2022-12-05 09:09:03 由 yihong 发表
描述了一种自动矢量振动样品磁力计 (VVSM)，除了标准磁滞回线测量外，它还提供了对总磁化矢量分量的角度依赖性的测量。 这在研究磁性材料的旋转滞后和各向异性方面特别有用。
VVSM 提供了根据扭矩曲线确定各向异性常数的机会。 采用两组传感线圈来测量 M 的分量，从中推导出 MII 平行于施加场 H 的分量和 M⊥ 垂直于 H 的分量。 施加场施加在样品上的扭矩密度为 τ = µo M x H = - µo M⊥H $ k 。 提供了具有面内各向异性的金属颗粒和 CrO2 磁带介质的数据，并与从扭矩磁力计获得的结果进行了比较。
介绍
各向异性是磁性材料 1,2,3 的基本属性。 磁化往往位于某些首选方向，铁磁体的能量包括各向异性项 Ea (θ,φ)，其中角坐标 θ,φ 定义磁化方向。 各向异性可以是固有的，与定义晶体中容易方向的原子尺度相互作用有关（磁晶各向异性），或者它可以与样品在其自身退磁场中的能量（形状各向异性）有关。 磁各向异性是一个非常重要的参数，与技术应用中使用的材料的特性有关，尤其是磁记录介质。
测定各向异性的常用方法是扭矩磁力计，它直接测量外加磁场对未与磁场精确对齐的样品磁化施加的宏观扭矩。尽管扭矩磁力计具有高灵敏度和准确度的优势，但它们不适合测量其他感兴趣的磁参数，例如磁滞回线、剩磁曲线等。使用普通振动样品磁力计（其用于测量样品不同方向的磁化曲线）仅测量 MII，磁化的平行分量）是研究各向异性场的一种间接方法。在这里，我们提出了一种矢量磁力计，它能够测量垂直于施加场的磁化分量。该组件与宏观扭矩 4、5、6、7、8 直接相关，因此 VVSM 提供的信息与扭矩磁力计提供的信息基本相同。此外，VVSM 在测量磁化强度、磁化率、磁滞和剩磁方面具有普通 VSM 的所有优势9。
理论：来自矢量磁化数据的各向异性常数
各向异性的获得方式与扭矩磁力测量法非常相似，区别在于不是直接测量扭矩，即乘积 HM⊥，而是从测量的分量 Mx 和 My 中获得横向磁化强度 M⊥ 和纵向磁化强度 MII 由矢量磁力计线圈。 这些实验量与扭矩和各向异性常数有关。 形式主义如下。
系统的能量由各向异性和磁势能的总和给出，
在单轴对称的情况下，我们有，
其中θ为M与样品易磁化方向的夹角，Ko为常数且与角度无关。 势能由 - µo M•H 给出，因此
其中 ψ 是 H 与易磁化方向之间的夹角（见图 1）。 如果 K2 << K1
在平衡状态下，总能量最小化，这要求 dET/dθ = 0，因此
左边的表达式是晶体对磁化M施加的力矩τ = -dEa/dθ，右边的表达式是外加磁场对M施加的力矩。 由于 Msin(ψ - θ) = M⊥，横向磁化强度，
当 M⊥ 为最大值时，sin(2θ) = 1。因此
因此，测量 M⊥ 作为角度 ψ 的函数可以确定各向异性常数 K1 和扭矩 τ。 在使用电阻电磁铁产生场的 VSM 中，通过相对于方向固定的磁场旋转样品来改变角度 ψ。
提取 K1 值和 K2 值的另一种方法是将扭矩曲线拟合为傅里叶级数。 然后使用扭矩曲线中的所有数据来计算各向异性，而不仅仅是峰值。
保持能量对 sin4 θ 的排序，扭矩为：
K1 和 K2 都可以通过将扭矩曲线拟合到该函数的最小二乘法来提取。 如果 2θ 和 4θ 的傅立叶分量的大小分别为 τ2θ 和 τ4θ，则 K2 = -τ4θ/2，K1 = τ2θ -K2。 如果我们只保留对能量中的 sin2 θ 进行排序的项，则 K1 = τ2θ。
图 1：EM 矢量 VSM 的示意顶视图
实验性的
