材料的磁性课件

功能材料之一

材料的磁性

磁性是物質的基本屬性，應用領域很廣，如1）電氣化：發電用的發電機和動力用的電動機內磁鋼2）資訊化：磁記錄器和磁記憶體3）高能加速器和粒子檢測器：需要使用強磁場4）原子核和基本粒子的微觀物理學研究：產生磁場的裝置5）生物學和醫學：生物體為弱磁體，各組織和器官的弱磁性有所不同，疾病診斷6）地球科學研究和應用：研究地磁場的起源和演化。7）天文學的研究和航太新技術：目前已知的最強磁場（脈衝星即中子星的磁場高達108-109T）和最低磁場（星系際磁場低到10-13T）均存在於天文學的研究中。磁性與磁性材料的發展史

指南針司馬遷《史記》描述黃帝作戰用

1086年宋朝沈括《夢溪筆談》指南針的製造方法等

1119年宋朝朱或《萍洲可談》羅盤用於航海的記載磁石最早的著作《DeMagnete》W.Gibert18世紀奧斯特電流產生磁場法拉弟效應在磁場中運動導體產生電流安培定律構成電磁學的基礎,

電動機、發電機等開創現代電氣工業

1907年P.Weiss的磁疇和分子場假設

1919年巴克豪森效應

1928年海森堡模型，用量子力學解釋分子場起源

1931年Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇

1933年加藤與武井發現含Co的永磁鐵氧體

1935年荷蘭Snoek發明軟磁鐵氧體

1935年Landau和Lifshitz考慮退磁場，理論上預言了磁疇結構

1946年

Bioembergen發現NMR效應

1948年Neel建立亞鐵磁理論

1954-1957年RKKY相互作用的建立

1958年Mössbauer效應的發現

1960年非晶態物質的理論預言

1964年Kondoeffect近藤效應

1965年Mader和Nowick製備了CoP鐵磁非晶態合金

1970年SmCo5稀土永磁材料的發現

1984年NdFeB稀土永磁材料的發現Sagawa(佐川)1986年高溫超導體，Bednortz-muller

1988年巨磁電阻GMR的發現,M.N.Baibich1994年CMR龐磁電阻的發現，Jin等La1-xCaxMnO3

1995年隧道磁電阻TMR的發現,T.Miyazaki磁性的來源1、早期觀點1）安培分子電流在磁介質中分子、原子存在著一種環形電流——分子電流，分子電流使每個物質微粒都成為微小的磁體在沒有被磁化時，分子電流雜亂無章排列，不顯磁性；加入磁場，分子電流沿磁場方向規則排列，顯磁性2）磁荷磁介質的最小單元是磁偶極子介質沒有被磁化，磁偶極子的取向無規，不顯磁性；處於磁場中，產生一個力矩，磁偶極矩轉向磁場的方向，各磁偶極子在一定程度上沿著磁場的方向排列，顯示磁性2、現代觀點：物質的磁性來源於組成物質中原子的磁性1)帶電的粒子漂移或運動產生磁場2)電子的自旋電子的軌道運動：核外電子的運動相當於一個閉合電流，具有一定的軌道磁矩4)原子核的磁矩材料的磁性主要來源於電子的軌道磁矩和自旋磁矩。原子核的磁矩很小，只有電子的幾千分之一，通常可以略去不計要研究材料的磁性，必須探討體系的電子特性電子是電荷與自旋的統一載體當今光電子和微電子材料的研究和應用領域關注的大多只是電子的電荷特性，而忽略了電子自旋的一面。但當器件的尺度減小到納米量級時，由於量子效應，現有電子學器件的發展將趨於極限。而量子尺度下電子的自旋屬性可以得到充分的顯示，如果能有效地利用電子自旋的特性，必將使電子學器件的功能得到根本性的改善和提高。固體的磁性宏觀描述參數：磁化率

