浙江大学物理学在高新材料中的应用

从司南到Microdrive:磁性材料,巨磁阻材料中的物理学,公元前四世纪的鬼谷子谋篇就记载道：“郑子取玉，必载司南，为其不惑也,英寸微硬盘用于微型电脑及消费型电器,磁性材料具有悠久而引人入胜的历史。在古代，中国人和希腊人就知道天然磁石具有吸引力。十四世纪意大利海员将磁石的指北特性用于导航。十七世纪初英国物理学家Gilbert发现地球本身就是一个巨大的磁石。除导航外，磁性的商业开发真正开始于十九世纪。启始点是开尔文爵士观测置于磁场中铁片的电学性质如何变化。称为磁阻的效应源于磁场与金属原子之间的相互作用，并导致原子改变取向。今天，磁阻广泛用于磁传感器却计算机硬盘驱动器的读磁头。公平地说，磁阻比物理学的任何其他分支对实现信息社会的贡献都大。,李海洋教授，博士生导师Email:phyhyliPhone1990到ICTP(国际理论物理中心),Italy-Trieste19931994在RomeUniversity,(意大利)2001，and2004在AarhusUniversity(丹麦),1982兰州大学物理系(七七级磁学专业)，1984浙江大学物理系(硕士表面物理),留校任教至今,从事表面界面物理研究凝聚态物理-CondensedMatterPhysics,我们见(学)到的磁现象,磁性是物质(材料)的基本属性，就像物质具有质量和电性一样。换句话说就是：一切物质都具有磁性。,物质磁性的研究和应用已经在人类社会生活的各个方面都得到深入而广泛的发展。,现代信息存储的核心,日立GST完整的硬盘系列产品,3.0英寸伺服器硬盘系列用于高速伺服器系统,英寸微硬盘用于微型电脑及消费型电器,1.8英寸超薄硬盘用于手提电脑及消费型电器,2.5英寸移动硬盘系列用于手提电脑及消费型电器,3.5英寸台式硬盘系列用于台式电脑及消费型电器,来自日立GST,TravelstarII,Ultrastar,Deskstar,Microdrive,TravelstarI,硬磁盘存储密度的进化:高新技术的凝聚,EdGrochowskiHGST,经济价值：HDDvsDRAM/Flash,EdGrochowskiHGST,与半导体存储器的竞争：价格上的优势,为什么选择磁记录方式?,超大的容量低廉的价格重写重读任意快速的存取（可达每秒一兆位109的数据读写）极低的误码率（每百万次读写中少于一次的误码）便捷的移动相对稳定永久的保存宽广的适用范围,磁性介质的基本表征：磁滞廻线,自然的铁磁性元素:Fe,Co,Ni,及合金,magnetizationM,HcCoercivity,field,H,Idealizedloop,RemanentMagnetizationMr,MsSaturationMagnetization,S=Mr/MsS*=Hn/Hc,0,1,Why?,起源：安培分子电流学说组成磁铁的每个分子都具有一个小的分子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流都定向规则排列,磁场中的磁介质,一、磁介质的分类：与电场中的电介质相类似，处在磁场中的磁介质也要磁化,实验表明，不同的磁介质在磁场中产生的附加磁场是各不相同的，可按其附加磁场分为三大类：1.顺磁质：,1磁介质的磁化magnetization,*相对磁导率:,原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有电子磁矩。,*分子电流和分子磁矩,用等效的分子电流的磁效应来表示各个电子对外界磁效应的总合，称为分子电流、分子磁矩。,二、顺磁质和抗磁质的磁化：,单位：安培.米2(A.m2),分子磁矩在外磁场中受到磁力矩，使它向磁场方向偏转，且按统计规律取向,除此之外，分子磁矩在外磁场中还有绕磁场的进动。,角动量绕着铅直轴（重力方向）进动,绕磁场进动附加一磁矩与外场反向。,外磁场与磁介质相互作用，使其处于特殊状态能产生新的磁矩，或者说附加的磁场,这过程为磁化。,说明,三、磁化强度矢量,单位：安培/米(A/m),顺磁质与同向，所以与同方向,抗磁质与反向，所以与反方向，（只有附加磁矩）,在均匀外磁场中，各向同性均匀的顺磁质被磁化，未被抵消的分子电流沿着柱面流动，称为磁化电流或分子面电流Im,磁化电流线密度:在垂直于电流流动方向上单位长度的分子面电流。,若在l长介质表面束缚分子面电流为Im则其线密度为,设介质的截面积S，则有：,四、磁化强度和磁化电流：,磁化强度的环流,以充满介质的螺旋管为例，选如图回路，求环流,磁化强度沿任一回路的环流，等于穿过此回路的束缚电流Im的代数和,磁化曲线,装置：环形螺绕环;铁磁质Fe,Co,Ni及稀钍族元素的化合物，能被强烈地磁化,实验测量B,如用感应电动势测量或用小线圈在缝口处测量；,由得出曲线,铁磁质的不一定是个常数，它是的函数,铁磁质,原理:励磁电流I;用安培定理得H,结果一,B的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应,每个对应不同的与磁化的历史有关。,起始磁化曲线；,剩磁,饱和磁感应强度,矫顽力,结果二,磁滞回线-不可逆过程,在交变电流的励磁下反复磁化使其温度升高磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。,如：铁为1040K，钴为1390K，镍为630K,每种磁介质当温度升高到一定程度时，由高磁导率、磁滞、磁致伸缩等一系列特殊状态全部消失，而变为顺磁性。,这温度叫临界温度，或称铁磁质的居里点。不同铁磁质具有不同的转变温度,铁磁质的应用,*作变压器的软磁材料。纯铁，硅钢坡莫合金(Fe，Ni)，铁氧体等。,r大，易磁化、易退磁（起始磁化率大）。饱和磁感应强度大，矫顽力(Hc)小，磁滞回线的面积窄而长，损耗小（HdB面积小）。,还用于继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒。,结果三,*作永久磁铁的硬磁材料,钨钢，碳钢，铝镍钴合金,*作存储元件的矩磁材料,Br=BS，Hc不大，磁滞回线是矩形。用于记忆元件，当+脉冲产生HHC使磁芯呈+B态，则脉冲产生H102A/m)，剩磁Br大磁滞回线的面积大，损耗大。,还用于磁电式电表中的永磁铁。耳机中的永久磁铁，永磁扬声器。