幾種常用磁性測量儀器II

1、幾種常用磁性測量儀器II 常用磁性測量儀器（II） （共 78 頁） 磁性信號的測量儀器（II） 磁力學效應 幾種常用磁性測量儀器II 關 注 磁力學效應包括哪些物理現(xiàn)象？ 磁力學效應可測哪些參數(shù)？ 磁各向異性的測量 極弱磁矩信號的測量方法 磁天平 磁致伸縮效應 幾種常用磁性測量儀器II 磁力效應 Magnetomechanical Effect (磁力學效應) Magnetostatic Force (靜磁力) Magnetic Torsion (扭矩) 幾種常用磁性測量儀器II 磁 力 效 應 磁力1 原理（一） 把含有磁矩 m 的物體放在非均勻的磁場中時， 物體將受到沿磁場梯度方向的力的

2、作用。 此力的大小正比于磁場梯度和物體的磁矩。 m 為樣品的磁矩 為沿任意軸向的磁場梯度 磁矩 m 沿任意軸向所受的力： H 磁天平 幾種常用磁性測量儀器II 磁 力 效 應 磁力2 原理（二） 當具有磁各向異性的物體在磁場中轉動時， 物體將受到轉矩 L 的作用。其大小等于磁場 強度與垂直于磁場方向磁化強度分量的乘積。 V 為樣品的體積 為與磁各向異性相關的能量 轉矩與磁各向異性的關系： K F 轉矩磁強計 幾種常用磁性測量儀器II 磁 力 效 應 磁力3 原理（三） 當磁性材料在磁場中被磁化時，材料的力 學性質發(fā)生變化的效應。也存在逆效應。 這里通稱為磁致伸縮效應。 x可以是樣品的體積、長度

3、、 彈性模量、剛度系數(shù)，等等。 磁致伸縮系數(shù)： 磁致伸縮儀 幾種常用磁性測量儀器II 磁 力 效 應 磁力4 原理（四） 1. Barnett效應（1915年） 當磁性圓柱體在繞其柱軸作高速旋轉時 會產(chǎn)生微弱的磁化強度，其大小與角速 度成比例。即，旋轉致磁化效應。 2. Einsteinde Hass效應（1915年） 當自由懸掛的磁性圓柱體突然被磁化時 會產(chǎn)生微弱的旋轉。即，磁化致旋轉效 應。是Barnett效應的逆效應。 旋磁比 幾種常用磁性測量儀器II 磁 力 效 應 磁力5 相應的磁性測量儀器 可測參數(shù)力的產(chǎn)生力的測量 磁羅盤磁場方向磁場永磁體 轉矩磁強計磁各向異性樣品(磁場)轉動 懸

4、絲/壓電晶體 磁天平磁矩、磁場穩(wěn)恒梯度磁場靈敏天平 交變梯度磁強計磁 矩交變梯度磁場壓電晶體 磁致伸縮測量儀伸縮系數(shù)穩(wěn)恒磁場力敏器件 回旋磁效應旋磁比磁化角動量 幾種常用磁性測量儀器II 磁各向異性 磁各向異性：magnetic anisotropy 相同磁場強度時，磁化強度的方向相關性 沿不同方向磁化時，磁化曲線及達到飽和的磁場強度不同 或者 物理起源本質分 類 磁晶各向異性晶體對稱性內稟 晶體對稱性 應力磁（彈）各向異性磁彈性 感 生 （幾何）形狀各向異性退磁幾何形狀 感生各向異性特殊制備 生長、熱處理、 形變 交換各向異性反鐵磁單方向 幾種常用磁性測量儀器II 磁各向異性的測量 測量依據(jù)

5、測量方法 定義 儀器 （單晶、多晶）不同方向磁化曲線 奇點探測法（SPD） 轉矩磁強計 （鐵）磁共振 磁光Kerr效應 磁二色譜（MXD） 幾種常用磁性測量儀器II 磁各向異性的測量 單晶樣品多晶樣品 單晶磁化曲線多晶磁化曲線趨近飽和定律 轉矩磁強計 （局域各向異性的平均值） 多晶奇點檢測（SPD）法 旋轉樣品磁強計 磁場中取向 鐵磁共振 （局域各向異性） 幾種常用磁性測量儀器II 轉矩磁強計 Torque Magnetometer (Tq-M) talk 磁各向異性的測量 幾種常用磁性測量儀器II 轉 矩 磁 強 計 Torque1 轉矩磁強計的原理 H 晶軸方向磁化強度M方向 磁場H、磁化

