（凝聚态物理专业论文）磁性颗粒膜各向异性及其高频性质.pdf

摘要 摘要 随着电子设备的小型化、高度集成化的不断发展，需要磁性器件向小型化和高频化方 向发展，具有高饱和磁化强度m s 、高电阻率p 、高磁导率和低矫顽力鼠的软磁薄膜成 为磁性材料发展的必然方向。由金属一绝缘介质组成的纳米颗粒膜同时集中了磁性金属的 高尥、高, t 、高瓦和绝缘介质的高p 的优点，从而成为软磁材料研究中的一个重要分支。 本文中，利用射频磁控溅射斜溅射制备t ( f e c o b n i n b ) x ( s i 0 2 ) 1 x 系列纳米软磁颗粒膜。 利用x r a y 衍射和高分辨电镜h r t e m 得到了样品的结构信息；用v s m 和直流四端法等研 究了样品的磁性和电性；利用短路微扰传输线法测量了样品的高频特性；主要结论如下： 1 利用射频磁控共溅射方法成功制备了( f e c o b n i n b ) x - ( s i 0 2 ) 1 x 系列颗粒膜。对体积分数 x = 0 8 8 的样品，h r t e m 明场像显示样品由纳米级( 2 n m ) 的磁性金属颗粒均匀地镶嵌在 s i 0 2 绝缘介质中构成；电子衍射环证明磁性金属颗粒为非晶结构。 2 系统地研究了磁各向异性场风随入射角度口的变化关系。对体积分数x - - - - 0 8 8 的样品， 不同的入射角( 0 0 - 3 0 0 ) 均得到了很好的软磁性能。当入射角度从0 0 上升到3 0 0 时，各 向异性场迅速上升，从1 0 5o e 增大到5 8 0o e 。通过实验分析了样品的各向异性的大小 和起源。认为该薄膜磁各向异性场是由两部分组成：不可逆部分和可逆部分。不可逆 部分可以用各向异性的交换耦合的模型来解释，而可逆部分，来源于原子对的方向有 序。 3 研究了磁各向异性场风随x 的变化。结果表明随着x 的减小，月z 的变化趋势是先增大 后减小，而且在宽的范围内凰较大。在x = 0 8 8 时，达到最大。 4 研究了金属相体积分数一定x - 0 7 5 ，但是其中b 含量增加样品的性质变化。结果表明 随着b 含量的增加，其各向异性场单调减小，4 1 t m 。也单调减小，矫顽力基本不变。 5 对于x = o 6 3 的样品，风= 9 2 0 e ，p = 1 2 5 m q o c m ，无需后期处理就能得到如此高的电 阻率和好的软磁性，制备工艺相对简单，预示该样品具有较好的高频应用前景。 6 在很宽的体积分数范围内，不同的入射角都能制备出软磁性能较好的样品，其高频磁 性也时我们关心的性质。对x = 0 8 8 ，0 = - - 3 0 0 的样品，共振频率达到7 8g h z 通过理论 模拟得知，在高频下支配磁化强度的行为的是自然共振。 结合对典型样品的静态磁性、微结构以及高频特性研究，证明了f e c o b n i n b s i 0 - 2 金 属绝缘体颗粒膜有良好的应用前景。 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n t e g r a t i o na n dm i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o - m a g n e t i cd e v i c e s ，t h es o rm a g n e t i c f i l m sw i t hh i 【g hs a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nm s , h i 【g he l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yp ，l o wc o e r c i v ef o r c eh c ( t h e r e f o r e ，h i g hp e r m e a b i l i t y 力，a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n a n o g r a n u l a rf i l m ， c o m p o s i t e do fm a g n e t i cm e t a la n dn o n m a g n e t i ci n s u l a t o rm a t r i x , i so n eo ft h em o s ti n t e r e s t i n g f i l m sb e c a u s et h i sk i n do ff i l m s t a k e st h ea d v a n t a g e so fm e t a