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基于深度学习的电工钢片磁畴磁化过程预测与特征量提取

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电工技术学报 2023年第9期38卷 2289-2298页

作者：吴鑫张艳丽王振李梦星姜伟沈阳工业大学教育部特种电机与高压电器重点实验室沈阳110870

高效电工产品的研发离不开对低损耗高品质电工钢磁特性的准确表征,而电工钢磁畴结构及其动态磁化特征量的提取是实现从介观磁化机理到宏观特性模拟的桥梁。该文利用磁光克尔显微镜对外加磁场下取向电工钢片磁畴结构的动态演变过程进行... 详细信息

高效电工产品的研发离不开对低损耗高品质电工钢磁特性的准确表征,而电工钢磁畴结构及其动态磁化特征量的提取是实现从介观磁化机理到宏观特性模拟的桥梁。该文利用磁光克尔显微镜对外加磁场下取向电工钢片磁畴结构的动态演变过程进行了观测和研究。首先在不同方向的外加磁场下,获取了磁场由饱和到零再到反向饱和的磁化过程中电工钢磁畴结构动态演变的图像信息,分析了磁畴重组、湮灭、成核的过程;其次为了获取足够多的可以表征电工钢片磁化特征的磁畴图像信息,对比研究了基于深度学习理论的两种神经网络——基于卷积神经单元的长短期记忆神经网络(ConvLSTM)和基于卷积神经单元的门控循环单元(ConvGRU)对磁畴动态演变图像的预测;最后在此基础上,提出了以磁畴面积作为特征参量表征样片动态磁化过程及磁畴状态的方法。结果表明,所提取的特征量能够有效地表征样片的磁化程度及其内部磁畴的演变过程,为进一步实现基于磁畴磁化机理的宏观磁滞模型奠定基础。

关键词：电工钢片磁畴深度学习磁光克尔显微镜

晶界扩散磁体性能及热场环境下磁畴演变规律的研究

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中国稀土学报 2023年第4期41卷 736-741,I0003页

作者：王春国丁勇孙颖莉刘雷沈鑫腾董创辉赵江涛王朝中闫阿儒中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201

采用Tb4O7作为扩散源对N50磁体进行晶界扩散处理,平行于取向的面扩散后磁体的H_(cj)增加了8.83 kOe,达到22.74 kOe,垂直于取向的面扩散后磁体的H_(cj)增加了8.86 kOe,达到22.77 kOe。通过对磁体的不同位置的H_(cj)进行分析,在距表层500~... 详细信息

采用Tb4O7作为扩散源对N50磁体进行晶界扩散处理,平行于取向的面扩散后磁体的H_(cj)增加了8.83 kOe,达到22.74 kOe,垂直于取向的面扩散后磁体的H_(cj)增加了8.86 kOe,达到22.77 kOe。通过对磁体的不同位置的H_(cj)进行分析,在距表层500~750μm处获得最大H_(cj)为26.77kOe。对磁体的Tb,Nd和O元素的分布进行分析,发现在表层有较高的O富集,进一步分析发现磁体中的O含量对磁体的微观结构,磁体性能和热稳定性产生了影响,得出控制磁体的O含量是取得晶界扩散良好效果的关键因素。

关键词：晶界扩散 NdFeB Tb_(4)O_(7) 磁畴

晶格失配应力对单晶(BiTm)_3(GaFe)_5O_(12)膜磁畴结构的影响

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物理学报 2018年第11期67卷 212-219页

作者：郝俊祥杨青慧张怀武文岐业白飞明钟智勇贾利军马博吴玉娟电子科技大学微电子与固体电子学院成都610054

利用液相外延工艺在钆镓石榴石衬底上制得了单晶(BiTm)_3(GaFe)_5O_(12)膜,研究了晶格失配应力对其磁畴结构的影响.研究发现,生长速率越快,膜的晶格常数越大;晶格失配应力可以在一定范围内调整膜的垂直各向异性;随着晶格失配应力由较大... 详细信息

