（凝聚态物理专业论文）多孔铝上铁磁性薄膜的特性研究.pdf

两南大学硕十学何论文 摘要 多孔铝上铁磁性薄膜的特性研究 凝聚态物理专业硕士研究生：姚金才 指导教师：李国庆教授 摘要 阳极氧化铝模板( p a a ) 不仅制备工艺简单，而且得到的多孔氧化膜具有孔径分布均匀、孔密 度高、孔洞之间互相不连通，取向一致的特点，并且可根据实际需要调控孔径人小，是作为模板的 良好选择之一。近年来，以多孔刚极氧化铝为模板合成一维纳米结构材料受到了人们的关注，获得 了深入地研究。本论文主要研究了以阳极氧化铝膜( p a a ) 为衬底的磁性f e 膜在磁性方面的一些特 有性质，并用微磁学模拟软件o o m m f 模拟了f e 纳米线的自发磁化过程以及在磁场中的磁化翻转 过程。 本论文t 作的第一部分是对用磁控溅射得到的铝膜进行研1 极氧化，来制备多孔铝模板，并在获 得的p a a 上溅射沉积不同厚度的f e 膜。为进行对比，同时还在玻璃基底以及没有经过r i 极氧化的 铝膜上溅射沉积相同厚度的f e 膜，用振动样品磁强计( v s m ) 对不同基底f e 膜的磁特性测量得到： 一定厚度范围内，磁场平行和垂直丁薄膜表面时，p a a 衬底都可以增人f e 膜的矫顽力，这在磁记 录及磁存储领域具有重要的意义；当磁场与薄膜表面成不同角度磁性测量时发现，随着角度的增加， 矫顽力逐渐增大，当角度增加到一定值时，矫顽力达到一个最大值，之后随着角度的增加矫顽力减 小，表明p a a 衬底改变了f e 膜易磁化轴的取向，这是由于溅射沉积的f e 膜复制了p a a 衬底的结 构分布，在孔的不同位置( 孔内与孔外) ，易磁化轴的取向不同，为了使总能量最小，孔内与孔外 的f e 膜在静磁相互作用下得到一个特定的易磁化轴取向。 本论文工作的第二部分是通过微磁学模拟对磁性纳米线f e 的磁特性进行研究，用微磁学模拟的 手段对相同长度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。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。 关键词：阡i 极氧化铝微磁学模拟自发磁化磁化翻转矫顽力 两南大学硕 ! 学何论文a b s t r a c t 1 ii _ i i 一 m a g n e t i cp r o p e r t i e so ff e r r o m a g n e t i ct h i n f i l m so np o r o u sa n o d i z e da l u m i n a m a jo r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s a u t h o r ：j i n c a iy a o ( 1 1 2 0 0 6 3 1 5 0 0 0 0 1 8 ) a d v i s o r ：p r o f g u o q i n gl i a bs t r a c t p o r o u sa n o d i z e da l u m i n a ( p a a ) ，n o to n l yw i t hs i m p l em a k i n gp r o c e s sb u ta l s ow i t hm a n yo t h e r a d v a n t a g e s ，s u c ha su n i f o r md i s t r i b u t i o n ，h i g hp o r o u sd e n s i t y , w i t h o u tl i n k i n gb e t w e e np o r o u s ，a n da l s o w i t hu n i f o r mp o r o u sd i r e c t i o n w ec a l la l s oc o n t r o lt h es i z e so ft h ep o r o u sa n di tc a nb eag o o dc h o i c ea sa t e m p l a t e i nr e c e n ty e a r s ，t h ep a at e m p l a t eu s e df o rs y n t h e s i z i n gn a n o s t r u c t u r em a t e r i a li no n e d i m e n s i o n i sc o n c e r n e d i th a v e b e e ns t u d i e di nd e t a i l e d a n dt h i sp a p e rs h o w st h a tt h es p