（凝聚态物理专业论文）磁性纳米线磁特性的微磁学研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 磁性纳米线的微磁结构和反磁化机制是一个重要的科学问题，同 时，磁性纳米线阵列也是未来超高密度垂直磁记录介质的理想选择。 本文基于微磁学理论对磁性纳米线的磁特性进行了如下研究： ( 1 ) 通过微磁学模拟的手段对长径比均为1 0 不同直径纳米线的 反磁化机制进行了系统的研究，发现纳米线的反磁化机制强烈地依赖 于纳米线的直径，直径很小时反转模式为一致反转，随着直径增大反 转模式过渡为两种不同类型磁化核( 一致截面的磁化核或涡旋截面的 磁化核) 的形成与传播，更大直径纳米线的反转过程通过多畴涡旋中 心的移动来实现，涡旋中心的移动满足右手定则。得到了各种反磁化 机制过渡的临界尺寸。计算了不同直径纳米线的矫顽力，从反磁化机 制的角度解释了矫顽力随直径的变化关系。 ( 2 ) 模拟研究了各种缺陷、杂质以及纳米线间静磁耦合相互作用 对纳米线反磁化机制和矫顽力的影响，进一步解释了实验值与理论值 存在差别的原因。 ( 3 ) 模拟了长径比均为1 0 不同直径纳米线的矫顽力随角度( 外 场与纳米线长轴之间的夹角) 的变化关系h e ( 0 ) 。发现h e ( 0 ) 随着纳米 线直径的变化而变化。纳米线直径小于临界直径时，矫顽力随着角度 的增大而减小；直径大于临界直径时，矫顽力在中间角度出现峰值； 随着直径增大，矫顽力出现峰值的角度越来越大，小角度的局域极大 现象越来越弱。从反转机制的角度对这种现象进行了解释，得到了各 种反磁化机制对应的h c ( 0 ) 。 ( 4 ) 对不同尺寸下多层纳米线的微磁结构进行了模拟研究，发现 多层纳米线存在三种可能的微磁结构，给出了铁磁层的厚径比小于1 ( t d 1 ) 时不同直径多层纳米线微磁结构的分布规律。多层纳米 线的微磁结构会随着非磁层厚度的变化而变化。 关键词纳米线，微磁学，反磁化机制，矫顽力，角度 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o m a g n e t i cd i s t r i b u t i o na n dm a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lm e c h a n i s m i nn a n o w i r e si sa ni m p o r t a n ts c i e n t i f i cp r o b l e m ，a n dm a g n e t i cn a n o w i r e a r r a yc a nb eu s e da si d e a lp e r p e n d i c u l a rr e c o r d i n gm e d i a i nf u t u r e i nt h i s t h e s i s ，b a s e do nt h em i c r o m a g n e t i ct h e o r ym a g n e t i cp r o p e r t i e s o f n a n o w i r e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lm e c h a n i s mo fm a g n e t i cn a n o w i r e s w i t ld i f f e r e n td i a m e t e ra n ds a m ea s p e c tr a t i o1 0w e r es t u d i e db y m i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a g n e t i z a t i o n r e v e r s a lm e c h a n i s ms i g n i f i c a n t l yd e p e n d so nt h en a n o w i r ed i a m e t e r f o r t h es m a l l e s tw i r e ，t h er e v e r s a lo c c u r sb yc o h e r e n tr o t a t i o n ；w i t ht h e i n c r e a s eo fd i a m e t e r ，m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lt a k e sp l a c ev i ad i f f e r e n t n u c l e a t i o n ( t h et r a n s v e r s ed o m a i nw a l lo rt h ev o r t e xd o m a i nw a l l ) a n d s u b s e q u e n tp r o p a g a t i o n ；f o rt h el a r g e rn a n o w i r e ，m u l t i d o m a i nw o u l d f