利用液相外延工艺在钆镓石榴石衬底上制得了单晶(BiTm)_3(GaFe)_5O_(12)膜,研究了晶格失配应力对其磁畴结构的影响.研究发现,生长速率越快,膜的晶格常数越大;晶格失配应力可以在一定范围内调整膜的垂直各向异性;随着晶格失配应力由较大张应力逐渐转变为较大压应力,磁畴形状先由磁泡畴转变成迷宫畴,然后转变为过渡态部分弯曲的条状畴,最终转变为整齐排列的条状畴;失配应力同时对畴宽也有影响,膜受到的失配应力越大,畴宽越大.这一实验研究对基于控制晶格失配应力来调控单晶膜的各向异性和磁畴结构有指导意义.

关键词：晶格失配应力磁畴液相外延单轴各向异性

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透射电镜差分相位分析技术磁畴研究

中国材料进展 2021年第11期40卷 851-860页

作者：汤进吴耀东熊奕敏田明亮杜海峰中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心极端条件凝聚态物理安徽省重点实验室安徽合肥230031 合肥师范学院物理与材料工程学院安徽合肥230061

透射电子显微镜具有高空间磁分辨率和易集成的多场调控等特点,成为当下纳米尺度下先进磁结构观测的主要手段之一。首先介绍和比较了透射电镜磁表征的3种模式:洛伦茨模式、电子全息模式和差分相位分析模式,然后详细综述了差分相位分析技... 详细信息

透射电子显微镜具有高空间磁分辨率和易集成的多场调控等特点,成为当下纳米尺度下先进磁结构观测的主要手段之一。首先介绍和比较了透射电镜磁表征的3种模式:洛伦茨模式、电子全息模式和差分相位分析模式,然后详细综述了差分相位分析技术表征一类中心对称晶体Fe_(3)Sn_(2)材料中新型磁畴结构的研究进展。在该研究中,首先结合差分相位分析技术和三维微磁学模拟,阐释了中心对称材料中复杂“多拓扑态”磁畴起源于磁结构的三维特性,随后基于该材料温度诱导自旋重取向内禀物性,在Fe_(3)Sn_(2)受限纳米盘中,利用差分相位分析技术发现了一类全新的涡旋状磁结构“靶磁泡”,研究了其磁场演化行为,最后提出了斯格明子-磁泡基存储器的概念,并实现了磁场和电流高度可控斯格明子-磁泡拓扑磁转变。差分相位分析技术揭示的中心对称磁性材料纳米结构中的新颖磁畴及丰富的电流驱动动力学,有望促进未来基于新型磁畴结构的拓扑相关自旋电子学器件的开发。

关键词：透射电子显微镜差分相位分析磁畴斯格明子-磁泡中心对称磁体

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基于磁畴能量最小化原理的电工钢片磁滞模型

电工技术学报 2019年第A01期34卷 7-13页

作者：张文杰张艳丽姜伟夏斌谢德馨沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870 沈阳工业大学理学院沈阳110870

随着大量非线性负荷接入电网,电力变压器铁心更加频繁地工作在谐波、直流偏磁等非标准磁化条件下,传统磁滞模型由于缺少对材料磁化物理机理的深入研究,导致在模拟实际工况下铁心材料磁特性时精度受到限制。本文基于磁光克尔效应磁畴动... 详细信息

随着大量非线性负荷接入电网,电力变压器铁心更加频繁地工作在谐波、直流偏磁等非标准磁化条件下,传统磁滞模型由于缺少对材料磁化物理机理的深入研究,导致在模拟实际工况下铁心材料磁特性时精度受到限制。本文基于磁光克尔效应磁畴动态观测仪,观察了电工钢片在外磁场磁化过程中磁畴畴壁运动变化,从磁化过程中磁畴运动机理出发,建立了包含有多个磁畴能量的物理模型,并基于总磁能局部最小化原理得到磁畴的磁化状态公式,求得磁畴体积以及磁矩方向的变化。通过测量数据拟合模型参数后,得到电工钢片交变磁化下一系列磁滞回环,并与实验测得结果进行了对比分析,证明该模型能够有效的模拟交变磁化下的磁滞曲线。本文研究结果为进一步实现实际工况下电工设备铁心材料复杂磁特性物理模型的研究打下基础。

