專題材料1磁學(xué)基礎(chǔ)與磁電子學(xué)進(jìn)展

1、專題材料 1：磁學(xué)基礎(chǔ)與磁電子學(xué)進(jìn)展10.1 朗之萬抗磁性磁化率磁性與量子力學(xué)是不可分開的，因?yàn)樘幱跓崞胶獾膰?yán)格的經(jīng)典系統(tǒng)，即使在磁場和也不會顯出磁性原子的磁矩有三個主要的來源： 一是電于所固有的自旋，二是電子繞核旋轉(zhuǎn)的軌道角動量，三是外加磁場感生的軌道矩改變前兩個效應(yīng)對磁化產(chǎn)生順磁性貢獻(xiàn)，第三個給出抗磁性貢獻(xiàn)，磁化強(qiáng)度M 定義為體積所具有的磁矩。體積德磁化率定義為磁化率也常常按質(zhì)量，或按每摩爾物質(zhì)定義磁化率為負(fù)的物質(zhì)稱為抗磁性的，磁化率為正的物質(zhì)稱為順磁性的，如下圖所示圖 1 抗磁性物質(zhì)和順磁性物質(zhì)的特征磁化率10.1.1 朗之萬抗磁磁化率電荷具有棲聯(lián)系的物體使之與外加磁場部分地的傾向，抗磁

2、性就是與此朗之萬抗磁性方程為計(jì)算一個孤立原子的抗磁磁化率r借助量子力學(xué)可以計(jì)算電子分布，約化為計(jì)算原子中電子分布的在固體電介質(zhì)中，朗之萬結(jié)果粗略地表述了離子實(shí)對抗磁性的貢獻(xiàn)10.2順磁性電子順磁性(對于 的正的貢獻(xiàn))出現(xiàn)于下列物質(zhì)之中：1具有奇數(shù)個電子的原子，分子和晶格缺陷，因?yàn)樵谶@種情況下，系統(tǒng)的總自旋不可能為零例如：甲基，鹵化堿晶體中的F 心鈉原子；氣態(tài)一氧化氦；有機(jī)基，如三苯2內(nèi)殼層沒有被填滿的原子和離子；過渡族元素；電子結(jié)構(gòu)與過渡族元素相同的離子；稀土元素和錒系元素這些離子存在于固體中時，有許多表現(xiàn)出順磁性，但并非所有的都是這樣3少數(shù)含有偶數(shù)個電子的化合物、包括分子氧和有機(jī)雙4金屬10

3、.2.1 順磁性的量子理論在空間、原子或離子的磁矩是g 因子由方程給出：在磁場中，系統(tǒng)的能級是若系統(tǒng)只有兩個能級，平衡布居數(shù)是高能態(tài)的磁矩沿磁場方向的投影為一，低能態(tài)的投影為 磁。磁化強(qiáng)度的公式是其中函數(shù)：圖 2 球形樣品的磁矩對B/T 的關(guān)系曲線圖磁化率為即定律。其中P 為有效磁子數(shù)，C 為常數(shù)圖 310.2.2定則(d)定則應(yīng)用于處在原于的某個指定殼層上的電子，法則斷言電子占據(jù)軌道的方式使基態(tài)具有下列特征：1總自旋S 取不相容原理所允許的最大值；2軌道角動量L 取與這個 S 值不相的最大值；3殼層不夠半滿時，總角動量J 的值等于|L 一S|，超過半滿時，等于L十S殼層正好半滿時，應(yīng)用第一條

