（微电子学与固体电子学专业论文）磁性薄膜基本磁参数测试方法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 社会的日益信息化发展使得磁性材料，尤其是磁光记录材料作为种新型的大容 量信息存储介质受到愈来愈多的研究和重视。它不仅广泛地出现在人们的日常生活中， 而且在国防中也无所不在。随着磁性材料应用的发展，对材料的性能参数进行准确的 测试具有了更为重要的意义。 本文详细地论述了利用磁滞回线和磁转矩曲线计算磁性材料基本磁参数的理论基 础和数学方法，并对各种计算方法进行了比较。在理论上系统地研究了用振动样品磁 强计和自动磁转矩测试仪测试磁性材料基本磁参数的原理，并针对磁光记录薄膜材料 体效应信号微弱的特点，从测试系统的硬、软件两方面着手加以研究解决。较之其它 系统而言，它的优点在于测试结果准确，能真实地反映出材料的静态磁性能。 在硬件线路上我们采用了锁相放大技术、光电转换技术、机电一体化、差动放大 等技术，有效地抑制了外界噪声的影响，解决了微弱信号检测的问题，因此，较好地 扩展了仪器的测试范围，提高了测试精度。 在这套测试系统优良的硬件环境下，利用计算机辅助测试技术，我们实现了计算 机自动采样功能，并在此基础上设计了配套测试软件。本套软件实现了对测试系统的 自动控制、温度控制、自动数据采集、数据处理与分析、输出待测样品的磁滞回线或 磁转矩曲线、4 5 0 角测试曲线等功能，并能计算出样品矫顽力h c 、饱和磁化强度m s 、 各向异性常数k u 等基本磁参数。由于采用了目前比较先进的面向对象程序设计( o o p ) 的设计方法，全菜单驱动方式工作，因此具有界面友好，使用方便的优点。 关键词：磁性材料，基本磁参数，计算机辅助测试，系统设计 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= ；= 日；= ；= ；= = = = = = = = = = = 自= = ；= = = = = 一 a b s t r a c t a sah i g h - c a p a c i t yi n f o r m a t i o ns t o r a g em e d i a ，m a g n e t o - o p t i c a l r e c o r d i n gm a t e r i a l s h a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni n i n f o r m a t i o n i m p o r t a n ti n c r e a s i n g l ys o c i e t y b e c a u s eo fi t s h i g hs t o r a g ed e n s i t y i np a c ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t o o p t i c a l m a t e r i a lt h e o r ya n dm a t e r i a lp r e p a r i n gm e t h o d s ，e f f e c t i v ei m p l yt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sh a v e a t t a i n e dm o r ea n dm o r er e s e a r c h e rt h e r ea r et w om a t u r em e t h o d st om e a s u r et h em a t e r i a l b a s i cm a g n e t i cp a r a m e t e r ：f i r s t ，t om e a s u r et h ei n t r i n s i c m a g n e t i cp a r a m e t e rb yv 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 ；s e c o n d ，t om e a s u r et h em a g n e t i ca n i s o t r o p yb ym a g n e t i ct o r q u e m e a s u r e m e n t c o m p a r i n g t oo t h e rm e t h o d s ，t h ea b o r et w om e t h o d sa r ee a s i e rh a n d l e da n d a c c u r a t e s ow eh a v ed e v e l o p e db a s i cm a g n e t i cp a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e mo fm a g n e t i c m a t e r i a l s ，i n c l u d ev s m a n d m a g n e t i ct o r q u em e a s u r e m e n t b e c a u