l ( h i g hm s , t c , ) a n di n s u l a t o r ( p ) i nt h i sw o r k , as e r i e so fs o f tm a g n e t i cn a n o g r a n u l a rf i l m s ( f e c o b n i n b ) x - ( s i o ：) 1 xw e r e f a b r i c a t e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h es t r u c t u r e so ft h es a m p l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r a y d i f f r a c t i o n ( x r o ) a n dh i g hr e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( h r t e m ) w h i l et h e m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e sw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h r o u g hv i b r a t i n g s a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) a n df o u rp o i n t sm e t h o d m e a n w h i l e ，t h eh i g h - f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xp e r m e a b i l i t yw e r eo b t a i n e d b yu s i n gt h es h o r t e dm i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o n - l i n ep e r t u r b a t i o nm e t h o d 1 ( f e c o b n i n b ) x 一( s i 0 2 h xf i l m sw e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e r e s u l t ss h o wt h em e t a lp a r t i c l e sw i t hs i z eo f2a ma r ee m b e d d e du n i f o r m l yi ni n s u l a t i n gs i 0 2 m a t r i xf o rx - - 0 8 8 2 t h ed e p e n d e n c eo fa n i s o t r o p y 风o ni n c i d e n c ea n g l e0w a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d w i t h d e c r e a s i n 9 0 , t h ea n i s o t r o p yh ki n c r e a s e s b a s e do ne x p e r i m e n t s ，w et h o u g h tt h e r ea r et w o p a r t so f o u ra n i s o t r o p y ：( 1 ) t h ei r r e v e r s i b l ep a r ta n d ( 2 ) r e v e r s i b l ep a r t 3 t h ed e p e n d e n c eo f a n i s o t r o p yh ko nm e t a lv o l u m ef r a c t i o nx w a sa l s os y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d w i t hd e c r e a s i n g 】【t h ea n i s o t r o p y 风i n c r e a s e sf i r s t , t h e nd e c r e a s e s w h e nx = 0 8 8 ，t h e m a g n i t u d eo f 风i so b v i o u s l yb i g