第七章磁性材料2

第七章磁性材料電作用力（電場）E=F/q磁作用力（磁場）B=F/qvsinθ電荷靜止運動7.1基本概念通常把磁性強的物質(zhì)稱為磁性材料磁化率χ=M/HM:磁化強度H:磁場強度磁導率：真空磁導率μ0=B/(H+M)B:磁感應(yīng)強度絕對磁導率μ=B/H相對磁導率μr=μ/μ0μr=1+χ描述微觀粒子的磁性采用磁矩m磁化強度M是指單位體積中的合磁矩

SI制CGS制磁感應(yīng)強度B特斯拉(T)高斯(G)1T=1N/A·m1G=10-4T磁場強度HA/m奧斯特(Oe)1Oe=79.6A/m磁化強度MA/m奧斯特(Oe)真空磁導率μ04×10-7T·m/AG/Oe絕對磁導率μT·m/AG/Oe磁化率χ無量綱7.2磁性來源原子的磁性包括三個部分：1）電子自旋磁矩2）電子軌道磁矩3）原子核磁矩原子總磁矩g:朗德(Lande)因子或光譜分裂因子，其值在1~2之間g≈2自旋起主要作用g≈1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(g=2)離子磁矩有時估算m=gs=2s=n(未成對電子數(shù)）7.3磁性的分類

物質(zhì)磁性的典型分類磁性行為原子磁矩磁導率μ典型χ值磁性無序抗磁性0＜1-1×(10-5~10-8)無變化抗磁順磁性≠0＞110-4~10-5下降弱磁有序反鐵磁性≠0＞110-2~10-4上升弱磁鐵磁性≠0＞＞1102~106下降強磁亞鐵磁性≠0＞＞1102~106下降強磁原子磁矩排列隨溫度上升χ的變化7.3.1無序磁性

a.抗磁性：物質(zhì)中不存在未成對電子宏觀特征：在磁場中受到微弱的排斥力，即在對抗磁場方向受力，磁化強度與外加磁場方向相反，磁化率χ＜0|x|=10-5～10-8b.順磁性：物質(zhì)中存在未成對電子宏觀特征：在磁場中受到微弱的吸引力，即在磁場增強方向受力，磁化強度與外加磁場方向相同，磁化率χ＞0值很小。順磁物質(zhì)X0抗磁物質(zhì)X0HMT（溫度）x順磁性順磁性物質(zhì)遵循居里(Curie)定律：x=c/Tc為居里常數(shù)x=c/(T-)居里-韋氏定律

(Curie-Weiss)為韋氏常數(shù)（通常與實驗值符合得更好）T（溫度）x順磁性鐵磁性T（溫度）x順磁性反鐵磁性TcTN(鐵磁性物質(zhì)、Tc為居里溫度）(反鐵磁性物質(zhì)、TN為奈爾溫度）7.3.2有序磁性

鐵磁性:原子磁矩的排列為方向一致的整齊排列。這種排列因受熱運動而紊亂∴T↑x↓A＞0反鐵磁性:原子磁矩具有互相抵消的有序排列。A＜0亞鐵磁性:原子磁矩具有不能互相抵消的反向排列。A＜0磁有序起因：兩個原子外層電子的交換作用a原子電子1b原子電子2a(1)b(2)兩個離子外層電子交換作用能

電子交換作用的必要條件：①波函數(shù)必須重疊（或說兩電子有某種程度的共用）。②若相鄰原子（或離子）相距較遠，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）。超交換作用一般導致自旋反平行排列。oooo????o?oooo????oooo????oyzx如NiONi2+3d8t2g6eg2

Ni2+O2-Ni2+2個Ni2+的電子自旋反平行dz2dz2pz結(jié)論：交換作用A>0cosφ=1平行排列A<0cosφ=-1反平行排列超交換作用反平行排列Ni2+O2-Ni2+

t2g6eg2

eg2t2g67.4磁性材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)未成對電子順磁性未成對電子+交換作用鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性未成對電子+超交換作用反鐵磁性亞鐵磁性

