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磁畴结构_图文_百度文库

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-07-05 13:22 点击数:

  4.3 磁畴结构 一.影响磁畴结构主要因素的定性考虑 二.具有单轴各向异性晶体的磁畴 三.立方晶系材料的磁畴 四.表面磁畴 五.不均匀物质中的磁畴 六.单畴颗粒 七.磁泡 八.反铁磁畴 该节参考姜书4.6,4.9节 一. 影响磁畴结构主要因素的定性考虑 在铁磁体中,如果交换作用使整个晶体自发磁化到饱和, 磁化强度的方向沿着晶体内的易磁化轴,这样虽能使铁磁晶 体内交换能和磁晶各向异性能都达到极小值。但晶体有一定 的大小与形状,整个晶体均匀磁化的结果,必然在晶体表面 产生磁荷,磁荷产生的退磁场会形成很大的退磁场能 Fd,分 成磁畴就会减小退磁能,但又增加了畴壁能,综合考虑成为 决定磁畴结构的主要因素。总之:大块材料产生磁畴的首要 原因是多畴有利于降低退磁能,但多畴又带来了畴壁能,所 以稳定的多畴结构决定于体内畴壁能与表面退磁场能的平衡, 相应的自由能极小。 以一个圆片样品为例来定性分析一下影响磁畴结构的主要 因素。 二. 单轴各向异性晶体的磁畴结构 一个单轴各向异性晶体自 发磁化后可能的磁畴结构如右 图所示。晶体沿易磁化方向均 匀磁化后退磁能很大,从能量 的覌点出发,分为两个或四个 平行反向的自发磁化的区域可 以大大减少退磁能,但是两个 相邻的磁畴间畴壁的存在又增 加了一部分畴壁能。因此自发 磁化区域(磁畴)的形成不可能 是无限多的,而是以畴壁能与 退磁场能之和的极小值为平衡 条件。 易磁化方向 形成封闭畴将进一步降低退磁能,但是封闭畴中的磁化强度方向垂 直于易磁化方向,因此又会增加各向异性能。如何取舍? 片状磁畴能量的计算:考虑一个厚度为 L、易磁化方向垂直于表面 的片状材料,求解形成片状磁畴后的能量。 设片状畴的宽度为d,则该晶体样品表面单位面积下方柱体的总能量为: L E ? 2 ? 0.85 ? 10 M S d ? ? d ?7 2 (γ是畴壁单位面积能量) 半无限大样品片状磁畴的退磁能密度上节已知,现在要考虑上下表 面,约乘以 2。后一项是畴壁的能量,磁畴的宽度是d, 单位长度分为 1/d 个畴,所以单位表面积下的畴壁总面积是 L/d , ?E ?0 ?d 4 10 给出平衡数值 d ? MS ?L 17 所以片状畴单位体积的总能量为: E ?4 17? F ? ? 2 M S ? 10 L L 封闭畴形式能量的计算 考虑到Ld,采用封闭畴形式样品表面单位面积内的畴壁面积: S? 1? d ? L L ? d ? 1 ? 4 ? 1 ? ? ? ? ? d? 2 ? d 闭流畴的体积:v ? 2 ?1 d? d ? d ? ? ? ? d ?2 2? 2 d 2 因而样品表面单位面积下方柱体的总能量为: E ? E? ? Ek ? ? ?E ?0 ?d L K1d ? d 2 d? d d 2 给出平衡值: 2? L K1 样品表面单位面积下的总能量 单位体积能量 E ? 2? LK1 F? E 2? K1 ? L L 代入单轴各向异性材料的数值可以发现,采取片状磁畴结构能量要 有利得多,这里还没有计入因闭流畴的磁致伸缩所产生应力能,否则单 轴各向异性材料采用封闭磁畴结构能量会更大。总之: 相比封闭磁畴结构而言片状磁畴是单轴各向异性材料较恰当的选择。 以BaFe12O19为例说明: K1 ? 3.3 ? 105 J ? m ?3 , M S ? 3.8 ? 105 A ? m ?1 片状畴结构 封闭畴结构 E ? 3 ? 102 ? L E ? 8 ? 102 ? L 结论:一般,单轴 晶体形成片状畴。 