材料性能学-第8章解析

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1、1 材料性能学 2 第八章 材料的磁学性能 8.1 磁学基本概念 8.2 铁磁性的宏观表征 8.3 铁磁性的微观理论 8.4 铁磁性的影响因素 8.5 磁性的测量及磁性分析的应用 3 5 问题1 什么是磁性？ 磁学发展历程 n 磁性是一切物质的基本属性，从微观粒子到宏观物体 ，以至宇宙间的天体都存在着磁的现象。 n 磁性是磁性材料的一种使用性能，磁性材料具有能量 转换、存储或改变能量状态的功能，在现代科学技术和 工业中有着极其重要的应用，是重要的功能材料。 n 磁性还不只是一个宏观的物理量，它与物质的微观结 构密切相关。因此，研究磁性是研究物质内部微观结构 的重要方法之一，亦是研制新型磁性材料

2、的要求。 4 5 问题2 “磁性是物质一种比较少见的、只在少 数地方得到应用的现象呢？还是一种存在非常普 遍且应用非常广泛的现象呢？” n一切物质都具有磁性，磁性是物质的基本属性，就 像物质具有质量和电性一样，只不过有的物质磁性 强，有的物质磁性弱。 n任何空间都存在磁场，只不过有的地方磁场高，有 的地方磁场低。 磁不但不是少见的，而且从根本上说，磁是最普 遍的。磁的普遍性首先表现在： 5 4 司南的发明与应用 先谋势，后谋利 浩海升平日用百货有限公司 公元前4世纪，中国发明了司南。 公元前3世纪，战国时期，中记载： “郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。 公元1世纪，东汉，王充在。 n 公元1

3、8世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材 料的磁化作了大胆的描绘。 n 公元19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应 、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的 理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯 、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师 。 9 1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假说 1919年 巴克豪森效应 1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源 1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体 1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场，理论上预 言了磁畴结构

4、n 公元20世纪 从1900年到1930年间，先后确立了金属电子论、顺磁性理 论、分子磁场、磁畴概念、原子磁矩、电子自旋、铁磁性理 论等相关的理论，并且，同一时期，各种分析手段也先后问 世，共同形成了完整的磁学科学体系。 10 1948年 Neel建立亚铁磁理论 1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效应的发现 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体，Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现，

5、M.N.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现，T.Miyazaki 在此之后的几十年间，出现了种类繁多的磁性材料。磁 性材料已成为当代社会不可缺少的关键材料。 11 磁性材料发展概况 磁性材料分为软磁材料和硬磁材料两个应用领域发展 。目前作为新材料和高技术的重要组成部分，磁性材料 发展迅猛。 除指南针之外，人工制成实用的磁性材料，只不过是 200年前产业革命之后的事，但200年中磁性材料的 发展极为迅速。伴随着煤炭、钢铁工业的发展，以电磁 铁的发明为开端，发电机、马达(1831年)，变压器 (1885年)等逐步达到实用化

6、。作为不可替代的磁性材 料，其重要性日益突现出来。 12 艾尔伯-费尔（法） 皮特-克鲁伯格（德） 2007年诺贝尔物理学奖 13 10先谋势，后谋利 巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance) 1988年， Albert Fert等人报道了： 低温下（T=4K），外 场为20KOe时，用分子束 外延（MBE）方法生成（ Fe3.0nm/Cr0.9nm） 多层膜中电阻的变化率达 50%。 (Fe/Cr)n在4.2K下的磁电阻 随周期数n的增加而增大 。 14 巨磁电阻效应在信息存储领域有巨大应用 n在信息存储记录的研究历史中，从最初的钢丝记录 ，到磁带存储，再到软盘、光盘、

