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1、第八章磁电子学材料与器件,光电工程学院微电子教学部冯世娟,概述,磁性的来源,电荷的运动是一切磁现象的根源。,电子轨道运动产生电子轨道磁矩电子自旋产生电子自旋磁矩原子核由于其自身的自转也具有核磁矩，但非常小,8.3 磁性的分类,物质磁性分类的原则A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？C.是什么相互作用？物质磁性的分类抗磁性：没有固有原子磁矩顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用反铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用亚铁磁性：有固有磁矩，间接交换相互作用,每一种材料至少表现出其中一种磁性，这取决于材料的成分和结构。,8.3 磁性的分类,1 抗磁性,8.3 磁性的
2、分类,2 顺磁性,8.3 磁性的分类,3 铁磁性具有高的饱和磁化强度，因而表现出很强的磁性。对于大多数铁磁性材料来说，在不太强的磁场中（103104A/m，）就可以磁化到饱和磁化状态。磁化率数值很大，1105，并且是温度和磁场的函数。存在磁性转变的特征温度Curie 温度，温度低于Curie 温度时呈铁磁性；高于Curie 温度时表现为顺磁性，其磁化率温度关系服从Curie-Weiss 定律。磁化强度M 和磁场H 之间不是单值函数，存在磁滞现象。饱和磁化强度与温度的关系大多数铁磁性材料具有磁晶各向异性和磁致伸缩效应。,8.3 磁性的分类,4 亚铁磁性,8.3 磁性的分类,5 反铁磁性,8.4
3、铁磁交换作用,1 磁相互作用直接交换相互作用超交换相互作用双交换相互作用RKKY相互作用,它来源于量子力学全同粒子系的特性，即来源于电子之间的交换，能发生交换作用的电子之间需要电子云或轨道有较多的交迭。,绝大多数反铁磁物质和亚铁磁物质都是非导电的化合物，阳离子的近邻都是阴离子，因而金属磁性离子的电子壳层之间已不可能存在着交迭，1934年提出离子晶体中的交换作用可以通过阴离子的激发态（自旋磁矩不为零）来间接完成。,稀土元素的磁矩来自内层 4f 电子，它的外层有5s、5p、5d、6s 电子做屏蔽，两个稀土离子的 4f 电子之间很难产生直接交换作用。局域电子之间通过传导电子作媒介而产生交换作用的机制
4、很适合于解释稀土金属的自发磁化。,过渡金属和合金,化合物结构的反铁磁物质和亚铁磁物质,稀土金属,8.4 铁磁交换作用,直接交换相互作用,8.4 铁磁交换作用,直接交换相互作用,8.4 铁磁交换作用,直接交换相互作用Heisenberg 模型和铁磁理论,将氢分子的交换作用推广到多原子系统，提出两点假设,8.4 铁磁交换作用,直接交换相互作用,8.4 铁磁交换作用,超交换相互作用以MnO的反铁磁性为例,氧离子的 p 电子被激发到阳离子的 d 状态并按 Hund 法则相耦合，此时剩余的未成对的 p 电子则与另一近邻的阳离子产生交换作用，这种交换作用是以氧离子为媒介的，称为超交换作用或间接交换作用。,
5、当M1-O-M2是180，超交换作用最强。随角度变小超交换减弱，当90夹角时，相互作用倾向变为正值。,8.4 铁磁交换作用,超交换相互作用,8.5 磁畴,1 磁畴与畴壁 磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。相邻磁畴之间原子磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层叫磁畴壁。磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变,8.5 磁畴,1 磁畴与畴壁 磁畴的产生是自发磁化平衡分布要满足能量最小原理的结果。铁磁体内的五种相互作用能电子自旋之间的交换能 Eex铁磁晶体的磁晶各向异性能 Ek，由晶体场与轨道电