e c i a lm a g n e t i cp r o p e r t i e so f f ef i l mw i t hp a au n d e r l a y e r t h es p o n t a n e o u sm a g n e t i z a t i o np r o c e s so ff en a n o w i r ei ss i m u l a t e dw i t h t h es o f t w a r e ( o o m m f ) o fm i c r o m a g n e t i ca n da l s ot h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s si nt h em a g n e t i c f i e l d t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e ri st oa n o d i z et h ea l u m i n u mf i l mt of o r mp o r o u ss t r u c t u r ew h i c hi s d e p o s i t e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h ef ef i l m sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s e sw e r ed e p o s i t e do i lp a a i n o r d e rt oc o m p a r et h em a g n e t i cp r o p e r t i e s ，f ef i l mw i t ht h es a m et h i c k n e s sw a sd e p o s i t e do na l u m i n u m f i l mw i t h o u tb e i n ga n o d i z e do ro ng l a s ss u b s t r a t ed i r e c t l y t h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ff ef i l mw i t h d i f f e r e n ts u b s t r a t ew e r em e a s u r e db yv i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) a n dt h er e s u l t sw e r es h o w t h a tt h es u b s t r a t eo fp a ac o u l d 廿l h a f l c et h ec o e r c i v i t yo f f cf i l mi nc e r t a i nt h i c k n e s sr a n g ew h e nm a g n e t i c f i e l dp a r a l l e lo rp e r p e n d i c u l a rt ot h ef ef i l mp l a n e i ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h ea r e a so fm a g n e t i cr e c o r da n d m a g n e t i cs t o r a g e i ts h o w st h a tt h ec o e r c i v i t yi n c r e a s e sw i t ht h ea n g l e ( 秒) w h i c hw a sb e t w e e nt h e m a g n e t i cf i e l da n df i l mp l a n e w h e n0g e tac e r t a i nv a l u e ，t h e r ei sam a x i m u mc o e r c i v i t y a f t e rt h a t c o c r c i v i yd e c r e a s ew i t h0i n c r e a s e s ot h ep a au n d e r l a y e rc a l lc h a n g et h ed i r e c t i o no fe a s ym a g n e t i ca x i s i ti sb e c a u s et h a tt h ef ef i l md e p o s i t e do np a ac o p i e dt h ep o r o u ss t r u c t u r e ，a n dw i t hd i f f e r e n td i r e c t i o n so f u 两南大学硕十学何论文 a b s t r a c t ! m m = i = = = = ；iii 。! