金属磁性功能材料研究新进展

摘 要:本综述性论文开始写于1995年,其后每年撰写。本年综述的内容包含:(1)FePt薄膜磁性材料;(2)快淬的Pr-Fe-Co系磁性材料;(3)高饱和磁化强度薄膜磁性材料;(4)纳米磁性材料;(5)稀土磁性铁氧体。

第1卷第4 3期 2006年 8月

金属功能材料 M eal F n t n l ae as tlc ci a M tr l i u o i

4 V l1, No. o. 3 00 A g s, 2 6 u ut

20一 05 04 20年金属磁性功能材料研究新进展李国栋(中国科学院物理研究所，北京 108 ) 000摘要：本综述性论文开始写于 19年， 95其后每年撰写。本年综述的内容包含：1FP薄膜磁性材料；2快淬 ( )et ()

的 P-e o r -系磁性材料；3高饱和磁化强度薄膜磁性材料； ) FC () (纳米磁性材料； ) 4 (稀土磁性铁氧体。 5关健词：薄膜磁性材料；快淬磁性材料；高饱和磁化强度材料；纳米磁性材料；稀土铁氧体中图分类号：G 3 . M 7 T 122; 1文献标识码： 7 2 T A文章编号： 0 - 1220 )4 02 4 1 5 9 (060 - 3 - 0 8 0 0

N w ors o R sac o Meal Mant e P ges eerh r f f tlc g ei i cF n to a M a e i l i 2 0 u cin l tras 0 4一2 0 n 05L G od n I -o g u( stt o P yi, e A ae y c ne, n, 00 i ) I tu f ssC i s cdm o Si c Bi g 108 C n n i e h c h s n f s ei e j 0 ha

A SR C: s m re t s b a tw i i 19 ad be wie iee ya. iy r nis BT A T T ism az h i e n re 95 hs n t n vr e I t s i osto h u id s o t n n a e rt n y r n e t s f e g h a c ()et f m gec ea ()r e o gec ea ()i s u tn gez i m t i; ao 1FP ti i ant m ti; - - m nt m ti; g a ri m ntao a rl 4nn h l n m i a rl 2P F C a i a rl 3h h ao a itn ea () - t m gec ea ad r e a h gec i . ant m t i; () r e t m nt f re i a rl n 5 - r a i e t a r K Y O D: nt ti fm; m geztn t i; m gec t i; - r m gec i E W R Sm gec i h h ntao m ea nn ant

m ea r e a h nt f re a i h l i a i i a rl ao n g - i a rl a e t a i e t r r

1 et FP薄膜磁性材料薄膜磁性材料是当前一类在研究和应用两方面 都很受重视的磁性材料。最近在 FP磁膜材料的 et磁性和微结构方面进行了新的多方面的研究。首先利用直流磁控溅射方法在预热的自然氧化的 S基 i

为 76Am OO )饱和磁化强度 M。为 9k/ ( e lk,50m/ 3晶粒尺寸大约为 1n〕 8e uc, m 2澎’。近年来由于磁记录向高记录密度方向发展，需要高各向异性磁性的高矫顽磁力的磁性材料。曾经用溅射方法研制出超高矫顽磁力高达 4 T的磁性材料，用脉冲激光沉积方法研制出超高矫顽磁力高达 5 T的磁性材料。最近研究了 F含量不同的 FP薄膜的研制方 e et

片上制成多晶 F5 t合金薄膜， eP, 2 4薄膜的厚度控制在1一10m 0 0n。然后把新制成的薄膜掩盖在石英管中，再在不同的温度在真空中退火 1, h并在炉中冷

法和磁性。首先应用含 l m l HP 405 o m o L t,. l/ 2C m/ L O和0l o L 2O的溶液淀积出F-t FS 4 . l N S 4 e m/ a e P膜。再加践S 4 0调节 p H到 30 .。利用镀上 10m 0n厚度 C u的氧化硅薄片作为工作电极，再调节电压，可以得到 F含量为 0- 0%( e -10原子) F-t的 e薄膜。 P

却。在实验中观测到从淀积的软磁面心立方 FP et相转变为硬磁面心四角相的温度在对基片预热和炉中冷却处理后降低到大约 30- 5 r。再经磁性测量、 x射线衍射、扫描电子显微镜的实验观测研究得到下面重要的结果：平面中的矫顽磁力在退火温度从

在所加电压为78 V时可以得到Fs t的薄膜。 8m ePy o。在电积3mn 0 i时可以得到厚约07m的薄膜。在5 . i tX -m a的真空条件下将薄膜在 50 60 70 1 ' br 0 0,0,0,

