磁各向异性
磁光效应的各向异性和非线性特性
第17卷 第10期光 学 学 报V ol.17,No.10 1997年10月ACT A O PT ICA SIN IC A O ctober,1997磁光效应的各向异性和非线性特性刘公强 梁 波(上海交通大学应用物理系,上海200030)卫邦达(上海工程技术大学基础部,上海200335)摘 要 应用经典电磁场理论和(间接)交换作用有效场概念,推导了顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性介质中的磁光效应及其温度特性。
理论分析表明,法拉第磁光效应具有各向异性特性;法拉第旋转不仅与顺磁性和铁磁性介质中的磁化强度M或反铁磁性和亚铁磁性介质中的次晶格磁化强度M i的线性项有关,而且还应与M或M i的高次项有关。
(间接)交换作用是导致磁光效应、磁光效应各向异性以及它们的复杂温度特性的重要原因。
理论较为圆满地解释了实验结果。
关键词 磁光各向异性, 法拉第旋转, 交换作用, 经典理论。
1 引 言随着磁光测量技术不断提高和新型磁光材料的大量涌现,一些新的磁光性质被相继发现。
80年代以来,在一些顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中发现了磁光效应的各向异性[1]和非线性现象[2]。
迄今为止,磁光经典理论还无法解释这些新的磁光性质。
众所周知,在顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中存在着(间接)交换作用。
作者认为,这种电子间的电相互作用对磁光效应有着极为重要的贡献。
基于这一点,应用经典和量子理论较为成功地解释了上述各种磁性介质中的磁光效应及其复杂温度特性[3～5]。
本文将应用经典场论和(间接)交换作用有效场概念,进一步解释各种介质中磁光效应的各向异性和非线性性质。
计算表明,(间接)交换作用亦是导致这些磁光性质的重要因素。
2 磁光效应的基本关系式在弱磁性介质中,电子运动方程为m r=-m k20r+e(E+P/3ε0)-ζr+e_0H i r×h(1)等式右边第一项为正电中心对电子的作用力,k0为电子运动的固有频率,第二项为介质中电子受区域电场的作用力。
磁畴和磁晶各向异性-20160516
施加偏场H
,畴壁移动
b
施加面内场H，磁畴转动
磁化方向垂直于原子排成的直线，邻近原子的电子运动区
偏光显微镜
偏光
显微镜
直流稳压
直流偏场
电磁铁
直流偏磁场H b ＝0b 升高至磁畴全部消失
直流偏磁场H 升高降低至0，回到迷宫畴
面内场H＝0
面内场H升高
升高至磁畴全部消失
降低至0，黑白泡畴共存
升高至磁畴全部消失面内场H＝0
面内场H升高
降低至0，平行条畴
in
偏光显微镜
切泡场H
B
=(H
N
-0.32)kA/m
= (H
N -0.02)A
直流偏磁
b 直流偏磁
b
直流偏磁场H
b
升高至饱和磁化
不是形核
形核场
畴形
直流偏磁场H＝H
直流偏磁场H升高成泡场，成泡直径
外切内切
用测微目镜测量磁泡直径时，目镜中的数字读百位，鼓轮上的刻度读十位和个位。
各向异性磁阻传感器
165:191.6
B样本1.0nm B样本磁传感器被下的1伏的施加电压操作 时，该传感器在外部磁场集中器的作用下 灵敏度是1916％/ mT（这是已被制出的磁 阻传感器的最高值。）
Ａ样本1.5nm Ａ样本磁传感器被下的1伏的施加电压操作 时，该传感器在外部磁场集中器的作用下 灵敏度是1650％/ mT
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我们通过将磁电阻接入如下图所示的惠斯通电桥电路（设 磁场偏角为θ，图中角α为两线之间的夹角 为45度）
α
.
