无机材料磁学性能.pptx

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1、 磁矩磁矩极化强度P磁化强度M（单位体积中的偶极矩或磁偶矩，表征材料被极化或磁化的能力。）也可用环行电流描述磁矩M的定义：M=IS（I：为环形电流，S：封闭环形的面积）第2页/共72页第1页/共72页磁及磁现象的根源是电荷的运动。磁及磁现象的根源是电荷的运动。原子中有原子核和电子，对于电子，无论是轨道运原子中有原子核和电子，对于电子，无论是轨道运动还是自旋运动，都会产生磁矩，原子核也会产生动还是自旋运动，都会产生磁矩，原子核也会产生磁矩，但该磁矩很小，因此磁及磁现象的根源主要磁矩，但该磁矩很小，因此磁及磁现象的根源主要是电子的运动。是电子的运动。电子运动不能完全抵消的原子的原子具有磁矩。电子运

2、动不能完全抵消的原子的原子具有磁矩。第3页/共72页第2页/共72页极化强度极化强度P：P=o eE（e：电极化率）：电极化率）磁化强度磁化强度M=m/V=H (：磁化率：磁化率)如图：有如图：有F=BI，电流外磁场H力F(罗仑兹力）yzx第4页/共72页第3页/共72页真空中有B=0H(o:真空磁导率)(相对应电流密度与外加电场的关系：=1/=J/E)磁性体对外部磁场的反应强度可通过下式表示：对于厘米克秒制单位：B=0H+M=(0+)H=H=0+引入无量刚 r=/0 r=/0=r+1 r、r分别为相对磁化率和相对磁导率。第5页/共72页第4页/共72页磁介质的磁导率顺磁性抗磁性物质（r1）/

3、106物质（1r）/106氧（1大气压）1.9氢0.063铝23铜8.8铂360岩盐12.6铋176第6页/共72页第5页/共72页常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能物质0（起始）居里温度Fe1501043Ni110627Fe3O470858NiFe2O410858Mn0.65Zn0.35Fe2O41500400第7页/共72页第6页/共72页 7.2 磁性磁性铁铁磁磁性性和和铁铁电电性性有有相相似似的的规规律律，但但应应该该强强调调的的是是它它们们的的本本质质差差别别；铁铁电电性性是是由由离离子子位位移移引引起起的的，而而铁铁磁磁性性则则是是由由原原子子取取向向引引起起的的；铁铁电电性性在在非非

4、对对称称的的晶晶体体中中发发生生，而而铁铁磁磁性性发发生生在在次次价价电电子子的的非非平平衡衡自自旋旋中中；铁铁电电体体的的居居里里点点是是由由于于熵熵的的增增加加（晶晶体体相相变变），而而铁铁磁磁体体的的居居里里点点是是原原子子的的无无规规则则振振动动破破坏坏了了原原子子间间的的“交交换换”作作用用，从从而而使使自自发磁化消失引起的。发磁化消失引起的。第8页/共72页第7页/共72页交交换换作作用用：铁铁磁磁性性除除与与电电子子结结构构有有关关外外，还还决决定定于于晶晶体体结结构构。实实践践证证明明，处处于于不不同同原原子子间间的的、未未被被填填满满壳壳层层上上的的电电子子发发生生特特殊殊的

5、的相相互互作作用用。这这种种相相互互作作用称为用称为“交换交换”作用。作用。这这是是因因为为在在晶晶体体内内，参参与与这这种种相相互互作作用用的的电电子子已已不不再再局局限限于于原原来来的的原原子子，而而是是“公公有有化化”了了。原原子子间间好像在交换电子，故称为好像在交换电子，故称为“交换交换”作用。作用。而而由由这这种种“交交换换”作作用用所所产产生生的的“交交换换能能”J与与晶晶格格的的原原子子间间距距有有密密切切关关系系。当当距距离离很很大大时时，J接接近近于于零零。随随着着距距离离的的减减小小，相相互互作作用用有有所所增增加加，J为为正正值值，就就呈呈现现出出铁铁磁磁性性。当当原原子

6、子间间距距a与与未未被被填填满满的的电电子子壳壳层层直直径径D之之比比大大于于3时时，交交换换能能为为正正值值，当当时，交换能为负值，为反铁磁性。时，交换能为负值，为反铁磁性。第9页/共72页第8页/共72页交换能与铁磁性的关系交换能与铁磁性的关系居居里里点点：铁铁磁磁体体的的铁铁磁磁性性只只在在某某一一温温度度以以下下才才表表现现出出来来，超超过过这这一一温温度度，由由于于物物质质内内部部热热骚骚动动破破坏坏电电子子自自旋旋磁磁矩矩的的平平行行取取向向，因因而而自自发发磁磁化化强强度度变变为为0，铁铁磁磁性性消消失失。这这一一温温度度称称为为居居里里点点TC。在在居居里里点点以以上上，材材料