g e rt h a nt h a to f o t h e rs a m p l e s 4 f o rt h es a m p l eo f x = o 7 5 ，w ec h a n g e dt h ec o n t e n to fb e l e m e n t ，w ef o u n dt h a tt h e 风a n d 必 d e c r e a s em o n o t o n o u s l y ，h ca l m o s td on o tc h a n g e 5 f o rt h es a m p l eo fx = 0 6 3 ，t h ee x c e l l e n ti n p l a n eu n i a x i a la n i s o t r o p y9 2o ea sw e l la sv e r y h i g hr e s i s t i v i t yo f12 5 m f l o c mw e r eo b t a i n e da tt h es a m et i m e ，w h i c hm a k ei tq u i t e p r o m i s i n gf o r t h ea p p l i c a t i o ni nt h eh i g hf r e q u e n c yr a n g e 6 t h ep e r m e a b i l i t ys p e c t r u mu = p j 瞻s h o w st h a tt h er e a lp a r t 试i sm o r et h a n2 5b e l o w6 g h za n df e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c ef r e q u e n c yr e a c h e s7 8g h zf o rt h es a m p l ex = 0 8 8w i t h 0 = 3 0 0 ，i m p l y i n gt h a tt h e ( f e c o b n i n b ) x - ( s i 0 2 ) 1 xg r a n u l a rf i l m sc o u l db eu s e di nh i g h f r e q u e n c y 2 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三墨婺鱼垒日期：翌：! 乏：! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名 单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：始珲垒踌师签名：日期：划。i 引言 第一章引言 随着电子仪器小型化、高性能化的不断进步，高度集成技术得到广泛应用，在此背景 下，电子器件的微型化、高频化成为一个必然的趋势【1 3 】。与其它电子元件相比较，磁性 器件的微型化和高频化相对落后，主要原因在于用于微磁器件( 薄膜变压器、薄膜电感、 薄膜电子干扰抑制器、薄膜磁场传感器以及高密度磁记录磁头等) 的磁性材料在高频时磁 导率显著下降。因此对应用于高频、超高频、乃至微波频段的软磁薄膜材料的研究成为近 年来磁性材料研究领域的热点之一。 对于高频下使用的软磁性薄膜的具体要求主要是： ( 1 ) 高磁导率( 低鳓，以提高器件的性能； ( 2 ) 高电阻率p ，有利于减小涡流损耗； ( 3 )高饱和磁化强度必和适当大的各向异性场风以提高截止频率 普通金属磁性材料( 如坡莫合金) 具有很高的j l 磊，而p 很小【4 5 】，而铁氧体磁性材料 具有比较大的p ，必却很小，且死很低，都不能满足上述要求。满足这些要求的最好材 料系统之一是由磁性金属纳米颗粒被绝缘介质包围而形成的颗粒膜系统【6 一1 2 】，它集中了 磁性金属的高尥、高小高疋和绝缘介质的高p 的优点，而且作为一种典型的人工功能材 料，可以通过控制磁性金属颗粒的体积分数和颗粒大小对磁性纳米颗粒膜的电磁性能进行 的人工剪裁。 近年来，对非晶和纳米晶薄膜材料的研究仍在继续中 1 3 1 6 。在这类材料的研究中， 研究对象包括f e 、c o 以及f e c o 基的非磁性元素掺杂以及氧化物和氮化物的微量掺杂 1 7 - 2 3 1 。通过在铁磁金属材料中掺杂z r 、b 、n 、n b 、p d 、0 等元素获得了优异的软磁特性， 尤其是在f e ，c o 及f e c o 基系统中获得了高的饱和磁化强度m s ，较高的各向异性场月j ； 在高频性质上，具有大的实部磁导率，高的铁磁共振频率石；诸如：f c c r ( t a ) n 2 4 、f e c o b 【1 7 18 】、f e c o t a n 2 5 、f e c o n 2 6 和c o f e v a i o n b 2 7 】等系统。