第七章磁性材料2

第七章磁性材料电作用力（电场）E=F/q磁作用力（磁场）B=F/qvsinθ电荷静止运动7.1基本概念通常把磁性强的物质称为磁性材料磁化率χ=M/HM:磁化强度H:磁场强度磁导率：真空磁导率μ0=B/(H+M)B:磁感应强度绝对磁导率μ=B/H相对磁导率μr=μ/μ0μr=1+χ描述微观粒子的磁性采用磁矩m磁化强度M是指单位体积中的合磁矩

SI制CGS制磁感应强度B特斯拉(T)高斯(G)1T=1N/A·m1G=10-4T磁场强度HA/m奥斯特(Oe)1Oe=79.6A/m磁化强度MA/m奥斯特(Oe)真空磁导率μ04×10-7T·m/AG/Oe绝对磁导率μT·m/AG/Oe磁化率χ无量纲7.2磁性来源原子的磁性包括三个部分：1）电子自旋磁矩2）电子轨道磁矩3）原子核磁矩原子总磁矩g:朗德(Lande)因子或光谱分裂因子，其值在1~2之间g≈2自旋起主要作用g≈1轨道起主要作用d族过渡金属离子，离子磁矩主要由电子自旋贡献(g=2)离子磁矩有时估算m=gs=2s=n(未成对电子数）7.3磁性的分类

物质磁性的典型分类磁性行为原子磁矩磁导率μ典型χ值磁性无序抗磁性0＜1-1×(10-5~10-8)无变化抗磁顺磁性≠0＞110-4~10-5下降弱磁有序反铁磁性≠0＞110-2~10-4上升弱磁铁磁性≠0＞＞1102~106下降强磁亚铁磁性≠0＞＞1102~106下降强磁原子磁矩排列随温度上升χ的变化7.3.1无序磁性

a.抗磁性：物质中不存在未成对电子宏观特征：在磁场中受到微弱的排斥力，即在对抗磁场方向受力，磁化强度与外加磁场方向相反，磁化率χ＜0|x|=10-5～10-8b.顺磁性：物质中存在未成对电子宏观特征：在磁场中受到微弱的吸引力，即在磁场增强方向受力，磁化强度与外加磁场方向相同，磁化率χ＞0值很小。顺磁物质X0抗磁物质X0HMT（温度）x顺磁性顺磁性物质遵循居里(Curie)定律：x=c/Tc为居里常数x=c/(T-)居里-韦氏定律

(Curie-Weiss)为韦氏常数（通常与实验值符合得更好）T（温度）x顺磁性铁磁性T（温度）x顺磁性反铁磁性TcTN(铁磁性物质、Tc为居里温度）(反铁磁性物质、TN为奈尔温度）7.3.2有序磁性

铁磁性:原子磁矩的排列为方向一致的整齐排列。这种排列因受热运动而紊乱∴T↑x↓A＞0反铁磁性:原子磁矩具有互相抵消的有序排列。A＜0亚铁磁性:原子磁矩具有不能互相抵消的反向排列。A＜0磁有序起因：两个原子外层电子的交换作用a原子电子1b原子电子2a(1)b(2)两个离子外层电子交换作用能

电子交换作用的必要条件：①波函数必须重叠（或说两电子有某种程度的共用）。②若相邻原子（或离子）相距较远，离子之间不能发生直接交换作用，但是可以通过位于它们之间的原子（如氧原子）而间接发生作用（称超交换作用）。超交换作用一般导致自旋反平行排列。ºººº••••º•ºººº••••ºººº••••ºyzx如NiONi2+3d8t2g6eg2

Ni2+O2-Ni2+2个Ni2+的电子自旋反平行dz2dz2pz结论：交换作用A>0cosφ=1平行排列A<0cosφ=-1反平行排列超交换作用反平行排列Ni2+O2-Ni2+

t2g6eg2

eg2t2g67.4磁性材料的结构与性质未成对电子顺磁性未成对电子+交换作用铁磁性反铁磁性亚铁磁性未成对电子+超交换作用反铁磁性亚铁磁性

A>0

A<0

A≈0

A<0

7.4.1过渡金属氧化物MOTiOVOCrO3d23d33d4d电子不是定域在单一M2＋上，而是离域在T2g能带，不显示未成对电子的特性，没有磁相互作用，呈抗磁性，并且是导电体。MnO,FeO,CoO,NiO随原子序数增加，有效核电荷增加，d电子定域于M2+离子上，无导电性，有磁相互作用。在低温时，呈反铁磁性；高于奈尔温度，呈顺磁性。MnOMn2+3d5

