第二章磁性材料

第二章各種固體材料及其應(yīng)用之磁功能材料

磁學(xué)量定義以及基本理論各種磁功能材料的介紹各種磁功能器件的介紹磁學(xué)量的定義以及基本理論磁極：永磁體有兩個(gè)磁極，N極和S極。同性相斥,異性相吸。兩個(gè)距離為r，磁極強(qiáng)度分別為m1和m2的磁極間的相互作用力為:為真空磁導(dǎo)率磁矩：一個(gè)圓電流的磁矩定義為M=iS,式中i是電流強(qiáng)度，S是圓電流回線包圍的面積。其方向可由右手定則來確定。磁化強(qiáng)度M:一個(gè)宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外不顯示磁性。宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為——磁化強(qiáng)度M:磁感應(yīng)強(qiáng)度B：在外磁場作用下，物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩呈現(xiàn)出一定的有序排列，相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場。物質(zhì)內(nèi)部外磁場和附加磁場的總和稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。J為磁極化強(qiáng)度。磁化率：=M/H磁導(dǎo)率：

=B/H原子磁性宏觀物質(zhì)的磁性來源于原子的磁性，原子磁性包括原子核外電子的磁性和原子核的磁性，但原子核磁矩僅為電子磁矩的1／1836.5，所以原子磁矩主要來源于電子磁矩。孤立狀態(tài)下原子磁矩：電子除了圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)外，還作自旋運(yùn)動(dòng)。原子磁矩是電子軌道磁矩和自旋磁矩的總和。根據(jù)量子力學(xué)的結(jié)果，3d過渡族金屬和4f稀土金屬的原子磁矩為：

J=gJ

B[J(J+1)]1/2,其中g(shù)J稱為朗德因子，J為原子總角動(dòng)量量子數(shù)，L為原子總軌道量子數(shù)，S為原子總自旋量子數(shù)，

B

為Bohr磁矩。(2)晶體中的原子磁矩：過渡金屬的情況：孤立原子的磁矩>>晶體中原子的磁矩原因：孤立原子組成金屬后，4s電子公有化，3d電子層成為最外層電子。在晶格點(diǎn)陣上的離子處于周圍近鄰離子產(chǎn)生的晶體場(稱為晶場)中。在晶場的作用下，晶體中原子3d電子軌道磁矩被晶場固定了，不隨外磁場轉(zhuǎn)動(dòng)（軌道“凍結(jié)”），對(duì)原子磁矩?zé)o貢獻(xiàn)。金屬原子主要由電子的自旋磁矩來貢獻(xiàn)。稀土金屬的情況：孤立原子的磁矩

晶體中原子的磁矩原因：晶體中4f電子殼層被外層的5s和5p電子殼層所屏蔽，晶場對(duì)4f電子軌道磁矩的作用甚弱或者沒有作用，所以4f金屬的電子軌道磁矩和自旋磁矩對(duì)原子都有貢獻(xiàn)。

過渡金屬（3d電子的影響）稀土元素小資料：什么是稀土？稀土就是化學(xué)元素周期表中鑭系元素：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素：鈧(Sc）和釔(Y）共17種元素，稱為稀土元素(RareEarth）。稀土元素最初是從瑞典產(chǎn)的比較稀少的礦物中發(fā)現(xiàn)的，“土”是按當(dāng)時(shí)的習(xí)慣，稱不溶于水的物質(zhì)，故稱稀土。根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征，十七種稀土元素通常分為二組。輕稀土（又稱鈰組）包括：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。重稀土（又稱釔組）包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。固體磁性

通過磁化率的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)物質(zhì)的磁化率都遠(yuǎn)小于1，一般為10-7~10-5,這些物質(zhì)被稱為弱磁性物質(zhì)。其中磁化率為正的，稱為順磁性物質(zhì)，如鈉、鋁、氧氣等；磁化率為負(fù)的，稱為抗磁性物質(zhì)，如銅、鉍、大多數(shù)有機(jī)材料和生物材料。少數(shù)物質(zhì)的磁化率遠(yuǎn)大于1，如鐵、鎳和四氧化三鐵等，稱為強(qiáng)磁性物質(zhì)。強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁性種類很多，實(shí)際應(yīng)用也很多，強(qiáng)磁性物質(zhì)又稱為磁性材料。判斷固體中的固有磁矩是否為0?抗磁性材料是判斷熱運(yùn)動(dòng)能是否>磁矩中的交換作用能？鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性材料順磁性材料否否是

固體磁性抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性晶體中磁疇內(nèi)部原子磁矩的排列抗磁性(diamagnetism)當(dāng)物質(zhì)受到外加磁場的作用時(shí)，如果產(chǎn)生與外磁場方向相反的磁化，即磁化率為負(fù)值，則稱此種性質(zhì)為抗磁性。抗磁性一般可分為三類：一般抗磁性（任何物質(zhì)都具有）。將任一物質(zhì)置于外磁場中，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生微弱的與外磁場方向相反的感生磁矩。一切物質(zhì)都存在著抗磁性效應(yīng)。但在多數(shù)的情況下，此微弱的抗磁性常被較強(qiáng)的順磁磁化效應(yīng)所掩蓋。金屬中導(dǎo)電電子抗磁性（金屬具有）。由于電子在磁場中運(yùn)動(dòng)形成量子化的朗道能級(jí)，使電子系統(tǒng)的能量比未加磁場時(shí)升高了，等效于呈現(xiàn)抗磁性。導(dǎo)電電子的抗磁磁化率等于其自旋順磁磁化率的1/3，故導(dǎo)電電子呈現(xiàn)順磁性。超導(dǎo)體的完全抗磁性。順磁性(paramagnetism)順磁性是指材料在外磁場的作用下表現(xiàn)出與外磁場方向相同但數(shù)值很小的磁化率。順磁性一般可分為：其原子或分子具有固有磁矩，但固有磁矩之間沒有相互作用或相互作用很小(<熱運(yùn)動(dòng)能)，因而磁矩之間不能形成磁有序排列(如鐵磁有序的情況)。溫度高于居里點(diǎn)的鐵磁材料和亞鐵磁材料，以及溫度高于Neel點(diǎn)的反鐵磁材料所呈現(xiàn)的順磁性。一些金屬和合金呈現(xiàn)的順磁性，其中一類是非過渡族非稀土族的金屬，比如堿金屬，它們并無自發(fā)磁化，其傳導(dǎo)電子之間并無交換作用。只是在外磁場的作用下，它們的傳導(dǎo)電子發(fā)生極化才呈現(xiàn)出與外磁場同向的磁化強(qiáng)度，這種順磁性稱為Pauli順磁性，其磁化率與溫度無關(guān)。鐵磁、亞鐵磁材料的單疇微粒呈現(xiàn)出的順磁性。當(dāng)這些微粒的體積減少到一定程度時(shí)，微粒的熱運(yùn)動(dòng)能將超過難磁化和易磁化之間的磁晶各向異性能的位壘，于是微粒的磁矩就不再固定在易磁化方向，而是隨時(shí)間作無規(guī)則的變化，而微粒的表觀磁化強(qiáng)度就變?yōu)榱?。在外磁場作用下，這些微粒傾向于沿外磁場方向排列，從而呈現(xiàn)出順磁性，這種順磁性叫做超順磁性。順磁性物質(zhì)磁化率與溫度的關(guān)系——居里定律大量的氣體、液體和固體的順磁性，近似服從由居里提出的磁化率與溫度成反比的經(jīng)驗(yàn)定律：不符合居里定律的情形，往往可以在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)符合居里-外斯定律：在常溫和一般磁場強(qiáng)度時(shí)，由實(shí)驗(yàn)常數(shù)c可確定固有磁矩