6、子间的作用、电子的轨道磁矩与自旋磁矩间作用的耦合效应所造成的；磁性与弹性的相互作用能E，包括磁弹性能与应力能；外磁场能EH退磁场能Ed，铁磁体被磁化后在其表面或内部不均匀处产生的磁荷在铁磁体内产生退磁场，退磁场与铁磁体磁化强度的作用能。,8.5 磁畴,1 磁畴与畴壁 被磁化的非闭合磁体将在磁体两端产生磁荷，如果磁性体内部磁化不均匀，还将产生体磁荷，面磁荷和体磁荷都会在磁性体内部产生磁场，其方向和磁化强度方向相反，有减弱磁化的作用，这一磁场称为退磁场。显然，磁性体在磁化过程中，因为受到自身退磁场的作用，将产生退磁场能。退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。磁畴的数目和尺寸形状等由退
7、磁场能和磁畴壁能的平衡条件决定。,8.5 磁畴,2 磁畴的形成在铁磁体中，交换作用使晶体自发磁化，磁化强度的方向沿着晶体内的易磁化轴，这样就使铁磁晶体内交换作用能和磁晶各向异性能都达到极小值。但因晶体有一定的大小与形状，整个晶体均匀磁化的结果，必然产生磁极，磁极的退磁场增加了退磁能(1/2)NMs2。为了减少退磁场能，晶体分为若干磁畴，这是磁畴形成的主要原因。另外，晶体中应力分布不均匀也是原因之一。在应力急剧变化的地方，磁化矢量的方向也随之变化，产生磁畴。,8.5 磁畴,3 畴壁的分类 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
8、形成一个有一定厚度的过渡层，称为畴壁。根据畴壁两侧磁畴的Ms方向关系，分为180畴壁和90畴壁。根据畴壁中磁矩的过渡方式不同，又可将畴壁分为布洛赫(Bloch)壁和奈耳(Neel)壁。,8.5 磁畴,3 畴壁的分类 Bloch 壁,图8.10 布洛赫壁结构,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。,畴壁厚度是交换相互作用能与各向异性能之间的折中。总势能最小。Fe的畴壁为0.1um,8.5 磁畴,3 畴壁的分类 Nel 壁,图
9、8.11奈耳壁结构,畴壁内原子自旋取向变化的方式除去 Bloch 方式以外，还在薄膜样品中发现了另一种 Nel 壁的变化形式，即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，但在样品表面没有退磁场。,8.5 磁畴,4 磁化曲线与磁滞回线磁化曲线,M(B)与H的变化关系开始M的增加比较缓慢后来增加较快最后达到Ms(饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度B，则对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs）,8.5 磁畴,4 磁化曲线与磁滞回线磁化曲线,起始或可逆部分：M-H为线性关系，畴壁可逆位移为主瑞利部分：线性关系不成立非线性陡峭部分：不可逆畴壁位移为主趋进饱和部分
10、：畴转动为主，最后达到饱和磁化强度 顺磁部分,磁化曲线,8.5 磁畴,沿外磁场强度H方向上的磁化强度MH可以表示为,当外磁场强度H改变H时，相应的磁化强度的改变为MH,磁化过程的磁化机制有三种：磁畴壁的位移磁化过程，磁畴转动磁化过程，顺磁磁化过程。,磁化曲线 大多数铁磁体磁化曲线的变化通常可以分为四个阶段：弱磁场范围内的可逆畴壁位移；中等磁场范围内的不可逆畴壁位移；较强磁场范围内的可逆磁畴转动；强磁场下的不可逆磁畴转动。,8.5 磁畴,磁性材料的磁化，实质上是材料受外磁场的作用，其内部的磁畴结构发生变化。,8.5 磁畴,4 磁化曲线与磁滞回线磁滞,将外磁场强度H减小，磁化强度M将不再按照原来的
