磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构

王薪皓

（上海宝钢磁业有限公司，上海201900）

磁性材料在我们生活的很多层面随处可见，所以今后科学研究的重点应该始终放在强化磁性材料性能方面上来。通过我们对磁性材料进行进一步的了解和分析，就性能来讲分为内禀磁性和技术磁性能，这两种性能与温度、饱和度以及其他因素密切相关。与此同时，磁结构和材料中的晶体结构具有相当密切的联系，其中晶体结构的对称性和它相同，但是通常状况下受到其自身特点的影响对出现新的磁对称性。晶体结构、磁性相互作用、自旋磁矩等都会对磁结构造成不同程度的影响，

而不同的磁性包含不同的类型，存在不同的表现形式，并且能够和晶体结构融合成为种类多样的磁结构。再者，技术磁性能包括剩余磁化强度、矫顽力、最大磁能积、温度系数等内容，材料的内禀磁性控制技术磁性能，还受微观结构的影响。而磁性能的影响因素还包含了材料的尺寸、形状,晶粒大小、晶界、缺陷以及第二相等因素。

随着科学技术的不断发展，在20 世纪出现了重大的科研成果，尤其是量子力学研究结果的问世，消除了大家对以往自然界认知的误解，与此同时也加深了人们对磁性发展的理解。20世纪磁学领域的重大发现就是自发磁化的量子力学理解和磁畴结构的发现。量子力学的理论研究使得人们对微观磁性的探索更加深入。然而，由于磁畴构造具有自身的独特性，受到内禀结构以及微观结构的影响，存在很多复杂的构造，加大了相关人员研究的难度。鉴于它的重要性，相关人员已经展开深入的认识和调研，但是对其探索的层面还是远远不够的，

国内已有的磁畴构造研究成果还尚未深入到实践方面，且对磁结构、磁畴结构和磁性能的探究仍停留在一定的水平。

磁畴结构是铁磁质的重要组成因素，主要用来说明铁磁质的磁化机理。受到排列方式的影响，如果铁磁体产生磁化就具备磁性。虽然磁畴中的原子磁矩各个各的效能，但从方向来讲具有强烈的一致性。磁畴结构从里向外包含多种因素，磁畴的边界、内部构造以及磁畴壁。磁矩由方向连续过渡产生磁畴壁，存在不同的表现类型。磁畴结构类型复杂多样，容易受到外磁场的影响，在方向的影响下存在不一样的大小变化，这就出现了磁矩与外磁场间的正比例增长关系。可见，磁畴构造一定程度上会对磁化和磁退化造成一定的影响，并且会对材料的磁性能造成影响。

1 磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构的尺寸效应

特备是在近些年来，尺寸效应对磁畴结构、磁性能的影响受到国内外许多专家学者的广泛关注。调查发现研究内容主要包括以下几个方面：薄膜中畴的尺寸以及条状畴的宽度随薄膜厚度的平方根而变化; 反点阵膜的磁性能与相同组成的连续薄膜不同;连续薄膜、反点阵列、纳米管/线、纳米盘以及多边形等,调控的因素包括薄膜厚度、颗粒/晶粒大小、盘直径和形状等因素。铁磁/反铁磁双层膜中反铁磁层的精细磁结构决定铁磁层的磁畴结构; 量子点尺寸影响反铁磁畴域的尺寸以及削弱反铁磁相钉扎铁磁相磁化反转的强度; 纳米线的磁畴结构和磁化反转与纳米线的宽度有关; 多边形单元的形状影响涡旋态的形成以及边缘缺陷通过涡旋机制促使磁化翻转; 点阵的形状调控涡旋态的共振激发的频率;盘直径和形状影响涡旋、斯格米子等拓扑自旋组态的形成、手性和动力学行为。

Bolte 等深入分析多畴结构对各种厚度的矩形坡莫合金微结构的磁电阻的影响。通过选取不同厚度的材料进行分析，得出磁电阻受到磁化反转的多方面影响，必须通过控制各种可逆和不可逆的磁化反转来进行具体操控。在此基础上，还借助显微镜对比不同厚度薄膜的磁力效能，进行不断将磁组态间的相变和观察到的磁电阻改变联系起来。

Portmann 等研究发现磁化方向垂直铁薄膜表面的样品在低温的情况体现高对称性相的逆相变效应。在这一前提下必须考虑薄膜的磁化方向，根据其方向的变化调整相关内容。通过仔细分析电子显微镜下的成像内容，受到温度的影响，不同的条纹畴结构会出现不同的表现。如果温度高时条纹畴结构会形成对称性的迷宫结构；如果温度低时，它的表现形式会有极大的不同。一旦温度达到一定高度时会造成磁有序的消失，体现条纹畴结构的低对称性会重新出现。这种情况体现了相变效应的不稳定性和不确定性。但通过调查发现铁薄膜表面的磁畴结构受到温度和厚度的影响大体一致，这样可以将其作为测试体，确定相对应的有效温度。

2 磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构的不足

此次研究除了研究磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构的尺寸效应之外，还对磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构存在的一系列不足之处进行研究。其中也有所发现：在实空间中研究得出金属硅化物中的螺旋自旋序结构及其动态特征; 孔洞的大小能够影响孔洞附近的磁畴结构和畴壁的钉扎强度; 薄膜外延生长过程中交叉位错导致的表面粗糙度影响磁性畴壁蠕变行为;Co/CoO体系中交换偏置起源于反铁磁体内部的由缺陷稳定的磁畴态。

