現(xiàn)代電子材料與元器件_8

1、第八章磁電子學(xué)材料與器件光電工程學(xué)院微電子教學(xué)部馮世娟2概述n磁性的來源電荷的運動是一切磁現(xiàn)象的根源。電荷的運動是一切磁現(xiàn)象的根源。電子軌道運動產(chǎn)生電子軌道磁矩電子軌道磁矩電子自旋產(chǎn)生電子自旋磁矩電子自旋磁矩原子核由于其自身的自轉(zhuǎn)也具有核磁矩，但非常小38.3 磁性的分類 n 物質(zhì)磁性分類的原則qA. 是否有固有原子磁矩？qB. 是否有相互作用？qC. 是什么相互作用？n物質(zhì)磁性的分類q抗磁性：沒有固有原子磁矩q順磁性：有固有磁矩，沒有相互作用q鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用q反鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作用q亞鐵磁性：有固有磁矩，間接交換相互作用每一種材料至少表現(xiàn)每一種材料至少表

2、現(xiàn)出其中一種磁性，這出其中一種磁性，這取決于材料的成分和取決于材料的成分和結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。48.3 磁性的分類 n1 抗磁性58.3 磁性的分類 n2 順磁性68.3 磁性的分類 n3 鐵磁性q具有高的飽和磁化強度，因而表現(xiàn)出很強的磁性。n對于大多數(shù)鐵磁性材料來說，在不太強的磁場中（103104A/m，）就可以磁化到飽和磁化狀態(tài)。q磁化率數(shù)值很大，1105，并且是溫度和磁場的函數(shù)。q存在磁性轉(zhuǎn)變的特征溫度Curie 溫度，溫度低于Curie 溫度時呈鐵磁性；高于Curie 溫度時表現(xiàn)為順磁性，其磁化率溫度關(guān)系服從Curie-Weiss 定律。q磁化強度M 和磁場H 之間不是單值函數(shù)，存在磁滯現(xiàn)象。

3、q飽和磁化強度與溫度的關(guān)系q大多數(shù)鐵磁性材料具有磁晶各向異性和磁致伸縮效應(yīng)。78.3 磁性的分類 n4 亞鐵磁性88.3 磁性的分類 n5 反鐵磁性98.4 鐵磁交換作用 n1 磁相互作用q直接交換相互作用q超交換相互作用q雙交換相互作用qRKKY相互作用它來源于量子力學(xué)全同粒子系的特性，即來源于電子之間的交換，能發(fā)生交換作用的電子之間需要電子云或軌道有較多的交迭。絕大多數(shù)反鐵磁物質(zhì)和亞鐵磁物質(zhì)都是非導(dǎo)電的化合物，陽離子的近鄰都是陰離子，因而金屬磁性離子的電子殼層之間已不可能存在著交迭，1934年提出離子晶體中的交換作用可以通過陰離子的激發(fā)態(tài)（自旋磁矩不為零）來間接完成。稀土元素的磁矩來自內(nèi)層

4、 4f 電子，它的外層有5s、5p、5d、6s 電子做屏蔽，兩個稀土離子的 4f 電子之間很難產(chǎn)生直接交換作用。局域電子之間通過傳導(dǎo)電子作媒介而產(chǎn)生交換作用的機制很適合于解釋稀土金屬的自發(fā)磁化。過渡金屬和合金化合物結(jié)構(gòu)的反鐵磁物質(zhì)和亞鐵磁物質(zhì)稀土金屬108.4 鐵磁交換作用 n直接交換相互作用118.4 鐵磁交換作用n直接交換相互作用128.4 鐵磁交換作用n直接交換相互作用qHeisenberg 模型和鐵磁理論將氫分子的交換作用推廣到多原子系統(tǒng)，提出兩點假設(shè)138.4 鐵磁交換作用n直接交換相互作用148.4 鐵磁交換作用n超交換相互作用q以MnO的反鐵磁性為例氧離子的 p 電子被激發(fā)到陽離

5、子的 d 狀態(tài)并按 Hund 法則相耦合，此時剩余的未成對的 p 電子則與另一近鄰的陽離子產(chǎn)生交換作用，這種交換作用是以氧離子為媒介的，稱為超交換作用或間接交換作用。當M1-O-M2是180，超交換作用最強。隨角度變小超交換減弱，當90夾角時，相互作用傾向變?yōu)檎怠?58.4 鐵磁交換作用n超交換相互作用168.5 磁疇 n1 磁疇與疇壁 q磁疇磁疇是自發(fā)磁化到飽和（即其中的磁矩均朝一個方向排列）的小區(qū)域n任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時，都是由磁疇組成的。q相鄰磁疇之間原子磁矩按一定規(guī)律相鄰磁疇之間原子磁矩按一定規(guī)律逐漸改變方向的過渡層叫逐漸改變方向的過渡層叫磁疇壁。磁疇壁。q

