第七章磁性材料2

1、第七章第七章 磁性材料磁性材料電作用力（電場）電作用力（電場） E=F/q 磁作用力（磁場）磁作用力（磁場）B=F/qvsin 7.1 基本概念基本概念通常把磁性強(qiáng)的物質(zhì)稱為通常把磁性強(qiáng)的物質(zhì)稱為磁性材料磁性材料磁化率磁化率 =M/H M:磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度 H:磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度磁導(dǎo)率：磁導(dǎo)率： 真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率 0=B/(H+M) B:磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度 絕對(duì)磁導(dǎo)率絕對(duì)磁導(dǎo)率 =B/H 相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率 r=/0 r=1+描述微觀粒子的磁性采用描述微觀粒子的磁性采用磁矩磁矩m磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M是指單位體積中的合磁矩是指單位體積中的合磁矩 M/V VViiiimm為物質(zhì)體積 為體積 中

2、的合磁矩 SI 制制 CGS制制磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B 特斯拉特斯拉(T) 高斯高斯(G) 1T=1N/Am 1G=10-4T磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度H A/m 奧斯特奧斯特(Oe) 1Oe=79.6 A/m 磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M A/m 奧斯特奧斯特(Oe)真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率0 4 10-7 Tm/A G/Oe絕對(duì)磁導(dǎo)率絕對(duì)磁導(dǎo)率 Tm/A G/Oe 磁化率磁化率 無量綱無量綱 7.2 磁性來源磁性來源原子的磁性包括三個(gè)部分：原子的磁性包括三個(gè)部分： 1）電子自旋磁矩）電子自旋磁矩 2）電子軌道磁矩）電子軌道磁矩 3）原子核磁矩）原子核磁矩原子總磁矩原子總磁矩 g: 朗德朗德(Lande)因子或光譜

3、分裂因子，其值在因子或光譜分裂因子，其值在12之間之間 g 2 自旋起主要作用自旋起主要作用 g 1 軌道起主要作用軌道起主要作用 d族過渡金屬離子，離子磁矩主要由電子自旋貢獻(xiàn)族過渡金屬離子，離子磁矩主要由電子自旋貢獻(xiàn)(g=2) 離子磁矩離子磁矩 有時(shí)估算有時(shí)估算 m=gs=2s=n(未成對(duì)電子數(shù)）未成對(duì)電子數(shù)）(1) BMmgJ J（單位為）)1(2)1()1()1(1JJLLSSJJg) 1(2SSm 7.3 磁性的分類磁性的分類 物質(zhì)磁性的典型分類物質(zhì)磁性的典型分類 磁性行為磁性行為 原子磁矩原子磁矩 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 典型典型值值 磁性磁性無序無序 抗磁性抗磁性 0 1 -1(10-510

4、-8) 無變化無變化 抗磁抗磁 順磁性順磁性 0 1 10-410-5 下降下降 弱磁弱磁有序有序 反鐵磁性反鐵磁性 0 1 10-210-4 上升上升 弱磁弱磁 鐵磁性鐵磁性 0 1 102106 下降下降 強(qiáng)磁強(qiáng)磁 亞鐵磁性亞鐵磁性 0 1 102106 下降下降 強(qiáng)磁強(qiáng)磁 7.3.1 無序磁性無序磁性 a.抗磁性抗磁性 ： 物質(zhì)中不存在未成對(duì)電子物質(zhì)中不存在未成對(duì)電子 宏觀特征：在磁場中受到微弱的排斥力，即在對(duì)抗磁宏觀特征：在磁場中受到微弱的排斥力，即在對(duì)抗磁場方向受力，磁化強(qiáng)度與外加磁場方向相反，磁化率場方向受力，磁化強(qiáng)度與外加磁場方向相反，磁化率0 |x|=10-510-8b.順磁性

5、：順磁性： 物質(zhì)中存在未成對(duì)電子物質(zhì)中存在未成對(duì)電子 宏觀特征：在磁場中受到微弱的吸引力，即在磁場增宏觀特征：在磁場中受到微弱的吸引力，即在磁場增強(qiáng)方向受力，磁化強(qiáng)度與外加磁場方向相同強(qiáng)方向受力，磁化強(qiáng)度與外加磁場方向相同 ，磁化率，磁化率 0 值很小。值很小。奈爾奈爾 7.3.2 有序磁性有序磁性 鐵磁性鐵磁性: 原子磁矩的排列為方向一致的整齊排列。原子磁矩的排列為方向一致的整齊排列。 這種排列因受熱運(yùn)動(dòng)而紊亂這種排列因受熱運(yùn)動(dòng)而紊亂 T x A0磁有序起因：兩個(gè)原子外層電子的交換作用磁有序起因：兩個(gè)原子外層電子的交換作用12*12(1)(2)(2)(1)ababAHd d A 0 cos1