Mn2+O2-Mn2+↓↓↓↓↓↑↓↑↑↑↑↑超交换作用导致反平行排列，导致反铁磁性NiONi2+3d8Ni2+O2-Ni2+

反铁磁性7.4.2尖晶石型铁氧体（MFe2O4）化学式中包含Fe2O3的统称为铁氧体例如：Fe3O4(FeO·Fe2O3)MgFe2O4(MgO·Fe2O3)NiFe2O4(NiO·Fe2O3)

尖晶石AB2O4(A)t(BB)oO4t－位于四面体间隙o－位于八面体间隙反尖晶石(B)t(AB)oO4混合型尖晶石(A1-rBr)t(ArB2-r)oO4r为反位度r=0正尖晶石r=1反尖晶石这类化合物不是反铁磁性,就是亚铁磁性。O2-MOMOMt↓↑O2-MOMOMt↓↑①当Mt无磁矩时②当Mt有磁矩时总磁矩m=mo↑m=︱mo-mt︳说明：a)MtMt、MoMo和MtMo超交换作用时A<0导致自旋反平行排列。b)MtMo的超交换作用最强，超过MtMt和MoMo

的相互作用，结果表现为Mt和Mo自旋反平行。举例aZnFe2O4

低温时反位(Fe3+)t(Zn2+Fe3+)oO4mt=mFe3+=5mo=mFe3+＋mZn2+=5m=∣mt-mo∣=5-5=0反铁磁性高温时正位(Zn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4mt=0mo=0m=0反铁磁性举例bMnFe2O4

反位(Fe3+)t(Fe3+Mn2+)oO4mt=5mo=mFe3++mMn2+=10m=∣mt-mo∣=5亚铁磁性正位(Mn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4mt=5mo=5+5=10m=10-5=5亚铁磁性混合(Fe3+rMn2+1-r)t(Mn2+rFe3+2-r)oO4mt=rmFe3++(1-r)mMn2+=5r+5(1-r)=5mo=5r+5(2-r)=10m=10-5=5亚铁磁性举例cMgFe2O4反位(Fe3+)t(Mg2+Fe3+)oO4mt=5mo=5m=0正位(Mg2+)t(Fe3+Fe3+)oO4mt=0mo=0m=0混合(Fe3+rMg2+1-r)t(Mg2+rFe3+2-r)oO4mt=5rmo=5(2-r)m=5(2-r)-5r=10-10r

室温时r≈0.9m≈1随着温度提高，r减小，m增大。当r在0.5左右m有一极大值，随r进一步减小，大部分Fe3+在八面体间隙，t-o作用不占主导地位，o-o超交换作用开始占主导，导致磁矩不再增大，而是减小。举例dMFe2O4(M2+:Fe2+,Co2+,Ni2+等)反位:(Fe3+)t(M2+Fe3+)oO4mt=5mo=5+nM2+m=nM2+计算值实际值Fe2+(n=4)44.2Co2+(n=3)33.4

Ni2+(n=2)22.3混合型:(M2+1-rFe3+r)t(M2+rFe3+2-r)oO4Mt=n(1-r)+5rmo=nr+5(2-r)m=n(2r-1)+10(1-r)对NiFe2O4若r=0.95m=2.3和实验值相同低温时也不是全部反位。举例e固溶体M1-xZnxFe2O4(M=Ni,Co,Fe,Mn)固溶体成分MFe2O4反位(Fe3+)t(M2+Fe3+)oO4ZnFeO4正位(Zn2+)t(Fe3+Fe3+)oO4

(1-x)[(Fe2+)t(M2+Fe3+)oO4]+x[Zn2+t(Fe3+Fe3)oO4]→(Fe3+1-xZn2+x)t(M2+1-xFe3+1+x)oO4

mt=5(1-x)mo=5(1+x)+n(1-x)（n为M2+未成对电子数）m=10x+n(1-x)

如M2+=Ni2+n=2m=2+8xx=0.1m=2.80.23.60.56