磁性材料的磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓撲磁結(jié)構(gòu)

王薪皓

（上海寶鋼磁業(yè)有限公司，上海201900）

磁性材料在我們生活的很多層面隨處可見，所以今后科學(xué)研究的重點應(yīng)該始終放在強化磁性材料性能方面上來。通過我們對磁性材料進行進一步的了解和分析，就性能來講分為內(nèi)稟磁性和技術(shù)磁性能，這兩種性能與溫度、飽和度以及其他因素密切相關(guān)。與此同時，磁結(jié)構(gòu)和材料中的晶體結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)密切的聯(lián)系，其中晶體結(jié)構(gòu)的對稱性和它相同，但是通常狀況下受到其自身特點的影響對出現(xiàn)新的磁對稱性。晶體結(jié)構(gòu)、磁性相互作用、自旋磁矩等都會對磁結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響，

而不同的磁性包含不同的類型，存在不同的表現(xiàn)形式，并且能夠和晶體結(jié)構(gòu)融合成為種類多樣的磁結(jié)構(gòu)。再者，技術(shù)磁性能包括剩余磁化強度、矯頑力、最大磁能積、溫度系數(shù)等內(nèi)容，材料的內(nèi)稟磁性控制技術(shù)磁性能，還受微觀結(jié)構(gòu)的影響。而磁性能的影響因素還包含了材料的尺寸、形狀,晶粒大小、晶界、缺陷以及第二相等因素。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在20 世紀(jì)出現(xiàn)了重大的科研成果，尤其是量子力學(xué)研究結(jié)果的問世，消除了大家對以往自然界認知的誤解，與此同時也加深了人們對磁性發(fā)展的理解。20世紀(jì)磁學(xué)領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)就是自發(fā)磁化的量子力學(xué)理解和磁疇結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。量子力學(xué)的理論研究使得人們對微觀磁性的探索更加深入。然而，由于磁疇構(gòu)造具有自身的獨特性，受到內(nèi)稟結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)的影響，存在很多復(fù)雜的構(gòu)造，加大了相關(guān)人員研究的難度。鑒于它的重要性，相關(guān)人員已經(jīng)展開深入的認識和調(diào)研，但是對其探索的層面還是遠遠不夠的，

國內(nèi)已有的磁疇構(gòu)造研究成果還尚未深入到實踐方面，且對磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和磁性能的探究仍停留在一定的水平。

磁疇結(jié)構(gòu)是鐵磁質(zhì)的重要組成因素，主要用來說明鐵磁質(zhì)的磁化機理。受到排列方式的影響，如果鐵磁體產(chǎn)生磁化就具備磁性。雖然磁疇中的原子磁矩各個各的效能，但從方向來講具有強烈的一致性。磁疇結(jié)構(gòu)從里向外包含多種因素，磁疇的邊界、內(nèi)部構(gòu)造以及磁疇壁。磁矩由方向連續(xù)過渡產(chǎn)生磁疇壁，存在不同的表現(xiàn)類型。磁疇結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜多樣，容易受到外磁場的影響，在方向的影響下存在不一樣的大小變化，這就出現(xiàn)了磁矩與外磁場間的正比例增長關(guān)系。可見，磁疇構(gòu)造一定程度上會對磁化和磁退化造成一定的影響，并且會對材料的磁性能造成影響。

1 磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓撲磁結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)

特備是在近些年來，尺寸效應(yīng)對磁疇結(jié)構(gòu)、磁性能的影響受到國內(nèi)外許多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：薄膜中疇的尺寸以及條狀疇的寬度隨薄膜厚度的平方根而變化; 反點陣膜的磁性能與相同組成的連續(xù)薄膜不同;連續(xù)薄膜、反點陣列、納米管/線、納米盤以及多邊形等,調(diào)控的因素包括薄膜厚度、顆粒/晶粒大小、盤直徑和形狀等因素。鐵磁/反鐵磁雙層膜中反鐵磁層的精細磁結(jié)構(gòu)決定鐵磁層的磁疇結(jié)構(gòu); 量子點尺寸影響反鐵磁疇域的尺寸以及削弱反鐵磁相釘扎鐵磁相磁化反轉(zhuǎn)的強度; 納米線的磁疇結(jié)構(gòu)和磁化反轉(zhuǎn)與納米線的寬度有關(guān); 多邊形單元的形狀影響渦旋態(tài)的形成以及邊緣缺陷通過渦旋機制促使磁化翻轉(zhuǎn); 點陣的形狀調(diào)控渦旋態(tài)的共振激發(fā)的頻率;盤直徑和形狀影響渦旋、斯格米子等拓撲自旋組態(tài)的形成、手性和動力學(xué)行為。