7、料表表现现为为强强顺顺磁磁性性，其其磁磁化化率率与温度的关系服从居里外斯定律，与温度的关系服从居里外斯定律，=C/(T-Tc)式中式中C为居里常数为居里常数第10页/共72页第9页/共72页依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（畴（一般为一般为12微米，每个磁畴可以看作是微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小永

8、磁体具有一定自发磁化强度的小永磁体），这种铁），这种铁磁性称为完全铁磁性（磁性称为完全铁磁性（Fe、Co、Ni）。）。大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。第11页/共72页第10页/共72页反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，在铁电性材料中有反铁电性。向排列，在铁电性材料

9、中有反铁电性。顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。而后者则保留极强的磁性。亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。第12

10、页/共72页第11页/共72页HMFe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及等元素及其合金、金属间化合物。其合金、金属间化合物。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr等等各种铁氧体系材料（各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni氧化物）氧化物）Fe,Co等与重稀土类等与重稀土类金属形成金属间化合物金属形成金属间化合物（TbFe等等)O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的的F中中心心Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等等3d过渡元过渡元素或稀土元素，还有素或稀土元素，还有MnO、MnF2等合金

11、、化合物等等合金、化合物等。第13页/共72页第12页/共72页抗磁性抗磁性：磁矩为零，磁矩为零，在外磁场作用下感生在外磁场作用下感生磁矩，磁化强度为负磁矩，磁化强度为负值。引起的原因主要值。引起的原因主要是原子中电子轨道状是原子中电子轨道状态的变化。周期表中态的变化。周期表中前前8个主要元素表现个主要元素表现为抗磁性。这些元素为抗磁性。这些元素构成了陶瓷材料中几构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子。乎所有的阴离子。（O2-,F-,Cl-N3-OH-等）等）HMCu,Ag,AuC,Si,GeN,P,As,Sb,BiS,Te,SeF,Ci,Br,IHe,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn第14页/共72页

12、第13页/共72页SN永磁体永磁体F强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性）磁性）轻微排斥的物质：反磁性轻微排斥的物质：反磁性强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）按物质对磁场的反应对其进行分类按物质对磁场的反应对其进行分类第15页/共72页第14页/共72页NSN SNSNS完全反磁性完全反磁性铁磁性铁磁性S N 顺磁性B=0H+M=(0+)H=H第16页/共72页第15页/共72页MnO点阵中Mn2+的自旋排列例如：反铁磁性例如：反铁磁性MnO

13、第17页/共72页第16页/共72页在在反反铁铁磁磁体体中中，具具有有反反平平行行磁磁矩矩的的相相邻邻离离子子间间的的交交换换作作用用应应占占优优势势，但但从从图图容容易易看看出出，这这种种离离子子间间的的距距离离比比之之平平行行自自旋旋的的离离子子间间距距要要大大，根根据据前前面面的的讨讨论论，交交换换能能的的大大小小取取决决于于物物质质的的原原（离离）子子间间距距离离，相相距距远远的的交交换换力力小小。怎怎样样克克服服这这个个矛矛盾盾，解解释释这这种种离离子子间间所所具具有有的的较较大大的的交交换换能能呢呢？超超交交换换理理论论或或称称间间接接交交换换理理论论可可以以提提供供适适当当的的解

14、解释释。根根据据此此理理论论，能能够够通通过过邻邻近近阳阳离离子子的的激激发发态态而而完完成成间间接接交交换换作作用用。即即经经中中间间的的激激发发态态氧氧离离子子的的传传递递交交换换作作用用，把把相相距距很很远远无无法法发发生生直直接接交交换换作作用用的的两两个个金金属属离离子子的的自自旋旋系系统统连连接接起起来来。在在激激发发态态下下，O2将将一一个个2p电电子子给给予予相相邻邻的的Mn2+而而成成为为O，Mn2+获获得得这这个个电电子子变成变成Mn+，此时它们的电子自旋排列如图所示。，此时它们的电子自旋排列如图所示。第18页/共72页第17页/共72页 MnO晶体中离子的自旋(a)基态（

15、b）激发态Mn2+(3d5)O2-(2p6)Mn+(3d)6O-(2p5)Mn2+(3d5)O的自旋与左方的自旋与左方Mn+自旋方向相同。当右方的自旋方向相同。当右方的Mn2+的自旋的自旋方向相反时，系统有较低的能量，这是方向相反时，系统有较低的能量，这是Mn2+通过通过O的相互的相互作用出现的情况。激发态的出现，是作用出现的情况。激发态的出现，是O2提供了一个提供了一个2p电子电子导致的，而导致的，而p电子的空间分布是电子的空间分布是型，故型，故MOM间的夹角间的夹角为为180度时，间接交换作用最强，而度时，间接交换作用最强，而=90 时的作用最弱。超时的作用最弱。超交换理论也可以说明铁氧体

