磁性材料第五章(陈宝军).pdf
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磁性材料磁性材料MagneticMaterialsMagneticMaterials四川大学材料学院四川大学材料学院四川大学材料学院四川大学材料学院陈宝军陈宝军陈宝军陈宝军2课程提纲课程提纲课程提纲课程提纲绪论绪论1.磁学基本理论、物质的磁性磁学基本理论、物质的磁性2.各类磁性材料软磁材料硬磁材料信息记录材料磁致电阻材料磁致伸缩材料超导磁性材料磁性液体各类磁性材料软磁材料硬磁材料信息记录材料磁致电阻材料磁致伸缩材料超导磁性材料磁性液体3第五章第五章第五章第五章新型磁功能材料新型磁功能材料新型磁功能材料新型磁功能材料一、磁致电阻材料一、磁致电阻材料一、磁致电阻材料一、磁致电阻材料二、磁致伸缩材料二、磁致伸缩材料二、磁致伸缩材料二、磁致伸缩材料三、超导磁性材料三、超导磁性材料三、超导磁性材料三、超导磁性材料四、磁性液体四、磁性液体四、磁性液体四、磁性液体45.15.1磁致电阻材料磁致电阻材料磁致电阻材料磁致电阻材料5.1.15.1.1磁致电阻效应磁致电阻效应磁致电阻效应磁致电阻效应5.1.25.1.2磁致电阻材料磁致电阻材料磁致电阻材料磁致电阻材料5.1.35.1.3磁致电阻效应的应用磁致电阻效应的应用磁致电阻效应的应用磁致电阻效应的应用55.1.1磁致电阻效应(磁致电阻效应(MR效应)效应)?
施加施加磁场使物质电阻发生变化的现象磁场使物质电阻发生变化的现象,称为磁致电阻效应,称为磁致电阻效应(magnetoresistanceeffect)。
?
施加的施加的磁场与电流垂直磁场与电流垂直引起电阻变化的情况,称为引起电阻变化的情况,称为横磁致电阻效应横磁致电阻效应;施加的磁场与电流平行引起电阻变化的情况,称为;施加的磁场与电流平行引起电阻变化的情况,称为纵磁致电阻效应纵磁致电阻效应。
6?
表征磁电阻效应大小的物理量为表征磁电阻效应大小的物理量为MR比比,其定义由磁电阻系数,其定义由磁电阻系数(RHRo)Ro(H0)0给出,其中给出,其中RH(H)表示磁场为表示磁场为H时的电阻时的电阻(率率),Ro(0)表示磁场为零时的电阻表示磁场为零时的电阻(率率)。
7?
对于铁磁体来说对于铁磁体来说,一般情况下对电阻变化有贡献的有两项:
,一般情况下对电阻变化有贡献的有两项:
?
第一项仅与磁场强度第一项仅与磁场强度H相关相关(正常磁致电阻效应正常磁致电阻效应);?
第二项与磁化强度(第二项与磁化强度(M)相关)相关(异常磁致电阻效应异常磁致电阻效应),贡献较大。
,贡献较大。
8?
对金属系块体材料来说对金属系块体材料来说,电阻变化,电阻变化/一般可表示为:
式中,为磁致电阻系数;一般可表示为:
式中,为磁致电阻系数;第二项异常磁阻效应,第二项异常磁阻效应,即使在弱磁场下也能观测到。
即使在弱磁场下也能观测到。
?
MR效应与电流效应与电流-磁化方向角度有关。
一般情况下,磁化方向角度有关。
一般情况下,纵磁阻效应使电阻增加纵磁阻效应使电阻增加,而横磁阻效应使电阻减少。
而横磁阻效应使电阻减少。
mH2(4-3)9?
各向异性磁阻效应及其应用各向异性磁阻效应及其应用?
由于电阻率变化与磁化方向相关,因此存在由于电阻率变化与磁化方向相关,因此存在各向异性磁致电阻效应各向异性磁致电阻效应。
高灵敏度读取用。
高灵敏度读取用MR磁头,就是利用了这种效应。
磁头,就是利用了这种效应。
?
巨磁阻效应材料、超巨巨磁阻效应材料、超巨(colossal)磁阻效应材料的相继发现,磁阻效应材料的相继发现,使磁阻效应及其材料成为人们研究的新热点。
使磁阻效应及其材料成为人们研究的新热点。
10?
巨磁电阻效应巨磁电阻效应?
