現(xiàn)代電子材料與元器件-8

第八章

磁電子學(xué)材料與器件光電工程學(xué)院微電子教學(xué)部馮世娟fengsj@概述磁性的來源電荷的運(yùn)動(dòng)是一切磁現(xiàn)象的根源。電子軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子軌道磁矩電子自旋產(chǎn)生電子自旋磁矩原子核由于其自身的自轉(zhuǎn)也具有核磁矩，但非常小8.3磁性的分類物質(zhì)磁性分類的原則A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？C.是什么相互作用？物質(zhì)磁性的分類抗磁性：沒有固有原子磁矩順磁性：有固有磁矩，沒有相互作用鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用反鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作用亞鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作用每一種材料至少表現(xiàn)出其中一種磁性，這取決于材料的成分和結(jié)構(gòu)。8.3磁性的分類1抗磁性8.3磁性的分類2順磁性8.3磁性的分類3鐵磁性具有高的飽和磁化強(qiáng)度，因而表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。對于大多數(shù)鐵磁性材料來說，在不太強(qiáng)的磁場中（103~104A/m，）就可以磁化到飽和磁化狀態(tài)。磁化率數(shù)值很大，χ~1?105，并且是溫度和磁場的函數(shù)。存在磁性轉(zhuǎn)變的特征溫度－Curie溫度，溫度低于Curie溫度時(shí)呈鐵磁性；高于Curie溫度時(shí)表現(xiàn)為順磁性，其磁化率溫度關(guān)系服從Curie-Weiss定律。磁化強(qiáng)度M和磁場H之間不是單值函數(shù)，存在磁滯現(xiàn)象。飽和磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系大多數(shù)鐵磁性材料具有磁晶各向異性和磁致伸縮效應(yīng)。8.3磁性的分類4亞鐵磁性8.3磁性的分類5反鐵磁性8.4鐵磁交換作用1磁相互作用直接交換相互作用超交換相互作用雙交換相互作用RKKY相互作用它來源于量子力學(xué)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(zhì)和亞鐵磁物質(zhì)都是非導(dǎo)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4f電子，它的外層有5s、5p、5d、6s電子做屏蔽，兩個(gè)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(dǎo)電子作媒介而產(chǎn)生交換作用的機(jī)制很適合于解釋稀土金屬的自發(fā)磁化?！^渡金屬和合金——化合物結(jié)構(gòu)的反鐵磁物質(zhì)和亞鐵磁物質(zhì)——稀土金屬8.4鐵磁交換作用直接交換相互作用8.4鐵磁交換作用直接交換相互作用8.4鐵磁交換作用直接交換相互作用Heisenberg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(diǎn)假設(shè)8.4鐵磁交換作用直接交換相互作用8.4鐵磁交換作用超交換相互作用以MnO的反鐵磁性為例氧離子的p電子被激發(fā)到陽離子的d狀態(tài)并按Hund法則相耦合，此時(shí)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(dāng)M1-O-M2是180°，超交換作用最強(qiáng)。隨角度變小超交換減弱，當(dāng)90°夾角時(shí)，相互作用傾向變?yōu)檎怠?.4鐵磁交換作用超交換相互作用8.5磁疇1磁疇與疇壁磁疇是自發(fā)磁化到飽和（即其中的磁矩均朝一個(gè)方向排列）的小區(qū)域任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時(shí)，都是由磁疇組成的。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磁疇壁。磁疇壁是一個(gè)有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變8.5磁疇1磁疇與疇壁磁疇的產(chǎn)生是自發(fā)磁化平衡分布要滿足能量最小原理的結(jié)果。鐵磁體內(nèi)的五種相互作用能電子自旋之間的交換能Eex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(yīng)所造成的；磁性與彈性的相互作用能Eσ，包括磁彈性能與應(yīng)力能；外磁場能EH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(qiáng)度的作用能。8.5磁疇1磁疇與疇壁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(qiáng)度方向相反，有減弱磁化的作用，這一磁場稱為退磁場。顯然，磁性體在磁化過程中，因?yàn)槭艿阶陨硗舜艌龅淖饔?，將產(chǎn)生退磁場能。退磁能的存在是自發(fā)磁化后的強(qiáng)磁體出現(xiàn)磁疇的主要原因。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。8.5磁疇2磁疇的形成在鐵磁體中，交換作用使晶體自發(fā)磁化，磁化強(qiáng)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(dá)到極小值。但因晶體有一定的大小與形狀，整個(gè)晶體均勻磁化的結(jié)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。另外，晶體中應(yīng)力分布不均勻也是原因之一。在應(yīng)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。

8.5磁疇3疇壁的分類理論和實(shí)驗(yàn)都證明，在兩個(gè)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(gè)有一定厚度的過渡層，稱為疇壁。根據(jù)疇壁兩側(cè)磁疇的Ms方向關(guān)系，分為180°疇壁和90°疇壁。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。

