呂慶榮，黃靖雯，馮雙久

(1. 安徽大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，2. 安徽大學(xué) 物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院，3. 安徽大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

作為尖晶石鐵氧體中的永磁材料，鈷鐵氧體除了具有較高矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度，還具有高機(jī)械強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性.鈷鐵氧體納米顆粒在高密度磁記錄、生物醫(yī)藥及磁性液體等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-3].飽和磁化強(qiáng)度Ms是磁性材料在外加磁場中被磁化時(shí)所能夠達(dá)到的最大磁化強(qiáng)度，矯頑力Hc表征材料抵抗外部反向磁場或其它退磁效應(yīng)的能力，它們都是衡量永磁材料磁性能的重要參數(shù).磁晶各向異性是影響納米永磁材料矯頑力的重要因素，研究磁晶各向異性對(duì)于探索矯頑力增強(qiáng)機(jī)理非常必要.

在強(qiáng)磁場區(qū)域，磁化已趨于飽和狀態(tài)，此時(shí)多晶體的磁化曲線可以通過趨近飽和定律來描述.趨近飽和定律在實(shí)際應(yīng)用中，可以用來精確測量材料的飽和磁化強(qiáng)度Ms和測量多晶材料的磁晶各向異性常數(shù)K1[4].本文用趨近飽和定律計(jì)算了納米鈷鐵氧體樣品在不同溫度下的飽和磁化強(qiáng)度Ms和磁晶各向異性常數(shù)K1，并用磁晶各向異性常數(shù)隨溫度變化解釋了材料在低溫時(shí)的大矯頑力現(xiàn)象.

1 用趨近飽和定律分析飽和磁化強(qiáng)度隨溫度變化

用溶劑熱法制備了顆粒尺寸約30 nm的CoFe2O4，用超導(dǎo)量子干涉儀振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(Quantum Design SQUID-VSM)測量了樣品的磁化曲線和磁滯回線，磁化曲線與磁滯曲線是在零場降溫后由一個(gè)程序同時(shí)測得的.圖1為低溫5 K 和室溫300 K時(shí)的磁化曲線.可見，5 K時(shí)樣品更難達(dá)到飽和磁化，用趨近飽和定律可以精確測定飽和磁化強(qiáng)度.

圖1 樣品在5 K和300 K時(shí)的磁化曲線

在強(qiáng)磁場區(qū)域，磁化已趨于飽和狀態(tài)，此時(shí)多晶體的磁化曲線可以通過趨近飽和定律來描述，即

(1)

式中a為磁硬度系數(shù)，b為與磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)過程有關(guān)的常數(shù)，χP為順磁磁化率，χPH項(xiàng)為在極高磁場及高溫下順磁磁化過程對(duì)磁化強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，在此可以忽略.所以，上式可寫為

(2)

在強(qiáng)磁場區(qū)域，H-2項(xiàng)可以忽略，則有

因?yàn)樵趶?qiáng)磁場區(qū)域，磁化強(qiáng)度趨于飽和，M≈Ms，所以

(3)

如圖2所示，在強(qiáng)磁場區(qū)域，M/H～M有很好的線性關(guān)系，直線是Origin軟件線性擬合結(jié)果.由圖2(a)可知，低溫5 K下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性擬合的相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.999，該直線在M軸的截距即為飽和磁化強(qiáng)度，Ms=5.76×102Gs.由圖2(b)可知，室溫300 K下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性擬合的相關(guān)系數(shù)的平方R2=0.998，該直線在M軸的截距為Ms=5.28×102Gs.隨著測量溫度升高，飽和磁化強(qiáng)度Ms呈下降趨勢.

磁性材料可以看作是單疇顆粒的集合體，在每一個(gè)單疇顆粒內(nèi)，由于相鄰電子之間有很強(qiáng)的交換作用，在沒有外磁場時(shí)，自旋磁矩能“自發(fā)地”整齊排列起來，而且磁矩取向在由磁晶各向異性所決定的易磁化方向上，但是由于各顆粒的易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同.當(dāng)鐵磁性材料處于外磁場中時(shí)，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇，其體積隨著外加磁場的增大而擴(kuò)大，并使磁疇的磁化方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外磁場方向.另一些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成大角度的磁疇其體積則逐漸縮小，當(dāng)外磁場進(jìn)一步增大時(shí)，所有磁疇都沿外磁場排列好，介質(zhì)的磁化就達(dá)到飽和.

隨著溫度升高，熱擾動(dòng)能增加，自旋取向的隨機(jī)性增大，能夠嚴(yán)格按照外磁場方向排列的自旋相應(yīng)減少，使得飽和磁化強(qiáng)度降低[6].趨近飽和定律計(jì)算結(jié)果與理論分析結(jié)論一致.

