《固体的磁性》课件

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1、固 体 的 磁 性 一 般 论 述 固 体 的 抗 磁 性 固 体 的 顺 磁 性 电 子 顺 磁 共 振 铁 磁 性 和 分 子 场 理 论 交 换 互 作 用 自 旋 波 反 铁 磁 性 和 亚 铁 磁 性 B. Gleich, et al., Nature 435, 1214 (2005) MFH应 用 于 肿 瘤 等 疾 病 的 无 创 治 疗 原 理 简图MFH（ magnetic fluid hyperthermia 磁 流 体 热 疗 ） 有 关 磁 学 的 Nobel物 理 学 奖 (I) 1902 塞 曼 效 应 P. Zeeman, H. A. Lorentz 1943 斯

2、 特 恩 -盖 拉 赫 实 验 发 展 分 子 束 方 法 并 测 出 质 子 磁 矩 O. Stern, W.Gerlach 有 关 磁 学 的 Nobel物 理 学 奖 (II) 1944 分 子 束 核 磁 共 振方 法 测 定 核 磁 矩 I. I. Rabi 1952 凝 聚 态 物 质 的 核 磁 共振 测 量 方 法 F. Bloch, E. M. Purcell 有 关 磁 学 的 Nobel物 理 学 奖 (III) 1966 光 磁 共 振 方 法 A. Kastler 1955 测 定 电 子 磁 矩 P. Kusch 2007 巨 磁 阻 效 应 (GMR) Peter

3、 Grnberg , Albert Fert 有 关 磁 学 的 Nobel物 理 学 奖 (IV) 1970 磁 流 体 力 学 H. O. G. Alfven 反 铁 磁 性 与 铁 氧 体 L. E. F. Neel 1 一 般 论 述1.1 固 体 的 磁 化 率 (susceptibility) 真 空 磁 导 率 磁 化 强 度 矢 量 磁 化 率 相 对 磁 导 率 物 质 磁 性 分 类1.2 物 质 磁 性 分 类 按 物 质 在 外 场 中 表 现 的 特 性 按 化 学 成 分 按 物 理 方 法 按 物 质 在 外 场 中 表 现 的 特 性 分 类（ 磁 化 率 的

4、大 小 及 正 负 ） 顺 磁 性 材 料 弱 磁 性 物 质 抗 磁 性 材 料 铁 磁 性 材 料 - 强 磁 性 物 质 （ 磁 性 材 料 ） 磁 性 材 料 软 磁 性 材 料 （ 剩 磁 较 小 ） 剩 磁 弱 ， 易 去 磁 ， 适 于 反 复 磁 化 的 场 合例 如 ： 半 导 体 收 音 机 天 线 磁 棒 ， 录 音 机 磁 头 ，电 脑 记 忆 元 件 ， 变 压 器 ， 交 流 发 电 机 ， 电 磁铁 ， 各 种 高 频 元 件 的 铁 芯 等 硬 磁 性 材 料 （ 剩 磁 较 大 ） 剩 磁 强 ， 不 易 退 磁 ， 可 制 成 永 磁 铁例 如 ： 磁 电

5、式 仪 表 ， 扬 声 器 ， 话 筒 ， 永 磁 电 机等 电 器 设 备 按 化 学 成 分 分 类 软 磁 ： 软 铁 、 硅 钢 、 镍 铁 合 金 金 属 磁 性 材 料 硬 磁 ： 碳 钢 、 钨 钢 、 铝 镍 钴 合 金 铁 氧 体 铁 氧 体 大 致 可 分 成 3类 : 第 1类 在 移 去 外 磁 场 后 很 快 消 退 磁 化 ， 被 称 为 软磁 体 ， 如 (Mn、 Zn)Fe2O4 、 (Ni、 Zn)Fe2O4， 被 用 于制 作 变 压 器 的 铁 芯 或 马 达 等 ； 第 3类 则 为 残 留 磁 化 大 ， 磁 性 不 易 消 失 的 永 久 磁铁 ，