A>0

A<0

A≈0

A<0

7.4.1過渡金屬氧化物MOTiOVOCrO3d23d33d4d電子不是定域在單一M2＋上，而是離域在T2g能帶，不顯示未成對電子的特性，沒有磁相互作用，呈抗磁性，并且是導電體。MnO,FeO,CoO,NiO隨原子序數(shù)增加，有效核電荷增加，d電子定域于M2+離子上，無導電性，有磁相互作用。在低溫時，呈反鐵磁性；高于奈爾溫度，呈順磁性。MnOMn2+3d5

Mn2+O2-Mn2+↓↓↓↓↓↑↓↑↑↑↑↑超交換作用導致反平行排列，導致反鐵磁性NiONi2+3d8Ni2+O2-Ni2+

反鐵磁性7.4.2尖晶石型鐵氧體（MFe2O4）化學式中包含F(xiàn)e2O3的統(tǒng)稱為鐵氧體例如：Fe3O4(FeO·Fe2O3)MgFe2O4(MgO·Fe2O3)NiFe2O4(NiO·Fe2O3)

尖晶石AB2O4(A)t(BB)oO4t－位于四面體間隙o－位于八面體間隙反尖晶石(B)t(AB)oO4混合型尖晶石(A1-rBr)t(ArB2-r)oO4r為反位度r=0正尖晶石r=1反尖晶石這類化合物不是反鐵磁性,就是亞鐵磁性。O2-MOMOMt↓↑O2-MOMOMt↓↑①當Mt無磁矩時②當Mt有磁矩時總磁矩m=mo↑m=︱mo-mt︳說明：a)MtMt、MoMo和MtMo超交換作用時A<0導致自旋反平行排列。b)MtMo的超交換作用最強，超過MtMt和MoMo

的相互作用，結(jié)果表現(xiàn)為Mt和Mo自旋反平行。舉例aZnFe2O4

低溫時反位(Fe3+)t(Zn2+Fe3+)oO4mt=mFe3+=5mo=mFe3+＋mZn2+=5m=∣mt-mo∣=5-5=0反鐵磁性高溫時正位(Zn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4mt=0mo=0m=0反鐵磁性舉例bMnFe2O4

反位(Fe3+)t(Fe3+Mn2+)oO4mt=5mo=mFe3++mMn2+=10m=∣mt-mo∣=5亞鐵磁性正位(Mn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4mt=5mo=5+5=10m=10-5=5亞鐵磁性混合(Fe3+rMn2+1-r)t(Mn2+rFe3+2-r)oO4mt=rmFe3++(1-r)mMn2+=5r+5(1-r)=5mo=5r+5(2-r)=10m=10-5=5亞鐵磁性舉例cMgFe2O4反位(Fe3+)t(Mg2+Fe3+)oO4mt=5mo=5m=0正位(Mg2+)t(Fe3+Fe3+)oO4mt=0mo=0m=0混合(Fe3+rMg2+1-r)t(Mg2+rFe3+2-r)oO4mt=5rmo=5(2-r)m=5(2-r)-5r=10-10r

室溫時r≈0.9m≈1隨著溫度提高，r減小，m增大。當r在0.5左右m有一極大值，隨r進一步減小，大部分Fe3+在八面體間隙，t-o作用不占主導地位，o-o超交換作用開始占主導，導致磁矩不再增大，而是減小。舉例dMFe2O4(M2+:Fe2+,Co2+,Ni2+等)反位:(Fe3+)t(M2+Fe3+)oO4mt=5mo=5+nM2+m=nM2+計算值實際值Fe2+(n=4)44.2Co2+(n=3)33.4

Ni2+(n=2)22.3混合型:(M2+1-rFe3+r)t(M2+rFe3+2-r)oO4Mt=n(1-r)+5rmo=nr+5(2-r)m=n(2r-1)+10(1-r)對NiFe2O4若r=0.95m=2.3和實驗值相同低溫時也不是全部反位。舉例e固溶體M1-xZnxFe2O4(M=Ni,Co,Fe,Mn)固溶體成分MFe2O4反位(Fe3+)t(M2+Fe3+)oO4ZnFeO4正位(Zn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4

(1-x)[(Fe2+)t(M2+Fe3+)oO4]+x[Zn2+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M2+未成對電子數(shù)）m=10x+n(1-x)

如M2+=Ni2+n=2m=2+8xx=0.1m=2.80.23.60.56