固体磁性第三章

固体磁性第三章第1页，共70页，2023年，2月20日，星期四3-1铁磁性Ferromagnetism

3-1-1特性1、T<,FM态:，“易”饱和,M*非线性M-H曲线及磁滞回线

2、T>PMmostly.(or=)第2页，共70页，2023年，2月20日，星期四图36-2第3页，共70页，2023年，2月20日，星期四第4页，共70页，2023年，2月20日，星期四3-1-2FM材料1、Materials:

(1)元素:9,(33dmetals,Fe,Co,Ni;64fmetals),(2)合金及化合物:FM-FM,FM-NFM(etc))AFM-NFM(etc),TM(PM)–NFM(FM);compounds(有机FM;Low-d,MML（磁性多层膜）andUTF（超薄膜）,UFP（超细颗粒）,FM半导体.(3)特殊FM第5页，共70页，2023年，2月20日，星期四2、应用(1)软磁材料Fe-Si,Fe–Ni,Fe-Co-Ni,等非晶合金,立方铁氧体.(2)硬磁材料.(),六角铁氧体,Alnico,MnAlC,,(3）磁及磁光记录材料:

等非晶膜,CoCr膜,Tb(Gd)-Fe-Co,颗粒膜()高,较好的.第6页，共70页，2023年，2月20日，星期四(5)传感器、换能器等.Magnetoelastic,magnetostrictive,MR,GMR,magneto-caloric,etc.(4)微波材料(6)自旋电子学（Spintronics）.第7页，共70页，2023年，2月20日，星期四3-1-3Weiss分子场理论(MF),局域模型1、基本假设:分子场导致自发磁化.MF:ForT=0K,M=T≠0K时，磁能和热运动能相竞争完全饱和H应该足够大以致和热运动能相当.第8页，共70页，2023年，2月20日，星期四 仿照对顺磁性的处理，作用在磁矩上的有效场：第9页，共70页，2023年，2月20日，星期四 从布里渊函数求解自发磁化强度的图解法：第10页，共70页，2023年，2月20日，星期四 随温度上升，减小，自发磁化强度MS减小，当达到某一临界温度TC时，MS=0，铁磁性消失。第11页，共70页，2023年，2月20日，星期四 当T<TC时，材料呈铁磁性第12页，共70页，2023年，2月20日，星期四 当T<TC时，外场H0时，M>MS(内禀磁化)第13页，共70页，2023年，2月20日，星期四 当T>TC时，无自发磁化，MS=0，材料为顺磁性第14页，共70页，2023年，2月20日，星期四有效Bohr磁子数=(IfC-WLawbecomesCurielaw(PMmaterials))第15页，共70页，2023年，2月20日，星期四2、结论(1)局域电子铁磁态判断标准:(3)ForTM,(交换常数J>0).饱和Bohr磁子数.（4）When整数.第16页，共70页，2023年，2月20日，星期四3.关于M0,pS,

peff,

pc,

TC

andHλ的实验:两次外推.(a)Ms由高场的M-H曲线外推.(b)M0

由低温下的MS–T外推(2)Weight,(3)Cisobtainedbyabove第17页，共70页，2023年，2月20日，星期四For3delements,(4)is2sobtainedfrom局域化模型,非局域化模型,pc/ps

>1.第18页，共70页，2023年，2月20日，星期四(5):由TC附近的Ms-T曲线外推(也可由其他曲线得到）第19页，共70页，2023年，2月20日，星期四第20页，共70页，2023年，2月20日，星期四第21页，共70页，2023年，2月20日，星期四