6、又 称 硬 磁 体 如 Co0.75Fe2.25O4； 第 2类 则 介 乎 二 者 之 间 ， 称 为 矩 形 磁 体 ， 如(Mn、 Mg)Fe 2O4 、 CoFe2O4 ， 用 于 电 子 计 算 机 的 存 储元 件 。 铁 氧 体 最 主 要 的 有 尖 晶 石 型 、 石 榴 石 型 和 磁 铅 石型 等 。 尖 晶 石 是 指 以 MgAl2O4为 典 型 代 表 的 结 构 类 型 。如 用 Fe取 代 Al3+， 便 得 尖 晶 石 铁 氧 体 ， 通 式 为 MFe2O4，M=Mg2+、 Ni2+、 Co2+、 Cu2+、 Fe2+、 Zn2+、 Mn2+等 。 石 榴

7、石 结 构 型 起 名 于 矿 物 石 榴 石 ， 具 通 式A3B2(SiO4)3， A= Mg2+、 Fe2+、 Mn2+等 ， B= Al3+、 Fe2+、Cr3+等 。 该 系 矿 物 种 类 繁 多 。 具 有 磁 性 的 铁 石 榴 石 可 用通 式 M3Fe5O12， 表 示 ， M=Y3+、 Ln3+等 ， 铁 为 Fe3+。 磁 铅 石 是 第 3类 铁 氧 体 ， 以 MFe12O19为 通 式 ，M=Ba、 Sr等 。 它 们 是 尖 晶 石 结 构 的 超 构 ， 具 六 方 对 称性 。 磁 铅 石 的 阳 离 子 可 被 多 种 金 属 离 子 取 代 ， 为 磁

8、记 录材 料 。 按 物 理 方 法 分 类 抗 磁 体 顺 磁 体 铁 磁 体 反 铁 磁 体 和 亚 铁 磁 体 抗 磁 体 经 典 抗 磁 体 “ 反 常 ” 抗 磁体 超 导 体 0 |很 小 10-5 与 外 磁 场 大 小 无 关 与 温 度 无 关 所 有 原 子 （ 离 子 ） 都 没 有固 有 磁 矩 0 |很 小 10-4-10-3 依 赖 于 外 磁 场 服 从 Curie law 含 Fe、 Co、 Ni离 子 的 盐 类 ； 铁 磁 金 属 在 温度 高 于 铁 磁 居里 温 度 时本 质 特 征 ： 材 料 内 含 有 浓 度 可 观 的 因 不 满 原 子 壳 层

9、 而 具 有 固有 磁 矩 的 离 子大 多 数 金 属 ， 例 如 碱 金 属 10 -6 Table .1 铁 磁 体 0 |很 大 ， 约 为 顺 磁 体 的 105-106 依 赖 于 外 磁 场 Fe、 Co、 Ni本 质 ： 不 满 的 3d壳 层 引 起 固 有 磁 矩 ， 相 邻 原 子 间的 量 子 力 学 互 作 用 使 得 各 原 子 的 固 有 磁 矩 趋 于平 行 排 列 ， 导 致 了 铁 磁 性 Table .1 Table .2 反 铁 磁 体 在 某 些 场 合 ， 原 子 间 的 互 作 用 量 子 力 使 得相 邻 离 子 （ 原 子 ） 的 磁 矩 方

10、向 相 反 ， 导 致总 的 不 表 现 出 磁 性 。 在 外 场 下 ， 表 现 为 特 有 的 顺 磁 性 ， 并 有 显著 的 各 向 异 性 。 多 为 过 渡 金 属 的 化 合 物 ， CrCl2、 MnO、NiO、 CoO、 FeF2、 VCl3、 V2O4等 亚 铁 磁 体 固 体 中 含 有 两 种 大 小 不 等 的 固 有 磁 矩 的 离子 （ 原 子 ） ， 而 这 些 离 子 （ 原 子 ） 间 的 量子 作 用 力 使 其 磁 矩 方 向 相 反 ， 由 于 他 们 的 M大 小 不 等 ， 结 果 仍 存 在 一 定 的 总 磁 矩 。 在此 情 况 下 ， 与