片形畴宽度在几十 微米量级 取: ? ? 1.7 ? 10 ?3 J ? m ?2 , L ? 10 ?2 m 得: d = 2.6 ? 10-5m ? 26μm 以 Co 为例说明: M S ? 1.43 ? 106 A ? m ?1 , K1 ? 5 ? 105 J ? m ?3 , ? ? 18 ? 10?3 J ? m ?2 , L ? 10?2 m ?5 片状畴结构 d ? 2.3 ? 10 m = 23 μm, E ? 15.8 ? 102J ? m-2 封闭畴可能 而不分畴时的退磁能:比上面大近10倍。 Ed ? ?0 2 NM ? L ? 2 S ?0 2 2 MS ? L ? 12.8 ? 103 J ? m ?2 片状畴的变异 片状磁畴有相当大的退磁能,特别在材料厚度大于10 ?m时。一些变形结构的能量比片状磁畴的更低。 棋盘结构: 圆柱形结构: 蜂窝结构: 它们的退磁能 都比片状畴低。 蜂窝状是内外 磁化强度反向。 实际材料中观察 到这种情况。 见铁磁学(中)p122 以及两种有利于降低退磁场能的表面磁畴结构: 波纹结构 和片形-楔形畴都出现在片形主畴的端面上。 具有波纹畴 壁的示意图 花纹加圆形的楔形畴 钡铁氧体上观 察到的磁畴: a:片形畴 b c 波纹畴 d 波纹+楔形 见铁磁学(中)p125 Co晶体平行于六角轴的片 形畴(上图) 下右图为垂直于六角轴的 雪花形表面畴:也称片形 -楔形畴,其结构见下图 这只是一 种可能的 解释。 取自《铁磁畴》插图 三. 立方晶体材料中的磁畴结构 立方晶系450 封闭畴内磁化强度也与易磁轴平行,磁晶各向异性能 和退磁能都为零,形成封闭磁畴结构的能量似乎应该比形成片形磁畴能 量更低,但此时必须考虑自发磁化引起的形变产生的磁弹性能的影响。 立方晶系封闭畴形式能量的计算:在立方晶系K>0的情况下,应 力方向单位体积的磁弹性能是: F ? 1 ? ? ? 1 ? 2C ? 100 100 11 2 2 样品表面单位面积下方柱体的总能量为: E ? E? ? Eml ? ? ?E ?0 ?d L d1 ? C11?100 2 d 22 给出平衡值 d? 2 ?L ?100 C11 E ? ?100 C11? L E C11? F ? ? ?100 L L 代入立方晶体的数据表明,封闭 磁畴结构的能量较低,实验上已 经观察到这种磁畴结构的存在。 [110] Fe 之数据: K1 ? 0, ? w ? 1.7 ? 10?3 J ? m ?2 ?100 ? 2.7 ? 10?5 , L ? 10?2 m C11 ? 2.36 ? 1012 N ? m ?2 M S ? 1.7 ? 106 A ? m ?1 封闭磁畴: d ? 2.59 ? 10?4 m E ? 0.13 J ? m ?2 片形畴: E ? 5.78 J ? m ?2 结论:K10的立方晶系 晶体形成封闭畴。 树 枝 状 磁 畴 取自《铁磁畴》插图 四. 树枝状磁畴 当主畴的自发磁化强度 与样品表面不平行,有 一个微小的倾角时,会 在表面出现磁荷,产生 退磁场,为了减小这种 影响,将会在表面出现 一些附加的次级磁畴。 形状比较复杂。例如: 树枝状磁畴。 取自《铁磁畴》插图 在同一表面上的粉纹图,它反映的不是主畴,而是表面磁畴 情况,a是机械抛光后的图形,受到各种表面因素的影响,b 是电解抛光后的图形,反映的是晶面规则的次级畴。 取自《铁磁畴》插图 五.不均匀物质中的磁畴 1. 多晶中的磁畴: 前面讨论的都是单晶体中的畴结构类型,实际材料中 的多晶体是由取向不同的许多单晶晶粒组成的,每个晶粒 形成的磁畴结构与该晶粒的大小和形状有关,同一晶粒内 的自发磁化的取向是相互关联的,但不同晶粒之间是无序 的,所以就整块材料而言,材料是各向同性的。 