薄膜物理与技术：CH4-3 薄膜的磁学性质

1、CH4-3 薄膜的磁学性质Magnetic properties of thin films4.3.1 物质的磁性与磁滞回线4.3.2 磁性的分类及相关磁效应4.3.3 超导性4.3.4 磁畴及磁性测量技术4.3.5 多铁性薄膜的研究简述本章内容安排4.3.1 物质的磁性及磁滞回线磁性是物质的基本属性地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近. 磁极：磁性强的区域 N极：指北的一端，正磁极；正磁荷，+ m S极：指南的一端，负磁极；负磁荷，-m 磁荷可以看成点磁荷。 在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。那么，铁的粉

2、末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。N极和S极之间的曲线是连续的，而S极和S极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。 假想在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从N极出发，最终进入S极。 在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。 磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。 磁力线和磁场磁学现象的两个基本命题：1 磁及磁现象的根源是电流，或者说是电荷 的运动。2 所有的物质都是磁性体电流(或运动电荷)电流(或运动电荷)磁场磁学初

3、步认识：磁性材料是古老而年轻的功能材料司南（战国时期）司马迁史记描述黄帝作战用1086年 宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可谈 罗盘用于航海的记载 材料磁性的起源原子磁矩原子核磁矩电子磁矩轨道磁矩自旋磁矩 矢量和原 子 核电荷：e自旋： 1磁矩： N电 子电荷：e 自旋： 磁矩：自旋轨道物质由原子构成，物质的磁性来源于原子的磁矩原子磁矩：电子的轨道磁矩和自旋磁矩轨道磁矩自旋磁矩核外电子的运动相当于一个闭合电流，具有一定的轨道磁矩 电子具有自旋，是量子化的。电子的自旋磁矩同自旋角动量 S 成正比电子轨道运动是量子化的，因而只有分立的轨道存在，所以角动量和总磁矩都是量子化

4、的。原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩原子核磁矩简单介绍质子静止质量中子表示符号带电量不带电I 称为核自旋量子数1. 原子核的自旋(角动量)对于不同原子核, I 只能取整数或半整数质子的磁矩几乎是核磁子的三倍，而中子具有负磁矩，数值约为核磁子的两倍。这表明不能把质子和中子看成是无内部结构的粒子核内各核子间存在着复杂的相互作用，并不等于组成它的所有核子磁矩之和。2. 原子核的磁矩N 称为核磁子, gI 称为原子核 g 的因子(1)原子核磁矩电子磁矩可忽略不计说明：什么是 “磁性”不仅仅是：Magnetic Property of 至少包

5、括：微观粒子磁矩：质子、中子、电子、介子；原子、离子；分子、原子团、 颗粒粒子的磁相互作用：交换作用、偶极作用、超精细相互作用；自旋 轨道耦合；分子场、自旋极化率 宏观材料本身：磁化强度、矫顽力、磁能积；磁化率、磁导率；居里温度、 磁各向异性材料与外界条件的相互作用：磁力、磁光、磁热、磁电、共振磁性(Magnetism)一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。 Figure 8.1 磁偶极矩定义Figure 8.2 磁偶极子在外加磁场中的作用磁偶极矩um的定义 回路电流为I，这相当于一个通电线圈。假设电流回路位于同一平面内，回路包围的区域为A，并设un为射出平面A的单位向量，它与回路

6、电流I满足右手螺旋法则。 (2)磁矩受到磁场作用的力矩当一个磁偶极子位于磁场中时，它受到转矩作用会发生旋转，从而使得其轴向与磁场方向一致 .在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J为：J=mBJ为矢量积；B为磁感应强度。磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。1.磁矩与磁偶极子电偶极子磁偶极子电偶极矩磁偶极矩- +类比 介质的磁化实质上是分子磁矩的取向以及在外磁场作用下产生附加磁矩的作用。 引入反映介质磁化程度的物理量磁化强度矢量M。2、磁化强度矢量M 磁化强度M是磁介质的宏观的矢量函数，它可以有一定的空间分布.在SI制中，单位是Am-1.定义：单位体积

