第六章磁性和多铁性

1、第6章磁性Magnesium of Solid多铁元素性Multi-ferroic圆规司马迁史记是黄帝作战用1086年宋沈含梦溪笔谈圆规的制造方法等1119年宋朱或萍洲可谈吸铁石圆规航海记录的第一部着作De Magnete W.Gibert 18世纪的埃尔9世纪法拉效应用于磁场中驱动导体的电流安培定律电磁学基础电动机，发电机等开始现代电气工业、磁性材料和磁性的研究历史，1907年P.Weiss的磁区和分子场假设1919年巴克豪森效应1928年应用海森堡模型量子力学， 分子场起源1931年Bitter在显微镜下直接磁区1933年加藤和武井在含有Co的永久吸铁石镍锌铁氧体1935年荷兰Snoek发

2、明的软磁性镍锌铁氧体1935年Landau和Lifshitz考虑到退磁场理论上， 磁区构造1946年Bioembergen发现了NMR效应1948年Neel确立了第一铁元素磁理论1957年RKKY相互作用1958年Mssbauer效应1965年Mader和Nowick预言了CoP强磁性非晶态合金1970年SmCo5稀土硬磁材料的发现1984年FeB稀土类硬磁材料的发现Sagawa (佐川) 1986年高温超导体、Bednortz-muller 1988年巨磁阻GMR的发现、M.N.Baibich 1994年CMR泵磁敏电阻的发现、Jin等LaCaMnO3 1995年隧道磁敏电阻TMR的发现、t

3、.m 原子的磁动量矩： p磁化的矢量： m为磁大头针比，施加磁场h为磁场强度，磁场强度h的单位在国际单位制为安培/米(A/m )； 在CGS制中是奥斯特(Oe )。 1a/m相当于410(-3 )深度，垂直于磁场方向的1米长的导线在1安培的电流下受到磁场力的1牛顿时，通电导线所处的磁感应强度为1特斯拉。 一般永久吸铁石附近的磁感应强度约为0.4-0.7特，在电机和电压互感器的铁元素中心，磁感应强度达0.8-1.4特，通过超导材料的强电流的磁感应强度达1000特，地面附近的地磁场的磁感应强度约为0.5*10的-4次方特，1 t=1wb/m2=11wb 1912年拒绝共同分享诺贝尔物理奖爱迪生：天

4、才拥有1%的灵感思维，以99%的勤奋构成，下半句：但是，其1%的灵感思维远远重要于勤奋！ 其实特斯拉是灵感思维天才，爱迪生是努力的天才爱迪生的发明家，如发明电灯特斯拉，解决长距离输送电的大量消耗问题(磁感应强度单位)，如果交流成功，爱迪生直流电灯的市场前景就不好，所以他通过许多方法使交流产生了恐惧感。在芝加哥万博之前，特斯拉交流发挥了很大作用，战胜了直流！ (局限性，使用电灯如交流)、大头针电子的研究背景、巨磁阻效应(GMR )标识牌大头针电子的出现第一代斯德大头针老虎钳：巨磁阻读写头的第二代大头针器件(半导体自旋器件):使自旋极化自旋源在现有半导体中注入自旋的稀薄磁半导体：磁极子与传统的半导

5、体兼容，是良好的大头针源，上世纪的六十年代、光学和电特性，居里温度点(TC )约为2 K InMnAs(PRL，1992 )和GaMnAs (APL，1996 ) TC75 K GaMnAs的TC已为170 K (Nat. Mater .2005 ) 此后，首次实现了室温磁性(Co: TiO2，Science，2001； Co:ZnO、APL、2001 )在过渡金属Mn、Co、Fe、Ni、Cr、v等中掺杂ZnO，研究TiO2、SnO2、GaN、GaP等系统，实现室温磁特性，实现巨大Zeeman效应、巨大Faraday旋转、异常Hall 发现负GMR等的sp-d交换交互模型可以说明DMS的磁性、

6、DMS的研究概况，2007年诺贝尔物理学奖，法国的科学家阿尔贝尔菲尔德，德意志的科学家彼得格林伯格， 1988年费尔德和格林贝尔格尔分别独立发现：在铁元素和铬之间的多层膜中发现了磁变化非常弱对磁性材料显着的电阻变化费尔德，他将其命名为巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive，GMR )，是层间反平行在铁元素的三层膜结构中发现同样的现象，磁性材料应用例的一个磁记录、磁性材料应用例的一个磁记录、磁性材料应用例的一个磁记录铁电性基础offerroelectrics，基本上，施加自发极化强度(Ps) Spontaneous Polarization的自发极化强度被定义为能够使开关特权