16、所具有的亚铁磁性交换理论也可以说明铁氧体所具有的亚铁磁性.第19页/共72页第18页/共72页尖晶石的元晶胞(a)及子晶胞(b)、(c)例如：尖晶石型铁氧体例如：尖晶石型铁氧体M 2+OFe2 3+O3MFe,Ni,Mg或复合铁氧体或复合铁氧体Mg 1-xMnxFe2O4氧四面体为氧四面体为A位，位，八面体为八面体为B位，两位，两价离子都处于价离子都处于A位，位，则为正尖晶石结构；则为正尖晶石结构；二价离子占有二价离子占有B位，位，三价离子占有三价离子占有A位位及余下的及余下的B位，则位，则为反尖晶石。为反尖晶石。第20页/共72页第19页/共72页所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的（所有的亚

17、铁磁性尖晶石几乎都是反型的（Fe 3+(Fe3+M2+)O4这可设想由于较大的两价离子趋于占据较大的八面位这可设想由于较大的两价离子趋于占据较大的八面位置。置。A位离子与反平行态的位离子与反平行态的B位离子之间，借助于电位离子之间，借助于电子自旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即子自旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即 Fea+3Feb+3Mb+2阳阳离离子子出出现现于于反反型型程程度度，取取决决于于热热处处理理条条件件。一一般般来来说说，提提高高正正尖尖晶晶石石的的温温度度会会使使离离子子激激发发至至反反型型位位置置。所所以以在在制制备备类类似似于于CuFe2O4的的铁铁氧氧体体时时，必必须须将将反

18、反型型结构高温淬火才能得到存在于低温的反型结构。结构高温淬火才能得到存在于低温的反型结构。锰锰铁铁氧氧体体约约为为80正正型型尖尖晶晶石石，这这种种离离子子分分布布随随热热处处理变化不大。理变化不大。第21页/共72页第20页/共72页图8.11 石榴石结构的简化模型（只表示了元晶胞的1/8，O2-未标出）例如：稀土石榴例如：稀土石榴石型铁氧体石型铁氧体其通式为其通式为M3cFe2aFe3dO12，式中，式中M为稀土为稀土离子或钇离子，离子或钇离子，都是三价。上标都是三价。上标c，a，d表示该表示该离子所占晶格位离子所占晶格位置的类型。置的类型。a离离子子八八面面体体位位置置，c离离子子占占据

19、据十十二二面面体体位位置置，d离子四面体离子四面体第22页/共72页第21页/共72页每每个个晶晶胞胞包包括括8个个化化学学式式单单元元，共共有有160个个原原子子。a离离子子位位于于体体心心立立方方晶晶格格上上，c离离子子与与d离离子子位位于于立立方方体体的的各各个个面面。每每个个晶晶胞胞有有8个个子子单单元元。每每个个a离离子子占占据据一一个个八八面面体体位位置置，每每个个c离离子子占占据据十十二二面面体体位位置置，每个每个d离子处于一个四面体位置。离子处于一个四面体位置。与与尖尖晶晶石石类类似似，石石榴榴石石的的净净磁磁矩矩起起因因于于反反平平行行自自旋旋的的不不规规则则贡贡献献：a离离

20、子子和和d离离子子的的磁磁矩矩是是反反平平行行排排列列的的，c离离子子和和d离离子子的的磁磁矩矩也也是是反反平平行行排排列列的的。如如果果假设每个假设每个Fe3离子磁矩为离子磁矩为5B，则对，则对M3cFe2aFe3dO12 净净3c（3d2a）3c5B每每个个电电子子自自旋旋磁磁矩矩的的近近似似值值等等于于一一个个波波尔尔磁磁子子B(原原子子磁磁矩矩的的单单位位，是是一一个极小的量，约等于个极小的量，约等于9.27*10-24 A*m2）第23页/共72页第22页/共72页在亚铁磁性的石榴石系中，以钇铁石榴在亚铁磁性的石榴石系中，以钇铁石榴石石Y3Fe5O12（Y3Fe2Fe3O12）为首称