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e a s ym a g n e t i ca x i si nd i f f e r e n tp o s i t i o n ( i no ro u to ft h eh o l e s ) ，i no r d e rt ok e e pam i n i m u mt o t a le n e r g y , t h ef ef i l mg e tac e r t a i nm a g n e t i cd i r e c t i o nb yt h em a g n e t o s t a t i ci n t e r a c t i o no f f ei na n do u to ft h eh o l e s m i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nw a su s e dt os t u d yt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ff en a n o - w i r ei nt h es e c o n d p a r to ft h i sp a p e r 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 mw a sr e s e a r c h e db ys i m u l a t i o nt h em a g n e t i z a t i o n p r o c e s so ff en a n o w i r ew i t hs a m el e n g t hb u td i f f e r e n td i a m e t e r t h er e s u l t sa r et h a 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 mo fn a n o w i r e sd e p e d e do nt h ed i a m e t e ri n t e n s i v e l y r e v e r s i o nm o d ei sc o n s i s t e n t r e v e r s a lw h e nw i t hs m a l l e rd i a m e t e r r e v e r s i o nm o d et r a n s i t i o nf o rt w od i f f e r e n tt y p e so fn u c l e a r m a g n e t i z a t i o n ( t h es a m ec r o s s s e c t i o no ft h em a g n e t i z a t i o no fn u c l e a ro rn u c l e a rm a g n e t i z a t i o no ft h e v o r t e xc r o s s s e c t i o n ) o ft h ef o r m a t i o na n ds p r e a d i n g t h er e v e r s a lp r o c e s so fn a n o w i r e st h r o u g ht h e m u l t i - d o m a i nv o r t e xc e n t e r sm o v et oa c h i e v ew h e nt h ed i a m e t e ri sb i g g e r t h ec o e r c i v i t yo fl l a n o w i r e w i t hd i f f e r e n td i a m e t e rw a sc a l c u l a t e d ，e x p l a i n e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o e r c i v i t yc h a n g ew i t ht h e d i a m e t e ri nt h ev i e wo fm a g n e t i z a t i o nr e v