o r mw i t h i nt h ew i r e ，t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a li sd e t e r m i n e db yt h e m o t i o no fv o r t e x sw h i c hc o n f o r r f lt ot h er i g h th a n dr u l e t h ec r i t i c a l d i a m e t e r so fd i f f e r e n tr e v e r s a lm e c h a n i s ma r eo b t a i n e d t h ec o e r c i v i t i e s o fn a n o w i r e sa r ec a l c u l a t e d ，t h e s i z e d e p e n d e n c e o fc o e r c i v i t yi s i n t e r p r e t e di nt e r m so f r e v e r s a lm e c h a n i s m 。 ( 2 ) t h ec h a n g eo ft h er e v e r s a l m e c h a n i s ma n dc o e r c i v i t yi n n a n o w i r e sa r o s ef r o mv a r i o u sd e f e c t sa n dm a g n e t o s t a t i cc o u p l i n ga m o n g n a n o w i r e sh a v eb e e ns i m u l a t e d d i f f e r e n c eb e t w e e ns i m u l a t e dd a t aa n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si se x p l a i n e df u r t h e r ( 3 ) a u g u l a rd e p e n d e n c e o ft h e c o e r c i v i t yh c ( o ) i nm a g n e t i c n a n o w i r e sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e ra n ds a m ea s p e c tr a t i o10w e r e i n v e s t i g a t e db ym i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n ( w h e r e 0i sd e f i n e da st h e i i 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a n g l eb e t w e e nt h ef i e l dd i r e c t i o na n dw i r el e n g t h ) t h er e s u l t ss h o w t h a t h c ( o ) s i g n i f i c a n t l yd e p e n d so nt h en a n o w i r ed i a m e t e r ，f o rt h ew i r e d i a m e t e rs m a l l e rt h a nt h et h r e s h o l dd i a m e t e r ，t h ec o e r c i v i t yd e c r e a s e sa s t h ea n g l ei n c r e a s e s ；f o rt h ew i r ed i a m e t e rl a r g e rt h a nt h et h r e s h o l d d i a m e t e r ；t h ec o e r c i v i t yh a sap e e ka tm i d d l ea n g l e ，a n dt h ev a l u eo f a n g l e i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i a m e t e r t h el o c a lm a x i m u m p h e n o m e n o ni ns m a l la n g l ef o rt h ec o e r c i v i t yw e a k e n sa st h ed i a m e t e r i n c r e a s e s t h ea b o v er e s u l t sc a nb ei n t e r p r e t e di nt e r m so fm a g n e t i z a t i o n r e v e r s a lm e c h a n i s m t h ec o r r e s