J。鐵磁性(ferromagnetism)鐵磁性材料：常溫下，鐵、鈷、鎳低溫下，Tb,Ho,Eu,Tm化合物：La1-xCaxMnO3(0.2<x<0.4),CrBr3,EuO,EuS,EuSe,EuI2，Eu2SiO4等。低于居里溫度時(shí)，這些材料在磁場中顯示出強(qiáng)磁性，磁化強(qiáng)度可達(dá)105A/m,其磁化曲線呈復(fù)雜的形式。原因：這些物質(zhì)的內(nèi)部存在著一種強(qiáng)的相互作用，使鄰近原子的磁矩近似地排在同一方向，形成了自發(fā)磁化。由物質(zhì)內(nèi)部的交換作用引起的磁矩有序排列，稱為自發(fā)磁化。由外加磁場引起的磁矩有序排列，稱為技術(shù)磁化。1）OA表示對(duì)于未磁化的樣品施加磁場H,隨H增加磁化強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)H增加到Hs時(shí)磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和強(qiáng)度Ms。2）達(dá)到飽和后,再減小磁場，磁化強(qiáng)度并不是可逆地沿OA線下降，而是沿著圖中AB變化。在B點(diǎn)磁場已減為0，但磁化強(qiáng)度并沒有消失。只有當(dāng)磁場沿相反方向增加到-Hc時(shí)，磁化才變?yōu)榱?，Hc稱為矯頑力。3）繼續(xù)增加反向磁場到-Hs可以使磁化強(qiáng)度達(dá)到反向的飽和。若再由-Hs增加到Hs，將完成如圖的回線，稱為磁滯回線。鐵磁性的基本特點(diǎn)是在外磁場中的磁化過程的不可逆性。鐵磁性成因

最早對(duì)鐵磁性的成因進(jìn)行解釋的是Weiss,他在1907年提出了兩個(gè)假設(shè),都得到了實(shí)驗(yàn)證明：分子場假設(shè)在鐵磁體的內(nèi)部存在著強(qiáng)大的分子場(約103T)，即使不加外磁場，其內(nèi)部也產(chǎn)生自發(fā)磁化。

1928年，Heisenberg用量子理論證明了：所謂的分子場，實(shí)際是電子自旋之間的交換作用，是電子遵循Pauli原理的必然結(jié)果。2.

磁疇假說鐵磁內(nèi)部的自發(fā)磁化被分為若干稱為磁疇的區(qū)域，在每一區(qū)域內(nèi)自發(fā)磁化到飽和，但各個(gè)區(qū)域的磁化強(qiáng)度方向是混亂的，因而當(dāng)不加磁場時(shí)，不表現(xiàn)出宏觀磁性。

Weiss的分子場理論參考黃昆《固體物理》，P408磁疇假說

理論與實(shí)驗(yàn)均已證明，在居里溫度以下、在沒有外磁場的作用下，鐵磁體內(nèi)部分成若干個(gè)小區(qū)域，在每一個(gè)小區(qū)域內(nèi)原子磁矩彼此有序地排列，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)磁化，這一小區(qū)域稱為磁疇。

為什么會(huì)自發(fā)磁化呢？

3d金屬中的自發(fā)磁化

4f金屬中的自發(fā)磁化

3d金屬與4f金屬化合物的自發(fā)磁化金屬氧化物的自發(fā)磁化3d金屬中的自發(fā)磁化3d金屬（如鐵、鈷、鎳），當(dāng)3d電子云重疊時(shí)，相鄰原子的3d電子存在交換作用，它們每秒鐘以108的頻率交換位置。其交換作用能Eex

與兩個(gè)電子自旋磁矩的取向有關(guān)，表示為：Eex=-2A

i

j

cos,其中

為電子自旋角動(dòng)量，

是相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角，A為交換積分常數(shù)。在平衡態(tài)，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角應(yīng)遵循能量最小原理。當(dāng)A＞0時(shí)，為使交換能最小，相鄰原子3d電子的自旋磁矩夾角為零，即彼此同向平行排列，稱為鐵磁性耦合，即自發(fā)磁化，出現(xiàn)鐵磁性磁有序。當(dāng)A＜0時(shí)，為使交換能最小，相鄰原子3d電子自旋磁矩夾角為180度，即相鄰原子3d電子自旋磁矩反向平行排列，稱為反鐵磁性磁有序。當(dāng)A=0時(shí)，相鄰原子3d電子自旋磁矩彼此不存在交換作用或者說交換作用十分微弱。在這種情況，由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，原子自旋磁矩混亂取向，變成磁無序，這是順磁性。對(duì)于Eex=-2A

i

j

cos

的討論交換積分常數(shù)A的絕對(duì)值的大小及其正、負(fù)與a/r3d

有關(guān)。a是相鄰原子間距離，r3d是3d電子云半徑。在室溫以上，F(xiàn)e、Co、Ni和Gd等的交換積分常數(shù)A是正的，是鐵磁性的。反鐵磁性的交換積分常數(shù)A為負(fù)。順磁性物質(zhì)的交換積分常數(shù)A為零。4f金屬（稀土金屬）中的自發(fā)磁化部分稀土元素在低溫下呈現(xiàn)出鐵磁性。原因：（非直接交換作用）稀土金屬中對(duì)磁性有貢獻(xiàn)的是4f電子，其半徑僅約0.06-0.08nm。相鄰的電子云不可能重疊，外層還有5s和5p電子層對(duì)4f電子起屏蔽作用，它們不可能象3d金屬那樣存在直接交換作用。Ruderman、Kittel、Kasuya、Yosida等人先后提出,并逐漸完善了間接交換作用理論，稱為RKKY理論。這一理論可以很好地解釋稀土金屬和稀土與金屬間化合物的自發(fā)磁化。RKKY理論的中心思想是，在稀土金屬中f電子是局域化的，6s電子是巡游電子，f電子和s電子先發(fā)生交換作用，使6s電子極化。而極化了的6s電子自旋使4f電子自旋與相鄰原子的4f電子自旋間接地耦合起來，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化，并使稀土金屬原子磁矩排列出現(xiàn)多種螺磁性。小資料：RKKY相互作用的特點(diǎn)交換常數(shù)的符號(hào)隨著兩磁矩的距離而周期振蕩；相互作用能大小與兩磁矩距離的3次方成反比。稀土-過渡金屬化合物的自發(fā)磁化稀土金屬(RE)與3d過渡族金屬(M)形成一系列化合物。其中富3d過渡族金屬間化合物，如REM5、RE2M17、REFe14B、RE(Fe，M)12等已成為重要的永磁材料。這類化合物的晶體結(jié)構(gòu)都是由CaCu5型六方結(jié)構(gòu)派生而來，其中REM5，如SmCo5的結(jié)構(gòu)與CaCu5型結(jié)構(gòu)相同。在這類化合物中RE-M原子間距較遠(yuǎn)。不論是4f電子云之間，還是3d-4f電子云之間都不可能重疊，因此，不可能有直接交換作用，只能以傳導(dǎo)電子為媒介產(chǎn)生的間接交換作用使3d與4f電子磁矩耦合起來。金屬氧化物的自發(fā)磁化：鐵氧體磁性材料是由金屬氧化物組成的，其代表式為：MO?xFe2O3，其中M是二價(jià)金屬離子如Mn、Ni、Fe、Co、Mg、Ba、Sr等，x可取l-6。以MnO為例，說明金屬氧化物中的間接交換作用，并進(jìn)一步說明鐵氧體材料中的自發(fā)磁化。在O2-兩側(cè)成一直線的兩個(gè)Mn2+的磁矩必然是反平行的，這種通過氧離子而確定Mn離子磁矩相對(duì)取向的交換作用，即間接交換作用或超交換作用。自旋同向自旋反向磁疇壁與磁疇結(jié)構(gòu)疇與疇之間的邊界稱為疇壁。相鄰兩個(gè)片狀疇的磁矩夾角為180度，它們的邊界稱為180度疇壁。片狀疇與三角疇(又稱封閉疇)之間磁矩相互垂直，它們的邊界稱為90度疇壁。片狀疇三角疇理論和實(shí)踐證明鐵磁體內(nèi)確實(shí)存在磁疇。疇壁的寬度、形狀、尺寸、取向平衡狀態(tài)的疇結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有最小的能量。交換能、退磁場能、磁晶各向異性能、磁彈性能技術(shù)磁化曲線上的磁疇微結(jié)構(gòu)磁疇壁1932年，布洛赫首先從能量的觀點(diǎn)分析了大塊的鐵磁體的疇壁，稱為布洛赫壁。在180度疇壁中，如果原子磁矩在相鄰兩原子間突然反向，則交換能的變化為

