材料物理性能铁磁性

1、中国矿业大学 材料科学与工程学院第三章 材料的磁学性能本章内容基本磁学性能铁磁性铁磁体的技术磁化过程铁磁材料的测量与应用磁性材料的研究热点第二节 铁磁性物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用外斯假说1. 铁磁性的物理本质(外斯假说)皮埃尔.外斯（1865-1940），法国物理学家。他创建了几乎整个铁磁性理论，他的理论还被应用到亚铁磁性理论中，因此被誉为“现代磁学之父”。他几乎全部的工作都是在斯特拉斯堡大学完成的。铁磁体的磁化曲线分子场假说铁磁材料在 0 Tc 存在与外加磁场无关的自发磁化原子磁距克服热运动的无序效应，自发地平行一致取向在分子场作用下磁畴假说无外场时，各磁畴自发磁化到饱和，且

2、磁化方向随机分布，宏观的总磁距为0对应的区域为磁畴自发磁化是按区域分布的热运动破坏了分子场对原子磁距有序取向的作用能：分子场强度2339cmf29J1.38 101010 A/m10kTH居里温度居里温度JmfcHkT磁畴与畴壁分子场假说分子场假说磁畴假说磁畴假说自发磁化理论自发磁化理论技术磁化理论技术磁化理论解释了铁磁性的本质解释了铁磁性的本质解释了铁磁体在外磁场中的行为解释了铁磁体在外磁场中的行为现代磁学理论铁磁性的主要特征高的饱和磁化强度磁化率数值很大，并且是温度与磁场的函数存在磁性转变的特征温度居里温度磁化强度和外磁场之间不是单值函数，即存在磁滞现象大多具有磁晶各向异性和磁滞伸缩效应。

3、第二节 铁磁性物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用外斯假说2. 铁磁质的自发磁化 铁磁质的磁化是自发产生的，磁化过程只不过是把 铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁 磁质提供磁性的过程。 铁磁质的自发磁化是由于电子间的静电相互作用产 生的。根据键合理论，当原子相互接近时，电子云 要相互重叠，电子要相互交换位置。交换力的作用 迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。铁磁材料的原子组态和原子磁矩金属元素铁（Fe）钴（Co）镍（Ni）原子外层电子排布3d64s23d74s23d84s2d层电子填充规律未抵消自旋数432铁、钴、镍原子的外层电子境充规律铁、钴、镍原子的外层电子境充规律自然界

4、中的铁磁性材料都是金属，它们的铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩还不够，还必须使自旋磁矩自发地同向排列，亦即产生自发磁化。分子场的起源？海森堡：分子场是量子力学交换作用的结果。铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用。核核a核核b电子电子a电子电子brRrbrarBarAb以H2为例0030301( )1( )abraAaraBbrearea波函数波函数a0原子的玻尔半径原子的玻尔半径( )( )IAaBbrr又当R 无限小时，两个H相互靠近形成H2，此时电子是全同的，无法区别属于那个原子( )( )IIAbBarr系统的波函数应为

5、它们的线性组合。原子轨道线性组合成分子轨道(LCAO-MO)H2系统的波函数2,H2HR IIIIII121,(S0,(S12SA 对称函数，与后面两个电子反平行对应）即：反对称函数，与后面两个电子平行对应）当忽略电子的自旋与轨道之间以及自旋与自旋之间的磁相互作用时，系统的哈密顿为：2222111111()()()2ababAbBaHeemrrRrrr 二电子动能原子核与电子静电作用能原子核作用能电子静电作用能哈密顿算子经微扰计算，其对称和反对称态的能量本征值为： 020222222212222222122121SAAaBbAbBaAaBbabKAEEKAEEeeeeKrrd drRrreee

6、eArrd drRrr22*12( )( )( )( )ABBAABaa dbb dd 20202222212222*12202SAAaBbAbBaAaBaBbAbabABeEEKAReEEKAReeeKrrd drrreeeArrrrd drrr与为正交函数时，重叠积分 库仑静电能：交换积分：交换积分交换积分：电子电子、原子核电子间静电交换作用。讨论：讨论：1. H2的A 0, ES 0, ES EA 电子自旋平行取向自发磁化。结论：静电交换作用影响自旋的排列。3. A 0，平行取向（铁磁性排列），能量低；4. A 0，反平行取向（反铁磁性排列），能量低。2.exabEAS S 对于基态，要

