固体磁性第三章教材

1、第三章第三章 固体材料中的固体材料中的磁有序磁有序3-1 铁磁性铁磁性Ferromagnetism 3-1-1 特性特性 1、T PM mostly. CT051010SM:CMCBCHH and HCTcTccMHH RRRMBM4,(or = )RBRM0图36-23-1-2 FM 材料材料1、Materials: (1) 元素:9 ,(3 3d metals, Fe, Co, Ni; 6 4f metals), (2) 合金及化合物 : FM-FM, FM-NFM ( etc)AFM-NFM( etc ), TM(PM) NFM( FM); compounds ( 34ln,ScAu V

2、 Weak2,)CrO EuOS ferrites有机FM; Low-d, MML（磁性多层膜） and UTF（超薄膜）, UFP（超细颗粒）,FM半导体.AlFeSiFe,(MnAlCMnAlCu,2,2ZrZn(3) 特殊 FM2、应用、应用 (1) 软磁材料2513( ) 1010 ,(1010)Celow HO Fe-Si, FeNi, Fe-Co-Ni, 等非晶合金, 立方铁氧体.(2)硬磁材料. ( ), 六角铁氧体,100CHOe217(),.XXSm FeNCetcAlnico , MnAlC, ,(3）磁及磁光记录材料 : 等非晶膜 , CoCr 膜,Tb (Gd) -Fe

3、-Co, 颗粒膜 ( )341010CHOe2:10CHOe高f, 较好的 .sSmCo)(,11142172xxCTMNSmFeBFeNdCoSm(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）. 3-1-3 Weiss分子场理论分子场理论(MF), 局域模型局域模型1、基本假设、基本假设:分子场导致自发磁化.MF :,.effJJJBeffHM HHMEg mH For T= 0K, M =0,.JBssJBMNg JNp

4、pg JT0K 时，磁能和热运动能相竞争 完全饱和 BJJNgM0H 应该足够大以致和热运动能相当. 仿照对顺磁性的处理，作用在磁矩上的有效场：仿照对顺磁性的处理，作用在磁矩上的有效场：MHHe)(0JBMM BJJNgM0其中kTMHJgBJ/)(002000MHMNkTMM20000MNkTMMH时，当 从布里渊函数求解自发磁化强度的图解法：从布里渊函数求解自发磁化强度的图解法： 随温度上升，随温度上升， 减小，自发磁化强度减小，自发磁化强度MS减小，当减小，当达到某一临界温度达到某一临界温度TC时，时，MS =0，铁磁性消失。，铁磁性消失。20031MNkTJJckJJNgTBJc3)1

5、(202 当当TTC时，材料呈铁磁性时，材料呈铁磁性)(0JSBMMcSBJTTMMJJkTMJgH/13/000时，)/13(00cSJSTTMMJJBMM)/(/13010MMBMMJJTTSJSc)(0cJSTTfMM 当当TMS(内禀磁化内禀磁化)dHdddBMdHdBMdHdMJJ)()(00)1 ()(00dHdMkTJgBMBJJkTJgBMkTJgBMBJJBJJ/)(1/)(0000)(13)(13JCJBJJTTCBJJkJJNgCBJ3)1(202其中 当当TTC时，无自发磁化，时，无自发磁化，MS=0，材料为顺磁性，材料为顺磁性1/130cSTTMMJJJJBJ31)(

6、kTMHJgBJ/)(0kTMHJgJJJNgBMMBJBJJ)(31)(00)()(3)1(022MHTCMHkTJJNgBJHCTCMpTCCTC有效Bohr磁子数=(1)JgJ J kNkJJNgCeffBJ33/) 1(22,C,) 1(222BJeffJJgeffp(If C-W Law becomes Curie law0H,cT(PM materials)2 、结论、结论(1) 局域电子铁磁态判断标准局域电子铁磁态判断标准:(3) For TM , ; 0) (Ji, 0)(ii(交换常数 J0).,)2(0BSBJNpJNgMSp饱和Bohr磁子数.,SJ , 2Jg,2SpS

