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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磁场能和磁畴壁能的平衡条件 决定。
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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Ms 2)剩余磁化强度Mr
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。

3)矫顽力Hc
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
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 fengsj@
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
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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？ 每一种材料至少表现 C. 是什么相互作用？ 出其中一种磁性，这 物质磁性的分类 取决于材料的成分和 结构。 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
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8.8 磁性元器件

2 磁光存储

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T>TC时，微区转变 为顺磁区，Ms=0。除去激光后，温度下降到T<TC，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。
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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，M≠0。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。


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
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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。 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”。
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8.4 铁磁交换作用

直接交换相互作用
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8.4 铁磁交换作用

直接交换相互作用
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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
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8.4 铁磁交换作用

直接交换相互作用
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8.4 铁磁交换作用

超交换相互作用Βιβλιοθήκη 148.4 铁磁交换作用

超交换相互作用
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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

图8.31 磁心存储器原理
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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。
它来源于量子力学全同粒子系的特性， 过渡金属和合金 直接交换相互作用 —— 即来源于电子之间的交换，能发生交换 超交换相互作用 绝大多数反铁磁物质和亚铁磁物质都是非导 作用的电子之间需要电子云或轨道有较 电的化合物，阳离子的近邻都是阴离子，因 —— 化合物结构的反铁磁物质和亚铁磁物质 多的交迭。 双交换相互作用 而金属磁性离子的电子壳层之间已不可能存 稀土金属 1934年提出离子晶体中的交换作 RKKY相互作用 ——在着交迭，
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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。
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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Eσ，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。
图8.31 磁心存储器原理
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8.7 磁性材料

3 矩磁材料


要求： ①剩磁比要高，特殊情况下还要求B-1/2/Bm要高； ②矫顽力要小； ③开关系数要小； ④损耗低； ⑤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。
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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）
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8.5 磁畴

4 磁化曲线与磁滞回线

磁化曲线
图8.10 布洛赫壁结构
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8.5 磁畴

3 畴壁的分类

Néel 壁
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 Né el 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。
图8.11奈耳壁结构
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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 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”。
M 位移 M 转动 M 顺磁
磁化过程的磁化机制有三种：①磁畴壁的位移磁化过程， ②磁畴转动磁化过程，③顺磁磁化过程。
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8.5 磁畴

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： ①弱磁场范围内的可逆畴壁位移； ②中等磁场范围内的不可逆畴壁位移； ③较强磁场范围内的可逆磁畴转动； ④强磁场下的不可逆磁畴转动。 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。

以MnO的反铁磁性为例
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。 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。
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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。
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