雙主相Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜磁性能的微磁學(xué)模擬研究

何經(jīng)緯, 周 剛, 饒光輝

(桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

Nd-Fe-B磁體因具有優(yōu)異的磁性能而受到科研人員的廣泛關(guān)注[1-6]。近年來,隨著Nd2Fe14B永磁體總產(chǎn)量不斷上升,稀土金屬使用不平衡的問題凸顯出來。由于稀土元素多以共生的方式富集于某區(qū)域的地殼中,稀土分離企業(yè)在提取Nd、Pr元素時(shí),產(chǎn)生了大量La、Ce等副產(chǎn)品,而Ce在稀土礦中的豐度遠(yuǎn)高于Pr、Nd,Nd-Fe-B產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展造成了Ce的大量積壓,并導(dǎo)致環(huán)境污染等一系列問題[7]。如果能用Ce替代一部分Nd,既能降低Nd-Fe-B磁體的成本,又能實(shí)現(xiàn)稀土資源的綜合平衡利用,對(duì)稀土永磁產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而由于Ce2Fe14B的磁晶各向異性能場(chǎng)只有4.6 T,遠(yuǎn)低于Nd2Fe14B的各向異性能場(chǎng)(7.5 T),且Ce2Fe14B的理論飽和磁化強(qiáng)度(1.17 T)也比Nd2Fe14B(1.61 T)低很多[8]。采用常規(guī)方法,用Ce元素部分或者全部替代Nd-Fe-B中的Nd元素,都面臨著剩余磁化強(qiáng)度和內(nèi)稟矯頑力急劇降低的問題。因此,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),研究者都對(duì)含Ce磁體研究缺乏熱情。

針對(duì)這些問題,王景代[9]提出雙硬磁主相的方法,希望以此來提高Ce的使用規(guī)模,并減少其對(duì)磁性能的影響。雙硬磁主相法嘗試復(fù)合(或組合)2種及2種以上不同內(nèi)參數(shù)的永磁材料,利用其各自優(yōu)勢(shì),制備出兼具多種單相永磁優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合型永磁材料。王景代通過實(shí)驗(yàn)證明了雙主相Nd-Ce-Fe-B磁體的最大磁能積高于單合金Nd-Ce-Fe-B磁體。Liu等[10-11]基于微磁學(xué)理論,采用數(shù)值模擬的方法,系統(tǒng)研究了單主相和雙主相(CexNd1-x)2Fe14B磁體的動(dòng)態(tài)磁化過程,發(fā)現(xiàn)隨著Ce含量的增加,矯頑力不會(huì)線性降低,而是在約20%的取代率下表現(xiàn)出異常的增強(qiáng),驗(yàn)證了雙主相方法的可行性。Zhu等[12]使用雙主相法制備了RE-Fe-B燒結(jié)磁體,并在Ce含量對(duì)退磁曲線方形度和磁性能的影響方面做了深入研究和探討,闡明了雙主相合金技術(shù)生產(chǎn)的高性能永磁材料微結(jié)構(gòu)與高矯頑力之間的關(guān)系,即當(dāng)Ce含量占稀土金屬總量的90%時(shí),矯頑力機(jī)制主要表現(xiàn)為成核機(jī)理。權(quán)其琛[13]研究了Nd-Ce-Fe-B合金磁性能隨Ce添加量的變化機(jī)理,發(fā)現(xiàn)低Ce含量的Nd-Ce-Fe-B合金磁性能降低主要是由于內(nèi)稟磁性能下降,高Ce含量的Nd-Ce-Fe-B合金磁性能降低除了受內(nèi)稟磁性能影響外,還與晶界相對(duì)磁疇壁釘扎效應(yīng)降低有關(guān)。孫亞超等[14]采用磁控濺射技術(shù)制備了具有永磁特征的Nd-Ce-Fe-B多層納米復(fù)合薄膜,并對(duì)其進(jìn)行了退火處理,發(fā)現(xiàn)薄膜中存在較強(qiáng)的交換耦合作用及較強(qiáng)的局部釘扎作用,這種釘扎作用在薄膜矯頑力機(jī)制中并不占支配地位。孫亞超等[15]利用直流磁控濺射技術(shù)在Si基底上制備了NdFeB、CeFeB 和Nd-FeB/CeFeB薄膜,證明了通過雙硬磁復(fù)合能夠有效降低薄膜磁化強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的依賴性,提高了其時(shí)間穩(wěn)定性。楊麗麗等[16]應(yīng)用微磁學(xué)理論計(jì)算了Nd2Fe14B/α-Fe/Nd2Fe14B磁性三層膜的磁滯回線,發(fā)現(xiàn)當(dāng)軟磁層厚度小于臨界尺寸時(shí),磁滯回線都具有良好的方形度,而隨著軟磁層厚度的增加,軟硬磁交換耦合膜的矯頑力與磁能積都逐漸下降。張軍等[17]用微磁學(xué)模擬的方法對(duì)Sm-Co/α-Fe/Sm-Co三層膜磁的磁化反轉(zhuǎn)過程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在軟磁層厚度較小時(shí),體系的反轉(zhuǎn)行為是單相的;隨著軟磁層厚度的增大,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮上喾崔D(zhuǎn)行為,即軟磁中心部分優(yōu)先成核。張軍等[18]對(duì)Sm-Co/α-Fe雙層膜和多層膜磁的磁化反轉(zhuǎn)過程進(jìn)行了微磁學(xué)模擬,發(fā)現(xiàn)若磁體的結(jié)構(gòu)不同,則磁體的磁性能和磁反轉(zhuǎn)過程也會(huì)有所區(qū)別,當(dāng)磁體的結(jié)構(gòu)為Nd2Fe14B(10 nm)/α-Fe(5 nm)/Nd2Fe14B(10 nm)多層梯度膜時(shí),最大磁能積和矯頑力都大幅減小。馬建春等[19]利用微磁學(xué)有限差分法模擬了Nd2Fe14B/α-Fe雙層膜和多層梯度膜的磁化反轉(zhuǎn)過程,發(fā)現(xiàn)若磁體的結(jié)構(gòu)不同,則磁體的磁性能和磁反轉(zhuǎn)過程也會(huì)有所區(qū)別,當(dāng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化時(shí),磁滯回線臺(tái)階消失,矯頑力大幅度降低。馬建春等[20]針對(duì)不同結(jié)構(gòu)Sm-Co/α-Fe薄膜體系的磁性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)若磁體的結(jié)構(gòu)不同,則磁體的磁性能和磁反轉(zhuǎn)過程也會(huì)有所區(qū)別,當(dāng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化時(shí),最大磁能積和矯頑力達(dá)到最大值。