7、（4）WhenHMp/0p,0KT sp整数.sMHMMH)(, 03. 关于关于M0 , pS , peff , pc , TC and H 的实验的实验 : 两次外推. (a) Ms由高场的M-H曲线外推. 0M(b) M0 由低温下的MS T外推(2),100BABSNAMNMp,densityatomicAWeight,.noAvogadroNA(3) C is obtained by ),/3 (2BeffNkCpTabove.CT,2SJgpJS. ) 1( JJgpJeff22(1),effJpg J JFor 3d elements ,(4)scpp /, 2Jg),2()22

8、(22cceffppsspcp.effpis 2s obtained from局域化模型,. 1/scpp非局域化模型, pc/ps 1.(5) :由TC附近的Ms-T曲线外推 (也可由其他曲线得到） CT,)T CTTTTT etc()CTK()K0M()SpH Fe1043110117432.216 3.13(4.2)42.291.03Co1388142814471.7153.13(3.21)32.291.34Ni6276505210.6061.6220.91.49Gd293.2131719807.557.9877.040.93(6) Some dataspeffpcpscpp /)104

9、,(2MAG)(B)(B)(B)(B(7) MF理论的一些问题理论的一些问题*,exp,CCTeriments T短程有序.ssscppHppp,)(,整数*3d metals: 3-1-4 巡游电子铁磁性巡游电子铁磁性1、 物理图象物理图象NNUEex0U导致能带劈裂exE2NNN劈裂前，nNNnNN2,2劈裂后，02nUEex交换能变化2. Stoner 判据判据.动能的变化)(2ENnnEEik能量的总变化)(22ENnnUEEEikex)(1 ()(2ENUENnii出现铁磁性的条件1)(ENUi即：0E)(422ENmEiBk能量的总变化224BexmUE时无自发磁化。加外磁场如果,

10、 1)(ENUimHEH0HmENUENmEiiB022)(1 ()(4得由能量极小条件, 0mE)(1)(2)(1)(22002ENUENHENUENmiiBiiB交换增强顺磁性(2) 传导电子系统铁磁性条件 , large； (3) 增强的顺磁性 N(E ) large. F(1) 判据:1)(ENUi0U11)(PaulipepeSome theoretical valuesFE11 LiVFeCo(fcc)NiPdN( )0.481.643.062.014.062.312.252.24-2-1.5-0.95 Actually FM TM: 1, 011Exchange energy o

11、f CE of Li etc. is larger than Fe, Co, Ni !But N( EF ) is small ! (1) 实验实验ddsp 334sFe4.82.60.6 2.2Co5.03.30.71.7Ni5.04.40.60.63. 电子分布及饱和磁矩电子分布及饱和磁矩(2) Experimental values of s (neutron diffraction)spspLpspinpsp p(3d)p(4s)gFe2.39-0.212.182.0910.09182.2142.216Co1.99-0.281.7152.1870.14721.5681.715Ni0.6

12、2-0.1050.5152.1830.05070.5630.606(1) 可依据可依据Fermi-Dirac统计计算出统计计算出Ms-T, -T, Tc.(2) 问题问题 .计算出的Tc偏高。 计算结果Tc: Fe :4400-6200K, Co: 3300-4800K, Ni:2900K. Tc 以上-T不同于居里-外斯定律. 4. results3-2 反铁磁性反铁磁性Antiferromagnetism (AFM) 亚铁磁性亚铁磁性Ferrimagnetism (FIM)3-2-1 AFM 1、 特性.T ,PM态, NT化合物 ,局域磁矩, PCTP 0 K, 0(1)(2) (3)T

13、 = TN, = max.金属中, 巡游电子, 较复杂.)(T2、AFM材料材料.(1) (TM)和,元素形成的化合物, 如 MnO, MnS, MnF2, MnTe, FeF2, Fe Cl2, FeO, CoCl2, CoO, NiO. (2)TM 及其合金, Mn( ), (bcc): FM? , ABNTMn:T705 C, o,MnMn (fcc). From Cu-Mn alloy,TN=207 C and oBA25. 2Cr(bcc) : =312K. 磁矩在晶格中波动分布. NTNT Fe(T910 C, fcc): 40K ?MnAu2 , Pt3Fe etc. 螺旋式AF