6、強度M、晶軸 三者重合在一個方向 0L H 磁場H、磁化強度M、晶軸 三者不重合 DL 初始方向 樣品 樣品 幾種常用磁性測量儀器II 轉 矩 磁 強 計 Torque2 轉矩磁強計的原理 樣品：飽和磁化 .sinsin 4 2 2 10 KKKFK .)()( 2 3 2 2 2 12 2 1 2 3 2 3 2 2 2 2 2 110 KKKFK NS.sin 2 uK KF L 幾種常用磁性測量儀器II 轉 矩 磁 強 計 Torque3 儀器設備 TRT2型轉矩磁強計： 日本東英工業(yè)株式會社，1985年 Torque Magnetometer： 美國Quantum Design公司，2

7、002年 詳見本系列的PPMSTq_Mag 幾種常用磁性測量儀器II HR 轉 矩 磁 強 計 Torque4 PPMS的轉矩磁強計 幾種常用磁性測量儀器II 磁轉矩測量的要求 Torque5 磁場強度：樣品飽和磁化 .sin 2 uK KF H M Easy axis 0 測量過程：補償非補償 補償：施加補償扭矩使樣品保持在原方向 非補償：直接測量樣品所受到的扭矩 當外加磁場相對于樣品旋轉時， PPMS的MicroTq一般轉矩磁強計 使得轉矩不依賴于磁場的強度 幾種常用磁性測量儀器II 磁轉矩測量的要求 Torque6 樣品：晶軸取向 H，M 單晶體 取向多晶 單位：量程 力矩單位：Nm 1

8、 Nm 1 J 1 A m2 T 1103 emu T PPMS的TqMag上限： 1105 N m 1102 emu T 7104 emu at 14 T 噪聲：1109 N m 7108 emu at 14 T 幾種常用磁性測量儀器II 奇點探測法 Singular Point Detection (SPD) 非磁力效應 補充 磁化曲線方法 磁晶各向異性的測量 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) 本 質：磁化曲線的測量磁各向異性等效場 原 理： 材料的磁化強度 M 對磁場強度 H 的 n 次導數(shù) dnM/dHn是磁場強度 H 的函數(shù)，當

9、H 等于材料 的各向異性場 HA 時，dnM/dHn H 曲線會出 現(xiàn)尖銳的奇點。求導次數(shù) n 取決于沿各向異性 場 HA 方向晶體的對稱性。 單軸各向異性的難磁化方向的 n 2。 SPD1 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) SPD技術的發(fā)展狀況：文獻 單 晶 取向多晶 單軸各向 異性 W. Sucksmith and J. E. Thompson (英國) Proc. R. Soc. London, Ser. A, 225 (1954) 362-375 單 晶 多 晶 G. Asti and S. Rinaldi (意大利) Phys.

10、Rev. Lett., 28 (1972) 1584-1586 J. Appl. Phys., 45 (1974) 3600-3610 G. Asti (意大利) IEEE Trans. on Magn., 30 (1994) 991-996. SPD2 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Sucksmith_SPD技術說明 假 設： 1、材料具有單軸磁各向異性； 2、材料為單晶體或者取向多晶體； 3、磁場沿著材料的難磁化方向 “The magnetic anisotropy of cobalt” Sucksmith和Thompson在195

11、4年并沒有提出SPD檢測技術 SPD3 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Sucksmith_SPD技術說明 4 4 2 2 sinsinkkEc I H I k I I k SS 2 2 4 2 4 2 4 Stoner關系式： 六角Co難磁化 軸的磁化曲線： 立方Co難磁化 軸的磁化曲線： I H I kk I I k SS 2 4 2 4 2 4 )2(2 4 使用磁天平 SPD4 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Sucksmith_SPD技術說明 H M c軸 Sucksmit