通过计算我们得出输出电压与磁场偏置角θ的关系
Hale Waihona Puke 性能比较各种磁传感器的测量范 围
10
7
10
其他优点：
误差不随时间累计；体 积小、耐高过载、成本 低、功耗低、响应快； 信号便于集成化和小型 化。
下面给出两种自由层厚度不同的ＡＢ两样本
（Ｂ样本是经计算和多次试验后的最优状态）
Ａ样本：自由层厚度为１.５ｎｍ分别在1 T的 磁场350℃下和0.1 T磁场320℃下进行第一二次 退火。
Ｂ样本：自由层厚度为１.０ｎｍ分别在1 T的 磁场350℃下和0.1 T磁场320℃下进行第一二次 退火。
实验结果：
纳米多层膜
相比于单层膜，纳米多层膜由于电 磁耦合效应与不同金属的材料特性。 面内磁电阻变化强，而面外磁电阻 变化弱，这种结构在提升灵敏度的 同时降低了外界磁场的影响
(2)磁性隧道节不同自由层厚度的影响及对厚度的选取
自由层 磁性隧道节不同的自由层的厚度表现出非常不同的磁特 性，而不同的磁特性对传感器的灵敏度有很大的影响。
同时该传感器只消耗20μW的功率而1 V的 外加电压下运行。
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岩石磁各向异性分析及在构造地质学中的应用
云 南 地 质
Ｃ Ｎ ５ ３ — １ ０ ４ １ ／ Ｐ Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ １ ０ ４— ０ １ ８ ８ ５
岩 石 磁 各 向异性 分 析 及 在 构造 地质 学 中 的应 用
王 中蛟 ，李 学森
（ 桂林理 工大学地球科学学 院 ，广西 桂林 ５ ４ １ ０ ０ ４ ）
已经 用来 分析 构造地 质 、矿床 各 向异性 理论 基础 、解 释方 法及 其实 际应用 等方 面也 已形成 较完 整 的系统 。
１ 概念和意义
磁 组构 （ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｆ ａ ｂ ｒ ｉ ｃ ）一 词来 源 于 “ 岩组 学 ” 。磁 组 构 就是 磁 性颗 粒 或 晶格 的定 向 或其 组 合 ，其 物 理实 质就 是磁 化率 各 向异性 。Ｉ ｓ ｉ ｎ ｇ 最先于 １ ９ ４ ２年在瑞 典发 现岩 石 的磁化率 各 向异性 Ａ ＭＳ （ Ａ ｎ ｉ ｓ ｏ ｔ ｒ ｏ ｐ ｙ ｏ ｆ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｓ ｕ ｓ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ） 。他在 测量 纹层 状泥 质板 岩时发 现 ，平 行板 岩纹层 方 向磁 化 率较 高 ，而 垂 直层 理 时 磁 化率 较低 ，并 称这 种现 象为 磁化 率 各 向异 性 。直 到 Ｇ ｒ ａ ｈ ａ ｍ ． Ｊ ． Ｗ． （ １ ９ ５ ４ ） 提 出用 磁化 率 各 向异性 研 究 岩石组 构 的可 能后才 引起 了人们 的重 视 。他指 出 ，几 乎任何 岩石 都可 观测 到磁各 向异 性 ，这种 各 向异性 比
地质 上岩 组分 析 中所 采用 的标 志要灵 敏得 多 。后来 的研究 表 明 ，未发 生形 变变 质 的沉 积岩 均如 此 ，即磁 化
用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究
华中科技大学硕士学位论文用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究姓名：王帅英申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨晓非20080530华中科技大学硕士学位论文摘要地球磁场作为地球的基本资源之一，与人类生活、生产息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等方面都有着重要的应用。
鉴于地磁场的重要应用价值，人们对地磁场的测量提出了更高的要求和希望。
选择或者设计一种符合地磁测量要求的弱磁传感器是问题的关键。
由于各向异性磁阻传感器具有高灵敏度、高可靠性、良好线性性、低功耗、易于微型化等优点，因而改进或者优化各向异性磁阻传感器的性能使其满足地磁测量的要求具有一定的现实意义。
本文以各向异性磁阻传感器（AMR sensor）作为研究对象，结合地磁测量的相关要求，对各向异性磁阻效应原理以及各向异性磁阻传感器的薄膜制备、器件结构设计、器件制备工艺等方面的内容进行了研究和探讨，主要内容包括以下几个方面：首先，在分析了各向异性磁阻效应原理的基础上，综述了各向异性磁阻材料的研究现状，并结合地磁场的特点，讨论了各向异性磁阻传感器的特性参数以及用于地磁测量的优势和挑战。
其次，在传感器材料方面，本文采用磁控溅射的方法制备了AMR薄膜，分别对膜层结构、薄膜厚度、退火温度等因素进行了研究。
利用NiFeCr或Al2O3作为辅助种子层、退火工艺对薄膜性能进行了优化，分析并讨论了材料本身和工艺方面对实验结果的影响。
实验制备出磁阻曲线光滑且峰值明显的磁阻材料，最大磁阻系数为1.5%。