关键词：磁滞模型能量最小化磁畴电工钢片

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微区应力分布对磁畴的调控机制研究

微区应力分布对磁畴的调控机制研究

作者：王欣宇杭州电子科技大学

学位级别：硕士

如今半导体行业发展迅猛,电子器件朝着集成化、微型化不断发展。然而,随着器件结构尺寸的降低,材料本身会表现出完全不同于宏观尺寸的性质。因此,探索纳米尺度下物质的相互作用、制备纳米级别的电子器件成为了当前研究领域的热点之一。... 详细信息

如今半导体行业发展迅猛,电子器件朝着集成化、微型化不断发展。然而,随着器件结构尺寸的降低,材料本身会表现出完全不同于宏观尺寸的性质。因此,探索纳米尺度下物质的相互作用、制备纳米级别的电子器件成为了当前研究领域的热点之一。对于磁性薄膜而言,有序可控的磁畴排列对自旋电子器件、磁光器件和微机电系统的性能有着重要的影响,而磁畴是磁性材料中的单元,其中原子的各个磁矩相互对齐以形成均匀的定向磁化。铁磁材料中内部能量的几种弛豫机制相互平衡,可以实现一系列磁畴样貌,例如迷宫畴、条纹畴、枝状畴和斯格明子等。这些磁性特征的排列可以通过应变、几何构型,以及施加的电场、磁场来控制。本文将磁性薄膜的磁弹耦合效应与微纳加工技术相结合,证明我们可以通过局部应力编程化分布实现磁畴的微观图案化。磁性材料内部存在磁弹能,遵照着低能量态较为稳定的原则,内应力、磁致伸缩系数、自发磁化方向以及应力与磁化方向间的夹角存在相互制约的关系。例如,往正磁致伸缩系数的磁性薄膜中引入拉应力时,为保证体系能量最低,应力与自发磁化方向方向必须同向。因此在实验中,我们通过在纳米柔性高分子层上沉积铁磁薄膜,引入纳米沟槽诱导出张应力定向缺陷,从而引起定向磁弹性耦合以自发形成有序磁畴,其本质是因为介质层与磁性薄膜层二者的杨氏模量差值较大,因而二者界面处会产生弹性应变,从而改变磁畴的分布。纳米沟槽的周期和形状可以改变磁畴的形态,并且,不同的柔性介质层以及不同的磁性材料对条纹畴的形态调控都有着一定关联。我们分别测试了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与水凝胶(PVA)作为介质层的不同情况,这两种试剂进行电子束曝光时分别作为正抗蚀剂与负抗蚀剂,结果表明二者均可以使磁性薄膜产生磁弹耦合效应。并且我们通过实验验证了磁性薄膜的厚度也会直接影响薄膜整体的静态磁性,随着磁性薄膜的厚度的增加会导致磁各向异性能的增加。我们通过对不同厚度的磁性薄膜沉积情况进行讨论,证明薄膜厚度的影响也会导致条纹畴的排序出现变换。最后,不同周期性的磁性薄膜的宏观磁性性能也被测量,结果表明微纳几何结构对宏观磁性性能有直接影响。以Ni为例,在同一体系下的微磁结构,垂直于纳米沟槽方向的磁滞回线显示纳米沟槽周期越小,整体的剩磁比越大,而顺应着纳米沟槽方向的磁滞回线无明显差异,其本质是因为周期的压缩导致对应方向张应力的增强。这为后续通过外加磁场调控局部磁畴形态提供了实验理论基础。综上所述,我们开发了一种微尺度区域中的磁畴定向耦合方法,在正、负磁致伸缩材料中都具有很高的调控灵活性,期望该工作在磁性薄膜材料领域提供一个普适的磁畴调控方法。