由于燒結(jié)磁體晶體結(jié)構(gòu)及相組成的復(fù)雜性,各向異性常數(shù)不同的硬磁主相之間的作用機(jī)制及Ce元素對(duì)磁體主相和晶界相的影響還不完全清楚,雙硬磁主相Nd-Ce-Fe-B燒結(jié)磁體的研究工作尚有一定困難。因此,選取結(jié)構(gòu)和相組成相對(duì)簡(jiǎn)單的薄膜材料作為研究對(duì)象,采用微磁學(xué)模擬的方法,研究了垂直取向和平行取向的雙主相Nd-Fe-B/Ce-Fe-B磁性周期多層膜的磁滯回線和矯頑力機(jī)制,以期為將來在實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化永磁薄膜的磁性能提供參考。

1 計(jì)算方法

在模型中,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層交替排布,一個(gè)周期包括Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層各一層。三維直角坐標(biāo)系原點(diǎn)取在底面頂點(diǎn)處。Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層的易磁化軸和外加磁場(chǎng)皆沿Z軸正方向或Y軸正方向。易磁化軸和外加磁場(chǎng)皆沿Z軸正方向,稱作垂直取向;易磁化軸和外加磁場(chǎng)皆沿Y軸正方向,稱作水平取向。圖1為垂直取向周期為2的雙主相Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜模型。磁層厚度由L表示,下標(biāo)Nd、Ce分別表示Nd2Fe14B 層、Ce2Fe14B層,LNd、LCe分別為Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層的厚度。

圖1 垂直取向周期為2的雙主相Nd2 Fe14 B/Ce2 Fe14 B周期多層膜模型

在OOMMF微磁學(xué)三維模擬軟件中,磁矩的變化過程遵循Landau-Lifshitz-Gilbert動(dòng)力方程:

