电子材料物理第五章

1、 磁性材料在现代微电子学、传感控制、信息存储、磁性材料在现代微电子学、传感控制、信息存储、激光调制以及仪表测量和永磁电机等现代工业技激光调制以及仪表测量和永磁电机等现代工业技术中具有广泛的应用术中具有广泛的应用 磁性材料主要有金属基磁性材料和磁性无机材料磁性材料主要有金属基磁性材料和磁性无机材料等，磁性无机材料一般是含铁及其它元素的的复等，磁性无机材料一般是含铁及其它元素的的复合氧化物，通常称为铁氧体（合氧化物，通常称为铁氧体（ferrite），其具有），其具有高电阻（高电阻（10106m）、低损耗的优点。）、低损耗的优点。 5.1 物质的磁性物质的磁性 5.2 磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线

2、5.3 铁氧体的磁性和结构铁氧体的磁性和结构 5.4 硬磁材料和软磁材料硬磁材料和软磁材料 5.5 磁记录与磁存储材料磁记录与磁存储材料 5.1.1 磁性磁性 5.1.3 磁性的分类磁性的分类 磁矩磁矩 抗磁抗磁 电子磁矩电子磁矩 顺磁顺磁 原子磁矩原子磁矩 铁磁性铁磁性 5.1.2 磁性的本质磁性的本质 亚铁磁性亚铁磁性 电子的磁矩电子的磁矩 反铁磁性反铁磁性 交换作用交换作用 1 磁矩磁矩 磁性来源于物质中电子磁性来源于物质中电子 的运动及原子和电子内的运动及原子和电子内 部的永久磁矩部的永久磁矩 任一封闭的环形电流（任一封闭的环形电流（I） 都具有磁矩都具有磁矩 大小：大小： 方向：与环

3、形电流的法线方向一致方向：与环形电流的法线方向一致AI munDefinition of a magnetic dipole moment.mIs单位：单位：A m2在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩 Wb.m-2一维情况，磁矩受到的磁场力为一维情况，磁矩受到的磁场力为 磁矩是表征物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越磁矩是表征物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越强，物体在磁场中受到的力也越大强，物体在磁场中受到的力也越大 磁矩只与物质本身有关，与外加磁场无关磁矩只与物质本身有关，与外加磁场无关FmJBxmdBFdx 2 电子磁矩电子磁矩 原子中每个电子

4、都具有磁原子中每个电子都具有磁矩矩 产生磁矩的主要原因产生磁矩的主要原因 电子绕原子核运动电子绕原子核运动电电子轨道磁矩子轨道磁矩 电子本身自旋电子本身自旋电子自电子自旋磁矩旋磁矩IA-eLrorbzspinBzSz 3 原子磁矩 原子磁矩来源原子磁矩来源 (1) 每个电子的轨道磁矩每个电子的轨道磁矩 (2) 电子自旋磁矩电子自旋磁矩 (3) 原子核磁矩原子核磁矩 原子核磁矩很小，一般可以略去。原子核磁矩很小，一般可以略去。 要确定原子的核磁矩，首先要了解原子中的电子分布规律要确定原子的核磁矩，首先要了解原子中的电子分布规律和原子中电子的角动量是如何耦合的和原子中电子的角动量是如何耦合的 （1

5、）电子壳层与磁性）电子壳层与磁性在多电子原子中，决定电子状态的原则有两条在多电子原子中，决定电子状态的原则有两条泡利不相容原理：泡利不相容原理：一个量子态（一个量子态（n，l，ml，ms）上最多容纳一个电子）上最多容纳一个电子能量最小原理：能量最小原理：体系能量最低时最稳定体系能量最低时最稳定原子中一个电子的状态由量子数（原子中一个电子的状态由量子数（ n，l，ml，ms ）决定，由波函数量子）决定，由波函数量子数的取值范围知：数的取值范围知： n，l，ml，ms四个量子数相同的电子最多四个量子数相同的电子最多1个；个； n, l, ml三个量子数相同的电子最多只有两个；三个量子数相同的电子最

