稀土永磁薄膜材料

简要地介绍在纳米复合稀土永磁薄膜材料、各向异性稀土永磁薄膜材料方面的进展。在纳米复合稀土永磁薄膜材料中实现磁性交换耦合和剩磁增强效应，系统地研究了其结构与磁性的关系。制备成功高磁能积的各向异性稀土永磁薄膜材料，比较了Ti或Mo缓冲层对Nd-Fe-B薄膜的表面形貌、磁畴结构和磁性能的影响。发现薄膜的表面形貌强烈地依赖于缓冲层的厚度。由于它极大地影响薄膜的成分，溅射速率被证明是控制薄膜的显微结构、表面形貌和磁性能的一个重要因素。在微磁学模型的基础上，通过分析从5到300K的矫顽力温度依赖关系。研究了各向异性Pr-Fe-B薄膜的矫顽力机制。在晶粒表面，由于磁各向异性的降低和局域退磁场的提高导致的反转畴的形核被确定为控制各向异性Pr-Fe—B薄膜的磁化反转过程的首要机制。     

磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构

首先简要地介绍了磁性材料中磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构以及相互之间的关系. 一方面, 磁畴结构由材料的磁结构、内禀磁性和微结构因素决定; 另一方面, 磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁性. 拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密. 最近的研究兴趣集中在一些拓扑磁性组态, 如涡旋、磁泡、麦纫、斯格米子等. 研究发现这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关. 然后从尺寸效应、缺陷、晶界三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展. 最后介绍了在稀土永磁薄膜材料的微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面的工作. 通过对文献的评述, 得到以下结论: 开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究对更好地利用稀土资源具有重要的意义. 可以有目的地改变材料的微结构, 可控地进行磁性材料的磁畴工程, 最终获得优秀的磁性能. 拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域, 在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献. 研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者激发态的形成规律以及动力学行为对理解量子拓扑相变以及其他与拓扑相关的物理效应是十分重要的. 也会帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制及其与磁性能之间的关系, 同时拓展拓扑学在新型磁性材料中的应用.     

稀土永磁体及复合磁体反磁化过程和矫顽力

稀土永磁体即使内秉性质相同,但矫顽力可能相差很大.本文以Pr-Fe-B磁体为例,从热激活反磁化即反磁化临界过程探讨决定矫顽力的关键因素.Pr-Fe-B晶粒表层缺陷区与晶粒内部耦合推动反磁化畴形核从而去钉扎,晶粒表层缺陷区的各向异性对克服晶粒内部势垒具有贡献,因此反磁化形核场和矫顽力大大降低.由于晶粒表层缺陷区与晶粒内部耦合,在反磁化临界过程磁畴壁尺寸稍大于理论尺寸.具有软、硬磁相结构的Pr-Fe-B复合磁体,软、硬磁相晶粒之间交换耦合作用也会增大反磁化畴壁尺寸.软、硬磁交换耦合的能量对克服硬磁相晶粒内部各向异性势垒也会有贡献,这将进一步降低磁体矫顽力.添加Ti,Nb高熔点金属,复合磁体矫顽力显著提高.分析认为,这不仅仅是磁体晶粒尺寸减小的缘故.热激活尺寸减小说明磁畴壁中包含的硬磁相晶粒表层缺陷区尺寸减小,硬磁相表面和两相界面各向异性对克服硬磁相晶粒内部势垒的贡献减小,反磁化所需外磁场增大.     

Nd28Fe66B6/Fe50Co50双层纳米复合膜的结构和磁性

利用磁控溅射法制备了Nd28F66B6/Fe50Co50双层纳米复合磁性薄膜,研究了其结构和磁性.经873K退火处理15min后,利用x射线衍射仪测定薄膜晶体结构,采用俄歇电子能谱仪估算薄膜厚度和超导量子干涉仪测量其磁性.磁性测量表明,1)该系列薄膜具有垂直于膜面的磁各向异性.从起始磁化曲线和小回线的形状特征可知,矫顽力机制主要是由畴壁钉扎控制.2)对于固定厚度(10nm)层的硬磁相Nd-Fe-B和不同厚度(dFeCo=1-100nm)层软磁相FeCo双层纳米复合膜,剩磁随软磁相FeCo厚度的增加快速增加,而矫顽力则减少.当dFeCo=5nm时,最大磁能积达到160×103A/m.磁滞回线的单一硬磁相特征说明,硬磁相Nd-Fe-B层和软磁相FeCo层之间的相互作用使两相很好地耦合在一起.剩磁和磁能积的提高是由于两相磁性交换耦合所致.     