7、内分子磁矩的矢量和.均匀磁化：非均匀磁化： 分子电流因磁化而呈现出宏观电流，称为磁化电流。这个电流不伴随任何带电粒子的宏观位移，所以又称为束缚电流。 对于各向同性均匀介质，均匀磁化时，内部的分子电流相互抵消，而在介质表面各分子电流相互叠加。类比：电介质的极化过程无电场时有电场时束缚电荷外场-+-+-+-+-+-+ 磁化强度矢量M是单位体积的磁矩，表征物质被磁化的程度；磁感应强度B和磁场强度H的均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）。3、磁场强度 H 与与磁通密度 B磁场强度 H ： 表征空间某处磁场的大小，它的SI单位是安/米（ Am-1 ）。磁通密度 B： 描述空间某处磁场强弱和方向的物理量

8、，又称为磁通密度，单位是特（T）。磁感应强度B的定义是：B=0(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，0是一个系数，叫做真空导磁率。常见的几种电流产生磁场的形式为：方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周2、直流环形线圈圆心r为环形圆圈半径，方向由右手螺旋法则确定。3、无限长直流螺线管：n：单位长度的线圈匝数，方向沿螺线管的轴线方向1、无限长载流直导线InI知识回顾rII磁体的磁化率：单位磁场强度H在磁体内感生的磁化强度M，表征物体在磁场中被磁化的程度。无量纲，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。4、磁化率和磁导率磁导率 ：导磁率的定义是=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值，无

9、量纲。代表了磁性材料被磁化的难易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。 r=/0为介质的相对磁导率。 称为相对电容率或相对介电常量。 之间的关系： 之间的关系 称为相对磁导率磁导率磁学量名称符号CGS单位SI单位换算比磁极强度m韦(Wb)108/4磁通麦克斯韦（Mx)韦(Wb)108磁 矩M磁 矩m安米2(Am2)103磁通密度 或磁感应强度B高斯（Gs）韦/米2或特斯拉 (Wb/m2或T)104磁场强度H奥斯特（Oe）安/米(A/m)1/79.6磁 势Vm奥厘米(Oecm)安（A）4/10磁通势m奥厘米(Oecm)安（A）4/10磁化强度M高斯（Gs）安/米(A/m)10-3相对磁化率4相

10、对导磁率1退磁因子N(CGS) D(SI)4真空导磁率014/107107/4磁 阻Rm(奥厘米)/麦克斯韦安培/韦（A/Wb）410-9磁晶各向异性常数K1erg/cm2焦/米3(J/m3)10磁能积(BH)m高奥焦/米3(J/m3)109/ 7.96畴壁能密度erg/cm2焦/米2(J/m2)103SI制数值乘以此数即得CGS制数值5. 饱和磁化和居里点铁磁体中所有原子磁矩的排列尽可能一致时的最大磁化强度称为饱和磁化强度Msat 随着温度的升高，晶格振动会随机扰乱原子自旋，改变原子自旋方向,导致自旋排列不一致 晶体内晶格振动所具有的热能足以克服交互作用势能，进而破坏自旋排列，铁磁体的特性将

11、会消失Tc：居里点TTc，铁磁性完全消失而成为顺磁质，Tc称为居里温度或居里点。应用磁化过程四阶段：（1） M随H呈线性地缓慢增长，可逆畴壁移动过程。（2） M随H急剧增长，不可逆畴壁移动过程。（3）M的增长趋于缓慢。磁畴的磁化矢量已转到最接近H方向，M的增长主要靠可逆转动过程来实现。（4）磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态。6. 磁化曲线初始磁导率区Barkhausen效应不连续磁化区转向磁化区饱和磁化区畴壁微小移动，被晶体缺陷钉扎的畴壁消失,晶体具有很小的净磁化强度;畴壁开始遇到诸如晶体缺陷、杂质以及第二相等，它们会吸引畴壁从而阻碍其运动;出现磁化现象间断发生而不是连续发生的现象，

12、称为Barkhausen效应。急剧的畴壁运动使沿磁化场方向的畴长大而使偏离该方向的畴缩小，从而使磁化强度持续增加。最终畴壁的移动使得晶粒中都具有一个单畴且都是沿易磁化方向被磁化;晶体磁化也达到了饱和值M，其方向沿+x，即与外场H一致; 磁体保留一部分永久磁化矢量，称为剩余磁化矢量。 当铁磁质达到饱和状态后，缓慢地减小H，铁磁质中的B并不按原来的曲线减小，并且H=0时，B不等于0，具有一定值，这种现象称为剩磁。 要完全消除剩磁Br，必须加反向磁场，当B=0时磁场的值Hc为铁磁质的矫顽力。 当反向磁场继续增加，铁磁质的磁化达到反向饱和。反向磁场减小到零，同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁

