材料的磁性課件

功能材料之一

材料的磁性

磁性是物質(zhì)的基本屬性，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如1）電氣化：發(fā)電用的發(fā)電機(jī)和動(dòng)力用的電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁鋼2）信息化：磁記錄器和磁存儲器3）高能加速器和粒子檢測器：需要使用強(qiáng)磁場4）原子核和基本粒子的微觀物理學(xué)研究：產(chǎn)生磁場的裝置5）生物學(xué)和醫(yī)學(xué)：生物體為弱磁體，各組織和器官的弱磁性有所不同，疾病診斷6）地球科學(xué)研究和應(yīng)用：研究地磁場的起源和演化。7）天文學(xué)的研究和航天新技術(shù)：目前已知的最強(qiáng)磁場（脈沖星即中子星的磁場高達(dá)108-109T）和最低磁場（星系際磁場低到10-13T）均存在于天文學(xué)的研究中。磁性與磁性材料的發(fā)展史

指南針?biāo)抉R遷《史記》描述黃帝作戰(zhàn)用

1086年宋朝沈括《夢溪筆談》指南針的制造方法等

1119年宋朝朱或《萍洲可談》羅盤用于航海的記載磁石最早的著作《DeMagnete》W.Gibert18世紀(jì)奧斯特電流產(chǎn)生磁場法拉弟效應(yīng)在磁場中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流安培定律構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ),

電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)

1907年P(guān).Weiss的磁疇和分子場假設(shè)

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，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

1954-1957年RKKY相互作用的建立

1958年M?ssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

1960年非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言

1964年Kondoeffect近藤效應(yīng)

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)Sagawa(佐川)1986年高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller

1988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La1-xCaxMnO3

1995年隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki磁性的來源1、早期觀點(diǎn)1）安培分子電流在磁介質(zhì)中分子、原子存在著一種環(huán)形電流——分子電流，分子電流使每個(gè)物質(zhì)微粒都成為微小的磁體在沒有被磁化時(shí)，分子電流雜亂無章排列，不顯磁性；加入磁場，分子電流沿磁場方向規(guī)則排列，顯磁性2）磁荷磁介質(zhì)的最小單元是磁偶極子介質(zhì)沒有被磁化，磁偶極子的取向無規(guī)，不顯磁性；處于磁場中，產(chǎn)生一個(gè)力矩，磁偶極矩轉(zhuǎn)向磁場的方向，各磁偶極子在一定程度上沿著磁場的方向排列，顯示磁性2、現(xiàn)代觀點(diǎn)：物質(zhì)的磁性來源于組成物質(zhì)中原子的磁性1)帶電的粒子漂移或運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場2)電子的自旋電子的軌道運(yùn)動(dòng)：核外電子的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)閉合電流，具有一定的軌道磁矩4)原子核的磁矩材料的磁性主要來源于電子的軌道磁矩和自旋磁矩。原子核的磁矩很小，只有電子的幾千分之一，通?？梢月匀ゲ挥?jì)要研究材料的磁性，必須探討體系的電子特性電子是電荷與自旋的統(tǒng)一載體當(dāng)今光電子和微電子材料的研究和應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的大多只是電子的電荷特性，而忽略了電子自旋的一面。但當(dāng)器件的尺度減小到納米量級時(shí)，由于量子效應(yīng)，現(xiàn)有電子學(xué)器件的發(fā)展將趨于極限。而量子尺度下電子的自旋屬性可以得到充分的顯示，如果能有效地利用電子自旋的特性，必將使電子學(xué)器件的功能得到根本性的改善和提高。固體的磁性宏觀描述參數(shù)：磁化率

對于各向同性的物質(zhì)，H：磁場強(qiáng)度M：磁化強(qiáng)度

定義為材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度

B：

固體磁性的分類

抗磁性（磁無序）：磁化率是數(shù)值甚小的負(fù)數(shù)，量級~10-6。大部分的絕緣體和一部分簡單金屬順磁性（磁無序）：磁化率是數(shù)值比較小的正數(shù)，它與溫度T成反比關(guān)系，遵從居里定律。大部分金屬鐵磁性（磁有序）：這類固體的磁化率是特別大的正數(shù)，在某個(gè)臨界溫度TC以下，即使沒有外加磁場，材料中也會(huì)產(chǎn)生自發(fā)的磁化強(qiáng)度。在高于TC的溫度，它變成順磁體，磁化率服從居里——外斯定律亞鐵磁性（磁有序）：這類材料在溫度低于TC時(shí)的磁化率不如鐵磁體那么大，它的自發(fā)磁化強(qiáng)度也沒有鐵磁體的大。典型的亞鐵磁材料是鐵氧體。順磁居里點(diǎn)

