畴壁结构与畴壁能.ppt

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1、关于畴壁结构和畴壁能第一张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 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按畴壁两边磁化矢量的夹角来分类，可以把畴壁分成1800壁和900壁两种类型。在具有单轴各向异性的理想晶体中，只有在具有单轴各向异性的理想晶体中，只有1800壁。在壁。在 K10 的理想立方晶体中有的理想立方晶体中有1800壁和壁和9

2、00壁两种类型。在壁两种类型。在 K10 的理想立方晶体中除去的理想立方晶体中除去1800和和900壁外，还可能有壁外，还可能有1090和和710壁，实际晶体中，由于不均匀性，情况要复杂得多，壁，实际晶体中，由于不均匀性，情况要复杂得多，但理论上理论上仍常以仍常以1800和和900壁为例进行讨论。壁为例进行讨论。一一.畴壁及畴壁分类畴壁及畴壁分类第二张，PPT共三十二页，创作于2022年6月立方晶系，易磁向立方晶系，易磁向100100 180 180壁壁和和9090壁壁180畴壁畴壁畴畴90壁第三张，PPT共三十二页，创作于2022年6月立方晶系立方晶系,易磁向易磁向111，有180壁，71壁

3、和109壁71109第四张，PPT共三十二页，创作于2022年6月第五张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 畴壁的概念最早是Bloch提出的，Neel 分析了它的结构：在大块在大块晶体中晶体中，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，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，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称作Bloch壁壁。Bloch1800壁

4、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。二二.Bloch壁的结构特性和畴壁能壁的结构特性和畴壁能第六张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 Bloch1800畴壁中原子层电子自旋方向的转变形式：第七张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 为满足没有内部磁极因而没有退磁场这一要求，900畴壁取向应为相邻两畴自发磁化强度夹角的平分面。相邻两畴自发磁化强度夹角的平分面。第八张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 Bloch型90壁中的自旋取向沿锥面旋转，以保持垂直于畴以保持垂直于畴壁平面的分量不变壁平面的分量不变，避免了在畴壁两侧产生退磁能。即：畴壁中的原子

5、磁矩取向始终保持与畴壁法线夹角不变畴壁中的原子磁矩取向始终保持与畴壁法线夹角不变。第九张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 畴壁厚度主要取决于交换能与各向异性能的平衡。畴壁厚度主要取决于交换能与各向异性能的平衡。交换作用能要求相邻原子层间转角越小越好，以致畴壁厚度无限大，然而畴壁中磁化强度对易磁化方向的偏离又带来各向异性能的增加，后者要求畴壁越窄越好，两者的综合考虑决定了畴壁的厚度。畴壁能的讨论一般使用单位面积畴壁能单位面积畴壁能的概念，即单位畴壁面积的能量，它和单位体积能量不同，与畴壁厚度密切相关与畴壁厚度密切相关。畴壁厚度和畴壁能的估算畴壁厚度和畴壁能的估算第十张，PPT共三十二页，

6、创作于2022年6月 设畴壁厚度为N个原子间距 a。假定单层单位单层单位畴壁面积上有1/a2个原子，原子自旋均匀转向，则单位畴壁面积的交换能的面密度为：(A为交换积分)磁晶各向异性能平均密度可以近似表示为：Na 为畴壁厚度，畴壁能密度为求能量极小值的条件得到：1800畴壁厚度和畴壁能估算畴壁厚度和畴壁能估算第十一张，PPT共三十二页，创作于2022年6月带回表达式中，有：畴壁厚度稳定值处畴壁厚度稳定值处交换能和磁晶各向交换能和磁晶各向异性能数值相等。异性能数值相等。以上半定量分析中可以看出：畴畴壁能处于极小值的条件是交换能密壁能处于极小值的条件是交换能密度等于磁晶各向异性能密度。在畴度等于磁晶

7、各向异性能密度。在畴壁各处都应满足此要求，因而磁晶壁各处都应满足此要求，因而磁晶各向异性能小的区域，相邻层电子各向异性能小的区域，相邻层电子自旋的转角小，磁晶各向异性能大自旋的转角小，磁晶各向异性能大的区域，相邻层电子自旋的转角大，的区域，相邻层电子自旋的转角大，显然均匀转角的假定是不对的。显然均匀转角的假定是不对的。第十二张，PPT共三十二页，创作于2022年6月代入铁之数据，估算数值：上面的估算只考虑了磁晶各向异性，如果存在其它各向异性，则上面的估算只考虑了磁晶各向异性，如果存在其它各向异性，则必须也在考虑之内。必须也在考虑之内。显然，估算是过分简单了，但更加严格的计算也只是给出显然，估算

