[科普中国]-磁各向异性能

磁各向异性能定义为饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。即，沿铁磁体的难、易磁化轴磁化时所需要的磁化能的大小是不同的，在易磁化方向需要的磁化能最小，而难磁化方向需要的磁化能最大，这种与磁化方向有关的能量称为磁各向异性能。

简介分类

磁各向异性按其起源物理机制可以分成以下几类：

(1) 磁晶各向异性；(2) 形状磁各向异性；(3) 应力磁各向异性；(4) 感生磁各向异性；(5) 交换磁各向异性。

磁各向异性能包括上述五类向异性所对应的各向异性能。

注意事项

上述五类磁各向异性中只有磁晶各向异性是磁性单晶体所固有的，其它类型，在广义上说，都是被感生出来的。然而感生磁各向异性，不包括(2)(3)和(5)类型，而是指下述四种：①磁场热处理感生各向异性；②弹性形变感生各向异性；③生长感生各向异性；④辐照感生各向异性。

性质

磁晶各向异性是描述磁性单晶体的磁各向异性。它反映出结晶体的磁化与结晶轴有关的特性。

形状磁各向异性是反映沿磁体不同方向磁化与磁体几何形状的特性。在磁体内，当磁矩取向一致时，就会在磁体表面产生磁极，形成退磁能。这种退磁能取决于磁体的几何形状。如由细长微粒组成的磁体、磁性薄膜等都有很强的形状磁各向异性。

制备工艺对薄膜垂直磁各向异性能的影响采用射频磁控溅射法制备了 TbCo 非晶垂直磁化膜，并就制备工艺及参数对其磁各向异性能的影响进行了研究。结果表明：磁性层组分、溅射气压、基片偏压以及后退火温度对 TbCo 非晶垂直磁化膜的磁各向异性能都有不同程度的影响。1

多靶磁控溅射TbCo 薄膜的制备是在SPF-430H 多靶磁控溅射系统上采用射频磁控溅射方法进行的。基片为玻璃，溅射时保持基片水冷。溅射用靶分别为 Cr 靶、Co 基复合靶，以及 SiO2 靶。复合靶成分的调节是靠调整Co 靶上所放置的Tb 片数来实现。为了保证 TbCo 薄膜不易氧化和磨损，表面还溅射了一层 SiO2 保护膜。溅射按照 Cr 底层、TbCo 磁性层及 SiO2 保护层的顺序进行。溅射之前系统真空度优于 1.33×10-4 Pa。各层的溅射功率分别为 250、375 和300 W。薄膜内各层的厚度靠溅射时间来控制。样品的后退火是在 GZKT-1 型真空退火炉上进行。1

XRD 分析采用磁控溅射法所制备的TbCo薄膜具有较强的垂直磁各向异性能。采用合适的数学方法可以计算出样品的磁各向异性能，其结果为 Ku =2.85×105 J/m3。

Tb 含量在 22%~38%（at%，下同）之间时，磁各向异性能 Ku 都有较大值，Tb 含量为 30% 左右时，磁各向异性能 Ku 达极大值。Tb 含量过多或过少，其磁各向异性能 Ku 都会下降。由于溅射态的 TbCo 薄膜为非晶相，其垂直各向异性与短程有序度相关，而 Tb 的含量又决定短程有序度，因此 TbCo 磁性层的组分不同，其磁各向异性能也将会不同。

对于 Tb22Co78 薄膜，溅射气压为 1.06 Pa 时，Ku 值为负值，表明此时薄膜的易磁化轴有偏向面内的趋势，溅射气压超过 1.33 Pa 以后，Ku 值也开始缓慢上升。溅射气压低于 0.27 Pa 时，Ku受薄膜组分的影响不大。产生这一现象的原因，可能是由于溅射气压较低时，从靶上溅射下来的原子几乎可以保持初始的动能到达基片，但随着气压的升高，Ar+与从靶上溅射下来的原子碰撞的几率增大，从而影响薄膜原子在基片上的沉积情况，相应地会影响薄膜的微观结构，而薄膜的微观结构将会影响薄膜的磁各向异性。1

对于基片加偏压影响薄膜磁各向异性能 Ku 值的原因，KusudaT 认为基片加偏压会使薄膜内会产生柱状结构，正是这一微观结构的改变，使得稀土—— 过渡金属非晶薄膜磁各向异性能 Ku 值发生显著变化。

从后退火对 TbCo 薄膜磁各向异性能 Ku的影响可看出富Tb 的TbCo 薄膜的热稳定性比富 Co 的 TbCo 薄膜的热稳定性高。后退火影响薄膜磁各向异性能的主要原因为：溅射法制备的稀土——过渡金属薄膜内存在细小的纳米晶粒，而加热会增强原子的热运动，提高原子之间的键合几率，促使纳米晶长大，晶粒长大会导致薄膜内微观结构向长程有序发展，从而改变薄膜的磁各向异性。1

单分子磁体磁各向异性能调控归类方法单分子磁体作为下一代高密度信息存储及处理材料受到极大的关注。该类材料面临的挑战主要是可应用温度（也称阻塞温度，由自旋翻转能垒控制）过低。实验结果表明造成自旋翻转能垒过低的一个原因是量子隧穿效应，但这可以通过对称性加以控制。理论上，严格具有三次轴对称性以上的分子并不存在量子隧穿效应。因此，通过理性的选择配体选择，利用配体的高对称性及位阻效应，把单核配合物的对称性限制在特定的范围，可提高自旋翻转能垒。另外，分子间作用力也是导致量子遂穿的一个重要因素，该因素可以通过稀释磁性离子来调控磁各向异性能。在配位几何调控及磁稀释方面对单核分子磁体磁各向异性能进行了探索，得到了一些具有规律性的初步结果，其中有些化合物产生了较高的磁慢弛豫能垒。2

另外，分子磁体的概念从Kahn提出，已经有20多年的历史。分子磁体从功能上，可以分为很多种，例如：单分子（包括单离子、单链）磁体、磁长程有序磁体（或称经典磁体）、变磁体、自旋玻璃、自旋交叉转换材料以及分子磁制冷剂等。然而，从功能上分类无法区分各种类型的磁结构。从磁性-结构的关系出发，提出了一种基于磁性-结构关系的新的归类方法。理论上，除了一些比较表现出比较复杂磁性的化合物，任何一种单纯磁行为的分子基磁性材料都可以用符号MxUySz来表示。其中M代表材料的整体磁性，U代表构筑该材料的磁基元的磁性，S代表的是结构，而上标x、y、z则分别代表M、U、S的维度。由于磁基元的磁性维度不能超过整体磁性，即x≤ y， 因此总共只有40种基本符号，如Fig。1所示。对于变磁体及多种磁性共存的磁性材料，为了更明确地表示，x则需要拆分成p、q，可以用符号Mp-qUySz或Mp-qUySz来表示。其中，p-q表示由p维度的磁行为变为q维度的磁行为，而p，q则表示p维度磁行为与q维度磁行为共存。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学