通过测量生长在(In,Al)As 准台阶过渡层和(In,Ga)As 过渡层上的(Ga,Mn)As 层磁场导致的畴壁速度,Kanda 等对两者磁性畴壁蠕变标度公式中的标度指数进行对比。这两种存在不同的数据分析，由此表明磁性结构的蠕变过程受到表面粗糙度的影响和操控，且不属于其内部的控制体而体现在外部生长过程中。生长于(In,Al)As 过渡层反映了一种平坦的运行过程，其畴壁蠕变运动属于随机场无序,而在(In,Ga)As 上的蠕变运动则属于键无规无序。

Song 和Hua 深入探讨了低频交变磁场处理减小低合金钢中的残余应力及其机制原理。通过具体分析可得，在进行磁场处理过程中其相关的焊接平均应力出现较大程度变化，降低幅度大约在25%左右。值得特别注意的是，应力集中区是我降低幅度最大，明显高于初始应力的区域。此外，他们还借助一系列精确度更高的机械设备对其微观结构和磁畴进行观察，观察发现造成应力弛豫的主要原因在于位错更均匀的重新分布造成磁塑形变，其次研究结果显示表面形貌或多或少会通过对磁畴结构产生影响，进而反映到磁处理结果中。

Philip 系统准确地研究了由于特磁性的原因造成磁性相互作用以及这种相互作用对载流子浓度产生的依赖关系，对相关的居里温度和薄膜样品中的磁畴结构有了更加明确且清晰的认识。

3 磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构的晶界和晶粒

现阶段，国内专家学者从宏观角度探讨了晶界和晶粒的形状，退火改变应力和微结构等内容。晶界的结构和晶粒的大小能够从整体上影响磁结构、磁畴结构以及拓扑结构，比如：磁畴壁的穿透能力受到晶界结构的影响；交换偏置受到晶界界面效应的影响；样品中结构和化学变化也会影响到磁畴尺寸、形貌和关联长度的变化，如化学偏析和晶粒形成以及表面和界面粗糙度。

Shin 等对晶界特征以及与其相关的磁畴构型和其他行为进行深入研究和分析，在实践探讨和有效评估的基础上形成一系列结论。在过程中通过采用不同类型的仪器对问题进行研究，主要包含：借助背散射电子衍射和透射电子显微镜进行晶界几何结构进行分析；利用磁光克尔显微镜对不同外磁场强度下晶界处的磁畴结构和磁畴壁运动进行具体研究。通过一系列的研究可知：晶界的几何结构一定程度上能够对磁畴壁的穿透能力造成强大的影响；运用不同的外磁场强度可以使取向钢中有不同特征晶界的区域磁化饱和。一个倾斜的晶界对磁化过程中柳叶刀磁畴穿透晶界具有很大帮助,这也充分证明晶界结构不同，对取向电工钢性能的影响也不同。

小角度中子散射实验证实了纳米尺寸Fe,Co,Ni 颗粒中跨越晶界的磁性关联与晶粒尺寸之间的关系。对于Fe 颗粒,具有与块体畴壁宽度尺度相当的晶粒尺寸时发现最小的磁关联长度,并且其矫顽力有最大值。借助随机形式对相关内容进行说明解释，削弱界面耦合作用，便于在内部形成磁畴结构，反映一定的特性。

O'Grady 等研究了关于5 至15nm 的晶粒多晶薄膜交换偏置的相关情况，同时对反铁磁层与晶体体积的相互关系进行深入分析，对内部的晶粒相关内容进行证实。这一过程包含多项体积以及测量问题，研究难度较大且内容复杂。通过进行一系列的方案设计和实行，大致明确了反铁磁晶粒冻结温度的分布、反铁磁的各向异性常数,理解反铁磁晶粒形成过程和预测它的磁粘滞,借助其相关内容能够有效说明交换偏置与晶粒大小、薄膜厚度的相互关系。在此基础上进行对界面效应的研究，依托具体的三层膜和磁场变化得出界面效应是在界面处存在,独立于反铁磁晶粒的大小。通过不同的实验得出不同的结果，观察到影响磁场性能的团簇，它们处于无序且无相似结构的状态，通过自身特性在低温环境下保证磁场的有序，提升界面自旋的有序性。由此得出对反铁磁体中晶粒行为其他界面效应行为的新认识，不断拓展对交换偏置现象的新理解。

4 结论

通过以上阐述，可以得出如下三个结论：

4.1 全面研究纳米复合稀土永磁材料可以有效避免国内稀土资源的浪费，提高资源利用率。部分学者认为，纳米复合永磁材料所需要的稀土数量较少，且磁性较高。前期准备工作反映了磁性交换耦合效应，一定程度上表明耦合效应能够有效提升磁性能，不断完善和更新目前的相关技术水平，为进行相关研究提供知识储备。此研究结果有利于对各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究，同时也可以避免出现过度使用稀土资源，出现资源短缺的现象。

4.2 由于各种转变材料的大小、长度、厚度以及材质等方面造成磁性的不同，这种做法会在一定程度上阻碍材料的磁畴构造，也会对磁性能造成影响。通过对材料进行研究得出，受到不同材料的粗糙度、直径、孔洞等因素的影响，导致磁畴结构具备不同的性能。除此之外，磁畴结构还会受到材料晶体、晶粒以及晶界的影响。针对性的转变材料的微结构，不断提升对磁性材料、磁畴性能的科学掌控，减少过程中的失误，提升正确率。

4.3 磁性结构、磁畴结构和以及扑磁结构之间存在着十分密切的联系，包含了一些数学和物理知识。从当前情况来看，除专业外人士很少涉及拓扑组态和磁性能的相关知识，导致在很多方面存在知识盲区，由此本文进行拓扑基态或者激发态的形成规律以及动力学行为的深入研究。除此之外，加强对磁畴结构的研具有十分重要的现实意义，最终进一步拓宽拓扑学在新型磁性材料中的广泛运用。