CN110309524A - 一种计算磁性颗粒间静磁相互作用场强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算磁性颗粒间静磁相互作用场强度的方法，采用开源的微磁学仿真软件OOMMF作为仿真计算软件，对磁性颗粒进行建模和相关计算。首先利用OOMMF对孤立的单磁性颗粒结构和多磁性颗粒的阵列结构分别进行建模并获取非矢量OOMMF数据表，然后根据两种结构仿真的OOMMF数据表结果分别计算多磁性颗粒和孤立的单颗粒的动态磁谱，接着获取两种结构磁谱中相对应的共振峰的频率值，最后通过获取两种结构的共振频率差值并结合对应公式计算出沿磁矩方向上的相互作用场强度。
Description
技术领域
本发明属于微磁学仿真领域，涉及到一种基于开源微磁学仿真软件计算静磁相互作用的方法，具体涉及到计算磁性阵列单元间的静磁相互作用的计算方法。
背景技术
近年来，磁性单元的周期阵列结构由于其独特的磁性能以及在超高密度磁记录、传感器等方面的应用而受到广泛研究与关注。随着光刻技术的不断进步，人们早已经可以利用该技术制备纳米级别的图案化磁性阵列结构，同时利用模板自组装技术也可以制备大规模的磁性阵列结构材料。在制备的阵列结构中，磁性颗粒的磁性能不仅受该单元颗粒的尺寸大小和形貌的影响，而且受到颗粒间的静磁相互作用强度的影响。磁性材料中的晶粒相互作用与材料的宏观磁性密切相关。研究材料内的晶粒相互作用对于提高材料性能及研制开发新材料至关重要。由于不同制备方法和制备条件引起的晶粒微结构的不同,以至于对这些相互作用进行严格的数学计算是极其复杂和困难的。另外，对于特殊晶粒结构，根本无法通过公式去精确计算。
故，针对现有技术存在的缺陷，实有必要提出一种技术方案以克服现有技术存在的缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微磁学仿真软件模拟计算颗粒间静磁相互作用的方法，该方法通过对单颗粒***和多颗粒***的动态模拟以获取静磁相互作用，从而无需进行繁琐的数学计算，同时使用该方法不受颗粒的形状和颗粒间间距的限制，能够很好的计算特殊结构的静磁相互作用力。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种计算磁性颗粒间静磁相互作用场强度的方法，包括如下步骤：(1)选定磁性材料参数，通过仿真软件对单个磁性颗粒单元建模；
(2)在无外加磁场环境下进行仿真计算，并获得稳态的矢量磁矩分布文件；
(3)在仿真模型中加载步骤(2)中获得的矢量磁矩分布文件，在外加弱脉冲场H(t)＝100exp(-109t)mT的磁场环境下进行仿真，仿真数据保存的时间间隔尽可能的小，以提高计算精度，在仿真结束后获取非矢量数据表；
(4)将步骤(3)获得的非矢量数据表取出，其至少包括：外磁场H(t)数据和某一与H(t)相垂直方向的平均磁化强度M(t)数据；(5)利用快速傅立叶变换方法，将H(t)、M(t)在频域中分别变换为H(ω)和M(ω)；(6)通过复数磁导率公式：χ(ω)＝M(ω)/H(ω)＝χ′(ω)-iχ″(ω)获得磁谱χ”(ω)；
(7)提取磁谱χ”(ω)中所反应出的共振频率fsingle(谱线中峰值所对应的频率)；
(8)再次通过仿真软件对多磁性颗粒单元阵列进行建模，并使用二维边界条件(2DPBC)进行扩展；
(9)采用(2-5)步骤中的数据处理方法获取阵列结构中的磁谱，并提取共振频率farray；
(10)然后通过公式计算得到沿磁矩方向上的相互作用场强度Hu(以mT为单位)。
作为进一步的改进方案，步骤(1)中，使用OOMMF仿真软件建模仿真计算颗粒间相互作用强度。
作为进一步的改进方案，步骤(3)中，使用快速衰减的微弱脉冲场H(t)＝100exp(-109t)mT作为激发外磁场。
作为进一步的改进方案，步骤(10)中，通过对比两种结构的共振频率变化去计算颗粒间相互作用强度。
作为进一步的改进方案，采用开源微磁学仿真软件OOMMF模拟计算颗粒间静磁相互作用时，包括如下步骤：