Bolte 等深入分析多疇結(jié)構(gòu)對各種厚度的矩形坡莫合金微結(jié)構(gòu)的磁電阻的影響。通過選取不同厚度的材料進行分析，得出磁電阻受到磁化反轉(zhuǎn)的多方面影響，必須通過控制各種可逆和不可逆的磁化反轉(zhuǎn)來進行具體操控。在此基礎(chǔ)上，還借助顯微鏡對比不同厚度薄膜的磁力效能，進行不斷將磁組態(tài)間的相變和觀察到的磁電阻改變聯(lián)系起來。

Portmann 等研究發(fā)現(xiàn)磁化方向垂直鐵薄膜表面的樣品在低溫的情況體現(xiàn)高對稱性相的逆相變效應(yīng)。在這一前提下必須考慮薄膜的磁化方向，根據(jù)其方向的變化調(diào)整相關(guān)內(nèi)容。通過仔細分析電子顯微鏡下的成像內(nèi)容，受到溫度的影響，不同的條紋疇結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同的表現(xiàn)。如果溫度高時條紋疇結(jié)構(gòu)會形成對稱性的迷宮結(jié)構(gòu)；如果溫度低時，它的表現(xiàn)形式會有極大的不同。一旦溫度達到一定高度時會造成磁有序的消失，體現(xiàn)條紋疇結(jié)構(gòu)的低對稱性會重新出現(xiàn)。這種情況體現(xiàn)了相變效應(yīng)的不穩(wěn)定性和不確定性。但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)鐵薄膜表面的磁疇結(jié)構(gòu)受到溫度和厚度的影響大體一致，這樣可以將其作為測試體，確定相對應(yīng)的有效溫度。

2 磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓撲磁結(jié)構(gòu)的不足

此次研究除了研究磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓撲磁結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)之外，還對磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓撲磁結(jié)構(gòu)存在的一系列不足之處進行研究。其中也有所發(fā)現(xiàn)：在實空間中研究得出金屬硅化物中的螺旋自旋序結(jié)構(gòu)及其動態(tài)特征; 孔洞的大小能夠影響孔洞附近的磁疇結(jié)構(gòu)和疇壁的釘扎強度; 薄膜外延生長過程中交叉位錯導(dǎo)致的表面粗糙度影響磁性疇壁蠕變行為;Co/CoO體系中交換偏置起源于反鐵磁體內(nèi)部的由缺陷穩(wěn)定的磁疇?wèi)B(tài)。

通過測量生長在(In,Al)As 準(zhǔn)臺階過渡層和(In,Ga)As 過渡層上的(Ga,Mn)As 層磁場導(dǎo)致的疇壁速度,Kanda 等對兩者磁性疇壁蠕變標(biāo)度公式中的標(biāo)度指數(shù)進行對比。這兩種存在不同的數(shù)據(jù)分析，由此表明磁性結(jié)構(gòu)的蠕變過程受到表面粗糙度的影響和操控，且不屬于其內(nèi)部的控制體而體現(xiàn)在外部生長過程中。生長于(In,Al)As 過渡層反映了一種平坦的運行過程，其疇壁蠕變運動屬于隨機場無序,而在(In,Ga)As 上的蠕變運動則屬于鍵無規(guī)無序。

Song 和Hua 深入探討了低頻交變磁場處理減小低合金鋼中的殘余應(yīng)力及其機制原理。通過具體分析可得，在進行磁場處理過程中其相關(guān)的焊接平均應(yīng)力出現(xiàn)較大程度變化，降低幅度大約在25%左右。值得特別注意的是，應(yīng)力集中區(qū)是我降低幅度最大，明顯高于初始應(yīng)力的區(qū)域。此外，他們還借助一系列精確度更高的機械設(shè)備對其微觀結(jié)構(gòu)和磁疇進行觀察，觀察發(fā)現(xiàn)造成應(yīng)力弛豫的主要原因在于位錯更均勻的重新分布造成磁塑形變，其次研究結(jié)果顯示表面形貌或多或少會通過對磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進而反映到磁處理結(jié)果中。

Philip 系統(tǒng)準(zhǔn)確地研究了由于特磁性的原因造成磁性相互作用以及這種相互作用對載流子濃度產(chǎn)生的依賴關(guān)系，對相關(guān)的居里溫度和薄膜樣品中的磁疇結(jié)構(gòu)有了更加明確且清晰的認識。

3 磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓撲磁結(jié)構(gòu)的晶界和晶粒

現(xiàn)階段，國內(nèi)專家學(xué)者從宏觀角度探討了晶界和晶粒的形狀，退火改變應(yīng)力和微結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。晶界的結(jié)構(gòu)和晶粒的大小能夠從整體上影響磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)以及拓撲結(jié)構(gòu)，比如：磁疇壁的穿透能力受到晶界結(jié)構(gòu)的影響；交換偏置受到晶界界面效應(yīng)的影響；樣品中結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化也會影響到磁疇尺寸、形貌和關(guān)聯(lián)長度的變化，如化學(xué)偏析和晶粒形成以及表面和界面粗糙度。