4、定則得到 L0，于是JS第一條定則于不相容原理和電子間的排斥作用第二條定則最好根據(jù)模型計(jì)算去理解10.2.3鐵族離子上表說明：對于周期表中的鐵族過渡元素的鹽類，磁子數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與推導(dǎo)符合不佳實(shí)驗(yàn)值常常與應(yīng)用公式P2S（S 十 1)計(jì)算的磁子數(shù)符合得不錯，而這個表達(dá)式是按照軌道磁矩似乎根本不存在這種情況計(jì)算的。10.2.4 晶場劈裂10.3 絕熱去磁致冷和傳導(dǎo)電子的順磁磁化率10.3.1 絕熱去磁致冷絕熱去磁是最早獲得遠(yuǎn)低于I K 溫度的方法用這種方法普達(dá)到 103K 以及更低的溫度此法所根據(jù)的事實(shí)是：在固定溫度下磁矩系統(tǒng)的熵由于外加磁場而減小若在磁化以后，能夠保持自旋系統(tǒng)的熵不變而將磁場撤去，那

5、么自旋系統(tǒng)的有序度所相應(yīng)的溫度看來比同樣的有序度在磁場存在時所相應(yīng)的溫度為低當(dāng)樣品絕熱去磁時熵只可能從晶格振動系統(tǒng)流入自旋系統(tǒng)，圖 5 絕熱去磁過程中樣品總熵不變致冷過程的程序步驟示于下圖 6圖 710.3.2 傳導(dǎo)電子的順磁磁化率現(xiàn)在來計(jì)算電子氣在TTF 時的順磁磁化率表達(dá)式，采用下圖所示的計(jì)算方法圖 8 絕對零度下的泡利順磁性磁矩平行于磁場的電子濃度是磁矩反平行于磁場的電子濃度為因此磁化強(qiáng)度為以上推導(dǎo)順磁磁化率的過程中，假定電子的空間運(yùn)動不受磁場影響但是磁場會改變波函數(shù) Landau 曾經(jīng)證明，對于電子這改變產(chǎn)生一個抗磁矩，等于順磁磁矩的一 13。因此，電子氣的總磁化強(qiáng)度為大多數(shù)過渡金屬(

6、有末填滿的內(nèi)電子殼層)的磁化率顯著高于堿金屬的磁化率這么高的磁化率表明，過渡金屬的軌道密度特別大，這與電子比熱容的測量結(jié)果也一致即使外加磁場為零，鐵磁體也具有磁矩，即自發(fā)磁矩自發(fā)的存在提示人們：電子的自旋和磁矩按照有規(guī)則的方式排列排列并不必然是簡單的：下圖所示的各種自旋排列中，除簡單反鐵磁體外，其余的都有自發(fā)磁矩，稱為飽和磁矩104 鐵磁序10.4.1和交換積分試考慮一個順磁體，它含有自旋為S 的離子，其濃度為N只要有一種的相互作用使這些磁矩趨子相互平行排列，就會得到一個鐵磁體讓定確實(shí)有這樣一種相互作用，并把它稱為交換場假在平均場近似中，假設(shè)每個磁性原子都感受到一個正比于磁化強(qiáng)度的磁場：設(shè)想在

7、順磁相中，外加場 Ba 產(chǎn)生一定大小的磁化強(qiáng)度，這磁化強(qiáng)度又轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一定大小的交換場BE ，若順磁磁化率為 p，則有按照-外斯定律得到此式能相當(dāng)好的描述實(shí)驗(yàn)觀測到的磁化率變化。鎳的磁化率倒數(shù)與溫度的關(guān)系曲線如下圖圖 9可以定出平均場常數(shù)的數(shù)值交換場近似地表示量子力學(xué)的交換作用。根據(jù)一定的假設(shè)可以證明：分別具有自旋Si 和Sj 的原子i 和原子j 之間的相互作用能量包含一項(xiàng)其中J 是交換積分，它與原子i 和j 的電荷分布的堡模型有關(guān)方程稱為交換積分J 與溫度Tc 之間可以建立一個近似的聯(lián)系假設(shè)所考慮的原子有z 個最近鄰，每個最近鄰?fù)ㄟ^相互作用 J 與中心原子連接對于更遠(yuǎn)些的近鄰原子可以取Jo平均