s j i n 等人在f e c r ( t a ) n 纳米晶中发现其饱和磁化强度达到2 0 k g s ，各向异性场为1 0 0 0 e ，铁磁共振频率高于2 g h z 。 在f e c o b 软磁薄膜中，4 ，r m s 高达1 5k g s 以上，在适当的b 成分下，职5o e ，6 0o e h k 3 g h z 。对于f e c o t a n 系统，在0 p m 1 0 范围内1 7 4 7 r m s 2 3k g s ，3 l - h 6o e ，达到了1 0 0 0 。c o k i m 等人在c o f e v a i o n 系统中获得了性能优异 的典型样品c 0 4 3 4 7 f e 3 5 3 0 v i s , a 1 5 5 5 0 9 9 3 n b 4 2 l ，月c = 1 2 4 0 e ，月户6 6 9 9 0 e ，4 l r m s = 1 9 8 k g s ， 在产1 8g h z 的范围g b l 0 8 9 ，并且共振频率石高达3 0 g h z 。这类材料的不足是电阻率偏 l 低，尽管通过元素掺杂，电阻率获得了一定提高，但是仍接近金属性电导，这在高频应用 上，尤其是甚高频段有着巨大的局限性。 除了对纳米晶和非晶合金的研究外，近年来，f e 、c o 以及f e c o 基氧化物纳米颗粒膜 由于其优异的高频软磁性能也成为软磁材料领域的研究热点。典型的颗粒膜软磁材料有 c o ( f e ) m o ( m 为非磁性材料如s i 、a i 、h f 、z r 、c r 等) 【6 1 2 1 。这类磁性金属- 绝缘体纳 米颗粒膜( m l g f ) 软磁材料一般由尺寸在纳米量级的磁性金属颗粒弥散分布在非磁性绝 缘介质中构成。磁性金属具有高饱和磁化强度，而非磁性绝缘介质具有高电阻率。所以颗 粒膜软磁材料一般同时具有高电阻率和高饱和磁化强度。尤其是高的电阻率，远远超过了 先前研究的类金属性软磁合金，成为m i g f 系统的巨大优点，这将有效的降低高频下的涡 流损失 2 8 3 0 1 。其中，f e 基纳米颗粒膜具有高的饱和磁化强度 3 1 3 3 1 ，c o 基颗粒膜材料 其饱和磁化强度虽然低于f e 基，但是c o 基颗粒膜具有较高的磁各向异性场 3 4 3 6 1 ，而高 的各向异性场使得材料的铁磁共振频率增大，从而提高材料的使用频率上限。f e c o 基的 m i g f 系统使得薄膜材料饱和磁化强度较高的同时，各向异性场胁可以调节其大小。 对非晶、纳米晶及纳米颗粒膜软磁材料的研究已经很广泛并且有较长的时间，同时取 得了很大成果。本文的研究重点在以下几方面： ( 1 ) 在较宽的磁性金属体积分数范围内获得好的软磁性，包括低矫顽力，调节各向异 性场，扩大应用频率范围，并尽可能的提高电阻率p 。 ( 2 ) 磁性金属绝缘体纳米颗粒膜的各向异性场来源研究。关于颗粒膜软磁性机理目前 还不是很清楚。各向异性交换耦合模型也能解释部分结果。对我们的具体实验结果，还需 要进一步解释。 2 引言 参考文献 【1 】j i ns ，z h uw ，v a nd o v e rrb ，t i e f e lth ，a n dk o r e n i v s k iv ，a p p l p h y s l e t t 7 9 ，3 1 6 1 1 9 9 7 【2 】b l o e m e np jh ，a n dr u l k e n sb ，j a p p l p h y s 8 4 ，6 7 7 819 9 8 【3 】a m ik ia n dy a m a g u c h i ，j m a g n s o c j a p a n17 ，6 4 219 9 3 【4 】b o l lr w a r l i m o n th i e e et r a n sm a g1 9 8 1 ；1 7 ：3 0 5 3 【5 】c h e nc w m a g n e t i s ma n dm e t a l l u r g yo fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s n e wy o r k ：d o v e r p u b l i c a t i o n s ，19 8 6 【6 】s o h n u m a , a ) n k o b a y a s h i ，a n dt m a s u m o t o ，s m i t a n ia n