无机材料的磁学性能PPT学习教案

1、会计学1无机材料的磁学性能无机材料的磁学性能偶极子：偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子电偶极矩电偶极矩 ： =ql磁矩：将磁极强度为磁矩：将磁极强度为qm、相距为相距为L的磁极对置于磁场强度的磁极对置于磁场强度H中，为达到与磁场平行，该磁极对要受到磁场力中，为达到与磁场平行，该磁极对要受到磁场力F的作用，在转矩的作用，在转矩T=LqmHsin 的作用下，发生旋转的作用下，发生旋转,该式中的系数该式中的系数qmL定义为磁矩。定义为磁矩。 Mi= qmL磁偶：具有磁矩的磁极对磁偶：具有磁矩的磁极对

2、-q+qlE偶极子偶极子-qmHqmHSN 第1页/共73页 磁矩磁矩极化强度极化强度P磁化强度磁化强度M（单位体积中的偶极矩或磁单位体积中的偶极矩或磁偶矩，表征材料被极化或磁偶矩，表征材料被极化或磁化的能力。）化的能力。）也可用环行电流描述也可用环行电流描述磁矩磁矩M的定义的定义 ：M=IS（ I：为环形电流，为环形电流， S：封闭环形的面积）封闭环形的面积）第2页/共73页磁及磁现象的根源是电荷的运动。磁及磁现象的根源是电荷的运动。原子中有原子核和电子，对于电子，无论是轨道运原子中有原子核和电子，对于电子，无论是轨道运动还是自旋运动，都会产生磁矩，原子核也会产生动还是自旋运动，都会产生磁矩

3、，原子核也会产生磁矩，但该磁矩很小，因此磁及磁现象的根源主要磁矩，但该磁矩很小，因此磁及磁现象的根源主要是电子的运动。是电子的运动。电子运动不能完全抵消的原子的原子具有磁矩。电子运动不能完全抵消的原子的原子具有磁矩。第3页/共73页极化强度极化强度P： P= o eE （ e：电极化率）：电极化率）磁化强度磁化强度M= m/V= H ( ：磁化率磁化率)如图：有如图：有F=BI，电流外磁场H力F(罗仑兹力）yzx第4页/共73页真空中有真空中有B= 0H( o :真空磁导率真空磁导率)(相对应电相对应电流密度与外加电场的关系：流密度与外加电场的关系： =1/ =J/E)磁性体对外部磁场的反应强

4、度可通过下式表示磁性体对外部磁场的反应强度可通过下式表示：对于厘米克秒制单位：对于厘米克秒制单位： B= 0H+M=( 0+ ) H= H = 0+ 引入无量刚引入无量刚 r= / 0 r = / 0 = r +1 r 、 r分别为相对磁化率和相对磁导率。分别为相对磁化率和相对磁导率。第5页/共73页 磁介质的磁导率磁介质的磁导率顺磁性顺磁性抗磁性抗磁性物质物质（r 1）/106物质物质（1r）/106氧（氧（1大气压）大气压）1.9氢氢0.063铝铝23铜铜8.8铂铂360岩盐岩盐12.6 铋铋176第6页/共73页 常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能物质物质0（起

5、始）起始）居里温度居里温度Fe1501043Ni110627Fe3O470858NiFe2O410858Mn0.65Zn0.35Fe2O41500400第7页/共73页 7.2 磁性磁性铁磁性和铁电性有相似的规律，但应该强调的铁磁性和铁电性有相似的规律，但应该强调的是它们的本质差别；铁电性是由离子位移引起是它们的本质差别；铁电性是由离子位移引起的，而铁磁性则是由原子取向引起的；铁电性的，而铁磁性则是由原子取向引起的；铁电性在非对称的晶体中发生，而铁磁性发生在次价在非对称的晶体中发生，而铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中；铁电体的居里点是由于电子的非平衡自旋中；铁电体的居里点是由于熵的增加（晶体

6、相变），而铁磁体的熵的增加（晶体相变），而铁磁体的居里点居里点是是原子的无规则振动破坏了原子间的原子的无规则振动破坏了原子间的“交换交换”作作用用，从而使自发磁化消失引起的。，从而使自发磁化消失引起的。第8页/共73页交换作用：交换作用：铁磁性除与电子结构有关外，还决定于铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。实践证明，处于不同原子间的、未被填晶体结构。实践证明，处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。这种相互作满壳层上的电子发生特殊的相互作用。这种相互作用称为用称为“交换交换”作用。作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电

7、子已不再局限于原来的原子，而是再局限于原来的原子，而是“公有化公有化”了。原子间了。原子间好像在交换电子，故称为好像在交换电子，故称为“交换交换”作用。作用。而由这种而由这种“交换交换”作用所产生的作用所产生的“交换能交换能”J与晶与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时，格的原子间距有密切关系。当距离很大时，J接近接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加，于零。随着距离的减小，相互作用有所增加，J为为正值，就呈现出铁磁性。当原子间距正值，就呈现出铁磁性。当原子间距a与未被填满与未被填满的电子壳层直径的电子壳层直径D之比大于之比大于3时，交换能为正值，时，交换能为正值，当时，交换能为负值，为

