磁性薄膜基礎

會計學1磁性薄膜基礎低維化的意義量子尺寸效應

特殊的性能任何物質的顆粒的大小達到納米級時都會產生表面效應、小尺寸效應和量子效應。這就使納米材料具有許多優(yōu)異的性質同時許多宏觀尺度上有效的規(guī)律、定理、方式、方法，在納米世界都將不再適用，納米技術使世界的面目煥然一新。與半導體工藝結合有利于器件的小型化

應用納米技術可以大大減小電子器件、集成電路的體積．優(yōu)化其性能第1頁/共42頁磁性材料薄膜化薄膜磁性的研究始于上世紀40年代到現各種大塊材料都以其薄膜形態(tài)存在并表現出優(yōu)異和獨特的磁性，如各向同性磁電性，同時還出現人工設計的超晶格常稱之為多層膜、三層膜、隧道結膜和基于磁電阻效應的磁電子學。磁性薄膜在磁記錄和磁光存儲技術方面已有廣泛的應用。基于磁性薄膜的各種磁性傳感器在各個領域都起著很大的作用。第2頁/共42頁薄膜可設計性由于薄膜材料性能受制備過程的影響，在制備過程中多數處于非平衡狀態(tài)，因而可以在很大范圍內改變薄膜材料的成分、結構，不受平衡狀態(tài)時限制，所以人們可以制備出許多塊體難以實現的材料以獲得新的性能：可以在很大范圍內將幾種材料摻雜在一起得到均勻膜，而不必考慮是否會形成均勻相，這樣就能較自由地改變薄膜的性能。根據需要可以得到單晶、多晶、和非晶的各種結構薄膜。通過沉積速率的控制可以容易得到成分不均勻分布的薄膜，如梯度膜等。還可以容易地將不同材料結合一起制成多層結構的薄膜。第3頁/共42頁磁性薄膜材料

厚度在1微米以下的強磁性（鐵磁性和亞鐵磁性）材料。一般在幾納米到幾百納米。

各種磁性材料幾乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜材料。一般按材料性質分為金屬和非金屬磁膜材料；按材料組織狀態(tài)分為非晶、多層調制和微晶磁膜材料。第4頁/共42頁磁性薄膜的一些特點在薄膜的厚度方向上只有一個磁疇，在靜態(tài)條件下薄膜的磁化強度一般是在平面上。(有例外）薄膜平面上的退磁因子極小（約為10-3-10-5），而在垂直于薄膜的方向上卻等于1。薄膜內無渦流產生，直到超高頻頻段都是如此。由于磁疇結構的特點，薄膜的本征鐵磁諧振頻率較之厚實的鐵磁體大10-100倍，因此，在高頻時薄膜仍保持甚大的磁導率。在脈沖和正弦交變磁場中，磁薄膜反復磁化極快且損耗很小。在許多磁薄膜平面上具有明顯的磁各向異性；許多磁薄膜都有矩形磁滯回線。（可以設計和控制）第5頁/共42頁磁性薄膜的應用廣泛應用于各個領域。第6頁/共42頁磁性薄膜的各向異性（一）按來源分磁晶各向異性形狀各向異性誘發(fā)各向異性應力引起的各向異性交換各向異性（二）按特性分單軸各向異性單向各向異性體各向異性表面各向異性第7頁/共42頁磁晶各向異性

由材料的晶體結構引起

Fe(K1>0)Ni(K1<0)起因:電子的自旋-軌道耦合軌道與局域環(huán)境的相互作用(晶格場)非球形的原子軌道(Lz

0)and非球形分布的晶格場。第8頁/共42頁應力引起的各項異性磁致伸縮效應：在磁場的作用下，材料的尺寸發(fā)生改變。導致的原因是自旋-軌道與晶格場的相互作用.由于自旋-軌道的相互作用，使電子軌道放生畸變，從而引起了晶格的形變。

磁致伸縮的各向異性第9頁/共42頁

表面各向異性

在表面或者界面,晶格對稱的破缺導致表面各向異性，其對稱軸位于表面法線方向。當Ks>0,易軸沿表面法向，---易法向當Ks<0,難軸沿法相---易平面第10頁/共42頁誘發(fā)各向異性磁場退火配對有序化第11頁/共42頁交換各向異性1956年，IBM的MeiklejohnandBean發(fā)現鐵磁薄膜與反鐵磁薄膜的交換耦合作用

磁滯回線發(fā)生偏置（交換偏置）

Co/CoO第12頁/共42頁交換偏置的機理沒抵消界面完全抵消界面一般認為要產生交換偏置必須反鐵磁在界面磁距不完全抵消,完全抵消界面將不產生交換偏置。多晶界面由于有缺陷等使得自旋不完全抵消第13頁/共42頁交換偏置的實現交換耦合不一定能產生偏置

