楊麗麗 張敏剛 趙毅朝 張佳

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

納米復(fù)合永磁薄膜的微磁學(xué)模擬★

楊麗麗 張敏剛 趙毅朝 張佳

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

介紹了微磁學(xué)理論的基本原理、計算機(jī)模擬的層次，最后簡述了微磁學(xué)計算機(jī)模擬的常用方法及其在納米復(fù)合永磁材料研究中應(yīng)用的現(xiàn)狀。

微磁學(xué)納米復(fù)合永磁材料計算機(jī)模擬

納米復(fù)合永磁材料作為新型永磁材料，其磁硬化的主要機(jī)制是納米晶粒間存在交換耦合相互作用，從而使容易產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)的軟磁相受到硬磁性相制約，并產(chǎn)生剩磁增強(qiáng)效應(yīng)。為了弄清這種類型永磁材料的磁化過程和研究納米永磁材料晶粒之間交換耦合相互作用及其對各向異性和宏觀磁性能的影響，許多研究者采用微磁學(xué)模擬計算的方法研究其變化規(guī)律。通過微磁學(xué)模擬能揭示磁性材料內(nèi)部的磁矩分布和疇壁的演化情況，從而反映出成核和磁反轉(zhuǎn)的機(jī)理，同時得到材料的宏觀磁性質(zhì)和相關(guān)物理量。微磁學(xué)模擬可以任意構(gòu)建實驗條件并能調(diào)整材料參數(shù)，它除了可以模擬出材料的磁滯回線，從中得到剩磁和矯頑力等外，還能模擬任意磁場下磁化矢量的精確分布。這是目前實驗條件下不能辦到的。微磁學(xué)模擬已經(jīng)在磁性納米點、納米線、單層膜及多層膜的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，并收到了極好的效果［1-6］。

1 微磁學(xué)理論的發(fā)展

微磁學(xué)的基本思想起源于1935年Landau-Lifshitz關(guān)于兩個反方向磁疇間疇壁結(jié)構(gòu)的論文［7］。微磁學(xué)的命名和作為一種理論體系，則是由Brown［8］在1963年對微磁學(xué)的基本理論進(jìn)行了詳細(xì)闡述完成的。隨后很長一段時間內(nèi)，微磁學(xué)并沒有引起人們足夠的重視，直到1980年代中期，計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展給微磁學(xué)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)［9,10］，進(jìn)而將微磁學(xué)理論與數(shù)值計算結(jié)合形成了微磁學(xué)模擬。

2 微磁學(xué)計算機(jī)模擬的層次

對于一個磁學(xué)問題，按照模擬精度由低到高的原則，可以從四種不同的層次給予研究。

（1）宏觀磁場層次。以M-H曲線為基礎(chǔ)，以磁路計算為主要內(nèi)容。

（2）磁疇層次。以磁疇理論為基礎(chǔ)，研究磁疇與疇壁在磁化過程中的變化。

（3）微磁學(xué)層次。以自發(fā)磁化強(qiáng)度為出發(fā)點，認(rèn)為磁化強(qiáng)度在磁性材料中是位置的連續(xù)函數(shù)。通過求解能量方程，研究磁性材料的磁化行為。對磁疇及疇壁無需特別假設(shè)，僅作為微磁學(xué)理論的自然結(jié)果，不作為理論基礎(chǔ)。

（4）原子理論層次。從原子理論的基礎(chǔ)出發(fā)，由晶格上各原子的自旋組態(tài)引出自旋波等概念，然后應(yīng)用量子力學(xué)方法和統(tǒng)計理論進(jìn)行計算，是模擬精度最高的層次。

3 微磁學(xué)的基本理論

微磁學(xué)是一個連續(xù)介質(zhì)近似模型，它認(rèn)為除居里溫度附近外，鐵磁材料的飽和磁化強(qiáng)度矢量的絕對值|Ms|是一個常量，不隨外場和在磁體中的位置變化而改變。微磁學(xué)理論是關(guān)于磁性材料的磁化狀態(tài)和磁化反轉(zhuǎn)過程的理論，它的研究尺度介于磁疇寬度和晶格常數(shù)之間。在這種尺度下，可以將原子磁矩用連續(xù)的空間函數(shù)來表示，同時，這種尺度對于揭示磁疇之間的過渡又是足夠小的。微磁學(xué)理論放棄了磁疇和疇壁的假設(shè)，磁疇和疇壁不再是理論的假設(shè)，而是理論的結(jié)果，因此，微磁學(xué)比磁疇理論進(jìn)了一步。由Gibbs自由能相對于磁化強(qiáng)度矢量取極小值的條件，就可以確定磁體的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

