磁畴结构

一.畴壁及畴壁分类：二.Bloch壁的结构和畴壁能：三.Neel壁的结构和畴壁能：四.十字壁五.畴壁的动态性质参考姜书4.7，4.8节在讨论磁畴结构之前，我们先分析畴壁的性质，因为畴壁的性质往往影响着磁畴的结构。4.2畴壁结构和畴壁能理论和实验都证明，在两个相邻磁畴之间原子层的自旋取向由于交换作用的缘故，不可能发生突变，而是逐渐的变化，从而形成一个有一定厚度的过渡层，称为畴壁。按畴壁两边磁化矢量的夹角来分类，可以把畴壁分成1800壁和900壁两种类型。在具有单轴各向异性的理想晶体中，只有1800壁。在K1＞0的理想立方晶体中有1800壁和900壁两种类型。在K1＜0的理想立方晶体中除去1800和900壁外，还可能有1090和710壁，实际晶体中，由于不均匀性，情况要复杂得多，但理论上仍常以1800和900壁为例进行讨论。一.畴壁及畴壁分类立方晶系，易磁向〈100〉180壁和90壁180畴壁畴90壁立方晶系,易磁向〈111〉，有180壁，71壁和109壁71°109°畴壁的概念最早是Bloch提出的，Neel分析了它的结构：在大块晶体中，当磁化矢量从一个磁畴内的方向过渡到相邻磁畴内的方向时，转动的仅仅是平行于畴壁的分量，垂直于畴壁的分量保持不变，这样就避免了在畴壁的两侧产生磁荷，防止了退磁能的产生。这种结构的畴壁称作Bloch壁。Bloch1800壁的结构：为保证自发磁化强度在畴壁法线方向的分量连续，畴壁应取如图方式。二.Bloch壁的结构特性和畴壁能Bloch1800畴壁中原子层电子自旋方向的转变形式：为满足没有内部磁极因而没有退磁场这一要求，900畴壁取向应为相邻两畴自发磁化强度夹角的平分面。Bloch型90壁中的自旋取向沿锥面旋转，以保持垂直于畴壁平面的分量不变，避免了在畴壁两侧产生退磁能。即：畴壁中的原子磁矩取向始终保持与畴壁法线夹角不变。畴壁厚度主要取决于交换能与各向异性能的平衡。交换作用能要求相邻原子层间转角越小越好，以致畴壁厚度无限大，然而畴壁中磁化强度对易磁化方向的偏离又带来各向异性能的增加，后者要求畴壁越窄越好，两者的综合考虑决定了畴壁的厚度。畴壁能的讨论一般使用单位面积畴壁能的概念，即单位畴壁面积的能量，它和单位体积能量不同，与畴壁厚度密切相关。畴壁厚度和畴壁能的估算设畴壁厚度为N个原子间距a。假定单层单位畴壁面积上有1/a2个原子，原子自旋均匀转向，则单位畴壁面积的交换能的面密度为：(A为交换积分)2222221exASNASNaNa磁晶各向异性能平均密度可以近似表示为：1kKNa2212exkASKNaNaδ＝Na为畴壁厚度，畴壁能密度为求能量极小值的条件221220ASKaNaN得到：1222311SASANKaaKa1800畴壁厚度和畴壁能估算1112KAKAKASSSaaa带回表达式中，有：1ANaSKa畴壁厚度稳定值处交换能和磁晶各向异性能数值相等。以上半定量分析中可以看出：畴壁能处于极小值的条件是交换能密度等于磁晶各向异性能密度。在畴壁各处都应满足此要求，因而磁晶各向异性能小的区域，相邻层电子自旋的转角小，磁晶各向异性能大的区域，相邻层电子自旋的转角大，显然均匀转角的假定是不对的。代入铁之数据，估算数值：21104318322.1610J,1,2.8610m,4.8110Jm135,3.8710m,3.78510JmwASaKNNa上面的估算只考虑了磁晶各向异性，如果存在其它各向异性，则必须也在考虑之内。显然，估算是过分简单了，但更加严格的计算也只是给出了相同的量级，所以从简单估算结果中给出的定性分析是正确的。wexk参照：如果在垂直于畴壁的方向上有磁荷，则产生的退磁能密度要大得多：232013010Jm2SNM比较严格的采用变分法给出1800Bloch壁计算结果是：六角晶系单轴各向异性：转角曲线，中间快δ这里：θ10212d()2()dzAfAf()kFf21ASAa21sinkFK11114AKAK见姜书P244立方晶系：K1＞0时，（以上详见姜书p242-250）按照变分理论计算，畴壁厚度不是一个收敛解，当θ→900时，厚度趋于无穷，1800壁不能存在，而要分为相隔无限远的两个900壁，但理论上的这个困难并不是真实的，考虑到磁致伸缩能的影响后，两个分离的90壁必然连成一片，成为一个180壁。(180)112AK从物理学的观点看，畴壁宽度是难以准确表示的，因此常把下式称作畴壁宽度参量（或说单位）.