(1)选定磁性材料参数，通过编写OOMMF中MIF脚本文件的对单个磁性颗粒单元建模。
(2)OOMMF软件加载MIF文件，在无外加磁场环境下以最小化能量演化的方式进行仿真计算，并获得矢量磁矩分布文件(*.omf文件)。
(3)仿真模型初始化模块中加载上一步中的*.omf文件，在外加弱脉冲场H(t)＝100exp(-109t)mT的磁场环境下进行时间演化的方式仿真，仿真阶段的时间间隔为1ps，在仿真结束后获取非矢量OOMMF数据表(*.odt文件)。
(4)将上一步的*.odt文件中外磁场H(t)数据(文件中的Oxs_ScriptUZeeman::B*列)和某一与H(t)相垂直方向的平均磁化M(t)数据(文件中的Oxs_TimeDriver::m*列)取出。
(5)利用快速傅立叶变换方法，在频域中分别变换为H(ω)和M(ω)。
(6)通过公式：χ(ω)＝M(ω)/H(ω)＝χ′(ω)-iχ″(ω)获得磁谱χ”(ω)。
(7)提取磁谱χ”(ω)中所反应出的共振频率fsingle(谱线中峰值所对应的频率)。
(8)通过OOMMF对多磁性颗粒单元阵列进行建模，并使用二维边界条件(2DPBC)进行扩展。
(9)采用(2-5)步骤中的数据处理方法获取阵列结构中的磁谱，并提取共振频率farray。
(10)然后通过公式计算出沿磁矩方向上的相互作用场强度Hu(以mT为单位)。
上述的方法中，步骤(3)中的外加快速衰减的微弱脉冲场H(t)施加在与材料总体磁矩相垂直的方向，以便在微弱的脉冲场下使磁矩以小角度偏离稳定位置，进而减小磁矩动态与静态时的静磁相互作用误差。
上述的方法中，步骤(4)中外磁场H(t)数据位于文件中的Oxs_ScriptUZeeman::Bx，By，或Bz列；由脉冲场的施加方向来确定。平均磁化M(t)数据位于文件中的Oxs_TimeDriver::mx，my，mz列，由实际仿真计算中选定。
上述的方法中，步骤(6)中公式为现有的复数磁化率计算公式，该公式虚部可以表征出磁性单元内部磁矩的共振频率。
上述的方法中，步骤(8)中使用二维边界条件(2DPBC)进行扩展，以精确计算实际大规模单元阵列中的相互作用强度。
上述的方法中，步骤(10)中的公式由磁矩进动固有频率简化推导而来。磁矩的共振频率有其有效场Heff直接决定，而磁性颗粒单元间的相互作用场是改变有效场Heff的主要原因，故而可以通过磁矩共振频率的改变反映出相互作用场的大小。
与现有的静磁相互作用的计算方法相比，本发明的计算方法，通过利用计算机强大的计算能力，加上OOMMF软件的建模和仿真计算能力，能高效计算颗粒间的相互作用场强度。并可以解决采用数学建模方式计算的高复杂度和局限性。该方法不受磁性材料和颗粒形状的局限，仿真建模的自由度较大，扩展性较强。
附图说明
图1是OOMMF软件的控制界面。
图2是实例中建立的锥形纳米点颗粒阵列的仿真模型，圆锥高度与底面直径均设置为130nm，各向异性轴沿z轴方向。
图3是实例中经过数据处理后得出单个孤立锥形纳米点颗粒磁谱。
图4是实例中经过数据处理后得出颗粒间距为10-190nm的锥形纳米点颗粒阵列磁谱组图。
图5是实例中单个孤立单元的工作频率(图中虚线示出)，以及10组间距下阵列结构中的共振频率(图中以点示出)。
图6是实例中计算出的主峰和次峰所对应颗粒内部区域的沿z轴方向上的相互作用场强度Hu。
具体实施方式
下述实施例中所使用的方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的软件、计算方法等，如无特殊说明，均可从商业及网络途径得到。为体现该方法与磁性单元形状无关，选用较为特殊的圆锥形纳米磁性单元作为具体实施实例。
当前，利用微磁学的理论建立仿真模型是研究磁性***的一个有效的手段。其相对于实验研究方法的优点在于研究周期短、扩展性强，另外，由于实验的方法存在很多局限性，所以利用微磁学模拟的方法可以实现对磁性材料***更加精确而高效的研究。人们广泛采用微磁学仿真软件OOMMF对材料***进行静态和动态的仿真研究。然而，当前OOMMF软件的仿真应用中没有涉及对于静磁相互作用强度的计算，从而无法利用现有仿真软件直接计算静磁相互作用。考虑到静磁相互作用在***中的重要影响，以及仿真模拟计算的高效性。开发基于OOMMF的静磁相互作用强度的计算方法是具有重要价值的。