e l 苫a lm e c h a n i s m k e y w o r d s ：p o r o u sa n o d i z e da l u m i n a ( p a a ) ；m i c r o - m a g n e t i cs i m u l a t i o n ；s p o n t a n e o u s m a g n e t i z a t i o n ；m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a l ；c o e r c i v i t y i i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者：娴( 垒身 签字日期： 护夕年广月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口保 密期限至年月止) 。 娶八 学位论文作者签名：拗( 奎孑导师签名：吝7 李j 从 签字日期： ，夕年朋乡日签字日期：? ，7 年广月彳日 学位论文作者毕业后去向： 。 。 工作单位： 通讯地址：邮编： 两南大学硕_ 卜学何论文第一章绪论 第一章绪 论 1 1 引言 一切物质均有磁性，通常所谓的磁性材料与非磁性材料，实际上是指强磁性材料及弱磁性材料 后者的磁化率比前者小1 0 4 至1 0 倍物质的磁性大体可分为五类，即抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁 磁性和亚铁磁性。前三种磁性属于弱磁性，后两种属于强磁性。 磁铁矿是人们最早发现的强磁性材料，其主要组成为f e ，0 4 ，这是自然界中天然存在的弧铁磁体。 在公元前三到四世纪已有“磁石之取铁”和“磁石召铁”的记载，其中“磁石”即指磁铁矿，磁石的相 互吸引和磁石吸引铁是人类最初观察到的磁现象。在漫长的岁月中，天然的磁铁矿是人们获得强磁 性材料的唯一途径，以后随着制铁技术的发展，人类学会用钢针制指南针，直到1 9 世纪初期，电流 产生磁场及电磁感应现象发现以后，人类了解到磁性材料的用途并发展了强磁材料的生产。自此， 磁性材料开始人量生产及应用。从1 9 世纪到如今，在电工业发电机、电动机、变压器、传感器件、 电子技术，以及其它很多方面磁性材料都发挥着1 f 常重要的作用。目前，磁学的研究领域十分，“泛， 遍及金属、半导体和绝缘体、无机和有机。然而金属材料仍然占有主要地位。3 d 过渡族金属中的铁 磁金属及其合金由于其大的饱和磁化强度，一直是在各领域应用最广泛的一种磁性材料。 近儿十年，纳米技术的研究发展很快。纳米是一个长度单位，1 9 7 4 年日本最早将这个术语应用 于技术上。但以纳米命名材料是在上世纪8 0 年代。它作为一种材料的定义将材料的特征尺度限定在 l 1 0 0 纳米。纳米材料是指在三维尺度至少有一维处于纳米尺度或由纳米尺度的单元构成的材料。 如果按维数来分，纳米材料可分为四类：( 1 ) 零维，指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒量子 点等。( 2 ) 一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米棒、纳米线等。( 3 ) 二二维，指在空间有一维处 于纳米尺度，如纳米薄膜。( 4 ) 三维，指纳米块体材料。尺寸在l n m 至； 1 0 0n m 之间的微粒，是处在原 子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有核壳结构【2 j 。且微粒的表面层占很人比重，界面原子达 1 5 5 0 t 引，使得纳米材料具有独特性能如体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应， 从而使其具有特殊的力学、热学、光学、化学活性、催化和超导性能等特性，使纳米材料在国防、 电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、医药等领域具有重要的应川价值【4 】。 将纳米技术应用到磁性材料中，也出现了许多全新特性的磁性材料。纳米微粒的磁学性质，尤 其是铁磁颗粒的磁性对颗粒尺寸和形貌的依赖性是长期来人们十分感兴趣的课题。由于f e c o n i 的铁磁性来源于其巡游的3 d 电子，其饱和磁矩由能带结构决定，当磁性颗粒的粒径减小到纳米尺度 时，由于其表面配位数的降低引起能带结构的变化，纳米颗粒的原子磁矩通常会随颗粒尺寸的变化 而变化。另外铁磁性金属颗粒随粒径的变化存在铁磁性到超顺磁性的变化，其矫顽力随之减小。