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1、稀土元素以及 C N 对铁钴基合金软磁材料微观结构和磁性能的影响摘要Fe、Co 基有序合金常用于自旋阀和磁性隧道结等自旋电子元器件的铁磁电极材料，如 何有效调控其铁磁电极材料的自旋极化电子结构，是开发新一代超高密度信息存储材料的 重要课题之一。 本文基于密度泛函理论的第一性原理，首先研究了 BCC Fe、Co 的自旋极化电子结构， 进而计算了 Fe3Co（DO3结构） ，FeCo（B2结构） ，及 FeCo3（DO3结构）有序合金的自旋极化 电子结构。计算结果表明，Fe3Co、FeCo 及 FeCo3的磁矩分别为 = 9.31 B、4.47 B 和 8.01 B; 费米面处的自旋极化率分别为
2、P = 9.5%、78.1%和 80.1%。自旋极化率随着 Co 含量的增加而增大。对合金晶体结构进行第一性原理计算是研究其性质的一种非常重要 的方法，将对分析研究上述结构和性质的变化起到一定的理论指导作用。 本文通过文献调查铁钴合金的电子结构和原子磁矩，然后用添加稀土元素，采用非自 耗真空电弧炉冶炼Fe50Co50xREx( RE = La、Ce、Gd、Dy) 合金锭。通过MS软件等测试分析 手段对添加稀土元素对FeCo合金的微观组织和磁性能影响做了系统研究。结果表明，稀土 元素的添加会在周围形成富稀土相，当含量较高时还会出现过渡相。添加稀土是FeCo合金 的磁导率增大。关键词：自旋电子学；
3、FeCo有序合金；磁性分析；微观组织第一章绪论1.1磁学发展概述磁学(magnetism)，又称为铁磁学(ferromagnetism)，是现代物理学的一个重要分支。 现代磁学是研究磁，磁场，磁材料，磁效应，磁现象及其实际应用的一门学科。 磁学和电学有着直接的联系。经典磁学认为如同电荷一样，自然界中存在着独立的磁 荷。相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。而现代磁学则认为环形电流元是磁极产 生的根本原因，相同的磁极互相排斥，不同的磁极互相吸引。独立的磁荷是不存在的。由 于电子围绕原子核的运动，所有的物质都具有某种特别的磁学效应。但是在自然界，铁， 镍，钴等材料表现了很强的磁特性，所以磁学又被
4、称为铁磁学。 我国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4世纪左右成书的管子中就有“上有 慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁的最早记载。类似的记载，在其后的吕氏春秋 中也可以找到：“慈石召铁，或引之也”。东汉高诱在吕氏春秋注中谈到：“石，铁之母 也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。在东汉以前的古籍中，一直将磁 写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。 法国物理学家库仑(Coulomb)于 1785 年确立了静电荷间相互作用力的规律库仑 定律之后，又对磁极进行了类似的实验后证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。 这就是经典磁学理论 在磁场的经典理论中，一
5、个最基本的公式就是一个单独的没有任何尺寸大小的磁极在 磁场中所受到的作用力的公式。但是和电场理论中的电荷的概念不一样，电场中的独立的 正负电荷可以单独存在，而单独的正负磁极实际上是不存在的，磁极从来都是成对出现的。 正负磁极一般称为磁北极和磁南极。为了避免这种理论上的困难，经典磁场理论认为一个 非常细长的磁铁中的一个磁极则可以被近似地看着是一个单独的磁极。根据这样一个假设， 从而可以得出一个单独的磁极在磁场中所受到的力和磁极本身的强度成正比，和磁极所在 地点的磁场强度成正比的关系式。现代磁学电磁理论在经典磁场理论中，绝大多数的公式都是正确的，并且也一直沿用至今，但是在整个理论中最根本的问题是它
