应力作用下铁磁薄膜单元的微磁学研究

论文摘要

近年来,随着计算机计算能力的飞速发展,利用微磁学模拟方法来研究铁磁材料特别是铁磁薄膜材料已经成为磁学研究领域的重要手段。通过微磁学模拟,能反映铁磁材料内部的磁矩分布、磁畴的反转以及畴壁的位移情况,从而获得铁磁材料宏观性质和微观结构参数之间的关系。本文详细分析了微磁学模型中包含的各种能量,包括外磁场能、交换能、退磁场能、磁各向异性能,同时还将磁应力能纳入到总自由能中。采用了有限差分方法获得了各项能量离散化后的计算表达式。为了减少计算量,本文还采用了快速傅立叶变换方法构建了退磁场的FFT算法。本文分别构建了基于能量最小化的共轭梯度算法,以及基于求解LLG方程的欧拉算法,在此基础上,在VC++环境下开发了微磁学模拟计算代码。最后,利用编写的微磁学模拟程序研究了在不同应力作用下,大小为200nm×200nm×5nm的铁磁薄膜单元随外场改变的磁特性的变化规律及其磁畴的反转情况。计算结果表明:磁滞回线的形状和矫顽力、剩磁随着外加应力的变化呈现出一定的变化规律;随着与外磁场平行的张应力增加,矫顽力和剩磁增加;随着压应力增加,矫顽力和剩磁则降低,铁磁薄膜的磁特性随应力的变化是由于应力诱导的磁各向异性所致;张应力和压应力作用下的畴转模式相似,都是先从薄膜单元的四个角开始形成反磁化核,随着反向磁场的增大,形成了“C”态的磁畴结构,最后完成畴转过程。和张应力相比,压应力作用下,在较低的磁场作用下就可完成畴转。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 微磁学计算的国内外研究现状
• 1.2.1 微磁学计算在磁性材料中的应用
• 1.2.2 微磁学计算方法的研究
• 1.2.3 微磁学计算的发展趋势
• 1.3 选题依据及研究内容
• 1.3.1 选题依据
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 微磁学基本理论
• 2.1 微磁学概述
• 2.2 微磁学基本能量公式
• 2.3 布朗静态方程
• 2.4 磁化强度运动方程
• 2.5 微磁学模拟的基本原理
• 第三章 数值微磁学计算方法及程序实现
• 3.1 计算方法及模型
• 3.1.1 有限差分思想
• 3.1.2 能量的有限差分表达式
• 3.1.3 快速傅立叶变换方法计算退磁场
• 3.1.4 有限差分形式下的等效场
• 3.2 能量最小化方法求解微磁学方程
• 3.2.1 共轭梯度方法
• 3.2.2 重新开始的共轭梯度法
• 3.3 求解磁化强度运动方程
• 3.3.1 欧拉方法
• 3.3.2 龙格-库塔方法
• 3.4 微磁学算法流程
• 3.5 程序结构及模拟流程
• 3.6 小结
• 第四章 应力作用下铁磁薄膜单元的微磁学模拟
• 4.1 计算方法和计算参数
• 4.2 应力对磁滞回线的影响
• 4.3 应力对矫顽力和剩磁的影响
• 4.4 应力作用下磁畴反转过程
• 4.5 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间取得的研究成果