铁基纳米复合永磁材料的相成分与磁性

纳米复合永磁材料由于具有高剩磁，高磁能积，高矫顽力和相对低的稀土含量等优点而有可能成为新一代价格低谦粘结永磁体，文章介绍了纳米复合永磁材料的磁特性，着重讨论了Ｆｅ３Ｂ基纳米材料相成分与磁性的关系，并证明其永磁性并非来源于Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ永磁相，最后介绍了纳米复合永磁材料的最新进展。     

Nd28Fe66B6/Fe50Co50双层纳米复合膜的结构和磁性

利用磁控溅射法制备了Nd₂₈Fe₆₆B₆/Fe_{50Co50 双层纳米复合磁性薄膜，研究了其结构和磁性.经873K退火处理15min 后，利用x射线衍射仪测定薄膜晶体结构，采用俄歇电子能谱仪估算薄膜厚度和超导量子干 涉仪测量其磁性.磁性测量表明，1)该系列薄膜具有垂直于膜面的磁各向异性.从起始磁化曲 线和小回线的形状特征可知，矫顽力机制主要是由畴壁钉扎控制.2)对于固定厚度（10nm） 层的硬磁相Nd-Fe-B和不同厚度（dFeCo=1—100nm）层软磁相FeCo双层纳米复合 膜,剩磁随软磁相FeCo 厚度的增加快速增加，而矫顽力则减少.当dFeCo=5nm 时 ，最大磁能积达到160×１０^３A/m.磁滞回线的单一硬磁相特征说明，硬磁相Nd -Fe-B层和软磁相FeCo层之间的相互作用使两相很好地耦合在一起.剩磁和磁能积的提高是由 于两相磁性交换耦合所致. 关键词： Nd-Fe-B/FeCo双层纳米复合膜 交换耦合 磁性增强}     

纳米复合永磁材料中软磁性相交换硬化的研究

本文就纳米复合永磁材料中软磁相被交换硬化问题,从一维模型和三维模拟计算进行了分析研究. 一维和三维各向异性样品研究表明,在相同微结构下,当硬磁相的各向异性降低时,除矫顽力降低外,在磁矩全部反转之前退磁曲线是一样的. 因此,硬磁相各向异性的降低不会导致最大磁能积(BH)_max增大和剩磁增加. 对于三维各向同性样品的模拟计算表明,降低硬磁相的各向异性会使剩磁和(BH)_max都明显降低. 因此,增强硬磁相的各向异性并增大硬磁相晶粒尺寸是提高 关键词： 纳米复合永磁 矫顽力 剩磁 磁能积     

纳米复合永磁材料的有效各向异性与矫顽力

研究了纳米Nd2Fe14B/α-Fe复合永磁材料中晶粒交换耦合相互作用对有效各向异性的影响和变化规律.结果表明：晶粒之间的交换耦合作用使材料的有效各向异性Keff随晶粒尺寸的减小而下降、随软磁性相成分的增加而降低. 当晶粒尺寸 减小到4nm时，Keff值减小为其各自通常各向异性常数值的1/3—1/4.有效各向异性的变化特点与矫顽力的变化规律基本相同.纳米复合永磁材料矫顽力的降低主要由于有效各向异性的减小而引起. 关键词： 纳米复合永磁材料 交换耦合相互作用 有效各向异性 矫顽力     

Nd-Ce-Fe-B纳米复合薄膜的磁性及交换耦合作用

采用磁控溅射技术制备了具有永磁特征的Nd-Ce-Fe-B多层纳米复合薄膜,并对其进行了退火处理.通过改变退火温度,研究其对薄膜磁性能和晶体结构的影响.结果表明,随着退火温度的提高薄膜磁性能逐渐增大,但当温度达到695℃以上时,薄膜的磁性能急剧下降.当退火温度为675℃时,薄膜的矫顽力Hci=10.1 kOe(1Oe=79.5775 A/m),垂直于薄膜表面方向的剩余磁化强度4πM_(r⊥)=5.91 kG(1 G=10~3/(4π)A/m).薄膜的X射线衍射结果表明,磁性薄膜具有较好的c轴取向.通过对薄膜磁化反转过程的研究,发现随着外加磁场的增大,M_(rev)的极小值向M_(irr)减小的方向移动,这与畴壁弯曲模型类似,表明在薄膜中存在较强烈的局部钉扎作用,而剩余磁化强度曲线表明这种钉扎作用在薄膜矫顽力机制中并不占支配作用.此外,薄膜的Henkel曲线结果表明在薄膜中存在较强的交换耦合作用,在经过685℃退火的薄膜中磁相互作用更加显著.     

磁场成型对锶铁氧体磁性能影响的模型研究

磁场成型是锶铁氧体获得高性能永磁材料的关键工艺.利用已建立的数学模型,研究锶铁氧体磁畴中心和材料几何中心相对位置变化对锶铁氧体磁性能的影响.结果表明,磁畴中心向下偏移比其向上偏移时,外磁场对磁畴中心的作用效果明显;同时当试样呈平面时,外磁场全部垂直作用于试样上,有效作用为最佳,并可以得到高矫顽力各向异性锶铁氧体.     