6、采用了一个实际上并不存在的所谓单独的磁极 的假设。这就是经典磁学理论中的所谓库伦方法的一个致命弱点。 丹麦物理学家奥斯特在 1820 年发现，一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁 针偏转，显示出电流在其周围的空间产生了磁场，这是证明电和磁现象密切结合的第一个 实验结果。紧接着，法国物理学家安培等的实验和理论分析，阐明了载着电流的线圈所产 生的磁场，以及电流线圈间相互作用着的磁力。通过应用电流元产生磁场的方法，磁场理 论中的很多概念和电场理论中的很多概念十分相近。 安培同时提出，铁之所以显现强磁性是因为组成铁块的分子内存在着永恒的电流环， 这种电流没有像导体中电流所受到的那种阻力，并且电流环可
7、因外来磁场的作用而自由地 改变方向。这种电流在后来的文献中被称为“安培电流”或分子电流。 在电场和磁场的理论中，洛伦兹(Lorentz)公式具有非常重要的意义，这个公式给出了 一个运动中的电荷在电场和磁场中所受到的力的大小和方向。1.2 磁性材料宏观现象1.2.1 磁矩在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子还因自旋具有自旋磁矩；原子 核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。这些对研究原子能级的精细 结构，磁场中的塞曼效应以及磁共振等有重要意义，也表明各种基本粒子具有复杂的结构。分子的磁矩就是电子轨道磁矩以及电子和核的自旋磁矩构成的(=s+l=gsps+glpl)， 磁介
8、质的磁化就是外磁场对分子磁矩作用的结果。 粒子的内禀属性。每种粒子都有确定的内禀磁矩。自旋为 s 的点粒子的磁矩 由给出 ，式中 e 和 m 分别是该粒子的电荷和质量，g 是一个数值因子。自旋为零的粒子磁矩为零 。自旋为 1/2 的粒子，g=2；自旋为 1 的粒子，g=1；自旋为 3/2 的粒子，g=2/3。理论上 普遍给出 g=1/s。粒子磁矩可通过实验测定。但实验测定结果并不与此相符，其间差别称 为反常磁矩。对于自旋均为 1/2 的电子、 子、质子和中子，精确测定其 g 因子分别为电子 g/2=1.001159652193（10） 子 g/2=1.001165923（8） 质子 g/2=2
9、.792847386（63） 中子 g/2=1.91304275（45） 粒子反常磁矩的来源有二：一是量子电动力学的辐射修正，电 子、 子属于这种情形， 即使是点粒子，粒子产生的电磁场对其自身的作用导致自旋磁矩的微小变化，这一改变可 以严格地用量子电动力学精确计算，结果与实验测定符合得很好；另一是由于粒子有内部 结构和强相互作用的影响，质子和中子属于这种情形，质子和中子的反常磁矩用于分析其 内部结构。1.2.2 磁化强度磁化强度，magnetization，描述磁介质磁化状态的物理量。是磁化强度磁化强度，通常用符号 M 表示。 定义为媒质微小体元 V 内的全部分子磁矩矢量和与 V 之比，即对于
10、顺磁与抗磁介质，无外加磁场时，M 恒为零;存在外加磁场时，则有其中 H 是媒质中的磁场强度，B 是磁感应强度,o 是真空磁导率,它等于 410- 7H/m。是磁化率，其值由媒质的性质决定。顺磁质的为正，抗磁质的为负。1.2.3 磁场强度和磁感应强度磁场强度在磁荷意义下，磁场强度的定义为：在介质中，磁场强度则通常被定义为：1式中 M 为磁化强度。 简易定义：把磁场中某点磁感应强度 B 与介质磁导率 的比值叫作该点的磁场强度。磁感应强度（magnetic flux density） ，描述磁场强弱和方向的物理量，是矢量，常用 符号 B 表示。磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。在物理学中磁场的
11、强弱使用磁 感强度（也叫磁感应强度）来表示，磁感强度大表示磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。1.4 磁畴和畴壁磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁 畴，是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化 区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但 相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示：各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩 方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它 磁性材料。也就是说磁性材料在