而把称作畴壁能密度单位101AK011AK在只考虑磁晶各向异性和交换作用的情况下，畴壁厚度和单位面积畴壁能量可以一般表示为：111AcK211cAK其中c1,c2是与晶体结构和磁畴结构有关的常数。90(100)1190(110)111.73AKAK900Bloch壁的计算结果如下摘自B.A.LiLLey,Phil.Mag.,41,792,1950见宛书p243该表与姜书p249表4－7相同，但已经换算为SI单位制J﹒m-3附录：Fe的相关数据之估算231B211043K,1.3810JK,bcc,=1=0.152.1610JCBCTkSAkT211111.510Jm2,1ASASa8101320111.7710m0.8510JmAKAK4314.8110JmK各文献所取数值不尽相同。4314.210JmK该值和前面表中数值有别，但量级是相同的。803201.910m0.810Jm差别并不大。32180021.710Jm这是一个下面常用的数值。畴壁内原子自旋取向变化的方式除去Bloch方式以外，还在薄膜样品中发现了另一种Neel壁的变化形式，前者壁内的自旋取向始终平行于畴壁面转向，多发生在大块材料中，后者壁内的自旋取向始终平行于薄膜表面转向，在畴壁面内产生了磁荷和退磁场，但在样品表面没有了退磁场。三.Neel壁的结构和畴壁能Neel壁Bloch壁SMSMSMSMSMSM从图可以看出：随着材料厚度的变薄，Bloch壁在样品表面产生的退磁场能会变得很大，相反，Neel壁的退磁场能会变得比较小，所以薄膜中会出现Neel壁。具体计算如下：在薄膜厚度为D的两面有露出的磁极，产生退磁能。畴壁可以看成是椭圆截面的柱体，长轴为D，短轴为畴壁宽度，产生的单位畴壁面积退磁能近似等于222002122sdMNMD其中N为长轴方向的退磁因子M要取平均值ND2sinssMMMBloch畴壁单位面积的总能量为：222101222()0SexkdKMAD给出平衡值δ。显然有：,D该表达式和姜书p251有区别，但结论是一致的。布洛赫壁仍然把畴壁当作一个椭圆截面的柱体，但长轴为δ，短轴为D,长轴方向的退磁因子为Neel壁单位面积畴壁内的退磁场能为：DND22002122()SdDMNMD2sinssMMM这里同样要考虑平均值Neel壁单位面积畴壁的总能量可以写作：22101222()0SexkdKDMAD给出平衡值δ。,DNeel壁从上述结果可以看出，厚度对两种畴壁能的影响是不同的。当大块材料的尺度减小时，Bloch形式的壁在材料表面的退磁能将变得十分突出，相反，如采用Neel壁形式退磁能反而会比较低。DDNeel1955年计算结果Dietze等1961计算结果见姜书p252上图给出二种畴壁能与厚度的关系，交叉点即为畴壁由布洛赫型向涅耳型转化的临界厚度。Neel给出的临界厚度和狄切和托马斯给出的有所不同。后者给出的临界厚度是：代入Fe的相关数据估算出的临界厚度为：325×10-10m.实际在该临界厚度附近有一过渡区，会出现一种十字壁(cross-tiewall)的形式。例如实验表明Fe-Ni合金薄膜的情形如下13.9cSADMD~20nm100nmNeelwallBlochwallcross-tiewall在薄膜厚度300～900×10－10m的80％FeNi合金中发现了一种十字壁。这是因为出现Neel壁后引发了体磁荷，它的退磁场又影响了原子磁距的取向，因此出现了十字壁以减小Neel壁两侧面上磁荷的影响，使Neel壁又分成许多磁荷正负相间的小段，而小段和小段之间由Bloch壁分开。四.十字壁十字壁也称横结壁（cross-tiewall)，主畴壁是极性相间的Neel壁，两个Neel壁之间是很窄的Bloch壁（线）。D＜2×10-8m为Neel壁，D＞10-7m为Bloch壁，中间区域出现十字壁畴壁在运动过程中的能量要比静止时候大，增加的这部分能量与畴壁运动速度的平方成正比，从比例常数中可以引出畴壁有效质量的概念。畴壁运动中还会受到各种阻尼作用，产生损耗，也具有一定的劲度，在一定情况下，可以和弹性膜相似，因此在磁场作用下的可以用下面公式描述。22dd2ddwSzzmzMHtt五.畴壁的动态性质4.1试证明磁晶单轴各向异性等效场：并估算出金属Co的磁晶各向异性等效场的数值。4.2试推出金属铁Fe(bcc)180壁的畴壁厚度和单位面积畴壁能的近似表达式并估算其数值大小。102uksKHM习题四