《磁性材料 第5章 磁畴理论 2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁性材料 第5章 磁畴理论 2（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铁磁性物质的基本特征是物质内部存在自发磁化与磁畴结构。 1907年Weiss在分子场理论的假设中，最早提出磁畴的假说；而磁畴结构的理论是LandonLifshits在1935年考虑了静磁能的相互作用后而首先提出的。 磁畴理论已成为现代磁化理论的主要理论基础。,第五章 磁畴理论,5.1 磁畴的起源,一、磁畴形成的根本原因 铁磁体内有五种相互作用能：FH、Fd、Fex、Fk、 。根据热力学平衡原理，稳定的磁状态，其总自由能必定极小。产生磁畴也就是Ms平衡分布要满足此条件的结果。 若无H与 作用时，Ms应分布在由Fd、Fex、Fk三者所决定的总自由能极小的方向，但由于铁磁体有一定的几何尺寸，Ms的一
2、致均匀分布必将导致表面磁极的出现而产生Hd，从而使总能量增大，不再处于能量极小的状态。因此必须降低Fd。故只有改变其Ms矢量分布方向，从而形成多磁畴。因此Fd最小要求是形成磁畴的根本原因。 分成n个磁畴后，Fd(1/n)Fd,但是形成磁畴后,将引起Fex与Fk的增加（即畴壁能）。 因此，磁畴数目的多少及尺寸的大小完全取决于Fd与畴壁能的平衡条件。 二、从片状磁畴说明磁畴分成小区域的原因 设想一面积较大的磁体： 情况1：自发磁化后不分畴，全部磁矩向一个方向,L,Ms,S S S S,N N N N,情况2：自发磁化形成简单的片状磁畴 此时，材料表面也出现磁极，内部也有Fd，同时，由于畴壁能的存在
3、，需要考虑二者的共同作用。,L,S N S N S,N S N S N,为单位面积的畴壁能 （畴壁能量密度）,可见尽管增加了Ew，但Fd，总能量。,只有Fd是形成多畴结构的根本原因 因为铁磁体内磁畴形成的大小与形状及磁畴的分布模型，原则上由Fd、Fex、Fk与 四种能量共同决定，磁畴结构的稳定状态也应是这四种能量决定的极小值状态，但这四种能量中，Fex使磁体内自发磁化至饱和，而自发磁化的方向是由Fk与 共同决定的最易磁化方向。由此可见Fex、Fk与 只是决定了一磁畴内Ms矢量的大小以及磁畴在磁体内的分布取向，而不是形成磁畴的原因，只有Fd才是使有限尺寸的磁体形成多畴结构的最根本原 因。 三、决
4、定磁畴结构的因素 除Fd外 1、磁各向异性 实际铁磁体中磁矩方向不能任意选取。（综合考虑Fex、Fk ） 2、磁致伸缩，即考虑 。,畴壁及畴壁分类 Bloch壁的结构和畴壁能 Neel壁的结构和畴壁能 十字壁 畴壁的动态性质,参考姜书4.7，4.8节,在讨论磁畴结构之前，我们先分析畴壁的性质，因为畴壁的性质往往影响着磁畴的结构。,5.2 畴壁结构和畴壁能,理论和实验都证明，在两个相邻磁畴之间原子层的自旋取向由于交换作用的缘故，不可能发生突变，而是逐渐的变化，从而形成一个有一定厚度的过渡层，称为畴壁。 按畴壁两边磁化矢量的夹角来分类，可以把畴壁分成180壁和90壁两种类型。在具有单轴各向异性的理
5、想晶体中，只有180壁。在 K10 的理想立方晶体中有180壁和90壁两种类型。在 K10 的理想立方晶体中除去180壁外，还可能有109和71壁，实际晶体中，由于不均匀性，情况要复杂得多，但理论上仍常以180和90壁为例进行讨论。,一. 畴壁及畴壁分类,立方晶系，易磁向100 180壁 和90壁,180畴壁,畴,90壁,立方晶系,易磁向111，有180壁 ，71壁和109壁,71,109,畴壁的概念最早是Bloch提出的，Neel 分析了它的结构：在大块晶体中，当磁化矢量从一个磁畴内的方向过渡到相邻磁畴内的方向时，转动的仅仅是平行于畴壁的分量，垂直于畴壁的分量保持不变，这样就避免了在畴壁的两
6、侧产生磁荷，防止了退磁能的产生。这种结构的畴壁称作Bloch壁。,Bloch180壁的结构：为保证自发磁化强度在畴壁法线方向的分量连续，畴壁应取如图方式。,二. Bloch壁的结构特性和畴壁能,Bloch180畴壁中原子层电子自旋方向的转变形式：,摘自B.A.LiLLey, Phil. Mag.,41,792,1950 见宛书p243,该表与姜书p249表47相同，但已经换算为SI单位制,Jm-3,附录：Fe 的相关数据之估算,各文献所取数值不尽相同。,该值和前面表中数值有别，但量级是相同的。,差别并不大。,这是一个下面常用的数值。,畴壁内原子自旋取向变化的方式除去Bloch方式以外，还在薄膜
