磁畴结构和磁化曲线.ppt

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1、磁学与磁性材料（3）MagnetismandMagneticMaterials材料科学与工程学院李军2007年10月1磁畴结构和磁化曲线2磁畴结构畴壁和畴壁能畴壁和畴壁能单轴晶体中Bloch壁的厚度和畴壁能密度铁磁薄膜内的畴壁磁畴的形成原因3磁畴的形状片形畴封闭畴片形畴的变异封闭畴的变异三轴晶体中的磁畴不均匀物质中的磁畴4磁化曲线技术磁化和反磁化畴壁位移的磁化过程磁矩转动的磁化过程单晶体的磁化过程单轴单晶体的磁化过程三轴晶体的磁化过程畴壁运动的阻力5根据Weiss假设，在居里点温度以下的磁体都分成许多微小但

2、却是宏观的区域，在这些区域中存在着与某一温度对应的自发磁化强度，这种区域被称之为磁畴。磁畴的形状、大小及它们之间的搭配方式，统称为磁畴结构。磁性材料的技术性能都是由磁畴结构的变化决定。研究磁畴结构的形状和变化，对材料磁性的改善起着指导性的作用。6磁畴壁铁磁体中磁畴沿晶体的易磁化方向进行磁化，那么在相邻两磁畴之间必然存在过渡层作为磁畴间的分界，称为畴壁。畴壁厚度约等于几百个原子间距。畴壁是磁畴结构的重要组成部分，它对磁畴大小、形状以及相邻磁畴的关系等都有重要影响。铁磁体中磁畴的示意图7铁磁体中一个易轴上有两个

3、相反的易磁化方向，两个相邻磁畴的磁化方向恰好相反，这两个磁畴之间的畴壁称为180°壁，也称为Bloch壁。如果两个磁畴的磁化易轴相互垂直，它们之间的畴壁为90°壁。如果铁磁体的易磁化方向是<111>方向，两个这样的方向相交109°或71°，则两个相邻磁畴的易磁化方向也相差109°或71°，它们之间的畴壁为109°壁或71°壁。8畴壁既然是一个过渡层，那它就有一定的厚度。相邻磁畴的磁矩形成一定的角度，那么从这一磁畴的磁矩方向变到相邻磁畴的磁矩方向，是怎样变化的呢？也就畴壁内的原于磁矩是怎样排列？假定在大块样品

4、内，畴壁的表面和内部都不出现磁荷(磁荷的出现会使畴壁的能量大大增加),畴壁内原子磁矩只能采取特殊方式排列：每一原子磁矩在畴壁法线方向的分量都必须相等。9180°畴壁内的原子磁矩的排列方式：所有原子磁矩都只在与畴壁平行的原子面上改变方向，同一原子面的磁矩方向则相同，它们在畴壁法线方向的分量都为零。原子磁矩在畴壁内是逐渐转向的。180°畴壁内原子磁矩方向改变示意图10如果磁化强度的取向从一个磁畴内最后一个原子处的0°突然转变成相邻磁畴的第一个原子处的180°(这种情况也可理解为畴壁厚度很小，甚至为零)，虽然磁化

5、方向还是保持在磁畴的易磁化方向，磁晶各向异性能没有变化，但却引起交换作用能的急剧变化。Ba铁氧体SmCo合金11跨过畴壁的一对原子之间的交换作用能为：如果材料的Tc很高，如Fe的Tc为1000K，玻尔磁子kB为9.27×10-24Am2，则交换积分常数Eex的数值在10-20J左右，畴壁能密度γw经过计算大约在10-2J/m2左右，这比化学表面能大几个数量级，甚至大于材料的磁晶各向异性能。材料将寻找一种从一个磁畴到另外一个磁畴转变时耗能较小的磁化方式。12畴壁内的磁矩如果逐渐变化，交换能可通过分布在180°

6、旋转跨越的若干自旋磁矩来减小。如果畴壁厚度为N个原子间距，则相邻自旋将相差一个角度φij≈π/N。当N较大时，交换能将变为：这种自旋方式的交换能相对于直接自旋转向方式大约减小了1/N2；但不利之处在于原子磁矩的逐渐转向引起磁晶各向异性能的增加。系统总能量是交换能和磁晶各向异性能之和，畴壁的厚度和畴壁能密度也主要由两者确定。13Bloch壁的厚度和畴壁能密度选直角坐标系的Z轴与畴壁的法向一致，则xy面为壁面。如果设θ为任一磁矩与易磁化方向间的夹角，则θ是z的函数θ(z)，而任意两个最近邻磁矩间的角度φij=a

7、(dθ/dz)，a为晶格常数。Bloch壁内的原子磁矩方向改变14两个近邻原子磁矩从平行排列变到不平行排列，其交换能的增加为：长度为dz的畴壁内有dz/a个磁矩自旋，所以一条线链上的交换能为畴壁单位表面共有1/a2条线链，设F=AS2/a，则交换能密度为15单轴晶体的磁晶各向异性能密度为Ek=K1Sin2θ，畴壁单位面积上的磁晶各向异性能为：畴壁单位面积的总能量为16畴壁内原子磁矩的转向方式必须满足γ为最小时才能实现，即要求上式的积分最小。将上式进行变分：对上式中的一部分进行分步积分：17可以认为自旋开始转

8、向的位置z1和转向结束的位置z2所对应所对应的δθ都等于零，所以上式变为：由此可以得到：令δγ=0，上式可变成：18朗道指出，畴壁厚度δ0总是比磁畴本身的厚度d小得多，d/δ0趋近于∞。选畴壁中心为坐标原点，则在磁畴内的Z都是趋近于∞的，所以设定以下边界条件：当Z=-∞时，θ=0；当Z=+∞时，θ=π；当Z=±∞时，dθ/dz=0。将上式进行一次积分，得出19利用边界条件，C=1，所以上式可变为：将上式进行积分：