dh f u j i m o r i j a p p i p h y s 8 54 5 7 4 ( 1 9 9 9 ) 【7 】s o l m u m a , h f u ji m o r i ，s f u m k a w a , s m i t a n i ，a n dt m a s u m o t o ，j a l l o y s c o m p d 2 2 2 ，1 6 7 - 1 9 9 5j a p p l p h y s 7 9 ，5 1 3 0 1 9 9 6 【8 】s o h n u m a ，a ) h f u j i m o r i ，a n dt m a s u m o t o ，x y x i o n g ，d h p i n g ，a n dk h o n o a p p l p h y s l e a 8 29 4 6 2 0 0 3 【9 】s o l m u m a , h j l e e ，n k o b a y a s h i ，h f u j i m o r i ，a n dt m a s u m o t o i e e e t r a n s m a g n 3 7 2 2 5 l2 0 0 1 【10 】t a k e s h im o r i k a w a ，a ) m o t o f u m is u z u k i ，a n dy a s u n o r it a g a 。j a p p l p h y s 8 36 6 6 4 1 9 9 8 【l l 】s u z u k i ，a n dt a g a ，j a p p l p h y s ，v 0 1 8 3 ，n o 11 ，lj u n e1 9 9 8m o r i k a w 钆 【12 】o h n u m a e ta 1 j a p p l p h y s ，v 0 1 8 7 ，n o 2 ，15j a n u a r y2 0 0 0 【13 】m y a m a g u c h i ，k s u e z a w a , y t a k a h a s h i ，k i a r a i ，s k i k u c h i ，y s h i m a d a , s t a n a b e ， k 1 t o ，j m a g n m a g n m a t e r 215 - 2 162 0 0 08 0 7 【l4 】v k o r c n i v s k i ，r b v d o v e r , j a p p l p h y s 8 2 ( 1o ) 19 9 7 5 2 4 7 1 15 】t j k l e m m e r ，k a e l l i s ，l h c h e n ，r b v d o v e r , s j i n ，j a p p l p h y s 8 72 0 0 08 3 0 【l6 】i f e r g e n ，k s e e m a n n ，i n ：m r j g i b b s ( e d ) ，n a t os c i e n c es e r i e s ，m o d e mt r e n d si n m a g n e t o s t r i c t i o ns t u d ya n da p p l i c a t i o n ，2 0 0 0 ，p 3 31 【l7 】t j k l e m m e r , k a e l l i s ，l h c h e n ，r b v d o v e r , s j i n ，j a p p l p h y s 8 7 ( 2 ) ( 2 0 0 0 ) 8 3 0 【l8 】i f e r g e n ，k s e e m a n n ，i n ：m r j g i b b s ( e d ) ，n a t os c i e n c es e r i e s ，m o d e mt r e n d si n m a g n e t o s t r i c t i o ns t u d ya n da p p l i c a t i o n ，2 0 0 0 ，p 3 31 19 】m y a m a g u c h i ，k s u e z a w a , k i a r a i ，y t a k a h a s h i ，s k i k u c h i ，y s h i m a d a , w d l i ， s t a n a b e ，k 1 t o ，j a p p l p h y s 8 5 ( 1 1 ) ( 1 9 9 9 ) 7 9 1 9 3 引言 【2 0 】y h a y a k a w a , a m