6、磁疇壁是一個有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變178.5 磁疇 n1 磁疇與疇壁 q磁疇的產(chǎn)生是自發(fā)磁化平衡分布要滿足能量最小原理的結(jié)果。n鐵磁體內(nèi)的五種相互作用能鐵磁體內(nèi)的五種相互作用能n電子自旋之間的交換能電子自旋之間的交換能 Eexn鐵磁晶體的磁晶各向異性能鐵磁晶體的磁晶各向異性能 Ek，由晶體場與軌道電子間的作用、電子的軌道磁矩與自旋磁矩間作用的耦合效應(yīng)所造成的；n磁性與彈性的相互作用能磁性與彈性的相互作用能E，包括磁彈性能與應(yīng)力能；n外磁場能外磁場能EHn退磁場能退磁場能Ed，鐵磁體被磁化后在其表面或內(nèi)部不均勻處產(chǎn)生的磁荷在鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生退磁場，退磁場與鐵磁體磁化強度的作用

7、能。188.5 磁疇 n1 磁疇與疇壁 q被磁化的非閉合磁體將在磁體兩端產(chǎn)生磁荷，如果磁性體內(nèi)部磁化不均勻，還將產(chǎn)生體磁荷，面磁荷和體磁荷都會在磁性體內(nèi)部產(chǎn)生磁場，其方向和磁化強度方向相反，有減弱磁化的作用，這一磁場稱為退磁場退磁場。顯然，磁性體在磁化過程中，因為受到自身退磁場的作用，將產(chǎn)生退磁場能。q退磁能的存在是自發(fā)磁化后的強磁體出現(xiàn)磁疇的主要原因。q磁疇的數(shù)目和尺寸形狀等由退磁場能和磁疇壁能的平衡條件決定。198.5 磁疇 n2 磁疇的形成q在鐵磁體中，交換作用使晶體自發(fā)磁化，磁化強度的方向沿著晶體內(nèi)的易磁化軸，這樣就使鐵磁晶體內(nèi)交換作用能和磁晶各向異性能都達到極小值。但因晶體有一定的大

8、小與形狀，整個晶體均勻磁化的結(jié)果，必然產(chǎn)生磁極，磁極的退磁場增加了退磁能 (1/2)NMs2。為了減少退磁場能，晶體分為若干磁疇，這是磁疇形成的主要原因。q另外，晶體中應(yīng)力分布不均勻也是原因之一。在應(yīng)力急劇變化的地方，磁化矢量的方向也隨之變化，產(chǎn)生磁疇。 208.5 磁疇 n3 疇壁的分類 q理論和實驗都證明，在兩個相鄰磁疇之間原子層的自旋取向由于交換作用的緣故，不可能發(fā)生突變，而是逐漸的變化，從而形成一個有一定厚度的過渡層，稱為疇壁。q根據(jù)疇壁兩側(cè)磁疇的Ms方向關(guān)系，分為180疇壁和90疇壁。q根據(jù)疇壁中磁矩的過渡方式不同，又可將疇壁分為布洛赫(Bloch)壁和奈耳(Neel)壁。 218.

9、5 磁疇 n3 疇壁的分類 qBloch 壁圖8.10 布洛赫壁結(jié)構(gòu) 在大塊晶體中，當磁化矢量從一個磁疇內(nèi)的方向過渡到相鄰磁疇內(nèi)的方向時，轉(zhuǎn)動的僅僅是平行于疇壁的分量，垂直于疇壁的分量保持不變，這樣就避免了在疇壁的兩側(cè)產(chǎn)生磁荷，防止了退磁能的產(chǎn)生。這種結(jié)構(gòu)的疇壁稱作Bloch 壁。疇壁厚度是交換相互作用能與各向異性能之間的折中?？倓菽茏钚?。Fe的疇壁為0.1um228.5 磁疇 n3 疇壁的分類 qNel 壁圖8.11奈耳壁結(jié)構(gòu) 疇壁內(nèi)原子自旋取向變化的方式除去 Bloch 方式以外，還在薄膜樣品中發(fā)現(xiàn)了另一種 Nel 壁的變化形式，即壁內(nèi)的自旋取向始終平行于薄膜表面轉(zhuǎn)向，在疇壁面內(nèi)產(chǎn)生了磁荷

10、和退磁場，但在樣品表面沒有退磁場。238.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁化曲線pM(B)與H的變化關(guān)系p開始M的增加比較緩慢p后來增加較快p最后達到Ms(飽和磁化強度)p縱坐標改為磁感應(yīng)強度B，則對應(yīng)于平衡值Ms的磁感應(yīng)強度值稱為飽和磁感應(yīng)強度 (Bs）248.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁化曲線p起始或可逆部分：M-H為線性關(guān)系，疇壁可逆位移為主p瑞利部分：線性關(guān)系不成立p非線性陡峭部分：不可逆疇壁位移為主p趨進飽和部分：疇轉(zhuǎn)動為主，最后達到飽和磁化強度 p順磁部分25q磁化曲線 8.5 磁疇沿外磁場強度H方向上的磁化強度MH可以表示為SH0cosiiiM VMV當外磁場強度H改