11、 铁 磁 体 类 似 ， 也 显 现 出 自 发磁 化 强 度 。 Fe3O4 (FeOFe2O3) MnFe2O4、 CoFe2O4、 NiFe2O4、 Y3Fe5O4、Gd 3Fe5O12等 Fig.1 当 铁 磁 （ 或 亚 铁 磁 ） 颗 粒 的 尺 寸 小 于 磁 畴的 最 小 尺 寸 时 ， 每 个 颗 粒 将 只 能 包 含 一 个单 畴 。 一 般 磁 畴 的 最 小 尺 寸 是 微 米 量 级 ， 因 此 每个 MNP都 是 一 个 单 畴 ， 称 为 单 畴 铁 磁 。 当 MNP的 尺 寸 足 够 小 时 ， 热 涨 落 足 以 随 机地 翻 转 一 个 MNP的 M的

12、方 向 ； 这 被 称 为 超顺 磁 ， 即 每 个 MNP依 然 是 铁 磁 （ 或 亚 铁磁 ） ， 但 是 各 个 MNP的 M却 像 顺 磁 体 系 中的 原 子 磁 矩 一 样 ， 受 热 涨 落 的 影 响 随 机 排列 。 超 顺 磁 与 顺 磁 类 似 ， 不 存 在 磁 滞 现 象 ， 也就 不 存 在 磁 滞 产 热 机 制 。 与 超 顺 磁 直 接 相 关 的 磁 驰 豫 机 制 ： Nel驰 豫 ， 驰 豫 时 间 （ N） 由 Nel-Arrhenius公 式 给 出 ， 0： 由 材 料 的 自 旋 动 力 学 决 定 的 本 征 驰 豫 时 间 ，又 称 “ 企

13、 图 时 间 ” （ attempting time） ， 其 值 一般 在 1010-1012s； Ka： 磁 各 向 异 性 能 ， 它 一 般 包 含 磁 晶 和 形 状 各 向异 性 两 部 分 ； Vm： 磁 体 积 。 0 exp a mN BK Vk T 2 固 体 的 抗 磁 性 芯 电 子 的 抗 磁 性 Langevin 抗 磁 磁 化 率 自 由 电 子 抗 磁 性 Landau抗 磁 性 de Hass Van Alphen效 应 Fig.2 Fig.3 Fig.4 Fig.5 3 固 体 的 顺 磁 性 原 子 （ 离 子 ） 的 磁 性 Hund定 则 朗 之 万

14、顺 磁 磁 化 率 自 由 电 子 顺 磁 性 （ Pauli顺 磁 性 ） 引 起 顺 磁 性 的 主 要 原 因 固 体 中 存 在 具 有 固 有 磁 矩 的 顺 磁 离 子 固 体 中 自 由 电 子 的 自 旋 磁 矩 固 体 中 存 在 束 缚 于 缺 陷 或 杂 质 上 的 单 个 电子 的 自 旋 磁 矩 上 述 固 有 磁 矩 在 外 场 中 的 转 向顺 磁 性 Fig. 6 Fig. 7 Hund定 则 满 足 Pauli原 理 的 条 件 下 ， 原 子 自 旋 量 子 数S取 最 大 值 满 足 Pauli原 理 的 条 件 下 ， S取 最 大 值 的 各状 态 中

15、 ， 原 子 轨 道 角 动 量 量 子 数 L也 取 最 大值 若 壳 层 内 电 子 数 不 到 半 满 ， 则 J=|L-S|； 若超 过 半 满 ， 则 J=|L+S| Table .3 Table .4 Fig.8 Table .5 Fig.9 4 电 子 顺 磁 共 振 共 振 原 理 弛 豫 时 间 超 精 细 互 作 用 及 应 用 Fig. 10 Fig.11 弛 豫 时 间 自 旋 -晶 格 弛 豫 时 间 高 能 级 上 电 子 通 过 与 晶 格 原 子 相 互 作 用 ， 激 发 晶 格 振 动 ，把 能 量 转 变 为 热 能 ， 而 自 己 由 高 能 级 回 复