Eex＝

4A

2。若在n個(gè)等距離的原子間逐步均勻轉(zhuǎn)向，則在n+1個(gè)自旋轉(zhuǎn)向中，交換能Eex的總變化為Eex＝A2

2／n。

n越大，交換能就越低疇壁中的原子磁矩必然是逐漸地轉(zhuǎn)向。

疇壁是由一個(gè)磁疇的原子磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)向到相鄰磁疇的原子磁矩方向的過渡區(qū)。在疇壁內(nèi)其交換能、磁晶各向異性能都比疇內(nèi)的高。所高出的這一部分能量稱為疇壁能。180度疇壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)磁性物質(zhì)中的磁自由能

強(qiáng)磁性物質(zhì)內(nèi)存在交換作用能、靜磁能、退磁場能、磁晶各向異性能和磁彈性能等。靜磁能：強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與外磁場的相互作用能稱為靜磁能EH。它可表達(dá)為：EH=-MHcos,為M和H的夾角。退磁場能：鐵磁體的磁化強(qiáng)度與自身退磁場的相互作用能。其表達(dá)式為：Ed=1/2

0NM2其中N是退磁因子，M是磁化強(qiáng)度。交換能：近鄰原子間靜電相互作用能，是各向同性的，比其他各項(xiàng)磁自由能大100-10000倍，使強(qiáng)磁性物質(zhì)相鄰原子磁矩有序排列（自發(fā)磁化）。其他各項(xiàng)磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質(zhì)，而僅改變其磁疇結(jié)構(gòu)。磁晶各向性能:單晶體的磁性各向異性稱為磁晶各向異性。例如Fe單晶體的[100],[110]和[111]晶向的磁化曲線是不同的。外磁場對(duì)鐵單晶所做的磁化功，磁化功小的晶體方向稱為易磁化，磁化功大的晶體方向稱為難磁化方向。沿不同方向的磁化功的差值稱為磁晶各向異性能。磁致伸縮與磁彈性能:在磁場中磁化時(shí),鐵磁體的尺寸或體積發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁致伸縮,通常用磁致伸縮系數(shù)

＝

l/l來表示。磁致伸縮系數(shù)隨磁場的增強(qiáng)而增加。當(dāng)磁場達(dá)到一定數(shù)值后，它達(dá)到飽和值，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)。對(duì)3d金屬及合金，

約為10-5-10-6,REFe2型化合物可達(dá)10-3。磁致伸縮現(xiàn)象對(duì)鐵磁體的疇結(jié)構(gòu)、技術(shù)磁化行為及某些技術(shù)參量有重要的影響。當(dāng)鐵磁體存在內(nèi)應(yīng)力或有外應(yīng)力作用時(shí)，磁致伸縮要與應(yīng)力相互作用，與此有關(guān)的能量稱為磁彈性能。鐵磁材料的最低激發(fā)態(tài)：自旋波鐵磁體的基態(tài)：在絕對(duì)零度時(shí)，所有自旋同向排列在低溫下，鐵磁體有一定的幾率處于低的激發(fā)態(tài)最低的激發(fā)態(tài)：只有一個(gè)自旋反轉(zhuǎn)每個(gè)自旋都與近鄰的自旋相耦合，即所有自旋運(yùn)動(dòng)是耦合在一起的。從量子力學(xué)觀點(diǎn)，由于反轉(zhuǎn)的自旋可以處在各個(gè)不同的格點(diǎn)上，它們是能量簡并的N個(gè)量子態(tài)，相互作用的微擾有可能使它們組合成能量更低的量子態(tài)。自旋波模型磁振子布洛赫T3/2定律黃昆《固體物理》P417？？磁振子（自旋波）聲子（晶格波）

集體運(yùn)動(dòng)反鐵磁性和亞鐵磁性根據(jù)磁矩相互作用的交換能理論，當(dāng)交換常數(shù)A是負(fù)值時(shí)，磁矩將傾向于反平行排列。這可能嗎？反鐵磁材料、亞鐵磁性材料：磁矩反平行排列反鐵磁性：兩種相反的磁矩正好抵消，總磁矩為零亞鐵磁性：兩種磁矩大小不同，導(dǎo)致一定的自發(fā)磁化亞鐵磁性和鐵磁性都具有以自發(fā)磁化為基礎(chǔ)的強(qiáng)磁性和磁滯回線等特征。反鐵磁材料的磁化率與溫度的關(guān)系其磁化率在高溫遵循居里-外斯定律：其中>0Neel點(diǎn)磁化率具有一個(gè)尖銳的峰值，峰值位置反映了自發(fā)的反平行排列消失的溫度，常稱為Neel溫度。溫度低于Neel溫度時(shí)，磁化率是隨溫度的增加而增加。這是由于隨著溫度提高，反平行排列的秩序逐步減弱，由此引起磁化率不斷增加。溫度高于Neel溫度時(shí)，表現(xiàn)為順磁性。與前面討論的一般順磁性相似，磁化率隨溫度升高而下降。各種磁功能材料永磁材料（能長期保持強(qiáng)磁性）