基于当前微磁学仿真软件，本发明一种计算磁性颗粒间静磁相互作用场强度的方法，包括如下步骤：
(1)选定磁性材料参数，通过仿真软件对单个磁性颗粒单元建模；
(2)在无外加磁场环境下进行仿真计算，并获得稳态的矢量磁矩分布文件；
(3)在仿真模型中加载步骤(2)中获得的矢量磁矩分布文件，在外加弱脉冲场H(t)＝100exp(-109t)mT的磁场环境下进行仿真，仿真数据保存的时间间隔尽可能的小，以提高计算精度，在仿真结束后获取非矢量数据表；
(4)将步骤(3)获得的非矢量数据表取出，其至少包括：外磁场H(t)数据和某一与H(t)相垂直方向的平均磁化强度M(t)数据；(5)利用快速傅立叶变换方法，将H(t)、M(t)在频域中分别变换为H(ω)和M(ω)；(6)通过复数磁导率公式：χ(ω)＝M(ω)/H(ω)＝χ′(ω)-iχ″(ω)获得磁谱χ”(ω)；
(7)提取磁谱χ”(ω)中所反应出的共振频率fsingle(谱线中峰值所对应的频率)；
(8)再通过缝针软件对多磁性颗粒单元阵列进行建模，并使用二维边界条件(2DPBC)进行扩展；
(9)采用(2-5)步骤中的数据处理方法获取阵列结构中的磁谱，并提取共振频率farray；
(10)然后通过公式计算得到沿磁矩方向上的相互作用场强度Hu(以mT为单位)。
以下以OOMMF软件为例，详细描述本发明的实现过程：
实例：
(1)选用具有单轴各向异性的六角钡铁氧体(BaFe12O19)为仿真材料，通过编写OOMMF中的MIF文件去建立单个孤立的圆锥形纳米点单元，本实例中命名为Cone_one.mif，圆锥高度与底面直径均设置为130nm，各向异性轴沿z轴方向，OOMMF软件见附图1,圆锥纳米点参见附图2中的某一单元。
(2)在Cone_one.mif对应模块中设置为无外加磁场环境和最小化能量的演化方式，使用oxsii模块加载Cone_one.mif进行仿真计算，计算后获得圆锥形纳米点单元的稳态磁矩分布文件(文件名可自定义)，在该实例中被保存为Cone_one_130nm.omf文件。
(3)修改第(2)步中的Cone_one.mif,在x轴方向施加弱脉冲场H(t)＝100exp(-109t)mT的磁场，设置为进行时间演化方式，初始化中加载上一步中的Cone_one_130nm.omf文件。仿真阶段的时间间隔为1ps，仿真阶段为8000。仿真结束后获取非矢量OOMMF数据表，数据表被自定义保存为ConeDate_one_130nm.odt文件。
(4)将ConeDate_one_130nm.odt文件中外磁场H(t)数据(文件中的Oxs_ScriptUZeeman::Bx列)和与H(t)相垂直方向的平均磁化M(t)数据(文件中的Oxs_TimeDriver::mx列)取出，
(5)利用matlab软件进行快速傅立叶变换，在频域中分别变换为H(ω)和M(ω)。
(6)通过公式：χ(ω)＝M(ω)/H(ω)＝χ′(ω)-iχ″(ω)获得单个孤立的圆锥形纳米点单元磁谱χ”(ω)。如图3所示，孤立的圆锥纳米点单元磁谱中有两个共振峰，它们位于单元中的不同区域。
(7)提取磁谱χ”(ω)中谱线各峰所对应的共振频率fsingle。计算图3中的各个峰值的横坐标即为所需的共振频率。
(8)通过OOMMF对圆锥形磁性纳米点单元阵列进行建模，模型见附图2，将单元间的距离以20nm为间隔设置为10-190nm(共10组间距)并使用二维边界条件(2DPBC)进行扩展。
(9)采用(2-5)步骤中的同样数据处理方法获10组间距下圆锥形纳米点阵列结构中的磁谱，并提取共振频率farray。10组间距下阵列结构中的磁谱见图4，每个结构都表现出两个共振峰，这与孤立的单元磁谱是一致的。提取的共振频率farray见附图5.