7、ps，or reorientated Ps重新取向的强介电质和强介电质在其他许多性质上也具有相应的平行类似性，“强介电质”的名称是其由来，但实际上“强介电质”与“强介电质”无关，在欧洲(法国、德意志等) 历史上的铁电现象，首先可以认为是1920年法国人Valasek在罗息盐发现的，当时他观察的是反常的介电特性。 罗息盐是1665年法国执业药师薛格尼特在罗息处首次制造的，主要特征是电迟滞现象线Hysteresis loop居里温度点Curie temperature Tc介电异常Dielectric anomalous， 电气迟滞现象线Hysteresis loop自发极化Ps Spontane

8、ous Polarization的残留极化Pr Remnant Polarization的抗电场Ec Coercive field，由于电气迟滞现象线在：强介电质的极化强度和外电场之间存在非线性关系由于极化强度的反转是结构域反转的结果，因此电迟滞现象线表示在强介电质中存在结构域。 所谓结构域，是强介电质中自发极化方向一致的小区域，把结构域和结构域的边界称为结构域壁。 强介电质晶体管通常为多结构域体，各结构域的自发极化具有相同的方向，不同结构域的自发极化强度的取向之间存在简单的关系。 四方BaTiO3中的9.0的磁壁和180度的磁壁、Domain in ceramic samples、居里温度点

9、(Tc )，在结晶从高温降温Tc时，必须经过从非铁电相向铁电相的结构相变。 温度高于Tc时，结晶不具有铁电性，温度低于Tc时，结晶显示铁电性。 通常，认为结晶的强介电质结构是从其常电结构经过一点点的变形得到的，所以铁电相的晶格对称性总是低于常电相的对称性。 在结晶中存在2个以上的强介电相的情况下，仅常电-强介电过渡相温度被称为居里点的从一个强介电相向另一个强介电相的结晶的转变温度被称为过渡相温度或者转变温度。介电异常：临界特征、强介电质的介电特性、弹性特性、光学特性、热学特性等在居里点附近发生异常现象，其中一盏茶研究最多的是“介电异常”。 强介电质的介电特性是非线性的，介电常数根据施加电场的大

10、小而变化，因此一般用电迟滞现象线原点附近的斜率表示强介电质的介电常数，实际测量介电常数后，施加电场较小。 多数强介电质的介电常数在居里点附近都有很大的数值，其数值水平为104-105，这是强介电质临界温度下的“介质异常”。 居里-外斯定律Curie-Weiss law指出，当温度高于居里点时，强介电质的介电常数与温度的关系遵循居里-外斯定律：其中，c是居里-外斯常数； t是绝对温度T0是常电居里温度点或居里-外斯温度。 一些典型的强介电质性质，BaTiO3、钛酸钡KDP、磷酸二氢钾元素KH2PO4 TGS、胰蛋白酶硫酸盐、(NH2CH2COOH)3 H2SO4 RS、酒石酸钾纳金属钍(罗息盐)

11、 NaKC4H4O64H2O， 11222222222222222 dielectric constant of bati O3，钛酸钡晶体自发应变与温度的关系，强介电质晶体的分类，迄今发现的强介电质晶体有一千多种。 这些个广泛分布于立方晶系至单斜晶体的1.0点云。 它们的自发极化强度从1.0-4c/m21c/m2的居里点为-261.5C (酒石酸铊锂)和低于1500C。 单轴强介电质、多轴强介电质根据强介电质的极化轴的数量分为2种。 一种是只能在一个结晶轴方向极化的强介电质，如罗息盐和其他酒石酸盐、磷酸二氢钾元素型强介电质、硫酸铵和铍酸铵等。 另一种是钛酸钡、铌酸钾元素、钾元素铝矾石等，可在

12、几个结晶轴方向极化的强介电质(在非强介电相中这些个的结晶轴等价)。 该分类方法便于强介电质结构域的研究。 对称中心为有木有，强介电质为非铁电相，对称中心为有木有，可分为2种。 一类强介电质由于其常电相的晶体结构不具有对称中心而具有逆压电效应。 钽铌酸锂、罗息盐、KDP族晶体等。 另一种强介电质，由于常电相的晶格结构具有对称中心，没有钛酸钡、铌酸钾元素及其同型结晶等逆压电效应。 该分类方法便于铁电过渡相的热力学处理。 根据晶体成分和结构的特点，成分和结构可以将强介电质晶体管分为两类。 一种是含有KDP族、TGS、罗息盐等氢键的结晶。 这种晶体的特点是可溶于水，力学性质柔软，居里点温度低，溶解温度