7、硬盘，以及芯片 存储，每一步都给社会带来了深远的影响。 n在诸多信息存储记录方式中，硬盘具有存储密度高 、读写速度快、可擦写以及信息稳定性好等诸多优 点，是信息存储设备的主流，因此： 磁记录成为当今最重要的信息存储方式。 15 Home server 1TB Applications of high density magnetic recording media 16 硬 盘 “巨磁电阻”效应的发现解决了制造大容量小硬盘 最棘手的问题：当硬盘体积不断变小，容量却不断 变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立 区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来 越弱。借助“巨磁电阻”效应，人们才

8、得以制造出更 加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能 够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。 17 由于民用、工业和军事中数据存储的需要，硬盘磁记录 技术在过去的半个世纪里得到了飞速发展: 1994年IBM公司首次在硬盘中使用自旋阀GMR读出磁头， 密度为1GB/in2。 1995年，IBM公司宣布硬盘密度达到3GB/in2， 1996年IBM公司进一步将硬盘密度提高到5GB/in2。 2002年，硬盘密度已达到100GB/in2。 2010，日立宣布采用CPP-GMR技术已实现1TB/in2。 硬盘的容量和面密度呈指数形式逐年增长，这主要归 功于磁记录介质和磁头技术的发展。近10年硬

9、盘磁记录 面密度增长了100多倍。预计随着磁头和磁介质材料的 发展，硬盘面密度仍将飞跃式增长。 未来趋势是实现高密度磁记录硬盘。 硬盘面密度的发展情况 18 巨磁电阻（GMR）效应是凝聚态物理的一个划时代 的发现。正是由于这一效应的发现，极大地促进了 电子自旋极化输送过程的研究，开创了磁学研究的 最新前沿自旋电子学。 没有磁的应用现代文明是不可想像的 物质磁性的研究和应用已经在人类社会生活的各 个方面都得到深入而广泛的发展，磁现象的研究和 应用依然是21世纪科学技术研究的重要领域。 19 物质在一定情况下能相互吸引，这种性质被称为磁性 。 物质的磁性由电流产生。 使物质具有磁性的过程称为磁化。

10、 磁质的磁化过程实质上是其内部原子磁矩取向的过程 。 能够被磁化的或者能够被磁性物质吸引的物质称为磁 性物质或磁介质。 如果将两个磁极靠近，在两个磁极之间会产生作用力 ，同性相斥或异性相吸。磁极之间的作用力是在磁极周 围空间传递的，这里存在着磁力作用的特殊物质，称之 为磁场。 8.1 磁学基本概念 20 8.1.1 磁学基本量 n 磁场强度、磁感应强度和磁导率 一根通有I(A)直流电的无限长直导线，在距导线 中心r(m)处产生的磁场强度 材料在磁场强度为H的外磁场作用下，会在材料内 部产生一定磁通量密度，称其为磁感应强度B，即在 强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场强度的大小 。 21 磁通量

11、密度：垂直穿过单位面积的磁力线叫做磁 通量密度，简称磁通密度，它从数量上反映磁力线 的疏密程度。磁力线越密，磁场越强。 如果磁场中某处的磁感应强度为，在该处有一 块与磁通垂直的面，它的面积为，则穿过它的磁 通量就是 = BS。 磁通量密度的单位: Wb。 22 B和H是既有大小，又有方向的向量，二者的关系 其中，(0)为(真空)磁导率。 磁导率反映了磁介质的特性，表示在单位强度的外 磁场作用下材料内部的磁通量密度。它反映了B随外 磁场变化的速率，是材料的特征常数。 23 n 磁矩和原子固有磁矩 任一封闭电流都具有磁矩m，其方向与环形电流法 向方向一致，大小为电流(I)与环形面积(A)的乘积 磁