s ew e a d o p tp h a s e l o c k i na m p l i f yt e c h n o l o g y , t h em e a s u r i n gr a n ga n da c c u r a c y i si no n el i n et oa b r o a ds a m et y p ei n s t r u m e n t s b a s eo ft h e a d v a n t a g eh a r d w a r eo ft h e m e a s u r i n gs y s t e m , w ed e v e l o p e d a m e a s u r i n g s o f t w a r eb m p c a tm a s i c m a g n e t i c p a r a m e t e rc o m p u t e ra i d e dt e s t ) ，w h i c hr e a l i z et h ea u t o m a t i cm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ga n d t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gf o rt h eo v e r a l lm e a s u r i n gs y s t e m b m p c a th a v et h ef u n c t i o no f d a t a s a m p l i n g d a t a d e a l i n g ，p a r a m e t e rc a l c u l a t i n g b yu s i n gb m p c a tw e c a nd r a w m a g n e t i z a t i o nc u r eo rh y s t e r e s i sl o o pa n dm a g n e t i ct o r q u ec u r v ei nt h es c r e e no fc o m p u t e l o b t a i nb a s i cm a g n e t i c p a r a m e t e r ss u c h a sh e 、m s 、b s 、b r 均m a x 、m a g n e t i c a n i s o t r o p y c o n s t a n tk u l 、k u ：a n ds oo n b yu s i n gt h ea d v a n c e do o p ( o r i e n t e d o b j e c tp r o g r a m ) d e s i g n a t i o nt e c h n o l o g y , m e n u p u s hw o r k i n g m a k et h es o f t w a r ef r i e n d l ya n d e a s yh a n d l e k e y w o r d s ：m a g n e t i cm a t e r i a l s ，b a s i cm a g n e t i cp a r a m e t e r , c o m p u t e ra i d e dt e s t , s y s t e md e s i g n a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = = 2 = = = ；= = = = = ；= = = = = ；= t ：= 1 绪论 1 1 磁性薄膜材料的现状与发展 近5 0 年来，磁学和磁性材料学科领域有非常巨大的发展。2 0 世纪4 0 年代末5 0 年 代初发展起来的有铁氧体软、硬磁材料，磁记录材料和技术，微波材料和雷达技术；5 0 年代后期发展较快的有石榴石材料和微波磁性材料；从6 0 年代中期出现了sm c0 第 一代稀土永磁；到9 0 年代初出现了快淬、吸氮及纳米晶复合稀土永磁；从6 0 年代末和 7 0 年代初发展起来的非晶态台金，到9 0 年代初出现了纳米晶软磁材料。薄膜磁性的研 究始于上世纪4 0 年代，到现在，各种大块材料都以其薄膜形态存在，并表现如优异和 独特的磁性，如各向同性磁电阻；同时还出现人工设计的超晶格( 常称之为多层膜) 、三 层膜、隧道结膜，和基于磁电阻效应的磁电子学。磁性薄膜在磁记录和磁光存储技术方 面已有广泛的应用，形成了巨大的产业，在本世纪将会有更大的发展n “。 1 8 9 8 年，丹麦工程师波尔逊首次用磁存储方法将声音记录于钢丝上，然后重新播 放。自此以来，磁性材料的应用越来越广泛，利用它可对多种图像、声音、数码等信息 转换、记录、存储和处理。随着电视机、计算机、摄像机和录音机的发展，这些磁信息 材料的应用就越来越重要了，随之出现了多种磁记录方法。磁记录是一种电与磁的转换 过程。磁信息材料中有些属于永磁材料和软磁材料，由于它在性能上的特殊要求，它可 分为：磁记录材料、矩磁材料、磁光材料和磁泡材料。 磁记录材料主要包括磁头材料和磁记录介质材料。磁头材料是由软磁材料构成的， 它具有高导磁率，高饱和磁化强度，低矫顽力，高力学强度，高电阻率等特点。