8、反铁磁性。当时，交换能为负值，为反铁磁性。第9页/共73页交换能与铁磁性的关系交换能与铁磁性的关系居里点：铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为居里点：铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一温度称为居里点，铁磁性消失。这一温度称为居里点TC。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律，在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律， =C/(T-Tc) 式中

9、式中C为居里常数为居里常数第10页/共73页依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（畴（一般为一般为12微米，每个磁畴可以看作微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小永磁体是具有一定自发磁化强度的小永磁体），这种），这种铁磁性称为完全铁磁性（铁磁性称为完全铁磁性（Fe、Co、Ni）。）。大小不同的原子磁矩反平行排列

10、，二者不能完大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。，称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。第11页/共73页反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，在铁电性材料中有反铁电性。反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，在铁电性材料中有反铁电性。顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。顺磁性

11、和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。第12页/共73页HMFe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素等元素及其合金、金属间化合物。及其合金、金属间化合物。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,

12、CoCr等等各种铁氧体系材料（各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni氧化物）氧化物）Fe,Co等等与重稀土类金属形成金属间与重稀土类金属形成金属间化合物（化合物（TbFe等等)O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族（等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的的F中中心心Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等等3d过渡过渡元素或稀土元素，还有元素或稀土元素，还有MnO、MnF2等合金、化合物等等合金、化合物等。第13页/共73页抗磁性抗磁性：磁矩为零磁矩为零，在外磁场作用下，在外磁场作用下感生磁矩，磁化强感生磁矩，磁化强度为负值。引起的度为负值。引起的原因主

13、要是原子中原因主要是原子中电子轨道状态的变电子轨道状态的变化。周期表中前化。周期表中前8个个主要元素表现为抗主要元素表现为抗磁性。这些元素构磁性。这些元素构成了陶瓷材料中几成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子。乎所有的阴离子。（O2-,F-,Cl-N3-OH-等）等）HMCu,Ag,AuC,Si,GeN,P,As,Sb,BiS,Te,SeF,Ci,Br,IHe,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn第14页/共73页SN永磁体永磁体F强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性）轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性）轻微排斥的物质：反

14、磁性轻微排斥的物质：反磁性强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）按物质对磁场的反应对其进行分类按物质对磁场的反应对其进行分类第15页/共73页NSNSNSNS完全反磁性完全反磁性铁磁性铁磁性SN顺磁性B= 0H+M=( 0+ ) H= H第16页/共73页MnO点阵中Mn2+的自旋排列例如：反铁磁性例如：反铁磁性MnO第17页/共73页在反铁磁体中，具有反平行磁矩的相邻离子间的交换作用应占优势，但从图容易看出，这种离子间的距离比之平行自旋的离子间距要大，根据前面的讨论，交换能的大小取决于物质的原（离）子间距离，相距远的交换力小。怎样克服这个矛盾，解释这种离子间

15、所具有的较大的交换能呢？在反铁磁体中，具有反平行磁矩的相邻离子间的交换作用应占优势，但从图容易看出，这种离子间的距离比之平行自旋的离子间距要大，根据前面的讨论，交换能的大小取决于物质的原（离）子间距离，相距远的交换力小。怎样克服这个矛盾，解释这种离子间所具有的较大的交换能呢？超交换理论或称间接交换理论可以提供适当的解释。超交换理论或称间接交换理论可以提供适当的解释。根据此理论，能够通过邻近阳离子的激发态而完成间接交换作用。即经中间的激发态氧离子的传递交换作用，把相距很远无法发生直接交换作用的两个金属离子的自旋系统连接起来。在激发态下，根据此理论，能够通过邻近阳离子的激发态而完成间接交换作用。即

16、经中间的激发态氧离子的传递交换作用，把相距很远无法发生直接交换作用的两个金属离子的自旋系统连接起来。在激发态下，O2将一个将一个2p电子给予相邻的电子给予相邻的Mn2+而成为而成为O，Mn2+获得这个电子变成获得这个电子变成Mn+，此时它们的电子自旋排列如图所示。此时它们的电子自旋排列如图所示。第18页/共73页MnO晶体中离子的自旋(a)基态（b）激发态Mn2+(3d5)O2-(2p6)Mn+(3d)6O-(2p5)Mn2+(3d5)O的自旋与左方的自旋与左方Mn+自旋方向相同。当右方的自旋方向相同。当右方的Mn2+的自旋方向相反时，系统有较低的能量，这是的自旋方向相反时，系统有较低的能量，

17、这是Mn2+通过通过O的相互作用出现的情况。激发态的出现，是的相互作用出现的情况。激发态的出现，是O2提供了一个提供了一个2p电子导致的，而电子导致的，而p电子的空间分布是电子的空间分布是型，故型，故MOM间的夹角为间的夹角为180度时，间接交换作用最强，而度时，间接交换作用最强，而 =90 时的作用最弱。超交换理论也可以说明铁氧体所具有的亚铁磁性时的作用最弱。超交换理论也可以说明铁氧体所具有的亚铁磁性. 第19页/共73页尖晶石的元晶胞(a)及子晶胞(b)、(c)例如：尖晶石型铁氧体例如：尖晶石型铁氧体M 2+OFe2 3+ O3MFe,Ni,Mg或复合铁氧体或复合铁氧体Mg 1-xMnxF