微磁學(xué)理論的主要假設(shè)是：在給定溫度下，磁化強(qiáng)度矢量是位置和時間的連續(xù)函數(shù)，大小保持不變，通過磁化強(qiáng)度矢量的轉(zhuǎn)動，達(dá)到能量極小化的目的。

4 理論研究現(xiàn)狀

作為微磁學(xué)模擬的重要內(nèi)容，計算方法與數(shù)值分析得到了廣泛重視。有關(guān)納米晶雙相交換耦合永磁體的理論研究目前大體上采用了兩種方法［5］：一種是由Schrefl等人發(fā)展起來的微磁學(xué)數(shù)值方法,另一種方法是由Skomski和Coey發(fā)展起來的微磁學(xué)解析方法。將微磁學(xué)區(qū)分為解析微磁學(xué)和數(shù)值微磁學(xué)兩個部分的做法是人為的，在大多數(shù)情況下解析和數(shù)值微磁學(xué)之間并無實質(zhì)性的差別，而在求解很多物理問題時往往是混合使用兩種方法。

4.1 微磁學(xué)數(shù)值法計算模擬

有關(guān)納米晶雙相交換耦合永磁體的理論研究，常用的微磁學(xué)數(shù)值計算方法有有限元法［12-14］和有限差分方法［15］。二者最明顯的區(qū)別是劃分網(wǎng)格的形狀不同。有限元法中的網(wǎng)格多為四面體，且網(wǎng)格的大小可以不同；有限差分方法中的網(wǎng)格為立方體，網(wǎng)格的大小通常是相同的。對于形狀不規(guī)則的磁體，有限元法能更好的擬和樣品的形狀，但有限差分方法具有原胞的位置很容易算出、算法表達(dá)和運算形式簡單以及有較高的計算效率等優(yōu)點，所以對于形狀規(guī)則的樣品，有限差分法更具優(yōu)越性。

Fischer等的研究［16-20］采用傳統(tǒng)的微磁學(xué)理論，建立了二維模型和三維模型，利用小于晶粒尺寸的細(xì)小網(wǎng)格來表示集合的磁化分布，最終使用有限元和有限差分方法求解關(guān)于交換能、磁晶各向異性能以及外磁場能的微磁學(xué)方程。研究采用的三維模型通常是由35個(或64個)規(guī)則或不規(guī)則的晶粒組成的立方體，晶粒的易磁化軸隨機(jī)取向。Fischer將模擬計算結(jié)果與Manaf的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較［18］，發(fā)現(xiàn)剩磁結(jié)果非常接近,吻合較好，但矯頑力的結(jié)果符合的不是很好。這種模型存在的主要問題是計算量太大，因而限制了模型包含的晶粒數(shù)。包含小數(shù)量晶粒的模型磁體的統(tǒng)計波動性會導(dǎo)致模擬結(jié)果中磁性能的較大波動，進(jìn)而導(dǎo)致矯頑力的計算值與實際值存在較大差異。

張宏偉，榮傳兵等人［21］根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)造了接近實際納米晶永磁Pr2Fe14B的樣品，用微磁學(xué)有限元法進(jìn)行了模擬計算。計算結(jié)果表明，晶界處各向異性的下降會導(dǎo)致矯頑力減小、剩磁值增大，而晶界處交換作用常數(shù)的減小則會使剩磁值減小、矯頑力增大。通過對實驗樣品的模擬研究發(fā)現(xiàn)，晶界處各向異性和交換作用常數(shù)的共同減小能夠同時擬合出真實的矯頑力和剩磁值。同時，模擬計算與實驗在退磁曲線形狀上的差距則說明模擬還存在不足。