6、多只有两个； n，l两个量子数相同的电子最多有两个量子数相同的电子最多有2（2l+1）个；）个； 对给定主量子数对给定主量子数n的壳层，可容纳的壳层，可容纳2n个电子；个电子； 能量相同（主量子数n）的电子分布在同一壳层上，n=0，1，2，3壳层分别用K，L，M，N等表示；在同一壳层中，可以取0，1，（l-1）个角量子数，可以按照其不同分成若干次壳层，分别用符号s，p，d，f，g，h等表示。具体见表5-1 电子填满壳层 ：电子总动量据和总磁矩都为零 未填满电子的壳层 ：存在着未成对的电子磁矩对原子的总磁矩作出贡献 结论：原子的总磁矩取决于未满电子壳层上的电子磁矩结论：原子的总磁矩取决于未满电子

7、壳层上的电子磁矩磁矩电子壳层磁矩电子壳层 （2）角动量耦合与原子总磁矩）角动量耦合与原子总磁矩* 原子中的角动量耦合方式由两种：原子中的角动量耦合方式由两种： 轨道轨道-自旋耦合（自旋耦合（L-S耦合）耦合）z32 混合耦合混合耦合 32z82 j-j 耦合耦合 z82 磁铁物质的角动量磁铁物质的角动量 大都大都L-S耦合耦合 原子的总角动量原子的总角动量 原子磁矩原子磁矩(1)JLSJppppJ J(1)JJBgJ J(1)(1)(1)12 (1)JJ JS SL LgJ J 朗德或光谱分裂因子 (3) 洪德法则洪德法则 多电子原子基态的量子数多电子原子基态的量子数L，S，J 由洪德法则确定

8、由洪德法则确定 法则一法则一：在泡利不相容原理允许下，给定原子组态具有最 大 值 法则二法则二：在最大S时 应有最大值 法则三法则三：未满壳层中J由下列方式证明： 当电子数少于应满数的一半 当电子数等于或大于应满数的一半 （4）原子磁矩的计算）原子磁矩的计算sSmLLmJLSJLSJLS （1）cr+3(z=24):电子组态电子组态1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(3) 半满以下半满以下, 则则 S=1/2+1/2+1/2=3/2（最大值）（最大值） L=2+1+0=3（可能最大值）（可能最大值） J=L-S=3/2 总的电子自旋磁矩总的电子自旋磁矩3uB 原子磁矩：将原

9、子磁矩：将L S J带入公式求出带入公式求出 gJ=0.4 uJ=1.3856uB (2) 铁原子（原子序数铁原子（原子序数26），基态电子壳层分布为），基态电子壳层分布为 1s（2）2s（2）2p（6）3s（2）3p（6）3d（6）4s（2） 磁性电子壳层磁性电子壳层3d（6）（半满以上）（半满以上） S=51/2-1/2=2 电子的总自旋磁矩电子的总自旋磁矩4uB L=2+1+0+（-1）+(-2)+2=2 J=L+S=4 原子磁矩：原子磁矩：gJ=1.5 uJ=6.7真空中真空中磁介质中磁介质中介质磁导率表征磁介质的磁性、导磁性和磁化难易程度，只与介质有关定义磁化强度X叫做磁化率，可正可

10、负0BH70410 (/)H mBH0()BHMH0(/1)HM (1)rMHH 1 电子的磁矩电子的磁矩磁现象和电现象存在本质的联系磁现象和电现象存在本质的联系物质的磁现象与原子、电子结构有关物质的磁现象与原子、电子结构有关电子磁矩电子磁矩=电子轨道磁矩电子轨道磁矩+自旋磁自旋磁（1）晶体中电子轨道磁矩受晶格场的作用，方向是变化的，不能形）晶体中电子轨道磁矩受晶格场的作用，方向是变化的，不能形成联合磁矩，对外没磁性作用。所以物质磁性主要是自旋磁矩引起的成联合磁矩，对外没磁性作用。所以物质磁性主要是自旋磁矩引起的（2）原子核自旋的自旋磁矩可以略去不计）原子核自旋的自旋磁矩可以略去不计（3）孤立