其中:M為某點(diǎn)的磁化強(qiáng)度矢量;Heff為有效場(chǎng);γ為L(zhǎng)andau-Lifshitz旋磁比率;α為阻尼系數(shù)。為了既不影響計(jì)算進(jìn)度又能縮短計(jì)算時(shí)間,將α的值設(shè)為0.5。有效場(chǎng)可定義為

根據(jù)Brown理論,能量密度E可表示為[21-22]

其中:A為交換耦合常數(shù);K為磁晶各項(xiàng)異性常數(shù);H、Hd分別為外場(chǎng)和靜磁相互作用場(chǎng);MS為飽和磁化強(qiáng)度。式(3)右邊的4項(xiàng)分別表示交換能、磁晶各項(xiàng)異性能、塞曼能以及退磁能。

周期膜的長(zhǎng)、寬皆設(shè)為300 nm,每個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)為3、3、0.5 nm。外加磁場(chǎng)從6 T以每步減少100 mT變化到-6 T。Nd2Fe14B、Ce2Fe14B的磁性能參數(shù)如表1所示。Nd2Fe14B、Ce2Fe14B層之間的交換耦合系數(shù)Ainterface的值設(shè)為6.35×10-12J/m,LNd、LCe根據(jù)每次計(jì)算的條件而變化。

表1 Nd2 Fe14 B和Ce2 Fe14 B的磁性能參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 垂直取向下雙主相周期多層膜的磁性能

2.1.1 周期數(shù)不變時(shí)磁層厚度對(duì)體系磁性能的影響

固定多層膜周期數(shù)為4層,保持Nd2Fe14B層與Ce2Fe14B層厚度比為1∶1,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層易磁化軸e和外加磁場(chǎng)場(chǎng)H都垂直于膜面,保持其他參數(shù)不變,改變磁層厚度,模擬計(jì)算該多層膜磁性能的變化情況,得到磁滯回線,如圖2所示。

圖2 垂直取向下周期數(shù)固定為4的磁層厚度不同的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系的磁滯回線

從圖2可看出,周期數(shù)固定為4的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B多層膜在不同磁層厚度下的磁滯回線均為方形,而隨著Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層厚度的逐漸增大,體系的矯頑力(H')與最大磁能積均逐漸減小,但剩磁的變化并不顯著;H'由磁層厚度為2.5 nm 時(shí)的3.3 MA·m-1下降到磁層厚度為15 nm 時(shí)的1.8 MA·m-1;最大磁能積由磁層厚度為2.5 nm 時(shí)的3.63 kJ·m-3下降到磁層厚度為15 nm 時(shí)的1.98 kJ·m-3。這是因?yàn)殡S著磁層厚度的逐漸增大,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層間交換耦合作用逐漸減弱,導(dǎo)致矯頑力和最大磁能積降低。

圖3為垂直取向下,周期數(shù)為4,不同磁層厚度的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化。當(dāng)Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系處于正飽和狀態(tài)時(shí),交換作用能(Eex)和磁晶各向異性能(Ean)都接近于零。當(dāng)外加場(chǎng)減小,且磁矩仍在正向時(shí),塞曼能(EH)隨外加磁場(chǎng)的減小而緩慢增大。當(dāng)外加場(chǎng)進(jìn)一步減小時(shí),磁矩方向逐漸偏離外加磁場(chǎng)方向,Eex和Ean開始逐漸增大,而退磁能(Ed)隨之減小。達(dá)到成核場(chǎng)時(shí),所有能量因大部分磁矩的反轉(zhuǎn)而劇烈變化,隨后在磁矩完全反轉(zhuǎn)后,系統(tǒng)的總能量降到最低。結(jié)合圖2,該體系的磁滯回線都具有良好的方形度,故而可認(rèn)為該體系的矯頑力機(jī)制由成核主導(dǎo)。從圖3可看出,在較小外場(chǎng)下,磁層厚度為15 nm 的周期多層膜的交換能開始增大,這說明其交換耦合作用較弱,內(nèi)部磁矩反轉(zhuǎn)也較容易,導(dǎo)致其磁矩更易形核,且易擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致其矯頑力較小。因此,磁層厚度為2.5 nm 的周期多層膜比磁層厚度為15 nm 的周期多層膜的矯頑力要高很多,且磁能積更大。