a k i n o ，p a t e n tu s5 , 7 2 5 ，6 8 5 ，19 9 8 【2l 】h d e n g ，j d j a r r a t t ，m k m i n o r , j a b a m a r d ，j a p p i p h y s 81 ( 8 ) ( 19 9 7 ) 4 510 【2 2 】d s h i n ，c k i m ，j j e o n g ，s b a e ，s n a m ，h k i m ，j a p p l p h y s 8 7 ( 9 ) ( 2 0 0 0 ) 5 8 5 2 【2 3 】s o h n u m a , s m i t a n i ，h f u j i m o r i ，a n dt m a s u m o t o ，j m a g n s o c j p n 2 0 , 4 8 9 1 9 9 6 【2 4 】s j i n ，a ) w z h u ，r b v a nd o v e r ，t h t i e f e l ，a n dv k o r e n i v s k ia p p l p h y s l e t t ， v 0 1 7 0 ，n o 2 3 ，9j u n e1 9 9 7 【2 5 】j m s h i n ，y m k i m ，j k i m ，s h h a n ，a n dh j k i m ，j a p p l p h y s 9 36 6 7 7 ( 2 0 0 3 ) 【2 6 】s u n ，x i a o ，a n dy o r kj a p p l p h y s 9 7 ，10 f 9 0 6 - 2 0 0 5 【2 7 】k e l e ee ta 1 j o u r n a lo f m a g n e t i s ma n dm a g n e t i cm a t e r i a l s3 0 4 ( 2 0 0 6 ) e 1 8 9 - e 1 9 1 【2 8 】n k o b a y a s h i ，a n dt m a s u m o t o ，s m i t a n ia n dh f u j i m o r i j a p p l p h y s 8 54 5 7 4 ( 1 9 9 9 ) 【2 9 】s o h n u m a , h f u j i m o r i ，s f u r u k a w a , s m i t a n i ，a n dt m a s u m o t o ，j a l l o y s c o m p d 2 2 2 ，1 6 7 - 1 9 9 5 1 ；j a p p l p h y s 7 9 ，5 1 3 0 - 1 9 9 6 【3 0 】s o h n u m a ，a ) h f u j i m o r i ，a n dt m a s u m o t o ，x y x i o n g ，d h p i n g ，a n dk h o n o a p p l p h y s l e t t 8 29 4 6 ( 2 0 0 3 ) 【31 】h k a r a m o n ，j a p p l p h y s 6 3 ，4 3 0 6 - 1 9 8 8 【3 2 h m a t s u y a m a ，h e g u c h i ，a n dh k a r a m o n ，j a p p l p h y s 6 9 ，51 2 3 - 1 9 9 0 【3 3 e s u g a w a r a , f m a t s u m o t o ，h f u j u m o r i ，a n dt m a s u m o t o ，j m a g n s o c j p n 16 ， 2 4 7 1 9 9 2 【3 4 m h a y a s h i d ee ta 1 ，j m a g n s o c j p n 1 5 ，3 7 9 - 1 9 9 1 3 5 】s o h n u m ae ta 1 ，j m a g n s o c j p n 1 7 ，3 9 1 - 1 9 9 3 【3 6 s o h n u m a ，h f u j i m o r i ，s m i t a n i ，a n dt m a s u m o t o j a p p l p h y s 7 95 1 3 0 ( 1 9 9 6 ) 4 基础理论 第二章基础理论 软磁材料非常适用于在高频交变磁场下工作，比如变压器、高频传感器、读出磁头等 上使用的软磁材料。所以，为了更好的理解和研究软磁材料，需要了解软磁材料的动态磁 化过程和磁损耗机制( 包括磁滞损耗、涡流损耗和磁后效损耗等) 以及对软磁材料的要求。 