<TC,且往往為負(fù)值，反鐵磁性（磁有序）：這類材料的磁化率是小的正數(shù)。在溫度低于反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度尼爾溫度TN時(shí)，c隨溫度的降低而下降，并且它的磁化率同磁場的取向有關(guān)；在溫度高于TN

時(shí)，它的行為是順磁的，磁化率與溫度的關(guān)系是順磁性鐵磁性亞鐵磁性反鐵磁性為什么材料會(huì)表現(xiàn)出不同的磁性？在晶體中，軌道與軌道、軌道與自旋、自旋與自旋的直接或間接的相互作用以及這些磁矩對外磁場響應(yīng)的特性就構(gòu)成了各種不同的磁性物質(zhì)?！?原子和離子的固有磁矩原子的磁性：電子的軌道磁矩和自旋磁矩軌道磁矩自旋磁矩核外電子的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)閉合電流，具有一定的軌道磁矩

電子具有自旋，是量子化的。電子的自旋磁矩同自旋角動(dòng)量S成正比。對自由電子，gS

＝2.0003§1.1原子的磁矩

當(dāng)原子中的殼層被電子填滿時(shí)，它們的軌道和自旋的磁矩總和是零，對原子的固有磁矩沒有貢獻(xiàn)未滿殼層的電子對原子的固有磁矩有貢獻(xiàn)原子總磁矩

J由總的自旋磁矩與總的軌道磁矩合成軌道和自旋磁矩合成的總磁矩

另一方面，原子的總磁矩應(yīng)與總角動(dòng)量成正比g為Lander因子

原子的有效磁矩等于

L

和

S

的平行于J

的分量之和

角動(dòng)量都是量子化的

原子磁矩的大小

B：玻爾磁子數(shù)，P：原子或離子的有效玻爾磁子數(shù)，

討論：若原子的磁矩完全由電子的自旋磁矩所貢獻(xiàn)，則L=0,J=S，g=2若完全由電子的軌道磁矩所貢獻(xiàn)，則S=0,J=L，g=1一般情況下兩者都有貢獻(xiàn)。g的數(shù)值可以從實(shí)驗(yàn)精確測定，由此可以判定磁性的來源是由于電子的軌道運(yùn)動(dòng)，或電子自旋或兩者都有實(shí)驗(yàn)上往往觀察到g因子大于2的情況，這是為什么呢？理論上可以證明，g因子還與材料的晶格場有關(guān)系原子或離子的基態(tài)量子數(shù)的確定：洪德定則

原子或離子基態(tài)的自旋角動(dòng)量S取泡利原理允許的最大值，亦即S最大的能級位置最低。泡利原理是指在原子中不能有兩個(gè)電子處于同一狀態(tài)。另一方面，由于庫侖相互作用，自旋相互平行的電子能量較低?？傑壍澜莿?dòng)量取符合泡利原理?xiàng)l件的最大值，即具有相同S值的能級中，最大L值的能級位置最低。這里的mli為磁量子數(shù)，它是（2l＋1）重簡并的，l為軌道數(shù)。原子的總角動(dòng)量量子數(shù)J

可取因此，當(dāng)支殼層不到半滿時(shí)，??；當(dāng)支殼層正好半滿或超過半滿時(shí)，??；支殼層正好半滿時(shí)，取L=0,J=S。

例：求三價(jià)Pr+++離子的有效玻爾磁子數(shù)

原子序數(shù)：59

電子組態(tài)：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f25s25p6

不滿的殼層：4f2，有兩個(gè)電子

運(yùn)用洪特定則：

1）這兩個(gè)電子的自旋角動(dòng)量可以相互平行，因此

S＝2×（1/2）＝1；

2）4f

態(tài)確定的軌道數(shù)l＝3，本身填充14個(gè)電子。現(xiàn)在有兩個(gè)電子，要使得L為最大值，并在不違背泡利原理的前提下，可取

ml=3，2。因此取離子基態(tài)最大的磁量子數(shù)ML=5，即L=5。

3）現(xiàn)在f殼層只有2個(gè)電子，小