21、）为首称为磁性石榴石的一系列改进型物质，作为磁性石榴石的一系列改进型物质，作为高密度记录介质，在磁记录（磁泡材为高密度记录介质，在磁记录（磁泡材料）、光磁记录（光磁克尔效应材料）、料）、光磁记录（光磁克尔效应材料）、光通讯（单向波导，法拉第效应材料）光通讯（单向波导，法拉第效应材料）等领域，正成为较为活跃的研究对象。等领域，正成为较为活跃的研究对象。第24页/共72页第23页/共72页 磁学与电学各基本参量的类似性磁学与电学各基本参量的类似性磁学参量（磁路）磁学参量（磁路）名称名称单位单位名称名称单位单位磁通量磁通量 Wb电流强度电流强度IA磁通密度磁通密度BWb/m2电流密度电流密度JA/m

22、2磁场强度磁场强度HA/m电场强度电场强度EV/m磁导率磁导率 H/m电导率电导率 磁阻磁阻Rm电阻电阻R 磁势磁势VmA电动势电动势VV第25页/共72页第24页/共72页3d壳层的电子结构壳层的电子结构元元素素原子序原子序数数21222324252627282930元素名元素名ScTiVCrMnFeCoNiCuZn磁性磁性顺顺顺顺顺顺反反反反铁铁铁铁铁铁反反反反电电子子的的壳壳层层结结构构壳层结壳层结构构3d4s23d24s23d34s23d54s13d24s23d64s23d74s23d84s23d104s13d104s23d电子电子数及自数及自旋排布旋排布4s壳层壳层电子数电子数222

23、1222212第26页/共72页第25页/共72页磁滞回线磁滞回线(B-H或或M-H)与电滞回线（与电滞回线（P-E)铁铁电电电电滞滞回回线线（PS为为自自发发极极化化强强度度，EC为为矫矫顽顽力）力）磁滞回线磁滞回线第27页/共72页第26页/共72页饱和磁化强度或最大磁感应强度或饱和磁通密度饱和磁化强度或最大磁感应强度或饱和磁通密度饱和饱和极化强度极化强度矫顽力矫顽力矫顽力矫顽力剩余磁化强度或剩余磁通密度剩余磁化强度或剩余磁通密度剩余极化强度剩余极化强度磁畴（由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化磁畴（由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化而形成）而形成）电畴电畴磁畴壁磁畴壁电

24、畴壁电畴壁自发磁化自发磁化自发极化自发极化矩形比：剩余磁化强度矩形比：剩余磁化强度/饱和磁化强度或饱和磁化强度或B(H1/2)/饱和磁饱和磁化强度化强度.第28页/共72页第27页/共72页AABB 电畴结构电畴结构 闭合磁畴闭合磁畴第29页/共72页第28页/共72页由由磁磁畴畴扩扩大大（b）及及磁磁化化矢矢量量（c）引引起起的的磁磁化过程，（化过程，（a）是退磁状态下的磁畴分布）是退磁状态下的磁畴分布（在下方的磁化曲线标明了对应的阶段）（在下方的磁化曲线标明了对应的阶段）（a）（b）（c）HH可逆壁移可逆壁移不不可可逆逆壁壁移移转向磁化转向磁化abcOHs HBs磁畴壁完全消失第30页/共

25、72页第29页/共72页磁学各向异性例如：在某一宏观方向生长的单畴粒子，且其自发磁化强度被约束在该方向内，当在该方向上施加磁场时，会显示直角型的磁滞回线，而在与此垂直方向上施加磁场，则磁滞回线缩成线性，一般来说，软磁材料各向异性越小越好，而硬磁材料则根据具体应用多采用各向异性大的材料。（磁各向异性：磁化方向不同，内部能量会发生变化）第31页/共72页第30页/共72页磁泡结构磁泡结构通过分子束外延法在基板上生长膜，容易诱发垂直磁各向通过分子束外延法在基板上生长膜，容易诱发垂直磁各向异性（可能是由于稀土金属离子容易加入到特定的晶格格异性（可能是由于稀土金属离子容易加入到特定的晶格格点位置，使外延

26、生长时，产生特定的晶体学取向所致。点位置，使外延生长时，产生特定的晶体学取向所致。如在（如在（111）基板上通过液相外延法生长石榴石膜，造成垂）基板上通过液相外延法生长石榴石膜，造成垂直膜面的方向为易磁化轴。形成带状的磁畴结构。这种结直膜面的方向为易磁化轴。形成带状的磁畴结构。这种结构随外磁场的作用的加强，逐渐增加，磁化方向向下的带构随外磁场的作用的加强，逐渐增加，磁化方向向下的带状磁畴逐渐减少，在某一偏置磁场强度之下，形成圆柱形状磁畴逐渐减少，在某一偏置磁场强度之下，形成圆柱形孤立的磁畴。一般称这种磁畴为磁泡，当磁场进一步加大，孤立的磁畴。一般称这种磁畴为磁泡，当磁场进一步加大，则磁泡会消失