下面是一个多晶磁畴结构示意图,这里每个晶粒都形 成了片形畴,跨过晶粒边界时虽然磁化强度改变了方向, 转动了一个角度,但磁力线大多还是连续的,这就减少了 边界磁荷的产生,避免了更多退磁场能的产生。 2. 非磁性的参杂物和空隙对磁畴结构的影响: Neel 1944年就指出:晶体中存在的空洞和非磁性杂质会 引起很大的退磁场,为了减小退磁场,在空洞附近会产生 局部的磁畴结构,称Neel次畴。 杂质对畴壁位置的影响: 1)降低磁荷分布;2)减小畴壁面积 移动畴壁需要能量! 六. 单畴颗粒 铁磁颗粒小到某一尺寸,它形成畴壁后的畴壁能大于颗粒的 退磁能时,铁磁颗粒将保持为单畴结构。一个球形的铁磁颗粒 的退磁能为 1 1 2 2 4 3 3 2 ( N ? ) Ed ? ?0 NM s ? ? R ? ?0? R M s 2 3 9 3 2 如果颗粒分为四个畴时,畴壁能( ?为畴壁能密度 )为 E? ? 2?R ? 能量优势条件: EdE? 2 ?0? Rc3 M s2 ? 2? Rc2? 9 Rc ? 9 ? 90 ?0 M s2 所以立方晶系材料单畴的临界半径: 单轴各向异性只能分为2个畴时的临界半径 2 1 ??0 M S 2 R 3 ? ? R 2? 180 ? ??0 M S 2 R 3 9 9 9? 180 RC ? ?0 M S 2 对于磁晶各向异性弱的粒子,可以成圆环性磁通,图c Kittel也计算了它的临界尺寸。见姜书p274 综合以上讨论,各种不同材料的颗粒,都有它们自己的 临界尺寸,凡是颗粒小于临界尺寸的,就形成单畴,单畴颗 粒的特殊性质将在以后讨论,是目前纳米磁性研究和利用的 主要对象。各种模型的计算结果如下: 微磁学计算结果 以上简单计算了球形粒子的单畴临界半径,但对磁畴和 畴壁都使用了大块材料的计算结果,显然这种推广并不完全 合理,比如,计算出的临界尺寸竟超过了大块材料中估算出 来的畴壁厚度!后来发展了微磁学理论初步解决了临界尺寸 的计算问题: 在几十纳米量级! 七. 磁泡(magnetic bubble) 磁泡是在一些薄膜磁性材料中发现的一种圆柱形磁畴, 无外磁场时看到的是蜿蜒曲折的条状磁畴,当在垂直与膜面 方向施加一磁场时,条状磁畴会收缩,以致在磁场达到一定 数值时,收缩为一个圆柱形磁畴,但材料表面上看是一个圆 形,犹如表面上浮着的水泡,所以称磁泡。 ? YSmCa ?3 ? FeGe ?5 O12 稀土石榴石铁氧体薄膜上的磁畴, 易磁向垂直于薄膜表面。 膜厚7.6微米,在垂直表面的磁场 作用下发生的变化,出现泡畴。 见铁磁学(中)p174 八. 反铁磁物质的磁畴 有证据表明,反铁磁物质也有磁畴,但和减小退磁场的 原因无关,是晶格不完整性造成的。 反铁磁性物质因磁化而产生的晶格畸变由交换畸变和磁致 伸缩组成。NiO的交换畸变(菱面体型畸变)或CoO的磁致伸缩 (正方晶型畸变)都比其它形变大十倍以上。因此,在交换畸变 集中的区域,可看作是一个单一的交换畸变晶体,这一交换 畸变集中的区域称为T磁畴,边界称为T畴壁。同样对于CoO 把磁致伸缩集中的区域称为 t 磁畴(正方晶型畸变),其边界称 为 t 畴壁。反铁磁性磁畴一般用 X射线形貌学法 (B-B),双折 射的光学方法和电子显微镜法。 层间反铁磁(AF)耦合 习题四 4.1 试证明磁晶单轴各向异性等效场: H k ? 2 Ku1 ?0 M s 并估算出金属Co的磁晶各向异性等效场的数值。 4.2 试推出金属铁Fe(bcc)180壁的畴壁厚度和单位面积畴 壁能的近似表达式并估算其数值大小。 4.3 试推出具有单轴各向异性的大块金属钴单晶形成稳定 片形畴后的尺寸,并估计出数值 (设:单晶沿易磁向长1cm)。 4.4 在只考虑磁晶各向异性情形,试推出金属铁单畴粒子 临界尺寸的表达式,并估计出数值。 4.4 磁畴的覌察 观察磁畴的结构以及在外磁场中的变化规律是磁 性实验研究的重要内容,是理解磁化机理、阐明影响 磁性质因素的重要途径。