1988年,年,Baibich等人,在由等人,在由Fe,Cr交替沉积而形成的多层膜交替沉积而形成的多层膜(FeCr)N(N为周期数为周期数)中,发现了中,发现了MR比超过比超过5050的现象,由于这个结果远远超过了多层膜中的现象,由于这个结果远远超过了多层膜中Fe层层MR比的总和,所以称这种现象为巨磁电阻效应比的总和,所以称这种现象为巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance,GMR)。
11?
超?
超巨磁电阻效应巨磁电阻效应1993年,年,Helmolt等人又在类钙钛矿结构的稀土锰氧化物中观测到了超巨磁电阻等人又在类钙钛矿结构的稀土锰氧化物中观测到了超巨磁电阻(colossalmagnetoresistance,CMR)效应,其效应,其MR比比比比GMR还大,还大,RR可达可达101033101066。
12?
隧道结巨磁电阻效应隧道结巨磁电阻效应上世纪上世纪90年代,发现的隧道结巨磁电阻年代,发现的隧道结巨磁电阻(tunnelingmagnetoresistance,TMR)效应。
效应。
进一步引起世界各国的极大关注。
进一步引起世界各国的极大关注。
IBM和富士通公司已研制出和富士通公司已研制出RR为为22和和24的的TMR材料。
材料。
?
巨磁电阻效应材料的研发现状及发展趋势巨磁电阻效应材料的研发现状及发展趋势?
目前,已发现具有目前,已发现具有GMR效应的材料主要有多层膜、自旋阀、颗粒膜、非连续多层膜、氧化物超巨磁电阻薄膜等五大类。
效应的材料主要有多层膜、自旋阀、颗粒膜、非连续多层膜、氧化物超巨磁电阻薄膜等五大类。
其中,有很多涉及到复杂的动力学、磁有序系统的电子微结构理论计算、微磁显微学与模型等的问题。
其中,有很多涉及到复杂的动力学、磁有序系统的电子微结构理论计算、微磁显微学与模型等的问题。
13?
GMR、CMR、TMR效应,将在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器中获得重要应用。
作为一种高新技术的基础,国内外正由基础研究向应用、开发和产业化方向发展。
效应,将在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器中获得重要应用。
作为一种高新技术的基础,国内外正由基础研究向应用、开发和产业化方向发展。
145.1.25.1.2磁致电阻材料磁致电阻材料磁致电阻材料磁致电阻材料?
磁电阻材料的主要要求磁电阻材料的主要要求1.高的磁电阻率,即高的磁场灵敏度高的磁电阻率,即高的磁场灵敏度2.低的工作磁场,以便在较低磁场下获得高的磁电阻率,有利于应用低的工作磁场,以便在较低磁场下获得高的磁电阻率,有利于应用3.高的稳定性,即对环境因素(如温度等)的稳定度高高的稳定性,即对环境因素(如温度等)的稳定度高15?
目前研究和应用或可能应用的磁电阻材料目前研究和应用或可能应用的磁电阻材料1.普通磁电阻材料:
发现和应用都很早,其室温磁电阻率一般约普通磁电阻材料:
发现和应用都很早,其室温磁电阻率一般约5%或更低,如或更低,如Fe-Ni系和系和Ni-Co系铁磁合金等。
系铁磁合金等。
162.多层膜巨磁电阻材料:
由强磁金属层和弱磁金属层构成的多层膜,如多层膜巨磁电阻材料:
由强磁金属层和弱磁金属层构成的多层膜,如(Fe/Cr)n、(Co/Cu)n、(NiFeCo/Cu/Co)n等,其中等,其中n为重复的层数。
这类多层膜的室温磁电阻率一般约为重复的层数。
这类多层膜的室温磁电阻率一般约7%或更高。
例如,首次在溅射法制得的或更高。
例如,首次在溅射法制得的(Fe/Ag)n多层膜中观测到室温磁电阻率多层膜中观测到室温磁电阻率R/R6.1%。
而。
而(Co/Cu)n多层膜的室温磁电阻率多层膜的室温磁电阻率R/R10%。
173.颗粒膜巨磁电阻材料:
这是由互不固溶的颗粒膜巨磁电阻材料:
这是由互不固溶的强磁性组元强磁性组元和和弱磁性组元弱磁性组元在用淀积法制成薄膜后,再经适当热处理使强磁性组元弥散分布于弱磁组元基体中,因而具有在用淀积法制成薄膜后,再经适当热处理使强磁性组元弥散分布于弱磁组元基体中,因而具有微颗粒微颗粒和和薄膜薄膜的双重特性,形成类似于多层膜的强磁弱磁界面,由此产生巨磁电阻效应。
