软磁材料基础讲座1

软磁材料基础讲座1软磁材料属于与硬磁材料（永磁材料），磁记录材料并列的三大磁性材料之一，在磁性应用技术中占有重要地位。是发电机、电动机、变压器、电感器，还有磁记录用磁头等中不可缺少的材料。本讲座对软磁材料的主要物质和材料——金属合金、铁氧体、非晶合金、纳米晶、纳米颗粒型复合膜等作一初步的说明。软磁性的原理以及根据它进行高性能软磁材料的设计、制造、微结构的控制、加工等问题，经过长期研究，已基本上搞清楚了。但是，对于最近的纳米结构软磁薄膜等还有许多问题没有搞清楚，正在进行研究。因此，本讲座将整理、说明基本原理和材料学的各种问题。同时还介绍一些目前最尖端的问题，给初学者从事这方面研究的技术人员提供入门指南。本讲座首先简单说明一下什么是“软磁性”。磁性材料从功能上大致分为两在类：一、直接利用铁磁性体和亚铁磁性体的磁化功能；二、利用伴随磁化产生的各种物性变化的（图1）。后者偶尔也利用反铁磁性的磁功能。第一类是磁场、电磁力、电磁感应等电磁现象的应用。利用铁磁性和亚铁磁性体，高磁化强度或磁化非线性，可制作高性能的电磁铁、永久磁体、发电机、变压器、电感器、磁记录系统等的电子元件、电子设备、通信设备等。第二类是伴随磁性体磁化所产生的其它物理性质变化的应用，它们有：电阻变化的磁电阻效应；透过磁性体的光偏振面旋转的法拉第效应和从磁性体表面反射的光偏振面旋转的克尔效应；晶体微小变形的磁致伸缩效应；伴随磁化熵变化的磁热效应；体积和弹性在居里温度上下产生变化的磁体积弹性效应等。这些效应会产生磁→电、磁→光、磁→力、磁→热等变换功能，用于各种器件和精密机械用材料。最近，在磁→电转换材料方向取得了巨大进步。这是因为作为有关自旋和电荷的动态相互作用的现象，在人工晶格中发现了巨磁电阻效应（GMR）；而且与此相关还发现了由自旋相关隧道效应产生的巨磁电阻效应。从磁性物理、磁性应用的角度出发，对这些巨磁电阻效应进行研究，迅速用于磁电阻磁头（MR磁头），成功地将计算机硬盘驱动器的记录密度提高了一个数量级，登上了大台阶。这种自旋和导电所涉及的物理性质中，隐藏着深奥的问题，成为开拓将磁性体和半导体融合起来的新应用领域的契机。从前，磁性应用考虑“磁”（电子自旋）；半导体应用只考虑“导电”（电子电荷）。现在发现，自旋和电荷其实是互相关联的，开始了磁性和半导体领域融合在一起的交叉学科研究。例如，有一项研究是关于“磁场控制单电子（自旋）“存储器”和“自旋晶体管”的，它们将是21世纪的新技术。这一新交叉学科在纳米技术中占有一定地位，被称为“自旋电子学”。所谓软磁性，就是在弱磁场中出现强磁化的磁性（磁场响应性高的状态）。如图1所示，软磁性使功能一的电磁铁、变压器、电感器、磁头等应用成为可能；即使在功能二的伴随现象应用中，也有很多利用磁场响应性好的效应，上述巨磁电阻效应的MR读出磁头就是其典型的例子。为了高灵敏度地读出磁介质中以亚微米级的尺寸存储的正负磁信号，磁头的磁芯在具有巨磁电阻效应的同时，还必须兼有软磁特性。顺便说一下，硬磁性是和软磁性相反的特性，磁化困难。，但是，一旦磁化以后，就能永久地保持磁化状态。因此，可以做成永磁体。那么，磁化特性又是软又是硬的，究竞是为什么？要成为软磁性怎么办才好呢？这些都是关于铁磁性体或亚铁磁性体的磁化过程的问题。这里仅说明其概念，详细情况将在以后的讲座中讨论。铁磁性体和亚铁磁性体具有自发磁化强度Ms。通常情况下，为了使静磁能Es达到最小，磁性体分成一个个磁畴，处于对外几乎不显示磁通密度（B）的状态。如果在这种消磁状态下从外部加上磁场H，各个磁畴的Ms就通过畴壁位移和磁矩转动过程，变到与外磁场H相同的方向，对外就显示磁通密度B。这个过程与磁化强度M对磁场的响应性有关，而形成非线性的磁化曲线。