稀土永磁材料、鐵氧體永磁材料、金屬永磁材料軟磁材料

金屬軟磁材料、軟磁鐵氧體、非晶軟磁材料磁信息材料磁記錄材料、磁存儲(chǔ)材料、磁信息材料特種磁性材料旋磁材料、磁致伸縮材料、其他特種磁性材料永磁材料永磁材料永磁材料——硬磁材料，是指施加外磁場磁化以后能長期保留其磁性的材料?！坝病保洪L期保留磁性的能力高（不是指材料的力學(xué)硬度）。最早發(fā)現(xiàn)、最早應(yīng)用、種類最多、應(yīng)用最廣磁性強(qiáng)保持磁性的能力強(qiáng)磁性穩(wěn)定如何判斷永磁材料的優(yōu)劣？高的最大磁能積高的剩余磁通密度(剩磁)高的矯頑力磁滯回線越胖越好永磁材料的發(fā)展永磁之王：稀土永磁材料目前永磁性能最好的是稀土永磁材料，常被稱為“永磁之王”。以稀土元素為重要組元的金屬間化合物，“四高一低”：高的原子磁矩

高的剩磁高的磁晶各向異性高的矯頑力高的磁致伸縮系數(shù)高的磁光效應(yīng)低的磁轉(zhuǎn)變溫度：限制其實(shí)際的應(yīng)用。（鐵和鈷的居里點(diǎn)很高，分別為1131度和770度。因此選取適當(dāng)?shù)南⊥猎睾外捇蜩F的金屬間化合物，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚肀憧赡塬@得永磁性能良好的材料。）稀土永磁材料是現(xiàn)在已知的綜合性能最高的一種永磁材料。比十九世紀(jì)使用的磁鋼的磁性能高100多倍比鐵氧體、鋁鎳鈷性能優(yōu)越得多比昂貴的鉑鈷合金的磁性能還高一倍由于稀土永磁材料的使用，不僅促進(jìn)了永磁器件向小型化發(fā)展，提高了產(chǎn)品的性能，而且促使某些特殊器件的產(chǎn)生。我國研制生產(chǎn)的各種稀土永磁材料的性能已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平。永磁之王：稀土永磁材料第一代是SmCo5系第二代是Sm2Co17系第三代是Nd-Fe-B系這三代永磁材料的最大磁能積(BH)m一般在160kJ/m3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他永磁材料稀土原料價(jià)格高，使用稀土永磁材料必須考慮經(jīng)濟(jì)和成本問題隨著永磁性能的提高和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，已使稀土永磁材料與其他一些永磁材料的價(jià)格相近我國的稀土礦蘊(yùn)藏量約占全世界蘊(yùn)藏量的80%以上，發(fā)展稀土永磁材料具有特別重要的意義永磁之王：稀土永磁材料稀土永磁材料：鈷基合金第一代永磁材料：1:5型RE-Co系稀土化合物SmCo5、PrCo5、MnCo5和Ce(Co，Cu，F(xiàn)e)5第二代永磁材料：

2:17型RE-Co系稀土化合物Sm(Co,Cu，F(xiàn)e，Zr)z(z＝7-8.4)。Sm-Co永磁合金的發(fā)現(xiàn)使永磁體的矯頑力和磁能積均有一個(gè)跳躍性的發(fā)展，使永磁材料進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，但Sm-Co型合金含有相對(duì)多的稀土元素Sm，同時(shí)含有昂貴的戰(zhàn)略金屬Co，由于其成本高，應(yīng)用受到限制。稀土永磁材料：鐵基合金(Nd-Fe-B)

1983年發(fā)現(xiàn)的第三代永磁材料：Nd-Fe-B系列優(yōu)點(diǎn)：1）磁能積創(chuàng)歷史記錄,當(dāng)時(shí)達(dá)到290kJ/m。經(jīng)過二十年的發(fā)展，現(xiàn)在磁能積又達(dá)到一新高度即430kJ/m2）矯頑力很高，~2400kA/m3）以Fe、B和Nd作為主要原材料，資源豐富，價(jià)格便宜4）居里溫度已提高到600度，其工作溫度已達(dá)到240度據(jù)預(yù)測(cè)，在未來的20-30年內(nèi)不可能有能取代Nd-Fe-B系永磁合金的新型永磁材料出現(xiàn)。1994年世界Nd-Fe-B系永磁體的產(chǎn)量約5000噸,2000年全球產(chǎn)量為到14000噸以上。鐵氧體永磁材料：產(chǎn)量最高鐵氧體永磁材料：Fe2O3為重要組分的復(fù)合氧化物磁性材料產(chǎn)量最高、價(jià)格低廉、種類很多生產(chǎn)工藝同一般陶瓷器的生產(chǎn)工藝相似鐵氧體絕大多數(shù)是亞鐵磁性材料，飽和磁化強(qiáng)度較低鐵氧體，電阻率很高，可直接應(yīng)用于高頻電磁波目前，在收音機(jī)、電視機(jī)的喇叭中，在各種永磁電動(dòng)機(jī)中，及其他許多應(yīng)用永磁材料的器件和裝置中，大量使用的仍然是鐵氧體永磁材料，其成分為磁鉛石型的鋇鐵氧體(BaFe12O19)系。金屬永磁材料：性能多樣

當(dāng)前應(yīng)用較多的有兩大類金屬永磁材料：硬度高因而不易機(jī)械加工的Alnico系合金，主要成分為Fe、Ni和Al，隨合金成分和加工情況的不同分為Alnico1Alnico2…等，一般經(jīng)過磁場熱處理的各向異性Alnico合金，最大磁能積可達(dá)70kJ/m3。韌性高因而容易加工的Fe-Cr-Co系和Fe-Co-V系,是目前應(yīng)用較多的可以進(jìn)行機(jī)械加工和冷熱塑性變形的永磁合金，可制成絲狀、片狀和管狀。但這些合金對(duì)熱處理非常敏感，不掌握最佳處理?xiàng)l件很難獲得最佳永磁性能。金屬永磁材料：以鐵為主要組元、合金型永磁材料中等的最大磁能積，溫度特性較好，價(jià)格居于稀土永磁材料與鐵氧體永磁材料之間，故在許多情形下應(yīng)用也較多。軟磁材料軟磁材料矯頑力低、磁導(dǎo)率高的磁性材料大多數(shù)是在交變磁場條件下工作，要求其體積小、重量輕、功率大、靈敏度高、發(fā)熱量少、穩(wěn)定性好、壽命長。主要應(yīng)用：發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯計(jì)算機(jī)磁芯磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)磁屏蔽電磁鐵的鐵芯磁路的導(dǎo)磁體不軟的軟磁材料軟磁材料的磁滯回線細(xì)長，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。應(yīng)具有以下四個(gè)基本條件：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度量Bs高磁導(dǎo)率