12、h方法的示意圖 H M dH dM 2 2 dH Md HA SPD5 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技術說明 “Nonanaliticity of the Magnetization Curve: Application to the Measurement of Anisotropy in Polycrystalline Samples” “Singular points in the magnetization curve of a polycrystalline ferromagnet” Asti和Rinaldi

13、在1972年首次提出SPD檢測技術 Asti和Rinaldi在1974年給出SPD的理論結果 SPD6 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技術說明 x c axis hard direction H S M x 2 A A H HH SPD7 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技術說明 4 22 4 1 2 2 ()5()4 1()12() 33 (1)(1 ) 224 t SA xx EKxx xx M H K 0/xEt 各向異性能量： 平衡條件： 2

14、1 21 3 42 6 , 0 KK KK LxLx SPD8 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技術說明 約化磁化強度： 隨機取向的多晶體： 2 cos1 2 x x M MM t S S d x dtt 0 2 0 2 ),(2)( 00 2 磁化強度t對磁場強度的一階導數(shù)：)( 3 2 2 )( 3 0 3 1 2 1 xxdxx d t d x x 0 3 1 2 1 274 2 3 1 2 1 274 20 3 3 2 2 00 3 3 2 2 00 LL L LL L x 1 1 2 2 12 ,0 0 , 0

15、L L x 積分下極限： 積分上極限： 0有奇點 SPD9 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) Asti_SPD技術說明 磁化強度 t 對磁場強度 的二階導數(shù)： 0 2 0 2 1 2 2 2 2 1)(x x LLd td 2 1 )2( )(1 4 int* S P n 最高求導次數(shù) n* 的確定： 其中， ，S，和P()為依賴于材料晶體對稱性的常數(shù)。 H/HA 10.52 2 2 dH Md SPD10 幾種常用磁性測量儀器II Singular Point Detection (SPD) 磁學室有一臺自建脈沖磁場SPD裝置（M05組）

16、 電 源 C /t A dt A 檢測系統(tǒng) M/t H/t I 樣品 SPD11 2003年轉給內蒙古師范大學 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 Magnetic Balance (MB) 磁矩的測量 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平1 一、梯度磁場的產(chǎn)生 Lewis梯度磁場 Lewis Coil H z z dH/dz Sucksmith極頭 z 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平2 二、力的測量 直接測量力的方法 利用力敏換能器件 mA E R 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平3 三、測量方式：絕對測量相對測量 絕對測量法： 直接測量磁場梯度H/z、樣

17、品 質量M及所受到的力F，確定磁 矩。不使用標準樣品對磁矩進 行定標， 相對測量法： 使用標準樣品對磁矩進行定標， 通過比例常數(shù)，確定磁矩。 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平4 四、磁天平的歷史評價 1. 最早用于測量材料的磁矩與磁化率； M. Faraday（1855年） P. Curie（1895年） 2. 對磁場強度、磁矩進行絕對測量； L.G. Gouy（1895年） 3. 種類最多的磁性測量儀器。 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平5 四、磁天平的類型（一） Faraday磁秤Gouy磁秤 GOOD 高靈敏度、變溫測量 不依賴樣品形狀不需特別設計極頭 BAD特殊

18、形狀極頭需大量樣品、壓實 UGLY無很大不確定性 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平6 四、磁天平的類型（二） Evans磁秤Kapitza磁秤 GOOD 高靈敏度、變溫測量 不需特別設計極頭 BAD大量樣品、壓實不確定性 UGLY很大不確定性相對測量 Photodiscs Beam Coil Sample 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平7 四、磁天平的類型Faraday法 Sucksmith 環(huán)秤 電磁換能器 應變電阻換能器 電容換能器 電磁秤 適合于球形小樣品 特殊設計的磁鐵極頭 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平8 四、磁天平的類型Gouy法 截面積A