30 0℃提高到 40时会很快地增大， 0℃但在高于 40 0℃后又会减小。初制成的 FP薄膜为无序的面 et心立方相，但在大约 30 5℃时开始转变为面心四角相；当退火温度高于 50 0℃时，e p元素在薄膜 F和 t

80 0℃退火 1mn 0和90 Oi。再分别测定薄膜的成分、相的形成、微结构、薄膜厚度和磁性。主要的实验研

究结果为：获得良好硬磁性的必要条件； 80在 0℃退

火时可以得到最大的剩余磁性，但是矫顽磁力到退火温度为 90 0℃时还继续增大，矫顽磁力可以达到

中的分布变为非均匀分布。在 40 0℃退火处理后，厚度为 10m的F5 t薄膜在平面中的矫顽磁力 0n eP4 2:

摘 要:本综述性论文开始写于1995年,其后每年撰写。本年综述的内容包含:(1)FePt薄膜磁性材料;(2)快淬的Pr-Fe-Co系磁性材料;(3)高饱和磁化强度薄膜磁性材料;(4)纳米磁性材料;(5)稀土磁性铁氧体。

第 4期

李国栋：04 20年金属磁性功能材料研究新进展 20一 05

04T2 (。 2 )

2快淬的 P-e o r -系磁性材料 FC由于航空和航天等高新技术领域的需要， 高温应用的磁性材料受到重视。目前应用的高温永磁材料主要是 S C -e m-oF系合金。最近研究了内察磁性比较好，饱和磁化强度更高的 P-oF系纳米晶快 r -e C淬磁性合金的结构和磁特性。所用原料为纯度高达

面有着重要的应用。最近研究了一种很高饱和磁化强度的 F C eo薄膜的结构、应力和磁性。所有的薄膜都是利用射频二极管和直流磁控技术淀积的。淀

积基片利用 S S S A0, i A0, C i i i 1,ATC 1,AT// q,/, l/ liA0/i和 ATCA0/ i C, 1, F N e li/ 1,NF r淀积所用的靶 e

材料为F o, 6O 0 eC4利用溅射技术制成一20 m厚的 0m F6 o薄膜。再对研制成的磁膜利用测线仪和 X eC4 o。射线反射仪测量薄膜的厚度，利用卢瑟福( u e Rt r h- f d背散射仪测定 F6 o薄膜的成分， X射 o) r e Co o。利用线衍射和透射电子显微术测定其微结构和纳米结构，利用 T no应力测量系统和 T no测线仪测 ecr ecr量薄膜的应力，利用四点探头测量薄膜的电阻，再利用磁滞回线测量仪、磁光克尔( e ) K r测量系统和振 r动样品磁强计测量磁膜的磁性，又利用 L f d a u磁致 o伸缩测量仪测量薄膜的磁致伸缩。从这些实验测量和科学分析得到的主要研究结果为：得到矫顽磁力与应力，颗粒大小与应力，矫顽磁力与颗粒大小的相关性。虽然观测到单个的薄膜具有从 25 0 . x ' 10

9.%的P, F和 Z, 99 rC, r o e先用电弧炉熔炼成合金铸锭。熔炼前将电弧炉抽真空到 1-P, 0 3然后用高 a

纯A气保护。所炼制的样品成分为：r l二 r P (o一 C F. . r3x 0010203 .) e 6Zo(=,.,.,.和04。将样品熔 )7 .炼4次以保证成分均匀。再将电弧熔炼的铸锭破碎

成 3左右的小块， g再用甩带机甩成条带。所用石英

管的孔径为06-. m甩带前抽真空至1

- a .- 8, 0m 03 P,然后用高纯A气保护。甩带机的最高速度为4m r 0/ s X光衍射方法测定晶体结构和相成分，。用再用振动样品磁强计测量样品的磁性，最高磁场为 10A 5k/ m。实验测量和研究所得到的主要结果为：甩带是

Dn/的压力到 13 0 Dn/ 2 ye时 c . ' ye m张力的宽 x 0 c 1广范围，它们与基片和底层的材料有关，但也观测到

制 P(二e 6Z . x 0010203备 r一F. r3=,.,.,和 Cl )7 o( o . .04的 17 .):亚稳相的有效方法。剩磁、矫顽磁力和磁能积随 F含量的增加而显著提高。而更多的 F e e含量则会导致矫顽磁力和磁能积的下降。由于晶粒尺寸为纳米尺度，晶粒间较强的交换相互作用会导