p o n d i n gh c ( o ) o fd i f f e r e n tm a g n e t i z a t i o n r e v e r s a lm e c h a n i s ma r eg i v e n ( 4 ) m i c r o m a g n e t i c d i s t r i b u t i o no fm u l t i l a y e rn a n o w i r e sw i t h d i f f e r e n ts i z ew e r ei n v e s t i g a t e db ym i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n t h e r ea r e t h r e ep o s s i b l em i c r o m a g n e t i cs t a t e si nm u l t i l a y e rn a n o w i r e s am a po f m i c r o m a g n e t i cs t a t ef o rd i f f e r e n td i a m e t e rm u l t i i a y e rn a n o w i r e sa r e g i v e nw h e nt h ea s p e c tr a t i o o ff e r r o m a g n e t i c l a y e ri s s m a l l e rt h a n lfl ds1 ) t h em i c r o m a g n e t i cs t a t eo f m u l t i l a y e rn a n o w i r ec h a n g e sw i t h c h a n g i n gn o n m a g n e t i cl a y e rt h i c k n e s s k e yw o r d s n a n o w i r e ，m i c r o m a g n e t i c ，m a g n e t i z a t i o n r e v e r s a l m e c h a n i s m ，c o e r c i v i t y ，a n g l e i l l 中南大学硕士学位论文 引言 引言 纳米线是物质在纳米尺度上的一种特殊结构，它在空间有两维处于纳米尺 度，现有的纳米线种类很多，主要有金属纳米线和半导体纳米线。其中磁性纳 米线作为纳米材料的成员之因其优异的磁学性能而引起凝聚态物理界和材料 界科学家们的广泛关注【l 羽。 众所周知，磁记录材料是信息的土要载体，随着记录密度的不断提高，每一 个记录位所对应的磁介质体积不断缩小，当磁记录介质中的晶粒尺寸小到一定程 度时，将会出现热稳定性问题，这时，热效应可能引起记录位的自退磁，使记录 位变得不稳定，从而导致记录信息失效，也就是超顺磁现象。与传统的纵向记录 技术相比，垂直磁记录技术在克服这些问题方面具有明显的优势1 6 - 8 1 。据业内专 家的最新预测，对单纯的磁记录而言，纵向记录的密度上限可能在2 5 0 5 0 0 g b i n 2 ，而垂直磁记录由于其本身固有的高密度记录特性，其面记录密度 的极限预计可达到1 t b i n 2 以上【9 】。垂直磁记录技术要求存储单元的易磁化方向 和磁矩排列垂直于磁盘表面，同时还要求存储单元具有高剩磁比、高矫顽力和足 够小的尺寸【l o i ”。人们在自组装的多孔阳极氧化铝模板或聚合物膜板中沉积磁 性纳米线，形成纳米线有序阵列复合结构，并发现该结构具有很高的形状各向 异性，有望成为一种很有发展前景的高密度垂直磁记录介质。近年来，这方面的 应用基础研究已引起了人们的浓厚兴趣。许多文献报道了利用膜板法制各金属纳 米线阵列，解释了优先取向的磁化强度矢量方向为垂直膜表面的方向，从而增强 了矫顽力，提高了剩余磁化强度，使得这种材料可开发为高密度垂直磁记录材料 1 1 2 - 1 5 1 。我国高校和科研院所也对此进行了广泛的研究【1 6 - 2 0 l 。 多层纳米线足在纳米线的基础上发展起来的，是在纳米线长轴方向上具有周 期多层结构的纳米线。1 9 8 8 年，法国巴黎大学的f e r t 教授的科研组首先在f e c r 多层膜中发现巨磁阻效应【2 l l ，它是指在一定的磁场下电阻急剧减小的现象， 简称g m r 。到了2 0 世纪9 0 年代，人们又制备出多层纳米线，一维多层纳米 线由于其独特的结构特点，特别适用于研究电流垂直于膜面的巨磁电阻( c p p - g m r ) ，具有更大的巨磁阻效应 2 2 1 。巨磁阻材料在高密度读出磁头、超高磁储 存元件、微传感器、微发动机等方面具有广泛的应用6 茸景。因此，多层纳米线成 为当前人们研究的热点。多层纳米线阵列高度有序，也是理想的超高密度垂直磁 记录介质。 作为磁记录介质我们必须清楚的了解纳米线在外场作用下磁化状态的运动 变化过程，目前实验和理论上都对纳米线的反磁化机制进行了很多研究，但结论 中南大学硕十学付论文 引等 并不一致。