電子材料物理第五章

第五章電子材料的磁學性質本章要點：介紹磁性來源、磁性分類、鐵磁體、磁記錄原理和各種磁性材料的性能及應用

磁性材料在現(xiàn)代微電子學、傳感控制、信息存儲、激光調制以及儀表測量和永磁電機等現(xiàn)代工業(yè)技術中具有廣泛的應用磁性材料主要有金屬基磁性材料和磁性無機材料等，磁性無機材料一般是含鐵及其它元素的的復合氧化物，通常稱為鐵氧體（ferrite），其具有高電阻（10～106Ω·m）、低損耗的優(yōu)點。主要內容5.1物質的磁性5.2磁疇與磁滯回線5.3鐵氧體的磁性和結構5.4硬磁材料和軟磁材料5.5磁記錄與磁存儲材料5.1物質的磁性5.1.1磁性5.1.3磁性的分類磁矩抗磁電子磁矩順磁原子磁矩鐵磁性5.1.2磁性的本質亞鐵磁性電子的磁矩反鐵磁性交換作用5.1.1磁性1磁矩磁性來源于物質中電子的運動及原子和電子內部的永久磁矩任一封閉的環(huán)形電流（I）都具有磁矩大小：方向：與環(huán)形電流的法線方向一致單位：Am2在均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩[Wb.m-2]一維情況，磁矩受到的磁場力為★磁矩是表征物體磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越強，物體在磁場中受到的力也越大磁矩只與物質本身有關，與外加磁場無關2電子磁矩原子中每個電子都具有磁矩產生磁矩的主要原因★電子繞原子核運動→電子軌道磁矩★電子本身自旋→電子自旋磁矩3原子磁矩原子磁矩來源(1)每個電子的軌道磁矩(2)電子自旋磁矩(3)原子核磁矩原子核磁矩很小，一般可以略去。要確定原子的核磁矩，首先要了解原子中的電子分布規(guī)律和原子中電子的角動量是如何耦合的（1）電子殼層與磁性在多電子原子中，決定電子狀態(tài)的原則有兩條★泡利不相容原理：一個量子態(tài)（n，l，ml，ms）上最多容納一個電子★能量最小原理：體系能量最低時最穩(wěn)定原子中一個電子的狀態(tài)由量子數(shù)（n，l，ml，ms）決定，由波函數(shù)量子數(shù)的取值范圍知：①n，l，ml，ms四個量子數(shù)相同的電子最多1個；②n,l,ml三個量子數(shù)相同的電子最多只有兩個；③n，l兩個量子數(shù)相同的電子最多有2（2l+1）個；④對給定主量子數(shù)n的殼層，可容納2n2個電子；能量相同（主量子數(shù)n）的電子分布在同一殼層上，n=0，1，2，3…殼層分別用K，L，M，N等表示；在同一殼層中，可以取0，1，…（l-1）個角量子數(shù)，可以按照其不同分成若干次殼層，分別用符號s，p，d，f，g，h等表示。具體見表5-1電子填滿殼層：電子總動量據(jù)和總磁矩都為零未填滿電子的殼層：存在著未成對的電子磁矩對原子的總磁矩作出貢獻結論：原子的總磁矩取決于未滿電子殼層上的電子磁矩—磁矩電子殼層

（2）角動量耦合與原子總磁矩**

原子中的角動量耦合方式由兩種：軌道-自旋耦合（L-S耦合）z＜32混合耦合32＜z＜82j-j耦合z＞82磁鐵物質的角動量大都L-S耦合原子的總角動量原子磁矩朗德或光譜分裂因子(3)洪德法則多電子原子基態(tài)的量子數(shù)L，S，J

由洪德法則確定法則一：在泡利不相容原理允許下，給定原子組態(tài)具有最大值法則二：在最大S時應有最大值法則三：未滿殼層中J由下列方式證明：①當電子數(shù)少于應滿數(shù)的一半②當電子數(shù)等于或大于應滿數(shù)的一半（4）原子磁矩的計算（1）cr+3(z=24):電子組態(tài)1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(3)

→半滿以下,則S=1/2+1/2+1/2=3/2（最大值）L=2+1+0=3（可能最大值）J=L-S=3/2總的電子自旋磁矩3uB原子磁矩：將LSJ帶入公式求出gJ=0.4uJ=1.3856uB(2)鐵原子（原子序數(shù)26），基態(tài)電子殼層分布為1s（2）2s（2）2p（6）3s（2）3p（6）3d（6）4s（2）磁性電子殼層3d（6）（半滿以上）S=5×1/2-1/2=2電子的總自旋磁矩4uBL=2+1+0+（-1）+(-2)+2=2J=L+S=4

原子磁矩：gJ=1.5uJ=6.74磁化強度與磁導率真空中磁介質中介質磁導率表征磁介質的磁性、導磁性和磁化難易程度，只與介質有關定義磁化強度X叫做磁化率，可正可負5.1.2磁性的本質1電子的磁矩磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象存在本質的聯(lián)系物質的磁現(xiàn)象與原子、電子結構有關電子磁矩=電子軌道磁矩+自旋磁（1）晶體中電子軌道磁矩受晶格場的作用，方向是變化的，不能形成聯(lián)合磁矩，對外沒磁性作用。所以物質磁性主要是自旋磁矩引起的（2）原子核自旋的自旋磁矩可以略去不計（3）孤立原子是否具有磁矩，決定于原子的結構，即有無未填滿的電子殼層2交換作用用來解釋磁性很強的鐵磁體的磁特性鐵磁性除與電子結構有關外，還與晶體結構有關：處于不同原子間、未填滿殼層上的電子由于公有化運動發(fā)生特殊的相互作用—稱作交換作用交換作用產生的交換能wj與原子間距密切相關（圖5.3）a/D＞3：交換能為正值，鐵磁性a/D＜3：交換能為負，反鐵磁性5.1.3磁性的分類1抗磁性**磁化強度M為負值（磁化率X為極小的負數(shù)）—M和H方向相反，并且?guī)缀醪浑S溫度變化。無永久磁矩，外磁場使電子軌道變化感生一個磁矩