例如,的双重特性,形成类似于多层膜的强磁弱磁界面,由此产生巨磁电阻效应。
例如,Co-Cu系和系和Co-Ag系磁膜的室温磁电阻率可高达约系磁膜的室温磁电阻率可高达约25%以上。
以上。
184.氧化物膜巨磁电阻材料:
目前主要是含氧化物膜巨磁电阻材料:
目前主要是含Mn的类钙钛石结构复合氧化物,有的氧化物磁膜的磁电阻率的类钙钛石结构复合氧化物,有的氧化物磁膜的磁电阻率R/R可接近可接近100%。
例如。
例如(La,Ba)MnO3的室温磁电阻率的室温磁电阻率R/R高达约高达约60%。
(La,Sr)MnO3同时具有磁电阻效应和压电阻效应,其室温磁电阻率同时具有磁电阻效应和压电阻效应,其室温磁电阻率R/R约约30%,而压电阻率,而压电阻率(R/R)约约10%。
195.低(磁)场巨磁电阻材料:
上面低(磁)场巨磁电阻材料:
上面4类磁电阻材料都需在强磁场(类磁电阻材料都需在强磁场(0.5T)中才显示大的磁电阻效应,难于在实际中应用。
在)中才显示大的磁电阻效应,难于在实际中应用。
在20世纪世纪90年代初期研制出工作磁场低于约年代初期研制出工作磁场低于约0.1T甚至甚至0.01T的低磁场巨磁电阻材料。
例如,的低磁场巨磁电阻材料。
例如,(CoNiFe/AgCu/CoFe)10多层磁膜的室温磁电阻率多层磁膜的室温磁电阻率R/R42%。
NiFe/Cu/CoCu18多层磁膜的室温多层磁膜的室温R/R11%。
205.1.35.1.3磁致电阻效应的应用磁致电阻效应的应用磁致电阻效应的应用磁致电阻效应的应用1.磁电阻磁头磁电阻磁头3.磁电阻传感器磁电阻传感器2.磁电阻随机存储器磁电阻随机存储器215.25.2磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料5.2.15.2.1磁致伸缩效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应5.2.25.2.2磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料5.2.35.2.3磁致伸缩效应的应用磁致伸缩效应的应用磁致伸缩效应的应用磁致伸缩效应的应用225.2.1磁致伸缩效应磁致伸缩效应?
磁致伸缩效应:
磁致伸缩效应:
消磁状态的铁磁体磁化消磁状态的铁磁体磁化,一般情况下其尺寸、形状会发生变化。
,一般情况下其尺寸、形状会发生变化。
这种现象称为磁致伸缩效应这种现象称为磁致伸缩效应(Magnetostrictiveeffect),19世纪中期由焦耳发现的。
世纪中期由焦耳发现的。
23?
磁致伸缩系数由磁致伸缩系数由(2-9)式表示:
式表示:
(2-9)?
磁致伸缩常数磁致伸缩常数s由图由图2-20所示,所示,是材料的固有常数。
是材料的固有常数。
/ll=?
磁致伸缩现象在单晶体中明显存在,而且各向异性较强。
磁致伸缩现象在单晶体中明显存在,而且各向异性较强。
24?
磁致伸缩现象磁致伸缩现象19世纪中叶发现,世纪中叶发现,早有应用,但早有应用,但地位不如地位不如以以PZT为代表的为代表的压电材料压电材料,主要原因是其伸缩量小主要原因是其伸缩量小(10-5)。
因此,开发具有更大磁致伸缩效应的材料便一直是人们追求的目标。
因此,开发具有更大磁致伸缩效应的材料便一直是人们追求的目标。
?
超磁致伸缩效应超磁致伸缩效应25?
1963-1965年年在重稀土金属在重稀土金属Tb、Dy等单晶体中发现了很高的磁致伸缩现象;等单晶体中发现了很高的磁致伸缩现象;?
1972年年开发成功室温下具有开发成功室温下具有超大磁致伸缩效应的超大磁致伸缩效应的TbF2金属间化合物,其磁致伸缩系数高达金属间化合物,其磁致伸缩系数高达(12)103(0.10.2),?
巨大磁致伸缩现象称为巨大磁致伸缩现象称为超磁致伸缩超磁致伸缩(giantmagnetostrictive)效应。
效应。
从此其应用开发研究也日趋活跃,如表从此其应用开发研究也日趋活跃,如表9-1所示。
所示。
2627?
19631965年,年,发现发现Tb,Dy等等稀土类单晶在低温下的磁致伸缩常数高达稀土类单晶在低温下的磁致伸
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- 磁性材料 第五 陈宝军