w w e m s d o f f e r 等人借助超导量f 干涉仪( s q u i d ) 研究和测量了单根 n i 纳米线的反磁化机制，研究发现当纳米线直径大f 交换长度的两侣时，反转模 式足磁化核的形成与传播1 2 ”。g c h a n 等人的研究征明存在一致反转和涡旋式 反转1 2 4 1 。p m p a u l u s 等人测量了不同直径的f e 、n i 纳米线的矫顽力，并f 理论 值进行了比较，认为直径小于l 临界直径时存在成核机制，直径大f 临界直径时服 从涡旋式反转【2 5 l 。这些结论中有互相矛盾之处。对于不同的反磁化机制，矫顽力 随着角度( 外场与纳米线长轴之间的夹角) 的变化关系h e ( 0 ) 是不同的，研究 h c ( 0 ) 可以为了解反转机制提供信息，但人们对h e ( 0 ) 的研究也出现了很多不同 的结论 2 6 2 7 。 实验中对反磁化机制的研究大多足将测量结果与理论值相比较，或通过测奄 磁矩的信号来推测、研究反磁化机制，很难直接清楚地观察到纳米线的动态反转 过程。随着计算机计算能力的迅速发展，在计算机上模拟相关过程已成为现实并 且显示了相当的成效，微磁学理论则是这种模拟的理论基础和核心所在。微磁学 理论是一个连续介质近似模型，它以连续变化的磁化强度矢量描述磁畴磁矩的变 化。近十年来微磁学模拟越束越成为研究磁性材料的非常藿要也足卜分必要的技 术，通过微磁学模拟能揭示磁性材料内部的磁矩分布，畴肇的演化情况，比如它 的形成、传播、收缩和移动等，从而反映出成核和磁反转的机理，f d 时得到材科 的宏观磁性质和相关物理馒。通过微磁学模拟可以使得我们在介观尺度上了解材 料的磁性，在微观磁性与宏观磁性之问建立起重要的联系。微磁学模拟丌辟出了 一个极富挑战性的研究方向，人们把许多算法应用到了计算微磁学中，比如有限 差分方法【2 8 1 和有限元法【2 9 l 等，对网格剖分、各种能量的计算以及整体优化都进 行了许多探索 3 0 3 1 l 。共轭梯度法以及快速傅立叶变换等以及各种迭代方法部被应 用到了微磁学计算当中。目前已经借助它束模拟低维磁性材料、磁隧道结、磁传 感器以及磁读写头等，还可以用它来指导磁体的设计、建造与应用。微磁学模拟 已经在各种单层及多层的纳米薄膜、纳米线、纳米颗粒、纳米点阵的研究中得到 了广泛的应用，收到了极好的效果 3 2 1 。另外，多层纳米线巨磁电阻效应的产生与 其微磁结构密切相关，研究多层纳米线的微磁结构町以为研究它的巨磁电阻效应 提供信息。目前，人们对多层纳米线的研究多集中在实验方面，通过微磁学手段 来研究它的磁特性和巨磁电阻的还很少，对其各种磁现象的机制还不足很清楚。 研究多层纳米线的微磁结构，可以从微磁角度了解多层纳米线特殊磁性的成因。 本文以微磁学理论为基础编写微磁计算程序，并用微磁学模拟的手段研究不 同直径纳米线的反磁化机制以及h e ( 0 ) ，与理论和实验相比较，对反磁化机制与 直径的依赖关系、h c ( 0 1 与反磁化机制的对应关系以及各种机制之间的过渡做了 更深入的探讨。附时研究不同尺j j 下多层纳米线的微磁结构，从微磁角度解释多 2 中南大学硕士学位论文 引言 层纳米线特殊磁结构的成因以及磁结构与垂直巨磁电阻之问的联系。对今后磁性 材料的改善和研发新材料做理论上的支持。 本文结构如下，共分六章，第一章简述磁性纳米线的研究进展；第二章介绍 微磁学的基本理论以及我们所采用的程序算法；在第三章中对不同直径纳米线的 反磁化机制以及矫顽力随直径的变化关系进行了研究，并考虑了各种缺陷和纳米 线间静磁耦合相互作用对反转机制以及矫顽力的影响；第四章研究了不同直径纳 米线的矫顽力随角度的变化关系；第五章对多层纳米线的微磁结构进行了研究； 第六章总结全文。 中南大学硕十学伊论文第一蕈文献综述 第一章文献综述 1 1 磁性纳米线的研究进展及磁特性 1 1 1 磁性纳米线的制备与表征 近年来，磁性纳米线阵列由于可作为高密度垂直磁记录介质而受到人们的 高度重视，在实验和理论上都对其进行了广泛的研究。 在实验上，人们主要借助多孔膜板通过电化学沉积的方法制备纳米线阵列， 通过各种磁测量手段研究它们的磁特性。模板法制备纳米线可以追溯到1 9 7 0 年， g e p o s s i n 在云母纳米孔内制备了直径为4 0 姗的金属线1 3 3 ，此后，模板合成 法制各纳米结构材料由丁二具有独特的优点而被广泛采用倒1 。作模板的材料主要有 两种：一种是径迹蚀亥l j ( t r a c k - e t c h ) 聚合物膜：另一种是j ；f f l 阳极氧化铝膜p ”。“径 迹刻蚀”膜板的膜材料有聚碳酸酯、多元酯纤维、云母等，其中应用最广泛的足 聚碳酸酯模扳( p o l y c a r b o n a t em e m b r a n e ) ，孔密度约为10 9 个c m 2 ，厚度通常为 6 2 0i t m1 3 6 。t m w h i t n e y 等以“径迹刻蚀”膜为模扳，通过电化学沉积法得 到n i 和c o 的纳米线【3 ”，直径为3 0n m 。g c h a n 等借助径迹刻蚀聚碳酸酯 膜板制备了直径分别为3 0n l n 、5 0m 和8 0a m 的n i 、n i f e 和c o n i f e 合金纳米 线p 4 1 。