27、。则磁泡会消失。目前可以得到直径为目前可以得到直径为23微米的磁泡，从而有可能用于高微米的磁泡，从而有可能用于高密度信息记录，而且有希望用于计算机的高速存储器。密度信息记录，而且有希望用于计算机的高速存储器。第32页/共72页第31页/共72页无磁场作用无磁场作用 磁场作用磁场作用第33页/共72页第32页/共72页在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物质的各种磁性能；在工艺上要充分保证并提高质的各种磁性能；在工艺上要充分保证并提高磁性能；在应用上应充分发挥铁磁性材料的潜磁性能；在应用上应充分发挥铁磁性材料的潜力。铁磁性材料的几个重要的基本特性如下：力

28、。铁磁性材料的几个重要的基本特性如下：（1）完全由物质本身（成分组成比）决定的特）完全由物质本身（成分组成比）决定的特性性饱和磁化强度、饱和磁感应强度饱和磁化强度、饱和磁感应强度（2）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的特征特征磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为高的矫顽力）、矩形比高的矫顽力）、矩形比第34页/共72页第33页/共72页铁磁性材料：铁磁性材料：软磁（高磁导率材料）、软磁（高磁导率材料）、硬磁（剩磁大，高矫玩力材料，永磁体材料）硬磁（剩磁大，高矫玩力材料，永磁体材料）、矩磁（磁滞回线近乎于矩形）矩

29、磁（磁滞回线近乎于矩形）第35页/共72页第34页/共72页高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强度高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强度就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。（1）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能效率效率（2）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在于省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场的反转。于省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场的反转。（3）矫顽力要小，目的在于提高高频效率。）矫顽力要小，目的在于提

30、高高频效率。（4）铁损要低，提高功能效率）铁损要低，提高功能效率（5）电阻率要高，提高高频性能，减小涡流损失）电阻率要高，提高高频性能，减小涡流损失（6）磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声）磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声（7）作为基本特性的磁各向异性系数要低（无论在哪个）作为基本特性的磁各向异性系数要低（无论在哪个结晶方向都可以磁化）结晶方向都可以磁化）第36页/共72页第35页/共72页非晶态材料特征（1）从原子排布结构看，为长程无序，短程有序；（2）不存在位错及晶粒边界；（3）加热具有结晶化倾向；（4）电阻率比晶态高；（5）机械强度高，硬度大（6）受放射性物质辐照，性能劣化不明显（7）

31、作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。由于电阻率高，涡流损耗小。非晶态磁性具有优良的综合软磁性材料特性。第37页/共72页第36页/共72页采用容易非晶化的物质采用容易非晶化的物质3d过渡金属过渡金属-非金属系：非金属系：Fe Co Ni B C Si P (Co-Fe-B-Si)3d-金属系金属系 ：Fe Co Ni Ti Zr Nb Ta(Co-Nb-Zr)过渡金属过渡金属-稀土类金属系：稀土类金属系：Gd,Tb,Dy,Nd（GdTbFe,TbFeCo）缺点：热稳定性差，大量生产存在一定困难，缺点：热稳定性差，大量生产存在一定困难，第38页/共72页第37页/共72页 7.3 磁性材料的物理效

32、应磁性材料的物理效应物质的物理性质随外界因素，例如磁场、电场、物质的物理性质随外界因素，例如磁场、电场、光及热等的变化而发生变化的现象为物理效应。光及热等的变化而发生变化的现象为物理效应。1.磁光效应：透明的铁磁性材料中的光透射、光磁光效应：透明的铁磁性材料中的光透射、光反射时，光与自发磁化相互作用，会发生特异的反射时，光与自发磁化相互作用，会发生特异的光学现象，称此为磁光效应。光学现象，称此为磁光效应。光属于电磁波，为横波，电场和磁场分别在各自光属于电磁波，为横波，电场和磁场分别在各自的固定面上振动，称此面为偏光面。的固定面上振动，称此面为偏光面。第39页/共72页第38页/共72页磁光效应

33、包括：磁光效应包括：（1）塞曼效应）塞曼效应对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象为塞曼效应。对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象为塞曼效应。从应用的角度来看，还属于有待开发的领域。从应用的角度来看，还属于有待开发的领域。（2）法拉第效应）法拉第效应光和原子磁矩相互作用而产生的现象。光和原子磁矩相互作用而产生的现象。当当Y3Fe5O12一些透明物质透过直线偏光时，若同时施一些透明物质透过直线偏光时，若同时施加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角度射出，该现象为法拉第效应。定的角度射出，该现象为法拉第效应。若施加与入射光垂直的磁场

