磁区构造.DOC

物理システム工学科３年次「物性工学概論」第回、200.7.20配付資料佐藤勝昭教官（量子機能工学分野教授）専門分野：固体物理学13回スピンエレクトロニクス(3)磁区と磁気記録 強磁性：なぜ自発磁化をもつのか これまで原子が磁気モーメントをもつことを述べた それでは、強磁性体ではなぜ原子の磁気モーメントの向きがそろっているのか。 また、なぜ強磁性体はキュリー温度以上になると磁気秩序を失い、常磁性になるのか。 なぜ原子の磁気モーメントがそろっているのか（１）局在磁性モデル （２）遍歴電子磁性モデル(バンドモデル) 多数(↑)スピンのバンドと少数(↓)スピンのバンドが電子間の直接交換相互作用のために分裂し、熱平衡においてはフェルミエネルギーをそろえるため↓スピンバンドから↑スピンバンドへと電子が移動し、両スピンバンドの占有数に差が生じて強磁性が生じる。 磁気モーメントMは、M=( n↑- n↓)(Bで表される。このため原子あたりの磁気モーメントは非整数となる。 なぜTc以上で自発磁化がなくなるのか 磁気モーメントをバラバラにしようとする熱擾乱の作用が、磁気モーメントをそろえようとする交換相互作用に打ち勝つと、磁気秩序が失われ常磁性になる。 磁気秩序がなくなる温度を、強磁性体ではキュリー温度とよびTCと記述する。反強磁性体ではネール温度とよびTNと記述する。 磁気ヒステリシスはなぜ生じるのか 強磁性体の磁区 反磁界(demagnetization field) 磁気異方性 磁壁移動と磁化回転 保磁力 なぜ初磁化状態では磁化がないのか：反磁界と磁区 磁化が特定の方向を向くとすると、N極からS極に向かって磁力線が生じる。この磁力線は考えている試料の外を通っているだけでなく、磁性体の内部も貫いている。この磁力線を反磁界という。反磁界の向きは、磁化の向きとは反対向きなので、磁化は回転する静磁力を受けて不安定となる。 磁化の方向が逆方向の縞状の磁区と呼ばれる領域に分かれるならば、反磁界がうち消し合って静磁エネルギーが低下して安定する。 反磁界(demagnetization field) 磁性体表面の法線方向の磁化成分をMn とすると、表面には単位面積あたり( = Mnという大きさの磁極(Wb/m2)が生じる。 磁極からはガウスの定理によって全部で( /μ0の磁力線がわき出す。このうち反磁界係数Nを使って定義される磁力線NMは内部に向かっており、残りは外側に向かっている。すなわち磁石の内部では、Mの向きとは逆方向の反磁界が存在する。 反磁界係数N： (近角強磁性体の物理より） Nのx, y, z成分をNx, Ny, Nzとすると、Hdi=-NiMi/(0 (i=x,y,z)と表され、Nx, Ny, Nzの間には、Nx+ Ny+ Nz=1が成立する。 球形：Nx= Ny= Nz=1/3 z方向に無限に長い円柱：Nx= Ny= 1/2、Nz=0 無限に広い薄膜の場合：Nx= Ny= 0、Nz=1となる。 実効磁界Heff=Hex-NM/(0 反磁界と静磁エネルギー 磁化Mが反磁界(HdのもとにおかれるとU=M(Hdだけポテンシャルエネルギーが高くなる。 磁区形成による静磁エネルギーの低下　縞状磁区(stripe domain)の場合 境界条件(((/ (z)z=-0=(/2(0のもとにラプラス方程式を解くと単位表面積あたりの静磁エネルギー(=(2Is2/(2(0) (n (1/n2)∫0d sin n((/d)x  =(2Is2d/(2(0) (n=odd (1/n3)=5.40(104Is2dとなり、 ストライプの幅dが減少すれば、静磁エネルギーはdに比例して減少することが導かれる。 磁気異方性(magnetic anisotropy) 磁性体は半導体と違って形状?寸法?結晶方位とか磁化の方位などによって物性が大きく変化する。 形状磁気異方性:反磁界によるエネルギーの損を最小化する 結晶磁気異方性:磁界を結晶のどの方位に加えるかで磁化曲線が変化する性質 スピン軌道相互作用:電子軌道は結晶軸に結びついているので、磁気的性質と電子軌道との結びつきを通じて、磁性が結晶軸と結びつく。 結晶磁気異方性結晶方位で磁化のしやすさが変わる。 磁化しやすさは、結晶の方位に依存する。 鉄は立方晶であるが、[100]が容易軸、[111]は困難軸 磁区構造 単磁区構造 FIB法で作製したCoCrPt円柱ナノドット(500nm径)三角格子配列パターンのMFM像 CoCrPtは垂直磁気記録媒体材料：磁気異方性が強い ボルテックス(vortex)構造 電子ビームリソグラフィによるシリコン埋め込みパーマロイ円形ナノドット(200nm径)のMFM画