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1、磁性薄膜材料基础,磁性材料的低维化,低维磁性材料 二维磁性薄膜 一维纳米线 零维纳米点以及纳米颗粒,低维化的意义,量子尺寸效应 特殊的性能 任何物质的颗粒的大小达到纳米级时都会产生表面效应、小尺寸效应和量子效应。这就使纳米材料具有许多优异的性质 同时许多宏观尺度上有效的规律、定理、方式、方法，在纳米世界都将不再适用，纳米技术使世界的面目焕然一新。 与半导体工艺结合 有利于器件的小型化 应用纳米技术可以大大减小电子器件、集成电路的体积优化其性能,磁性材料薄膜化,薄膜磁性的研究始于上世纪40年代 到现各种大块材料都以其薄膜形态存在并表现出优异和独特的磁性，如各向同性磁电性，同时还出现人工设计的超晶
2、格常称之为多层膜、三层膜、隧道结膜和基于磁电阻效应的磁电子学。磁性薄膜在磁记录和磁光存储技术方面已有广泛的应用。 基于磁性薄膜的各种磁性传感器在各个领域都起着很大的作用。,薄膜可设计性,由于薄膜材料性能受制备过程的影响，在制备过程中多数处于非平衡状态，因而可以在很大范围内改变薄膜材料的成分、结构，不受平衡状态时限制，所以人们可以制备出许多块体难以实现的材料以获得新的性能： 可以在很大范围内将几种材料掺杂在一起得到均匀膜，而不必考虑是否会形成均匀相，这样就能较自由地改变薄膜的性能。 根据需要可以得到单晶、多晶、和非晶的各种结构薄膜。 通过沉积速率的控制可以容易得到成分不均匀分布的薄膜，如梯度膜等
3、。 还可以容易地将不同材料结合一起制成多层结构的薄膜。,磁性薄膜材料,厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料。 一般 在几纳米到几百纳米。 各种磁性材料几乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜材料。一般按材料性质分为金属和非金属磁膜材料；按材料组织状态分为非晶、多层调制和微晶磁膜材料。,磁性薄膜的一些特点,在薄膜的厚度方向上只有一个磁畴，在静态条件下薄膜的磁化强度一般是在平面上。(有例外） 薄膜平面上的退磁因子极小（约为10-3 -10-5），而在垂直于薄膜的方向上却等于1。 薄膜内无涡流产生，直到超高频频段都是如此。 由于磁畴结构的特点，薄膜的本征铁磁谐振频率较之厚实的铁磁体大10-1
4、00 倍，因此，在高频时薄膜仍保持甚大的磁导率。 在脉冲和正弦交变磁场中，磁薄膜反复磁化极快且损耗很小。 在许多磁薄膜平面上具有明显的磁各向异性； 许多磁薄膜都有矩形磁滞回线。（可以设计和控制）,磁性薄膜的应用,广泛应用于各个领域。,磁性薄膜的各向异性,（一）按来源分 磁晶各向异性 形状各向异性 诱发各向异性 应力引起的各向异性 交换各向异性,（二）按特性分 单轴各向异性 单向各向异性 体各向异性 表面各向异性,磁晶各向异性,由材料的晶体结构引起,Fe (K1 0),Ni (K1 0),起因: 电子的自旋-轨道耦合 轨道与局域环境的相互作用 (晶格场) 非球形的原子轨道 (Lz 0) and
5、非球形分布的晶格场。,应力引起的各项异性,磁致伸缩效应：在磁场的作用下，材料的尺寸发生改变。 导致的原因是自旋-轨道与晶格场的相互作用. 由于自旋-轨道的相互作用，使电子轨道放生畸变，从而引 起了晶格的形变。 磁致伸缩的各向异性,表面各向异性,在表面或者界面, 晶格对称的破缺导致表面各向异 性，其对称轴位于表面法线方向。 当Ks 0, 易轴沿表面法向，-易法向 当Ks 0, 难轴沿法相-易平面,诱发各向异性,磁场退火,配对有序化,交换各向异性,1956年，IBM的Meiklejohn and Bean 发现 铁磁薄膜与反铁磁薄膜的交换耦合作用 磁滞回线发生偏置 （交换偏置） Co/CoO,交换