34、，入射光将分裂为沿原方向若施加与入射光垂直的磁场，入射光将分裂为沿原方向的正常光束和偏离原方向的异常光束，为科顿的正常光束和偏离原方向的异常光束，为科顿莫顿莫顿效应。效应。第40页/共72页第39页/共72页法拉第效应法拉第效应偏振光偏振光发生旋转发生旋转的偏振光的偏振光磁场磁场H入射光入射光透射光透射光入射光入射光磁场磁场H正常光线正常光线异常光线异常光线科顿科顿莫顿效应。莫顿效应。第41页/共72页第40页/共72页（3）克尔效应）克尔效应当光入射到被磁化的物质，或入射到外磁当光入射到被磁化的物质，或入射到外磁场作用下的物质表面时，其发射光的偏振场作用下的物质表面时，其发射光的偏振面发生旋

35、转的现象。面发生旋转的现象。第42页/共72页第41页/共72页记录位记录位 非记录位非记录位 记录位记录位光盘利用磁克尔效应进行光磁记录的原理光盘利用磁克尔效应进行光磁记录的原理直线直线偏振偏振光光记录层记录层磁化磁化反平行磁化反平行磁化 这种为非接触式、大容量记录介质这种为非接触式、大容量记录介质第43页/共72页第42页/共72页非晶态磁光记录介质的优点是：不存在晶界等非晶态磁光记录介质的优点是：不存在晶界等相对于磁畴的障碍物，不产生反转磁畴的变形相对于磁畴的障碍物，不产生反转磁畴的变形等。多晶体的等。多晶体的MnBi的克尔旋转角大，是很有吸的克尔旋转角大，是很有吸引力的材料，但由于多晶

36、体再生时，造成较大引力的材料，但由于多晶体再生时，造成较大的噪音，作为第一代光磁记录介质未被采用，的噪音，作为第一代光磁记录介质未被采用，最近又重新引起人们的兴趣。最近又重新引起人们的兴趣。为了保存大量信息，需要高密度、高速度、高为了保存大量信息，需要高密度、高速度、高效率、低价格的记录与存储。因此目前效率、低价格的记录与存储。因此目前磁光盘磁光盘正与磁记录、相变型可重写光盘正与磁记录、相变型可重写光盘处于激烈的竞处于激烈的竞争中。于是人们正在开发进行磁光盘用新型记争中。于是人们正在开发进行磁光盘用新型记录介质的开发（例如：金属超晶格多层膜、磁录介质的开发（例如：金属超晶格多层膜、磁性石榴石等

37、）性石榴石等）第44页/共72页第43页/共72页2.电流磁气效应电流磁气效应物质中流过电流的同时，施加磁场时所显示出物质中流过电流的同时，施加磁场时所显示出的物理现象。这种效应表现为电动势的物理现象。这种效应表现为电动势E的变化。的变化。一般说来，该电动势表现为下述一般说来，该电动势表现为下述3项之和：项之和：与磁场与磁场H无关系的项：为电阻无关系的项：为电阻R所产生的电动所产生的电动势，符合欧姆定律（势，符合欧姆定律（E0=RI)。霍尔电动势项：一般情况下，与磁场强度成正霍尔电动势项：一般情况下，与磁场强度成正比，称为霍尔效应比，称为霍尔效应(与与I H成正比成正比)。磁致电阻电动势项：与

38、磁致电阻电动势项：与H(IH)成正比，称为磁成正比，称为磁致电阻效应致电阻效应.第45页/共72页第44页/共72页霍尔效应：在于电流垂直的方向施加磁场，则在垂直于霍尔效应：在于电流垂直的方向施加磁场，则在垂直于电流轴和磁场轴所组成的平面的方向上产生电位差。这电流轴和磁场轴所组成的平面的方向上产生电位差。这种电位差为霍尔电压。霍尔元件（磁传感器），种电位差为霍尔电压。霍尔元件（磁传感器），InSb,GaAs半导体元件已实用化。半导体元件已实用化。磁致电阻效应：施加磁场使物质电阻发生变化的现象称磁致电阻效应：施加磁场使物质电阻发生变化的现象称为磁致电阻效应。包含两项：与磁场强度为磁致电阻效应。包

39、含两项：与磁场强度H有关（正常有关（正常磁致电阻效应）和与磁化强度相关（异常磁致电阻效应）磁致电阻效应）和与磁化强度相关（异常磁致电阻效应），其中第二项贡献最大。，其中第二项贡献最大。各向异性磁致电阻效应：电阻率变化与磁化方向相关。各向异性磁致电阻效应：电阻率变化与磁化方向相关。高灵敏度读取用的高灵敏度读取用的MR磁头，就是利用这种效应。磁头，就是利用这种效应。利用该效应的材料有：巨磁致电阻效应材料、超巨磁致利用该效应的材料有：巨磁致电阻效应材料、超巨磁致电阻效应材料。电阻效应材料。第46页/共72页第45页/共72页Ettinghausen效应：沿着霍尔电压方向产生温度效应：沿着霍尔电压方向