14、M. 大部分RE金属显示螺旋式及其他复杂自旋结构的AFM 和FIM.T1100 C,3 、理论解释、理论解释（1）局域磁矩,次晶格模型. 次晶格:0.ijiioJiiMM B iiiBijjjg JHMkTiiMM ,jjijiMHH每个次晶格的 行为类似于铁磁性jM When H=0, butNTT jiMM 0iiMM 每个次晶格 服从 C-W law,NTT . 0,H总的M也服从 C-W law.两次晶格为例iM),(2ABAMMHTCM)(2BABMMHTCM,3/) 1(22kJJNgCBjBAMMMPTCCP)(21 Even H = 0.,NTT 0,BAMMCTN)(21(2

15、) 金属与合金金属与合金. 巡游电子巡游电子. TM巡游电子次晶格理论. (a)扩展的 Stoner模型. AFM 判据 2 N 1. 2BFE(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) CrGround stateSuppose n+ and n- are all positive number. When n+ n- , m is up, while n+ n- , m is down.(3) 磁晶各向异性磁晶各向异性. 单晶中

16、的自旋突转单晶中的自旋突转rotation HHijMM:./:/,NTT :/(i) When H / one easy axisH parallel to , antiparallel to AM.BM),(0AJABMMkTMMHJgABBJA/ )(),(0BJBBMMkTMMHJgBABJB/ )(AMSlightlyBMHMMBA/,NT.1/AtWhen TTN, .00./KatTwithdecrease(ii) When easy axis, rotation.H:0)(BAAAMMHMHHM02sincos2AAMHM,/sin2HMMAH.1./(iii) Spin Fl

17、op(4) AFM畴畴. (5) AFM/FM双层膜或颗粒中的双层膜或颗粒中的AFM/FM界面相互作用界面相互作用, 交换各向异性及交换偏置交换各向异性及交换偏置, 磁滞回线的位移磁滞回线的位移. H(a )(b )HE asyax isM-30-20-100102030-1.0-0.50.00.51.0-30-20-100102030-1.0-0.50.00.51.0 fitted loop H(Oe) exp dataM/Ms 3-2-2亚铁磁性亚铁磁性Ferrimagnetism FIM。特性. 未完全补偿的AFM. 1、（1）TTC PM态, MS=0, -T与 FM材料不同. FIM

18、 材料 2、（1） 化合物. 铁氧体铁氧体: 尖晶石尖晶石 ( etc. ), 3434Fe O ,MFe O石榴石石榴石 ( （良好的微波材料） 六角六角 (M type: Ba Fe12O19 Y, Z, W type etc.),其他化合物.REROFeR,1253and1253)oFeYY(2) HRE-TM 合金(3) RE metals3、次晶格、次晶格Neel理论理论 MS0 at T T0 at TTc: 1/=T/C + 1/0 + /(T-),3-2-3 RE金属磁性金属磁性1、 实验现象实验现象 (3) 复杂的磁相边, e.g. FM-AFM-PM. (4) 复杂的磁有序

19、 (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).2. RE金属的磁结构及相变金属的磁结构及相变 REMag-structures, and (K) cTNTPMKTN5 .12.Ce(58)AFM (FIM in c-plane, AFM interplane) PrAFM (similar to Nd?) PMKTN20.Nd FM or FIM AFMKTC5 . 7.(FM in plane,AFM interplane) P

20、MKTN19.Sm ? AFMK14.?EuAFM(SSS) PMKTN90.(similar to Nd)PMK ?106GdFM(/c-axis,T248K deviate from c) PMKTN289.TbFM(/c-plane) PMSSSAFMKTKTNC230.218.)(DyFM(/c-plane) PMSSSAFMKTKTcN179.90.)(Ho FM(FS)* PMSSSAFMKTKTNc133.20.)(ErFM(FS)* PMSLSWAFMCSAFMKTKTTcNN56.52.20.21)()(Tm(69) FM(APD)* PMSLSWAFMKTKTcN56.22.)(, (Up moment in 4 layers,down in 3).SSS: Simple Spiral S.FS: FM Spiral CS: Complex Spiral. SLSW: St.Longi.SW APD:Antiphase Dom. FM 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