2順磁性**磁化強度M（磁化率X）為正值—M和H方向一致，與溫度成反比關系3鐵磁性***屬于強磁性物質，室溫下磁化率～103鐵磁性物質的主要特性（1）很容易磁化，在不強的磁場下就可以磁化到飽和態(tài)（2）磁化強度與外磁場不成線性關系—磁滯回線（3）鐵磁性物質的磁性與溫度有關，遵從居里外斯定律4亞鐵磁性溫度低于居里點TC時，與鐵磁性相似，具有自發(fā)磁化和磁滯特性，但X和M都比鐵磁體小的多，在溫度高于居里點時，特性像順磁體。5反鐵磁性其交換能為負值，電子自旋反向平行排列，無自發(fā)磁化現(xiàn)象—宏觀特性是順磁性；交換能與磁性關系5.2磁疇與磁滯回線5.2.1磁疇5.2.2磁滯回線5.2.3磁導率5.2.1磁疇鐵磁體在很弱的外磁場作用下就能顯示強磁性，是由于鐵磁體內存在著自發(fā)極化的小區(qū)域-磁疇的緣故，磁疇之間的過渡層稱為疇壁鐵磁體在外磁場中的磁化過程主要為疇壁的移動和磁疇內磁矩的轉向。5.2.2磁滯回線無外磁場時，材料處于退磁態(tài)，具有不同方向的磁疇的磁矩大體可以抵消有外磁場不很大時，疇壁發(fā)生移動，使與外場方向一致的磁疇區(qū)域擴大外場增大到一定程度，磁矩都向著場的方向排列，處于飽和狀態(tài)5.2.2磁滯回線★磁導率U表征了磁性材料傳導和通過磁力線的能力，是磁性材料最重要的物理量之一★一般磁性材料，磁導率是常數(shù)，B和H是線性關系鐵磁體，磁導率隨外磁場變化，B和H是非線性關系：圖5.10★為獲得高U的磁性材料，一方面提高材料的飽和磁化強度，另一方面要減少磁化過程中的阻力，所以要嚴格控制材料的成分和工藝

磁滯損耗與回線面積成正比5.3鐵氧體的磁性和結構鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，它一般包含多種金屬的氧化物鐵氧體磁性與鐵磁性相同點：有自發(fā)磁化強度和磁疇；所以又統(tǒng)稱為鐵磁性物質

鐵氧體磁性與鐵磁性不同點：鐵氧體一般包含多種金屬氧化物，其磁性來自兩種不同排列方向相反、大小不同的磁矩（兩者之差-自發(fā)磁化），其磁性屬于亞鐵磁性鐵氧體按材料結構分為尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鈦礦型、鈦鐵礦型和鎢青銅型，主要為前3種

5.3.1尖晶石型鐵氧體1尖晶石結構屬于AB2O4型化合物，通式

氧離子為體心立方密堆排列。由此氧離子可組成氧四面體空位（A）和八面體空位（B）★若二價離子M2+都處于A位，F(xiàn)e+3占據(jù)B位，則為正尖晶石如

★若二價離子M2+處于B位，三價離子分別占據(jù)A位和B位，則為反尖晶石如亞鐵磁性尖晶石多為反尖晶石結構，其凈磁矩的形成可表示為：

→借助電子自旋耦合形成二價離子的凈磁矩反型的出現(xiàn)取決于熱處理條件，通過對正尖晶石結構提高溫度再淬火才形成易于反型結構2．亞鐵磁性

為了解釋鐵氧體的亞鐵磁性，尼爾認為A和B位離子總是反平行排列，但由于鐵氧體中總合有兩種或以上陽離子，離子磁矩大小不同，數(shù)目有所不同，因而存在剩余凈磁矩。鐵磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性的對比如圖5-12。)

如（1）亞鐵磁性的鐵礦石→凈磁矩Fe+2（3d6）（鐵原子序數(shù)是26，失去兩個電子），所以s=2總自旋磁矩

（2）反鐵磁性的鋅鐵氧體（）正尖晶石構

（原子序數(shù)30）→3d10,s=0表現(xiàn)為反鐵磁性5.3.2石榴石型鐵氧體★通式為M為三價稀土離子,c,a,d表示該離子在晶格中的位置類型,晶體為立方結構.a位于體心立方位置,c,d位于立方體各個面上(見圖5.13).

★三個位置離子的取向為:a,d位離子反平行，c、d位離子也反平行排列

靜磁矩

Un=3Uc+2Ua-3Ud:→每個Fe3+離子的磁矩為5uB，2個a位上的fe3+的磁矩10uB，3個d位上的Fe3+的磁矩15uB所以5.3.3磁鉛石型鐵氧體含