40、产生温度梯度的现象。梯度的现象。Nerst效应：在与电流垂直方向施加磁场，沿电流效应：在与电流垂直方向施加磁场，沿电流方向产生温度梯度的现象。方向产生温度梯度的现象。磁各向异性：一般情况下，在铁磁体中存在着取磁各向异性：一般情况下，在铁磁体中存在着取决于自发磁化方向的自由能，自发磁化向着该能决于自发磁化方向的自由能，自发磁化向着该能量取最小值的方向是最稳定的。而要向其他方向量取最小值的方向是最稳定的。而要向其他方向旋转，能量会增加。旋转，能量会增加。磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：（利用这一效应可以使磁能转变为机械能，而逆（利用这一效应可以使磁能转变为机械能，而逆效应可以使机械能转变为磁能。可以制

41、作能量转效应可以使机械能转变为磁能。可以制作能量转换器件，电气音响转换器件。换器件，电气音响转换器件。第47页/共72页第46页/共72页7.4 磁光效应材料与记录原理磁光效应材料与记录原理磁盘由在圆盘状基表面附着磁记录介质磁盘由在圆盘状基表面附着磁记录介质层构成。层构成。由于其高存储容量、随机存取容易、迅由于其高存储容量、随机存取容易、迅速等优点，已成为数字式记录、存储媒速等优点，已成为数字式记录、存储媒体的主要形式。体的主要形式。记录密度与激光波长的关系：记录密度与激光波长的关系：激光光斑直径与波长的关系：激光光斑直径与波长的关系：D约与波长成正比。约与波长成正比。第48页/共72页第47

42、页/共72页各种磁盘的结构示意图各种磁盘的结构示意图基板基板铝合金铝合金（Mg_Al)（1-2mm)磁性层（磁性粉、磁性层（磁性粉、粘结剂、添加剂）粘结剂、添加剂）润滑剂润滑剂硬盘硬盘碳保护膜碳保护膜磁性膜磁性膜（CoCr(Ta)）基板基板铝合金铝合金Ti电镀电镀NiFe膜膜垂直磁性膜硬盘垂直磁性膜硬盘通常采用各种溅射法，一般通常采用各种溅射法，一般情况下还夹有一层情况下还夹有一层Cr基地基地层层第49页/共72页第48页/共72页基板基板铝合金铝合金SiO2保护膜保护膜电镀磁性层电镀磁性层(CoNiP)NiP电镀磁性膜硬盘电镀磁性膜硬盘基板基板(如如PET)基板基板(可挠性）可挠性）(如如P

43、ET)基板基板(如如PET)磁性层（磁性粉、磁性层（磁性粉、粘结剂、添加剂）粘结剂、添加剂）软盘（涂软盘（涂布型软盘）布型软盘）磁性层磁性层(CoNi(O)磁性层磁性层(CoNi(O)Ti膜膜倾斜蒸镀可挠性软倾斜蒸镀可挠性软盘（薄膜性磁盘）盘（薄膜性磁盘）准二层膜垂直记录可挠准二层膜垂直记录可挠性软盘（薄膜性磁盘）性软盘（薄膜性磁盘）第50页/共72页第49页/共72页磁记录介质：涂布型磁记录介质：涂布型薄膜型薄膜型垂垂直记录型顺序发展。直记录型顺序发展。采用电镀、蒸镀、溅射等方法。采用电镀、蒸镀、溅射等方法。磁性材料需要有大的磁各向异性微结构，磁性材料需要有大的磁各向异性微结构，需要需要Co

44、合金膜沿特定方位生长，为此需合金膜沿特定方位生长，为此需要要Cr打底层。打底层。第51页/共72页第50页/共72页磁光效应材料磁光效应材料光盘光盘磁光盘以光热磁原理进行记录、再生、属于可擦除重写型磁光盘以光热磁原理进行记录、再生、属于可擦除重写型光存储器，即可通过光热磁，将不必要的信息擦除，并改光存储器，即可通过光热磁，将不必要的信息擦除，并改写为必要的信息，目前所用的材料主要为锝写为必要的信息，目前所用的材料主要为锝(Tb)、铁、钴、铁、钴等构成的非晶态合金膜。（向多层膜方向发展）等构成的非晶态合金膜。（向多层膜方向发展）光磁记录具有下述特征：光磁记录具有下述特征：（1）记录密度高（）记录