高居里溫度適當(dāng)高鐵芯損耗要小在選擇和研制軟磁材料時(shí)應(yīng)力求做到：單位體積內(nèi)材料的磁性原子數(shù)要多原子磁矩要大雜質(zhì)元素(如C、O、S、P等)的含量要盡可能少磁晶各向異性常數(shù)要低磁致伸縮系數(shù)要小內(nèi)應(yīng)力盡可能低摻雜物和非磁性第二相的體積百分?jǐn)?shù)越小越好矯頑力要低電阻率要高磁疇寬度要小材料應(yīng)能做成薄帶或片狀，但其厚度要足夠小軟磁材料按磁特性可分為：高磁感材料、高導(dǎo)磁材料、高矩形比材料、恒導(dǎo)磁材料、溫度補(bǔ)償材料按材料成分可分為：電工純鐵、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金和Fe-Co合金按形態(tài)可分為：晶態(tài)、非晶態(tài)及納米晶軟磁材料軟磁材料的分類磁信息材料磁記錄過程1）把聲音、圖象和數(shù)字等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)2）將電信號(hào)的強(qiáng)弱經(jīng)過磁頭轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌龅拇笮。眠@磁場去磁化磁記錄介質(zhì)磁記錄介質(zhì)的磁化情況=輸入信息如果要把磁記錄介質(zhì)中存儲(chǔ)的信息重放出來，即將磁記錄材料經(jīng)過磁重放頭，將所記錄的磁信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇簟D象和數(shù)字，便可得到原來信號(hào)了。在磁記錄和磁重放過程中，需要應(yīng)用兩種磁性材料：電信號(hào)磁信號(hào)，磁信號(hào)電信號(hào)磁頭材料將記錄和存儲(chǔ)信息的磁記錄材料外部存儲(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

軟盤硬磁盤光盤磁盤旋轉(zhuǎn)，形成相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)磁頭的電磁感應(yīng)線圈鐵磁薄膜介質(zhì)，磁化方向表示0、1軟盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理隨機(jī)的粒子(沒有儲(chǔ)存數(shù)據(jù))電流流通(寫入的操作)有組織的粒子(代表數(shù)據(jù))媒體讀寫頭data軟盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理硬盤:一組固定在同一個(gè)軸上，同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的盤片盤片是鋁合金的薄圓片，每個(gè)圓片的兩個(gè)表面都涂附了一層很薄的高性能磁性材料，作為存儲(chǔ)信息的介質(zhì)盤片表面分為一個(gè)個(gè)同心圓磁道，每個(gè)磁道又被分成若干區(qū)段。以普通微機(jī)常用的3.5"硬盤為例，其每個(gè)盤片表面可能劃分為1000個(gè)甚至更多的磁道，每個(gè)磁道又分為幾十上百個(gè)區(qū)段，因此一個(gè)盤片的存儲(chǔ)容量就非?？捎^?？拷總€(gè)盤片的兩個(gè)表面各有一個(gè)讀寫磁頭。這些磁頭全部固定在一起，可同時(shí)移到磁盤的某個(gè)磁道位置。硬盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理硬盤外觀硬盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理Read/writeheads硬盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理面surface，道track，扇區(qū)sector，柱面cylinder讀寫頭硬盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理利用激光原理存儲(chǔ)和讀取信息光盤片用塑料制成，塑料中間夾入了一層薄而平整的鋁膜，通過鋁膜上極細(xì)微的凹坑記錄信息一次性光盤:制作時(shí)在盤面上一次性形成的，只能讀出，不能重新寫入。工廠通過壓制方法生產(chǎn)光盤時(shí)，將信息以凹坑形式生成在鋁膜上，成為永久的信息記錄。一片普通5”只讀光盤可以存放650MB的信息。只讀光盤是一種非常好的可以長期保存的存儲(chǔ)介質(zhì)。可刻錄光盤可讀寫光盤光盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理光盤表面：0/1光盤外觀光盤工作原理激光束撞擊光盤表面凹坑平面棱鏡反射激光束激光二極管感光二極管聚焦光脈沖轉(zhuǎn)換光盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理光盤的工作原理磁記錄材料對(duì)磁記錄材料的要求：

適當(dāng)高的矯頑力：以抵抗環(huán)境磁干擾和提高磁信息存儲(chǔ)密度；

高的飽和磁化強(qiáng)度和剩磁比：以獲得高的存儲(chǔ)和輸出信息；

陡直的磁滯回線：以提高記錄信息的分辨率。目前應(yīng)用的磁記錄材料主要有：

-Fe2O3，表面包Co（或摻Co）-Fe2O3磁粉，目前90%以上都采用這類材料；BaFe12O19磁粉；CrO2磁粉（屬于高矯頑力磁粉）；金屬磁膜（如Fe-Co系和Co-Cr系磁膜）。磁頭材料對(duì)磁頭材料的主要要求：

高的磁導(dǎo)率：以提高磁頭的靈敏度；

高的飽和磁化強(qiáng)度：以提高磁頭中的磁場；

低的矯頑力：以降低對(duì)磁頭的輸入信號(hào)；

高的力學(xué)強(qiáng)度：以延長磁頭的使用壽命。目前應(yīng)用的磁頭材料：鐵氧體高密度多晶和單晶材料，如(Mn、Zn)Fe2O4;高硬度金屬磁頭材料，如Fe-Ni-Nb(Ta)系硬坡莫合金和Fe-Si-Al系合金；非晶磁頭材料，如Fe-B(Si、C)系，F(xiàn)e-Ni(Mo)-B(Si)系和Fe-Co-B(Si)系非晶磁性材料；由磁性不同的多層膜組成的磁頭材料。

無論增加硬盤容量還是提升數(shù)據(jù)傳輸速率，都離不開磁頭技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的讀寫都是通過磁頭來完成的。

早期的磁頭屬于磁電感應(yīng)式，讀寫都是同一個(gè)磁頭。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，成本較低缺點(diǎn)：1）必須要同時(shí)兼顧到讀/寫兩種特性，對(duì)磁盤的信號(hào)讀取或者寫入的時(shí)候有較大的偏差；2）盤片上磁道很密集的時(shí)候，沒法進(jìn)行操作，導(dǎo)致單碟容量上不去。讀寫磁頭怎么辦？將讀寫磁頭進(jìn)行分離，一個(gè)負(fù)責(zé)讀取，一個(gè)負(fù)責(zé)寫入。寫入磁頭仍采用磁感應(yīng)磁頭，MR(磁阻)磁頭則作為讀取磁頭磁阻。優(yōu)點(diǎn)：更好的讀/寫性能，對(duì)磁道的磁信號(hào)感應(yīng)很敏銳，磁道間距離可以很小，增加磁道數(shù)量，這樣單碟容量上得到突破。讀寫磁頭單碟容量的不斷增加，到了MR磁頭的讀取極限，怎么辦？GMR(巨磁阻磁頭技術(shù))磁頭誕生了。近兩年的硬盤磁頭幾乎全部采用GMR，GMR磁頭技術(shù)是在MR的基礎(chǔ)上開發(fā)的，它比MR具有更高的靈敏性。小資料：MR磁頭利用磁致電阻效應(yīng)(magnetoresistive,

MR)制備的磁頭。磁致電阻效應(yīng)是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象。磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象。工作原理：1）MR元件中通以恒定電流I,2）由磁介質(zhì)中記錄的“1”或“0”信號(hào)來提供MR元件的外加磁場,3）MR元件的電阻率隨外加磁場的有和無而變化,通過測(cè)量阻便可讀出磁介質(zhì)中記錄的信息。小資料：巨磁阻材料巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。1986年德國的Cdnberg教授在Fe/Cr/Fe多層膜中觀察到反鐵磁層間耦合。1988年法國巴黎大學(xué)的肯特教授在Fe／Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)。1990年左右，在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng)。1992年，美國報(bào)道了Co-Ag、Co-Cu顆粒膜中存在巨磁阻效應(yīng)，這種顆粒膜是采用雙靶共濺射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基體上鑲嵌納米級(jí)的鐵磁的Co顆粒。