6、偏置的机理,没抵消界面,完全抵消界面,一般认为要产生交换偏置必须反铁磁在界面磁距不完全抵消,完全抵消界面将不产生交换偏置。,多晶界面由于有缺陷等使得自旋不完全抵消,交换偏置的实现,交换耦合不一定能产生偏置 矫顽力增大 在磁场中将薄膜在磁场中设定 方法：加温，温度 T TN 在磁场中冷却,体各向异性,例子: 磁晶各向异性控制的等轴磁铁矿颗粒有四个易 磁化轴，而不象单轴颗粒只有两个。易磁化轴与外加磁场之间的最大夹角 为55。因此，没有通过原点的单个回线。,K1 0, K2 = 0,K1 0, K2 = 0,单轴各向异性,各向异性能量 1) K10 K2=0 磁场沿易轴方向 此回线为具有单轴各向 异
7、性的单畴颗粒的回线 回线与磁场方向的关系,易轴,u = K1 sin 2 + K2 sin 4 + . . . (更高阶向以般可以忽略),K20 情形,4) K1 |K1|,3) K1 0, K2 = 0: u = -|K1| sin 2 = + |K1| cos 2 (+ constant) 与扁球体的形状各向异性类似.,2) K1 0, K2 0: u = |K1| sin 2 + |K2| sin 4 ,磁性薄膜中的各种能量,交换能 磁晶各向异性能 磁弹性能 静磁能 （退磁场） 塞曼能,交换能,交换能的作用是让相邻的磁矩沿同一方向排列 常数A用以量度交换作用的强弱,磁弹性能和塞曼能,磁弹
8、性能：依赖于M与晶体应力的相对方向；是极化率M 与晶格间的弹性相互作用引起。 塞曼能：M 与外加磁场的相互作用能,退磁场,柱外: M = 0, B = 0H 柱内: M = Mz, Bz 0 Hz 0 ( but |Hz| M) Hdemag = Hin 0 as D/L 0,静磁能,由非均匀极化强度M造成的退极化场引起,N为退极化因子的差,磁畴形成的原因,各种能量的竞争 退磁场,退磁场大,减小退磁场和外场,磁畴与畴壁,磁畴 磁矩同向排列的区域 畴壁 两个相邻磁畴在磁矩改变方向前的过渡区域 180畴壁,畴壁与膜厚的关系,厚膜中90o and 180o 畴壁,往往在厚膜中产生,布鲁赫和奈尔畴壁,
9、磁性薄膜的磁化过程,连续反转,单畴晶体或多畴晶体且易轴平行于畴壁，当磁场沿难轴方向时，有磁矩的转动，而沿易轴则未必。,H,H,连续反转,对于单畴晶体，磁矩转动时连续的,H,h,1,m,1,h,1,m,1,难轴: = /2,畴壁移动,畴壁移动,一维情况 180 畴壁 是否为畴壁移动，在于薄膜的厚度,稳定性,磁性的弛豫现象,在零场下，对于具有单轴各项异性的磁性粒子,超顺磁效应,当测量时间弛豫时间(Mr = 0, Hc = 0) E kT ln(f0t) If t = 100 sec, then E 25 kT If t = 10 years, then E 40 kT,M has double e
10、xponential dependence on K and V,矫顽力与时间的关系,superparamagnetism,薄膜的制备方法,薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛,制膜技术的发展也十分迅速。 制膜方法分为物理和化学方法两大类； 具体方式上分为干式、湿式和喷涂三种，而每种方式又可分成多种方法。,电子束蒸发,把被加热的物质放置在水冷坩锅中，利用电子束轰击其中很小一部分，使其熔化蒸发，而其余部分在坩锅的冷却作用下处于很低的温度。,化学沉积方法,化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的气态反应剂的蒸汽及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应，并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程。,电镀,通过氧化阳极物质在 阴极沉积薄膜,参考材料,MBE 方法 超高真空 极低的沉积速率 极好的控制 可以生成好的晶体结构的薄膜 昂贵 沉积合金膜需多个源,MBE可以控制单个原子层的沉积 因而可以形成很陡的界面,外延生长,外延生长,