45、密度高（107-1010bit/cm2)（2）可擦除重写）可擦除重写（3）非接触式，从而可靠性高）非接触式，从而可靠性高（4）随机寸取）随机寸取（5）光盘可自动装卸；）光盘可自动装卸；（6）可用于多道记录及全息照相存储）可用于多道记录及全息照相存储第52页/共72页第51页/共72页光磁记录的原理光磁记录的原理磁光效应是基于光与物质的磁化（或磁场）相磁光效应是基于光与物质的磁化（或磁场）相互作用，而使光学参数发生变化的现象。互作用，而使光学参数发生变化的现象。第53页/共72页第52页/共72页光盘光盘记录膜记录膜气体激光器气体激光器半导体激光器半导体激光器光调制器光调制器透镜透镜光束分离器光

46、束分离器光检出器光检出器随机反射镜随机反射镜聚焦透镜聚焦透镜记录时，利用激光的高记录时，利用激光的高能量，再生（读取）时，能量，再生（读取）时，利用激光反射信号的检利用激光反射信号的检出（克尔效应）出（克尔效应）第54页/共72页第53页/共72页记录与再生的原理：记录介质采用较大的矫记录与再生的原理：记录介质采用较大的矫玩力玩力垂直磁化膜垂直磁化膜垂直磁化膜垂直磁化膜记录位记录位bit记录或写入方式有：记录或写入方式有：居里温度写入和补偿居里温度写入和补偿温度写入。温度写入。弱磁场：使记录弱磁场：使记录位磁化反转位磁化反转第55页/共72页第54页/共72页读出或再生原理：利用克尔效应读出或

47、再生原理：利用克尔效应或法拉第效应读出。读出时激光或法拉第效应读出。读出时激光不能使记录介质过热，其加热功不能使记录介质过热，其加热功率要比记录时的功率低。率要比记录时的功率低。第56页/共72页第55页/共72页光电二极管光电二极管第57页/共72页第56页/共72页 光盘的剖面图光盘的剖面图第58页/共72页第57页/共72页光磁记录介质应具备的特性：光磁记录介质应具备的特性：（1）满足垂直磁化的的条件）满足垂直磁化的的条件（2）作为能稳定的保持微小磁畴结构的条件）作为能稳定的保持微小磁畴结构的条件（3）再生灵敏度高）再生灵敏度高（4）记录灵敏度高）记录灵敏度高（5）低噪音）低噪音（6）化

48、学、结构等稳定）化学、结构等稳定（7）便于大面积均质成膜）便于大面积均质成膜第59页/共72页第58页/共72页居里温度写入：磁性膜中需要记录的部分居里温度写入：磁性膜中需要记录的部分被激光照射加热，温度上升到被激光照射加热，温度上升到Tc以上，该以上，该部分变为非磁性，在其冷却过程中，受其部分变为非磁性，在其冷却过程中，受其周围基体反磁场作用，会发生磁化反转。周围基体反磁场作用，会发生磁化反转。如果通过线圈或永磁体外加磁场，则可实如果通过线圈或永磁体外加磁场，则可实现磁化的完全反转。现磁化的完全反转。补偿温度写入：铁磁体垂直磁化膜的磁补补偿温度写入：铁磁体垂直磁化膜的磁补偿温度应在室温附近。

49、当这种铁磁体被激偿温度应在室温附近。当这种铁磁体被激光加热到较高温度，该温度下对应的矫玩光加热到较高温度，该温度下对应的矫玩力比室温时的矫玩力要低的多，这样，在力比室温时的矫玩力要低的多，这样，在较弱的外磁场下即可容易地实现磁化反转。较弱的外磁场下即可容易地实现磁化反转。第60页/共72页第59页/共72页TbFeCo磁光材料具有下列优势：磁光材料具有下列优势：（1）在近红外能长期使用）在近红外能长期使用（2）可容易垂直磁化）可容易垂直磁化（3）非晶态结构，可避免晶界等造成的）非晶态结构，可避免晶界等造成的再生噪音再生噪音（4）居里温度）居里温度200度，与半导体激光功度，与半导体激光功率可良

50、好的对应。率可良好的对应。第61页/共72页第60页/共72页采用多层膜用以提高旋转角采用多层膜用以提高旋转角基板基板保护层保护层 SiO,ZnS记录层记录层Tb-Fe-Co第62页/共72页第61页/共72页玻璃成分玻璃成分B2O3BaO+BaO,Fe2O3（Ba铁氧体成分）铁氧体成分）+CoO,TiO2（矫玩力调整）（矫玩力调整）熔融急冷凝熔融急冷凝固固Ba铁氧体薄片铁氧体薄片结晶化结晶化Ba铁氧体磁性粉铁氧体磁性粉第63页/共72页第62页/共72页下一代光磁记录材料下一代光磁记录材料为提高高记录密度，采用短波长光，为提高高记录密度，采用短波长光，重点集中在在短波长区具有较大克尔重点集中