当H小的时候，磁化强度M上升缓慢；但随着H的增大，M急剧增大，不久再次变缓；在H足够大的时候，M达到饱和磁化强度Ms。接着，如果H再减小，想回到原来的磁化状态，却不是同样的路径，在H为零时，达到剩磁状态Mr；如果将H反向并增大，M就急剧下降，在H达到矮顽力Hc时M达到零；以后如果在反方向继续增大H，M也反转到反方向，并在反方向达到饱和（-Ms）。如果再减小H，达到零后又反转到正向并继续增大，磁化曲线就完成一周，形成一个回线，称为磁化的磁滞回线。把M对H的梯度称为（相对）磁导率μ。软磁性的特点是：磁滞回线窄，M急剧上升，Hc值小，μ值大。优质软磁材料的饱和磁通密度Bs约为0.5～2.2T，起始磁导率μi为数万～数十万，Hc在地球磁场强度（～0.3Oe)以下。这种软磁特性只要使畴壁位移和磁矩转动在弱磁场下容易产生就能达到。首先应该减小妨碍畴壁位移的畴壁能量We随位置的变化δWe，为此，应减小控制We的磁晶各向异性能量Ke（K1或Ku）*和磁致伸缩应力的磁弹性各向异性能量Ke；进而，还应使材料的微结构均匀，从而减小K1、Ku、Ke随位置的变化。相互交换作用能量Ee也是一个控制因素，在要求MS大的软磁材料中，减小Ee并不是上策，应减小Ee随位置的波动。另一方面，为了使磁矩容易转动，应尽可能减小上述各种磁各向异性能量的绝对值。除上述问题外，还有M对H的动态特性问题。大多数电器都在KHz至MHz甚至GHz的高频下使用，因此，磁芯的磁损耗、涡流损耗增大。而且还伴随有由畴壁共振、自然共振**、自旋波共振引起的共振损耗。为了减小这些损耗，就应该将畴分细，或增大电阻率，或控制各向异性等。*磁晶各向异性常数Kc,在立方晶系中一级近似只考虑K1;在单轴晶系中为Ku。**自然共振是在外加稳恒磁场为零时，Ms在磁晶各向异性场的作用下，μ″～f曲线中的共振。考虑以上的基本性质，通过原材料的选择、材料成分的调整、磁各向异性的控制、微结构的控制等，达到高性能，开发出适用于各种用途的软磁材料。另外，按用途还可选择块状（棒、板、线）、薄膜、微粒等材料形状。最近，元器件向轻薄短小方向发展，软磁磁芯有向薄膜发展的倾向。在纳米技术时代来临之际，软磁薄膜的必要性和重要性将越来越大。表1中列出了以前开发并取得广泛应用的主要的软磁材料及其原理。①硅钢片以大功率的对象，因此，以Fe为主体，以取得尽可能高的Bs。这样，磁各向异性增大，但是，通过轧制和再结晶，使晶粒象准单晶一样排列，使微结构均匀化，从而使δKc减小（结果使δWe减小），实现磁性的软化。②坡莫合金和Sendust合金是为了追求软磁性而探求Kc和入同时为零的物质所获得的。③铁氧体是高电阻率的绝缘性氧化物，具有亚铁磁性，因此，最适用于UHF软磁材料。为了得到软磁性，选择Kc和入同时为零的成分。④非晶合金与上述①～③的晶体物质不同，是玻璃状的非晶体物质，因此，不论什么成分Kc都为零，非常适宜于获得软磁性。但由于存在磁致伸缩，如果使入为零就可得到优良的软磁性。非晶合金具有高电阻率、强韧的机械强度、熔体快淬薄带特点，是附加价值超过硅钢和坡莫合金的软磁材料。⑤纳米晶材料是靠交换相互作用或静磁相互作用实现磁均匀耦合的纳米级微晶粒的集合体，靠与非晶合金类似的机制获得软磁性。其优点有：由于是晶体，因此稳定性好；可利用Ms大的bcc铁基合金等。⑥纳米晶粒型复合膜是继非晶合金、纳米晶之后开发的材料，它是用溅射等方法将金属铁磁性纳米级粒子和等电气绝缘性纳米级粒子复合化的薄膜。实现了高电阻率的强磁性，特别适用于高频软磁性薄膜。而且，在绝缘相多的成分中发现了隧道型巨磁电阻效应，可用于传感器等。本次讲座概述了什么是软磁性，作为整个讲座的序言，希望对以后讲座详细说明有所帮助。