6、 0 uu當(dāng)時(shí)且最大自旋角動(dòng)量反向平行排列且相互抵消 反鐵磁性 自旋角動(dòng)量反向平行排列但不能相互抵消 亞鐵磁性1211221212 22(1)(1)cos uASSA S SS SSSSS 和分別為電子1和電子2的自旋角動(dòng)量為 和 的夾角 A 0 cos1 0 uu當(dāng)時(shí)且最大自旋角動(dòng)量同向平行排列 鐵磁性電子交換作用的必要條件：電子交換作用的必要條件： 波函數(shù)必須重疊（或說兩電子有某種程度的共波函數(shù)必須重疊（或說兩電子有某種程度的共用）。用）。 若相鄰原子（或離子）相距較遠(yuǎn)，離子之間不能若相鄰原子（或離子）相距較遠(yuǎn)，離子之間不能發(fā)生直接交換作用，但是可以通過位于它們之間的發(fā)生直接交換作用，但是

7、可以通過位于它們之間的原子（如氧原子）而間接發(fā)生作用（稱超交換作原子（如氧原子）而間接發(fā)生作用（稱超交換作用）。超交換作用一般導(dǎo)致自旋反平行排列。用）。超交換作用一般導(dǎo)致自旋反平行排列。結(jié)論：交換作用交換作用 A0 cos=1 平行排列平行排列 A0 cos=-1 反平行排列反平行排列超交換作用超交換作用 反平行排列反平行排列 7.4 磁性材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)磁性材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 未成對(duì)電子未成對(duì)電子 順磁性順磁性 未成對(duì)電子未成對(duì)電子 +交換作用交換作用 鐵磁性鐵磁性 反鐵磁性反鐵磁性 亞鐵磁性亞鐵磁性 未成對(duì)電子未成對(duì)電子+超交換作用超交換作用 反鐵磁性反鐵磁性 亞鐵磁性亞鐵磁性 7.4.1

8、過渡金屬氧化物過渡金屬氧化物 MO TiO VO CrO 3d2 3d3 3d4 d電子不是定域在單一電子不是定域在單一M2上，而是離域在上，而是離域在T2g能帶，不顯示未成對(duì)電子的特性，沒有磁相互作能帶，不顯示未成對(duì)電子的特性，沒有磁相互作用，呈抗磁性，并且是導(dǎo)電體。用，呈抗磁性，并且是導(dǎo)電體。 MnO, FeO, CoO, NiO 隨原子序數(shù)增加，有效核電荷增加，隨原子序數(shù)增加，有效核電荷增加，d電子電子定域于定域于M2+離子上，無導(dǎo)電性，有磁相互作用。離子上，無導(dǎo)電性，有磁相互作用。在低溫時(shí)，呈反鐵磁性；高于奈爾溫度，呈順磁在低溫時(shí)，呈反鐵磁性；高于奈爾溫度，呈順磁性。性。MnO Mn2

9、+ 3d5 Mn2+ O2- Mn2+ 超交換作用導(dǎo)致反平行排列，導(dǎo)致反鐵磁性超交換作用導(dǎo)致反平行排列，導(dǎo)致反鐵磁性NiO Ni2+ 3d8 Ni2+ O2- Ni2+ 7.4.2 尖晶石型鐵氧體（尖晶石型鐵氧體（MFe2O4） 化學(xué)式中包含化學(xué)式中包含F(xiàn)e2O3的統(tǒng)稱為鐵氧體的統(tǒng)稱為鐵氧體 例如：例如：Fe3O4 (FeO Fe2O3) MgFe2O4 (MgO Fe2O3) NiFe2O4 (NiO Fe2O3) 尖晶石尖晶石 AB2O4 (A)t(BB)oO4 t位于四面體間隙位于四面體間隙 o位于八面體間隙位于八面體間隙 反尖晶石反尖晶石 (B)t(AB)oO4 混合型尖晶石混合型尖晶

10、石 (A1-rBr)t(ArB2-r)oO4 r為反位度為反位度 r=0 正尖晶石正尖晶石 r=1 反尖晶石反尖晶石 這類化合物不是反鐵磁性這類化合物不是反鐵磁性, 就是亞鐵磁性。就是亞鐵磁性?？偞啪豰=mom=mo-mt 舉例舉例a ZnFe2O4 低溫時(shí)低溫時(shí) 反位反位 (Fe3+)t(Zn2+Fe3+)oO4 mt=mFe3+=5 mo=mFe3+mZn2+=5 m= mt-mo =5-5=0 反鐵磁性反鐵磁性 高溫時(shí)高溫時(shí) 正位正位 (Zn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4 mt=0 mo=0 m=0 反鐵磁性反鐵磁性舉例舉例 b MnFe2O4 反位反位 (Fe3+)t(Fe3+Mn