多孔阳极氧化铝膜( p o r o u sa n o d i ca l u m i n u mo x i d e ) 简称a a o ，足舆型的自 组织生长的纳米结构多孔材料【3 引。现已制备的a a o 筷扳孔径在5 4 2 0n m 范 围内可调，膜厚可达1 0 0p m 以上，孔密度为1 0 9 l o 2 个c m 21 3 9 1 ，这些参数可通 过改变电解液的种类、浓度、温度、电压、电解时间等工艺条件以及最后的扩孔 工序来调节【柏】。与其它多孔材料相比，a a o 具有孔径可控，且大小一致，杠状孔 垂直于膜面，孔与孔之问独立( 平行) ，孔洞呈有序的人角柱状排列等特点。模扳 在制备过程中仅起模具作用，材料的制备仍然需要通过物理法或电化学反应束充 成。日前人们采用最多的就足借助a a 0 膜扳利用电化学沉积的方法获得纳米线阵 列。例如k & p i r o t a 等利用电沉积的方法获得了直径3 0n m 的n i 纳米线阵列 i ，铁晨阳等制备了直径2 0 0 衄左右的f e 、n i 纳米线阵- l j t 4 2 1 。 选择适当的检测手段对制备出的纳米线进行准确的形貌表征、成分结构及特 性分析，才能为研究问题提供依据，实验上人们常采用的枪测方法有以下几种： ( 一) 纳米线的尺度和形貌测试 对纳米线进行尺度形貌测试主要借助的电子显微仪器有扫描电子显微镜 ( s e m ) ，透射电子显微镜( t e m ) ，扫描隧道显微镜( s t m ) ，原- f 力显微镜( a f m ) 和磁力显微镜( m f m ) 等。采用扫描电子显微镜( s e m ) 可直接观察a a o 模板的纳 4 中南大学硕+ 学伊论文 第一章文献综述 米孔阵列( 如图1 1 所示) 1 4 3 1 ，也可观察模板中纳米线的断面形貌( 如图1 2 所 示) 4 4 1 。将模板用腐蚀液溶去，裸露出纳米线，将其放在铜网载体上用透射电子 显微镜( t e m ) 观测，如图1 - 3 和图i - 4 所示，可获得单根纳米线h 5 1 和多根纳米线 的形貌照片 4 3 1 。 图l 一1a a o 膜板的s e m 照片1 4 3 1图1 2n i 纳米线阵列断面的s e m 照片m 图卜3 单根f e 纳米线的t e m 照片【4 5 1图卜4 多根n i 纳米线的t e i , i 照片1 4 3 扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 和磁力显微镜( m f m ) 都属于扫 描探针显微镜( s p m ) 。扫描隧道显微镜( s t m ) 可直接观察纳米薄膜的近原子像， 如果把s t m 安装在s e m 中可实现现场观察纳米线。原子力显微镜( a f m ) 的工作 原理与s t m 一样。足用一极微小的探针在样品表面扫描，通过探测探针与样品之 间微弱的相互作用，来对样品表面形貌和有关性质进行研究。 ( 二) 纳米线结构及成分分析 通过电子衍射分析，可获知金属纳米线的晶型与晶体结构，还可检测纳米线 的成分。使用x 射线衍射f x r d ) 分析，可以测定纳米线的晶体结构和晶体缺陷。 中南大学硕十学付论文 第一章文献综述 能量散射x 射线分析( e d x ) 可被用来分析同轴纳米线的皮芯结构及多层结构， 还可确定合金中元素的百分含量。x 射线粉末j 射和高分辨x 射线粉未j 射能 够获取有关单晶胞内相关物质的元系组成、尺度、离- f f 自l 距与键长等精细结构的 数掘与信息【矧。 ( 三) 纳米线磁性能的测量 振动样品磁强计( v s m ) i r 以用束测龟样品的磁滞叫线，通过磁力显微镜 ( m f m ) 能够观察研究样品的磁畴分布，穆斯馒尔( m 6 s s b a u o r ) 谱可用于研究纳 米线阵列中磁矩分布的信息。许多实验利用测量磁电阻曲线的方法来研究纳米线 磁结构的变化【2 6 1 ，磁电阻曲线( a m r ) 被证明可以测最到很小的磁化矢量强度 的变动，当磁结构发生改变时电阻出现跳跃，电阻曲线的变化就对应蕾磁结构的 变化。反转场的大小町以通过观察磁电阻曲线的不连续性得出。对丁二肇个纳米线， 它的磁化矢量强度为1 0 _ l e m u ( 1 0 - 1 4 a m 2 ) ，用传统的测磁方法很难对其进行测 量，这时磁反转可以通过近场显微镜、电子全息摄影技术和超导量子干涉仪 ( m i c r o s q u i d ) 等进行测量。 1 1 2 磁性纳米线的磁特性 纳米线的磁性能直接决定了磁性纳米线能否应用f 商密度磁记录和各种磁 性传感器。各种磁参数和磁性纳米线阵列的结构尺j j 对其磁性能有很大影响。磁 参数决定了磁晶各向异性能和交换能的大小，而结构尺寸决定了纳米线的形状各 向异性能和纳米线问的静磁耦合相互作用。纳米线的磁性及磁化与反磁化机制主 要由这四种能量和它们之间的相互竞争来决定。 由于纳米线具有很大的长径比，所以极强的形状各向异性能使磁化强度矢鞋 沿纳米线长轴方向排列，关f 这一点，已有大量的实验和理论予以证明。李发伸 等在a a o 膜板中，采用电化学方法制备了0 f e 纳米线阵列，通过观察a f e 纳米线阵列的穆斯馒尔( m 6 s s b a u o r ) 谱，发现纳米线阵列内部磁矩很好的、f 行于 纳米线长轴，表现出很强的磁各向异性脚】。