13、低，常被称为“软”强介电质。 另一种是钛酸钡、铌酸锂等二氧化物晶体。 这些个的特点是不溶于水，力学性质硬，居里点温度高，溶解温度高，常被称为“硬”强介电质。以居里-外斯常数、居里-外斯常数的大小进行分类时(参见图6-4 )，该分类法能够帮助研究强介电质的过渡相反应历程。 居里外斯常数c约为105位，是第一类。 这种强介电质的微观过渡相机制是位移型的，主要含有钛酸钡等氧化物型强介电质。 最近发现的SbSI是这一类的唯一例外，不是氧化物。 居里外斯常数c以约103位计为第二类，这种强介电质的微观过渡相机制是有序-无序型，主要包括KDP、TGS、罗息盐和NaNO2等。 c级约为1.0的是第三类强介电

14、质晶体管，属于此类的典型晶体是(NH4)2Cd2(SO4)3。 这种强介电质的过渡相反应历程目前没有详细研究，也没有专门的名称。 强介电质按居里-外斯常数对表进行分类，量子正向体Quantum Paraelectrics，前兆强介电质Incipient Ferroelectrics的代表性材料： SrTiO3，其他： CaTiO3，KTaO3的主要特征：介电常数随温度的下降而增加由于出现铁电性前兆的量子波动，低温区域有可能不会出现铁电性。强介电质缓和体ferroelectric relaxor由于过渡相不是发生在一个温度点，而是发生在一个温度区间，因此介电常数特性不显示尖溜溜峰值，随着测量频率

15、的升高， 相当宽且平缓的峰值介电常数表示极大值的温度上升，介电常数虚部表示峰值的温度比实部表示峰值的温度低，测定频率高且原来如此，峰值之差变大的介电常数相对于温度的关系与居里-外斯定律不一致，居里-外斯定律的正向相位具有对称中心在以上相当高的温度下，有能够表现为能够观测到压电性和第二间谐波的产生等效果的电场相变，有在一定的电场强度下出现强介电相的大的电致伸缩系数，并且没有明显的滞后效应。 典型材料：铌镁酸金属铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、铌锌酸金属铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、b位复合钙钛矿结构钛酸铋钠(Na1/2Bi1/2)TiO3， a位复合钙钛矿结构等材料：钨青铜结构反强介电

16、质Anti-ferroelectrics，反强介电质就是这样的结晶，结晶结构接近同型强介电质，但相邻的络离子在反平行方向发生自发极化，净自发极化强度为零，不存在类似强介电质的电迟滞现象线。 介电常数(或极化率)与温度的关系，在过渡相温度以下介电常数小，一般的数级在10-102的过渡相温度下，介电常数出现峰值，一般的数级为数千。 在过渡相温度以上，介电常数和温度的关系遵循居里-奥斯定律。 根据x射线分析，在过渡相温度以下，在反强介电质中存在超结构线(即附加的衍射线)。 该超结构在反强介电质中，晶体结构由两种晶格交错而成，子晶格间呈逆向极化. 反铁介电质实例：磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、锆英石

17、酸金属铅(PbZrO3)、PbZrO3反铁介电质的晶格结构示意图，反铁介电质锆英石酸金属铅的介电常数与温度的关系，对电场反铁介电质的作用：铁电体和反铁电体往往为同型体，并在铁电体和反铁电体之间进行翻转这表明强介电质的自由能和反强介电质的自由能非常接近(特别是在PbZrO3型和WO3型的结构中)。 直流电场的作用肯定对铁电状态有利，对反铁电状态不利。 以下说明PbZrO3反强介电质。 反强介电质锆英石酸金属铅的电迟滞现象线与临界电场和温度的关系，有的各向异性现象的结晶，在外力作用下变形，使带电粒子发生相对位移，将结晶表面出现束缚电荷的现象称为逆压电效应。 一部分介质受到机械压力时，会发生压缩和伸长等形状变化，引起介质表面的带电，这是正逆压电效应，相反，施加激励电场时，介质发生机械变形，被称为逆逆压电效应的结晶的这种性质称为压电性。 有逆压电效应的材料叫压电材料。压电材料、机械能、电能、正逆压电效应、反逆压电效应、压电材料应用、拾音、麦克风、入耳式耳机、蜂鸣器、医学超声探头、声纳、材料医学超声探头等都可用压电陶瓷混合双打制作声变换器。 压电陶瓷混合双打通过电子电路的控制，能够产生不同频率的振动，发出各种各样的声音。 例如，电子音乐卡通过逆压电效应将机械振动转换成交流电信号。 声音变换器，压电起爆器，在