最后，在器件结构方面，本文分别对惠斯通电桥、barber 电极、置位/复位电流带和偏置电流带等结构的设计思路进行了研究和探讨，然后利用L-edit设计了磁阻单元、惠斯通电桥和置位/复位电流带的掩膜版，讨论并梳理了器件制备的工艺流程。
关键词：地磁场各向异性磁阻传感器坡莫合金（Ni83Fe17）89Cr11 Al2O3华中科技大学硕士学位论文AbstractAs one of the important earth resources, the geomagnetic field is closely linked with the modern production and life. It is needed for many aspects such as the geosciences, aeronautics, astronautics, resource probing, transportation, national defense construction, earthquake prediction and so forth. However all the above mentioned are based on weak magnetic sensors to detect the geomagnetic field which changes with time and space. The anisotropic magnetoresistive sensor (AMR sensor) has the merits of high sensitivity, high reliability, good linearity, low power consumption, easy miniaturization and so on. Therefore, it is very important to improve or optimize the performances of the AMR sensor to satisfy the requirements of geomagnetic measurement. In regard to the requirements to detect the geomagnetic field, the principles, the material and the structures of the anisotropic magnetoresistive sensors were studied in the thesis. The main contents are as follows:Firstly, with the principle of the anisotropic magnetoresistance effect, current research progress of the anisotropic magnetoresistance material was introduced. Then based on the characteristics of geomagnetic field, the pros and cons of the application of AMR sensors in the geomagnetic field measurement were discussed.Secondly, the anisotropic magnetoresistance films (Permalloy films) were prepared with magnetron sputtering method. And their structure, thickness and annealing temperature were studied. The Permalloy films were optimized with NiFeCr or Al2O3 as assisted seed layers and annealing technique. Measurement showed that the magnetoresistance curve of the material was quite smooth, and obvious peaks were found. The best magnetoresistance coefficient (R/ R) of the material reached a maximum of 1.5%.In the last chapter, the structure of the AMR sensor, including the wheatstone bridge, barber pole and current strap was investigated, and the lithography masks were designed with L-edit, also the process for the devices preparation and lithography process were stated.Keywords: Geomagnetic field Anisotropic magnetoresistive sensorPermalloy film （Ni83Fe17）89Cr11Al2O3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