5 K

300 K圖2 強(qiáng)磁場區(qū)M/H隨M變化情況(方塊為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線為線性擬合結(jié)果)

2 用趨近飽和定律分析矯頑力隨溫度變化

圖3為樣品在5 K 和300 K時(shí)的磁滯回線，左上角插圖為磁滯回線在較小的磁場強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度范圍內(nèi)的放大圖.磁滯回線與H軸負(fù)向交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度值即為矯頑力Hc，溫度為5 K時(shí)，Hc=5.22×103Oe；300 K時(shí)，Hc=6.47×102Oe.低溫時(shí)，材料具有很大矯頑力，隨溫度升高，矯頑力下降很快.

圖3 樣品在5 K 和300 K時(shí)的磁滯回線

系統(tǒng)被冷卻到低溫，熱擾動(dòng)能低，所以每個(gè)顆粒磁矩均分布在各自的易磁化方向.在施加一個(gè)很小的外磁場時(shí)，顆粒磁矩由于自旋“凍結(jié)”，并不能有效地向外磁場方向偏轉(zhuǎn)，磁晶各向異性大，所以矯頑力很大.隨著體系溫度逐漸升高，熱擾動(dòng)能增加，被凍結(jié)的自旋磁距逐漸被外磁場影響，跨過能壘，向外場方向偏轉(zhuǎn)，即自旋“解凍”，磁晶各向異性快速下降，室溫時(shí)矯頑力迅速降低.所以，矯頑力隨溫度增加而快速下降的主要原因是磁晶各向異性隨溫度變化[7,8].

為了評(píng)估磁晶各向異性隨溫度變化情況，需要測定不同溫度下的磁晶各向異性常數(shù).趨近飽和定律中的系數(shù)b是來源于磁晶各向異性對(duì)較強(qiáng)磁場下疇轉(zhuǎn)磁化的阻滯作用.根據(jù)磁性物質(zhì)內(nèi)的各種相互作用的能量，從理論上可以推導(dǎo)出系數(shù)b與磁晶各向異性常數(shù)K1的關(guān)系.對(duì)于立方晶系的多晶體，可以導(dǎo)出[5]

(4)

因此，已知系數(shù)b和飽和磁化強(qiáng)度Ms可以求得磁晶各向異性常數(shù)K1.將式(2)對(duì)H進(jìn)行微分后，可得

在較強(qiáng)的磁場下，2b>>aH，則有

(5)

即，微分磁化率dM/dH與H-3的函數(shù)關(guān)系近似為過原點(diǎn)的直線，該直線的斜率為2bMs，已知Ms即可確定b值[4].

圖4為較強(qiáng)磁場下微分磁化率dM/dH隨H-3變化情況，直線為Origin軟件線性擬合結(jié)果.由圖4(a)可知，5 K時(shí)線性擬合相關(guān)系數(shù)平方R2=0.996，斜率2bMs=2.51×1010Oe3，將Ms=5.76×102Gs代入，得到b=2.18×107Oe3/Gs，再將b和Ms代入式(4)可求得K1=9.74×106erg/cm3.

5 K

300 K圖4 較強(qiáng)磁場下dM/dH隨H-3變化情況(方塊為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線為線性擬合結(jié)果)

由圖4(b)可知，300 K時(shí)線性擬合相關(guān)系數(shù)平方R2=0.999，斜率2bMs=9.87×108Oe3，將Ms=5.28×102Gs代入，得到b=9.34×105Oe3/Gs,再將b和Ms代入式(4)可求得K1=1.85×106erg/cm3.

可見，低溫5 K時(shí)，材料具有很大的磁晶各向異性常數(shù)，隨溫度上升，磁晶各向異性常數(shù)快速下降，與矯頑力隨溫度變化趨勢一致.進(jìn)一步證明磁晶各向異性是影響矯頑力的主要因素，提高磁晶各向異性是增大納米永磁材料矯頑力的主要途徑.

3 結(jié)論

用趨近飽和定律計(jì)算了納米鈷鐵氧體樣品在溫度為5 K和300 K時(shí)的飽和磁化強(qiáng)度和磁晶各向異性常數(shù).隨著溫度升高，熱擾動(dòng)能增加，使得飽和磁化強(qiáng)度降低，趨近飽和定律計(jì)算結(jié)果與理論分析結(jié)論一致.磁晶各向異性是影響矯頑力的主要因素，趨近飽和定律計(jì)算表明材料在5 K時(shí)具有很大的磁晶各向異性常數(shù)，隨溫度上升，磁晶各向異性常數(shù)快速下降，與矯頑力隨溫度變化趨勢一致.