外的場(chǎng)，也就是交換各向異性產(chǎn)生的交換場(chǎng)。

第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一⑵轉(zhuǎn)矩曲線為形式。

這表明它是一種單向各向異性，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)第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

單向各向異性的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式是：

轉(zhuǎn)動(dòng)磁滯代表正反旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一周分別測(cè)量的轉(zhuǎn)矩曲線所需要的能量之差。其表達(dá)式為：

其中為磁場(chǎng)H與磁化強(qiáng)度M的夾角，則轉(zhuǎn)矩為：

3.3Co-CoO在磁場(chǎng)中的自由能第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

Co-CoO在磁場(chǎng)中的自由能包括三部分：⑴Co的單軸磁晶各向異性能；⑵Co與CoO界面的單向各向異性能;⑶磁場(chǎng)能。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

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(dá)式：上式說明，磁滯回線沿磁場(chǎng)坐標(biāo)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(chǎng)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(biāo)原點(diǎn)為中心是對(duì)稱的。圖4-19虛線所示。而對(duì)于經(jīng)過磁場(chǎng)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。

第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.4交換各向異性的起源

右圖(a)表示高于CoO的奈耳點(diǎn)以上溫度時(shí)的情況，CoO的反鐵磁結(jié)構(gòu)不存在，只有Co的鐵磁結(jié)構(gòu)。圖(b)表示在強(qiáng)磁場(chǎng)中進(jìn)行熱處理時(shí)的情況。當(dāng)溫度冷卻到CoO的奈耳點(diǎn)以下時(shí)，則CoO形成反鐵磁結(jié)構(gòu)，同時(shí)，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