19、磁 場H：可精確測量； 截面積A：可精確測量； 作用力F：可精確測量； 樣 品：徑向嚴格均勻； 粉末須壓實； 重復性：較差 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平9 四、磁天平的類型總結 靈敏度特點及適用范圍 Curie-Cheveneau秤很高樣品少，相對，不宜變溫 Faraday秤（非常）高氣、固、液，相對 Kapitza秤高強場、不宜于絕對 Quinke秤高液體、絕對，氣體（改進） Rankine秤高順磁、抗磁，不宜含鐵磁性 Sucksmith環(huán)秤中寬溫度范圍、真空，簡單 Gouy秤中絕對、不宜變溫、樣品均勻 Evans秤中同上 幾種常用磁性測量儀器II 磁 天 平 磁天平10 磁

20、學室的磁天平 型號MB2 廠家日本島津，1974年 磁場范圍0 1.2 Tesla 溫度范圍77 K 1200 K 靈敏度5 104 emu 樣品要求單方向 3 mm 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 Alternating (Magnetic Field) Gradient Force Magnetometer (AGFM) 磁矩的測量 幾種常用磁性測量儀器II 振動樣品磁強計 超導量子磁強計 AGFM 靈敏度高 成本低 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM1 交變梯度磁強計的本質 交變梯度磁強計的歷史 交變梯度磁強計的原理 交變梯度磁強計的儀器 交變梯度磁強計的特點

21、幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM2 交變梯度磁強計的本質 交變梯度磁場法拉第天平 Alternating Magnetic Field Gradient Faraday Balance 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM3 交變梯度磁強計的研究歷史 1. H. Zijlstra, Rev. Sci. Instrum. 41, 1241 (1970) 2. R. Reeves, J. Phys. E 5, 547 (1972) 3. W. Roos, K.A. Hempel, C. Voight, H. Dedericks, R. Schippan, Rev.

22、Sci. Instrum. 51, 612 (1980) 4. H. J. Richter, K. A. Hempel, J. Pfeiffer, Rev. Sci. Instrum. 59, 1388 (1988) 5. P. J. Flanders, J. Appl. Phys. 63, 3940 (1988) 6. Th. Frey, W. Jantz, R. Stibal, J. Appl. Phys. 64, 6002 (1988) 7. P. J. Flanders, Rev. Sci. Instrum. 61, 839 (1990) 8. K. OGrady, V. G. Lew

23、is, D. P. E. Dickson, J. Appl. Phys. 73, 5608 (1993) 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM4 交變梯度磁強計的研究歷史 Vibrating Reed Magnetometer Alternating Gradient Force Magnetometer 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM5 交變梯度磁強計的研究歷史 研究者主 要 貢 獻 H. Zijlstra 發(fā)明人，使用光學頻閃觀測儀(optical stroboscope) 測振幅 R. Reeves首次使用壓電晶體(piezoelectric cryst

24、al)測振幅 W. Roos et al. 首次使用雙壓電晶片(piezoelectric bimorph)測振幅 靈敏度：1010 emu H. J. Richter et al. 使用雙壓電晶片測振幅，靈敏度：1011 emu 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM6 交變梯度磁強計的開發(fā)歷史 開發(fā)者主 要 貢 獻 P. J. Flanders 首次開發(fā)出實用的AGFM 靈敏度：108 emu；溫度范圍：77 K 500 K Th. Frey et al. 開發(fā)出使用補償線圈(nulling coil)的AGFM 靈敏度：107 emu；溫度范圍：6 K 330 K P. J.

25、 Flanders 開發(fā)出垂直力(vertical force)AGFM 靈敏度：108 emu；溫度范圍：77 K 900 K 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM7 交變梯度磁強計的商業(yè)開發(fā)歷史 1. Princeton Measurements Corporation August 1987, Princeton, NJ 08540 USA 2. MicroMagTM Magnetometer Systems January 1989 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM8 交變梯度磁強計的原理 (0) ( )sin HH tt 幾種常用磁性測量儀器II 交變

26、梯度磁強計 AGFM9 交變梯度磁強計的原理 z y x x h x h DC x H x m 縱向（水平）AGFM z y x y h y h （a）x方向（b）y方向 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM10 交變梯度磁強計的原理 z y x z h z h DC x H x m 垂直（Vertical）AGFM （c）z方向 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM11 水平AGFM與垂直AGFM的區(qū)別 DC x H x m 水平AGFM 垂直AGFM Bimorph Wax ? Quartz Fiber Sample Rod Sample Holder Samp