巨磁阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲(chǔ)元件上有廣泛的應(yīng)用前景。1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，從而在與光盤競爭中，磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化，廉價(jià)化。1995年，自旋閥型MRAM記憶單位的開關(guān)速度為亞納秒級(jí)，256Mbit的MRAM芯片亦已設(shè)計(jì)成功，成為可與半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM、SEUM）相競爭的新型內(nèi)存儲(chǔ)器。自旋極化效應(yīng)的自旋晶體管設(shè)想亦被提出來了。特種磁性材料：磁致伸縮材料磁致伸縮效應(yīng)是1842年由焦耳發(fā)現(xiàn)的。磁致伸縮傳統(tǒng)材料：鎳、鐵等金屬或合金。稀土超磁致伸縮材料：八十年代末新開發(fā)的，稀土-鐵系金屬間化合物。其磁致伸縮系數(shù)比一般磁致伸縮材料高約100倍以上。

鋱鏑鐵磁致伸縮合金（Terfenol-D）開辟了磁致伸縮材料的新時(shí)代。Terfenol-D合金：一半成份為鋱和鏑（有時(shí)加入鈥），其余為鐵，該合金由美國依阿華州阿姆斯實(shí)驗(yàn)室首先研制成功。當(dāng)Terfenol-D置于一個(gè)磁場中時(shí)，其尺寸的變化比一般磁性材料變化大，這種變化可以使一些精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。

1．聲納（sonar是聲音、導(dǎo)航、測(cè)距三個(gè)英文字母的縮略語）：一般的聲納發(fā)射頻率都在2kHz以上。低于此頻率的低頻聲納有其優(yōu)越性：頻率越低、衰減越小、聲波就傳得越遠(yuǎn)；同時(shí)頻率低受到水下無回聲屏蔽的影響就越小。用Terfenol-D材料制做的聲納可以滿足大功率、小體積、低頻率的要求，所以發(fā)展較快。2．電-機(jī)換能器：主要用于小型受控動(dòng)作器件，包括控制精度達(dá)納米級(jí)，以及伺服泵、燃料注入系統(tǒng)、制動(dòng)器等。它們用于汽車、飛機(jī)、航天器、機(jī)器人、精密機(jī)床、精密儀器、計(jì)算機(jī)、光通訊、印刷等。

3.傳感器和電子器件：如袖珍測(cè)磁儀、探測(cè)位移、力、加速度的傳感器以及可調(diào)諧的表面聲波器件等。后者用于雷達(dá)、聲納的相位傳感器和計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)元件。Terfenol-D材料的應(yīng)用器件磁光效應(yīng):磁場的作用下，物質(zhì)的電磁特性（如磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁化強(qiáng)度、磁疇結(jié)構(gòu)、磁化方向等）會(huì)發(fā)生變化，通過該物質(zhì)的光的傳輸特性也隨之發(fā)生變化。磁光材料是指在紫外到紅外波段，具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料。稀土元素由于4f電子層未填滿，因而產(chǎn)生未抵消的磁矩，這是強(qiáng)磁性的來源，從而導(dǎo)致強(qiáng)的磁光效應(yīng)。特種磁性材料：稀土磁光材料

單純的稀土金屬并不顯現(xiàn)磁光效應(yīng)，只有當(dāng)稀土元素?fù)饺牍鈱W(xué)玻璃、化合物晶體、合金薄膜等光學(xué)材料之中，才會(huì)顯現(xiàn)稀土元素的強(qiáng)磁光效應(yīng)。1845年法拉弟發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)，但在其后一百多年中，并未獲得應(yīng)用。上世紀(jì)60年代初，由于激光和光電子技術(shù)的開發(fā)，才使得磁光效應(yīng)的研究向應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，出現(xiàn)了新型的光信號(hào)功能器件—磁光器件。磁光器件，就是利用磁光效應(yīng)構(gòu)成的各種控制激光束的器件。1966年發(fā)展了磁光調(diào)制器、磁光開關(guān)、磁光隔離器、磁光環(huán)行器、磁光旋轉(zhuǎn)器、磁光相移器等磁光器件。由于光纖技術(shù)和集成光學(xué)的發(fā)展，1972年起又誕生了波導(dǎo)型的集成磁光器件。稀土磁光材料的應(yīng)用在60年代后期，因計(jì)算機(jī)存貯技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)了磁光存貯技術(shù)，出現(xiàn)了磁光印刷和磁光光盤系統(tǒng)。因信息技術(shù)的需要，在70年代中后期，利用磁光效應(yīng)研究圓柱狀磁疇（磁泡）而發(fā)展了磁泡技術(shù)。在磁泡技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了磁光信息處理機(jī)及磁泡顯示器。稀土磁光材料的應(yīng)用小資料：磁泡材料磁泡材料是指在一定外加磁場作用下具有磁泡疇結(jié)構(gòu)的磁性薄膜或薄片結(jié)構(gòu)。磁泡疇是具有較高磁各向異性和較低飽和磁化強(qiáng)度的磁性薄膜在一定外加磁場作用下產(chǎn)生的圓柱狀磁疇，其中磁化強(qiáng)度方向與外磁場方向相反。從膜面上看好象浮在膜面的圓泡，故稱磁泡。磁泡的有或無可以代表二進(jìn)制中的“1”或“0”，故可以用磁泡材料制成存儲(chǔ)器。目前可用作磁泡材料的主要有：Re3Fe5O12系鐵氧體(Re是稀土元素);ReFeO3系鐵氧體Tb-Fe系和Gd-Co系非晶磁膜BaFe12O19系鐵氧體1．磁光調(diào)制器

利用偏振光通過磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來調(diào)制光束。磁光調(diào)制器有廣泛的應(yīng)用，可作為紅外檢測(cè)器的斬波器，可制成紅外輻射高溫計(jì)、高靈敏度偏振計(jì)，還可用于顯示電視信號(hào)的傳輸、測(cè)距裝置以及各種光學(xué)檢測(cè)和傳輸系統(tǒng)中。

2．磁光隔離器

在光纖通信、光信息處理和各種測(cè)量系統(tǒng)中，都需要有一個(gè)穩(wěn)定的光源，由于系統(tǒng)中不同器件的聯(lián)接處往往會(huì)反射一部分光，一旦這些反射光進(jìn)入激光源的腔體，會(huì)使激光輸出不穩(wěn)定，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。磁光隔離器能使正向傳輸?shù)墓鉄o阻擋地通過，而全部排除從光纖功能器件接點(diǎn)處反射回來的光，從而有效地消除了激光源的噪聲。稀土磁光材料的應(yīng)用稀土磁光材料的應(yīng)用3．磁光傳感器

用磁光效應(yīng)來檢測(cè)磁場或電流的器件稱為磁光傳感器。它集激光、光纖和光技術(shù)于一體，以光學(xué)方式來檢測(cè)磁場和電流的強(qiáng)弱及狀態(tài)的變化，可用于高壓網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)和監(jiān)控，還可用于精密測(cè)量和遙控、遙測(cè)及自動(dòng)控制系統(tǒng)。4．磁光記錄