电磁辐射场各向异性的判定
电磁辐射场各向异性的判定
电磁辐射场各向异性是指电磁辐射场分布存在垂直于波面的各种变化规律的散射特性。
它的存在可以帮助我们判断电磁波的方向，也可以进一步分析电磁辐射场的各种形态状况。
电磁辐射场的各向异性判定一般有三种方法：单点测量法、场数据测量法和场数据旋转法。
单点测量法是在任意方向上以固定步距（步长）测量电磁波的分布，根据测试结果映射成图形，在垂直于波面变化规律中判断是否存在各向异性。
场数据测量法是以某一特定方向为准点，测量电磁波分布在每个方向的数据，将测量的数据信号的变化情况做成柱状图，从中看出是否存在各向异性。
场数据旋转法是将在某一特定方向收集的各向异性电磁波的
相位关系，通过运算和计算，求出改变波源的实际方向和虚部，从而得出电磁辐射场是否
存在各向异性的判断结果。
每种判断方法都有它自身优势和弱点，如单点测量法准确性不如场数据测量法和场数据旋转法，但对于复杂电磁场的分析和调试，单点测量法仍有很大用处，可以给出大致的各向异性信息，作为后续深入分析和调试的参考。
场数据测量法比较简便，可以更好地发现并
分析电磁波的各向异性，可以提供准确的结果，但需要测量的数据更多，较为复杂；而场
数据旋转法最根本精确，无需测量数据，但比较耗时间。
因此，判断电磁辐射场是否存在各向异性不仅要看选择什么判断方法，还要看现场测量条件、环境噪声及采样数据精确度等因素的影响。
如果想要准确判断电磁辐射场的各向异性，还需要对现场环境因素、测量场地大小、波源形状等进行详细考虑和深入分析。
各向异性磁阻传感器与磁场测量
图5-10-1磁阻电桥实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。
磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。
其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。
磁阻传感器可用于直接测量磁场，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。
磁阻传感器也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。
磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR ），各向异性磁阻（AMR ），巨磁阻（GMR ），庞磁阻（CMR ）等阶段。
本实验研究AMR 的特性并利用它对磁场进行测量。
【实验目的】1． 了解AMR 的原理并对其特性进行实验研究。
2． 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。
3． 测量地磁场。
【实验原理】各向异性磁阻传感器AMR （Anisotropic Magneto-Resistive sensors ）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。
沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。
易磁化轴是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向，也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列方向。
铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻R max 最大，电流与磁化方向垂直时电阻R min 最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：R = R min ＋(R max －R min )cos2θ （5-10-1）在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图5-10-1所示。
图5-10-1中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。
理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。
各向异性要点
a
B0
H s
H
0
4、 磁畴
即铁磁质中原子磁矩自发高 度有序排列的磁饱和小区。量 子理论指出：铁磁质中相邻原 子由于电子轨道的交叠而产生 一种“交换耦合效应”使原子 磁矩能自发地有序排列，于是 形成坚固的平行排列的大小不 等的自发饱和磁化区。磁畴的 几何线度从微米至毫米、体积 约10-12m3 ，包含1017— 1021个原子。
3、 磁饱和ห้องสมุดไป่ตู้
加上外场后，铁磁质中总是有些磁畴内分子固有磁矩的取向与外场相同或 相近。这些自发磁化方向与外场相同的磁畴的边界在外场的作用下将不断 地蚕食扩大，而那些自发磁化方向与外磁方向不同的磁畴的边界就逐步缩 小，故开始时磁化增长较慢，而后增长很快，直到所有磁畴被外场“同化” 而达磁饱和。
