《固体的磁性》PPT课件.ppt

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,Introduce,B(),B(3),MNP,The effect of saturation,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）,1902 塞曼效应 P. Zeeman, H. A. Lorentz,1943 斯特恩-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 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，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)Fe2O4 、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 |较大10-4 随磁场周期振荡 与温度有一定关系,= -1 = 0 完全抗磁性,Zn, Au, Ag Cu Si, P, S 惰性气体,Bi, Ga, Sb 石墨,I, Tl,Table .1,顺磁体,正常顺磁体 与温度无关的顺磁体, 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，与铁磁体类似，也显现出自发磁化强度。 Fe3O4 (FeOFe2O3) MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、Y3Fe5O4、Gd3Fe5O12等,Fig.1,Super-paramagnetism,M,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。,Hysteresis loop,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。,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，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，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。 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,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 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