18、e2O4氧四面体为氧四面体为A位，八面体为位，八面体为B位，两价离子都处于位，两价离子都处于A位，则为正尖晶石结构；二价离子占有位，则为正尖晶石结构；二价离子占有B位，三价离子占有位，三价离子占有A位及余下的位及余下的B位，则为反尖晶石。位，则为反尖晶石。第20页/共73页所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的（所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的（ Fe 3+(Fe3+M2+)O4这可设想由于较大的两价离子趋于占据较大的八面这可设想由于较大的两价离子趋于占据较大的八面位置。位置。A位离子与反平行态的位离子与反平行态的B位离子之间，借助于位离子之间，借助于电子自旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即电子自

19、旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即 Fea+3Feb+3Mb+2阳离子出现于反型程度，取决于热处理条件。一般阳离子出现于反型程度，取决于热处理条件。一般来说，提高正尖晶石的温度会使离子激发至反型位来说，提高正尖晶石的温度会使离子激发至反型位置。所以在制备类似于置。所以在制备类似于CuFe2O4的铁氧体时，必须的铁氧体时，必须将反型结构高温淬火才能得到存在于低温的反型结将反型结构高温淬火才能得到存在于低温的反型结构。构。锰铁氧体约为锰铁氧体约为80正型尖晶石，这种离子分布随热正型尖晶石，这种离子分布随热处理变化不大。处理变化不大。第21页/共73页图8.11石榴石结构的简化模型（只表示了元晶胞的1

20、/8，O2-未标出）例如：稀土石榴例如：稀土石榴石型铁氧体石型铁氧体其通式为其通式为M3cFe2aFe3dO12，式中式中M为稀土为稀土离子或钇离子，离子或钇离子，都是三价。上标都是三价。上标c，a，d表示该表示该离子所占晶格位离子所占晶格位置的类型。置的类型。a离子八面体位离子八面体位置，置，c离子占据离子占据十二面体位置，十二面体位置，d离子四面体离子四面体第22页/共73页每个晶胞包括每个晶胞包括8个化学式单元，共有个化学式单元，共有160个原子。个原子。a离子位于体心立方晶格上，离子位于体心立方晶格上，c离子与离子与d离子位于立离子位于立方体的各个面。每个晶胞有方体的各个面。每个晶胞有

21、8个子单元。每个个子单元。每个a离离子占据一个八面体位置，每个子占据一个八面体位置，每个c离子占据十二面体离子占据十二面体位置，每个位置，每个d离子处于一个四面体位置。离子处于一个四面体位置。与尖晶石类似，石榴石的净磁矩起因于反平行自与尖晶石类似，石榴石的净磁矩起因于反平行自旋的不规则贡献：旋的不规则贡献：a离子和离子和d离子的磁矩是反平行离子的磁矩是反平行排列的，排列的，c离子和离子和d离子的磁矩也是反平行排列的离子的磁矩也是反平行排列的。如果假设每个。如果假设每个Fe3 离子磁矩为离子磁矩为5B，则对则对M3cFe2aFe3dO12 净净3c（3d2a）3c5B每个电子自旋磁矩的近似值等于

22、一个波尔磁子每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子B(原子磁矩的单位，是一个极小的量，约等于原子磁矩的单位，是一个极小的量，约等于9.27*10-24 A*m2 ）第23页/共73页在亚铁磁性的石榴石系中，以钇铁石榴在亚铁磁性的石榴石系中，以钇铁石榴石石Y3Fe5O12（Y3Fe2Fe3O12）为首为首称为磁性石榴石的一系列改进型物质，称为磁性石榴石的一系列改进型物质，作为高密度记录介质，在磁记录（磁泡作为高密度记录介质，在磁记录（磁泡材料）、光磁记录（光磁克尔效应材料材料）、光磁记录（光磁克尔效应材料）、光通讯（单向波导，法拉第效应材）、光通讯（单向波导，法拉第效应材料）等领域，正成为较为

23、活跃的研究对料）等领域，正成为较为活跃的研究对象。象。第24页/共73页 磁学与电学各基本参量的类似性磁学与电学各基本参量的类似性磁学参量（磁路）磁学参量（磁路）名称名称单位单位名称名称单位单位磁通量磁通量 Wb电流强度电流强度IA磁通密度磁通密度BWb/m2电流密度电流密度JA/m2磁场强度磁场强度HA/m电场强度电场强度EV/m磁导率磁导率 H/m电导率电导率 磁阻磁阻Rm电阻电阻R 磁势磁势VmA电动势电动势VV第25页/共73页3d壳层的电子结构壳层的电子结构元元素素原子序原子序数数21222324252627282930元素名元素名ScTiVCrMnFeCoNiCuZn磁性磁性顺顺顺