11、變H時，相應(yīng)的磁化強度的改變?yōu)镸HSSSH000cos(cos)cos iiiiiiiMVM VVMMVVVMMM 位移順磁轉(zhuǎn)動磁化過程的磁化機制有三種：磁疇壁的位移磁化過程，磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程，順磁磁化過程。 26q磁化曲線 大多數(shù)鐵磁體磁化曲線的變化通常可以分為四個階段：n弱磁場范圍內(nèi)的可逆疇壁位移；n中等磁場范圍內(nèi)的不可逆疇壁位移；n較強磁場范圍內(nèi)的可逆磁疇轉(zhuǎn)動；n強磁場下的不可逆磁疇轉(zhuǎn)動。8.5 磁疇磁性材料的磁化，實質(zhì)上是材料受外磁場的作用，其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。278.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁滯將外磁場強度H減小，磁化強度M將不再按照原來的初始磁化曲線減小，而是更加緩

12、慢地沿較高的磁化強度M減小。這是因為發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動的磁疇方向保留了外磁場方向。即使外磁場強度等于零時，M0。這種磁化曲線與退磁曲線不重合的性質(zhì)稱為磁化的不可逆性。磁化強度M的改變滯后于磁場強度H的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。 288.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q磁滯回線n1)飽和磁化強度Msn2)剩余磁化強度Mrn3)矯頑力Hc剩磁是反磁化過程中不可逆磁化的標志，其大小取決于材料從飽和磁化降到H=0的反磁化過程中磁疇結(jié)構(gòu)的變化，與磁各相異性、晶體的缺陷等有關(guān)。矯頑力的大小表征了材料被磁化的難易程度，來源于不可逆的磁化過程298.5 磁疇n4 磁化曲線與磁滯回線q依磁滯回線形狀及其特點分類，磁性材料可

13、分為以下五種 q軟磁材料 q硬磁材料 q矩磁材料 q壓磁材料 q旋磁材料 308.7 磁性材料 n3 矩磁材料q矩磁材料的矯頑力也很小，與軟磁相似，它的特點是滋滯回線呈矩形。q由于矩磁材料主要用于磁記錄和磁存儲技術(shù)方面，所以又叫做磁記錄與磁存儲材料。n剩磁比：Br/Bm來表征回線的矩形程度開關(guān)矩形比n剩磁比： B-Hm/2/Bm (或簡寫為B-1/2/Bm)記憶矩形比318.7 磁性材料 n3 矩磁材料q磁心存儲器的工作原理q利用矩磁材料具有矩磁磁滯回線的特性，與飽和磁感應(yīng)強度Bm大小相近的兩種剩磁狀態(tài)+Br和-Br分別代表“l(fā)”和“0”q當輸入一個+Im電流脈沖時，相當于磁心受到+Hm磁場的

14、激勵而被磁化到+Bm。脈沖過后，磁心保留+Br狀態(tài)，表示存入信號“1”。反之，輸入-Im電流脈沖時，磁心保留-Br狀態(tài)，表示存入信號“0”。 圖8.31 磁心存儲器原理 328.7 磁性材料 n3 矩磁材料q磁心存儲器的工作原理q在讀出信息時，可通入-Im電流脈沖，如果原來存入的信號是“0”，則磁感應(yīng)強度的變化由-Br-Bm，變化很小，感應(yīng)電壓也很小，相當于沒有信號電壓輸出，表示輸出為零。而原有信號為“1”時，則磁感應(yīng)強度由Br-Bm，變化很大，故有明顯的電壓信號輸出。這樣，根據(jù)磁感應(yīng)電壓的大小，就可判斷磁心所存儲的信息。 圖8.31 磁心存儲器原理 338.7 磁性材料 n3 矩磁材料q要求

15、：n剩磁比要高，特殊情況下還要求B-1/2/Bm要高；n矯頑力要??；n開關(guān)系數(shù)要??；n損耗低；n對溫度、振動等外界因素的時間穩(wěn)定性要好。q鐵氧體材料形成矩形磁滯回線的條件是結(jié)晶各向異性和應(yīng)力各向異性。一般密度高、晶粒均勻、結(jié)晶各向異性較大的尖晶石型鐵氧體都可制成磁性能較好的矩磁材料。 348.8 磁性元器件 n2 磁光存儲q磁光存儲是數(shù)字數(shù)據(jù)存儲技術(shù)中很有效的技術(shù)手段之一。磁光盤上具有很多同圓心的磁軌，每個磁軌上又可劃分成若干個的片段或單元。q磁光存儲兼有磁存儲和光存儲兩者的優(yōu)點，具有可擦寫、高密度、非接觸、隨機存取和不易變的特點。q基本方式是用激光束照射磁性薄膜，實現(xiàn)熱磁記錄和擦除信息，應(yīng)用磁光法拉第或克爾效應(yīng)讀出信息。358.8 磁性元器件 n2 磁光存儲q熱磁寫入 n居里溫度寫入n補償溫度寫入激光熱磁寫入示意圖 外加偏磁場使磁光膜磁化到飽和，然后在剩磁狀態(tài)下用激光束照射，磁光膜的局部溫度上升，當溫度TTC時，微區(qū)