圖3 垂直取向下,周期數(shù)為4,不同磁層厚度的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化

2.1.2 體系總厚度不變時(shí),周期數(shù)對(duì)體系磁性能的影響

模擬中,固定體系總厚度為40 nm,保持Nd2Fe14B層與Ce2Fe14B層厚度比為1∶1,Nd2Fe14B層和Ce2Fe14B層易磁化軸e和外加磁場(chǎng)場(chǎng)H都垂直于膜面。在保持其他參數(shù)不變的情況下,通過改變磁層的周期數(shù),對(duì)該體系磁性能的變化情況進(jìn)行模擬計(jì)算,圖4為該體系的磁滯回線。

從圖4可看出,總厚度為40 nm 的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系在不同周期數(shù)下的磁滯回線均為方形,體系的矯頑力和最大磁能積隨體系周期數(shù)n的增大而逐漸增大,這是因?yàn)樵隗w系總厚度保持不變的前提下,周期數(shù)n的增大等價(jià)于磁層厚度的減小,當(dāng)周期數(shù)n取1時(shí),Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層層間交換耦合作用最弱。隨著周期數(shù)n的逐漸增大,磁層厚度逐漸減小,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層層間交換耦合作用逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致矯頑力和最大磁能積逐漸提高。

圖4 垂直取向下,總厚度為40 nm,不同周期數(shù)的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系的磁滯回線

圖5為總厚度為40 nm,周期數(shù)分別為1、8的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化。從圖5可看出,在不同厚度下,磁化反轉(zhuǎn)過程的能量變化趨勢(shì)相同,達(dá)到成核場(chǎng)時(shí),所有能量因大部分磁矩的反轉(zhuǎn)而劇烈變化,隨后在磁矩完全反轉(zhuǎn)后,系統(tǒng)的總能量降到最低。結(jié)合圖4,該體系的磁滯回線都具有良好的方形度,故而可認(rèn)為該體系的矯頑力機(jī)制由成核主導(dǎo)。從圖5可看出,相較于n=1的周期多層膜體系,n=8的周期多層膜需要更強(qiáng)的外場(chǎng)才能使交換能增加,這說明在總厚度相同的情況下,周期多層膜體系的周期數(shù)越多,交換耦合作用越強(qiáng)烈,磁矩反轉(zhuǎn)越難,導(dǎo)致其磁矩更難形核且難擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致其矯頑力更大。從多層膜磁層結(jié)構(gòu)來看,n=8 的周期多層膜體系在Nd2Fe14B 和Ce2Fe14B兩相之間存在15個(gè)接觸面,遠(yuǎn)多于n=1的周期多層膜體系的接觸面數(shù),因此n=8的周期多層膜擁有更為強(qiáng)烈的兩相間交換耦合作用,進(jìn)而導(dǎo)致其擁有更大的矯頑力。在磁矩反轉(zhuǎn)的擴(kuò)展過程中,這15個(gè)界面上都會(huì)發(fā)生釘扎作用。釘扎面數(shù)遠(yuǎn)比n=1 的周期多層膜體系多,所以總厚度相同的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系的矯頑力和磁能積都會(huì)隨周期數(shù)的增加而增加。2種體系反轉(zhuǎn)磁化過程的能量變化趨勢(shì)類似,兩者的磁晶Ean和Ed數(shù)值較接近,但交換能相差明顯。n=8的周期多層膜的交換能明顯大于n=1的周期多層膜,更大的交換能會(huì)使得周期多層膜的更難形核、擴(kuò)展,并完成磁矩反轉(zhuǎn),進(jìn)而導(dǎo)致體系矯頑力增加。

圖5 垂直取向下總厚度固定為40 nm周期數(shù)不同的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化

2.2 平行取向下雙主相周期多層膜的磁性能

2.2.1 周期數(shù)不變時(shí)磁層厚度對(duì)體系磁性能的影響

固定體系周期數(shù)為4,保持Nd2Fe14B 層與Ce2Fe14B層厚度比為1∶1,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層易磁化軸e和外加磁場(chǎng)場(chǎng)H都平行于膜面,保持其他參數(shù)不變,通過改變磁層的厚度,對(duì)多層膜磁性能的變化情況進(jìn)行模擬計(jì)算。圖6為該體系的磁滯回線。