24、顺顺顺反反反反铁铁铁铁铁铁反反反反电电子子的的壳壳层层结结构构壳层结壳层结构构3d4s23d24s23d34s23d54s13d24s23d64s23d74s23d84s23d104s13d104s23d电子电子数及自数及自旋排布旋排布4s壳层壳层电子数电子数2221222212第26页/共73页磁滞回线磁滞回线(B-H或或M-H)与电滞回线（与电滞回线（P-E)铁电电滞回线（铁电电滞回线（PS为自发极化强度，为自发极化强度，EC为矫顽力）为矫顽力） 磁滞回线磁滞回线第27页/共73页饱和磁化强度或最大磁感应强度或饱和磁通密度饱和磁化强度或最大磁感应强度或饱和磁通密度饱和极化强度饱和极化强度矫

25、顽力矫顽力矫顽力矫顽力剩余磁化强度或剩余磁通密度剩余磁化强度或剩余磁通密度剩余极化强度剩余极化强度磁畴（由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化而形成）磁畴（由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化而形成）电畴电畴磁畴壁磁畴壁电畴壁电畴壁自发磁化自发磁化自发极化自发极化矩形比：剩余磁化强度矩形比：剩余磁化强度/饱和磁化强度或饱和磁化强度或B(H1/2)/饱和磁化强度饱和磁化强度.第28页/共73页AABB 电畴结构电畴结构 闭合磁畴闭合磁畴第29页/共73页由磁畴扩大（由磁畴扩大（b）及磁化矢量（及磁化矢量（c）引起的磁化过程，（引起的磁化过程，（a）是退磁状态下的磁畴分布是退磁状态下

26、的磁畴分布（在下方的磁化曲线标明了对应的阶段）（在下方的磁化曲线标明了对应的阶段）（a）（b）（c）HH可逆壁移可逆壁移不可逆壁不可逆壁移移转向磁化转向磁化abcOHs HBs磁畴壁完全消失第30页/共73页磁学各向异性例如：在某一宏观方向生长的单畴粒子，且其自发磁化强度被约束在该方向内，当在该方向上施加磁场时，会显示直角型的磁滞回线，而在与此垂直方向上施加磁场，则磁滞回线缩成线性，一般来说，软磁材料各向异性越小越好，而硬磁材料则根据具体应用多采用各向异性大的材料。（磁各向异性：磁化方向不同，内部能量会发生变化）第31页/共73页磁泡结构磁泡结构通过分子束外延法在基板上生长膜，容易诱发垂直磁各

27、向异性（可能是由于稀土金属离子容易加入到特定的晶格格点位置，使外延生长时，产生特定的晶体学取向所致。通过分子束外延法在基板上生长膜，容易诱发垂直磁各向异性（可能是由于稀土金属离子容易加入到特定的晶格格点位置，使外延生长时，产生特定的晶体学取向所致。如在（如在（111）基板上通过液相外延法生长石榴石膜，造成垂直膜面的方向为易磁化轴。形成带状的磁畴结构。这种结构随外磁场的作用的加强，逐渐增加，磁化方向向下的带状磁畴逐渐减少，在某一偏置磁场强度之下，形成圆柱形孤立的磁畴。一般称这种磁畴为磁泡，当磁场进一步加大，则磁泡会消失。）基板上通过液相外延法生长石榴石膜，造成垂直膜面的方向为易磁化轴。形成带状的

28、磁畴结构。这种结构随外磁场的作用的加强，逐渐增加，磁化方向向下的带状磁畴逐渐减少，在某一偏置磁场强度之下，形成圆柱形孤立的磁畴。一般称这种磁畴为磁泡，当磁场进一步加大，则磁泡会消失。目前可以得到直径为目前可以得到直径为23微米的磁泡，从而有可能用于高密度信息记录，而且有希望用于计算机的高速存储器。微米的磁泡，从而有可能用于高密度信息记录，而且有希望用于计算机的高速存储器。第32页/共73页无磁场作用无磁场作用 磁场作用磁场作用第33页/共73页在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物质的各种磁性能；在工艺上要充分保证并提高质的各种磁性能；在工艺上要充分保

29、证并提高磁性能；在应用上应充分发挥铁磁性材料的潜磁性能；在应用上应充分发挥铁磁性材料的潜力。铁磁性材料的几个重要的基本特性如下：力。铁磁性材料的几个重要的基本特性如下：（1）完全由物质本身（成分组成比）决定的特）完全由物质本身（成分组成比）决定的特性性饱和磁化强度、饱和磁感应强度饱和磁化强度、饱和磁感应强度（2）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的特征特征磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为高的矫顽力）、矩形比高的矫顽力）、矩形比第34页/共73页铁磁性材料：铁磁性材料：软磁（高磁导率材料）、软磁（高磁导率材料）

30、、硬磁（剩磁大，高矫玩力材料，永磁体材硬磁（剩磁大，高矫玩力材料，永磁体材料）、料）、矩磁（磁滞回线近乎于矩形）矩磁（磁滞回线近乎于矩形）第35页/共73页高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强度就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强度就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。（1）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能效率）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能效率（2）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在于省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场的反转。）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在于省资源，便于轻