,锰镁铁氧体，锂锰铁氧体,*交换力：电子之间的交换作用使其在自旋平行排列时能量较低，这是一种量子效应。,*磁畴(magneticdomain)：原子间电子交换耦合作用很强，促使其自旋磁矩平行排列形成磁畴自发的磁化区域。磁畴大小约为10171021个原子/10-18米3。,铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。,铁磁质磁化的机制,*磁畴的变化可用金相显微镜观测,在外磁场较弱时，自发磁化方向与外磁场方向相同或相近的那些磁畴逐渐增大（畴壁位移），在外磁场较强时，磁畴自发磁化方向作为一个整体，不同程度地转向外磁场方向。,在无外磁场的作用下磁畴取向平均抵消，能量最低，不显磁性。,磁滞(hysteresis)现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。,磁滞伸缩(magnetostriction)是因磁畴在外磁场中的取向，改变了晶格间距而引起的。,当温度升高时，热运动会瓦解磁畴内磁矩的规则排列；在临界温度（相变温度Tc）时，铁磁质完全变成了顺磁质。居里点Tc(CuriePoint),当全部磁畴都沿外磁场方向时，铁磁质的磁化就达到饱和状态。饱和磁化强度MS等于每个磁畴中原来的磁化强度，该值很大，这就是铁磁质磁性r大的原因。,MagneticPropertiesofMaterials？！?,TheMagneticDipole,directionandmagnitudeof,Magneticdipoleproducesmagneticfield.,Atomicorbitalmagneticdipolemoment,Atomicdipoletinycurrentloop,BisBohrmagneton,1.Paramagnetism,Theatomsofthismaterialhavepermanentmagneticdipolemoments.B0and0Mareparallel,BB0.m1,Curieslaw:whenB0/Tissmall,Adiabaticdemagnetizationtodecreasethetemperatureofsystem.,铁磁性元素:Fe,Co,Ni,及合金,Whyformeddomains,Atomicstructureandelectron-spin,More?,铁磁性元素:Fe,Co,Ni,及合金,H,=,H,0,+,J,pd,S,S,I,s,i,holes,Mnspins,硬盘中的磁介质结构,多层的金属薄膜结构特性之一：具备记录功能的磁特性特性之二：具备耐久的机械润滑功能特性之三：亞于钠米的超表面光洁度,反铁磁耦合的磁介质,反铁磁耦合的磁介质增强热稳定性,常规的磁介质,反铁磁耦合的磁介质,MrtMrt1Mrt2KUVeffKUVupperlayer,EAbarraetal,Appl.Phys.Lett.Vol.77,2581,2000E.Fullertonetal,Appl.Phys.Lett.Vol.773806,2000,记录的模式之一：纵向磁记录,最经典的读写方式技术成熟造价较低面临高密度极限的挑战,硬盘中的读写磁头结构,该项技术的关键是开发出了在多层膜的上下，设置有两层用以增强灵敏度的极薄的氧化物层的双镜面型GMR磁头,Whichphysicslawinthe磁头?,Faraday-WhilstwasattemptingtoexplainadiscoverytoeitherGladstone(Chancellor)orPeel(PrimeMinister)hewasasked,“But,afterall,whatuseisit?”Faradayreplied,“Whysir,thereistheprobabilitythatyouwillsoonbeabletotaxit.”,Faradayslawofinduction,磁感应的应用-金属检查通道,磁感应的应用-无线充电器,电吉他工作原理,Whichphysicslawinthe磁头?,磁阻现象（MagneticResistance）,OhmsLaw:AMicroscopicView(电阻的物理图像）,Illustrationofelectronsdrift,Thedriftspeedvd,Theelectronaccelerationacquiredintheappliedelectricfieldis,Asaresult,duringthetime-intervalbetweentwoone-after-anothercollisions,theelectronsspeedchangesfromzerointo:,T:temperatureoftheconductor,:meanfreepathofelectrons,Onanaveragesense,theelectronsdriftvelocityisdefinedasabovevf:,TheConductivity,Thedirectionofthecurrentdensityisoppositetothedriftoftheelectrons.Therefore,Typically,inconductor,vd10-5m/s,insemiconductor,vd103m/s.,Question:,Iftheelectronsdriftatsuchalowspeed,whydoelectricaleffectsseemtooccurimmediatelyaftertheswitchisthrown?,Magneticfieldcannotbedeterminedquitesosimplywithasinglemeasurement.,Why？磁阻效应,Combinedelectricandmagneticforce,Example:AmodernversionofJ.J.Thomsonsapparatusformeasuringthecharge-to-massratiooftheelectron(1897).这年求实书院创立inHangzhou,Velocityselector,TheNobelPrizeinPhysics2007-forthedisc