8.5磁疇3疇壁的分類Bloch壁圖8.10布洛赫壁結(jié)構(gòu)在大塊晶體中，當(dāng)磁化矢量從一個(gè)磁疇內(nèi)的方向過渡到相鄰磁疇內(nèi)的方向時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)產(chǎn)生磁荷，防止了退磁能的產(chǎn)生。這種結(jié)構(gòu)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?？倓菽茏钚　e的疇壁為0.1um8.5磁疇3疇壁的分類Néel壁圖8.11奈耳壁結(jié)構(gòu)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Néel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(zhuǎn)向，在疇壁面內(nèi)產(chǎn)生了磁荷和退磁場，但在樣品表面沒有退磁場。8.5磁疇4磁化曲線與磁滯回線磁化曲線M(B)與H的變化關(guān)系開始M的增加比較緩慢后來增加較快最后達(dá)到Ms(飽和磁化強(qiáng)度)縱坐標(biāo)改為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，則對應(yīng)于平衡值Ms的磁感應(yīng)強(qiáng)度值稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bs）8.5磁疇4磁化曲線與磁滯回線磁化曲線起始或可逆部分：M-H為線性關(guān)系，疇壁可逆位移為主瑞利部分：線性關(guān)系不成立非線性陡峭部分：不可逆疇壁位移為主趨進(jìn)飽和部分：疇轉(zhuǎn)動(dòng)為主，最后達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度順磁部分磁化曲線

8.5磁疇沿外磁場強(qiáng)度H方向上的磁化強(qiáng)度MH可以表示為當(dāng)外磁場強(qiáng)度H改變ΔH時(shí)，相應(yīng)的磁化強(qiáng)度的改變?yōu)棣H磁化過程的磁化機(jī)制有三種：①磁疇壁的位移磁化過程，②磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程，③順磁磁化過程。磁化曲線

大多數(shù)鐵磁體磁化曲線的變化通?？梢苑譃樗膫€(gè)階段：①弱磁場范圍內(nèi)的可逆疇壁位移；②中等磁場范圍內(nèi)的不可逆疇壁位移；③較強(qiáng)磁場范圍內(nèi)的可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)；④強(qiáng)磁場下的不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)。8.5磁疇磁性材料的磁化，實(shí)質(zhì)上是材料受外磁場的作用，其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。8.5磁疇4磁化曲線與磁滯回線磁滯將外磁場強(qiáng)度H減小，磁化強(qiáng)度M將不再按照原來的初始磁化曲線減小，而是更加緩慢地沿較高的磁化強(qiáng)度M減小。這是因?yàn)榘l(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)的磁疇方向保留了外磁場方向。即使外磁場強(qiáng)度等于零時(shí)，M≠0。這種磁化曲線與退磁曲線不重合的性質(zhì)稱為磁化的不可逆性。磁化強(qiáng)度M的改變滯后于磁場強(qiáng)度H的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。8.5磁疇4磁化曲線與磁滯回線磁滯回線1)飽和磁化強(qiáng)度Ms2)剩余磁化強(qiáng)度Mr3)矯頑力Hc剩磁是反磁化過程中不可逆磁化的標(biāo)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(jié)構(gòu)的變化，與磁各相異性、晶體的缺陷等有關(guān)。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8.5磁疇4磁化曲線與磁滯回線依磁滯回線形狀及其特點(diǎn)分類，磁性材料可分為以下五種軟磁材料硬磁材料矩磁材料壓磁材料旋磁材料8.7磁性材料3矩磁材料矩磁材料的矯頑力也很小，與軟磁相似，它的特點(diǎn)是滋滯回線呈矩形。由于矩磁材料主要用于磁記錄和磁存儲技術(shù)方面，所以又叫做磁記錄與磁存儲材料。剩磁比：Br/Bm來表征回線的矩形程度——開關(guān)矩形比剩磁比：B-Hm/2/Bm(或簡寫為B-1/2/Bm)——記憶矩形比8.7磁性材料3矩磁材料磁心存儲器的工作原理利用矩磁材料具有矩磁磁滯回線的特性，與飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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”當(dāng)輸入一個(gè)+Im電流脈沖時(shí)，相當(dāng)于磁心受到+Hm磁場的激勵(lì)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(shí)，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8.7磁性材料3矩磁材料磁心存儲器的工作原理在讀出信息時(shí)，可通入-Im電流脈沖，如果原來存入的信號是“0”，則磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化由-Br→-Bm，變化很小，感應(yīng)電壓也很小，相當(dāng)于沒有信號電壓輸出，表示輸出為零。而原有信號為“1”時(shí)，則磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)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8.7磁性材料3矩磁材料要求：①剩磁比要高，特殊情況下還要求B-1/2/Bm要高；②矯頑力要??；③開關(guān)系數(shù)要??；④損耗低；⑤對溫度、振動(dòng)等外界因素的時(shí)間穩(wěn)定性要好。鐵氧體材料形成矩形磁滯回線的條件是結(jié)晶各向異性和應(yīng)力各向異性。一般密度高、晶粒均勻、結(jié)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。8.8磁性元器件2磁光存儲磁光存儲是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲技術(shù)中很有效的技術(shù)手段之一。磁光盤上具有很多同圓心的磁軌，每個(gè)磁軌上又可劃分成若干個(gè)的片段或單元。磁光存儲兼有磁存儲和光存儲兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有可擦寫、高密度、非接觸、隨機(jī)存取和不易變的特點(diǎn)?；痉绞绞怯眉す馐丈浯判员∧?，實(shí)現(xiàn)熱磁記錄和擦除信息，應(yīng)用磁光法拉第或克爾效應(yīng)讀出信息。8.8磁性元器件2磁光存儲熱磁寫入居里溫度寫入補(bǔ)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(dāng)溫度T>TC時(shí)，微區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艆^(qū)，Ms=