31、薄短小，可迅速响应外磁场的反转。（3）矫顽力要小，目的在于提高高频效率。）矫顽力要小，目的在于提高高频效率。（4）铁损要低，提高功能效率）铁损要低，提高功能效率（5）电阻率要高，提高高频性能，减小涡流损失）电阻率要高，提高高频性能，减小涡流损失（6）磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声）磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声（7）作为基本特性的磁各向异性系数要低（无论在哪个结晶方向都可以磁化）作为基本特性的磁各向异性系数要低（无论在哪个结晶方向都可以磁化）第36页/共73页非晶态材料特征（1）从原子排布结构看，为长程无序，短程有序；（2）不存在位错及晶粒边界；（3）加热具有结晶化倾向；（4）电阻率比

32、晶态高；（5）机械强度高，硬度大（6）受放射性物质辐照，性能劣化不明显（7）作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。由于电阻率高，涡流损耗小。非晶态磁性具有优良的综合软磁性材料特性。第37页/共73页采用容易非晶化的物质采用容易非晶化的物质3d过渡金属过渡金属-非金属系：非金属系：Fe Co Ni B C Si P (Co-Fe-B-Si)3d-金属系金属系 ： Fe Co Ni Ti Zr Nb Ta(Co-Nb-Zr)过渡金属过渡金属-稀土类金属系：稀土类金属系：Gd,Tb,Dy,Nd（GdTbFe,TbFeCo）缺点：热稳定性差，大量生产存在一定困难，缺点：热稳定性差，大量生产存在一定困难，第

33、38页/共73页 7.3 磁性材料的物理效应磁性材料的物理效应物质的物理性质随外界因素，例如磁场、电场、物质的物理性质随外界因素，例如磁场、电场、光及热等的变化而发生变化的现象为物理效应。光及热等的变化而发生变化的现象为物理效应。1. 磁光效应：透明的铁磁性材料中的光透射、磁光效应：透明的铁磁性材料中的光透射、光反射时，光与自发磁化相互作用，会发生特异光反射时，光与自发磁化相互作用，会发生特异的光学现象，称此为磁光效应。的光学现象，称此为磁光效应。光属于电磁波，为横波，电场和磁场分别在各自光属于电磁波，为横波，电场和磁场分别在各自的固定面上振动，称此面为偏光面。的固定面上振动，称此面为偏光面。

34、第39页/共73页磁光效应包括：磁光效应包括：（1）塞曼效应）塞曼效应对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象为塞曼效应。从应用的角度来看，还属于有待开发的领域。对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象为塞曼效应。从应用的角度来看，还属于有待开发的领域。（2）法拉第效应）法拉第效应光和原子磁矩相互作用而产生的现象。光和原子磁矩相互作用而产生的现象。当当Y3Fe5O12一些透明物质透过直线偏光时，若同时施加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角度射出，该现象为法拉第效应。一些透明物质透过直线偏光时，若同时施加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角度射出，该现象为法拉第效应

35、。若施加与入射光垂直的磁场，入射光将分裂为沿原方向的正常光束和偏离原方向的异常光束，为科顿若施加与入射光垂直的磁场，入射光将分裂为沿原方向的正常光束和偏离原方向的异常光束，为科顿莫顿效应。莫顿效应。第40页/共73页法拉第效应法拉第效应偏振光偏振光发生旋转的偏振光发生旋转的偏振光磁场磁场H入射光入射光透射光透射光入射光入射光磁场磁场H正常光线正常光线异常光线异常光线科顿科顿莫顿效应。莫顿效应。第41页/共73页（3）克尔效应）克尔效应当光入射到被磁化的物质，或入射到外当光入射到被磁化的物质，或入射到外磁场作用下的物质表面时，其发射光的磁场作用下的物质表面时，其发射光的偏振面发生旋转的现象。偏振

36、面发生旋转的现象。第42页/共73页记录位记录位 非记录位非记录位 记录位记录位光盘利用磁克尔效应进行光磁记录的原理光盘利用磁克尔效应进行光磁记录的原理直线偏振光直线偏振光记录层记录层磁化磁化反平行磁化反平行磁化 这种为非接触式、大容量记录介质这种为非接触式、大容量记录介质第43页/共73页非晶态磁光记录介质的优点是：不存在晶界等非晶态磁光记录介质的优点是：不存在晶界等相对于磁畴的障碍物，不产生反转磁畴的变形相对于磁畴的障碍物，不产生反转磁畴的变形等。多晶体的等。多晶体的MnBi的克尔旋转角大，是很有吸的克尔旋转角大，是很有吸引力的材料，但由于多晶体再生时，造成较大引力的材料，但由于多晶体再生

37、时，造成较大的噪音，作为第一代光磁记录介质未被采用，的噪音，作为第一代光磁记录介质未被采用，最近又重新引起人们的兴趣。最近又重新引起人们的兴趣。为了保存大量信息，需要高密度、高速度、高为了保存大量信息，需要高密度、高速度、高效率、低价格的记录与存储。因此目前效率、低价格的记录与存储。因此目前磁光盘磁光盘正与磁记录、相变型可重写光盘正与磁记录、相变型可重写光盘处于激烈的竞处于激烈的竞争中。于是人们正在开发进行磁光盘用新型记争中。于是人们正在开发进行磁光盘用新型记录介质的开发（例如：金属超晶格多层膜、磁录介质的开发（例如：金属超晶格多层膜、磁性石榴石等）性石榴石等）第44页/共73页2. 电流磁气