對於各向同性的物質，H：磁場強度M：磁化強度

定義為材料的磁感應強度

B：

固體磁性的分類

抗磁性（磁無序）：磁化率是數值甚小的負數，量級~10-6。大部分的絕緣體和一部分簡單金屬順磁性（磁無序）：磁化率是數值比較小的正數，它與溫度T成反比關係，遵從居裏定律。大部分金屬鐵磁性（磁有序）：這類固體的磁化率是特別大的正數，在某個臨界溫度TC以下，即使沒有外加磁場，材料中也會產生自發的磁化強度。在高於TC的溫度，它變成順磁體，磁化率服從居裏——外斯定律亞鐵磁性（磁有序）：這類材料在溫度低於TC時的磁化率不如鐵磁體那麼大，它的自發磁化強度也沒有鐵磁體的大。典型的亞鐵磁材料是鐵氧體。順磁居裏點

<TC,且往往為負值，反鐵磁性（磁有序）：這類材料的磁化率是小的正數。在溫度低於反鐵磁轉變溫度尼爾溫度TN時，c隨溫度的降低而下降，並且它的磁化率同磁場的取向有關；在溫度高於TN

時，它的行為是順磁的，磁化率與溫度的關係是順磁性鐵磁性亞鐵磁性反鐵磁性為什麼材料會表現出不同的磁性？在晶體中，軌道與軌道、軌道與自旋、自旋與自旋的直接或間接的相互作用以及這些磁矩對外磁場回應的特性就構成了各種不同的磁性物質。§1原子和離子的固有磁矩原子的磁性：電子的軌道磁矩和自旋磁矩軌道磁矩自旋磁矩核外電子的運動相當於一個閉合電流，具有一定的軌道磁矩

電子具有自旋，是量子化的。電子的自旋磁矩同自旋角動量S成正比。對自由電子，gS

＝2.0003§1.1原子的磁矩

當原子中的殼層被電子填滿時，它們的軌道和自旋的磁矩總和是零，對原子的固有磁矩沒有貢獻未滿殼層的電子對原子的固有磁矩有貢獻原子總磁矩

J由總的自旋磁矩與總的軌道磁矩合成軌道和自旋磁矩合成的總磁矩

另一方面，原子的總磁矩應與總角動量成正比g為Lander因數

原子的有效磁矩等於

L

和

S

的平行於J

的分量之和

角動量都是量子化的

原子磁矩的大小

B：玻爾磁子數，P：原子或離子的有效玻爾磁子數，

討論：若原子的磁矩完全由電子的自旋磁矩所貢獻，則L=0,J=S，g=2若完全由電子的軌道磁矩所貢獻，則S=0,J=L，g=1一般情況下兩者都有貢獻。g的數值可以從實驗精確測定，由此可以判定磁性的來源是由於電子的軌道運動，或電子自旋或兩者都有實驗上往往觀察到g因數大於2的情況，這是為什麼呢？理論上可以證明，g因數還與材料的晶格場有關系原子或離子的基態量子數的確定：洪德定則

原子或離子基態的自旋角動量S取泡利原理允許的最大值，亦即S最大的能級位置最低。泡利原理是指在原子中不能有兩個電子處於同一狀態。另一方面，由於庫侖相互作用，自旋相互平行的電子能量較低。總軌道角動量取符合泡利原理條件的最大值，即具有相同S值的能級中，最大L值的能級位置最低。這裏的mli為磁量子數，它是（2l＋1）重簡並的，l為軌道數。原子的總角動量量子數J

可取因此，當支殼層不到半滿時，取；當支殼層正好半滿或超過半滿時，取；支殼層正好半滿時，取L=0,J=S。

例：求三價Pr+++離子的有效玻爾磁子數

原子序數：59

電子組態：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f25s25p6

不滿的殼層：4f2，有兩個電子

運用洪特定則：

1）這兩個電子的自旋角動量可以相互平行，因此

S＝2×（1/2）＝1；

2）4f

態確定的軌道數l＝3，本身填充14個電子。現在有兩個電子，要使得L為最大值，並在不違背泡利原理的前提下，可取

ml=3，2。因此取離子基態最大的磁量子數ML=5，即L=5。

3）現在f殼層只有2個電子，小