固體的磁性ppt課件

1、7.1 引言n 磁性材料及固體磁性的歷史n 原子的磁性n 磁性的分類(lèi)及基本物質(zhì)方程n 交換作用及磁疇n 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化 重點(diǎn)掌握基本物理概念 理解和掌握交換作用 磁性的分類(lèi)及基本物質(zhì)方程 交換作用及磁疇磁性材料及磁性的研究歷史指南針 司馬遷史記描述黃帝作戰(zhàn)用1086年 宋朝沈括夢(mèng)溪筆談指南針的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可談磁石羅盤(pán) 用于航海的記載 最早的著作De Magnete W.Gibert 18世紀(jì) 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場(chǎng) 19世紀(jì) 法拉弟效應(yīng) 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流 安培定律 電磁學(xué)基礎(chǔ) 電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等開(kāi)創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)磁性材料及磁性的研究歷史1907年 P.Weiss的磁

2、疇和分子場(chǎng)假說(shuō) 1919年 巴克豪森效應(yīng)1928年 海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場(chǎng)起源1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇 1933年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場(chǎng), 理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)1946年 Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)1948年 Neel建立亞鐵磁理論1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) Sa

3、gawa(佐川)1986年 高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn), M.N.Baibich1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki7.2 原子的磁性m磁矩m: 電子自旋磁矩 電子軌道磁矩q角動(dòng)量磁矩若原子只有一個(gè)未滿(mǎn)殼層電子(2 )()22eemm lsjsjlsj 為電子的總角動(dòng)量電子軌道磁矩電子自旋磁矩2(1)2(1)llBemel lml l L(2)22(1)ssBegms s s g2Bem7.2 原子的磁性 總自旋角動(dòng)量： S=si 總軌道角動(dòng)量： L=li l在一個(gè)填滿(mǎn)

4、的電子殼層中，電子的軌道磁矩和自旋磁矩為零。l在一個(gè)未填滿(mǎn)的電子殼層中，電子的軌道和自旋磁矩將形成一個(gè)原子總磁矩。LS總角動(dòng)量J 泡利原理： 同一個(gè)量子數(shù)n，l，m，s表征的量子狀態(tài)只能有一個(gè)電子占據(jù)。 庫(kù)侖相互作用：n,l,m 表征的一個(gè)軌道上若有兩個(gè)電子，庫(kù)侖排斥勢(shì)使系統(tǒng)能量提高 洪德法則：洪德法則： (1) 未滿(mǎn)殼層的電子自旋si排列，泡利原理傾向一個(gè)軌道只被一個(gè)電子占據(jù)，而原子內(nèi)的自旋-自旋間的相互作用使自旋平行排列，從而總自旋S取最大值。 (2) 每個(gè)電子的軌道矢量li的排列，電子傾向于同樣的方向繞核旋轉(zhuǎn)，以避免靠近而增加庫(kù)侖排斥能，使總的軌道角動(dòng)量L取 最大值。(如3d電子，m=2

5、時(shí)該軌道磁矩在外場(chǎng)方向上的分量最大，軌道磁矩與外磁場(chǎng)平行能量最低，最穩(wěn)定)。 (3) 采用L和S間耦合計(jì)算原子總角動(dòng)量 電子數(shù)n小于半滿(mǎn)時(shí) J= L-S， 電子數(shù)n大于半滿(mǎn)時(shí) J= L+S。 (洪德法則一般的描述只有(1)和(2)項(xiàng))7.2 原子的磁性7.2 原子的磁性S S m3210 -1-2-3 L- S L+S=L-s=L+sJ=L-SJ=L+S7.2 原子的磁性(2 )22emegm JLSJLSJ(1)(1)(1)12 (1)JJJ JS SL LgJ J JSLJ L S J 7.2 原子的磁性在晶場(chǎng)中的3d過(guò)渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子自旋磁矩，而電子的軌道磁矩沒(méi)有貢獻(xiàn)

6、。此現(xiàn)象稱(chēng)為軌道角動(dòng)量?jī)鼋Y(jié)。n 過(guò)渡金屬的3d電子軌道暴露在外面，受晶場(chǎng)的控制。晶場(chǎng)的值為102-104(cm-1)大于自旋-軌道耦合能(l)102(cm-1).n 晶場(chǎng)對(duì)電子軌道的作用是庫(kù)侖相互作用，因而對(duì)電子自旋不起作用。隨著3d電子的軌道能級(jí)在晶場(chǎng)作用下劈裂，軌道角動(dòng)量消失。7.3 磁性的分類(lèi)及基本磁學(xué)概念HVmM0HHHMHB0000磁化強(qiáng)度矢量磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量：相對(duì)磁導(dǎo)率（或磁導(dǎo)率）0：真空磁導(dǎo)率：極化率7.3 磁性的分類(lèi)及基本磁學(xué)概念順磁性抗磁性7.3 磁性的分類(lèi)及基本磁學(xué)概念順磁體鐵磁體反鐵磁體亞鐵磁體7.4 交換相互作用當(dāng)組成氫分子后，體系要增加核之間的相互作用項(xiàng)e2/R，電子相