38、效应电流磁气效应物质中流过电流的同时，施加磁场时所显示出物质中流过电流的同时，施加磁场时所显示出的物理现象。这种效应表现为电动势的物理现象。这种效应表现为电动势E的变化的变化。一般说来，该电动势表现为下述一般说来，该电动势表现为下述3项之和：项之和：与磁场与磁场H无关系的项：为电阻无关系的项：为电阻R所产生的电动所产生的电动势，符合欧姆定律（势，符合欧姆定律（E0=RI)。霍尔电动势项：一般情况下，与磁场强度成正霍尔电动势项：一般情况下，与磁场强度成正比，称为霍尔效应比，称为霍尔效应(与与I H成正比成正比)。磁致电阻电动势项：与磁致电阻电动势项：与H(IH)成正比，称为磁成正比，称为磁致电阻

39、效应致电阻效应.第45页/共73页霍尔效应：在于电流垂直的方向施加磁场，则在垂直于电流轴和磁场轴所组成的平面的方向上产生电位差。这种电位差为霍尔电压。霍尔元件（磁传感器），霍尔效应：在于电流垂直的方向施加磁场，则在垂直于电流轴和磁场轴所组成的平面的方向上产生电位差。这种电位差为霍尔电压。霍尔元件（磁传感器），InSb,GaAs半导体元件已实用化。半导体元件已实用化。磁致电阻效应：施加磁场使物质电阻发生变化的现象称为磁致电阻效应。包含两项：与磁场强度磁致电阻效应：施加磁场使物质电阻发生变化的现象称为磁致电阻效应。包含两项：与磁场强度H有关（正常磁致电阻效应）和与磁化强度相关（异常磁致电阻效应），

40、其中第二项贡献最大。有关（正常磁致电阻效应）和与磁化强度相关（异常磁致电阻效应），其中第二项贡献最大。各向异性磁致电阻效应：电阻率变化与磁化方向相关。各向异性磁致电阻效应：电阻率变化与磁化方向相关。高灵敏度读取用的高灵敏度读取用的MR磁头，就是利用这种效应。磁头，就是利用这种效应。利用该效应的材料有：巨磁致电阻效应材料、超巨磁致电阻效应材料。利用该效应的材料有：巨磁致电阻效应材料、超巨磁致电阻效应材料。第46页/共73页Ettinghausen效应：沿着霍尔电压方向产生温度梯度的现象。效应：沿着霍尔电压方向产生温度梯度的现象。Nerst效应：在与电流垂直方向施加磁场，沿电流方向产生温度梯度的现

41、象。效应：在与电流垂直方向施加磁场，沿电流方向产生温度梯度的现象。磁各向异性：一般情况下，在铁磁体中存在着取决于自发磁化方向的自由能，自发磁化向着该能量取最小值的方向是最稳定的。而要向其他方向旋转，能量会增加。磁各向异性：一般情况下，在铁磁体中存在着取决于自发磁化方向的自由能，自发磁化向着该能量取最小值的方向是最稳定的。而要向其他方向旋转，能量会增加。磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：（利用这一效应可以使磁能转变为机械能，而逆效应可以使机械能转变为磁能。可以制作能量转换器件，电气音响转换器件。（利用这一效应可以使磁能转变为机械能，而逆效应可以使机械能转变为磁能。可以制作能量转换器件，电气音响转换器件

42、。第47页/共73页7.4 磁光效应材料与记录原理磁光效应材料与记录原理磁盘由在圆盘状基表面附着磁记录介质磁盘由在圆盘状基表面附着磁记录介质层构成。层构成。由于其高存储容量、随机存取容易、迅由于其高存储容量、随机存取容易、迅速等优点，已成为数字式记录、存储媒速等优点，已成为数字式记录、存储媒体的主要形式。体的主要形式。记录密度与激光波长的关系：记录密度与激光波长的关系：激光光斑直径与波长的关系：激光光斑直径与波长的关系：D约与波长成正比。约与波长成正比。第48页/共73页各种磁盘的结构示意图各种磁盘的结构示意图基板基板铝合金（铝合金（Mg_Al)（1-2mm)磁性层（磁性磁性层（磁性粉、粘结剂

43、、粉、粘结剂、添加剂）添加剂） 润滑剂润滑剂硬盘硬盘碳保护膜碳保护膜磁性膜（磁性膜（CoCr(Ta)）基板基板铝合金铝合金Ti电镀电镀NiFe膜膜垂直磁性膜硬盘垂直磁性膜硬盘通常采用各种溅射法，一般情况下还夹有一层通常采用各种溅射法，一般情况下还夹有一层Cr基地层基地层第49页/共73页基板基板铝合金铝合金SiO2保护膜保护膜电镀磁性层电镀磁性层(CoNiP)NiP电镀磁性膜硬盘电镀磁性膜硬盘基板基板(如如PET)基板基板(可挠性可挠性）(如如PET)基板基板(如如PET)磁性层（磁性磁性层（磁性粉、粘结剂、粉、粘结剂、添加剂）添加剂）软盘（涂布型软盘）软盘（涂布型软盘）磁性层磁性层(CoNi