此 外颗粒的形状也对磁性有重要影响，例如，通过对磁性纳米颗粒形状的控制提高磁记录密度，改善 材料的动态磁性，因此，近几年来各种各样非球形的纳米结构先后被制备出来，特殊形状纳米颗粒 的制备技术得到了迅速的发展，其结构分析和性能研究也逐年增多。特殊形状纳米材料的研究日益 受到重视。 高质量的铁磁金属微粉及纤维有着广泛的用途1 5 1 ，在电磁波吸收，高密度的磁记录，高质量的 磁流体，敏感元器件和医学、生物j ：程等众多领域扮演着重要的角色，其广阔的应用前景引发了国 两南大学硕f 。学何论文 第一章绪论 际磁学界及材料：i ：程界的重视。刚简单的低成本方法制备出纳米结构的3 d 过渡族金属，并对其结构 与性能进行研究，有利t - 加深对金属磁性来源的认识和寻求特殊磁性能，兼具基础研究意义及实际 应用价值。 1 2 铁磁性金属 3 d 过渡族金属中的铁系金属，u p f e 、c o 、n i 为重要的铁磁性元素。f e 、c o 、n i 及其合金由于有 大的饱和磁化强度，高的居里点及种种优良磁性被j 泛的应用。 1 2 1 铁磁金属的铁磁性 一、铁磁性的特征 铁磁性属强磁性，铁磁物质均有一相变温度，即居里点疋，当温度r t c 时，铁磁物质呈顺磁性， 当r 0 时，风1 0 0 最小，【1 0 0 】轴为易磁化方向，【l l l 】轴为难磁化方向，【1 1 0 介于二者之间。k 1 0 ，易磁化轴为z 轴：k i 0 ，难磁化轴为z 轴，为易平面。 多晶体的品粒中仍有磁品各向异性，对无结晶织构的多晶，其磁品各向异性被平均，当有结晶 织构时，其磁品各向异性有一定表现。 4 两南大学硕十2 产何论文 第一章绪论 1 3 2 形状各向异性 一、退减场 同样材料做成的闭合的环状样品和开有气隙的环状样品磁化到同样的磁化强度所需加的外磁 场风是不一样的，如图1 1 所示，而在同一磁化强度肘所对应的内磁场魁应具有相同的数值。对于闭 合环状样品，均匀磁化时总磁场等于外磁场，非c j j 合磁路或有限几何尺寸的铁磁体，在外磁场h 中 被磁化后，总磁场小于外磁场，外磁场与总磁场之著来自退磁场。用未补偿的磁极或磁荷的概念可 形象的解释退磁场。非闭合磁路或有限几何尺寸的铁磁体，若被均匀磁化，在其两端面上将会出现 n 和s 磁极，图1 2 是一个近似的示意图，表面磁极产生的磁场风是从止极指向负极，方向与外磁场 风及磁化强度矢量枷勺方向相反，因而有减退磁化的作用，故称为退磁场风。当然，退磁场风不仅 仅是表面磁矩产生的，还有体磁矩的影响，其人小与铁磁体的形状和未补偿的磁极的数值与分布有 关。由于磁极是磁化强度产生的，所以退磁场与磁化强度有关。 图1 1 闭合样品和气隙样品具有不同的磁化曲线 + + + + + m - 一h d 图1 2 利刚磁荷说明退磁场 如果铁磁体被均匀磁化( 椭球体) ，则磁体内的退磁场可以表示成这种形式：h a = 删，其中是退 磁冈子，决定丁铁磁体的几何尺寸；彬白材料的磁化强度；负号表示风与m 在铁磁体内部的方向相 反。如果铁磁体是非椭球体，其内部的退磁场是不均匀的，即使外磁场均匀，总磁场仍不均匀，使 磁化不可能均匀，退磁场的表示形式严格地讲就不能 _ i - h d = - n m 米描述，只能近似表示，或者用近 似的理论计算某些非椭球形样品内退磁场分布。 铁磁体在外磁场作用下被磁化后，其内部的总磁场应当是外磁场皿和退磁场凰的欠量和。总的 磁场表示为 e = 也+ 巩 ( 1 3 5 ) 若二者平行可写成代数和的形式 只= 以一 ( 1 3 6 ) 总磁场凰义可称为材料的内磁场或真实磁场。 无论对材料的实际应用或者磁性测量，退磁场的影响都是非常重要的。尤其是对于铁磁体的内 部磁畴结构的形成以及分布，退磁场的影响起了关键作用，退磁场是铁磁体形成多畴的根本原冈。 退磁场为铁磁体中磁偶极子产生的磁场。引入磁势的概念，写做： 4 = 一w 7 ) 一个磁偶极子在距离为r 处产生的磁势为 5 西：一旦弓三 4 zr ( 1 3 8 ) 对于大块材料，总的磁势为： 卜上4 z 皿矿弓( 扣击_ 亏( 抄m 3 功 其中微分算子v 是对场点作用而v 对源点作用。根据微分学原理和高斯定理，上式可写为： 矽= 击c 肌肛学y 。 = 抽争一j 半y ， 整个强磁体产生的退磁场为： 日d = 一去弓c 叮争吖半n 一去弓( 叮一砦) 式中第一项为物体表面磁荷产生的退磁场，l 为表面法线的单何矢量，s 为物体表面，相当于 表面磁荷；第二项为物体内不均匀磁化产生的退磁场，v 为物体体积，p m 相当于磁化不均匀产生的 体磁荷。 对丁非椭球铁磁体，磁化不均匀，故和p 。均不为零，风为坐标的函数。 对于均匀磁化的椭球样品，由7 p 。= 0 ，退磁场的计算便人人得到了简化，可写成： hd = 一nm l 3 1 2 ) 其中 f ，l 。1 2 。3 、i = in 2 l n 2 2n 2 3i l 3 l 3 2 n 3 3 j 为张晕退磁冈子。