11、初始磁化曲线减小，而是更加缓慢地沿较高的磁化强度M减小。这是因为发生刚性转动的磁畴方向保留了外磁场方向。即使外磁场强度等于零时，M0。这种磁化曲线与退磁曲线不重合的性质称为磁化的不可逆性。磁化强度M的改变滞后于磁场强度H的现象称为磁滞现象。,8.5 磁畴,4 磁化曲线与磁滞回线磁滞回线1)饱和磁化强度Ms2)剩余磁化强度Mr3)矫顽力Hc,剩磁是反磁化过程中不可逆磁化的标志，其大小取决于材料从饱和磁化降到H=0的反磁化过程中磁畴结构的变化，与磁各相异性、晶体的缺陷等有关。,矫顽力的大小表征了材料被磁化的难易程度，来源于不可逆的磁化过程,8.5 磁畴,4 磁化曲线与磁滞回线依磁滞回线形状及其特点
12、分类，磁性材料可分为以下五种 软磁材料 硬磁材料 矩磁材料 压磁材料 旋磁材料,8.7 磁性材料,3 矩磁材料矩磁材料的矫顽力也很小，与软磁相似，它的特点是滋滞回线呈矩形。由于矩磁材料主要用于磁记录和磁存储技术方面，所以又叫做磁记录与磁存储材料。剩磁比：Br/Bm来表征回线的矩形程度开关矩形比剩磁比：B-Hm/2/Bm(或简写为B-1/2/Bm)记忆矩形比,8.7 磁性材料,3 矩磁材料磁心存储器的工作原理利用矩磁材料具有矩磁磁滞回线的特性，与饱和磁感应强度Bm大小相近的两种剩磁状态+Br和-Br分别代表“l”和“0”当输入一个+Im电流脉冲时，相当于磁心受到+Hm磁场的激励而被磁化到+Bm。
13、脉冲过后，磁心保留+Br状态，表示存入信号“1”。反之，输入-Im电流脉冲时，磁心保留-Br状态，表示存入信号“0”。,图8.31 磁心存储器原理,8.7 磁性材料,3 矩磁材料磁心存储器的工作原理在读出信息时，可通入-Im电流脉冲，如果原来存入的信号是“0”，则磁感应强度的变化由-Br-Bm，变化很小，感应电压也很小，相当于没有信号电压输出，表示输出为零。而原有信号为“1”时，则磁感应强度由Br-Bm，变化很大，故有明显的电压信号输出。这样，根据磁感应电压的大小，就可判断磁心所存储的信息。,图8.31 磁心存储器原理,8.7 磁性材料,3 矩磁材料要求：剩磁比要高，特殊情况下还要求B-1/2
14、/Bm要高；矫顽力要小；开关系数要小；损耗低；对温度、振动等外界因素的时间稳定性要好。铁氧体材料形成矩形磁滞回线的条件是结晶各向异性和应力各向异性。一般密度高、晶粒均匀、结晶各向异性较大的尖晶石型铁氧体都可制成磁性能较好的矩磁材料。,8.8 磁性元器件,2 磁光存储磁光存储是数字数据存储技术中很有效的技术手段之一。磁光盘上具有很多同圆心的磁轨，每个磁轨上又可划分成若干个的片段或单元。磁光存储兼有磁存储和光存储两者的优点，具有可擦写、高密度、非接触、随机存取和不易变的特点。基本方式是用激光束照射磁性薄膜，实现热磁记录和擦除信息，应用磁光法拉第或克尔效应读出信息。,8.8 磁性元器件,2 磁光存储
15、热磁写入 居里温度写入补偿温度写入,激光热磁写入示意图,外加偏磁场使磁光膜磁化到饱和，然后在剩磁状态下用激光束照射，磁光膜的局部温度上升，当温度TTC时，微区转变为顺磁区，Ms=0。除去激光后，温度下降到TTC，磁化强度开始增大。在周围的退磁场Hd和外加偏磁场Hb作用下，磁化方向与原方向相反。,8.8 磁性元器件,2 磁光存储读出利用透射的磁光法拉第效应 利用反射的极向磁光克尔效应,磁光克尔效应读出示意图,当偏振光从磁薄膜表面反射，产生磁光克尔旋转，其旋转方向完全取决于偏振光传播方向平行或反平行于磁化强度方向，平行时取正，反平行时取负。根据旋转的正负方向，通过光电检测器鉴别出这两种状态，从而读出二进制信息的“l”或“0”。,