磁振子宏观效应以及热扰动场对反磁化的影响

热扰动导致的磁反转是越过能量势垒的不可逆反转,称为热助隧穿.本文研究Pr-Fe-B磁体热扰动导致的磁反转弛豫现象,反转磁矩与时间自然对数关系可表示为与能垒之间的关系,因此反磁化弛豫现象可用磁振子按能量的玻色统计分布率来解释,是磁振子宏观效应的体现.反磁化不可逆过程的临界尺寸为纳米级,与理论磁畴壁尺寸接近,证实热扰动反磁化经过磁畴壁形核去钉扎过程.在实空间反磁化耦合体积增大能减小磁振子隧穿的反磁化概率,热扰动场减小;热扰动后效场测量值与热扰动场计算值基本是一致的.温度升高,热扰动能量增大,由于耦合作用热扰动后效场有所减小,但热扰动后效场相对于矫顽力的作用增大.     

永磁学进展

回顾了３０年来永磁材料的发展。细长单畴微粉的开发，令人扫兴。铝镍钴的发展，已到顶峰，很难利用形状各向异性发展更高性能永磁材料。人们的注意力转到具有高磁晶各向异性的稀土－过渡族化合物，因而涌现三代稀土永磁，而且还在发展中，讨论了所需内秉磁性以及为获得高永磁性而必须创造的条件。最后介绍了新近提出的交换耦合复合永磁。     

NdFeB纳米复合永磁材料的交换耦合相互作用和有效各向异性

以Nd₂Fe₁₄B/αFe为例，采用立方体晶粒结构模型，研究了纳米复合永磁材料中不同磁性晶粒间的交换耦合相互作用和有效各向异性.纳米复合永磁材料的有效各向异性Keff等于软、硬磁性相各向异性的统计平均值，每个晶粒的各向异性由晶粒表面交换耦合部分和晶粒内部未交换耦合部分的各向异性共同确定.计算结果表明，软、硬磁性相晶粒尺寸分布显著地影响有效各向异性Keff的值.当软、硬磁性晶粒尺寸D相同时，Keff随晶粒尺寸和硬磁性相体积分数的降低而减小, 当D<20nm 时，K 关键词： 纳米复合永磁材料 交换耦合相互作用 有效各向异性 晶粒尺寸     

末端形状对NiFe纳米薄膜磁反转动力学特性的影响

基于微磁学模拟方法研究末端形状对NiFe纳米薄膜的磁反转和自旋波本征动力学特性的调制及磁反转与自旋波模式软化间的内在联系.纳米薄膜微磁结构的相变总是伴随着某种自旋波模式的软化,软化自旋波模式空间分布预示微磁结构相变的路径.存在一临界裁剪度（h₀）.当裁剪度h<h₀时,磁振荡局域于末端边缘的EM自旋波软化诱导磁反转从磁体末端边缘磁矩失稳开始,边缘失稳区域向中央扩展形成反转畴,最后反转畴逐渐移出膜面外而实现反转.当h≥h₀时,形状各向异性导致边缘局域化模式自旋波被抑制,反转场附近一致模式自旋波的软化诱导磁体一致反转.     

Pt/GdFeCo/Pt多层膜的磁性和反常霍尔效应研究

亚铁磁材料因具有反铁磁排列的子晶格磁矩而表现出诸多丰富的物理性质,在磁信息存储和逻辑领域具有广阔的应用前景.本文采用磁控溅射方法在热氧化的硅基片上制备了Pt/GdFeCo(t)/Pt多层膜,系统研究了亚铁磁GdFeCo厚度对多层膜的表面形貌、结构、磁性以及反常霍尔效应(AHE)的影响.结构测试表明薄膜表面粗糙度较小,且GdFeCo层为非晶态;实验中利用GdFeCo层厚度可有效控制Gd元素含量,从而调控GdFeCo趋近反铁磁态特性的磁矩补偿点;通过重金属强自旋轨道耦合效应(SOC)和非晶态亚铁磁薄膜面内压应力,实现了良好垂直各向异性(PMA);进一步阐明了亚铁磁薄膜中磁性和反常霍尔效应的内在产生机制以及磁矩补偿点与温度的内在关系.这些结果为构建新一代低功耗自旋电子器件奠定基础.     