电磁矢量 VSM (EM-VVSM) 的示意图如图 1 所示，其中不同的角度定义了磁化方向和施加场。一对感测线圈平行于施加的场并感测与场 MII = Mx 纵向的磁化分量。第二组线圈与施加的磁场成直角安装，并感测横向于磁场 M⊥ = My 的磁化分量。因此，VVSM 是双轴 VSM，可用于测量 xy 平面中的各向异性。尽管在本讨论中没有考虑，但注意也可以使用第三组线圈来测量 Mz。在磁化是真正的 3 维矢量的情况下，例如，垂直记录介质、具有从薄膜平面倾斜的各向异性的倾斜沉积磁带等，三轴 VSM 提供类似的各向异性确定。通过连接到 VSM 头的计算机控制电机实现 xy 平面中的样品旋转 ψ。 Mx 和 My 作为 (Hx, ψ) 的函数同时记录在 EM-VVSM 中的完全计算机控制下。
结果
记录了铁金属颗粒 (MP) 胶带样本和 CrO2 胶带样本的数据。 胶带面积为 0.317 cm2，胶带厚度分别为 0.69 µm 和 0.55 µm。 Mx 和 My 都被记录为磁场 Hx 的函数，以及 EM-VVSM 中角度 ψ 的函数。 还使用传统的扭矩磁力计测量了 CrO2 胶带。
图 2 和图 3 说明了 EM-VVSM 测量的结果，并显示了 x 轴和 y 轴线圈的响应作为磁场的函数，施加场的各种角度 ψ 相对于样品的初始任意方向 ψo 分别为铁颗粒和 CrO2 带的易轴。 Mx (Hx) 响应是通常在单轴 VSM 中测量的经典磁滞回线。
图 2a：MP 磁带样本的 Mx(Hx)
图 2b：MP 磁带样本的 My(Hx)
图 3a：CrO2 胶带样品的 Mx (Hx)
图 3b：CrO2 胶带样品的 My(Hx)
图 4 显示了在 5 kOe 的场强下记录的 x 和 y 力矩作为 0° 到 360° 角度的函数，如在 EM-VVSM 上记录的 MP 磁带样本。 当易磁化轴与磁场方向对齐时，my 值变为零。 在剩磁时，当易轴与 x 轴线圈对齐时，my = 0 且 mx = 最大值，或者当易轴与 y 轴线圈对齐时，my = 最大值且 mx = 0。 因此，使用矢量 VSM 技术可以自动确定易轴。
图 4：MP 磁带样本在 5 kOe 时的 mx(ψo+ψ) 和 my (ψo +ψ)
应用等式 3，K1 = MyH = myH/V 在 my 的最大值处。 或者，扭矩（以达因-厘米为单位）τ= m x H = myHxk，因此可以类似地导出 τ(θ)。 根据图 4 所示的数据，ME 带的各向异性常数为：K1 = 1.27 × 106 ergs cm-3。 根据为 CrO2 样品记录的类似数据，K1 = 0.91 × 106 ergs cm-3。 图 5 显示了 MP 和 CrO2 胶带的扭矩的角度依赖性。
图 5：根据 EM-VVSM 数据确定的 MP 和 CrO2 磁带的 τ(θ)（达因-厘米）
为了检查从 EM-VVSM 数据得出的各向异性的有效性，还在标准扭矩磁力计中测量了 CrO2 胶带样品。 图 6 显示了 EM 和扭矩磁力计的合成扭矩密度 (dyne cm-2) 曲线。 根据这些数据确定的各向异性常数为：
这些数据符合百分之几的水平，从而验证了向量 VSM 各向异性的确定。 为了获得各向异性常数的可靠值，尤其是 K2，重要的是使用足以使样品饱和的应用场。 一个好的 K2 值至少需要这些测量中使用的 5.5 kOe 场的两倍。
图 6：根据 EM 矢量 VSM 和扭矩磁力计确定的 CrO2 磁带的扭矩密度与角度
概括
本文讨论了使用双轴 VSM 的矢量测量来评估金属颗粒和氧化铬带样品的各向异性磁行为，这些样品由于针状颗粒的排列而表现出单轴面内各向异性。 除了测量磁滞回线外，VVSM 还可用于测量各向异性和转矩曲线。 已经表明，VVSM 产生的结果与使用经典扭矩磁力计测量的曲线非常一致。 虽然这里的讨论仅限于二维处理，但可以使用三轴 VSM 扩展到三维各向异性，例如在具有各向异性倾斜出薄膜平面和垂直磁介质的倾斜沉积薄膜中。
