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(diǎn)應(yīng)該始終放在強(qiáng)化磁性材料性能方面上來(lái)。通過(guò)我們對(duì)磁性材料進(jìn)行進(jìn)一步的了解和分析，就性能來(lái)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(shí)，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(duì)稱性和它相同，但是通常狀況下受到其自身特點(diǎn)的影響對(duì)出現(xiàn)新的磁對(duì)稱性。晶體結(jié)構(gòu)、磁性相互作用、自旋磁矩等都會(huì)對(duì)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(qiáng)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(wèn)世，消除了大家對(duì)以往自然界認(rèn)知的誤解，與此同時(shí)也加深了人們對(duì)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(duì)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(dú)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(rèn)識(shí)和調(diào)研，但是對(duì)其探索的層面還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，

國(guó)內(nèi)已有的磁疇構(gòu)造研究成果還尚未深入到實(shí)踐方面，且對(duì)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(lái)說(shuō)明鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)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(gè)各的效能，但從方向來(lái)講具有強(qiáng)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)間的正比例增長(zhǎng)關(guān)系?？梢姡女牁?gòu)造一定程度上會(huì)對(duì)磁化和磁退化造成一定的影響，并且會(huì)對(duì)材料的磁性能造成影響。

1 磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)

特備是在近些年來(lái)，尺寸效應(yīng)對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)、磁性能的影響受到國(guó)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?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(xì)磁結(jié)構(gòu)決定鐵磁層的磁疇結(jié)構(gòu); 量子點(diǎn)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(qiáng)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(guò)渦旋機(jī)制促使磁化翻轉(zhuǎn); 點(diǎn)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?fù)渥孕M態(tài)的形成、手性和動(dòng)力學(xué)行為。

Bolte 等深入分析多疇結(jié)構(gòu)對(duì)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(guò)選取不同厚度的材料進(jìn)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(guò)控制各種可逆和不可逆的磁化反轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行具體操控。在此基礎(chǔ)上，還借助顯微鏡對(duì)比不同厚度薄膜的磁力效能，進(jìn)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(lái)。

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(duì)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(guò)仔細(xì)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(huì)出現(xiàn)不同的表現(xiàn)。如果溫度高時(shí)條紋疇結(jié)構(gòu)會(huì)形成對(duì)稱性的迷宮結(jié)構(gòu)；如果溫度低時(shí)，它的表現(xiàn)形式會(huì)有極大的不同。一旦溫度達(dá)到一定高度時(shí)會(huì)造成磁有序的消失，體現(xiàn)條紋疇結(jié)構(gòu)的低對(duì)稱性會(huì)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(guò)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(cè)試體，確定相對(duì)應(yīng)的有效溫度。

2 磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓?fù)浯沤Y(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?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)之外，還對(duì)磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)存在的一系列不足之處進(jìn)行研究。其中也有所發(fā)現(xiàn)：在實(shí)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(dòng)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(qiáng)度; 薄膜外延生長(zhǎng)過(guò)程中交叉位錯(cuò)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(guò)測(cè)量生長(zhǎng)在(In,Al)As 準(zhǔn)臺(tái)階過(guò)渡層和(In,Ga)As 過(guò)渡層上的(Ga,Mn)As 層磁場(chǎng)導(dǎo)致的疇壁速度,Kanda 等對(duì)兩者磁性疇壁蠕變標(biāo)度公式中的標(biāo)度指數(shù)進(jìn)行對(duì)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(guò)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(zhǎng)過(guò)程中。生長(zhǎng)于(In,Al)As 過(guò)渡層反映了一種平坦的運(yùn)行過(guò)程，其疇壁蠕變運(yùn)動(dòng)屬于隨機(jī)場(chǎng)無(wú)序,而在(In,Ga)As 上的蠕變運(yùn)動(dòng)則屬于鍵無(wú)規(guī)無(wú)序。

Song 和Hua 深入探討了低頻交變磁場(chǎng)處理減小低合金鋼中的殘余應(yīng)力及其機(jī)制原理。通過(guò)具體分析可得，在進(jìn)行磁場(chǎng)處理過(guò)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(jī)械設(shè)備對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和磁疇進(jìn)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(cuò)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(huì)通過(guò)對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)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(duì)載流子濃度產(chǎn)生的依賴關(guān)系，對(duì)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(rèn)識(shí)。