7、互作用e2/r,以及電子和另一個(gè)核之間的交叉作用項(xiàng) (-e2/ra2)和(-e2/rb1).氫分子體系的哈密頓量可寫(xiě)成下到形式：其中: 前四項(xiàng)是兩個(gè)弧立氫原子的電子動(dòng)能和勢(shì)能， 后四項(xiàng)是相互作用能。這一體系的波函數(shù)無(wú)法直接得到，仍用單電子波函數(shù)的線性組合由這個(gè)線性組合，可得到對(duì)稱(chēng)( S )和反對(duì)稱(chēng)( A )的波函數(shù)Sab表式重迭積分自旋函數(shù)為7.4 交換相互作用Heisenberg將氫分子的概念推廣至整個(gè)晶體。相鄰兩個(gè)3d電子的結(jié)合能取決與兩個(gè)原子的自旋磁矩的相對(duì)去向，而結(jié)合能是由兩個(gè)原子中d電子的波函數(shù)再空間的重疊程度決定的。這種相互作用的能量可以寫(xiě)成： Aij是電子之間、電子和原子核之間靜

8、電作用的一種形式,ex通常稱(chēng)為交換能，稱(chēng) Aij為交換積分，它是由于電子云交疊而引起的附加能量。7.4 交換相互作用ijijHA SSAij0Aij0兩個(gè)自旋傾向平行排列，體系能量降低兩個(gè)自旋傾向反平行排列，體系能量降低電子云鐵磁亞鐵磁7.4 交換相互作用7.4 交換相互作用 1934年克喇末首先提出超交換模型(間接交換)耒解釋反鐵磁性自發(fā)磁化的起因。例如MnO的反鐵磁性,Mn離子中間有O 2-離子，因此離子間的距離大，直接交換作用非常弱。然而，Mn離子之間通過(guò)O 2-而有一個(gè)超交換作用。其機(jī)理是：O 2- 離子的電子結(jié)構(gòu)為(1s)2(2s)2(2p)6,其中p-軌道向近鄰的Mn離子M1和M2

9、伸展，一個(gè)p- 可以轉(zhuǎn)移到M1的Mn離子的3d軌道，由于Mn 2+離子已經(jīng)有五個(gè)半滿(mǎn)電子，按照洪德法則，氧的p-電子自旋只能與Mn 2+的五個(gè)電子自旋反平行。同時(shí)p 軌道上剩余的一個(gè)電子自旋必然是與轉(zhuǎn)移出去的電子自旋反平行。它與M2之間的交換作用使它與另一個(gè)Mn離子M2的自旋反平行，結(jié)果M1和M2反平行。 當(dāng)M1-O-M2是180度，超交換作用最強(qiáng)。隨角度變小超交換減弱，當(dāng)90度夾角時(shí)，相互作用傾向變?yōu)檎怠?.5 鐵磁性短程磁有序磁疇內(nèi)磁矩的定向排列7.5 鐵磁性 1. 靜磁能和疇壁能的共同作用下 磁疇不能發(fā)展成無(wú)限大 未磁化的磁體M 0，不顯磁性 表面磁場(chǎng)線被磁疇屏蔽 2. 疇壁的微觀結(jié)構(gòu)

10、靜磁能未磁化磁體，M0磁疇壁內(nèi)自旋取向逐漸過(guò)渡以降低體系能量7.6（亞）鐵磁體中的疇壁Exchange energyMagnetocrystallineMagnetoelasticZeemanMagnetostatic7.6（亞）鐵磁體中的疇壁7.6（亞）鐵磁體中的疇壁7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化HM磁滯回線Hc7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化疇壁可逆移動(dòng)7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化疇壁不可逆移動(dòng)7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化不可逆Barkhausent跳躍7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)7.8 磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄7.8 磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄Schematic representation of longitudinal, digital magneticrecording write process. 7.8 磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄考試重點(diǎn)n 分離變量方法，單電子近似，諧陣子能量（一維、三維）n 倒易點(diǎn)陣，Bragg方程，布里淵區(qū)n 晶格振動(dòng)的色散關(guān)系，聲學(xué)和光學(xué)振動(dòng)，聲子，德拜模型，態(tài)密度，晶體導(dǎo)熱n 金屬的費(fèi)米面，態(tài)密度，