F6 o合金未受形变的点阵参数和杨氏模量〔。 eCo o。”〕由于超高密度磁记录的发展，需要很高磁通密度 B s的磁性材料作磁记录磁头。为此曾经研究出 N- i F/ oF-/ i e eC -e N-三层膜和 C -e/ i e N F oF- N-二层膜 N F

致剩余磁化强度的增加效应。由于 P-o r基合金的 C非晶形成能力比较弱，用甩带方法难于得到好的硬磁性能所要求的细小而均匀的微结构，而加 F可以 e

等。最近研制和研究了具有高饱和磁通密度 B的，单层磁薄膜材料，采用带有转动盘电极系统的电淀积方法制备 C -e o二元合金薄膜， P制成阳极， F用 t基片是作为电极，它是在玻璃片上溅射的坡莫合金 (0n/ i r5m) 10m) - (n层和直径为 l NC O m的 C箔。 m u利用金属离子的浓度来控制薄膜的成分。再在真空

提高其非晶形成能力，进而改善其微结构(。最近 3 )的研究表明，由于纳米复合永磁材料具有高矫顽磁力、高剩磁和潜在的巨磁能积，因而受到重视。纳米复合永磁材料一般由硬磁相和软磁相组成，其中硬磁相可以提供较大的矫顽磁力，而软磁相则可提供较高的剩磁。最近又研究了加 C O对稀土铁碳硼系

( x 'a中在 20<5 0 P) 1- 5℃和40 0℃的温度进行 l h的退火，退火时加上 3 ./ 50 e的磁场。然 9 A m(0 0 ) 8 k

快淬条带的结构和磁性的影响。材料的成分为Pl r oF7二o十CB(=,,,)利用真空电弧炉 e一Cl二44x, 468, 4。 02熔炼，再用单辊急冷法制成合金快淬带。再利用 X射线和磁强计测量研究了样品的

结构和磁性，主要的研究结果为：材料成分和制造工艺都对快淬条带的磁性有影响。当 x 2带速为 2 s条带的磁=, m/时，

后利用振动样品磁强计测量饱和磁通量 B和矫顽，磁力 H, X射线荧光分析谱仪等分析薄膜的，利用成分。主要的研究结果显示：o e C -合金薄膜的饱 F

性能最佳，剩磁，= 4, J 09T矫顽磁力 1;c r ."H= o09T最大磁能积(H . 1 . Q/3) ., 6 B )= 2 3 m(o 72 4

和磁通密度与体材料相同，但矫顽磁力 H却比体。材料高95/ 10 )但是利用在真空中退火并 5A m(2 e,加外磁场却可以使矫顽磁力 H降低到 67/。 3Am ( e(。 8 ) 0 6 1

4纳米磁性材料各种材料从宏观材料发展到介观材料不但扩大 了科学研究领域，更增加了产业的应用范围。因而是当前一个很受重视的研究课题。纳米材料便是目

3高饱和磁化强度薄膜磁性材料高饱和磁化强度的磁性材料在磁记录的磁头方

摘 要:本综述性论文开始写于1995年,其后每年撰写。本年综述的内容包含:(1)FePt薄膜磁性材料;(2)快淬的Pr-Fe-Co系磁性材料;(3)高饱和磁化强度薄膜磁性材料;(4)纳米磁性材料;(5)稀土磁性铁氧体。

金属功能材料

20 0 6年

前介观材料中一个重要和广阔的部分。而纳米磁性材料便是当前新磁性材料中的一类很受研究和应用界重视的磁性材料。最近从微磁学的角度，新的研究给出了纳米复合永磁材料的理论基础，即晶间交换藕合作用。另一方面的研究根据晶间交换藕合作

用使软磁相被交换硬化，粗略地预计了 10灯/ 3 00 m ( 5 O ) 1 MG e以上的磁能积。过去研究主要集中在 2控制晶粒大小，晶粒尽量向 1n方向减小。但使 0m

用 X射线衍射确定所研制的样品为立方结构的单相。再测定了样品的直流电阻和交流磁化率与温度的关系，并测量和研究了这些样品的电子自旋共振谱。从这些实验测量和分析得到的主要结果为：e F取代 c时会产生金属半导体转变(镇03, o x .)但在 x>03 .后则只有半导体性质。又随着 F参人量的 e