非晶磁 性材料及由磁性不同的多层膜组成的新的磁头材料，由于非晶磁性材料无晶界，故能避 免磁头尖部的脱落，磁头和磁带的摩擦磁噪音也比一般磁头小，音响效果优良且使用寿 命长。磁记录介质由永磁材料构成，具有适当高的矫顽力、高剩磁比和陡直的磁滞回线。 强磁氧化物微粉、强磁金属微粉、强磁金属薄膜可用作磁记录介质。如今人们广泛使用 的磁带、磁盘、磁卡就属于磁记录介质。 矩磁材料制成的磁芯或磁膜可以组成计算机的内存储器，利用它的两个剩磁状态来 实现“0 ”和“1 ”两个代码的存储。无触点式继电器也利用矩磁材料的两个剩磁状态来 实现电路的“开”或“关”，这种继电器工作可靠，使用寿命长。 磁光材料和磁泡材料都是随夺储技术的发展而开发的新型磁盘信息存储材料。磁光 材料能使光在磁场作用下改变它的传输和反射方向。如磁光克尔效应是指线偏振光入射 到施加磁场的磁性材料表面反射出去时，偏振面发生旋转的现象，偏振角旋转的大小和 方向也与磁场强度、材料磁性和磁场方向有关。应用较多的磁光存储材料主要有锰铋系 磁膜和t b _ f e 系、c d c o 系非晶磁膜材料。磁光存储正是利用磁光效应对信息进行存取， 华中科技大学硕士学位论文 将偏振光束投射到加有写入磁场的磁光材料上，受光照射部分矫顽力降低，材料的磁化 方向将与写入磁场的方向相同，这样便将代表不同写入磁场方向的0 或“1 ”信息存 入磁光存储器，当光移开后，矫顽力增大，使存储的信息不易丢失；要读出信息时，只 要将偏振光束照射到信息点上，因信息点处的磁化方向不同，反射光的偏振角方向也不 同，由此就可知该点存储的代码。磁光材料还用在光通信、光雷达等光电子学技术和遥 感技术中，用作磁光隔离器，磁光调制解调器和磁光变换器等。 磁泡材料是指在一定外加磁场作用下具有磁泡畴结构的磁性薄膜材料。当外加磁场 增加到某一程度时，磁性晶体的些磁畴便缩成圆柱状，其磁化强度与磁场方向相反， 像一群浮在膜面上的小水泡( 称为磁泡) 。6 0 年代末期，开始提出用磁泡作为存储器的 想法。利用磁泡的有和无代表“l ”和“o ”，实现信息的存储。控制磁泡的产生、清除 和检出以实现信息的写入和读出。磁泡存储器容量大、体积小、无高速运动的机械部分，、 性能稳定，但由于价格高，因此仅用于军用的特别要求场合。可用作磁泡的材料主要有 石榴石型稀土铁氧体系、t b - f e 系、g d - c o 系非晶磁膜、钙钛石型铁氧体系等。 磁存储的优点是便于录放。与光存储介质相比，虽然磁存储介质的分辨率低，寿命 也有限，但在数据的备份保存上有其存储量大、成本较小的优势，今后一段时问内，磁 存储介质在录制和备份上的地位依然是稳固的。随着研究与开发的深入，科学家们不断 研制出一系列高科技磁盘，将磁存储技术推向一个新阶段。 日本索尼公司最近透露，该公司正在与化工企业日本泽翁公司共同开发世界上第一 个用于计算机硬盘驱动器上的塑料磁盘。据日本经济新闻报道，制造容量为5 千兆 字节的塑料磁盘的成本将比传统的铝质磁盘低3 0 至4 0 。索尼公司的发言人说，生产 成本可能会更低，因为塑料磁盘不需要铝质磁盘所需的抛光工艺。据泽翁公司称，批量 生产可能在今年年底开始。索尼公司正在与美国卡斯尔伍德设备公司就采用塑料硬盘的 硬盘驱动器的商业推广事宣进行磋商“1 。 日本科技厅下属的一家国立研究机构的人员称，该机构和夏普公司的研究人员已研 制成功一种存储磁盘，这种磁盘比数字视盘的存储容量高4 0 倍。国立跨学科高级研究 所首席科学家后田说，采用新技术制造的这种直径s o 5 厘米的磁盘，可以在1 2 0 分钟 的时间长度内储存4 0 部影片。这种新磁盘每个可以储存2 0 0 g b 数据。后田说，该研究 所计划在今后2 到3 年内同夏普公司以及另外三家日本公司合作制造出这种新磁盘以及 磁盘驱动器的样品。 美国康奈尔大学的科学家正在研制一种超小型计算机磁盘，其体积比书刊中的句号 “。”还要小，容量却相当于同体积现有磁盘的1 0 0 倍。这种磁盘由一组纳米级磁棒组 成，磁棒长度仅为2 5 纳米。该大学科学家斯蒂芬伊沃伊指出，长度小于1 0 0 纳米的 磁条有一个特性，即被磁化时，磁棒两头会各自形成一个独立的磁畴，磁场内所有的原 2 华中科技大学硕士学位论文 子完全成线状排列，因而可用于制造计算机磁盘。其原理是：磁条可根据其南北极指向， 分别表示“1 ”和“0 ”，而极性的变化由电场来控制。据悉，这种用纳米磁性材料研制 的高密度磁记录材料，寿命高于一般磁带一倍以上，前景十分广阔。 磁光记录的研究工作始于1 9 5 7 年，当时由w 订l i a n m s 等人使用蒸发的y m b i 薄膜作 为记录材料，用一只加热笔进行写入实验，通过磁光效应来观察磁畴的写过程。此次实 验奠定了磁光记录的基础，但由于相关技术( 如激光技术、精密加工技术、信号处理技 术等) 研究没有跟上，使得磁光记录技术在此期间发展缓慢。到了7 0 年代，随着整个 国际社会的生产能力和技术水平的提高，以及磁光记录技术基础研究的完善，磁光记录 得到了巨大的发展。2 0 世纪8 0 年代，第一代实用化磁光盘问世，此后十多年间，从技 术性能上，磁光盘产品从第一代发展到第四代，单盘存储容量增加十多倍。从产业规模 上，各种尺寸的磁光盘年产量上亿张，并成为计算机可移动外部存储的主流产品之一。 