11、原子是否具有磁矩，决定于原子的结构，即有无未填满的）孤立原子是否具有磁矩，决定于原子的结构，即有无未填满的电子壳层电子壳层 2 交换作用交换作用 用来解释磁性很强的铁磁体的磁特性用来解释磁性很强的铁磁体的磁特性 铁磁性除与电子结构有关外，还与晶体结构有关：铁磁性除与电子结构有关外，还与晶体结构有关： 处于不同原子间、未填满壳层上的电子由于公有化运动发处于不同原子间、未填满壳层上的电子由于公有化运动发生特殊的相互作用生特殊的相互作用称作交换作用称作交换作用 交换作用产生的交换能交换作用产生的交换能wj与原子间距密切相关（图与原子间距密切相关（图5.3） a/D3：交换能为正值，铁磁性：交换能为正

12、值，铁磁性 a/D3：交换能为负，反铁磁性：交换能为负，反铁磁性 1 抗磁性抗磁性*磁化强度磁化强度M为负值（磁化率为负值（磁化率X为极小的负数）为极小的负数）M和和H方向相反，并且几方向相反，并且几乎不随温度变化。无永久磁矩，外磁场使电子轨道变化感生一个磁矩乎不随温度变化。无永久磁矩，外磁场使电子轨道变化感生一个磁矩 2 顺磁性顺磁性*磁化强度磁化强度M （磁化率（磁化率X ）为正值）为正值M和和H方向一致，与温度成反比关系方向一致，与温度成反比关系 3 铁磁性铁磁性* 属于强磁性物质，室温下磁化率属于强磁性物质，室温下磁化率103 铁磁性物质的主要特性铁磁性物质的主要特性 （1）很容易磁化

13、，在不强的磁场下就可以磁化到饱和态）很容易磁化，在不强的磁场下就可以磁化到饱和态 （2）磁化强度与外磁场不成线性关系）磁化强度与外磁场不成线性关系磁滞回线磁滞回线 （3）铁磁性物质的磁性与温度有关，遵从居里外斯定律）铁磁性物质的磁性与温度有关，遵从居里外斯定律 4 亚铁磁性亚铁磁性 温度低于居里点温度低于居里点TC时，与铁磁性相似，具有自发磁化和磁时，与铁磁性相似，具有自发磁化和磁滞特性，但滞特性，但X和和M都比铁磁体小的多，在温度高于居里点时，都比铁磁体小的多，在温度高于居里点时，特性像顺磁体。特性像顺磁体。 5 反铁磁性反铁磁性 其交换能为负值，电子自旋反向平行排列，无自发磁化现其交换能为

14、负值，电子自旋反向平行排列，无自发磁化现象象宏观特性是顺磁性；宏观特性是顺磁性；Je0+MnFeCoNiGdCrrrd 5.2.1 磁畴 5.2.2 磁滞回线 5.2.3 磁导率 铁磁体在很弱的外磁场铁磁体在很弱的外磁场作用下就能显示强磁性，作用下就能显示强磁性，是由于铁磁体内存在着是由于铁磁体内存在着自发极化的小区域自发极化的小区域-磁磁畴的缘故，磁畴之间的畴的缘故，磁畴之间的过渡层称为畴壁过渡层称为畴壁 铁磁体在外磁场中的磁铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向动和磁畴内磁矩的转向。HaReversibleboundarymotionHbIrrev

15、ersibleboundarymotionHcRotationofMMHMdSaturationofM无外磁场时，材料处于退磁态，具有不同方向的磁畴的磁矩大体可以抵消无外磁场时，材料处于退磁态，具有不同方向的磁畴的磁矩大体可以抵消有外磁场不很大时，畴壁发生移动，使与外场方向一致的磁畴区域扩大有外磁场不很大时，畴壁发生移动，使与外场方向一致的磁畴区域扩大外场增大到一定程度，磁矩都向着场的方向排列，处于饱和状态外场增大到一定程度，磁矩都向着场的方向排列，处于饱和状态AB100HAB(a)(b)MsatMOabcdefMrHe-Hc-x-H+xH 磁导率U表征了磁性材料传导和通过磁力线的能力，是 磁