7、求Eex0（以满足能量最低原则）1. 若A0，自旋平行为基态（铁磁性）；3. 若A =0，系统能量与近邻电子磁性壳层中电子相对取向无关，因此物质呈顺磁性。交换作用能u=a/r0铁磁性铁磁性反反(亚亚)铁磁性铁磁性顺磁性顺磁性顺顺磁磁性性Aa: 晶格常数r0: 未满壳层半径FeCoNiMn20122 ()2abeEEKAA SSR统一的表达式铁磁性产生的充要条件：cosAEC交换能A 交换能积分常数 两相邻原子的两个电子自旋磁矩之间的夹角交换能取决于交换积分A和夹角。原子内部要有未填满的电子壳层，Rab/r 3使A 0。物质中的原子有磁矩原子磁矩间有相互作用自发磁化铁磁性原子内层电子交互作用积分

8、常数A 0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自发磁化。铁、钴、镍因其交换积分A具有较大的正值，因此有较强的自发磁化倾向。一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下呈现为顺磁性。第二节 铁磁性物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用外斯假说3. 反铁磁性铁磁性铁磁性反铁磁性反铁磁性亚铁磁性亚铁磁性xxxTTTTCTNTS反铁磁性的基本特征反铁磁晶体可以看做是由两个亚点阵组成，每个亚点阵的离子磁矩平行排列而相互间的磁矩方向却反平行。即MA + MB = 0，自发磁化强度为零。亚铁磁晶体同反铁磁

9、晶体相同，只是两个亚点阵磁矩的方向相反大小不等，即MA + MB 0，从而表现出宏观磁性。在整个温度区间内，磁化率出现极大值的点称为尼尔点TN。“铁氧体”，即Fe2O3与二价金属氧化物组成的复合氧化物。反铁磁性与亚铁磁性的特点常见的反铁磁体反铁磁性在宏观上是顺磁性的，反铁磁体大多数为非金属氧化物，如MnO。MnO点阵中的Mn2+自旋排列 对于反铁磁性与亚铁磁性的晶体（如：NiO、FeF2、Fe3O4），其晶格结构是磁性离子与非磁性离子相互交叉排列。两个磁性离子被非磁性离子隔开，磁性离子间距很大，故自发磁化难以用dd交换作用模型解释，此时磁性离子间的交换作用是以隔在中间的非磁性离子为媒介来实现的

10、。 超交换作用反铁磁性的分子场理论第二节 铁磁性物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用外斯假说4. 亚铁磁性的发现亚铁磁性的基本特征存在磁有序无序的转变温度 (尼尔点或居里点)存在磁滞现象存在磁各向异性和磁致伸缩效应饱和磁化强度较低居里温度较低电阻率高、介电常数大等同铁磁性不同于铁磁性几种常见的亚铁磁体 典型的亚铁磁性物质当属铁氧体，通常采用陶瓷烧结工艺制备。铁氧体是离子化合物，它的磁性来源于所含离子的磁性。尖晶石铁氧体尖晶石铁氧体2+3+24 8(M Fe O )M2+=Co2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+过渡元素。O2-半径大，晶格结构就以O2-作为密堆积，金属离子半径小，

11、填充于密堆积的间隙中，尖晶石晶格结构的单胞中有两种间隙： 四面体间隙（A位64个）：间隙小，填充较小尺寸的金属离子。 八面体间隙（B位32个）：间隙大可填充较大尺寸的金属离子。2+3+24 8(M Fe O )一个晶胞四面体四面体八面体八面体铁氧体自身的优势高电阻低损耗应用领域：无线电子、自动控制、电子计算机、信息存储、激光调整等。特别适用于高频范围涡旋损耗例如，电饭煲控温功能。第二节 铁磁性物理本质自发极化反铁磁性亚铁磁性磁相互作用外斯假说5. 磁相互作用包括直接交换相互作用、超交换相互作用、双交换相互作用、RKKY相互作用、经典偶极子相互作用以及库伦相互作用等。直接交换相互作用来源于量子力学全同粒子系