矯頑力增大在磁場中將薄膜在磁場中設定

方法：加溫，溫度T>TN

在磁場中冷卻第14頁/共42頁體各向異性例子:

磁晶各向異性控制的等軸磁鐵礦顆粒有四個易磁化軸，而不象單軸顆粒只有兩個。易磁化軸與外加磁場之間的最大夾角為55。因此，沒有通過原點的單個回線。xzyK1>0,K2=0K1<0,K2=0第15頁/共42頁單軸各向異性各向異性能量1)K1>0K2=0磁場沿易軸方向

此回線為具有單軸各向異性的單疇顆粒的回線回線與磁場方向的關系

易軸

u=K1sin2

+K2sin4

+...(更高階向以般可以忽略)第16頁/共42頁K2≠0情形Easycone4)K1<0,K2>?|K1|EnergysurfaceEasyplane(=90o)3)K1<0,K2=0:u=-|K1|sin2

=+|K1|cos2

(+constant)與扁球體的形狀各向異性類似.2)K1>0,K2>0:u=|K1|sin2

+|K2|sin4

第17頁/共42頁磁性薄膜中的各種能量交換能磁晶各向異性能磁彈性能靜磁能（退磁場）塞曼能第18頁/共42頁交換能交換能的作用是讓相鄰的磁矩沿同一方向排列常數A用以量度交換作用的強弱第19頁/共42頁磁彈性能和塞曼能磁彈性能：依賴于M與晶體應力的相對方向；是極化率M與晶格間的彈性相互作用引起。塞曼能：M與外加磁場的相互作用能第20頁/共42頁退磁場HBMm=M-m=-Mm=0柱外: M=0,B=0H柱內: M=Mêz,Bz>0 Hz<0(but|Hz|<M)Hdemag=Hin

0asD/L0第21頁/共42頁靜磁能由非均勻極化強度M造成的退極化場引起ΔN為退極化因子的差acc第22頁/共42頁磁疇形成的原因各種能量的競爭退磁場退磁場大減小退磁場和外場第23頁/共42頁磁疇與疇壁磁疇

磁矩同向排列的區(qū)域疇壁

兩個相鄰磁疇在磁矩改變方向前的過渡區(qū)域180o疇壁第24頁/共42頁疇壁與膜厚的關系厚膜中90oand180o

疇壁[100][010]zz/2往往在厚膜中產生第25頁/共42頁布魯赫和奈爾疇壁BlochNéelabtmsNéelBloch第26頁/共42頁磁性薄膜的磁化過程連續(xù)反轉單疇晶體或多疇晶體且易軸平行于疇壁，當磁場沿難軸方向時，有磁矩的轉動，而沿易軸則未必。HH第27頁/共42頁連續(xù)反轉對于單疇晶體，磁矩轉動時連續(xù)的Hh1m1h1m1難軸:=/2第28頁/共42頁疇壁移動由磁疇擴大（b）及磁化矢量（c）引起的磁化過程，（a）是退磁狀態(tài)下的磁疇分布（在下方的磁化曲線標明了對應的階段）（a）（b）（c）HH可逆壁移不可逆壁移轉向磁化abcOHsHBs磁疇壁完全消失第29頁/共42頁疇壁移動一維情況

180o疇壁

是否為疇壁移動，在于薄膜的厚度第30頁/共42頁穩(wěn)定性磁性的弛豫現象在零場下，對于具有單軸各項異性的磁性粒子KV第31頁/共42頁超順磁效應當測量時間~弛豫時間(Mr=0,Hc=0)E~kTln(f0t)Ift=100sec,thenE~25kTIft=10years,thenE~40kTMhasdoubleexponentialdependenceonKandV第32頁/共42頁矯頑力與時間的關系superparamagnetism第33頁/共42頁薄膜的制備方法薄膜材料在現代科學技術中應用十分廣泛,制膜技術的發(fā)展也十分迅速。制膜方法—分為物理和化學方法兩大類；具體方式上—分為干式、濕式和噴涂三種，而每種方式又可分成多種方法。

第34頁/共42頁電子束蒸發(fā)把被加熱的物質放置在水冷坩鍋中，利用電子束轟擊其中很小一部分，使其熔化蒸發(fā)，而其余部分在坩鍋的冷卻作用下處于很低的溫度。第35頁/共42頁化學沉積方法化學氣相沉積是把含有構成薄膜元素的氣態(tài)反應劑的蒸汽及反應所需其它氣體引入反應室，在襯底表面發(fā)生化學反應，并把固體產物沉積到