2 1 金属一绝缘体纳米颗粒膜的电性 金属绝缘体颗粒膜中含有金属相和绝缘介质相，薄膜的输运特性与膜中金属相的含量 密切相关。金属相的含量一般用金属体积分数后来描述，其定义为膜中金属相的体积占总 体积的比。早在七十年代，a b e l e s 和s h e n g 曾对共溅射法制备的n i s i 0 2 和a u a 1 2 0 3 颗粒 膜的输运性质进行过系统的研究【l 】。随着金属体积分数的减小，颗粒膜由金属颗粒互相连 接变成金属颗粒被绝缘间质分隔开，这种结构的变化会导致膜的输运机制发生根本性的变 化，从正常的金属导电变成通过隧道效应导电。根据不同的导电机制，可以把薄膜分成三 种状态：金属态、过渡态和介质态，下面分别进行讨论。 2 1 1 金属态 当金属绝缘体颗粒膜中的金属体积分数比较大时，金属颗粒之间互相连接在一起，形 成电导通道，绝缘介质在膜中只是一些孤立的小岛。在这种情形下，薄膜的电导机制类似 于纯金属膜的金属性电导，保持电子在金属中的迁移特性。所不同的是由于介质岛的存在， 延长了电导通道，并且介质岛和颗粒边界对电子有较强的散射作用，因此，颗粒膜的电阻 率比纯金属膜的电阻率大了几个数量级。随着金属体积分数的降低，膜的电阻率变大，这 主要是由于电导通道变长变窄的一种几何效应。经典的渝渗理论( p e r c o l a t i o nt h e o r y ) 对处 于金属导电区的隧道颗粒膜的输运机制有详细的物理描述【2 】，l a n d a u e r 的有效介质理论也 导出了电导率的简单表达式【3 】： 盯) 盯( 1 ) = 伉一i c ) o 一五)( 2 1 ) 其中石是渝渗阀值。上式仅适用于体积分数护无的样品，若f v f 时，系统显示超顺磁性，若温度降低使磁 f 时，系统显示铁磁性，当窃= f 时，系统由超顺磁性向铁磁性转变，此时的温度称为超 顺磁阻截温度t b ( b l o c k i n gt e m p e r a t u r e ) ，得： = 硒瓦k v 丽 ( 2 9 ) 由上式可以看出，不同的测量方法测得的超顺磁阻截温度不同。 2 3 弱场区的磁谱 2 3 1 复数磁导率 在静态磁化中，由于不需要考虑磁化的时间问题，在一定大小的外磁场强度日作用下， 铁磁体内便产生相应大小的磁感应强度召，所以，表征静态磁特性的磁导率是实数。 在弱交变磁场作用下，铁磁体内的磁感应强度b 和磁场强度h 均随时问变化，它们之 间不仅有振幅大小的关系，还有相位的关系，都可以用复数表示，它们的比值称为复磁导 率。引入复磁导率可以同时反映b 和h 之间的振幅和相位。复磁导率是表征铁磁体动态特 性的一个物理量，可表示为 届：去：。(210)-it 2 鬲2 乙 式中皿具有一般复数的表达形式，为复磁导率的实部，z 。为复磁导率的虚部。复磁导率 基础理论 乃的表达式表明：在动态磁化过程中，铁磁体内既有能量的存储( 即含a 的部分) ，又有 能量的损耗( 即含的部分) 。所以复磁导率的实部又叫弹性磁导率，它相当于静态磁 化时的磁导率，是一个实数，它决定于单位体积铁磁体在动态磁化过程中的磁能存储量， 其大小为专娲h 2 ；复磁导率的虚部y n q 粘滞磁导率，它代表单位体积的铁磁体在交变 磁场中每磁化一周的磁能损耗，其大小为矾或。在交变磁场中，b 落后于日是由于损 耗引起的，故曰落后于日的相位差6 由称为损耗角。 弱场区的复数磁导率随频率的变化关系即为磁谱。总结低频场区和高频场区的复数磁 导率随频率变化的关系，其形状大体上分成五个频率区域。各个区域的特征如下： 第一区域 厂 1 0 4 赫兹) ，i t 和变化很小。 第二区域( 1 0 4 厂 1 0 6 赫兹) 一般和第一区一样，p 和p ”变化也很小，但有时会出现 共振型的磁谱曲线。 j 懈痴 图2 1 弱场区的复数磁导率与频率的关系磁谱 第三区( 1 0 6 厂 1 0 8 赫兹) 一般形状如图2 1 所示，而且所出现的曲线为弛豫型磁谱 曲线( 有时也出现共振型磁谱曲线) 。 第四区( 1 0 8 厂 1 0 1 0 ) ，情况不太清楚，仍有待于研究。 2 3 1 低频率段的磁谱曲线 低频区( 厂 1 0 6 i - i z ) 影响磁谱曲线的主要因素是磁滞效应，涡流效应和磁后效。 ( 1 )磁滞效应引起的复数磁导率为： 1 0 基础理论 p 7 = i + t i h 。， ( 2 11 ) 旷= 4 1 1h 。 ( 2 1 2 ) j 7 c 由此可见，磁滞效应引起的复数磁导率与频率是无关的。 ( 2 ) 涡流效应引起的复数磁导率： u = u ， ( 2 1 3 ) p 。= p i ， 【2 ) 一= 詈7 c “。