潘谷，f 等借助振动样品磁强计( v s m ) 测量了直径为1 0n m 、长径比为4 0 0 的n i 纳米线在外场垂直a a o 膜板表面和平 行a a o 膜板表面的磁滞回线，结果表明n i 纳米线阵列表现出明显的垂直各向 异性，展现出垂直磁记录应用方面的良好前景【4 ”。 磁性纳米线的磁晶各向异性能对丁二不同晶体结构的纳米线影响足不同的。f e 和n i 都属于立方晶体，磁晶各向异性常数很小，对于长径比很大的纳米线，磁 品各向异性能与形状各向异性能相比可以忽略，以n i 纳米线为例，其形状各向 异性常数接近兀m 。2 = 7 4 x 1 0 5 e r g c m 3 ，而磁晶各向异性常数仅为 k l = - 4 5 x 1 0 4 e r g c m 3 2 7 1 。而c o 纳米线则不同，c o 有面心立方结构( f c c ) 和 六方密堆积结构( h c p ) 两相，当c o 为f c c 时，其磁品各向异性能较小，当 6 中南大学硕十学位论文第一章文献综述 c o 为h c p 时。其磁晶各向异性能较大，甚至可与形状各向异性能竞争( h c p 结构的磁品各向异性能常数为k = 5 x 1 0 6 e r g c m 3 ，形状各向异性能为 n m q 2 = 6 x 1 0 6 e r g c m 3 ) ，使易轴方向发生改变1 4 8 1 。ko u n a d j e l a 等测量了当外 场平行纳米线长轴时直径从3 5n n l 到4 0 0n m 范围内的c o 、n i 纳米线的矫顽力 和剩磁比，发现随着直径增大，c o 、n i 纳米线的矫顽力都随着直径的增大而减 小，变化规律比较致，但两者剩磁比的变化规律却不同，对于n i 纳米线，随 着直径增加，剩磁比始终接近于0 8 ，即易磁化方向始终沿着纳米线长轴方向； 对于c o 纳米线，随着直径增加，剩磁比由0 8 逐渐降低为o 1 ，这说明易轴方向 由平行纳米线长轴方向转向了垂直于长轴的方向【4 8 l 。关于c o 纳米线的相组成和 相变问题，至今尚无定论。m 1 1 l 等通过高能x - 射线衍射( h e d ) 仪测量了直 径4 8n n l 的c o 纳米线，认为f c c 和h c p 结构同时存在，只是数量会随着温度 和纳米线直径的变化而变化，对于小直径的纳米线，f c c 结构较多，所以形状 各向异件能占优势，易轴方向沿着纳米线长轴方向，随着纳米线直径增大，f c c 结构减少，h c p 结构增多，磁晶各向异性能增大，可能使易轴由平行于纳米线 长轴方向逐渐转向垂直于长轴的方向。随着纳米线直径和两种结构的数量的变 化，h c p 结构中的c 轴方向不发生改变，始终与纳米线长轴保持8 0 0 的夹角【4 9 1 。 而有的研究认为，随着直径的变化，h c p 结构中的c 轴方向会出现重取向，从 平行纳米线长轴方向转向垂直纳米线长轴方向。同时制备纳米线时电解液的p h 值、电流密度等都对c o 纳米线的相结构有影响，人们在这方面已经进行了许多 研究【5 0 , 5 ”。 由于实验中制得的是许多平行排布的纳米线组成的阵列，而非单个纳米线， 所以纳米线间不可避免的存在静磁耦合相互作用，对于二维纳米线阵列，作用在 单根纳米线上的总耦合场等于其它所有纳米线作用的和，它使磁化矢量沿垂直纳 米线长轴的方向排列。当纳米线问距离比较大时，耦合相互作用较小，当纳米线 间距离比较小时。或者纳米线直径较大使纳米线间间隔较小时，耦合作用较强， 有时甚至可以与形状各向异性能竞争。朱浩等人利用a a o 膜板制备了直径2 0 0 啪孔心距3 0 0n n l 的n i 纳米线阵列，结果显示纳米线间的相互作用使易磁化轴 趋向于沿着垂直纳米线长轴的方向1 5 2 1 。纳米线的长度也影响纳米线间的耦合作 用，纳米线越长，它们之间的耦合作用就越强。文献 5 3 1 给出了个计算纳米线 间静磁耦合作用公式，根据公式得到当纳米线长度达到一定值时，易磁化轴会由 纳米线长轴方向转向垂直于长轴的方向。 当磁化矢量强度方向沿纳米线长轴时，单根纳米线受到的总耦合场为其它所 有纳米线作用的总和，表示为 h o = 4 2 m s 耐2 l d ( 1 - 1 ) 7 中南夫学硕七学位论文第一荜文献综述 其中，l 为纳米线的长度，d 为纳米线问的中心距离，m s 为饱和磁矩。当 所有磁矩均垂直于长轴时，单个纳米线所受的总有效场为耦合场与自退磁场的 和，写为： h = - 2 1 m s n r 2 l d 3 + 2 r i m s ( 卜2 ) 由上面两式，可得总的有效各向异性场为： h k = 2 r c m s 一6 3 r i m s r 2 l d + h m ( 卜3 ) h 。足磁晶各向异性场，这里为了讨论的方便暂时忽略。从( 1 - 3 ) 式可看 出，随着纳米线长度增加，当长度达到l = l c = 2 d 3 1 6 3 r 2 时，h k 将达到0 ， 长度继续增加，h k 将变为负值，这时易轴方向便沿着垂直纳米线长轴的方向。 总之，几种能量之间的相互竞争使纳米线阵列体系呈现出复杂的磁特性。 q f l i u 等研究测量了不同直径的f e oe 8 n i 0 3 2 合金纳米线阵列，随着直径增大， 外场垂直于纳米线长轴方向的矫顽力要大于，f 行f 长轴方向的矫顽力，这就是各 种能量相互竞争的结果【5 ”。 