增加，铁磁一顺磁转变温度 T会降低， x 0。从=的20 5K降低到 x .=04时的 16 6 K。在 x .>04的成分，观测到自旋玻璃性能，这是由于无规竞争的交换

是，实验上的磁能积却始终没有突破 20 m 4幼/ 3 (0 G e。尤其是一些科学研究报道化学合成的 3M O )晶粒小于1n 0 m的复合永磁 FP/e t et 3的磁能积也 FP仅有 10 m (0 O )或略为高一些。这些由 6U/ 3 2MG e,实验上制备的纳米复合永磁材料均为各向同性。这样就必须重新考虑硬磁相

结构对磁能积的影响。在新的研究中通过模拟计算，发现各向异性的纳米复

相互作用的窘组引起的，也就是铁磁性的 C3- 0+ C o双交换作用和 C --e F--e o+ oOF和 e F的反铁磁相 O互作用的窘组所引起的。样品的内动力学性质由电

子顺磁共振谱的测量加以说明。还得到了 Lo as . S . f .3 r5 -F 0的电子相图和磁相图。又进一步 oC=e O研究了这一材料窘组效应，为此项研究应用了几种

合永磁材料的磁能积已提高到接近 80 m 0U/3(0MG e。这一研究说明： 10 O )硬磁相的织构是进一步提高磁能积的关键。不过实验上很难实现理想的织构，而多是具有不同的织构度。因此，用微磁学方面的有限元法可以模拟研究硬磁相晶粒织构对永磁性能的影响。已经研究了硬磁相晶粒在不同织构度下，晶粒大小和软磁相含量对剩磁、矫顽力、退磁曲线方形度和磁能积的影响。这些研究结果会对纳米

方法进行测量，如电阻几直流磁化、交流磁化率和电子自旋共振谱。由这些研究得到了LoS . O一 a5 CI二 . 5 r o

F, x 0 06的电子相图和磁相图。) e,= - .)马( (最近还 9研究了LfXr o 30<05的自 a-S. O(<x .)旋动力学和 C磁窘组效应。研究时使用了直流磁化、交流磁化率和电子自旋共振谱的测量研究方法。实验研究结果显示：旋玻璃性能及其转变过程在成分 x .时自<02发生的温度范围为 1 ..6K。对于更强的代换系 46 8统，其特性是增加铁磁性集团。又利用一般的临界

复合永磁材料的研究产生重要的影响。〕 (最近对传 7统的纳米晶永磁材料S (oC,e r的反磁化 m C,uF, ) Z:机制进行了微磁学有限元的研究。这是采用不同温度下的材料参数对磁性材料的磁化和反磁化过程进行模拟，并在此基础上进一步分析其反磁化机制随

慢化标定律分析了自旋玻璃凝固温度 T与频率的 f关系。通过研究还得出了Ll二r 03 a S 00的完全磁一 .相图。又利用电子自旋共振谱的研究得出了所研究样品的内部动力学情况。通过这些多方面的研究结果提供了很多关于这类 0 o系铁氧体磁性材料系统的许多自旋动力学和称为磁窘组现象的重要结

温度变化的关系。研究结果表明：大约以 70 0K为分界，随着温度升高，反磁化机制从钉扎向形核过渡。在室温附近，反磁化过程表现为：首先在晶界相 (:相) 15处形核，由于晶粒相较强的磁

晶各向异但性使之表现出一定程度的钉扎特征；随着温度的升高，晶界相与晶粒相之间的磁晶各向异性场的差别减小，并且晶界逐渐变成非磁性相，反磁化机制也向

果[) 1。 0参考文献： () A K o C C e S e a[ J p Py,04 9 1 Sn C u P hn, l J A l s20,5 u,, C t ) p h . .(1:2 . 4 1 )76

形机转。)核制变( 8

() t r Bce E Shp B e a[ J p Py,049 2Lin K, n cup t J A l s20,5 e e s a k, . l ) p h . .(0:2 - 7 1 76

5稀土磁性铁氧体稀土磁性材料是当前科学研究和实际应用都很 多和很重要的磁性材料。我们国家是稀土资源最丰富的国家，因而稀土磁性材料特别受到重视。最近

(〕 3杜晓波，羽，闻王文全，第 4等.届全国磁性薄膜与纳米磁学会

议论文集[]( C .天津/承德) 0431, 0:3. 2(〕 4刘光娟，杜晓波，荣传兵，第 4等.届全国磁性薄膜与纳米磁学会

议论文集[ )( C .天津/承德)20:5 ., 435 0 ( a' A, t h r KeM, E as g, 44 5V sc V R ns l J i T IE T n Man20,0 ) o a c e O, f E r 0( )2 3 . 4:3 5I () ooh uT, iK, ia e a[) E E as g, 6Y ksi i ma n Hrw T, l J E T n Man i a t .I . r