关键词：微纳加工微磁器件磁畴磁致伸缩磁弹耦合效应

介观尺度下电工钢片磁化过程磁畴结构动态特性研究

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介观尺度下电工钢片磁化过程磁畴结构动态特性研究

作者：吴鑫沈阳工业大学

学位级别：硕士

电工钢片以优良的软磁性能作为众多电气设备如:变压器、发电机以及电动机的铁心材料,其磁特性也影响着电气设备的运行性能,电工钢片磁特性的深入研究对改善电气设备性能以及降低损耗有着重要的意义。磁畴是磁性材料内部的介观结构(介观... 详细信息

电工钢片以优良的软磁性能作为众多电气设备如:变压器、发电机以及电动机的铁心材料,其磁特性也影响着电气设备的运行性能,电工钢片磁特性的深入研究对改善电气设备性能以及降低损耗有着重要的意义。磁畴是磁性材料内部的介观结构(介观是位于微观以及宏观之间的尺度),磁性材料在磁化过程中都会伴随着内部磁畴结构以及排列方式的改变,磁化过程中介观磁畴动态演变特性可以直观地反映材料宏观磁特性,因此,开展介观尺度下电工钢片磁化过程磁畴结构动态特性研究对高品质电工钢片研发及电气设备降耗高效运行具有重要意义。本文深入研究了电工钢片在外加磁场下内部磁畴的演变特性与表征方法。利用磁光克尔显微镜获取了在外加磁场下电工钢片内部磁畴的演变图像,运用深度学习对有限的电工钢片磁畴图像进行预测,在此基础上,提出了利用磁畴面积的电工钢片磁化过程表征方法,为进一步实现基于磁畴磁化机理的宏观磁滞模型的研究奠定基础。本文的主要研究内容如下:首先,观测并探明了磁化过程中电工钢片内部磁畴动态演变过程。经过反复多次抛光,制备了不同类型的电工钢片(包括取向电工钢片和无取向电工钢片)样片,利用基于磁光克尔效应的磁畴观测系统观察了在不同磁化方向以及不同磁场强度下电工钢片内部磁畴的动态演变过程,探明其演变规律,并从晶体学的角度解释了电工钢片在不同方向上磁化特性差异的产生原因。同时,建立了电工钢片磁畴结构演变图像信息库,为后续磁畴结构图像预测以及电工钢片磁化过程表征提供基础数据。其次,基于观测的磁畴图像,对比研究了两种深度学习理论,实现了电工钢片磁化过程磁畴结构动态演变图像的预测。基于实验获得的有限的一序列电工钢片磁畴图像,运用图像处理技术将图像转换为深度学习能够处理的数据,将处理好的数据放入深度学习两种神经网络中进行训练,再利用训练好的模型对电工钢片磁畴结构进行预测。与实测结果的对比表明Conv LSTM更能有效地预测电工钢片磁畴磁化的动态演变特性。最后,基于上述观测与预测的磁畴图像信息,研究了电工钢片磁化过程中介观磁畴演变特性的表征方法。通过对比磁畴图像中代表不同磁矩方向的明暗条纹宽度的演变规律,提取了磁畴条纹的面积信息,并给出了面积计算公式,提出以磁畴面积作为特征量来表征电工钢片磁化过程以及磁畴状态的方法,描述了电工钢片的介观磁特性。

关键词：电工钢片磁畴深度学习磁光克尔显微镜

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准二维铁磁体Cr5Te8的磁畴观测及调控

准二维铁磁体Cr5Te8的磁畴观测及调控

作者：朱旺安徽大学

学位级别：硕士

磁性材料在信息存储领域存在广泛的应用。随着信息时代的发展,高密度存储器件越来越凸显出其应用价值,而理解磁性材料磁化翻转行为是实现磁存储器件的基础。在铁磁性材料内部/表面存在微观磁化单元——磁畴,它是为满足铁磁体内总能量极... 详细信息