在磁体内，具有重要性质。如果坐标轴是 样品的主轴，当于对尊性的关龟对角化，磁场变为： h d 一( i n l l m ，+ 鹏2 m y + 尼3 3 m ：) 1 3 ) 二、退滋场能 铁磁体在它自身产生的退磁场中所具有的位能即为退磁场能。这与铁磁体在外磁场中的位能相 似，但退磁场能为自能，故有 肝1 2 ，退磁场能量密度为 日= 砺玩 ( 1 3 1 4 ) 若退磁场h d = - n m f l i ： 历一主肼2 ( 1 3 1 5 ) 式( 1 3 11 ) 的适用条件仍然是椭球形铁磁体在均匀的外磁场中被均匀磁化。如果铁磁体不是椭 球体或不被均匀磁化，其内部的退磁场和磁化强度分布都不均匀【2 2 】，因此退磁场的表示形式就不能 6 两南人 硕十 何论文 笫一章绪论 h j ( 1 3 1 2 ) 及1 3 ) 式。但( 1 3 1 1 ) 仍可适川，只是其中的m 和n o 均为坐标的函数，作为一级近似， 假设m 为均匀的，理论上可近似的数值计算某些非椭球形样品的退磁场2 3 1 。作为高级近似，考虑到 不均匀的退磁场使磁化 环均匀，亦可用数值计算求得不均匀的磁化及邂磁场。 三、形状各向异性 在均匀磁化下，铁磁体的退磁能昂与铁磁体的退磁因子n 和磁化方向有关。对于不同的形状， 或沿其不同方向磁化时，相应的退磁场能不同。这种冈形状引起的能鼍各向异性称为形状各向异性。 形状各向异性能仅只随磁体形状变化而改变，与材料本身的性质无关，但是对铁磁体材料的宏观磁 特性的影响是十分大的。下面将介绍儿种特殊形体的退磁场能。 1 椭球体 由均匀材料制成的椭球体样品。如选取坐标轴x ，y ，z 与椭球体的三个主轴a ，b ，c 相重合。均 匀磁化强度m 沿三个主轴方向的分量为为m x = m s i n o c o s 够、m y = m s i n os i n t p ，m z _ m c o s 0 ，对应于三个 主轴方向的退磁因子为m 、v 、z 。 椭球体的退磁场为 h d = 0 nx mx i + nv mv j + nz mz n = 一膨( ms i n 秽c o s 矽f + ms i n o s i n # j + n ：e o s o k ) ( 1 3 1 6 ) 同时有：”z - 1 ( s l 单位) 或者= 4 7 c ( c g s 单位) 退磁场能为： e d = i ll “一2 x + ny m j + n z m ：、 = 寺m 2 ( ms i n 2 0 c o s 2 矽+ rs i n 2 0 s i n 2 矽+ 札c o s 2 们 z 。 ( 1 3 1 7 ) 风为m 方向佣1 妒的函数，称为形状各向异性能。 2 球状磁体 球状磁体是椭球的特殊情况，c g s $ 1 中，球状磁体的退磁因子为 m2 2m 2 等，则退磁场为： 万d ：一坚砑 3 ( 1 3 。1 8 ) 退磁能为： 也= 2 7 2 + m ，2 + m 沪等 m 3 朋) 为各向同性的。 3 无限细长圆柱体 无限细长圆柱体可以近似看成为无限细长的椭球，如果其长度方向为x 方向的话，在c g s 制中， 其退磁因子为n x - - - 0 ，v n z = 2 r e ，取0 为肘与长轴的夹角，故退磁场能为： 易= 万( m ；+ m ；) = z m 2 s i n 20 ( 1 3 2 0 ) 长轴为易磁化方向。 7 两南人学硕+ 一 1 _ 7 ：论文 第一章绪论 4 无限人的薄片或薄膜 无限大的薄片可以近似看成为一个扁椭球，如果其厚度方向为z 方向的话，其退磁冈子为n x v _ 0 ，n z4 兀取口为法线方向，则退磁场能为： 历= 2 ，r m 2 = 2 n - m 2 c o s 20 ( 1 3 2 1 ) 平面为易磁化方向，法线方向为难磁化方向。 对于北椭球样品由于退磁场与磁化不均匀，( 1 3 1 6 ) 至( 1 3 2 1 ) 式只能在近似的情况下适用。 1 4 磁畴和矫顽力 铁磁性物体内部被分裂成许多小的区域，每个小区域内部的原子磁矩都整齐的排列起来，退磁 状态f ，把这些小区域的磁矩叠加起来却为零。即磁化强度为零，对外不显示磁性。这些小区域称 为磁畴。有些磁性材料是由许多小颗粒组成，如果颗粒足够小，整个颗粒就可以成为一个磁畴。这 个颗粒就称为单畴颗粒。 一般体材料内部存在磁畴结构( 多畴) 是降低退磁能的需要。磁畴结构服从能量最小的原理。一 旦磁畴形成，磁畴的结构和磁畴的尺寸就由静磁能、各向异性能、磁致弹性能和畴肇能等材料的内 禀性质决定。单个磁畴的大小介t o 0 2 至i j o 5 “m 之间，随材料磁性而异。对于颗粒材料而言，其内 部的结构可以分为三种：多畴、单畴和超顺磁性。