磁性纳米线的磁化与反磁化机制足纳米线磁性研究中的一个重要方面，要将 纳米线应用到磁记录以及其它磁性传感器中，就必须清楚地知道它们庄外场作用 下的反磁化机制，关f 纳米线的反磁化机制，到目前为止仍然没有完全弄清楚。 早在上世纪五十年代，a a h a r o n i ，s s h t f i k m a n 以及e h f r e i 等就从理论上研 究了无限长圆柱体的反磁化过程，得出三种最可能的反转机制，一致反转 ( c o h e r e n t ) 、涡旋反转( c u r l i n g ) 和曲折式反转( b u c k i n g ) ，它们的反转图象如图l - 5 所示，这三种反转模式中都足所有磁化强度矢黾的同时反转1 5 5 5 6 1 。对f 无限长圆 柱体，矫顽力场等于成核场。图1 - 6 给出了三种模式对应的成核场大小，其中 r 0 为临界半径，临界半径不依赖于磁品各向异性和直径大小，等于a “2 m 。，a 为材料的交换积分常数，m s 为材料的饱和磁化强度矢量。当无限长团杠体的 径与临界半径的比值r r o 大于1 1 时，涡旋反转模式的成核场最小，所以反转模 式为涡旋反转，当r r o 大于l 且小于1 1 时曲折式反转的成核场最小，r r 0 小 于l 时一致反转和曲折式反转的成核场相同。e h f r e i 认为从曲折式反转到 涡旋式反转的过渡不是突然的，r r o 在l 左右为混合模式【”1 。而a a h a r o n i 等 认为曲折式反转和涡旋式反转之问的过渡足突然的1 5 6 1 。现在，人们通常忽略曲折 式反转模式，认为对于无限长纳米线有两种主要的反转模式：一致反转和涡旋式 反转。当纳米线直径小于临界直径时发生一致反转，当纳米线直径大于临界直径 时发生涡旋式反转。除了上面提到的临界半径的表达式，文献中还提出临界直径 自r 表示为丁c 九w ( 九。指的是畴壁宽度) 【4 9 l 。从图1 - 6 中还可到，对丁：一致反转 模式，成核场不随直径改变而变化，对于涡旋反转摸式，成核场与直径成近似的 中南大学硕士学伊论文 第一牵文献综述 反比关系。所以，我们可以从矫顽力随直径的变化关系来推断其发生的反磁化机 制。 llll i ， fi llll | | lj ll ll t i i l jl l l jl ：j lli | ( b )( c ) 图卜5 无限长圆柱体模型中三种反转模式的示意图【5 5 】 ( a ) 一致反转( b ) 涡旋反转( c ) 曲折式反转 l “ f 越 o 。粕 舢 一j j 。- r 1 岫 c ”镕q i 。 j。l。 t日 f 辨 图卜6 无限长圆柱体模型中三种反转模式成核场的比较，成核场h 。= 2 x m s p 5 1 此外，研究纳米线的矫顽力随角度( 外场与纳米线长轴之间的夹角) 的变化 关系h e ( o ) 也可以为了解反磁化机制提供信息，可以说一定的反转模式就对应着 - - 定的h c ( o ) 。在无限长纳米线的理论模型中，当纳米线直径小于临界直径时反 转模式为一致反转，这时矫顽力随着角度的增加而减小；当直径大于临界直径时 反转模式为涡旋式反转，这时矫顽力随角度的变化关系可表示为倒： 9 ，r ，h) ，一h ，、 中南大学硕+ 学付论文第一章文献综述 h ，：堕：竺! ! 兰坚! ( 1 4 ) 。 2 0 2 + 0 + 2 ( x ) c o s 2 0 。【：一1 0 8 ( r 。i r y ， r o 为从一致反转到涡旋式反转的i 临界半径。0 为外 场和纳米线长轴之间的夹角。 从( 1 - 4 ) 式可知，反转模式为涡旋反转时矫顽力将随着角度的升高而增大。 当纳米线直径接近于临界直径时，低角度时发生涡旋式反转，高角度时发生一致 反转，这时矫顽力的最大值出现在中间角度。 很多研究结果显示，实验制得的纳米线虽然有很大的长径比，但始终足有限 长的，所以它的反转机制和无限长的纳米线模型不尽相刚【5 ”。新的反转理论的提 出，也必然导致h c ( 0 ) 发生相应改变。目前实验和理论上部对纳米线阵列的反磁 化机制和矫顽力随角度的变化关系h c ( 0 ) 进行了广泛的研究，但结论并不致。 p m p a u l u s 等测量了不同直径的f e 、n i 纳米线阵列的矫顽力，并与理论值 进行了比较，认为直径小f i 临界直径时存在成核机制，直径犬f 临界直径时服从 涡旋式反转1 2 s l ；z h uh a o 等测量了直径为4 3 眦的f e l 4 n i 8 6 合金纳米线阵列的矫 顽力，他们认为反转机制应足一致反转和非对称扇形反转模式的混合模式【l ”。 g c h a n 等人认为存在一致反转和涡旋式反转足正确的，他们的根据是纳米线 阵列的h c ( 0 1 在相应直径范围与无限长纳米线理论模型中的一致反转或涡旋反 转模式的规律相同【2 4 l 。 为了排除纳米线问静磁耦合作用的影响，更好地与理论结果进行比较，很多 实验对单根纳米线的反磁化机制和h c ( 0 ) 进行了研究。w w e r n s d o r f e r 等1 2 ) 1 研究 和测量了温度低于6 k 时单根直径在4 0 ，1 0 0m n 范围内的n i 纳米线的转换场随角 度、直径的变化关系。