圖6 平行取向下,周期數(shù)為4,不同磁層厚度的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系的磁滯回線

從圖6 可看出,平行取向下周期數(shù)為4 的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B體系在不同磁層厚度下的磁滯回線均為方形。隨著Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層的厚度逐漸增大,體系的矯頑力(H')與最大磁能積BHmax均逐漸減小,這是因?yàn)楫?dāng)Nd2Fe14B 層、Ce2Fe14B層厚度較薄時(shí),不同磁層之間交換耦合作用比較強(qiáng)烈,而隨著磁層厚度的逐漸增大,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層間交換耦合作用逐漸減弱,導(dǎo)致其磁矩更易形核,且易擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致H'和BHmax降低。

圖7為平行取向下,周期數(shù)為4,不同磁層厚度的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化。在圖7中,Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系處于正飽和狀態(tài)時(shí),Eex和Ean接近于零。當(dāng)外加場(chǎng)減小且磁矩仍在正向時(shí),EH隨外加磁場(chǎng)的減小而緩慢增大,當(dāng)外加場(chǎng)進(jìn)一步減小時(shí),磁矩方向逐漸偏離外加磁場(chǎng)方向,Eex和Ean開始逐漸增大,而Ed隨之減小。達(dá)到成核場(chǎng)時(shí),所有的能量因大部分磁矩的反轉(zhuǎn)而劇烈變化,隨后在磁矩完全反轉(zhuǎn)后,系統(tǒng)的總能量降到最低。結(jié)合圖6,該體系的磁滯回線都具有良好的方形度,故而可認(rèn)為該體系的矯頑力機(jī)制由成核主導(dǎo)。從圖7還可看出,在較小的外場(chǎng)下,磁層厚度為15 nm 的周期多層膜的交換能開始增大,這說明其交換耦合作用比較弱,內(nèi)部磁矩反轉(zhuǎn)也較容易,意味著其磁矩更易形核,且易擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致其矯頑力較小。因此,磁層厚度為2.5 nm 的周期多層膜比磁層厚度為15 nm 的周期多層膜的矯頑力要高很多,且磁能積更大。

圖7 平行取向下,周期數(shù)為4,不同磁層厚度的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化

2.2.2 總厚度不變時(shí)周期數(shù)對(duì)體系磁性能的影響

固定體系總厚度為40 nm,保持Nd2Fe14B層與Ce2Fe14B層厚度比為1∶1,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層易磁化軸e和外加磁場(chǎng)場(chǎng)H都平行于膜面,保持其他參數(shù)不變,通過改變磁層的厚度,對(duì)多層膜磁性能的變化情況進(jìn)行模擬計(jì)算,圖8 為該體系的磁滯回線。

圖8 平行取向下總厚度固定為40 nm周期數(shù)不同的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系的磁滯回線

從圖8可看出,平行取向下總厚度固定為40 nm的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系在不同周期數(shù)下的磁滯回線均為方形。體系的矯頑力和最大磁能積隨體系周期數(shù)n的增大而逐漸增大,這是因?yàn)樵隗w系總厚度保持不變的前提下周期數(shù)n的增大等價(jià)于磁層厚度的減小,當(dāng)周期數(shù)n取1時(shí),Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層層間交換耦合作用最弱。隨著周期數(shù)n的逐漸增大,磁層厚度逐漸減小,Nd2Fe14B層、Ce2Fe14B層層間交換耦合作用逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致H'和最大BHmax逐漸提高。