Shin 等對晶界特征以及與其相關(guān)的磁疇構(gòu)型和其他行為進行深入研究和分析，在實踐探討和有效評估的基礎(chǔ)上形成一系列結(jié)論。在過程中通過采用不同類型的儀器對問題進行研究，主要包含：借助背散射電子衍射和透射電子顯微鏡進行晶界幾何結(jié)構(gòu)進行分析；利用磁光克爾顯微鏡對不同外磁場強度下晶界處的磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇壁運動進行具體研究。通過一系列的研究可知：晶界的幾何結(jié)構(gòu)一定程度上能夠?qū)Υ女牨诘拇┩改芰υ斐蓮姶蟮挠绊?；運用不同的外磁場強度可以使取向鋼中有不同特征晶界的區(qū)域磁化飽和。一個傾斜的晶界對磁化過程中柳葉刀磁疇穿透晶界具有很大幫助,這也充分證明晶界結(jié)構(gòu)不同，對取向電工鋼性能的影響也不同。

小角度中子散射實驗證實了納米尺寸Fe,Co,Ni 顆粒中跨越晶界的磁性關(guān)聯(lián)與晶粒尺寸之間的關(guān)系。對于Fe 顆粒,具有與塊體疇壁寬度尺度相當(dāng)?shù)木Я３叽鐣r發(fā)現(xiàn)最小的磁關(guān)聯(lián)長度,并且其矯頑力有最大值。借助隨機形式對相關(guān)內(nèi)容進行說明解釋，削弱界面耦合作用，便于在內(nèi)部形成磁疇結(jié)構(gòu)，反映一定的特性。

O'Grady 等研究了關(guān)于5 至15nm 的晶粒多晶薄膜交換偏置的相關(guān)情況，同時對反鐵磁層與晶體體積的相互關(guān)系進行深入分析，對內(nèi)部的晶粒相關(guān)內(nèi)容進行證實。這一過程包含多項體積以及測量問題，研究難度較大且內(nèi)容復(fù)雜。通過進行一系列的方案設(shè)計和實行，大致明確了反鐵磁晶粒凍結(jié)溫度的分布、反鐵磁的各向異性常數(shù),理解反鐵磁晶粒形成過程和預(yù)測它的磁粘滯,借助其相關(guān)內(nèi)容能夠有效說明交換偏置與晶粒大小、薄膜厚度的相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上進行對界面效應(yīng)的研究，依托具體的三層膜和磁場變化得出界面效應(yīng)是在界面處存在,獨立于反鐵磁晶粒的大小。通過不同的實驗得出不同的結(jié)果，觀察到影響磁場性能的團簇，它們處于無序且無相似結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，通過自身特性在低溫環(huán)境下保證磁場的有序，提升界面自旋的有序性。由此得出對反鐵磁體中晶粒行為其他界面效應(yīng)行為的新認識，不斷拓展對交換偏置現(xiàn)象的新理解。

4 結(jié)論

通過以上闡述，可以得出如下三個結(jié)論：

4.1 全面研究納米復(fù)合稀土永磁材料可以有效避免國內(nèi)稀土資源的浪費，提高資源利用率。部分學(xué)者認為，納米復(fù)合永磁材料所需要的稀土數(shù)量較少，且磁性較高。前期準(zhǔn)備工作反映了磁性交換耦合效應(yīng)，一定程度上表明耦合效應(yīng)能夠有效提升磁性能，不斷完善和更新目前的相關(guān)技術(shù)水平，為進行相關(guān)研究提供知識儲備。此研究結(jié)果有利于對各向異性納米復(fù)合稀土永磁材料的研究，同時也可以避免出現(xiàn)過度使用稀土資源，出現(xiàn)資源短缺的現(xiàn)象。

4.2 由于各種轉(zhuǎn)變材料的大小、長度、厚度以及材質(zhì)等方面造成磁性的不同，這種做法會在一定程度上阻礙材料的磁疇構(gòu)造，也會對磁性能造成影響。通過對材料進行研究得出，受到不同材料的粗糙度、直徑、孔洞等因素的影響，導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)具備不同的性能。除此之外，磁疇結(jié)構(gòu)還會受到材料晶體、晶粒以及晶界的影響。針對性的轉(zhuǎn)變材料的微結(jié)構(gòu)，不斷提升對磁性材料、磁疇性能的科學(xué)掌控，減少過程中的失誤，提升正確率。

4.3 磁性結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和以及撲磁結(jié)構(gòu)之間存在著十分密切的聯(lián)系，包含了一些數(shù)學(xué)和物理知識。從當(dāng)前情況來看，除專業(yè)外人士很少涉及拓撲組態(tài)和磁性能的相關(guān)知識，導(dǎo)致在很多方面存在知識盲區(qū)，由此本文進行拓撲基態(tài)或者激發(fā)態(tài)的形成規(guī)律以及動力學(xué)行為的深入研究。除此之外，加強對磁疇結(jié)構(gòu)的研具有十分重要的現(xiàn)實意義，最終進一步拓寬拓撲學(xué)在新型磁性材料中的廣泛運用。