3 磁結(jié)構(gòu)、磁疇結(jié)構(gòu)和拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的晶界和晶粒

現(xiàn)階段，國(guó)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?fù)浣Y(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(huì)影響到磁疇尺寸、形貌和關(guān)聯(lián)長(zhǎng)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(duì)晶界特征以及與其相關(guān)的磁疇構(gòu)型和其他行為進(jìn)行深入研究和分析，在實(shí)踐探討和有效評(píng)估的基礎(chǔ)上形成一系列結(jié)論。在過(guò)程中通過(guò)采用不同類型的儀器對(duì)問(wèn)題進(jìn)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(jìn)行晶界幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；利用磁光克爾顯微鏡對(duì)不同外磁場(chǎng)強(qiáng)度下晶界處的磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇壁運(yùn)動(dòng)進(jìn)行具體研究。通過(guò)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?qiáng)大的影響；運(yùn)用不同的外磁場(chǎng)強(qiáng)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(gè)傾斜的晶界對(duì)磁化過(guò)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(duì)取向電工鋼性能的影響也不同。

小角度中子散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(duì)于Fe 顆粒,具有與塊體疇壁寬度尺度相當(dāng)?shù)木Я３叽鐣r(shí)發(fā)現(xiàn)最小的磁關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度,并且其矯頑力有最大值。借助隨機(jī)形式對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)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(shí)對(duì)反鐵磁層與晶體體積的相互關(guān)系進(jìn)行深入分析，對(duì)內(nèi)部的晶粒相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行證實(shí)。這一過(guò)程包含多項(xiàng)體積以及測(cè)量問(wèn)題，研究難度較大且內(nèi)容復(fù)雜。通過(guò)進(jìn)行一系列的方案設(shè)計(jì)和實(shí)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(guò)程和預(yù)測(cè)它的磁粘滯,借助其相關(guān)內(nèi)容能夠有效說(shuō)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(jìn)行對(duì)界面效應(yīng)的研究，依托具體的三層膜和磁場(chǎng)變化得出界面效應(yīng)是在界面處存在,獨(dú)立于反鐵磁晶粒的大小。通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)得出不同的結(jié)果，觀察到影響磁場(chǎng)性能的團(tuán)簇，它們處于無(wú)序且無(wú)相似結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，通過(guò)自身特性在低溫環(huán)境下保證磁場(chǎng)的有序，提升界面自旋的有序性。由此得出對(duì)反鐵磁體中晶粒行為其他界面效應(yīng)行為的新認(rèn)識(shí)，不斷拓展對(duì)交換偏置現(xiàn)象的新理解。

4 結(jié)論

通過(guò)以上闡述，可以得出如下三個(gè)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(guó)內(nèi)稀土資源的浪費(fèi)，提高資源利用率。部分學(xué)者認(rèn)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(jìn)行相關(guān)研究提供知識(shí)儲(chǔ)備。此研究結(jié)果有利于對(duì)各向異性納米復(fù)合稀土永磁材料的研究，同時(shí)也可以避免出現(xiàn)過(guò)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(zhǎng)度、厚度以及材質(zhì)等方面造成磁性的不同，這種做法會(huì)在一定程度上阻礙材料的磁疇構(gòu)造，也會(huì)對(duì)磁性能造成影響。通過(guò)對(duì)材料進(jìn)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(huì)受到材料晶體、晶粒以及晶界的影響。針對(duì)性的轉(zhuǎn)變材料的微結(jié)構(gòu)，不斷提升對(duì)磁性材料、磁疇性能的科學(xué)掌控，減少過(guò)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(shí)。從當(dāng)前情況來(lái)看，除專業(yè)外人士很少涉及拓?fù)浣M態(tài)和磁性能的相關(guān)知識(shí)，導(dǎo)致在很多方面存在知識(shí)盲區(qū)，由此本文進(jìn)行拓?fù)浠鶓B(tài)或者激發(fā)態(tài)的形成規(guī)律以及動(dòng)力學(xué)行為的深入研究。除此之外，加強(qiáng)對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的研具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，最終進(jìn)一步拓寬拓?fù)鋵W(xué)在新型磁性材料中的廣泛運(yùn)用。