13、场，磁化曲线为一闭合曲线磁滞回线。7. 磁滞回线(1)加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度 tc 。当温度低于 tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁的居里温度 Tc=770C；原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。退磁化方法(2)敲击法：通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。(4)加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为0，应用在录音机中的交流抹音磁头中。(3)加反向磁场法：加反向磁场，提供一个矫顽力Hc ,使铁磁质退磁。8. 磁滞损耗 在交变磁场中，铁

14、磁质磁化一周总的能量损耗，称为磁滞损耗，损耗的能量以热能释放，将引起介质的发热。磁滞损耗和磁滞回线所包围的面积成正比 单位体积能量消耗 PQRS所包围的面积QRS所包围的面积PQS所包围的面积PQQSPQS磁化退磁化回线磁滞损耗和磁滞回线所包围的面积成正比 4.3.2 磁性的分类及相关磁效应磁偶极矩H M磁化率磁导率ur内容回顾介质的相对磁导率顺磁质抗磁质铁磁质填充介质的总磁场强度为真空中的磁场介质磁化后产生的附加磁场在介质均匀充满磁场的情况下 铜铝 铁顺磁质抗磁质铁磁质mr1且11且mrmr11举例1+101-10-5105-4根据物质的磁化率，可以把物质的磁性分为五类：1、抗磁体，为甚小的

15、负数（大约在-10-6量级），在磁场中受微弱的斥力，如金、银 。2、顺磁体，为正数（大约在10-3-10-6量级）在磁场中受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢。3、反铁磁体， 为小正数，高于某一温度时其行为与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关。4、亚铁磁体，处于铁磁体与顺磁体之间，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。5、铁磁体，为很大的正数，在较弱磁场作用下可以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料HM五种磁体的磁化曲线示意图强磁性材料弱磁性材料抗磁质磁化微观机制B0真空中抗磁性的微观机制B抗磁质的电子磁矩矢量和近乎零.(顺磁质亦有此效应

16、,其影响相对较小).0B0BB施加 ,引起感应分子电流(无阻),所形成的 与 反向.(所有介质均具有抗磁性)顺磁质磁化微观机制B0真空中介质的分子磁矩(分子中的电子自旋和绕核运动B无外场,磁矩随机取向,相互抵消.顺磁性的微观机制0B0BB施加,顺磁质的与同向.,(只有顺磁质、铁磁质才具有顺磁性)铁磁质磁化微观机制用金相显微镜观察到抛光钢材样品表面上铁粉在磁畴边界上聚集.铁磁性的微观机制磁 畴铁磁质的自发磁化小区域(由电子自旋磁矩引起)用偏振光显微镜观察到的石榴石单晶磁性薄膜的迷宫式磁畴.续14铁磁性的微观机制（续）H0HHHH 各磁畴磁化方向混乱，整体不显磁性.畴壁运动 磁畴的自发磁化方向与外

17、场方向相同或相近的磁畴体积扩大,反之缩小.磁畴壁发生运动.磁畴转向 磁畴的自发磁化方向转向外场方向.饱和 全部磁畴方向均转向外场方向.磁滞现象及剩磁,是因磁化时磁畴相互摩擦发热,使过程不可逆.TO一、抗磁性材料 对于电子壳层被填满的物质，其磁矩为零。在外磁场作用下，电子运动将产生一个以外磁场为轴线的转动，称为轨道角动量绕磁场旋进(电子的进动) ，出现附加角动量，感生出与H反向的磁矩。因此： d0，但数值很小（显微弱磁性）。室温下P：103106。如：稀土金属，铂、钯、奥氏体不锈钢和铁族元素的盐。TO其中：C为居里常数，TP为顺磁性居里温度。TO三、反铁磁性材料T0 ，大小为1 103 1、TT

18、c时,呈顺磁性。3、典型代表为铁氧体。铁氧体的电阻率 （可用于高频电讯工程技术中）H五、铁磁性材料 内部原子磁矩按磁畴自发平行取向，有宏观磁性,只要在很小的磁场作用下就能磁化到饱和。 其f0（约为10106），有磁滞现象。 实例：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、铥、钬、等以及很多合金与化合物。H自发磁化： 如前所述某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。但是，如果每个原子的磁矩仍然混乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物体对外显示磁性，成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象，就称为自发磁化。铁磁