(10)通过图5中的数据结合公式：进行计算。得到10组沿z轴方向的相互作用场Hu(mT为单位)强度数据见附图6，可见两峰所对应的区域的相互作用场强度是不同的，而且差别较大。这表明本发明中的方法可以创新计算颗粒单元内不同区域的相互作用。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种计算磁性颗粒间静磁相互作用场强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选定磁性材料参数，通过仿真软件对单个磁性颗粒单元建模；
(2)在无外加磁场环境下进行仿真计算，并获得稳态的矢量磁矩分布文件；
(3)在仿真模型中加载步骤(2)中获得的矢量磁矩分布文件，在外加弱脉冲场H(t)＝100exp(-109t)mT的磁场环境下进行仿真，仿真数据保存的时间间隔尽可能的小，以提高计算精度，在仿真结束后获取非矢量数据表；
(4)将步骤(3)获得的非矢量数据表取出，其至少包括：外磁场H(t)数据和某一与H(t)相垂直方向的平均磁化强度M(t)数据；
(5)利用快速傅立叶变换方法，将H(t)、H(t)在频域中分别变换为H(ω)和M(ω)；
(6)通过复数磁导率公式：χ(ω)＝M(ω)/H(ω)＝χ′(ω)-iχ″(ω)获得磁谱χ”(ω)；
(7)提取磁谱χ”(ω)中所反应出的共振频率fsingle(谱线中峰值所对应的频率)；
(8)再次通过仿真软件对多磁性颗粒单元阵列进行建模，并使用二维边界条件(2DPBC)进行扩展；
(9)采用(2-5)步骤中的数据处理方法获取阵列结构中的磁谱，并提取共振频率farray；
(10)然后通过公式计算得到沿磁矩方向上的相互作用场强度Hu(以mT为单位)。
2.权利要求1中所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，使用OOMMF仿真软件建模仿真计算颗粒间相互作用强度。
3.权利要求1中所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，使用快速衰减的微弱脉冲场H(t)＝100exp(-109t)mT作为激发外磁场。
4.权利要求1中所述的方法，其特征在于：步骤(10)中，通过对比两种结构的共振频率变化去计算颗粒间相互作用强度。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120043964A1 (en) * | 2010-05-31 | 2012-02-23 | Oliver Schreck | Method and system for simulating magnetic resonance imaging signals |
| CN103870654A (zh) * | 2014-03-26 | 2014-06-18 | 西安电子科技大学 | 基于并行矩量法与物理光学混合的电磁散射仿真方法 |
| CN107368642A (zh) * | 2017-07-13 | 2017-11-21 | 武汉大学 | 金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120043964A1 (en) * | 2010-05-31 | 2012-02-23 | Oliver Schreck | Method and system for simulating magnetic resonance imaging signals |
| CN103870654A (zh) * | 2014-03-26 | 2014-06-18 | 西安电子科技大学 | 基于并行矩量法与物理光学混合的电磁散射仿真方法 |
| CN107368642A (zh) * | 2017-07-13 | 2017-11-21 | 武汉大学 | 金属增材制造多尺度多物理场耦合仿真方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117524386A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-06 | 之江实验室 | 基于微磁学和机器学习的磁性合金磁导率计算方法和装置 |
| CN117524386B (zh) * | 2024-01-04 | 2024-06-04 | 之江实验室 | 基于微磁学和机器学习的磁性合金磁导率计算方法和装置 |
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