磁光記錄是近十幾年迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)。磁光記錄是目前最先進(jìn)的信息存儲(chǔ)技術(shù)，它兼有磁盤和光盤兩者的優(yōu)點(diǎn)。磁光盤廣泛應(yīng)用于國家管理、軍事、公安、航空航天、天文、氣象等需要大規(guī)模數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、記錄、存儲(chǔ)及分析等領(lǐng)域，特別是對(duì)于集音、像、通訊、數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、處理和存儲(chǔ)于一體的多媒體計(jì)算機(jī)來說，磁光存儲(chǔ)系統(tǒng)的作用是其它存儲(chǔ)方式無法代替的。小資料：磁光(M-O)存儲(chǔ)原理在一定溫度下，在磁記錄介質(zhì)的表面上加一個(gè)強(qiáng)度低于該介質(zhì)矯頑力的磁場,則不會(huì)發(fā)生磁通翻轉(zhuǎn),也就不能記錄信息

提高溫度，降低矯頑力,使其低于外加磁場強(qiáng)度,則將發(fā)生磁通翻轉(zhuǎn)利用激光照射磁性薄膜,溫度上升,矯頑力下降,在外加磁場下發(fā)生磁矩翻轉(zhuǎn),記錄信息

抹除信息和記錄信息的原理一樣,外加一個(gè)和記錄方向相反的磁場,對(duì)已記錄信息的介質(zhì)用激光束照射,使照射區(qū)反方向磁化,從而恢復(fù)到記錄前的磁化狀態(tài)。磁光存儲(chǔ)是通過激光加熱和施加反向磁場在稀土非晶合金薄膜上，產(chǎn)生磁化強(qiáng)度垂直于膜面的磁疇，利用該磁疇進(jìn)行信息的寫入和讀出。磁光盤是80年代開始應(yīng)用的產(chǎn)品。1）由于其寫、讀皆通過材料的磁光效應(yīng)，與盤無機(jī)械接觸，故壽命長，反復(fù)擦、寫可達(dá)上百萬次（壽命大于10年以上，而一般光盤約為2年）。2）磁光盤記錄密度是硬磁盤的50倍，是普通微機(jī)軟磁盤的800-1000倍以上，因此發(fā)展十分迅速。3）磁光盤是以稀土元素鋱、鏑、釓等與過渡族金屬鐵、鈷的非晶合金薄膜為記錄介質(zhì)。這種磁光記錄薄膜是用Tb-FeCo等RE-TM合金靶材通過真空濺射沉積而成的，RE-TM合金靶材是制造磁光盤的關(guān)鍵材料。4）日本等發(fā)達(dá)國家已于1988年將磁光盤系統(tǒng)推向市場，據(jù)報(bào)道，2000年僅日本的磁光盤系統(tǒng)市場將達(dá)1萬億日元。

小資料：磁光(M-O)存儲(chǔ)原理特種磁性材料：磁致冷材料

1920年末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了磁性物質(zhì)在磁場作用下溫度升高的現(xiàn)象，即磁熱效應(yīng)。其逆效應(yīng)？磁致冷材料：用于磁致冷系統(tǒng)的具有磁熱效應(yīng)的物質(zhì)。磁致冷機(jī)的核心部分，即制冷劑或制冷工質(zhì)。磁致冷：1）是給材料加磁場，使磁矩按磁場方向整齊排列（能量低）2）撤去磁場，使磁矩的方向變得雜亂（能量高）3）過程2）材料從周圍吸收熱量，通過熱交換使周圍環(huán)境的溫度降低，達(dá)到致冷的目的。經(jīng)過多年的努力，目前低溫磁致冷技術(shù)已達(dá)到實(shí)用化。磁致冷材料：稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)

Dy3Al5O12(DAG)單晶低溫磁致冷裝置：小型化、高效率，廣泛應(yīng)用于低溫物理、磁共振成像儀、粒子加速器、空間技術(shù)、遠(yuǎn)紅外探測(cè)及微波接收等領(lǐng)域。。特種磁性材料：磁致冷材料

磁阻式隨機(jī)存取器技術(shù)的發(fā)展單自旋金屬材料的性質(zhì)和應(yīng)用巨磁阻現(xiàn)象及其在自旋閥中的應(yīng)用新概念新進(jìn)展巨磁阻現(xiàn)象及其在自旋閥之應(yīng)用何謂磁阻（magnetoresistance）?

晶格散射產(chǎn)生電阻若自由電子受外加磁場而改變行徑，向陽離子衝撞的機(jī)率增高，此即為電阻增高之原因。受磁場或磁性作用影響而改變的電阻，稱之為磁阻。何謂巨磁阻（GMR

）?

傳統(tǒng)的電子元件只使用電子的電荷，而忽略了電子的自旋特性。１９８８年，由於巨磁阻(giantmagnetoresistance,GMR)的發(fā)現(xiàn)，利用到電子自旋特性的自旋電子學(xué)開啟了序幕。在巨磁阻的多層結(jié)構(gòu)中，兩層鐵磁性材料中間夾著一層一般金屬如銅，利用這兩層磁性材料彼此之間磁化方向的異同，電子的自旋相依散射(spin-dependentscattering)會(huì)造成磁阻的巨大變化。１９９５年，兩層鐵磁性材料中間夾著一層絕緣層的結(jié)構(gòu)在室溫底下被發(fā)現(xiàn)具有比巨磁阻還要大的穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistance,TMR)的現(xiàn)象

。電子通過第一層鐵磁性薄膜時(shí)，被鐵磁層極化成單一自旋電子，當(dāng)兩層鐵磁層磁化方向相同時(shí)，自旋電子易通過第二鐵磁層，故電阻小.當(dāng)兩層鐵磁層磁化方向相反時(shí)，自旋電子會(huì)產(chǎn)生自旋相依散射（spin-dependentscattering）因而電阻較大，此為巨磁阻原理.

巨磁阻的解釋自旋閥(Spinvalve)結(jié)構(gòu)、分類與應(yīng)用

(1)

緩衝層（bufferlayer）：為使鍍膜有較佳之晶向成長方向，也稱之為種子層（seedlayer）。(2)自由層（freelayer）：由易磁化之軟磁材料所構(gòu)成，易受外加磁場而改變磁化方向，而與固定層形成磁化方向平行或反平行。常用之鐵磁性材料有鐵、鉻與鈷。

(3)中間夾層（spacer）：為非鐵磁性材料，目的為於無外加磁場時(shí)，讓上下兩鐵磁層偶合作用。常用之非鐵磁性材料有銅、銀與金。自旋閥(Spinvalve)結(jié)構(gòu)(4)固定層（pinnedlayer）：被偏壓層固定磁化方向之鐵磁性材料。(5)偏壓層（biasinglayer）：為固定pinnedlayer磁化方向之抗鐵磁性（Anti-Ferromagnetic，AF）材料。常用之抗鐵磁性材質(zhì)有鐵氧化物、錳的非序合金等。自旋閥(Spinvalve)結(jié)構(gòu)各類型巨磁阻之奈米結(jié)構(gòu)及磁阻曲線型態(tài)

多層膜結(jié)構(gòu)自旋閥結(jié)構(gòu)磁性合金顆粒顆粒和薄膜混合結(jié)構(gòu)自旋閥結(jié)構(gòu)之製備

由於自旋閥結(jié)構(gòu)為多層薄膜結(jié)構(gòu)，且單層薄膜厚度皆小於10nm，故奈米薄膜之製備為一重要研究課題。薄膜之製備條件影響了薄膜的組成與形貌（morphology），進(jìn)而影響了自旋閥之磁阻變化。