8、場理論的結(jié)果是10.4.2 飽和磁化強(qiáng)度對溫度的依賴關(guān)系在溫度以下，可以用平均場近似求出磁化強(qiáng)度的溫度關(guān)系步驟同前面一樣，但不用定律，而用磁化強(qiáng)度的完整的表達(dá)式對于自旋 S12，若略去外加磁場，用分子場代替B，則為了求解方程，方程改寫成約化磁化強(qiáng)度mMN 和約化溫度t=kBT/N，把然后，把方程的左端和右端作為m 的網(wǎng)數(shù)分別作圖，如下圖所示兩條曲線的交點(diǎn)繪出感的溫度之下的m 值圖 10 圖解法求解方程這樣得到的M-T 曲線粗略的表現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的特征，如下圖圖 11 鎳的飽和磁化強(qiáng)度和溫度的關(guān)系圖 12 鎳的磁化強(qiáng)度隨溫度升高而降低10.5 亞鐵磁序?qū)τ谠S多鐵磁晶體，T=0 時的飽和磁化強(qiáng)度并不

9、對應(yīng)著所含順磁離子的磁短平行排列 甚至對于有一些晶體，雖然存在有力的表明單個順磁離子具有正常的磁矩，也仍然還有這種現(xiàn)象最熟悉的例于是磁鐵曠，即 Fe3O4。若假設(shè)Fe3+離子的磁矩是相互反平行的，因而測得的磁矩只是由于Fe2+離子所引起?，F(xiàn)在證明：三種反鐵磁相互作用可以導(dǎo)致亞鐵磁性作用在 A 自旋晶格和B 自旋晶格上的平均交換場可以寫作相互作用能密度是因?yàn)镸A=MB=0 是一個可能的解，所以應(yīng)該把反平行時的能量與零相比較，因此當(dāng)時，MA 與 MB 在基態(tài)下應(yīng)該取向相反。10.5.1亞鐵磁體的溫度和磁化率在平均場近似下得到有非零解條件是解得到TTc 時的磁化率圖 13 磁鐵礦的磁化率倒數(shù)的試驗(yàn)曲

10、線10.6 反鐵磁序利用中子測定磁結(jié)構(gòu)的典型例子示于下圖圖 14 MnO 在自旋序溫度附近的中子衍射圖反鐵磁體是亞鐵磁體的一種特殊情況，即其中的A 和B 兩套子晶格磁化強(qiáng)度相等因此，在平均場近似下TTN 磁化率10.6.1溫度以下的磁化率存在著兩種情況，即外加磁場垂直于自旋軸和外加場平行于自旋軸在溫度下磁化率幾乎與外場和自旋軸的相對方向無關(guān)磁場存在時能量密度為當(dāng)外場平行于自旋軸時，若自旋系統(tǒng)A 和 B 與外場夾角相等，則磁能不變T=0K 時磁化率為零即圖 15利用平均場近似方法計(jì)算 0K 下磁化率是的兩種情況示意圖a 垂直平行b圖 16MnF2的磁化率10.7 鐵磁疇實(shí)際樣品有一些小區(qū)域組成，這些區(qū)域稱疇。在外加磁場作用下，樣品的磁矩增大是通過兩種互不相關(guān)的過程實(shí)現(xiàn)的：1在弱的外加場中，相對于磁場處于有利取向的疇的體積通過并吞處于不利取向的疇而長大，下圖圖 17 磁化曲線示意圖。表明了在曲線不同區(qū)域占主導(dǎo)的磁化過程。2在強(qiáng)的外加場中，磁化強(qiáng)度向磁場方向旋轉(zhuǎn)圖 18 技術(shù)磁化曲線（磁滯回線）10.7.1 各向異性能鐵磁晶體具有一項(xiàng)能量，它使磁化強(qiáng)度指向某些特定的晶體學(xué)軸，這些軸稱為易磁化方向這項(xiàng)能顯稱為磁晶能，或各向異性能它的產(chǎn)生不是由于上面考慮過的