金漢民等［22,23］運用微磁學(xué)有限元法研究了納米晶NdFeB永磁材料的跨晶界交換作用與晶粒大小的關(guān)系以及晶粒形狀對計算納米晶NdFeB永磁材料退磁曲線的影響。研究結(jié)果表明，跨晶界單位面積交換作用隨晶粒尺寸的增加而減小，晶粒形狀對退磁曲線的計算影響較小。

劉正方等［5］以微磁學(xué)理論為基礎(chǔ)，基于有限差分的思想，采用三維動力學(xué)模型研究了交換耦合硬/軟磁雙層膜體系的反磁化機(jī)制。研究結(jié)果表明，在三維模型下，隨著軟磁層厚度的改變，體系的反磁化過程表現(xiàn)出了非常豐富的形式；硬磁層主要是通過形核的疇壁移動來實現(xiàn)其反磁化過程的，且硬磁層的磁化反轉(zhuǎn)形式不僅與軟磁層的尺寸密切相關(guān)而且與硬磁層的厚度也有一定的關(guān)系。

4.2 微磁學(xué)解析法計算模擬

1993年Skomski和Coey［24-26］提出了取向的各向異性模型，基體相是硬磁相2∶17型稀土鐵氮化物，軟磁相α-Fe是納米級的球狀顆粒，高度彌散地分布于基體相內(nèi)。應(yīng)用微磁學(xué)解析方法計算這種模型的磁化與反磁化過程和它的磁參量。計算表明，若將Sm2Fel7N3和α-Fe制成納米晶復(fù)合磁體，其磁能積可達(dá)到(BH)max=880kJ/m3。如果將Sm2Fel7N3和Fe65Co35做成復(fù)合多層膜，當(dāng)硬磁相的體積百分?jǐn)?shù)僅為9%時，并使Fe65Co35厚度等于硬磁相的疇壁寬度，則這種納米晶復(fù)合多層膜的最大磁能積可達(dá)1090kJ/m3，這就是所謂的“兆焦耳磁體”。

楊仕清等［11］將改進(jìn)的微磁學(xué)解析方法推廣應(yīng)用于納米晶雙相交換耦合磁體，從微磁學(xué)理論出發(fā)，利用能量變分原理導(dǎo)出了其磁化強(qiáng)度矢量滿足的Brown方程。該方程類似于量子力學(xué)中的定態(tài)Schrodinger方程，利用中心場問題的求解方法推導(dǎo)了取向雙相交換耦合永磁體的成核場隨硬磁相晶粒尺寸的變化關(guān)系。數(shù)值計算結(jié)果表明，當(dāng)兩相晶粒尺寸小于某一臨界尺寸時，可獲得磁性能優(yōu)異的納米晶雙相交換耦合永磁體。所得結(jié)果可用于解釋實驗結(jié)果和指導(dǎo)巨磁能積納米晶永磁體的制備。

5 結(jié)語

計算機(jī)模擬對于理論的發(fā)展有重要的意義，在許多情況下，用計算機(jī)模擬比進(jìn)行真實的實驗要快、要省，因此可根據(jù)計算機(jī)模擬結(jié)果預(yù)測有希望的實驗方案，以提高實驗效果。微磁學(xué)計算機(jī)模擬可以使人們在原子尺度上了解材料的磁性，在微觀與宏觀之間建立起重要的聯(lián)系。它們?yōu)楝F(xiàn)實模型和實驗室中無法實現(xiàn)的探索模型作詳細(xì)的預(yù)測而提供方法，為納米晶復(fù)合永磁體的微結(jié)構(gòu)與新的制備工藝的設(shè)計提出一些有益的思路。

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（編輯：苗運平）

M icromagnetic Simulation of Nanocom posite Permanent Films

YANG Lili ZHANG M ingang ZHAO Yichao ZHANG Jia
（Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China）

The basic principle of micromagnetic theory and the stage of computer simulation are introduced.At the same time,the basicmethods in micromagnetic computer simulation are applied in the study of nanocomposite permanentmagnets.

micromagnetic theory，nanocomposite permanentmagnetmaterial，computer simulation

book=44,ebook=77

O 484.4+3

A

2010-03-03

山西省自然科學(xué)基金（2008011042-2）

楊麗麗（1978-），女，現(xiàn)在太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院讀碩士研究生，研究方向為磁性薄膜材料。Tel：0351-8560790，E-mail：mgzhang@163.com

1672-1152（2010）02-0005-03