19、性起因 1926年海森堡用量子力学中的交换力解释了磁偶极子间相互作用的起源。其中S1 和 S2是两个电子的自旋角动量；Je 是一个数字量叫做交换积分 交互作用能：Je大小依赖于静电相互作用和原子间的距离 Eex为正反铁磁态Eex为负铁磁态为了减少交互作用能，铁原子中3d电子的自旋自发地沿相同的方向排列，这一自发磁化是铁磁性现象。 铁磁性顺磁性Je怎样随着3d亚壳层半径的原子间距与原子半径比（r/rd）而改变。对于过渡金属元素铁、钴和镍，r/rd对应的Je是正值3。在其它情况，Je是负值不表现铁磁性。 磁 性磁有序的起源：交换相互作用无交互作用交互作用间接直接 超量子力学效应全同粒子 1879年

20、，24岁的美国物理学家霍尔在研究载流导体在磁场中所受力的性质时，发现了一种电磁效应，他在长方形导体薄片上通一电流，沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面产生了电势差。即在电流的垂直方向加上磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。这个效应广泛应用于半导体研究。这个效应被称为霍尔效应。霍尔效应磁场愈大霍尔电阻愈大，它们是成简单的线性关系主要应用于以下几个方面:(1)测量磁场;(2)测量半导体特性; (3)磁流体发电; (4)电磁无损探伤;(5)霍尔传感器; 近年来，由于新型半导体材料和低维物理学的发展使得人们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展。德国物理学家克利青(

21、K.V.Klitzing)因发现量子霍尔效应而荣获1985年度诺贝尔物理学奖。 1998年诺贝尔物学理奖授予美国加州斯坦福大学的劳克林（Robert B .Laughlin,1950- )，美国纽约哥伦比亚大学与新泽西州贝尔实验室的施特默（Horst L.Stormer,1949- )和美国新泽西州普林斯顿大学电气工程系的崔琦(Daniel C.Tsui,1939- ),以表彰他们发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量电子流，这种状态起因于所谓的分数量子霍尔效应。 这一领域因两次授予诺贝尔奖而引起了人们广泛的兴趣，崔琦也成为第六位获得诺贝尔奖的华裔科学家。克利青施特默劳克林崔琦阿尔贝费尔 彼得

22、格林贝格尔 瑞典皇家科学院9日宣布，法国科学家阿尔贝费尔（左）和德国科学家彼得格林贝格尔二人因先后独立发现了“巨磁电阻”效应，分享2007年诺贝尔物理学奖 看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大 巨磁电阻效应 磁电阻效应巨磁电阻效应材料超巨磁电阻材料 磁场可以使许多金属的电阻发生改变，导电电子的自旋磁矩如果顺着磁有序材料的电子自旋方向前进，材料处于低电阻状态；反之，如果垂直于自旋方向，则呈高电阻状态。这种现象称为磁电阻效应，相应的材料为磁电阻材料(MR)。 磁电阻材料(MR)：巨磁电阻效应巨磁电阻”效应是指在一定的磁场下电阻急剧变化，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻

23、数值高10余倍。20世纪90年代，人们在多种纳米结构的多层膜中观察到了显著的“巨磁电阻”效应，巨磁电阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景。 磁存储 数据在磁片上以磁化的点来表示，被磁化的点代表1，没有被磁化的点代表04.3.3. 超导性 7/13/2022问题2：超导的特性是什么？问题3：超导的应用？问题1：什么是超导？Heike Kamerlingh Onnes 1913John Bardeen 1972Leon N. Cooper 1972J. Robert Schrieffer 1972Ivar Giaever 1973 Brian D. Josephson 1973J

24、. George Bednorz 1987K. Alex Muller 1987Alexei A. Abrikosov 2003Vitaly L. Ginzburg 2003Pierre-Gilles de Gennes 1991Philip W. Anderson 1977The Nobel Laureates. 超导领域的诺贝尔奖获得者1913年诺贝尔物理学将授予荷兰莱顿大学大卡末林-昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes ,1853-1936), 以表彰他对低温物质特性的研究，特别是这些研究导致液氦的生产。 1972年诺贝尔物理学奖授予美国伊利诺斯州乌尔班那德