在1 9 3 0 年f r e n k e l 幂l l d o r f m a n 首次用理论推导了颗粒 小于某一特定尺寸时出现的单畴性质2 4 i 。由于单畴颗粒为一个磁畴，无畴壁，磁化为磁畴转动磁化 过程，鼠k ，冈此材料常具有低磁导率和高矫顽力。脒源于磁品各向异性，磁弹性能和形状各 向异性等。混乱取向磁化时，颗粒的磁滞同线矩形比较火，则有较人的矫顽力f 2 5 1 。磁性颗粒的矫顽 力和尺寸的变化关系如图1 3 。它展示了在低于超顺磁性颗粒的临界尺寸r o 区域( s p ) 、单畴尺寸区域 ( s d ) 、和多畴尺寸区域( m d ) 磁性颗粒的矫顽力随尺寸变化的变化趋势。 s p m d 鼠1 矿 b j 俨可 月0 p a r t i c l es i z e 图1 3 磁性颗粒的矫顽力与尺寸的变化示意图 1 5 纳米材料的微磁学模拟 1 5 1 微磁学基本原理 微磁学理论是一种宏观磁性理论，忽略粒子的原子本性，采j f j 连续介质的经典磁学理论。来处 理磁性问题的理论。在这种方法中采h j 经典矢量来代替原子磁矩、交换能、多种各向异性能及静磁 能等，利用自由能极小的平衡条件或利用l a n d a u l i f s h i t z7 y 程t 2 6 2 7 1 研究平衡条件下磁体中磁矩的分 8 两南大学硕十f - f 、t 论文 第一章绪论 布或其随磁场的变化。为满足连续性的基本假设，所讨论材料的任何特征k 度必须远人于品胞尺寸。 一般来说，微粒尺寸小于2 n m 时，微磁学理论不再成立。 根据微磁学理论，任何磁性材料都可以分成很多磁性单元，这些磁性单元的形状可以是任意的， 为计算方便通常取为立方体。磁性单元的划分一方面不能太小，要满足材料连续性的要求，另一方 面又不能太大，从而能够充分描述磁化分布的静磁能。每一个单元中，磁化强度假设是一个常数， 整个体系由l a n d a u l i f s h i t z 方程来描述【2 6 2 7 】： 警一川x 一詈( m x ) 式中n 为阻尼因子，】，为旋磁比。 1 5 2 微磁学模拟程序o o m i v l f 简介 o o m m f ( o b j e c t - o r i e n t e dm i c r o m a g n e t i cf r a m e w o r k ) 是由美国国家标准研究所( n i s t ) 下属的 材料理论和计算中心( c e n t e rf o rt h e o r e t i c a la n dc o m p u t a t i o n a lm a t e r i a l ss c i e n c e ) 开发的微磁学模 拟程序。最主要的开发者是m i k ed o n a h u e 和d o np o r t e r 。此程序可以在u n i x ，l i n u x 和w i n d o w s 等多 个操作系统平台上运行。程序由m m a r c h i v e ，m m d a t a t a b l e ，m m d i s p ，m m g r a p h ，m m p r o b e d ， m m s o l v e 2 d 和q x s i i 等几个部分组成，各部分之间通过网络端口进行数据交换【6 | 。 o o m m f 模拟基于有限差分的思想，可以把要模拟的材料模型在三维方向进行适当的网格划 分。o o m m f 使用立方网格，大小可以根据需要自行设定。假定每个网格内磁矩分布是均匀的，给 定一初始的磁矩分布，计算网格内的有效场并求解l a n d a u l i f s h i t z g i l b e r t 方程，得到磁化强度矢量 的动力学变化过程。 1 6 本论文的工作 本论文由四部分组成，前两章简要介绍了本论文的选题背景和一些相关的基本概念、基本实验 方法和测试原理。后面两章主要介绍作者在硕士阶段所做的工作。各章的详细内容介绍如_ f 。 第一章绪论。本章首先介绍了本论文的选题背景，然后对本论文中所涉及的相关的背景知识， 如铁磁金属及其应用以及磁各向异性、磁畴、矫顽力这些基本概念作了介绍，最后简介了微磁学基 本原理及微磁学模拟程序o o m m f 第二章基本实验方法和测试原理。本章首先概述了常用金属材料制备方法和形状控制方法， 然后介绍了论文工作中样品制备所用到的一些实验原理和方法，最后对样品的结构、形貌和物性表 征所涉及到的x 射线衍射仪、透射电子显微镜，扫描电子显微镜和振动样品磁强计的一i ：作原理作了 详细的介绍。 第三章阳极氧化铝膜上f e 膜的磁特性。本章主要工作包括：( 1 ) 用一次冈 极氧化法对铝膜进行 阳极氧化，获得了孔直径约为1 0 0a m 的多孔氧化铝。( 2 ) 在不同f 地层上离子束溅射不同厚度的 f e 膜及其保护层。