16、性材料最重要的物理量之一 一般磁性材料，磁导率是常数，B和H是线性关系 铁磁体，磁导率随外磁场变化，铁磁体，磁导率随外磁场变化，B和和H是非线性关系：图是非线性关系：图5.10 为获得高为获得高U的磁性材料，一方面提高材料的饱和磁化强度，的磁性材料，一方面提高材料的饱和磁化强度，另一方面要减少磁化过程中的阻力，所以要严格控制材料的另一方面要减少磁化过程中的阻力，所以要严格控制材料的成分和工艺成分和工艺 BHBsatBdBrg-H-B-Bsat-Br(b)HMsatMOdMrefghH-H-M-Msat-Mr-HcHcHsat-Hsati(a)磁滞损耗与回线面积成正比磁滞损耗与回线面积成正比 铁

17、氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料，它一般包含多种金属的铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料，它一般包含多种金属的氧化物氧化物 铁氧体磁性与铁磁性相同点：有自发磁化强度和磁畴；所以铁氧体磁性与铁磁性相同点：有自发磁化强度和磁畴；所以又统称为铁磁性物质又统称为铁磁性物质 铁氧体磁性与铁磁性不同点：铁氧体一般包含多种金属氧化铁氧体磁性与铁磁性不同点：铁氧体一般包含多种金属氧化物，其磁性来自两种不同排列方向相反、大小不同的磁矩物，其磁性来自两种不同排列方向相反、大小不同的磁矩（两者之差（两者之差-自发磁化），其磁性属于亚铁磁性自发磁化），其磁性属于亚铁磁性 铁氧体按材料结构分为尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙铁

18、氧体按材料结构分为尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型，主要为前钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型，主要为前3种种 1 尖晶石结构尖晶石结构 属于属于AB2O4型化合物，通式型化合物，通式 氧离子为体心立方密堆排列。由此氧离子可组成氧四面体空位（氧离子为体心立方密堆排列。由此氧离子可组成氧四面体空位（A）和八）和八面体空位（面体空位（B） 若二价离子若二价离子M2+都处于都处于A位，位，Fe+3占据占据B位，则为正尖晶石位，则为正尖晶石 如如 若二价离子若二价离子M2+处于处于B位，三价离子分别占据位，三价离子分别占据A位和位和B位，位，则为反尖晶石则为反尖晶石 如如2323MO

19、 Fe O2324()ZnFeO3324()FeFe MO 亚铁磁性尖晶石多为反尖晶石结构亚铁磁性尖晶石多为反尖晶石结构，其净磁矩的形成可表示，其净磁矩的形成可表示为为： 借助电子自旋耦合形成二价离子的净磁矩借助电子自旋耦合形成二价离子的净磁矩 反型的出现取决于热处理条件，通过对正尖晶石结构提高温反型的出现取决于热处理条件，通过对正尖晶石结构提高温度再淬火才形成易于反型结构度再淬火才形成易于反型结构 2亚铁磁性亚铁磁性 为了解释铁氧体的亚铁磁性，尼尔认为为了解释铁氧体的亚铁磁性，尼尔认为A和和B位离子总是反平位离子总是反平行排列，但由于铁氧体中总合有两种或以上阳离子，离子磁行排列，但由于铁氧体

20、中总合有两种或以上阳离子，离子磁矩大小不同，数目有所不同，因而存在剩余净磁矩。铁磁性、矩大小不同，数目有所不同，因而存在剩余净磁矩。铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性的对比如亚铁磁性和反铁磁性的对比如图图5-12。332abbFeFeM2334FeOFe OFe O26) 如（如（1）亚铁磁性的铁矿石）亚铁磁性的铁矿石 净磁矩净磁矩Fe+2（3d6）（铁原子序数是）（铁原子序数是26，失去两个电子），失去两个电子），所以所以 s=2 总自旋磁矩总自旋磁矩 （2）反铁磁性的锌铁氧体）反铁磁性的锌铁氧体（ ）正尖晶石构 （原子序数（原子序数30）3d10,s=0 表现为反铁磁性表现为反铁磁性 2334FeOFe OFe O2324ZnOFe OZnFe O2aZn3aFe3bFe2Zn3aFe3bFe2bFe4B 通式为