44、(O)磁性层磁性层(CoNi(O)Ti膜膜倾斜蒸镀可挠性软盘（薄膜性磁盘）倾斜蒸镀可挠性软盘（薄膜性磁盘）准二层膜垂直记录可挠性软盘（薄膜性磁盘）准二层膜垂直记录可挠性软盘（薄膜性磁盘）第50页/共73页磁记录介质：涂布型磁记录介质：涂布型薄膜型薄膜型垂垂直记录型顺序发展。直记录型顺序发展。采用电镀、蒸镀、溅射等方法。采用电镀、蒸镀、溅射等方法。磁性材料需要有大的磁各向异性微结构磁性材料需要有大的磁各向异性微结构，需要，需要Co合金膜沿特定方位生长，为此合金膜沿特定方位生长，为此需要需要Cr打底层。打底层。第51页/共73页磁光效应材料磁光效应材料光盘光盘磁光盘以光热磁原理进行记录、再生、属于

45、可擦除重写型光存储器，即可通过光热磁，将不必要的信息擦除，并改写为必要的信息，目前所用的材料主要为锝磁光盘以光热磁原理进行记录、再生、属于可擦除重写型光存储器，即可通过光热磁，将不必要的信息擦除，并改写为必要的信息，目前所用的材料主要为锝(Tb)、铁、钴等构成的非晶态合金膜。（向多层膜方向发展）铁、钴等构成的非晶态合金膜。（向多层膜方向发展）光磁记录具有下述特征：光磁记录具有下述特征：（1）记录密度高（）记录密度高（107-1010bit/cm2)（2）可擦除重写可擦除重写（3）非接触式，从而可靠性高）非接触式，从而可靠性高（4）随机寸取）随机寸取（5）光盘可自动装卸；）光盘可自动装卸；（6）

46、可用于多道记录及全息照相存储）可用于多道记录及全息照相存储第52页/共73页光磁记录的原理光磁记录的原理磁光效应是基于光与物质的磁化（或磁场）相磁光效应是基于光与物质的磁化（或磁场）相互作用，而使光学参数发生变化的现象。互作用，而使光学参数发生变化的现象。第53页/共73页光盘光盘记录膜记录膜气体激光器气体激光器半导体激光器半导体激光器光调制器光调制器透镜透镜光束分离器光束分离器光检出器光检出器随机反射镜随机反射镜聚焦透镜聚焦透镜记录时，利用激光的高能量，再生（读取）时，利用激光反射信号的检出（克尔效应）记录时，利用激光的高能量，再生（读取）时，利用激光反射信号的检出（克尔效应）第54页/共7

47、3页记录与再生的原理：记录介质采用较大的矫玩力记录与再生的原理：记录介质采用较大的矫玩力垂直磁化膜垂直磁化膜垂直磁化膜垂直磁化膜记录位记录位bit记录或写入方式有：居里温度写入和补偿温度写入。记录或写入方式有：居里温度写入和补偿温度写入。弱磁场：使记录弱磁场：使记录位磁化反转位磁化反转第55页/共73页读出或再生原理：利用克尔效应读出或再生原理：利用克尔效应或法拉第效应读出。读出时激光或法拉第效应读出。读出时激光不能使记录介质过热，其加热功不能使记录介质过热，其加热功率要比记录时的功率低。率要比记录时的功率低。第56页/共73页光电二极管光电二极管第57页/共73页 光盘的剖面图光盘的剖面图第

48、58页/共73页光磁记录介质应具备的特性：光磁记录介质应具备的特性：（1）满足垂直磁化的的条件）满足垂直磁化的的条件（2）作为能稳定的保持微小磁畴结构的条件）作为能稳定的保持微小磁畴结构的条件（3）再生灵敏度高）再生灵敏度高（4）记录灵敏度高）记录灵敏度高（5）低噪音）低噪音（6）化学、结构等稳定）化学、结构等稳定（7）便于大面积均质成膜）便于大面积均质成膜第59页/共73页居里温度写入：磁性膜中需要记录的部居里温度写入：磁性膜中需要记录的部分被激光照射加热，温度上升到分被激光照射加热，温度上升到Tc以上以上，该部分变为非磁性，在其冷却过程中，该部分变为非磁性，在其冷却过程中，受其周围基体反磁

49、场作用，会发生磁，受其周围基体反磁场作用，会发生磁化反转。如果通过线圈或永磁体外加磁化反转。如果通过线圈或永磁体外加磁场，则可实现磁化的完全反转。场，则可实现磁化的完全反转。补偿温度写入：铁磁体垂直磁化膜的磁补偿温度写入：铁磁体垂直磁化膜的磁补偿温度应在室温附近。当这种铁磁体补偿温度应在室温附近。当这种铁磁体被激光加热到较高温度，该温度下对应被激光加热到较高温度，该温度下对应的矫玩力比室温时的矫玩力要低的多，的矫玩力比室温时的矫玩力要低的多，这样，在较弱的外磁场下即可容易地实这样，在较弱的外磁场下即可容易地实现磁化反转。现磁化反转。第60页/共73页TbFeCo磁光材料具有下列优势：磁光材料具