12、矩是表征材料磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁 性愈强，即物体在磁场中受的力愈大。 A m 材料的磁性来源于原子 磁矩，其包括电子轨道运 动磁矩、电子自旋磁矩和 原子核磁矩(很小)三部分 。 24 电子绕原子核轨道运动产生的磁矩，称为电子轨道 磁矩，其大小为 Orbital 轨道磁矩 式中，e为电子的电荷；h 为普朗克常数；m为电子的 静止质量；c为光速；l为以 h/2为单位的轨道角动量 。mB为玻尔磁子，是电子 磁矩的最小单位。 25 电子的自旋运动产生自旋磁矩，其大小为 式中，s为以h/2为单位的自旋磁矩角动量。 原子中电子的轨道磁矩和电 子的自旋磁矩构成了原子固有 磁矩(Pm)。原子中所有电

13、子 层都填满时，电子轨道磁矩和 自旋磁矩各自抵消，此时Pm 为零。只有存在未被排满的电 子层时，原子才具有Pm。 Spin自旋磁矩 26 磁矩： 表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁 性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。 利用磁矩的概念可以得到一基本命题: 磁及磁现象的根源是电流（电荷的运动）。 27 n 磁化强度和磁化率 当磁介质在外磁场(H)中被磁化时，会在所在空间 产生一个附加磁场(H)，则二者矢量和为总磁场 Htotal，即 材料被磁化后，原子的Pm的取向改变，便表现出 一定磁性。因此，可用Pm的矢量和Pm来表示材料 的磁化程度。考虑到尺寸的

14、影响，一般用单位体积 的磁矩，即磁化强度M 来比较材料磁化的强弱程度。 28 磁化强度M即是附加磁场强度H，其不仅与外磁 场强度H有关，还与物质本身的磁化特性有关，即 式中，为磁化率，其值可正、可负，表征物质本身 的磁化特性。 当磁场中存在磁介质时，磁感应强度 式中，r为相对磁导率。 29 常见材料在室温时的磁化率 材料名称磁化率材料名称磁化率 氧化铝-1.81105锌-1.56105 铜-0.96105铝2.07105 金-3.44105铬3.13104 水银-2.85105钠8.48106 硅-0.41105钛1.81104 银-2.38105锆1.09104 物质的磁化率：其正负和大小表

15、示磁性的类别和强 弱。为负值时为抗磁性物质，为正值且0，数值很小 ，约10-2到10-5，这种受到的磁力虽很弱，受 力的方向却是在磁场强度增强的方向，好像是顺 着磁场的作用，把它称为顺磁性 。 顺磁性物质的最基本特征是磁化率为正值且数值很小 。 40 l无外磁场时，由于热振动的影响，材料中的原子固有 磁矩倾向于混乱、无序状态分布，在任何方向上原子磁 矩之和为零，故材料不表现宏观磁性。 l当施加一外磁场作用时，由于磁矩与磁场相互作用， 磁矩具有较高的静磁能，为了降低静磁能，磁矩必将改 变与磁场之间的夹角，原子磁矩通过旋转而沿外场方向 择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。 静磁能：原子磁

16、矩与外加磁场的相互作用能。 图8-4 顺磁磁化过程示意图（箭头代表原子磁矩方向） (a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场 41 l在顺磁性物质中，晶格对原子磁矩有决定性的影响， 施加磁场，尽管原子磁矩发生一定程度的取向排列，但 由于晶格振动的强烈干扰，取向排列的程度很低，因此 磁化率低。 l常温下要克服热运动的影响使顺磁体磁化到饱和，即 原子磁矩沿外磁场方向排列(图8-4c)，所需的磁场为 1107Oe（即1000T）。 总之，顺磁体的磁化乃是磁场克服原子热运动干扰 ，使原子磁矩沿磁场方向排列的过程。 42 n 居里定律 大多数物质都属于顺磁性物质，如O2、NO、铂、 钯、锂、钠、钾、钛、铝、钒、稀土金属、铁、钴、 镍的盐类以及在居里点以上的铁磁金属都属于顺磁体 。此外，过渡金属的盐也表现为顺磁性。其中少数物 质可以准确地用居里定律进行描述，即它们的原子磁 化率与温度成反比 式中，C为居里常数，T为绝