当前实用化磁光盘的尺寸主要有直径1 3 0 r a m ( 5 2 5 ”) 、9 0 m m ( 3 5 ”) 、6 4 m m ( 2 5 ”) 三 种为了与cd 及dv d 系列产品兼容，不久将推出1 2 0 m m 磁光盘。现有产品中在计算 机中应用的以9 0 m m 为主，音像领域中应用的以6 4 m m 为主。9 0 m m 和6 4 m m 磁光盘的市场 近几年来每年以3 0 5 0 的速度增长。 从技术性能上看，磁光盘的发展主要体现在记录容量加大和数据交换速度提高两方 面。1 9 8 7 年推出第代磁光盘产品，容量为6 5 0 m b ( 巾1 3 0 r a m ) 和1 2 8 m b ( 中9 0 r a m ) ，平 均存取时间为1 5 0 m s ，数据传输率为0 1 5 旧s ：1 9 9 3 年推出第二代磁光盘产品，容量为 l ，3 g b ( 中1 3 0 m m ) 和2 3 0 m b ( 巾9 0 m m ) 平均存取时间缩短到4 0 m s ，数据传输率达2 髓s ； 1 9 9 6 年推出第三代磁光盘，容量为2 6 6 b ( 中1 3 0 u 脚) 和6 4 0 m b ( 中9 0 m m ) ，平均存取时间为 2 8 m s ，数据传输率为3 4 y b s ；1 9 9 9 年推出第四代磁光盘产品，容量为1 ，3 g b ( 中9 0 m m ) ， 平均存取时间小于2 8 m s ，数据传输率4 6 m b s 。 磁光存储技术一直是在与磁记录技术和其他光盘技术相互竞争、相互推动中发展 的。这些竞争主要围绕存储密度( 容量) 、存取速度、数据传输率、使用方便性及成本 而进行。为了提高这些性能，每代额产品都发展了一系列高新技术成果，如记录介质技 术、短波长激光技术、光盘增容技术、数字伺服技术、检纠错技术、直接重写技术、磁 超分辨技术等。近来的技术发展使得磁光存储系统的性能为更多的用户所接受，稳固地 确立了在众多可移动存储媒体中的地位。 在过去的十多年中，磁光存储技术已经获得了迅速发展。在2 1 世纪，随着磁光存 储相关技术学科，如激光技术、材料科学、微电子技术、细微加工技术、计算机与自 动控制技术的发展，磁光记录技术在记录密度、存储容量、数据传输率、存取时间等方 面必将会得到更大发展，磁光记录技术的前景是光明的。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 基本磁参数测试技术的发展 社会的目益信息化发展使得磁性材料，尤其是磁光记录材料作为一种新型的大容量 信息存储介质受到愈来愈多的研究和重视”。它不仅广泛地出现在人们的日常生活中， 而且在国防中也无所不在。因此，如何判断磁性材料的好坏，如何对磁性对材料的性能 参数进行准确的测试就显得尤为重要了。 磁性材料的基本静态磁特性参数包括：饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力、起 始磁化率、磁能积、剩磁比、磁各向异性常数等等。随着对材料结构、材料的制备方法、 磁光记录理论研究的进一步发展深入，如何准确有效客观地评价材料的性能也就吸引了 越来越多的研究人员注意。而用振动样品磁强计和磁转矩测试仪来测试分析就是两种较 为成熟的静态磁参数测试方法。振动样品磁强计( v s m ，v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ) 测试技术是s f o n e r 五十年代在综合了磁性测量中磁感应法与磁强计法二者的优点下提 出的。它具有如下优点： 1 1 矩测量范围宽，灵敏度、精确度高，可以测量微小样品。 2 、几乎没有漂移，能长时间测量。 3 1 可以测量与温度相关的磁特性。 4 1 可以测量与不同磁化方向相关的磁参数。 近年来由于现代电子技术尤其是锁相放大技术的发展，极大地提高了其灵敏度和稳 定性，扩展了其使用范围。一般而言，其测试精度可以达到2 l o e m u ，测试范围可达 00 0 】5 0 e m u 。 现在在国外，已经有不少的研究人员在进步改进振动样品磁强计以获得新的应 用。如美国和日本的一些科研单位研制了二维甚至三维的振动样品磁强计“1 ，利用这 种二维( 三维) 的振动样品磁强计，可以直观地看出材料中磁化矢量的分布情况，同时 还可以观察到它们在外场的作用下的变化情况。 用作高密度磁光记录的磁性薄膜都需要垂直于膜面的磁各向异性。各向异性的大小 直接影响材料的磁特性和使用特性。尽管对于具有完全矩形磁滞回线且为一致转动磁化 的薄膜，可以用式鼢，：- 兰( i - i c + 4 a g s ) m s 来计算k u 或从难轴磁化的线性磁滞回线外推 z 到饱和得到h c 来计算勋；也可以用铁磁共振来测量薄膜的忍，但两者的使用都受到 一定的限制，而且不够直观。与之相反，利用自动磁转矩仪测量薄膜材料的转矩曲线具 有下列优点： 可以直接从转矩曲线判断薄膜磁各向异性( 是否为垂直磁化膜) 以及能量与妒角的 华中科技大学硕士学位论文 分布关系( e ( ) 为l ( 驴) 的积分) 。 n 通过材料的转矩曲线，可以定量地计算各阶磁各向异性常数k u 的大小。而对 垂直磁化膜来说，还可以测出饱和磁化强度m s 。 