50、有下列优势：（1）在近红外能长期使用）在近红外能长期使用（2）可容易垂直磁化）可容易垂直磁化（3）非晶态结构，可避免晶界等造成）非晶态结构，可避免晶界等造成的再生噪音的再生噪音（4）居里温度）居里温度200度，与半导体激光功度，与半导体激光功率可良好的对应。率可良好的对应。第61页/共73页采用多层膜用以提高旋转角采用多层膜用以提高旋转角基板基板保护层保护层 SiO,ZnS记录层记录层Tb-Fe-Co第62页/共73页玻璃成分玻璃成分B2O3BaO+BaO,Fe2O3（Ba铁氧体成分）铁氧体成分）+CoO,TiO2（矫玩力调整）矫玩力调整）熔融急冷凝固熔融急冷凝固Ba铁氧体薄片铁氧体薄片结晶化

51、结晶化Ba铁氧体磁性粉铁氧体磁性粉第63页/共73页下一代光磁记录材料下一代光磁记录材料为提高高记录密度，采用短波长光，为提高高记录密度，采用短波长光，重点集中在在短波长区具有较大克尔重点集中在在短波长区具有较大克尔旋转角的材料，主要为含有旋转角的材料，主要为含有Nd及及Pr的的非晶态稀土非晶态稀土(R)-Fe-Co合金膜、合金膜、Bi置换置换磁性石榴石、磁性石榴石、Pt/Co多层膜（超晶格多层膜（超晶格膜，磁性与非磁性界面效应，可以开膜，磁性与非磁性界面效应，可以开发出新的性能和功能）发出新的性能和功能）第64页/共73页超高密度信息记录的新技术：超高密度信息记录的新技术：激光技术透镜聚焦激

52、光技术透镜聚焦超纳米加工及分析测试技术：扫描隧道显微镜超纳米加工及分析测试技术：扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜磁力显微镜(MFM)等等采用可提高写入和读取密度的磁超分辨技术和采用可提高写入和读取密度的磁超分辨技术和磁畴扩大再生技术。磁畴扩大再生技术。短波长用法拉第旋转器件用材料：含短波长用法拉第旋转器件用材料：含Tb的顺磁的顺磁性玻璃、含性玻璃、含Pb的反磁性玻璃，含的反磁性玻璃，含Eu的顺磁性玻的顺磁性玻璃璃,Tb3Ga5O12,Tb3Al5O12,Cd0.55Mn0.45Te,CdMnHgTe第65页/共73页光盘存储材料光盘存储材料光存储技术的发

53、展：以光为笔，以感光片为光存储技术的发展：以光为笔，以感光片为纸的照片；以光为探头，以胶卷为长卷的电纸的照片；以光为探头，以胶卷为长卷的电影、电视等，这些光存储的中大多采用的是影、电视等，这些光存储的中大多采用的是可见光，多用化学物质的感光技术。而光盘可见光，多用化学物质的感光技术。而光盘存储是现代的高科技光电子技术，光盘上信存储是现代的高科技光电子技术，光盘上信息的写入与读出都是利用半导体激光器、探息的写入与读出都是利用半导体激光器、探测器来完成。测器来完成。第66页/共73页类别类别材料材料性能性能应用应用只读光盘：只读光盘：CD、VCD基片：有机玻基片：有机玻璃类璃类(PMMA)或聚酸碳

54、酯或聚酸碳酯光学膜：光聚光学膜：光聚合物合物+染料类染料类光敏有机材料光敏有机材料可擦写光盘可擦写光盘CD-R、CD-RAM、DVD-RAM、MOD基片材料同上基片材料同上光学膜：光学膜：（1）结晶态）结晶态或非结晶态光或非结晶态光学相变材料学相变材料（2）磁光材）磁光材料料除了只读光盘除了只读光盘的应用外，还的应用外，还可用于高清晰可用于高清晰度电视，特别度电视，特别适合于计算机适合于计算机的大容量存储，的大容量存储，不会受病毒干不会受病毒干扰而自动删除，扰而自动删除，便利随机保存便利随机保存信息资料。信息资料。第67页/共73页光盘存储的密度：光盘存储可以是二维的面存储，也可以是三维的立体存储，存储密度依赖于写入信息的激光波长。面存储密度同波长的平方成反比。采用可见光作写入的光盘信息密度为光盘存储的密度：光盘存储可以是二维的面存储，也可以是三维的立体存储，存储密度依赖于写入信息的激光波长。面存储密度同波长的平方成反比。采用可见光作写入的光盘信息密度为107-108b/cm2，因此现在大力发展蓝光激光器。体存储密度与波长的三次方成反比。因此现在大力发展蓝光激光器。体存储密度与波长的三次方成反比。光盘存储的原理：留声机是以金属唱针为探头，以唱片为基质，利用唱针在旋转的唱片上刻下不同划痕的纹路记录下声音