磁性工学特論2004-5-6 講師：佐藤勝昭 (東京農工大学工学部教授) 第2回(4/22)の復習前回の復習 • なぜ初磁化状態では磁化がないのか：磁区 • 磁区はなぜできるか：磁極、反磁界、静磁エネルギー磁気異方性交換相互作用 • 磁化のメカニズム：磁壁移動、磁化回転 • 磁区の観察第3回で学ぶこと • 磁区と磁壁の基礎 • 縞状磁区：正負の磁極に分かれ反磁界が隣同士で打ち消す • 環流磁区：磁極が出ないので反磁界がない。 • • • • • 磁区観察の歴史マイクロマグネティクス磁壁：180磁壁、90磁壁磁区観察法磁気記録の基礎(1) 磁区の概念の歴史 • 磁区の考え：Weissが提唱 – P.Weiss: J. Phys. 6, 661 (1907) • バルクハウゼンノイズ： – 巨視的磁化が多くの細かい不連続磁化から成立 – H. Barkhausen: Phys. Z. 20, 401 (1919) マイクロマグネティックス micromagnetics • 自発磁化をもつ強磁性体が有限な形状をもつときに、その内部のスピン分布を第１原理から解く計算手法[W.F.Brown, Jr.; J. Appl. Phys. 11, 160 (1940), Phys. Rev. 58, 736 (1940) ] • 安定なスピン分布は、静磁エネルギーUmag、交換エネルギーUex、磁気異方性エネルギー Ua、磁気弾性エネルギーUelの総和 U=Umag+Uex+Ua+Uel を極小にすることによって与えられる。マイクロマグネティクスによる磁区構造磁極が生じ静磁エネルギーが上がる静磁エネルギーは下がるが交換エネルギーが増加環流磁区縞状磁区磁区と磁区の境界に磁壁エネルギーを貯えている磁区の寸法 • 磁区の単位表面積あたりの静磁エネルギー 1 d    m  2  2  sin n xdx  5.4 10 4 I s2 d   0 n1n d 0 d I s2 d  • 磁壁のエネルギー w   l d • ε=εm+εwを極小にする。 d  3.04 10 3  l Is 180゜磁壁と90゜磁壁 •１８０ﾟ磁壁：その両側で磁化の向きが１８０ﾟ変化している磁壁 •９０ﾟ磁壁：その両側で磁化の向きが９０ﾟ変化している磁壁磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動磁壁と磁壁移動ブロッホ磁壁とネール磁壁薄膜では、ブロッホ磁壁は磁極が生じるのでネール磁壁が一般的磁化回転と保磁力 • 非可逆回転磁化過程  Is ポテンシャルエネルギー＝磁気異方性エネルギー＋静磁エネルギー 0 H E=-Ku cos2(0)+IsH cos 30 20 10 -20 -30 355 325 295 265 235 205 175 145 115 -10 85 0 55 安定な釣り合い不安定な釣り合い 2E/2<0 非可逆回転に移る条件2E/2=0 40 25 2E/2>0 θ • 釣り合いの条件 E/=0 磁化回転と保磁力つづき • これらより、圧力p=IsHc/Kuとして sin2(0)=p sin  ; cos2(0)=p cos  sin20=(1/p2)((4-p2)/3)3/2 • 0=0, /2のときp=2→Hc=2Ku/Is • 0=/4のときp=1→Hc=Ku/Is 磁壁移動と保磁力 • /s=p=2IsHcos 復元力が圧力と釣り合う • Hc=(/s)max/2Iscos  • 磁壁のエネルギー =2{A(K1-(3/2)0cos2(s/l)}1/2  /s=20/l • Hc= 0/Iscos  • 普通の磁性体では=10-5, Is=12[T], cos ～1, 0=109[N/m2]を代入してHc=3104[A/m] 磁区観察法 • • • • • • • • • 粉末図形法(Bitter pattern)、電界研磨法磁気カー効果顕微鏡近接場磁気光学顕微鏡ローレンツ電子顕微鏡スピン偏極電子顕微鏡干渉電子顕微鏡(電子線ホログラフィー) X線磁気光学顕微鏡磁気力顕微鏡（MFM) スピン偏極走査型トンネル顕微鏡(SP-STM) Bitter Pattern 磁気カー効果顕微鏡ファラデー効果を用いた磁区のイメージング CCDカメラ検光子対物レンズ偏光子試料穴あき電磁石光源ファラデー効果で観察した (Gd,Bi)3(Fe,Ga)5O12の磁区 NHK技研玉城氏のご厚意による CCDカメラによる磁気光学イメージング磁性ガーネットの磁区の変化近接場磁気光学顕微鏡フォトダイオード半導体レーザバイモルフアルゴン PEM 試料光ファイバプローブフィルタプローブ先端部レーザ補償子偏光子ロックインアンプダイクロイックミラー信号発生器光電子増倍管 XYZ スキャナ検光子コントロールユニット (SPI 3700) コンピュータ MO-SNOMによる 0.2m マークのトポ像と磁気光学像ラインプロファイルトポ像 MO 像電子線ホログラフィＮＳ連鎖状Fe微粒子 Co単磁区粒子バリウムフェライト単磁区粒子丹司（名大）による X線磁気光学顕微鏡 Fig. 1 Experimental determination of spin and orbital moments in thin Fe-layers via the XMCD effect6). Fig. 3 M-TXM image of a layered Gd/Fe system prepared onto 325nm Polyimid substrate9,10) Fig. 4 Same multilayered Gd/Fe system as Figure 3 prepared on 30nm Si3N4 membranes Fischer(独)による Domain image of MO media observed using XMCD of Fe L3-edge SiN(70nm)/ TbFeCo(50nm)/SiN(20nm)/ Al(30nm)/SiN(20nm) MO 媒体 N. Takagi, H. Ishida, A. Yamaguchi, H. Noguchi, M. Kume, S. Tsunashima, M. Kumazawa, and P. Fischer: Digest Joint MORIS/APDSC2000, Nagoya, October 30-November 2, 2000, WeG-05, p.114. 磁気力顕微鏡(MFM) AFM MFM 磁気力顕微鏡(MFM) AFM MFM