2 、通过变温测试，得到不同温度下的转矩曲线，获得薄膜特性( k u ，m s ) 随温度 变化的曲线，从而判断薄膜的温度特性及温度稳定性。 3 1 通过不同场强下的转矩曲线可得到材料各向异性弥散分布的重要信息。 因而自动磁转矩仪为研究磁性薄膜各向异性及温度特性的重要设备。 目前已经有韩国、日本等国家的研究机构和研究人员利用磁转矩仪来获取更多的材 料静态磁性能指标，如采用特定的数学处理方法，通过磁转矩曲线来计算h c 、m s 以及 获取m h 磁滞回线，在一定条件下可以得到比振动样品磁强计更为精确的结果。 1 3 本文研究的主要内容 磁光记录材料在信息存储领域日渐重要，准确而有效的评价磁光记录材料的磁特性 就是进一步研究磁光记录材料的有力手段。本文从磁光记录材料的静态磁参数测试原 理、数学基础着手，结合静态磁参数综合测试系统的硬软件研制，从理论和实验两方面 阐述了磁光记录材料静态参数综合评价系统的性能。本文的主要内容： f 1 1 测试系统的理论基础：从静态磁参数的测试原理出发，系统研究了磁转矩仪、 振动样品磁强计的工作原理以及数学处理基础，分析了各种处理方法对系统 测试精度、测试复杂程度的影响。 f 2 ) 具体介绍了测试系统的硬件结构，从理论上研究了静态磁参数测试系统的误 差来源，推导了静态磁参数测试系统的理论误差下限，对测试系统的评价具 有一定的指导意义。 ( 3 1 介绍了静态磁参数辅助测试系统的接口规范、系统结构和工作原理，研究了 噪声抑制的数学理论基础。 f 4 1 系统介绍3 n 试软件的数据处理流程和数字信号处理方法。 ( 5 1 利用v s m 和自动磁矩测试仪测试了一组样品，并对测试结果进行了分析和比 较。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 研究磁各向异性的数学方法及模型 磁性薄膜的磁各向异性能量常数肋是磁性薄膜的一个重要属性。肋的测量一直是 许多研究项目的课题。本章的目的就是要比较几种最常用于测量磁性薄膜肋的方法。 这样的比较是必需的，因为不同的方法给出不同的结果。测得的肋的差异来自于所涉 及的不同的自发磁化过程和计算方法的差异。下面首先讨论磁晶各向异性的唯象理论。 2 1 磁晶各向异性的唯象理论 从宏观晶体对称性出发，磁晶各向异性能可区分为单轴型和多轴型两类。推导磁晶 各向异性能的数学表达式，有两个重要思想基础”“。其一，磁晶各向异性能依赖于自 发磁化强度矢量m s 对晶轴所取的方向，则磁晶各向异性能可以表示为m s 对晶轴方向 余弦的函数关系，用e 。表示单位体积内磁晶各向异性能，只代表m s 对晶轴的方向余弦， 这个函数即为e = ，( 臼) 的形式。其二，由于晶体总有宏观对称性，m s 处于晶体对称位 置，将其作镜面反映变换操作时，p ，有可能改变符号，但是毛在对称位置是不变的。 一、单轴磁晶各向异性 工程上最重要的应用是一个轴的正、负方向上磁各向异性能最小，即单轴磁各向异 性。在六角晶系晶体中，它们都具有单轴磁晶各向异性。这种单轴磁晶各向异性，使自 发磁化强度矢量的稳定取向，在室温下平行于六角晶系 o o o i 轴。如图2 - 1 所示。 显然，当磁体内部磁化强度矢量m s 旋转离 开 o o o u 轴时，磁晶各向异性能随臼的增大而增 加，在臼= 9 0 0 时达到最大，n o = 1 8 0 0 时，却减 少到臼= 0 0 时的值。 设b 是单轴磁晶各向异性能密度，由于 化轴 o 0 0 1 上是口的函数，并随目增大而增加，则可图2 1 单轴磁晶坐标示意图 以表示为s i n 8 的幂级数形式； h = a 。+ a ls i n 0 + a 2 s i n 2 口+ a 3 s i n3 毋+ t - ( 2 1 ) 考虑六角对称性，目无论向左向右，虽然目的方向在变，但是的值在对称位置 不变，故含有s i n p 的幂级数展开式中，只能含有s i n 0 的偶次方项，a 1 a 3 等奇次项为 0 。系数a o 、a 2 等用磁晶各向异性常数k u 代替，则单轴磁晶各向异性能的表达式为： 氏= k 。+ 世。1s i n2 0 + 足。2 s i n4 占+ ( 2 2 ) 6 译 华中科技大学硕士学位论文 式中k o n 常数，当0 = o 时，氏= g o ，k u l 和幽z 称为单轴磁晶各向异性常数。 二、立方晶体的磁晶各向异性能 假设铁磁体是没有变形的理想晶 体，如图2 2 所示。理想的立方晶体的立 方边与直角坐标系的坐标轴重合。口， ( 扛1 , 2 3 ) 为m s 对x ，y ，z 轴的方向余 弦，即岱1 = c o s 0 1 ，口2 = c o s 0 2 ， = c o s 0 3 。因为d ， i 2 h 。) 则k ：。= j 1 呖d l ) 。 k 、= 一百1 【呖d l ) 。+ ( 丽d l ) 。 当臼- 0 0 时，( 等) 。= 【1 - 2 k ：，帆町1 f 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) f 2 - 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 0 = 9 0 0 时，( 等) m _ 1 - 2 k ：。似日- 4 k ：i m s h 】- 1 ( 2 - 4 1 ) 埘 蚴 柳 p 陋 华中科技大学硕士学位论文 定义表观各向异性参数 皤o 。