25、伊利诺斯大学的巴丁（John Bardeen,1908-1991）、美国罗德艾兰州普罗威顿斯（Providence）布朗大学的库伯（Leon N.Cooper,1930- ）和美国宾夕法尼亚州宾夕法尼亚大学的施里弗（John Robert Schrieffer,1931- ），以表彰他们合作发展了通常称为BCS理论的超导电性理论。 巴丁库伯施里弗1973年年诺贝尔物理学奖一半授予美国通用电气公司的贾埃沃（Ivar Giaever,1929- ）以表彰他们分别在有关超导体中德隧道现象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森（Brian Josephson,1940- ），以表彰他对穿过隧道壁

26、垒的超导电流所作的理论预言，特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。 贾埃沃约瑟夫森江崎玲於奈 （Leo Esaki,1925- ） IBM瓦森研究室1987年诺贝尔物理学奖授予瑞士IBM研究实验室的德国物理学家柏诺兹（J.Georg Bednorz,1950- ）与瑞士物理学家缪勒（K.Alexander Muller,1927- ）,以表彰他们在发现陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破。柏诺兹缪勒2003年诺贝尔物理学奖授予拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼莱格特，以表彰他们在超导体和超流体理论上作出的开创

27、性贡献。 阿比瑞克索夫成功地从理论上解释第二类超导现象，而他的理论基点来自于金兹伯格等人先前创立的关于第一类超导体的理论，事实证明该理论同样可应用到第二类超导体领域。虽然这些理论都形成于上个世纪50年代，它们对超导新材料的迅速开发仍有重要意义。今天，在更高温度和更强磁场的条件下，人们仍可以制造出超导体。 科索夫莱格特金茨堡1991年诺贝尔物理学奖授予法国德纳然（Pierre Gilles de Gennes,1932- ）,以表彰他把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物理态，特别是液晶和聚合物所做的贡献。德然纳用数学方法描述磁偶极子、长分子或分子链是怎样在特定条件下形成有序态的，并阐明

28、了当这些物质从有序态过渡到无序态发生了些甚麽事情。例如，在加热磁体时，就会发生这类有序-无序的变化。而由无序到有序的转变往往发生在确定的温度下，有时也出现跳跃式的变化，这就是在临界态下的相变，对于铁磁体来说，这个温度就是所谓的居里点。 his famous textbook, Superconductivity of Metalsand Alloys in 1966德纳然highly original studies of the dynamics of quantized magnetic flux in superconductors in the early 60s.he was a k

29、ey figure in the development of a pseudo-spin formalismfor superconductivity towards the end of the 50s.对磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究获1977年诺贝尔物理学奖。安德森Philip W. Anderson 超导现象的发现1911年卡末林-昂内斯意外地发现，将汞冷却到268.98时，汞的电阻突然消失；后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性。卡茂林昂尼斯在1913年获得诺贝尔奖时，指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银

30、在4.2K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态”。4.00 4.20 4.400.1500.1000.0500.000*：临界温度4.20K附近汞的电阻突降为零在高温超导材料超导历史必须用液氦冷却补充:两类新型超导体C60：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。 C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。MgB2：二硼化镁（MgB2），其

31、超导转变温度达39K。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。 易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及CT扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。 超导的主要性质 1.完全导电性：零电阻效应 当；电阻率电导率， 超导体在临界温度和临界磁场下，直流电阻呈现零电阻现象。从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导转变温度或超导临界温度，用Tc 表示。思考1.为什么良导体低温下仍有电阻？超导体 = 理想导体 ？电阻率受到杂质和晶体缺陷的散射影响而在某个有限值处达到饱和，饱和值与剩余电阻率有关。 两种

32、截然不同类型导体的特征曲线 超导体与理想导体的差异 2.完全抗磁性 给处于超导态的某一物质加一磁场，磁力线无法穿透样品，而保持超导体内的磁通为零的特性，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，我们称之为完全抗磁性。此现象首先由W.迈斯纳和R.奥克森菲尔德两人于1933年发现，也就是所谓的迈斯纳效应。superconductormagnetsuperconductormagnetsurface current温度在临界温度以上温度在临界温度以下Source: photo courtesy of Professor Paul C.W. Chu. 3.临界磁场强度Hc 称为临界磁场强度。Hc 与温度的关系