7、样品中发现了另一种 Neel 壁的变化形式，前者壁内的自旋取向始终平行于畴壁面转向，多发生在大块材料中，后者壁内的自旋取向始终平行于薄膜表面转向，在畴壁面内产生了磁荷和退磁场，但在样品表面没有了退磁场。,三. Neel壁的结构和畴壁能,Neel 壁,Bloch 壁,从图可以看出：随着材料厚度的变薄，Bloch壁在样品表面产生的退磁场能会变得很大，相反，Neel壁的退磁场能会变得比较小，所以薄膜中会出现Neel壁。具体计算如下：,在薄膜厚度为D的两面有露出的磁极，产生退磁能。畴壁可以看成是椭圆截面的柱体，长轴为D ，短轴为畴壁宽度 ，产生的单位畴壁面积退磁能近似等于,其中N为长轴方向的退磁因子
8、M要取平均值,Bloch畴壁单位面积的总能量为：,给出平衡值。显然有：,该表达式和姜书p251有区别，但结论是一致的。,布洛赫壁,仍然把畴壁当作一个椭圆截面的柱体，但长轴为， 短轴为D,长轴方向的退磁因子为 Neel壁单位面积畴壁内的退磁场能为：,这里同样要考虑平均值,Neel壁单位面积畴壁的总能量可以写作：,给出平衡值。,Neel壁,从上述结果可以看出，厚度对两种畴壁能的影响是不同的。当大块材料的尺度减小时，Bloch形式的壁在材料表面的退磁能将变得十分突出，相反，如采用 Neel壁形式退磁能反而会比较低。,D,D,Neel 1955 年计算结果,Dietze等1961计算结果,见姜书p25
9、2,上图给出二种畴壁能与厚度的关系，交叉点即为畴壁由布洛赫型向涅耳型转化的临界厚度。Neel 给出的临界厚度和狄切和托马斯给出的有所不同。后者给出的临界厚度是： 代入Fe的相关数据估算出的临界厚度为：32 nm. 实际在该临界厚度附近有一过渡区，会出现一种十字壁(cross-tie wall)的形式。例如实验表明Fe-Ni 合金薄膜的情形如下,影响磁畴结构主要因素的定性考虑 具有单轴各向异性晶体的磁畴 立方晶系材料的磁畴 表面磁畴 不均匀物质中的磁畴 单畴颗粒 磁泡 反铁磁畴,该节参考姜书4.6,4.9节,5.3 磁畴结构,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
10、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。,一. 影响磁畴结构主要因素的定性考虑,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
11、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,二. 单轴各向异性晶体的磁畴结构,以BaFe12O19为例说明：,片状畴结构 封闭畴结构,取：,以 Co 为例说明：,片状畴结构,而不分畴时的退磁能：比上面大近10倍。,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,封闭畴可能,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
12、。,具有波纹畴壁的示意图,花纹加圆形的楔形畴,见铁磁学（中）p125,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,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,取自铁磁畴插图,这只是一种可能的解释。,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K0的情况下，应力方向单位体积的磁弹性能是：,给出平衡值,样品表面单位面积下方柱体的总能量
13、为：,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。（见前面图）,三. 立方晶体材料中的磁畴结构,Fe 之数据：,封闭磁畴：,片形畴：,结论：K10的立方晶系 晶体形成封闭畴。,取自铁磁畴插图,树枝状磁畴,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,如果颗粒分为四个畴时，畴壁能( 为畴壁能密度 )为,能量优势条件： EdE,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,六. 单畴颗粒,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！,