圖9為總厚度固定為40 nm,周期數(shù)分別為1、8的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化。從圖9可看出,在不同厚度下,磁化反轉(zhuǎn)過程的能量變化趨勢(shì)相同,達(dá)到成核場(chǎng)時(shí),所有能量因大部分磁矩的反轉(zhuǎn)而劇烈變化,隨后在磁矩完全反轉(zhuǎn)后,系統(tǒng)的總能量降到最低。結(jié)合圖8,該體系的磁滯回線都具有良好的方形度,故而可認(rèn)為該體系的矯頑力機(jī)制由成核主導(dǎo)。從圖9可看出,相較于n=1的周期多層膜體系,n=8的周期多層膜需要更強(qiáng)的外場(chǎng)才能使交換能增加,這說明在總厚度相同的情況下,周期多層膜體系的周期數(shù)越多,交換耦合作用越強(qiáng)烈,磁矩反轉(zhuǎn)越難,導(dǎo)致其磁矩更難形核且難擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致其矯頑力更大。從多層膜磁層結(jié)構(gòu)來看,n=8 的周期多層膜體系在Nd2Fe14B 和Ce2Fe14B兩相之間存在15個(gè)接觸面,遠(yuǎn)多于n=1的周期多層膜體系的接觸面數(shù),因此n=8的周期多層膜擁有更為強(qiáng)烈的兩相間交換耦合作用,進(jìn)而導(dǎo)致其擁有更大的H'。在磁矩反轉(zhuǎn)的擴(kuò)展過程中,這15個(gè)界面上都會(huì)發(fā)生釘扎作用。釘扎面數(shù)遠(yuǎn)比n=1的周期多層膜體系要多,所以總厚度相同的Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜體系的矯頑力和磁能積都會(huì)隨著周期數(shù)的增加而增加。2種體系反轉(zhuǎn)磁化過程的能量變化趨勢(shì)類似,兩者的磁晶各向異性能和退磁能接近,但是交換能數(shù)值相差明顯。n=8的周期多層膜的交換能明顯大于n=1的周期多層膜;更大的交換能會(huì)使得周期多層膜的更難形核、擴(kuò)展并完成磁矩反轉(zhuǎn),進(jìn)而導(dǎo)致體系矯頑力增加。

圖9 平行取向下,總厚度為40 nm,不同周期數(shù)的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的能量變化

2.3 易磁化軸與外場(chǎng)取向?qū)﹄p主相Nd-Fe-B/Ce-Fe-B磁性周期多層膜磁性能的影響

圖10(a)為取向不同、磁層厚度不同、周期數(shù)相同的周期多層膜在磁化反轉(zhuǎn)過程中的矯頑力對(duì)比;圖10(b)為取向不同、周期數(shù)不同、總厚度相同的周期多層膜在磁化反轉(zhuǎn)過程中的矯頑力對(duì)比。從圖10可看出,在其他條件相同時(shí),平行取向的雙主相Nd-Fe-B/Ce-Fe-B磁性周期多層膜的矯頑力要優(yōu)于垂直取向的雙主相Nd-Fe-B/Ce-Fe-B磁性周期多層膜。這是由于平行取向的周期多層膜中的Eex與Ed和明顯大于垂直取向的周期多層膜。這說明平行取向的周期多層膜擁有更為強(qiáng)烈的交換耦合作用,導(dǎo)致平行取向的周期多層膜的磁矩更難形核,并難擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致平行取向的周期多層膜擁有更大的H'。進(jìn)一步分析圖10可知,在周期數(shù)相同的情況下,隨著磁層厚度的增大,不同取向的周期多層膜的H'逐漸趨于一致;而在總厚度相同,周期數(shù)不同的情況下,不同取向的周期多層膜之間的H'差距較為穩(wěn)定。這說明周期多層膜總厚度的增加會(huì)降低取向?qū)'的影響。

圖10 易磁化軸與外場(chǎng)取向不同的Nd-Fe-B/Ce-Fe-B周期多層膜體系在磁化反轉(zhuǎn)過程中的矯頑力

3 結(jié)束語

基于微磁學(xué)理論,用微磁學(xué)模擬軟件(OOMMF)對(duì)雙主相Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。發(fā)現(xiàn)雙主相Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜的矯頑力機(jī)制主要由成核主導(dǎo)。隨著磁層厚度的逐漸增加,Nd-Fe-B層、Ce-Fe-B層間交換耦合作用逐漸減弱,導(dǎo)致H′和BHmax降低。在其他條件相同時(shí),平行取向的周期多層膜性能要優(yōu)于垂直取向的周期多層膜。周期多層膜總厚度的增加會(huì)降低取向?qū)′的影響。因此,在制備雙主相Nd2Fe14B/Ce2Fe14B周期多層膜時(shí),應(yīng)結(jié)合所需的磁性能要求合理選取Nd2Fe14B層和Ce2Fe14B層的周期、厚度與取向。