Fe1043110117432.2163.13(4.2)42.291.03Co1388142814471.7153.13(3.21)32.291.34Ni6276505210.6061.6220.91.49Gd293.2131719807.557.9877.040.93(6)Somedata第22页，共70页，2023年，2月20日，星期四第23页，共70页，2023年，2月20日，星期四(7)MF理论的一些问题*短程有序.整数*3dmetals:第24页，共70页，2023年，2月20日，星期四第25页，共70页，2023年，2月20日，星期四第26页，共70页，2023年，2月20日，星期四3-1-4巡游电子铁磁性1、物理图象第27页，共70页，2023年，2月20日，星期四2.Stoner判据.第28页，共70页，2023年，2月20日，星期四第29页，共70页，2023年，2月20日，星期四第30页，共70页，2023年，2月20日，星期四(2)传导电子系统铁磁性条件

①,large；(3)增强的顺磁性

②N(E)large.(1)判据:第31页，共70页，2023年，2月20日，星期四Sometheoreticalvalues

LiVFeCo(fcc)NiPdN()0.481.643.062.014.062.312.252.24-2-1.5-0.95ActuallyFMTM:>1,<0ExchangeenergyofCEofLietc.islargerthanFe,Co,Ni!ButN(EF)issmall!第32页，共70页，2023年，2月20日，星期四(1)实验

334sFe4.82.60.6

2.2Co5.03.30.71.7Ni5.04.40.60.63.电子分布及饱和磁矩第33页，共70页，2023年，2月20日，星期四(2)Experimentalvaluesof’s(neutrondiffraction)

p(3d)p(4s)gFe2.39-0.212.182.0910.09182.2142.216Co1.99-0.281.7152.1870.14721.5681.715Ni0.62-0.1050.5152.1830.05070.5630.606第34页，共70页，2023年，2月20日，星期四(1)可依据Fermi-Dirac统计计算出Ms-T,χ-T,Tc.(2)问题.计算出的Tc偏高。计算结果Tc:Fe:4400-6200K,Co:3300-4800K,Ni:2900K.Tc以上χ-T不同于居里-外斯定律.

4.results第35页，共70页，2023年，2月20日，星期四第36页，共70页，2023年，2月20日，星期四第37页，共70页，2023年，2月20日，星期四3-2反铁磁性Antiferromagnetism(AFM)亚铁磁性Ferrimagnetism(FIM)3-2-1AFM

1、特性.T<,AFM态,=0--

WhenTT>,PM态,化合物,局域磁矩,<0K,(1)(2)(3)T=TN,=max.第38页，共70页，2023年，2月20日，星期四第39页，共70页，2023年，2月20日，星期四金属中,巡游电子,较复杂.第40页，共70页，2023年，2月20日，星期四第41页，共70页，2023年，2月20日，星期四第42页，共70页，2023年，2月20日，星期四第43页，共70页，2023年，2月20日，星期四2、AFM材料.(1)(TM)和Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ元素形成的化合物,如MnO,MnS,MnF2,MnTe,FeF2,FeCl2,FeO,CoCl2,CoO,NiO.(2)TM及其合金,Mn(),(bcc):FM?Mn:T<705C,o=1.9,1.78,0.6,0.25,~95-100K.复杂体心立方结构，4sites,T>705C,oMn(fcc).FromCu-Mnalloy,TN=207CandoCr(bcc):=312K.磁矩在晶格中波动分布.Fe(T>910C,fcc):~40K?MnAu2,Pt3Feetc.螺旋式AFM.大部分RE金属显示螺旋式及其他复杂自旋结构的AFM和FIM.T>1100ºC,第44页，共70页，2023年，2月20日，星期四3、理论解释（1）局域磁矩,次晶格模型.次晶格:每个次晶格的行为类似于铁磁性第45页，共70页，2023年，2月20日，星期四WhenH=0,but每个次晶格服从C-Wlaw,总的M也服从C-Wlaw.两次晶格为例EvenH=0.第46页，共70页，2023年，2月20日，星期四(2)金属与合金.巡游电子.巡游电子次晶格理论.(a)扩展的Stoner模型.AFM判据2N>1.第47页，共70页，2023年，2月20日，星期四(b)自旋密度波（SDW）理论.由于交换作用导致自旋密度为波动分布，正、负自旋电子的空间分布不均匀.A.W.Overhauser.P.R.128,1437(1962),PRL4,462(1960)CrGroundstateSupposen+andn-areallpositivenumber.Whenn+>n-,misup,whilen+<n-,misdown.第48页，共70页，2023年，2月20日，星期四(3)磁晶各向异性.单晶中的自旋突转rotation(i)WhenH//oneeasyaxisHparallelto,antiparalleltoSlightlyAtWhenT<TN,第49页，共70页，2023年，2月20日，星期四(ii)Wheneasyaxis,rotation.(iii)SpinFlop第50页，共70页，2023年，2月20日，星期四(4)AFM畴.(5)AFM/FM双层膜或颗粒中的AFM/FM界面相互作用,交换各向异性及交换偏置,磁滞回线的位移.第51页，共70页，2023年，2月20日，星期四3-2-2亚铁磁性FerrimagnetismFIM。特性.未完全补偿的AFM.1、（1）T<TCAFM结构，MS≠0,MS-T与FM不同.（2）T>TCPM态,MS=0,-T与FM材料不同.FIM材料2、（1）化合物.铁氧体:

尖晶石(etc.),石榴石(（良好的微波材料）

六角(Mtype:BaFe12O19Y,Z,Wtypeetc.),其他化合物.and(2)HRE-TM合金(3)REmetals第52页，共70页，2023年，2月20日，星期四3、次晶格Neel理论

MS≠0atT<TC.When各种磁化强度的温度依赖关系,.由于不同次晶格磁矩Msi(T)的竞争.第53页，共70页，2023年，2月20日，星期四第54页，共70页，2023年，2月20日，星期四第55页，共70页，2023年，2月20日，星期四不同于C-Wlaw.T>Tc:1/=T/C+1/0+/(T-),第56页，共70页，2023年，2月20日，星期四第57页，共70页，2023年，2月20日，星期四第58页，共70页，2023年，2月20日，星期四3-2-3RE金属磁性1、实验现象

(3)复杂的磁相边,e.g.FM-AFM-PM.(4)复杂的磁有序(磁结构)

从La(57,4f0)到Lu(71,4f14),几乎所有具有未满4f壳层的在低温下都有磁有序.与TM形成的合金有巨大的技术价值。永磁材料(LRE-TM);磁光存储介质(HRE-TM).第59页，共70页，2023年，2月20日，星期四2.RE金属的磁结构及相变

RE Mag-structures,and(K)Ce(58) AFM(FIMinc-plane,AFMinterplane)Pr AFM(similartoNd?)Nd FMorFIM(FMinplane,AFMinterplane)Sm ?Eu AFM(SSS)(similartoNd)第60页，共70页，2023年，2月20日，星期四Gd FM(//c-axis,T>248Kdeviatefromc)Tb FM(//c-plane)Dy FM(//c-plane)Ho FM(FS)*Er FM(FS)*Tm(69) FM(APD)*,(Upmomentin4layers,downin3).第61页，共70页，2023年，2月20日，星期四SSS:SimpleSpiralS.FS:FMSpiralCS:ComplexSpiral.SLSW:St.Longi.SWAPD:AntiphaseDom.FM第62页，共70页，2023年，2月20日，星期四非共线SSS: 简单螺旋结构.FS:铁磁螺旋结构或锥面结构.CS: 复杂螺旋结构或反相锥面结构.SLSW:静态纵向自旋波结构或简谐调制结构APD: 反向畴或方波调制结构.如Tm:4层原子磁矩向上，3层向下，平均净磁矩为1第63页，共70页，2023年，2月20日，星期四3.螺旋结构的理论解释……*ForAFM,M0=Mi,对简单螺旋结构θi+1=iθ

*有符号变化的长程交换作用.c,simplespiral,,SLSW考虑交换作用的分子场较为长程，需考虑更多相邻原子层的交换作用.第64页，共70页，2023年，2月20日，星