33、为：当当超导态正常态H0 是T0K时的临界磁场强度。NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态N加场TcHc处于超导态的物质，外加磁场之所以无法穿透内部，是因为样品内部感生了一个分布和大小刚好抵消外部磁通，使内部磁通为零的电流。这个电流沿表面层流过，磁场也就穿透到同样深度，这层厚度称为“磁场穿透深度（）”。它与温度以及材料的临界温度有关。当介质表面处的磁场为B0时，穿透样品表面进入内部，距表面x处的磁场强度为 4.磁场穿透深度（） 5.临界电流密度超导体内的电流强度超过某一量值Jc时，超导性消失。超导体转变为正常导体，Jc称为临界电流。 当当超导态正常态 电流自身就会产生磁场，而在足

34、够大的电流下，这个磁场超过临界场从而使超导性消失。 原 因仅限于第一类超导体JcJV失超 6.临界表面：超导态的临界值第二类超导体Nb-Ti合金的临界表面用临界温度Tc、临界磁场Bc以及临界电流密度Jc来定义超导的有效范围。这些临界参量组成了如图所示的三维曲面，该曲面将超导态与正常态分离开来：曲面内部的任一工作点都处于超导态。 两种不同类型的超导体根据抗磁特性的不同，分为如下两类：第类(又称Pippard超导体或软超导体)第类(又称London 超导体或硬超导体)完全抗磁 完全穿透完全抗磁 部分穿透 完全穿透 包括：Hg, Al, Sn, In等决大多数超导元素包括：V，Nb，

35、Ge；Nb3Sn, NbTi,所有高温超导体材料超导态正常态Hc超导态混合态正常态Hc1Hc2Characteristics of Type I and Type II superconductors. B = oH is the applied field and M is the overall magnetization of the sample. Field inside the sample, Binside = oH + oM, which is zero only for B Bc (Type I) and B Bc1 (Type II). 约瑟夫森效应 P756

36、超导体中的弱连接库珀对的隧穿引起的超导电流应满足 约瑟夫森直流效应相位角约瑟夫森交流效应用来精确定义电压标准一伏特的电压是指，在约瑟夫森结两端加如此大小的电压所产生的交流电流能够产生频率为483,597.9GHz的电磁辐射。 振荡电流的频率相位角的电压调制与材质、温度无关仅与电压有关4.3.4 磁畴及磁性测量 磁畴和畴壁运动1. 磁畴结构磁畴：晶体内的某个区域内所有自旋磁矩排列一致并且磁矩方向相同的区域。 体积约为10-110-6cm3。 定义：静磁能：磁场内存储的势能。 磁畴壁：两个磁畴之间的过渡/交界区域；原子磁矩方向逐渐转变的过渡层。畴壁处两边的原子自旋方向相对发生了改变，

37、因此畴壁处的势能提高 增加了额外的畴壁，静磁能减少，畴壁势能增加磁畴的大小、形状以及分布与一系列因素有关，包括介质的大小与形状 图8.22b表明：外场磁力线被抵消，只存在于端部，所以场内存储的势能减少图8.22a所示为一个具有铁磁性（所有原子自旋排列一致）而被永久磁化了的 铁单晶。如同条形磁铁一样，晶体磁力线为环绕型；磁场内储存有一定的静磁能产生一个新的磁畴所减少的势能与建立新畴壁所增加的势能相等时，磁畴才会停 止自发生成，此时介质具有最小的势能 磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。单晶体的易磁化和难磁化方向 2

38、 磁晶各向异性铁磁性晶体具有各向异性的磁性能，也就是说它们沿不同晶向的磁性能不同。 施加沿100向的磁场H时，磁畴壁就会发生偏移，结果导致磁化方向与外场H一致的磁畴（如A）扩大而磁化方向与外场H相反的磁畴(如B)缩小。 自旋磁矩指向沿磁晶的某个晶面方向最容易一致排列。那么晶体中这个方向就是晶体最容易磁化的方向。磁畴通常都是沿着原子自旋排列最容易，即交互作用最强的方向进行磁化例：Fe Fe单位体积的晶体沿某一方向磁化比沿最易磁化方向磁化所额外消耗的能量称为磁晶体各向异性能，用K表示。 施加沿对角线OD方向的磁场时，初始时所有磁化M沿OA,OB,OC方向（即那些具有沿OD方向磁化分量）的畴生长，并