磁性材料在信息存储领域存在广泛的应用。随着信息时代的发展,高密度存储器件越来越凸显出其应用价值,而理解磁性材料磁化翻转行为是实现磁存储器件的基础。在铁磁性材料内部/表面存在微观磁化单元——磁畴,它是为满足铁磁体内总能量极小条件而产生的。磁畴内部中的原子磁矩方向一致,不同磁畴中的原子磁矩方向不同。研究铁磁性材料的磁畴对于理解材料的磁化反转行为具有重要意义。二维(2D)van der Waals(vd W)材料具备超薄、柔韧等特点,具有丰富的力、热、电、光、磁学方面的性质。2D vd W磁体在特定温度下(直至原子层厚度)表现出固有的铁磁/反铁磁基态,此类材料的出现开辟了材料科学的新领域,为自旋电子学的发展提供了前所未有的机遇。磁光克尔效应(MOKE)对材料磁性非常敏感。显微MOKE技术是一种无损的、非接触的、简单方便的磁性探测方案,并且具有很高的空间分辨率,能实现微区测量。近年来,在2D磁性材料这个热点下,显微MOKE技术同时发挥着重要的作用。利用显微MOKE技术对2D磁性材料的磁畴及其随磁场的演化进行研究,为理解和控制材料的磁畴提供了微观基础。本论文的主要内容如下:(1)详细介绍了磁光克尔效应的宏观理论以及微观起源,并对宽场显微MOKE实验系统的搭建,测试原理,各部件的功能、选择,测试程序以及数据处理方法做了系统的分类描述。该系统具有很好的稳定性,并能实现～1μm的空间分辨率,可以实现变温变场,实时观察并记录样品面外磁化方向的磁畴结构,研究样品磁畴结构及其演化。(2)利用宽场显微MOKE成像技术,观测了准二维铁磁体CrTe磁畴结构及其随磁场的演化。发现宏观磁畴形态与晶体结构密切相关,这意味着在该准二维晶体中面内磁交换能量的各向异性大。而且样品的表面缺陷会干扰磁畴结构的自由生长,修饰表面磁畴结构,从而阻碍或引导磁畴的生长。(3)开展了准二维铁磁体CrTe磁畴电学调控的相关工作。

关键词：准二维铁磁体Cr5Te8 磁畴显微磁光克尔技术磁畴调控

弯曲形变对无取向硅钢磁畴结构和磁性能的影响

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钢铁钒钛 2017年第6期38卷 147-152页

作者：宋守许刘涛王文哲合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009

以B35AV1900无取向硅钢为对象,研究了小幅度变形情况下,硅钢内部磁畴组织和磁性能的变化规律。采用软磁交/直流测试仪、Bitter粉纹法、X-射线应力仪、显微硬度计等分析手段,获取了不同弯曲形变下磁畴形貌、弯曲应力、硬度的变化和磁性... 详细信息

以B35AV1900无取向硅钢为对象,研究了小幅度变形情况下,硅钢内部磁畴组织和磁性能的变化规律。采用软磁交/直流测试仪、Bitter粉纹法、X-射线应力仪、显微硬度计等分析手段,获取了不同弯曲形变下磁畴形貌、弯曲应力、硬度的变化和磁性能的影响规律。结果表明:随弯曲角度增大,硅钢交直流性能呈现明显下降趋势,在0°变化到18°时,硅钢损耗上升了23.2%,矫顽力增大,磁导率、剩余磁感应强度减小;弯曲应力随变形角度增大而增大,其硬度也呈现略微上升趋势;随变形角度增大,磁畴种类增多,相邻磁壁之间间距和磁壁宽度均缩小。

关键词：无取向硅钢弯曲形变磁性能磁畴硬度