27、le x, y z 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM12 交變梯度磁強計的信號檢測 鎖相放大器（Lock-in Amplifier） 雙壓電晶片的本征共振頻率f0： 其中，tB、lB、Y11和分別為壓電晶體的 厚度、長度、楊氏模量和密度。 tB lB 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM13 交變梯度磁強計的信號檢測 安裝樣品后的共振頻率f0： 其中，WB為壓電晶體的質量，W為樣品桿 與樣品以及其它部分的質量和。 質量 WB 總質量 W 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM14 交變梯度磁強計的信號檢測 通過調節(jié)交變梯度磁場的驅動頻率 f，使檢 測

28、系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，此時輸出電壓達到 最大值。對磁矩電壓之間的關系進行定 標，就可以實現(xiàn)磁矩測量。 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM15 交變梯度磁強計的信號檢測 雙壓電晶片本身的受力電壓磁矩 tB lB G 為機械增益，恒定磁場梯度時等于1， 共振頻率時等于機械品質因數(shù)Q。 g31 為橫向介電模量或者電壓系數(shù)。 Brass 力 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM16 交變梯度磁強計的信號檢測 加樣品后的受力電壓磁矩 lB 如果在樣品端受力，那么雙壓電晶體的電 壓輸出將增加 (lB+l)/lB 倍。 l 力 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM17

29、 交變梯度磁強計的信號檢測 lB l 力 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM18 交變梯度磁強計的信號檢測 2 max V 2 max V 2 max V max V V *V 0 f 0 f 0 f (Hz)f V *V 是與交變梯度同相位的輸出電壓 是與交變梯度不同相位的輸出 電壓 Q的確定：掃描頻率 f 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM19 交變梯度磁強計的信號檢測 掃描頻率 f： 設定交變梯度 的頻率 f = f0： 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM20 交變梯度磁強計儀器設備 1. MicroMagTM Model 2900 Pri

30、nceton Measurements Corporation 2. 非商業(yè)產(chǎn)品（自制） 如，中國科學技術大學 幾種常用磁性測量儀器II Princeton Measurements Corporation AGFM21 幾種常用磁性測量儀器II 交變梯度磁強計 AGFM22 交變梯度磁強計的特點 AGFMVSM 靈敏度10 nemu1000 nemu 溫度范圍6 K 900 K6 K 1300 K 磁場范圍電磁鐵電磁鐵、超導磁體 頻率共振頻率附近固定頻率 定標需要用已知磁矩的標準樣品 樣品盡量與標準樣品的形狀、質量相近 初始磁化很難進行初始磁化曲線的準確測量 幾種常用磁性測量儀器II 磁致伸

31、縮的測量 Measurements on Magnetostriction 形變的測量 幾種常用磁性測量儀器II 磁致伸縮 磁化導致的磁性材料的彈性形變， 其逆效應為壓磁效應。 Magnetomechanical（磁力學效應） Magnetostriction（磁致伸縮效應） Piezomagnetic Effect（壓磁效應） Magneto-optic Effect（磁光效應） Gyromagnetic Effect（旋磁效應） 磁致伸縮1 幾種常用磁性測量儀器II 磁致伸縮的分類 線性效應圓周效應體效應 縱向 Joule效應 (1842年) Einstein-de Hass效應 (191

32、5年) Barrett效應 (1882年) 橫向 Villari效應 (1865年) Barnett效應(1915年) Nagaoku-Honda效應 (1898年) Guillemin效應 (1846年) Wiedemann效應 (1862年) Kimball效應 (1879年) Brackett效應 (1897年) Wertheim效應 (1852年) 磁致伸縮2 幾種常用磁性測量儀器II 磁致伸縮的測量 幾何量的測量 力矩的測量 剛度系數(shù)的測量 1. 光學法測量位移 2. 形變法測量位移 3. 三端電容法 磁致伸縮3 幾種常用磁性測量儀器II 磁致伸縮的測量 1. 光學法測量位移 光 鏡子 樣品 目鏡 物鏡 磁致伸縮4 如：Michelson干涉儀 FabryPe