p ；o d 2 f ( 2 1 4 ) 由此可见，涡流效应引起的复数磁导率的实部部分与频率无关，虚数部分与频率成正 比。对铁氧体材料而言，因为电导率6 很小，故“一的数值不大，但对于金属性的非晶纳米 材料而言，涡流损耗就很大了。 ( 3 )磁后效引起的复数磁导率： 对于单弛豫时间的情况，磁后效引起的复数磁导率为 p = “；+ p 。丁； _ 了， c 2 t 5 ) p 一砘芒昌 ( 2 1 6 ) 2p n 丽 2 由此可见，磁后效引起的磁导率谱曲线是弛豫型的。 2 3 3 高频率段的磁谱曲线 影响高频区复数磁导率的主要因素是畴壁共振和自然共振。畴壁运动所引起的复数磁 导率已经由式给出。畴壁运动引起的磁谱曲线有两种，一种是在r d ，则在以k 为边长的立方体的体积范围内，和随机步行原理【1 5 】一样，将始终有一个由统计涨落决定 的最易磁化方向存在。理论指出，这一系统的平均各向异性能密度c x ) 可以写为 吃( 三。) = - k 2 ( f f - - 生) 3 ( 2 18 ) 而平均交换作用能密度 兄( k ) = 鲁 ( 2 1 9 ) 总能量密度 f = l ( 厶) + 兄( 乞) 由罢! ：0 - j - 得厶x 的有效长度 k = 丽1 6 a 2 ( 2 2 。) 请注意，上式只有当局较小，即l “ d 时才能成立。于是可得耦合体积能的最小 值为 一等 ( 2 2 1 ) 在这里，r i i - 是k 为无限长时耦合能的基准振幅，和磁化相关的各向异性能的空间 振幅相当。因此矫顽力正比于r i n 的绝对值d 4 1 。对于非晶铁磁体而言，由于参数的不确 1 2 基础理论 定性，使得该模型未能得到验证。然而，由于纳米晶材料的发展和应用，这个模型的重要 性和影响远远超过了当初a l b e n 等人发表论文的时候。 2 4 2 纳米晶中的随机各向异性模型 一、h e r z e r 模型【1 6 ，1 7 1 从铁磁学可知，对于一颗粒集合体，如果颗粒尺寸较大( 大于单畴临界尺寸) ，每个颗粒 中的磁化矢量将指向颗粒中的易磁化方向，而且会出现磁畴。每个磁畴中原子或离子磁矩 将由于交换相互作用而平行排列。颗粒集合体的磁化过程主要由磁晶各向异性k l 和应力各 向_ 异性枷决定。一般，为了得到优异软磁性能，要求局、五、仃很小或趋近于零。 当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸时，颗粒处于单畴状态，颗粒内所有的磁矩平行取向。 如果这一颗粒集合体中颗粒间距同时变小，那么单畴颗粒之间的铁磁交换作用将越来越明 显。为了降低交换能，不同颗粒之间的交换作用将迫使各颗粒中的磁矩倾向于平行排列。 因此，造成磁化矢量不再沿各个颗粒自己的易磁化方向取向。结果，对磁性起决定作用的 也不再是原先每个颗粒的磁晶各向异性，而是有效各向异性。该有效各向异性应该是对若 干个颗粒求平均的结果，比蝎要小得多。由此推论，微细晶粒集合体的磁性强烈地依赖 于局域各向异性能和铁磁交换能的两者的竞争。 区分上述两种磁性晶粒集合体情况的分界线应由交换耦合长度三懿给出： 小厝 ( 2 2 2 ) 式中，a 是交换劲度系数。在磁畴理论中，k 是衡量畴壁厚度大小的基本参数，等于 磁化矢量取向发生明显改变的最小特征尺度。 对于较大的晶粒，如图2 2 a 所示，口是平均易轴和该晶粒磁化矢量之间的夹角，在三懿 范围内，晶粒内的磁化矢量沿易磁化方向取向，磁晶各向异性常数局有较大的振幅。当晶 粒尺寸减小到d “k 时( 图2 2 b ) ，各个晶粒内的磁化矢量沿自己的易磁化方向取向， 根据随机步行规则，在耦合体积。的范围内，对于有限的晶粒数目n ，始终有某个由统 计涨落决定的最易磁化轴存在。因此，最终的有效各向异性常数刈由个晶粒的平均 涨落振幅所决定。其中，第，个晶粒的磁晶各向异性能为 l ， q = ( 争s i n 2 ( 秒一) ( 2 2 3 ) 式中，9 是平均易轴和该晶粒磁化矢量之间的夹角，嘞是各个晶粒内的易轴和平均易轴 的夹角。由于各晶粒的易轴是随机分布的，因此耦合体积内磁晶各向异性能的振幅由下式 1 3 基础理论 得出： ( 句d k k 声何 跏2 = 嘉 ( 2 2 4 ) p ) d l a ) 和纳米晶材料p “o 的磁晶各向异性能的变化【1 8 】 如图2 2 c 所示，这时，对于有限的晶粒数，始终有某个由统计涨落决定的最易磁化 方向存在。由于平均化，总的磁晶各向异性能e = 磷的振幅刈比大晶粒时的相应振幅 要小得多。 h e r z e r 发展了a l b e n 等人的非晶体随机各向异性模型，解释了纳米晶合金的软磁行为。 根据图2 2 所示，考虑晶粒尺寸为d 、晶粒的磁晶各向异性常数为蜀、晶粒之问存在铁磁 耦合、磁矩随机取向