( 3 ) 片j s e m 表征铝膜以及经过同i 极氧化后形成多孔氧化铝的表面形貌，“d e k t a k 6 m ”型台阶仪验证f e 膜的厚度，刚振动样品磁强计v s m 对所制备的f e 样品进行了磁性测量， 讨论了f e 膜不同方向的磁性以及不同基底对其磁性的影响。 第四章f e 纳米线的微磁学模拟。本章主要：r 作是用o o m m f 微磁学软件模拟了相同直径不同氏 9 两南人， 硕+ 学仲论文 第一章绪论 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i 一；二 1i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! 度以及相同长度不同直径f e 纳米线的自发磁化和磁场中磁化翻转过程。结果表明：所模拟的单根f e 纳米线自发磁化斤都形成了单畴结构；并且在磁场作用下，相同直径f e 纳米线的矫顽力风在一定长 度范围( l d 1 0 ) 随着长度的增加而增加。 1 0 两南大学硕十学伊论文第一章绪论 l i m m i _ 1 7 参考文献 【l 】宋德生，李国栋。电磁学发展史，厂西久z e 出朊1 9 8 7 。 【2 1 李泉，曾广斌，席时权。纳米粒子，纪学趣掘1 9 9 5 ，( 6 ) ：2 9 3 4 【3 】刘珍，梁伟，许并社等纳米材料制备方法及其研究进展。利瓣群等屿7 芝鼻2 0 0 0 ，8 ( 3 ) ：1 0 3 - 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4 7 ( 2 0 0 0 ) ( 2 2 】r ij o s e p h ，es c h l o m a n n ，d a p p lp h y s ，3 6 ，15 7 9 ( 19 6 5 ) 【2 3 】vps h c h e r b a k o v ，e ta 1 p h y so ft h ee a r t ha n dp l a n e t a r yi n t e r i o r s ，6 5 ，15 ( 19 9 0 ) 【2 4 】b e a ncp ，l i v i n g s t o njd ，= a p p l p h y s 3 0 ，12 0 ( 19 5 9 ) 【2 5 】o h n a d l e yrc ，m o d e mm a g n e t i cm a t e r i a l s - p r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o n s ( c h i n e s ee d i t i o n ) ，j o h n w i l e y & s o n s ：n e wy o r k p p 4 2 7 ( 2 0 0 0 ) 【2 6 】tlg i l b e r t ，p h y s r e v 1 0 0 ，12 4 3 ( 19 5 5 ) 2 7 】ll a n d a u ，el i f s h i t z ，p - 忱k z s o w j e t u n i o n8 ，1 5 3 1 6 9 ( 1 9 3 5 ) 两南大学硕卜学f 7 ：论文 第一二章荩木实验方法及测试原理 l| m o ! o ! ，! ! 鼻! 第二章基本实验方法及测试原理 近年来，由丁- 多种样品制备手段的不断完善和发展，各种物性分析技术的改进，使纳米材料领 域各项研究：i ：作得以不断深入，取得了众多的研究成果。本章将对一些常见纳米薄膜材料制备方法 进行简单概述，然后对我们论文工作中相关的实验方法和测试手段进行简要介绍。 2 1 金属纳米薄膜材料常用制备方法 薄膜的制备方法很多，发展也很快。制备薄膜的常用方法有磁控溅射、离子束溅射制备、化学 气相沉积、电化学沉积等均被用丁制备金属薄膜。薄膜的不同j i j 途对薄膜的结品取向、表面平整度、 导电性、磁光性能等有不同的要求，而薄膜的这些特性是由制备过程中的t 艺参数决定的。因此， 改进制各1 ：艺的方向应体现在完善薄膜性能、降低反应温度、提高控制精度、降低制备成本和适应 集成化等方面。制备方法的选择则应根据薄膜的性能要求和不同的应用目的而决定。制各金属薄膜 方法主要有以下儿种。 2 1 1 磁控溅射法 磁控溅射技术始用于2 0 世纪7 0 年代，具有沉积速率高、基片温度低、成膜黏附性好、易控制、 成本低、能实现大面积制膜的优点，已成为当今工业化生产中研究最多、最成熟、应j h j 最广的一项 成膜技术，也是磁性金属薄膜制备技术的研究热点。 磁控溅射法制备磁性金属薄膜时，影响其性能的冈素有很多，如溅射电压、沉积速率、基片温 度、溅射压力以及靶材的组分比等。片j 磁控溅射技术制备磁性金属薄膜时要求尽可能用低电压