16、 到 低 能 级 。 这 一作 用 越 强 ， 恢 复 到 热 平 衡 所 需 时 间 越 短 。 自 旋 -自 旋 弛 豫 时 间 顺 磁 离 子 磁 矩 （ 或 杂 质 、 缺 陷 束 缚 的 单 电 子 自 旋 磁 矩 ） 所受 的 临 近 磁 矩 的 相 互 影 响 ， 特 别 是 晶 体 原 子 核 磁 矩 的 影 响 。该 磁 矩 间 互 作 用 的 时 间 称 为 自 旋 -自 旋 弛 豫 时 间 。 纵 向 弛 豫 时 间 和 横 向 弛 豫 时 间 Fig.12 Fig.13 Fig.14 超 精 细 互 作 用 及 应 用 超 精 细 互 作 用 顺 磁 体 中 顺 磁 离

17、 子 磁 矩 与 原 子 核 磁 矩 发生 的 相 互 作 用 超 精 细 结 构 可 用 来 研 究 杂 质 或 缺 陷 的 结 构 及 电 子 状 态 Fig.15 5 铁 磁 性 和 分 子 场 理 论 铁 磁 性 磁 滞 回 线 磁 畴 分 子 场 理 论 Fig.16 铁 磁 体 中 ， 具 有 固 有 磁 矩 的 离 子 间 存 在 着 一种 量 子 作 用 力 （ 交 换 力 ） ， 使 得 离 子 的 固 有磁 矩 都 趋 向 一 致 。 所 以 即 使 没 有 外 磁 场 ， 也有 磁 化 强 度 存 在 ， 称 为 自 发 磁 化 强 度 。 在 单 晶 的 铁 磁 体 内

18、 ， 有 很 多 的 小 区 域 。 其 中所 有 离 子 （ 原 子 ） 的 固 有 磁 矩 排 列 一 致 ， 而不 同 区 域 的 磁 矩 方 向 不 同 ， 这 样 的 区 域 称 为磁 畴 。 分 子 场 铁 磁 性 的 特 点 ： 铁 磁 体 内 不 仅 有 固 有 的 原 子 磁 矩 ， 而 且 各个 原 子 （ 离 子 ） 之 间 还 存 在 着 一 种 特 殊 的量 子 作 用 力 ， 使 得 各 个 固 有 原 子 （ 离 子 ）磁 矩 的 方 向 相 互 一 致 ， 从 而 引 起 宏 观 的 自发 磁 化 强 度 。 若 把 这 种 特 殊 的 作 用 力 看 成 一

19、种 内 部 磁 场 ，可 以 称 之 为 分 子 场 或 内 场 。 Fig.17 Fig.18 Table .2 6 交 换 相 互 作 用 直 接 交 换 作 用 模 型 （ Heisenburg交 换 模 型 ）- 局 域 电 子 模 型 氢 分 子 的 交 换 能 间 接 交 换 和 超 交 换 作 用 巡 游 电 子 模 型 （ 能 带 模 型 ） 铁 的 强 铁 磁 性 系 统 1928年 ， Heisenburg 提 出 近 邻 原 子 间 的 直 接 交 换 作 用 ， 它 直 接与 Pauli不 相 容 原 理 相 联 系 ， 指 出 了 Weiss分 子 场 的 实 质 。

20、 所 以 直 接 交 换 作 用 模 型 常 称 为 Heisenburg交 换 模 型 。 因 为 参 与 交 换 作 用 的 电 子 是 局 域 在 原 子 附近 ， 又 称 为 局 域 电 子 模 型 Fig. 20 直 接 交 换 作 用 ： 当 2个 电 子 波 函 数 交 叠 时 才 存 在 。 适 用 于 过 渡 金 属 3d电 子 间 接 交 换 作 用 ： 2个 磁 性 离 子 磁 矩 通 过 传 导 电 子 （ 5s、 5p） 为 中 介而 发 生 相 互 作 用 。 适 用 于 磁 性 离 子 4f电 子 形 式 ： s-f， s-d， d-d， d-f电 子 间 的 间