已经发展了多种观察磁畴结 构的实验方法:粉纹法;磁光效应法;透射电镜及扫 描电镜法;X 光成像法;中子衍射法以及新近发展的 磁力显微镜法和 X 光磁二色性显微技术等。 以下摘自物理所讲义 一. 磁畴结构的观察历史和粉纹法 1907年,Weiss假设在铁磁材料中有磁畴存在,1931 年 Bitter 用胶体中的铁磁性颗粒放在已抛光的铁磁晶体 表面,用反射金相光学显微镜观察到磁性粒子不均匀分 布而描绘出磁畴的形状。随着颗粒悬浮液的改进,铁磁 颗粒集聚在畴壁附近,因而可以清楚的观察到磁畴,称 为毕特粉纹法。 为观察磁畴,样品必须经过研磨、电解抛光、腐蚀、请洗等 表面处理,悬胶液是含水氯化铁和含水氯化亚铁的水溶液加 NaOH制成的Fe3O4粉末配以肥皂溶液。 2、磁光方法 磁光效应,例如克尔效应和法拉第效应都可用来观察磁畴结构。克尔效 应是指光线从磁性材料表面反射时其偏振平面发生旋转的现象。如图b所示, 两个磁畴中磁化强度垂直样品表面但方向相反,反射出的光的偏振面的旋 转方向相反,如果调整检偏振镜使某一方向的磁畴反射光通过量最大,则 另一方向的磁畴就会变暗。 法拉第效应,是光在通过样品传播时,偏振面发生旋转的现象。 此方法要求铁磁样品能透过光,如铁石榴石单晶样品。 3、洛仑兹( Lorentz )电子显微术 在磁性薄膜中,如薄膜薄到允许电子束穿过,则磁畴结 构就能用电子显微镜来覌察。其原理是,由于自发磁化的 存在,作用在运动电子上的洛仑兹力,使电子束产生偏转。 如果物镜从样品膜面轻微散焦,畴壁会以黑线或白线的形 式出現。这种方法称为洛仑兹显微术。 其它一些方法: a )扫描电子显微术 b )X射线形貌学 c )电子全息照相术 4、磁力显微镜MFM AFM针尖在与样品表面接触时,相互作用力主要是短程 的原子间排斥力,而将针尖离开样品表面一段距离时,磁力、 静电力及吸引的范德华力等长程作用力就能被检测出来。 MFM的工作原理同非接触模式的AFM相似,只是MFM采用的 是磁性针尖;而且操作时,针尖与样品表面间距要比AFM非 接触模式中的间距(5~20nm)大,一般为10~200nm。当振动 的针尖接近磁性样品时,针尖与样品所产生的漏磁场相互作 用而感受到磁力。 实际操作时,首先探针同样品表面接触,进行第一次扫 描,获得表面形貌信息,然后抬高探针到100nm左右进行第 二次扫描,测磁力信息。用表面形貌信息对磁力信息进行修 正,获得真实的磁力图信息。 MFM of nanotube on Cu Topographic AFM image Magnetic MFM image Multiwalled carbon nanotube shows no magnetic contrast on Cu Magnetic Force Microscopy (MFM) Geometry for description of MFM technique. A tip scanned to the surface and it is magnetic or is coated with a thin film of a hard or soft magnetic material. Domain structure of epitaxial Cu/tNi /Cu(100) films imaged by MFM over a 12 ?m square: (a) 2nm Ni, (b) 8.5 nm Ni, (c) 10.0 Nm Ni; (d) 12.5nm Ni (Bochi et al., PRB 53(1996)R1729). 磁畴观测的新技术还有: 中子散射法和圆偏振X射线显微术等 其介绍见于,当代磁学5.2节


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