12、正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以 后，它才能对外显示出磁性。1.2.5 磁滞现象磁滞现象简称磁滞。磁性体的磁化存在着明显的不可逆性，当铁磁体被磁化到饱和状 态后，若将磁场强度(H)由最大值逐渐减小时，其磁感应强度（符号为 B）不是循原来的途 径返回，而是沿着比原来的途径稍高的一段曲线而减小，当 H=0 时，B 并不等于零，即磁 性体中 B 的变化滞后于 H 的变化，这种现象称磁滞现象。 磁性物质都具有保留其磁性的倾向，磁感应强度 B 的变化总是滞后于磁场强度 H 的 变化的，这种现象就是磁滞现象。 磁滞现象，在铁磁性材料中是被广泛认知的。当外加磁场施加于铁磁性物质时，其原 子
13、的偶极子按照外加场自行排列。即使当外加场被撤离，部分排列仍保持：此时，该材料 被磁化。一但被磁化了，其磁性会继续保留。要消磁的话，只要施加相反方向的磁场就可 以了。1.3 自旋电子学简介自旋电子学（Spintronics），是利用创新的方法，来操纵电子自旋自由度的科学， 是一种新兴技术。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子极化率，以及较长的电 子自旋弛豫时间。许多新材料，例如磁性半导体、半金属等，近年来被广泛的研究，以求 能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。 硬盘磁头是自旋电子学领域中，最早商业化的产品。此外，尚有许多充满潜力的应用， 例如磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管
14、等。1.3.1 磁性隧道结-TMR 效应磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ） ，其结构与自旋阀很类似，是由两个 铁磁层中间夹一个绝缘层得到的三明治结构。在固定层和自由层中间加的绝缘层通常是氧 化铝。磁性隧道结的结构如图 1.1 所示：图 1.1 磁性隧道结的结构 Fig1.FM 为铁磁层，I 为绝缘层以绝缘层或半导体层作为隧道势垒的磁性多层膜即磁性隧道结中存在隧穿磁电阻(TMR)效应。TMR 效应属于自旋极化电子输运过程，主要来自于自旋相关的隧穿过程。由于磁性隧道结的层间耦合微弱，只需一非常小的外磁场便可得到较大的TMR，所以TMR 的磁场灵敏度很高。另外，磁
15、性隧道结本身电阻率高，因而性能也更加稳定。（1）隧道结磁电阻效应的理论解释Julliere【2】模型：1975 年，Julliere 在其所制备的Fe/Ge/Co 隧道结中发现，隧穿电导和两边铁磁体中磁化强度的相对方向有关。在早期自旋极化隧穿的实验结果的基础上，Julliere 提出了一个关于FM/I/FM 隧道结的简单模型，并用来解释其实验上观测的隧穿电导的相对变化。该模型采用类似 Tedrow 和Meservey，分析隧穿电导的方法，假设电子在隧穿过程中保持其能量和自旋方向不变，不同自旋方向的隧穿电导与两铁磁电极中相应自旋方向的态密度成正比。这样当两铁磁层的磁化方向平行时，其零偏压隧穿电导
16、为,2, 1,2, 1NNNNCGP这里C 为常数，N(1,2)(,)分别为两个铁磁电极费米面处 ，自旋电子的态密度。当两铁磁层的磁化方向为反平行排列时，零偏压隧穿电导为,2, 1,2, 1NNNNCGAP这样由两铁磁电极的磁化强度的相对取向所引起的隧穿电导的相对变化为2121 12 PPPP GGG GGPAPPP其中 ,iiii NNNNPi为铁磁金属中电子的自旋极化率。由于电阻的相对变化可转化为电导的相对变化，因而零偏压下的TMR 值为2121 12 PPPP GG RRR RRTMR PAPPAPAP从公式中可以看出，如果P1和P2不为零，则磁隧道结中存在磁电阻效应，且两个铁磁电极的自旋极化度越大， TMR 值也越大。Julliere 的开创性工作对后来的TMR 研究产生了深远影响，公式被普遍应用于TMR 的研究领域。从Julliere 公式出发，不仅可以测量铁磁材料的自旋极化度来得知TMR 值，也可从公式出发反推