对钙钦矿型铁氧体 LoS .一F,3 a5 ct二e的磁性进 . 5 ro o, 0行了重要的研究。首先利用固态反应方法制备了

20,04:3 2 04 4 ( )2 3

LoSoCi二e 30<06多晶样品， a5rS一F. (<x .) . . 0 0然后利

(〕 7张宏伟，贺淑丽.荣传兵，第 8等.届全国磁学讨论会论文集【 ) C

摘 要:本综述性论文开始写于1995年,其后每年撰写。本年综述的内容包含:(1)FePt薄膜磁性材料;(2)快淬的Pr-Fe-Co系磁性材料;(3)高饱和磁化强度薄膜磁性材料;(4)纳米磁性材料;(5)稀土磁性铁氧体。

第 4期

李国栋：0 4 20年金属磁性功能材料研究新进展 20一 05 A p P y, 5 (0 ) 8 pl s20, 1A:0 . h 0 9 7 5

( ,053中国.太原)20 .. () 8陈仁杰，张宏伟，荣传兵等， 8第届全国磁学讨论会论文集〔 1 C( ,055中国.太原)20,.

(0N ue V n i N ue X a P u, -og ne

a[] 1) yn K e gyn n cT e n P a, . g a h m, u h hL h t J lJ p P y.20,7 1A:0 . A l s,0 59 (0 )59 p h收稿日期：05 2 2 20 -1 - 9

() n e og Y Sog h, yn n i e a[ J 9 P a T - n, e - oN ue V K e t J h hL u n C g a hm, l ) . .

、公户兮盏夕户弓产 .笋、‘户、公户、公户兮争公户、盏夕户、笋、岁勺护户，,户‘户、习户‘产、、公户‘户洛产奋、

聚乙烯/钢绳纤维复合材料荷兰的D D e与比利时的Bke共同协作开 M ne a S y m ea t r发成功了一种性能优异的复合材料防弹内衣，这种复合材料的内衣。据说采用这种材料制作的双重防护内衣提供了最大可能的保护效果，既能防枪弹又能防刃器，它保持了非常轻的重量又具有很优越防护性和柔软性。(A vne Ma - ( dac d t e

是由D M ne a S D e公司生产的高性能聚乙烯纤维与比利时 y m

的Br e S ek提供的钢丝绳纤维结合在一起制造成功 e at li k r t sn e

rl& Poe e,, 42: ) is r s s 20 1 ()1 a c s ) 06 6 2

镀镍的硅铝合金制造最大型望远镜的反光镜德国的 Fa hf应用光学与精密工程研究所新近报 r no r u e道他们开发成功应用在大型双筒望远镜上的镀镍的硅铝合金反光镜。这种新型反光镜用于大型双筒望远镜上之后，能够提供清楚的星体视野。所用新型硅铝合金具有与镍相匹配的热膨胀系数，而且还比较便宜，具有较高的刚度，使得它容易制造成很稳定的轻型结构。这种大型双筒望远镜是意大利与德国的联合科研项目。这种柱塞型反光镜是由两个辅助反光镜组合成的组装件，每个辅助反光镜的直径约为 2c 0m。由于将跟踪镜头中的两支光束汇合从而进一步提高

T望远镜的观察效果。(A vne Ma rl& Poe e, ( dac d t is ea r ss cs)2 0,6 ( )7 06 14 3:)

高温超导为海军舰艇提供电源由美国海军海洋系统指挥部 ( aa Sa t s - N v e Ss m Cm l y e o m n) ad选定的 N r r Gu m n r公司领导的一个研究 o h p m a C p to r o小组，现已开始设计 4G高温超导发电机， 0W该发电机将为海军水面战

舰提供轻小型无声电源。在设计初始阶段， N r r Gu m n re t s o h p m a Man Ssm与美国超导公司协作将 to r i ye完成高温超导发电机的概念设计，并对各种型式的超导发电机进行调研和评估。美国超导公司将提供商业研究资料，为

发电机概念设计确定电磁参数，研究超导材料，并为发电机提供转子、激磁机和低温系统的概念设计。(A vne Ma ( dac d -

ti&Po ss,, 4: ) ea rl r ee 20 1 () 7 s cs) 06 6 3 2

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