纳米晶永磁Pr8Fe87B5反磁化机理研究

用熔体快淬法制备了Pr2Fe14B/α-Fe纳米复合永磁样品.测量了样品的起始磁化、反磁化过程、矫顽力和剩磁与外场的关系，以及样品的磁粘滞性.经分析认为材料的矫顽力主要由非均匀的钉扎机理决定，但由于交换硬化的软磁相的可逆转动使得这种反磁化机理不同于单相永磁材料的钉扎行为.磁粘滞性表明热激活主要源于硬磁相的不可逆磁化行为. 关键词： 纳米复合永磁 矫顽力 剩磁 磁粘滞     

相分布和晶粒尺寸对Nd2Fe14B/ɑ-Fe纳米复合永磁材料矫顽力的影响

本文采用统计平均方法研究了软、硬磁性晶粒尺寸及相分布对Nd2Fe14B/α-Fe纳米复合永磁材料矫顽力的影响。计算结果表明：对于单相纳米硬磁材料，磁体矫顽力随着硬磁性晶粒尺寸的减小而降低；对于软、硬两磁性相组成的Nd2Fe14B/a-Fe纳米复合永磁材料，两相的随机分布将导致磁体矫顽力随硬磁性晶粒尺寸的减小呈现极大值。本文的计算结果还表明当硬磁性晶粒尺寸大于软磁性晶粒的最佳尺寸时(15nm)，具有多层膜结构的Nd2Fe14B/a-Fe纳米复合永磁材料将比两相随机分布时具有更大的矫顽力。     

高性能纳米复合永磁材料的模拟计算研究

构造了在软磁相基体中析出规则形状硬磁相的各向同性和各向异性纳米复合永磁材料Pr2Fe14Bα-Fe.利用微磁学的有限元法，模拟计算了样品的磁滞回线.通过对剩磁、矫顽力和最大磁能积与软磁相厚度的关系分析，发现在软磁相厚度为0—12nm的范围内，复合磁体的矫顽力随软磁相厚度的增加而单调下降，而最大磁能积则是在适当的矫顽力和剩磁下达到最高.预计纳米复合Pr2(Fe,Co)14Bα-(Fe,Co)的各向同性磁体的最大磁能积最高可达248kJ/m3，而各向异性磁体则高达784kJ/m3. 关键词： 纳米复合永磁 矫顽力 剩磁 磁能积     

具有条纹磁畴结构的NiFe薄膜的制备与磁各向异性研究

具有条纹磁畴结构的磁性薄膜表现出面内转动磁各向异性,对于解决高频电子器件的方向性问题起着至关重要的作用.本文采用射频磁控溅射的方法,研究了NiFe薄膜的厚度、溅射功率密度、溅射气压等制备工艺参数对条纹磁畴结构、面内静态磁各向异性、面内转动磁各向异性、垂直磁各向异性的影响规律.研究发现,在功率密度15.6 W/cm~2与溅射气压2 mTorr(1 Torr=1.33322×102Pa)下生长的NiFe薄膜,表现出条纹磁畴的临界厚度在250 nm到300 nm之间.厚度为300 nm的薄膜比250 nm薄膜的垂直磁各向异性场增大近一倍,从而磁矩偏离膜面形成条纹磁畴结构,并表现出面内转动磁各向异性.高溅射功率密度可以降低薄膜出现条纹磁畴的临界厚度.在相同功率密度15.6 W/cm~2下生长300 nm的NiFe薄膜,随着溅射气压由2 mTorr增大到9 mTorr,NiFe薄膜的垂直磁各向异性场逐渐由1247.8 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)增大到3248.0 Oe,面内转动磁各向异性场由72.5 Oe增大到141.9 Oe,条纹磁畴周期从0.53μm单调减小到0.24μm.NiFe薄膜的断面结构表明柱状晶的形成是表现出条纹磁畴结构的本质原因,高功率密度下低溅射气压有利于柱状晶结构的形成,表现出规整的条纹磁畴结构,高溅射气压会导致柱状晶纤细化,面内转动磁各向异性与面外垂直磁各向异性增强,条纹磁畴结构变得混乱.     

Ce1.66Mg1.34Co3和α″-Fe16N2多层梯度膜磁反转性质的微磁学模拟

为了改善永磁薄膜的磁性能,基于微磁学理论,使用编程软件OOMMF针对Ce_1.66Mg_1.34Co₃和α″-Fe₁₆N₂交换耦合多层梯度膜的磁化过程进行模拟,系统研究磁晶各向异性梯度对多层膜性能的影响,分析体系的剩余磁化强度、矫顽力、磁滞回线和磁化反转过程中的能量变化。研究表明：减小磁晶各向异性梯度或增加界面处磁晶各向异性的差值,可以有效提高薄膜的矫顽力和剩余磁化强度,从而改善磁性能。通过计算磁矩分布发现一种磁涡旋态,这种磁涡旋态的产生过程伴随系统能量的增加。