B
B m n m
2、磁垂直磁记录（见图片）
在硬盘中，记录介质是由很多微小的磁粒构成的，磁单元（1bit） 被写入这些磁粒中，每个磁单元大约需要100个磁粒。为了提高 磁盘存储密度，每个磁单元和磁粒本身的体积就要相应地减小。 而当密度增加到一定程度时，只需要很小的能量就可以将其翻转， 甚至当磁粒过小时，它们会因为室温下的热能而自动反转磁路， 也就是说，那些保存在磁盘中的数据将遭到破坏，不能正确地读 出。这就是所谓的“超顺磁效应（Superparamagnetic Effect）”。如果把一个磁单元比作一个小小的骨牌，那么，纵 向记录就是将骨牌（即磁单元）以水平模式存放，因此占用了较 多的空间。而垂直记录技术则是将骨牌直立起来，从而有效地提 升了磁盘表面每平方英寸的磁单元数量，增加了整体的存储容量。 垂直记录技术所带来的重要的技术变革在于介质、磁头和读写电 子器件上，与纵向技术最大的不同在于，垂直技术的磁路垂直于 磁盘表面，而不是位于磁盘表面。
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Hdi=-Ni/0·Isi=-Ni/µ0·IsI
退磁能
Ed
1 2
IsHd
I
2 s
20
N
2
x1
N
y
2 2
N
2
z3
对x方向的细长针形：Nx=0,Ny=Nz=1/2
z
Ed
Is2
40
(22
32 )
Is2
40
(112 )
I
2 s
40
sin2
y
x
单轴各向异性表达式： EA=Kusin2 ,与Ed比较得
此外还有，轧制磁各向异性，光感生磁各向异性， 交换各向异性。
立方晶系
EA
K1
sin2
1 4
K1
K2
sin 2
2
K1
sin4
K2 4
sin2
2
sin6
立方晶系
z Ms(123)
[001]
[110]
x
几个特征方向的各向异性能:
[100]：1=1,2=0, 3=0
EA=0
[110]： 1 0,2 3 1/ 2 EA=K1/4
y
[111]：1 2 3 1/ 3 EA=K1/3+K2/27
磁各向异性
磁性物理
讲解人 ：* 樱
目录
目录 Contents
1 序言 2 磁晶各向异性
3 感生磁各向异性
序言
1 序言
磁各向异性指物质的磁性随方向而变的现 象。主要表现：弱磁体的磁化率及铁磁体的磁 化曲线随磁化方向而变。磁各向异性来源于磁 晶体的各向异性。
自发磁化强度总是处于一个或几个特定方 向，该方向称为易轴。当施加外场时，磁化强 度才能从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向 异性。
K3 sin6 K3 sin6 cos6
Ku2=1.44x105Jm-3
各向异性常数温度依赖性
温度影响
3 感生磁各向异性
磁场退火
无序 完全有序
方向有序
2 .形状各向异性
形状各向异性
样品是非球形，各个方向的退磁场不一样，导致各方向磁
性能量不一样。设样品在x,y,z方向的退磁场系数为Nx , Ny , Nz , 退磁场为
K 1( Ms HdMs - Ms HdMs)
v O[11]
O[1]
∴ Co： K>0
立方晶系磁晶各向异性
立方晶系中，由于高对称性存在很多 等效方向，沿着这些方向磁化时，磁晶 各向异性能的数值相等。从图中看到， 在位于八分之一单位球上的点A1、A2、 B1、B2、C1、C2所表示的方向上，各向异 性能数值均相等。各向异性能可用一个 简单的方法来表示：将各向异性能用含 1,2,3( 方向余弦 )的多项式展开。
Fe: K1=4.72x104Jm-3 K2=-0.075x104Jm-3
Ni: K1=-5.7x103Jm-3 K2=-2.3x103Jm-3
六角晶系磁晶各向异性
六角晶系
z C轴
Is
y
C面
x
y
°
°
° °
°
°
°
°
w
°° °°
x
C面
w
+2/6
EA Ku1 sin2 Ku2 sin4 Co: Ku1=4.53x105Jm-3
磁化功
磁化曲线图
3、磁晶各向异性能
磁晶各向异性
定义：在铁磁体中沿不同方向使磁化强度达到饱
和所需的能量。
特点：在易磁化 轴上，磁晶各向异性能最小；
Ms与磁畴取向一致时最稳定. 4、磁晶各向异性常数（强弱）
K 1( Ms HdMs - Ms HdMs)
v O[111]
O[1]
∴ Fe： K>0， Ni： K<0 对于六角晶系：Ku NhomakorabeaI
2 s
4 0
形状各向异性 对于薄板(xy面)，退磁场系数：Nz=1 ,Nx=Ny=0
Ed
I
2 s
20
32
I
2 s
20
cos2
Ku
I
2 s
20
z y
x
=0 ,垂直x-y面，能量最高； =/2 ,平行x-y 面时能量最低。因而面内磁化是最容易的方向。如 果Is比较小时，垂直和面内退磁能的差也比较小。
2 磁晶各向异性能理论
易轴 难轴
易磁化方向与难磁化方向:
易磁化方向在较弱的H下，磁化就很强甚至饱和。
易磁化轴与难磁化轴： Fe：易轴 [100]，难轴 [111] Ni：易轴 [111]，难轴 [100] Co：易轴 [0001]，难轴 [1010]
2、磁化功——铁磁体磁化时所需要的磁化能
W= Ms HdMs O