研究结果表明，当纳米线直径接近交换长度时，矫顽力在 小角度出现了局域极大现象，矫顽力的最小值出现在4 0 0 左右，这时反转时间和 反转场的测量结果显示只有一个苣要的能量壁垒；当纳米线直径大于交换长度的 两倍时( 例如直径为9 2n r n 左右) ，尽管反转场接近涡旋式反转模型给出的值， 但由能量壁龟可看出反转模式足反磁化核的形成与传播，文錾还对激发体积( t h e v o l u m eo fa c t i v a t i o n ) 进行了研究，根据测最和计算得到激发体积为( 2 0 n m ) 3 ，大 于纳米线体积的1 2 0 0 ，这也证明反转过程足反磁化核的形成和传播。但h e ( 0 ) 的 变化规律与涡旋反转模式的结果相近。 m l e d e r m a n 等【2 7 】借助磁力显微镜( m f m ) 研究了单根n i 纳米线的磁特性， 测最了直径为3 0 0 m 、2 7 0 n m 和4 5 0 哪，长度分别为5 5 p , m 、1 2 7r t r n 和1 7 肚m 的唯根纳米线的h c ( 0 ) 。发现它们的h c ( 0 ) 不随直径、长度的变化而变化，其值 与无限长圆柱体理论中r r 。= 5 2 时的值相符合，但实际的r r o 上口足从6 5 到 1 0 9 。文章认为对于有限长纳米线，纳米线两端磁核的存在将导致不同直径纳米 0 中南大学硕十学位论文 第一荜文献综述 线的成核因子基本相同。这也证明了成核模式的存在。 r o b a r r 等【5 8 1 制备了直径从1 5 0n l n 到1 0 0 0n n l 的n i 纳米线，用磁力显微 镜( m f m ) 测量了单根纳米线h e ( 0 ) ，也得n t 反转场随直径的变化关系。当外 场平行于纳米线长轴时反转场与直径的依赖关系很弱，尤其当直径大于3 0 0n l n 时，转换场几乎不随直径的增加而变化，这与涡旋反转模式的结论不符合，预示 了另一种反转模式一成核机制的出现。研究结果也证明当调整了r r 。的大小以 后成核机制的h e ( 0 ) 与涡旋反转模式的规律比较相似。但值得注意的是对于直径 1 5 0n m 的n i 纳米线，矫顽力在小角度出现了局域极大的现象，这与涡旋反转模 式的规律足有出入的，而当直径增加到1 0 0 0n n l 时，这种小角度的局域极大现象 就消失了。文中并没有对此进行解释。 许多实验利用测量磁电阻曲线的方法来研究纳米线的磁特性1 5 。 j - e w e g r o w e 等【2 6 l 测量了不同角度的纳米线的磁电阻曲线，得到反转场随角度的 变化关系h c ( 0 ) ，结果显示n i 纳米线的h e ( 0 ) 曲线在小角度时也出现了局域极大 的现象，文中认为n i 纳米线的磁晶各向异性能和形状各向异性相比本来很小， 但在制备过程中由于拉伸使磁晶各向异性能显著增大，无限长圆柱体模型中没有 考虑磁晶各向异性能，当考虑了磁晶各向异性之后h e ( 0 ) 曲线就会在小角度出现 局域极大现象。 实验中制得的纳米线多为纳米线阵列，纳米线问的静磁相互作用使得纳米线 的反磁化机制以及h e ( 0 ) 都与单根纳米线时不同。由于整个纳米线阵列系统的复 杂性，对纳米线阵列中的磁反转机制仍不清楚。文献【2 4 1 中测量了远大于临界直 径的直径为2 0 0l l l n 的n i 纳米线阵列的h c ( o ) ，矫顽力最大值出现在6 0 0 ，文中 认为这是由于纳米线问的静磁耦合相互作用导致临界直径升高。j c l o d d e r 等认为当外场与纳米线长轴有一夹角时，反转不再是单根纳米线时的涡旋式反 转，其依据是涡旋式反转决定的矫顽力与敛集率无关，但实验结果显示并不是这 样，这说明纳米线在反转过程中由于其它纳米线的作用而在纳米线表面形成了磁 核，而涡旋式反转过程中足没有磁核形成的【6 们。文中还提出了一种新的矫顽力与 角度关系的模型。 很多学者从微磁学的角度研究了纳米线的反磁化机制和h e ( 0 ) m 6 2 1 。i l h e r t e l 等人通过微磁学模拟的手段研究了软磁纳米线的反转，认为存在两种重 要的成核机制：截面一致的畴壁运动模式和涡旋畴壁运动模式1 6 3 , 6 4 ；而i lf e r r 6 等人的模拟认为反磁化核的运动形式有所不同，反转过程是涡旋中心的不断产生 和湮灭【5 7 1 。h u y s m a n s 等人通过理论计算了直径为4 2 5n l n ( 远大于临界直径 1 3 n m ) 长为4 5 i t m 的单根f e 纳米线的h c ( 0 ) ，结果显示矫顽力的最大值出现在 7 0 0 【6 5 1 。j c l o d d e r 等计算了随着纳米线数目增加矫顽力随角度的变化关系， 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 计算结果显示，对于单根纳米线矫顽力最大值出现在7 0 。，随着纳米线的数目增 加，h c ( 0 ) 曲线的峰值逐渐消失，涡旋反转的h c ( 0 ) 越束越接近丁二一致反转的 h c ( 0 ) 唧1 。 从上面的叙述可看出，目前人们对磁性纳米线的反磁化机制