= 吉( 。( 2 - 4 2 ) ( k 。：) 。= 一j 1d d l 旷。+ ( 万d l ) 。】( 2 - 4 3 ) 得k j = 函 ( 2 _ 4 4 ) k 弧 。器一器( 吒) 。 ( 2 4 5 ) 式中 爿( ) = 【l 一4 眯：，) 。m ，h i 一2 ( k ：，) 。】- 1 1 2 皤：，) 。m 。灯】 曰( ) = 卜爿( 日) d ( 日) = 1 + 2 ( k j ) w m ；h + 4 ( k 。：) m m ；日 将上式改写成 士= 軎+ j l = a + k h ( 2 4 6 ) ( k ) 。k m ，h 、 以l ，( ：) 。为纵坐标，i h 为横坐标，作1 ( 足：，) 。一1 h 直线，通过直线的斜率和截距a 可得样品的k ：= 1 a ，m ；= 2 k 。 由于是求在易轴处的斜率，只需较小的日就可以使m 沿易轴取向，因此壁移的 影响完全没有t 所得的k ：。与k u 无关，无需h h c 或h k 的条件，因此该方法是一种更为 适用的方法，特别是对具有特别大的缸，的t b f e c o 膜斜率法所测误差仅为o 5 ，说明此 法有很好的精度。 2 6 转矩曲线分析法 假定磁性薄膜只有单易磁化轴，易磁化轴与薄膜法向夹角为占。自发磁化方向m 与薄膜法向夹角为0 ，外磁场h 方向与薄膜法向夹角为毋，如图2 - 4 所示。我们仅考虑 一阶磁各向异性常数鼢l ，而忽略其它各阶- 我们定义k s = 2 n v ；，其中m s 是饱和磁化 强度蚓。 13 华中科技大学硕士学位论文 在给定的较小磁场下，自发磁化方向与易 轴方向相关，另一方面，加大外磁场，自发磁 化方向将与外磁场方向一致。在一般的磁场强 度下，磁化矢量与外磁场有定的夹角( 庐一日) ， 系统的总的磁场能可以表示为 e = k us i n2 ( 目艿) + k s c o s 2 0 一m s h c o s ( # 口) 膜而法向 i ea 6 m q ， 嗅面 彭少 h ( 2 4 7 ) 图2 - 4 薄膜磁化坐标示意图 式中第一，二，三项分别代表磁晶各向异性能，形状各向异性能，和外磁场能。自发磁 化方向由平衡条件( 0 e o e ) = 0 决定。这样，我们可以得到： k us i n2 ( 0 一j ) - k s s i n 2 0 一m s h s i n ( # 一口) = 0 ( 2 - 4 8 ) 又转矩可以表示为： l = 一胁日s i n ( # 一目)( 2 4 9 ) 4 ( 2 一a s ) 式和( 2 4 9 ) 式，我们可以得到平衡条件下转矩f l = k s s i n2 0 一k u s i n 2 ( 0 一占)( 2 5 0 ) 用厶，表示测得得转矩曲线第一个转矩峰值，丸为在第一个周期内转矩等于0 的庐 角，破，戎分别是转矩曲线出现第一个正、负峰值的角，如图所示。由于l ( 丸) = 0 ， 由( 2 4 9 ) 式和( 2 5 0 ) 式可得： k s s i n 2 丸= k u s i n2 ( 丸一j ) ( 2 - 5 1 ) 现在我们定义b0 ：为庐等于识，识u c o 的取值，由( 2 4 9 ) 式可得： k s s i n2 0 j k u s i n ( 0 j 一占) = 上。 r 2 5 2 ) k s s i n2 8 z k u s i n ( 0 2 一j ) = t - l 。( 2 - 5 2 ) 转矩第一个峰值l 。为正时，用上面的符号，否则用下面的符号。( 2 5 2 ) 式与( 2 5 3 ) 式相加得 k s ( s i n 2 鼠+ s i n 2 岛) 一k u s i n 2 一j ) + s i n2 ( 0 2 一万) 】= 0 ( 2 5 4 ) l4 华中科技大学硕士学位论文 又0 2 = 0 1 + x 1 2 ( 2 5 2 ) 一( 2 5 3 ) 得； k s 2 s i n ( o l 一0 2 ) c o s ( 0 1 + 扫2 ) 卜k u 2 s i n ( 0 1 0 2 ) c o s ( 0 j + 0 2 2 a ) 】= 2 l p 将( 2 - 5 5 ) a 4 t ；2 , ( 2 5 6 ) 式、1 ：i z 导： - k s c o s ( 0 l + 吼) + k uc o s ( 0 l + 0 2 2 6 ) = 工p 又等于识，如时，( 越，a ) = 0 ，我们从( 2 4 9 ) 式可得： 0 1 + 曰2 = 矽1 + 如 考虑到转矩曲线的对称性，我们可得到： + 如2 2 丸+ 丌 由( 2 5 7 ) ，( 2 - 5 8 ) ，( 2 - 5 9 ) 式，可得到： k s c o s 2 # o 一胁c o s 2 ( | ( b o 一6 ) = + - l 。 由( 2 5 1 ) 式和( 2 6 0 ) 式，可以推出： k u = ( 缸2 + e 士2 k s l p c o s 2 # o ) “2 6 = 织一尹1 c t a n l r 面k 忑s s 丽i n2 # o 转矩第一个峰值l 。为正时，用上面的符号，否则阁下耐的符号。 