电子材料物理第五章

第五章电子材料的磁学性质本章要点：介绍磁性来源、磁性分类、铁磁体、磁记录原理和各种磁性材料的性能及应用

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（ferrite），其具有高电阻（10～106Ω·m）、低损耗的优点。主要内容5.1物质的磁性5.2磁畴与磁滞回线5.3铁氧体的磁性和结构5.4硬磁材料和软磁材料5.5磁记录与磁存储材料5.1物质的磁性5.1.1磁性5.1.3磁性的分类磁矩抗磁电子磁矩顺磁原子磁矩铁磁性5.1.2磁性的本质亚铁磁性电子的磁矩反铁磁性交换作用5.1.1磁性1磁矩磁性来源于物质中电子的运动及原子和电子内部的永久磁矩任一封闭的环形电流（I）都具有磁矩大小：方向：与环形电流的法线方向一致单位：Am2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★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磁矩只与物质本身有关，与外加磁场无关2电子磁矩原子中每个电子都具有磁矩产生磁矩的主要原因★电子绕原子核运动→电子轨道磁矩★电子本身自旋→电子自旋磁矩3原子磁矩原子磁矩来源(1)每个电子的轨道磁矩(2)电子自旋磁矩(3)原子核磁矩原子核磁矩很小，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和原子中电子的角动量是如何耦合的（1）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★泡利不相容原理：一个量子态（n，l，ml，ms）上最多容纳一个电子★能量最小原理：体系能量最低时最稳定原子中一个电子的状态由量子数（n，l，ml，ms）决定，由波函数量子数的取值范围知：①n，l，ml，ms四个量子数相同的电子最多1个；②n,l,ml三个量子数相同的电子最多只有两个；③n，l两个量子数相同的电子最多有2（2l+1）个；④对给定主量子数n的壳层，可容纳2n²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—磁矩电子壳层

（2）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：轨道-自旋耦合（L-S耦合）z＜32混合耦合32＜z＜82j-j耦合z＞82磁铁物质的角动量大都L-S耦合原子的总角动量原子磁矩朗德或光谱分裂因子(3)洪德法则多电子原子基态的量子数L，S，J

由洪德法则确定法则一：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：在最大S时应有最大值法则三：未满壳层中J由下列方式证明：①当电子数少于应满数的一半②当电子数等于或大于应满数的一半（4）原子磁矩的计算（1）cr+3(z=24):电子组态1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(3)

→半满以下,则S=1/2+1/2+1/2=3/2（最大值）L=2+1+0=3（可能最大值）J=L-S=3/2总的电子自旋磁矩3uB原子磁矩：将LSJ带入公式求出gJ=0.4uJ=1.3856uB(2)铁原子（原子序数26），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3d（6）（半满以上）S=5×1/2-1/2=2电子的总自旋磁矩4uBL=2+1+0+（-1）+(-2)+2=2J=L+S=4

原子磁矩：gJ=1.5uJ=6.74磁化强度与磁导率真空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，可正可负5.1.2磁性的本质1电子的磁矩磁现象和电现象存在本质的联系物质的磁现象与原子、电子结构有关电子磁矩=电子轨道磁矩+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（3）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2交换作用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：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—称作交换作用交换作用产生的交换能wj与原子间距密切相关（图5.3）a/D＞3：交换能为正值，铁磁性a/D＜3：交换能为负，反铁磁性5.1.3磁性的分类1抗磁性**磁化强度M为负值（磁化率X为极小的负数）—M和H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

2顺磁性**磁化强度M（磁化率X）为正值—M和H方向一致，与温度成反比关系3铁磁性***属于强磁性物质，室温下磁化率～103铁磁性物质的主要特性（1）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4亚铁磁性温度低于居里点TC时，与铁磁性相似，具有自发磁化和磁滞特性，但X和M都比铁磁体小的多，在温度高于居里点时，特性像顺磁体。5反铁磁性其交换能为负值，电子自旋反向平行排列，无自发磁化现象—宏观特性是顺磁性；交换能与磁性关系5.2磁畴与磁滞回线5.2.1磁畴5.2.2磁滞回线5.2.3磁导率5.2.1磁畴铁磁体在很弱的外磁场作用下就能显示强磁性，是由于铁磁体内存在着自发极化的小区域-磁畴的缘故，磁畴之间的过渡层称为畴壁铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。5.2.2磁滞回线无外磁场时，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5.2.2磁滞回线★磁导率U表征了磁性材料传导和通过磁力线的能力，是磁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，B和H是非线性关系：图5.10★为获得高U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成分和工艺

磁滞损耗与回线面积成正比5.3铁氧体的磁性和结构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

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（两者之差-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、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型，主要为前3种

5.3.1尖晶石型铁氧体1尖晶石结构属于AB2O4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（A）和八面体空位（B）★若二价离子M2+都处于A位，Fe+3占据B位，则为正尖晶石如

★若二价离子M2+处于B位，三价离子分别占据A位和B位，则为反尖晶石如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为：

→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度再淬火才形成易于反型结构2．亚铁磁性

为了解释铁氧体的亚铁磁性，尼尔认为A和B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图5-12。)

如（1）亚铁磁性的铁矿石→净磁矩Fe+2（3d6）（铁原子序数是26，失去两个电子），所以s=2总自旋磁矩

（2）反铁磁性的锌铁氧体（）正尖晶石构

（原子序数30）→3d10,s=0表现为反铁磁性5.3.2石榴石型铁氧体★通式为M为三价稀土离子,c,a,d表示该离子在晶格中的位置类型,晶体为立方结构.a位于体心立方位置,c,d位于立方体各个面上(见图5.13).

★三个位置离子的取向为:a,d位离子反平行，c、d位离子也反平行排列

静磁矩

Un=3Uc+2Ua-3Ud:→每个Fe3+离子的磁矩为5uB，2个a位上的fe3+的磁矩10uB，3个d位上的Fe3+的磁矩15uB所以5.3.3磁铅石型铁氧体含