39、抵消掉其它方向的磁化而使整个介质都沿这些方向磁化。这个过程对应图8.24中111磁化曲线上的0到P点部分，与沿100方向一样，该过程很容易发生，因此只需要较小的外加磁场。不过，从P点向上，磁畴的磁化将旋转离开最易磁化方向（即从OA,OB,OC转向OD）。这个过程将会消耗较多的能量，因此需要外加较强的磁场。 3. 畴壁类型1）、按畴壁两侧磁矩方向的差别分：90度、180度畴壁。a、磁体中每一个易磁化轴上有两个相反的易磁化方向，若相邻两磁畴的磁化方向恰好相反，则其之间的畴壁即为180度畴壁。b、易磁化方向相互垂直或近乎垂直，相邻磁畴的磁化方向可能也是近乎“垂直”的，这样的畴壁称为90度畴壁。决定磁

40、畴结构的因素退磁化能磁各向异性 实际铁磁体中磁矩方向不能任意选取磁致伸缩效应 畴壁能简单介绍2）、按畴壁中磁矩转向的方式： a、布洛赫（Bloch）壁： 磁矩过渡方式始终保持平行于畴壁平面 在畴壁面上无自由磁极出现，故畴壁上不会产生磁极，也能保持退磁场能极小，但晶体上下表面却会出现磁极。但对大块晶体材料而言，因尺寸大，表面退磁场能极小。 b、奈尔（Neel）壁 在很薄的材料中，畴壁中磁矩平行于薄膜表面逐渐过渡。 畴壁两侧表面会出现磁极而产生退磁场，只有当奈尔壁厚度远大于薄膜厚度时，退磁化能较小。故奈尔壁稳定程度与薄膜厚度有关。磁畴壁中原子自旋方向逐渐旋转，经过几百原子间距后磁矩旋转了180。相

41、邻原子自旋之间的相互作用力对二者之间的相对旋转并没有多大贡献。 4. Bloch畴壁的厚度及畴壁能Fe: 畴壁厚度约为70nm，230个原子层畴壁厚度是交互作用能与各向异性能之间的一个折衷前者需要较大的畴壁厚度，而后者则希望畴壁厚度小一些。最佳（平衡）畴壁厚度应使两种能量之和最小，即畴壁总势能最小。 Uwall最小时，畴壁厚度交互作用各项异性作用交互作用能、磁晶体各向异性能K和饱和磁滞伸缩系数sat MaterialCrystalEex kTC (meV)EasyHardK(mJ cm3)sat( 106 )FeBCC90; cube edge; cube diagonal4820 10020

42、 111CoHCP120/ to c axis to c axis450NiFCC50; cube diagonal; cube edge546 10024 1115. Bloch畴壁的运动当磁畴壁向位错靠近时，张应变和压应变相互抵消，结果晶格不再受力因此具有较小的应变能，这种能量最低的稳定排列使磁畴边界靠近位错。杂质对畴壁的“钉扎”效应 当磁畴壁与杂质相交并且杂质周围有两个相邻的磁畴那么静磁能将会减小 畴壁运动的整个运动过程是不可逆的，而且运动中能量以热量的形式释放到晶体中。 压应变位错对张应变畴壁的吸引封闭畴 样品端面上出现了三角形磁畴，封闭了主畴的两端。 形成机制： 前面讨论片状磁畴磁畴

43、时涉及到表面出现了交替磁极。可以设想这些磁极的附近会产生局部磁场（如图）使这些区域发生新的磁化，磁化的方向在局部磁场方向，这样就形成了封闭畴。DDD/2D/2NNS退磁场能为零。但同时增加了封闭畴的磁晶各向异性能。均匀铁磁体的磁畴结构介绍树枝状畴 在一些立方单晶材料的表面，有时会出现从畴壁界线出发，向两边主畴作斜线伸展的一种附加畴树枝状畴。产生原因： 两个主畴的Ms与样品表面不平行，有一微小的倾角，这样在表面就会出现磁极，使接近表面区产生退磁场，引起此区域的横向磁化。为了降低表面退磁场能，则须在晶体表面形成树状的表面精细畴。（原因与封闭畴相似） 区域附加畴与主畴间的Ms 互相垂直，故其中间为900壁。NNSSAB树状磁畴为降低晶体表面总的退磁场能，在晶体表面出现各种各样的表面精细畴结构或附加次级畴。表面畴介绍 在同一晶粒内，各磁畴的磁化方向有一定关系，但在不同晶粒之间由于易磁化轴方向的不同，磁畴的磁化方向就没有一定的关系。就整块材料而言，磁畴有各种方向，材料对外显示各向同性。 多晶体