8、是过分简单了，但更加严格的计算也只是给出了相同的量级，所以从简单估算结果中给出的定性分析是正确了相同的量级，所以从简单估算结果中给出的定性分析是正确的。的。参照：如果在垂直于畴壁的方向上有磁荷，则产生的退磁能密度要大得多：第十三张，PPT共三十二页，创作于2022年6月比较严格的采用变分法给出1800Bloch壁计算结果是：六角晶系单轴各向异性六角晶系单轴各向异性：转角曲线，中间快这里：见姜书见姜书P244第十四张，PPT共三十二页，创作于2022年6月立方晶系立方晶系：K10 时，（以上详见姜书p242-250）按照变分理论计算，畴壁厚度不是一个收敛解，当900时，厚度趋于无穷，1800壁不

9、能存在，而要分为相隔无限远的两个900壁，但理论上的这个困难并不是真实的，考虑到磁致伸缩能的影响后，两个分离的90壁必然连成一片，成为一个180壁。第十五张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 从物理学的观点看，畴壁宽度是难以准确表示的，因此常把下式称作畴壁宽度参量（或说单位）.而把 称作畴壁能密度单位 在只考虑磁晶各向异性和交换作用的情况下，畴壁厚度和单位面积畴壁能量可以一般表示为：其中c1,c2 是与晶体结构和磁畴结构有关的常数。900Bloch壁的计算结果如下壁的计算结果如下第十六张，PPT共三十二页，创作于2022年6月摘自摘自B.A.LiLLey,Phil.Mag.,41,792

10、,1950 见宛书见宛书p243该表与姜书p249表47相同，但已经换算为SI单位制Jm-3第十七张，PPT共三十二页，创作于2022年6月附录：Fe 的相关数据之估算各文献所取数值不尽相同。各文献所取数值不尽相同。该值和前面表中数值有别，但量级是相同的该值和前面表中数值有别，但量级是相同的。差别并不大。差别并不大。这是一个下面常用的数值。这是一个下面常用的数值。第十八张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 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 Neel 壁壁的变化形式，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

11、始终平行后者壁内的自旋取向始终平行于薄膜表面转向于薄膜表面转向，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。三三.Neel壁的结构和畴壁能壁的结构和畴壁能第十九张，PPT共三十二页，创作于2022年6月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：第二十张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 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

12、长轴方向的退磁因子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：该表达式和姜书该表达式和姜书p251有区别，但结论有区别，但结论是一致的。是一致的。布洛赫壁布洛赫壁第二十一张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 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壁壁第二十二张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 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

13、变得十分突出，相反，如采用 Neel壁形式退磁能反而会比较低。DD第二十三张，PPT共三十二页，创作于2022年6月Neel 1955 年计算结果Dietze等1961计算结果见姜书见姜书p252第二十四张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 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交叉点即为畴壁由布洛赫型向涅耳型转化的临界厚度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：32510-10m.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

14、实验表明Fe-Ni 合金薄膜的情形如下D20 nm100 nmNeel wallBloch wallcross-tie wall第二十五张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 在薄膜厚度300900 1010m的80FeNi合金中发现了一种十字壁。这是因为出现Neel壁后引发了体磁荷，它的退磁场又影响了原子磁距的取向，因此出现了十字壁以减小Neel壁两侧面上磁荷的影响，使Neel壁又分成许多磁荷正负相间的小段，而小段和小段之间由Bloch壁分开。四四.十字壁十字壁第二十六张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 十字壁也称横结壁（cross-tie wall)，主畴壁是极性相间的Neel

15、壁，两个Neel壁之间是很窄的Bloch壁（线）。第二十七张，PPT共三十二页，创作于2022年6月D210-8m 为Neel 壁，D10-7m 为Bloch壁，中间区域出现十字壁第二十八张，PPT共三十二页，创作于2022年6月 畴壁在运动过程中的能量要比静止时候大，增加的这部分能量与畴壁运动速度的平方成正比，从比例常数中可以引出畴壁有效质畴壁有效质量量的概念。畴壁运动中还会受到各种阻尼作用，产生损耗，也具有一定的劲度，在一定情况下，可以和弹性膜相似，因此在磁场作用下的可以用下面公式描述。五五.畴壁的动态性质畴壁的动态性质第二十九张，PPT共三十二页，创作于2022年6月4.1 试证明磁晶单轴各向异性等效场：并估算出金属Co的磁晶各向异性等效场的数值。4.2 试推出金属铁Fe(bcc)180壁的畴壁厚度和单位面积畴壁能 的近似表达式并估算其数值大小。习题四习题四第三十张，PPT共三十二页，创作于2022年6月第三十一张，PPT共三十二页，创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第三十二张，PPT共三十二页，创作于2022年6月