21、 接 交 换 作 用 超 交 换 作 用 ： 2个 磁 性 离 子 的 自 旋 通 过 负 离 子 氧 的 中 介 而 发 生 相互 作 用 。 适 用 于 铁 磁 性 、 反 铁 磁 性 或 亚 铁 磁 性 的 绝 缘 体 。 巡 游 电 子 模 型 （ 能 带 模 型 ） 按 照 能 带 理 论 ： 各 原 子 壳 层 的 电 子 都 形 成 能 带 处 于 最 外 层 的 价 电 子 能 带 较 宽 ， 相 应 态 密 度较 小 内 壳 层 3d或 4f电 子 的 能 带 较 窄 ， 相 应 态 密 度较 大 Fig. 21 Fig. 22 Fig. 23 铁 的 强 铁 磁 性 系 统

22、 铁 原 子 内 部 有 强 交 换 作 用 使 3d能 带 分 裂 ， 上 自 旋 能 带 能 级 下 降 ， 形成 原 子 的 定 域 磁 矩 。 3d电 子 中 有 小 部 分 （ 5%） 形 成 巡 游 电 子 ，它 们 在 定 域 磁 矩 作 用 下 极 化 ， 并 使 原 子 间形 成 自 发 磁 化 。 s电 子 对 铁 磁 性 作 用 很 小 。 7 自 旋 波 定 义 在 绝 对 零 度 下 ， 铁 磁 体 的 基 态 是 所 有 自 旋 均 沿 同一 方 向 排 列 并 形 成 饱 和 磁 化 强 度 Mso状 态 ； 在 有限 温 度 下 ， 铁 磁 体 中 个 别 自

23、旋 磁 矩 方 向 因 涨 落 而与 磁 化 强 度 方 向 偏 离 ， 由 此 会 受 到 磁 化 强 度 的 作用 ， 产 生 进 动 。 因 为 晶 体 中 各 个 自 旋 磁 矩 与 其 邻近 的 自 旋 磁 矩 间 存 在 交 换 作 用 ， 所 以 自 旋 的 进 动状 态 不 会 只 局 限 于 这 一 个 自 旋 上 ， 可 在 晶 体 中 传播 。 这 种 自 旋 磁 矩 绕 磁 化 强 度 方 向 进 动 的 状 态 在晶 体 中 传 播 便 形 成 波 ， 即 自 旋 波 。 Fig. 24 运 用 经 典 力 学 方 法 讨 论 自 旋 波 色 散 关 系 的 方 法

24、把 自 旋 角 动 量 取 成 经 典 矢 量 求 其 运 动 方 程 求 振 动 频 率 与 波 矢 的 关 系 自 旋 波 试 验 磁 波 子 可 以 通 过 中 子 非 弹 性 散 射 进 行 实 验研 究 中 子 具 有 磁 矩 入 射 铁 磁 体 可 以 激 发 起 磁 波 子 ， 并 将 自 身能 量 转 化 为 磁 波 子 的 能 量 测 量 散 射 前 后 的 中 子 能 量 及 动 量 （ 波 矢 ） ，可 以 了 解 磁 波 子 （ 自 旋 波 ） 的 重 要 性 质 8 反 铁 磁 性 和 亚 铁 磁 性 反 铁 磁 性 很 多 过 渡 金 属 氧 化 物 铂 、 钯 、

25、 锰 、 铬 等 金 属 及 某 些 合 金 亚 铁 磁 性 （ 铁 氧 体 ） Fig. 25 反 铁 磁 性 也 是 一 种 磁 有 序 结 构 ， 只 存 在 于 一 定 的 温度 范 围 反 铁 磁 体 没 有 自 发 磁 化 强 度 ， 只 在 外 场 作用 下 才 产 生 磁 化 强 度 ， 表 现 出 特 殊 的 顺 磁性 Fig. 26 Table. 7 亚 铁 磁 性 铁 与 其 他 金 属 离 子 的 混 合 氧 化 物 根 据 晶 体 结 构 分 类 为 亚 铁 磁 性 也 只 在 一 定 温 度 范 围 内 存 在 反 尖 晶 石 结 构 铁 氧 体 石 榴 石 结 构 铁 氧 体 磁 铅 石 结 构 铁 氧 体 Fig. 27