r 2 5 5 ) ( 2 5 6 ) f 2 5 7 ) ( 2 - 5 8 ) ( 2 5 9 ) f 2 - 6 0 ) f 2 6 0 ( 2 - 6 2 ) 15 华中科技大学硕士学位论文 3 磁化曲线及磁滞回线的理论基础和数学方法 3 1 磁化曲线的基本特征 磁性物体从磁中性状态开始，受到一个从零开始单凋增加的磁场作用时，其磁化强 度m ( 或磁感应强度b ) 随外磁场强度h 变化的曲线称为起始磁化曲线，以后简称磁化 曲线，写成m = f ( ) 的函数形式。抗磁性、顺磁性和反铁磁性磁体的m = f ( ) 为一 直线；铁磁性、亚铁磁性磁体的磁化曲线最示复杂的函数关系如图3 一i 所示。磁化畦日 线可以分为五个特征区域0 4 。”1 ： ( 1 ) 起始磁化区域 外磁场强度很小，属于弱磁场范围，其 m 磁化特点是可逆磁化过程。所以这个区 域又叫可逆磁化区域。在这个区域内m 或曰与之间的关系近似为 m z i h b 一“，“f h ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 式中而和“分别称为起始磁化率和 图3 1 磁化曲线 起始磁导率。它们是铁磁体的重要磁性参数。五和“的关系是1 。= 1 + 以。疋或“的 数值可以在弱磁场下外推到零来获得。风称为真空磁导率。= 4 石1 0 7 日所一。 ( 2 ) 瑞利( r a y l e i g y ) 区域 这个区域的外磁场仍属于弱磁场范围根据实验规 律，瑞利近似描述了磁化曲线规律的经验公式为 m = 五日+ b h 2 ( 3 - - 3 ) b = 。( 。h + 6 2 ) = o 口h ( 3 - - 4 ) 式中= 风+ b h ，b 称为瑞利常数。 ( 3 ) 陡峻区域在中等磁场范围内，当磁场变化很小时，而磁化强度m 或磁感应强 度b 的变化十分显著且急剧地增加，其磁化特点是不可逆磁化过程，出现了巴克豪生跳 跃( b a r k h a u s e nj u m p s ) 的急剧变化过程。所以所以磁化率z 和磁导率都很大并达到 最大值( z 。或。) ，因此也可称这个区域为最大磁导率区域。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 趋近饱和磁化区域 在强磁场作用下，磁化强度m 随磁场h 变化比较缓慢， 磁化曲线变化较为平缓，最后，肘随日变化而逐渐地趋于技术磁化饱和。其磁化特点 是m 随的变化规律普遍符合经验公式 ， m = m ，( 1 一 ： 一彳手f _ ) + z ，h ( 3 - - 5 ) - 式中，a 、b 是与材料性质有关的常数。式( 3 5 ) 所表示的磁化规律又称为趋近饱 和规律。 ( 5 ) 顺磁磁化区域一般自发磁化是通过交换作用而形成整齐排列的。然而在一 定温度下，热扰动的作用，打乱了这种排列。强磁场可以把由温度造成的扰动加以消除， 并把绝对饱和磁化进一步增加。然而所获得的磁化强度m 增加很小，因此磁化曲线趋 于水平，磁化强度增加很小。而且，这样强的磁场，在在工程技术上是很难得到的，所 以，顺磁磁化过程一般在技术磁化是不考虑的。 根据以上分析，磁化曲线除极高磁场下的顺磁磁化区域外，包括：起始磁化区域、 瑞利区域、陡峻区域直到饱和磁化区域，称为技术磁化过程。 图3 2 为铁磁体的典型磁滞回线。当磁性材料磁化至趋近饱和以后，如果将磁场h 降低，则磁化强度m 沿着另一曲线下降，当磁场日降低到h = 0 时，这时m 0 ，而是 保持有一定的磁性，即有剩磁m = m 存在，称为剩余磁化。这种现象又称为铁磁体的 磁滞现象。它说明在磁场下降到h = 0 的反磁化过程中，磁化状态并没有回复到原始磁 中性状态( h = 0 ，m = 0 ) ，而是处于一个剩磁状态( = 0 ，m = m 0 ) 。磁滞现象是构 成磁滞回线的原因。如果磁场h 继续反向增加，使 彳下降到m = 0 时，此时反向磁场 的大小达到“一”m ”，称为内禀矫顽力。 一般在讨论铁磁体的磁化过程和磁特性时，常用“m h c ”表示磁性材料的内禀矫顽力； 技术应用上所说的h c 是指磁感矫顽力“批”。由此可见，磁化曲线和磁滞回线上的这 些参数，描述了在外加磁场作用下的基本磁特性。不同的材料可以有不同形状的磁化曲 线和磁滞回线。图3 2 表示出般软磁和永磁材料的磁滞回线。 实验证明磁化曲线和磁滞回线灵敏地依赖于磁性捌料的微观结构，如晶粒大小、 晶粒排列取向、内应力分布等。因此，由磁滞回线上反映的参数而或，、z 一或一、 h c 以及m r ( 或b ，) 等磁特性参数被称为材料的结构灵敏特性。 在实际应用中，往往根据不同用途和要求，对所用材料的磁特性提出不同的要求。 例如对于软磁材料，一般要求具有高。低胁；永磁材料则要求高h c 、高所或高m r 和高的( b h ) 。 华中科技大学硕士学位论文 j + m j 剩余磁化强度 缮斗m 一 r- m h c 二mr、。 矫顽力 一 g 妒 1 h m 7 l 3 2 静态磁参数分析 ( 一) 材料的饱和磁化强度 如的测定 在多晶体中，晶粒边界处存在退磁场作用。由于晶粒问的这些磁的相互作用，使各 晶粒中的磁化过程变得更加复杂，因此多晶体磁化曲线不能用单晶体理论磁化曲线的简 单叠加来处理。只有在强磁场作用下，磁化已经趋近于饱和状态，各晶粒内磁化强度矢 量m s 与磁场日方向偏角很小时，多晶体的磁化曲线才可以通过理论来计算。