1. 化學(xué)氣相沉積（CVD）:利用高蒸氣壓之氣相前驅(qū)物反應(yīng)分解後，沉積於基材表面而形成薄膜。反應(yīng)速率的控制如溫度與時(shí)間為重要之參數(shù)。濺射（sputtering）:利用加速之離子或原子直接衝撞靶材，使得靶材表面原子經(jīng)撞擊後逸飛而出，最後沉積於積材上而形成薄膜。因組成可於靶材製備時(shí)加以控制，故為常用之物理製備薄膜方法之一

電鍍（electrodeposition）磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器：

Magnetic

Random

Access

Memory是一種非揮發(fā)性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。“非揮發(fā)性”，指關(guān)掉電源后，仍可以保持記憶完整，功能與

FLASH雷同。

“隨機(jī)存取”，指中央處理器讀取資料時(shí)，不一定要從頭開始，隨時(shí)可用相同的速率，從內(nèi)存的任何部位讀寫信息。。

MRAM運(yùn)作的基本原理與硬盤相同。數(shù)據(jù)以磁性為依據(jù)，存儲(chǔ)為0或1。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有永久性，直到被外界的磁場影響之后，才會(huì)改變這個(gè)磁性數(shù)據(jù)。速度一般都為25至100ns。擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Static

Random

Access

Memory）的高速，和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dynamic

Random

Access

Memory）的高集成度。而且可以無限次地重復(fù)寫入。什么是磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器典型的MRAM單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)磁性隧道結(jié)(MTJ)組成。磁性隧道結(jié)包括一個(gè)固定方向的磁化層和一個(gè)自由磁層，兩個(gè)層面由隧道柵相互隔離。MRAM利用電子的自旋特性，通過改變自由層的磁化方向所產(chǎn)生的磁阻變化來記錄0或1，從而寫入數(shù)據(jù)。

迄今為止，大多數(shù)的MRAM開發(fā)都是基于磁場的數(shù)據(jù)寫入技術(shù)，即通過加入磁場來改變自由層的磁化方向。這種方法寫入速度很快。什么是磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器目前全球?qū)禡RAM的研發(fā)投入都以國家級(jí)的力量支持：美國以國防部的DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）計(jì)畫支持，目前包括IBM、Infineon及Motorola是進(jìn)度最快的公司，且宣稱2004年將推出256Mbits/in2或512Mbits/in2級(jí)的產(chǎn)品。韓國也是以國家型的Tera-levelnanodevices計(jì)畫支持，Samsung是當(dāng)中動(dòng)作最積極的公司，預(yù)計(jì)2005~2006年之間可推出產(chǎn)品。日本也有國家型計(jì)畫支持，計(jì)畫成員公司包括Sony、Toshiba及NEC等，且宣稱2004年可以推出MRAM的成品。磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器的發(fā)展前景MRAM若能進(jìn)一步低成本、高密度，占領(lǐng)市場將輕而易舉。NEC/東芝在1KbitMRAM中導(dǎo)入了磁束集中結(jié)構(gòu)Bit線垂直于word線MRAM的寫入機(jī)制是利用上下兩層XY軸向的導(dǎo)電金屬層，中間夾著穿隧式磁電阻(TMR)或是巨磁電阻(GMR)的記憶元(cell)若將上下兩層導(dǎo)線均通以電流，則可視為記憶單元(cell)置於相互垂直的磁場中(HX,HY)。若要在其中一個(gè)記憶元(cell)寫入資料，例如第I行第J列，則將電流通過第I行的word線，加的電流只比臨界值(ThresholdValue)要低一點(diǎn)(電流如果大于臨界值，則會(huì)使word線上的自由層通通翻轉(zhuǎn))，此時(shí)再加上一小電流到第J列的bit線就會(huì)使的此記憶元的自由層磁化方向翻轉(zhuǎn)。當(dāng)X或Y軸其中一軸的電流加到一臨界值時(shí)，另一軸只要加一小電流值就可使自由層磁化方向翻轉(zhuǎn)。MRAM的寫入機(jī)制通過“自由層磁化方向翻轉(zhuǎn)”與否記錄“0”或“1”。一電流通過單位記憶元1）當(dāng)兩鐵磁性層的磁化方向?yàn)轫樝蚺帕袝r(shí)，因磁阻低，故Vout較低；2）兩鐵磁性層的磁化方向?yàn)榉聪蚺帕袝r(shí)，磁阻較高，所以Vout較高。根據(jù)Vout的高低狀態(tài)的不同便能判斷單位記憶元所儲(chǔ)存的資料為”1”或”0”。MRAM的讀取機(jī)制MRAM核心技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀MRAM的核心技術(shù)主要包括：(1)高M(jìn)R比值的磁性材料結(jié)構(gòu)(2)降低位元尺寸(3)讀寫的架構(gòu)及方法目前國際報(bào)導(dǎo)TMR薄膜以金屬鐵磁層/絕緣層/金屬鐵磁層為主要結(jié)構(gòu)，其中金屬鐵磁層部分可由Fe,Co,Ni

等作適當(dāng)之調(diào)配而成。而絶緣層部分大多使用氧化鋁，雖然文獻(xiàn)中之磁阻達(dá)到40%~70%，但仍有一些問題，其中最嚴(yán)重的有2項(xiàng)：一）電流的非線性效應(yīng)，也就是MR值與偏壓的大小有關(guān)，雖然理想的MR比率可達(dá)~70%，但改變電壓可能減小MR值。二）一個(gè)更嚴(yán)重的問題，則是TMR薄膜的電阻太大(~1K?)，因此電流很小。為了要減少電阻值，最直接的辦法則是將絶緣層做薄。然而目前發(fā)現(xiàn)當(dāng)絕緣層降至~7埃時(shí),有嚴(yán)重的短路現(xiàn)象發(fā)生，因此電阻降低則受到限制，造成TMR材料的最大困難。(一)磁性材料層的結(jié)構(gòu)(二)降低位元尺寸縮小每單一記憶元橫向尺度及記憶元間距是提高容量密度的唯一方式，此部份目前多利用電子束微影術(shù)、反覆對(duì)準(zhǔn)製作、及使用電漿耦合乾式離子蝕刻之回蝕刻技術(shù)，來達(dá)到製作奈米尺度之記憶元陣。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，將包括橫向形狀及多層膜層狀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到低電流讀寫及記憶元穩(wěn)定的要求。尤其當(dāng)位元尺寸到達(dá)奈米層級(jí)時(shí)，所要克服的瓶頸不單是如何製作還包含要如何提升讀寫效率等，究竟要如何才能夠得到最理想的MRAM成效。（三）熱穩(wěn)定度改良技術(shù)當(dāng)磁性記憶位元尺寸不斷縮小下，磁矩方向易受到熱擾動(dòng)的影響而出現(xiàn)不規(guī)則轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致無法產(chǎn)生穩(wěn)定磁區(qū)，此稱為超順磁現(xiàn)象(super-paramagneticphenomena)。尋找和採用較高磁異向性材料(highanisotropicmaterial）單自旋金屬材料的性質(zhì)與應(yīng)用

單自旋金屬(half-metal)的概念首先由deGroot

等人所提出。

這種新材料的特性在於自旋向上與自旋向下的