11、2+)oO4 mt=5 mo=mFe3+mMn2+=10 m= mt-mo =5 亞鐵磁性亞鐵磁性 正位正位 (Mn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4 mt=5 mo=5+5=10 m=10-5=5 亞鐵磁性亞鐵磁性 混合混合 (Fe3+rMn2+1-r)t(Mn2+rFe3+2-r)oO4 mt=r mFe3+(1-r)mMn2+=5r+5(1-r)=5 mo=5r+5(2-r)=10 m=10-5=5 亞鐵磁性亞鐵磁性舉例舉例c MgFe2O4 反位反位 (Fe3+)t(Mg2+Fe3+)oO4 mt=5 mo=5 m=0 正位正位 (Mg2+)t(Fe3+Fe3+)oO4 mt=0 mo

12、=0 m=0 混合混合 (Fe3+rMg2+1-r)t(Mg2+rFe3+2-r)oO4 mt=5r mo=5(2-r) m=5(2-r)-5r=10-10r 室溫時(shí)室溫時(shí) r0.9 m 1 隨著溫度提高，隨著溫度提高，r減小，減小，m增大。當(dāng)增大。當(dāng)r在在0.5左右左右m有有一極大值，隨一極大值，隨r進(jìn)一步減小，大部分進(jìn)一步減小，大部分Fe3+在八面體間隙，在八面體間隙， t-o作用不占主導(dǎo)地位，作用不占主導(dǎo)地位，o-o超交換作用開始占主導(dǎo)，導(dǎo)超交換作用開始占主導(dǎo)，導(dǎo)致磁矩不再增大，而是減小。致磁矩不再增大，而是減小。 舉例舉例d MFe2O4 (M2+: Fe2+ ,Co2+ , Ni2+

13、等等) 反位反位: (Fe3+)t(M2+Fe3+)oO4 mt=5 mo=5+nM2+ m=nM2+ 計(jì)算值計(jì)算值 實(shí)際值實(shí)際值 Fe2+ (n=4) 4 4.2 Co2+(n=3) 3 3.4 Ni2+(n=2) 2 2.3 混合型混合型: (M2+1-rFe3+r)t(M2+rFe3+2-r)oO4 Mt=n(1-r)+5r mo=nr+5(2-r) m=n(2r-1)+10(1-r) 對(duì)對(duì) NiFe2O4 若若r=0.95 m=2.3 和實(shí)驗(yàn)值相同和實(shí)驗(yàn)值相同 低溫時(shí)也不是全部反位。低溫時(shí)也不是全部反位。舉例舉例e 固溶體固溶體 M1-xZnxFe2O4 (M=Ni,Co,Fe,Mn)

14、 固溶體成分固溶體成分 MFe2O4 反位反位 (Fe3+)t(M2+Fe3+)oO4 ZnFeO4 正位正位 (Zn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4 (1-x)(Fe2+)t(M2+Fe3+)oO4+xZn2+t(Fe3+Fe3 )oO4 (Fe3+1-xZn2+x)t(M2+1-xFe3+1+x)oO4 mt=5(1-x) mo=5(1+x)+n(1-x) （n為為M2+未成對(duì)電子數(shù)）未成對(duì)電子數(shù)） m=10 x+n(1-x) 如如M2+=Ni2+ n=2 m=2+8x x=0.1 m=2.8 0.2 3.6 0.5 6 0.6 6.8 1 10但實(shí)驗(yàn)測得如下圖：但實(shí)驗(yàn)測得如下圖： 7.

15、5 磁性材料的種類磁性材料的種類 永磁材料、軟磁材料、磁信息材料、微波磁性材料等永磁材料、軟磁材料、磁信息材料、微波磁性材料等 磁性材料經(jīng)過磁化以后能長期保留其剩余磁性，并磁性材料經(jīng)過磁化以后能長期保留其剩余磁性，并能抵抗外磁場和其它環(huán)境因素（溫度、振動(dòng)等）的干擾，能抵抗外磁場和其它環(huán)境因素（溫度、振動(dòng)等）的干擾，稱永磁材料（硬磁材料）。稱永磁材料（硬磁材料）。 永磁材料可分：稀土永磁材料、金屬永磁材料、鐵永磁材料可分：稀土永磁材料、金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料等。氧體永磁材料等。 軟磁材料指矯頑力低、容易磁化和退磁的磁性材料。軟磁材料指矯頑力低、容易磁化和退磁的磁性材料?？煞趾辖疖洿挪牧?、鐵氧體軟磁材料、非晶軟磁材料?？煞趾辖疖洿挪牧?、鐵氧體軟磁材料、非晶軟磁材料。 磁信息材料磁信息材料 磁記錄是利用磁性原理輸入（寫入）、記錄、存儲(chǔ)磁記錄是利用磁性原理輸入（寫入）、記錄、存儲(chǔ)