研究表明， 趋近饱和状态下的磁化曲线，对于各种磁性材料几乎都有类似的形状。可以用以下经验 公式表示“”4 ”： 肼。= 帆( 1 一号一斋) + x p h ( 3 1 ) 式中z 。称为顺磁磁化率。m , v 为沿外磁场h 方向上的磁化强度，可以表示为 m h = m ，_ c o s ( 0 ， ( 3 7 ) v i 为铁磁体内第1 个磁畴的体积。n 为第1 个磁畴的磁化矢量m s 与外磁场日方向 间的夹角。 式( 3 - - 6 ) 表示铁磁多晶体在强磁场下，趋近饱和磁化所具有的普遍规律，称为趋 近饱和定律。式( 3 6 ) 第一项表明，以磁场h 的负幂级数趋近饱和与技术磁化过程 相对应，而其中的系数a ，b 则表示了技术磁化过程中所受到磁化阻力的大小，它们随 材料的不同而变化。第二项表示顺磁磁化过程。 由( 3 - 6 ) 式可知，当磁场强度在强磁场中某一范围时，如果能够略去b 和z 。h 项，则趋近饱和定律可以表示为 l8 华中科技大学硕士学位论文 监：监m s - m i ， hm sa ( 3 8 ) 从( 3 - - 8 ) 可以看出，在适当高的磁场范围内，鲁与m ，之间近似为直线性关系。 当求得直线部分后，可以外推到! 望h r 旦 。，即可求得 靠的值。这利l 方法是精确测定利 料m s 的方法之一。 ( ：二) 材料磁晶各向异性常数k l 的测定 将式( 3 - - 6 ) 对h 进行微分后，可得 等= 胁c 素+ 等川 = m s ( a l l + 2 6 + ) 矿1 + z ，( 3 - - 9 ) 泽林斯基( c ：e r l i n s k y 户- - “在磁场不太高的范围内，对铁和镍测量得到鲁为月的 函数关系，并画出等与亭的函数关系。 a = 0 时，关系为直线关系。从直线的斜 率就可以确定出铁和镍的b 值。 b ：三乙 ( 3 一l o ) 1 0 5 0 2 w 。2 然后再根据式( 3 1 。) 求出k l 的数值。在零点附近，即在高的磁场范围内，面d m f ! 与专 的函数关系偏离直线，这个事实表明a h 项存在。只有当磁场不太高。2 b a h 时，等 与专之间才有直线关系。 ( 三) 矫顽力h c 和剩余磁化强度m r 的测定 矫顽力h c 和剩余磁化强度m r 这两个重要的磁性参数都是在饱和磁滞回线上定义 的。矫顽力表示反磁化过程中使m = 0 ( 或b = o ) 所需的外磁场。剩余磁化强度m r 则表示铁磁体磁化至技术饱和以后，再减小磁场，当外磁场日= 0 时，在原外磁场方向 华中科技大学硕士学位论文 = = 2 = = = = = = = = = = 1 2 = = = = = = ；= = = 一! ! 上所剩余的磁化强度。h c 常作为不可逆磁化过程的临界磁场h o 的平均值瓦来进行计 算。h e = h o 的物理意义就是相应于铁磁体中大量地进行反磁化的平均磁场。当外磁场 达到h o 值时，表明铁磁体内的不可逆磁化过程已大部分完成。 磁滞回线有两种表示方法，即占 关系和吖_ h 关系，所以矫顽力h c 也有两种定义。如图3 3 所示。在 b ? 的磁滞回线上，使b = 0 的磁场， 定义为b 胁，称为磁感矫顽力。 在肘目的磁滞回线上，使m = o 的磁 场，定义为胡c ，称为内禀矫顽力。在 一般情况下，以绝对值而论， i m h e l l 口c 1 。 ( 四) 矩形比的测定“” 。m 。 b b = ，l o ( h + m ) 少 t t o m = b ，l o h b r h m h c b h c0 图3 - 3b h 和m h 退磁曲线 表征磁滞回线矩形程度的参数用矩形比r 来描述。矩形比定义为r = b r b 。，b r 剩 余磁感应强度，& 为饱和磁感应强度。矩形比r 最高可达r = 1 。 在实际应用中，磁化并未达到饱和，为了描述其矩形性质，常用剩磁比r r 和记忆 矩形比r s 表示。 1 剩磁比黜 在最大磁场h m 的作用下，剩余磁感应强度 所与最大磁感应强度b m 之比定义为心，表 示为 r r = b r b m( 3 1 1 ) 2 记忆矩形比r s 在最大磁场h m 和其负半值( - 胁”2 ) 作用 下，用相应的最大磁感应强度b m 和b w m 来定义r ，即 r s = b h 棚m ( 3 1 2 ) 如图3 4 所示。图3 4矩形比r s 的定义 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = 一! ! 1 4 基本磁参数综合测试系统设计与分析 4 1 自动磁转矩测试系统硬件 磁光记录薄膜的磁各向异性是表征磁光材料记录特性、读写特性的重要参数。用 作高密度磁光记录的磁性薄膜都需要垂直于膜面的磁各向异性。各向异性的大小直接影 响材料的磁特性和使用特性。尽管对于具有完全矩形磁滞回线且为一致转动磁化的薄 膜，可用式k 。= 0 5 ( t o 。+ 4 死村。) m 。来计算或从难轴磁化的线性磁滞回线外推到饱和 得到h c 来计算k u 也可用铁磁共振法来测量薄膜的k u ，但两者的使用都受到限制， 而且不够直观。利用自动磁转矩仪测量材料的转矩曲线具有商观、稳定、精确以及能计 算多级各向异性常数等优点。 图4