铁氧体 尖晶石 亚铁磁课件

无论是电子技术、电力技术、通信技术、还是空间技术、计算技术、生物技术，乃至家用电器，磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。从1902年P.塞曼和H.A.洛伦兹获得诺贝尔奖，到1998年华裔的崔琦先生获诺贝尔物理学奖，至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献；公元前2500年我国已有磁性指南——司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河；以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特，后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。从1900年到1930年，先后确立了金属电子论、顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、X射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、铁磁性体理论金属电子量子论、电子显微镜等相关的的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后的20~30年间，出现了种类繁多的磁性材料。我国的磁学前辈当数叶企孙（1924年从美国哈佛大学获博士学位回国）、施汝为先生（1931年在国内发表了第一篇磁学研究论文），现我国已有十余所高校、十几个研究所及几百个生产企业从事磁学研究、教学和生产。<<磁性材料>>(铁氧体部分)磁性材料是功能材料的重要分支；磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能,应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域,尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能、数字化、智能化方向发展;要求磁性材料制造的元器件不仅大容量、小型化、高速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本的特点。我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中,永磁铁氧体的产量达1.1×105ｔ,居世界首位;软磁铁氧体产量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁产量4300ｔ,居世界第二.根据中国工程院的专项调查和预测,我国2005年磁性材料的需求量:永磁铁氧体15×104ｔ,软磁铁氧体6×104ｔ,稀土永磁8000—10000ｔ.但是,目前我国生产的磁性材料基本上是低性能水平的材料,与世界先进水平存在较大的差距.(1)加强磁性材料的基础研究和应用基础研究.(2)改造和完善现有的磁性材料,提高其磁性能,优化制备工艺,降低生产成本.(3)发展新型的磁性材料,特别是纳米磁性材料纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料,应用广泛,性能优异,特别是在信息存储、处理与传输中占据重要地位,其基础研究和应用开发正方兴未艾.(4)加强研究、生产、应用三方面的结合,不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展.磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面:1、永磁铁氧体钡铁氧体、锶铁氧体、钴铁氧体等工业应用领域：电声材料、电机等Br、BHc、jHc、（BH)m烧结铁氧体－工艺：原材料要求不高，预烧，成型、烧结粘结永磁体－工艺：磁粉＋黏合剂，磁场取向，应力取向。（电子仪表，玩具，冰箱密封垫圈，磁性卡片等）总需求计算机领域家电领域电动玩具行业2、软磁铁氧体尖晶石：MnZn、NiZn,六角铁氧体电信、仪器仪表、自动控制和计算技术（音频、中频、高频、超高频）

（1）高磁导率材料，i﹥104，宽频变压器、低频变压器、小型环形脉冲变压器和微型电感器（2）低损耗高稳定材料，高Q值，用于中频载波机、高频、甚高频调谐电路，扫频电路与集成电路组装的通信用滤波器（3）高频、大磁场用材料。用于质子同步加速器中的调谐磁芯、小型电感器（级间耦合变压器），用于跟踪接收机的高功率变压器（宽频扫描）（4）高饱和磁化强度低功耗材料，用于开关电源、电视机偏转磁芯以及U型磁芯（5）甚高频六角铁氧体，使用频率高，频带宽，用于宽频带变压器磁芯、跟踪接收机以及电视扫描接收机之扫频磁芯，卫星通讯中微波中继线路

（6）感温、感湿、电波吸收、电机Mn工艺：气氛烧结（真空或惰性气体）Ni工艺：氧气烧结平面六角4、微波铁氧体主要利用铁氧体的旋磁性、非线性效应等特性，制成铁氧体微波器件，如隔离器、相移器、调制器、环行器等线性器件，倍频器、振荡器、混频器等非线性器件；利用磁声耦合效应制成延迟线等磁声器件尖晶石：Mg系、Ni系、Li系石榴石：YIG有着和低频铁氧体不同的工艺特点，关键是要控制好损耗特性5、磁记录材料磁带、磁盘、磁鼓、磁芯、磁泡、磁光MnZn，音频磁头，NiZn录像磁头磁带用磁粉：－Fe2O36、磁泡材料圆柱形磁畴，可以产生与消失，用于作为硬盘磁记录材料尖晶石铁氧体

MgAl2O4（尖晶石）型结构

通式：AB2O4A—二价离子B—三价离子两种正离子的总价数必须等于8电中性条件正分条件阳离子：阴离子＝3：4非正分情况阳离子空位，正穴导电（P型）阴离子空位，电子导电（N型）有时需要采用相应的工艺对铁氧体物性进行调控立方晶系立方面心格子Fd3m空间群ao=0.808nmz=8晶体结构阳离子分布正尖晶石反尖晶石影响阳离子分布的因素（1）库仑能（2）晶体电场效应（3）共价键轨道杂化（4）近程作用能关于阳离子对B位的择优顺序2.4亚铁磁性1、超交换作用多晶MnO得磁化率和温度得关系曲线MnO的反铁磁结构离子磁矩有序是如何形成的呢？1934年Kramers首先提出离子间交换作用可以通过阴离子激发态来形成。1950年Anderson进行具体推演并获得重要结论（准粒子和二次量子化）。结论：（1）由于p电子轨道哑铃形，因此离子连线180度时作用最强，90度时最弱（2）作用强弱取决于阴离子负电性强弱Jpd是O-的电子自旋S=1/2与Fe2+的S=2两个自旋间的直接交换作用。半共价交换作用理论Goodenough提出半共价理论双交换作用钙钛矿La1-xCaMnO32、分子场理论

1907年，Weiss对铁磁现象提出了分子场假设。Neel将分子场近似的推广到反铁磁性和亚铁磁性的情况其中分子场可以表示为：(同时受同一次晶格磁性离子的影响）两种次晶格的情况N种次晶格考虑只有A、B两种次晶格的情况，此时存在三种相互作用，AA、BB、AB作用于A的分子场作用于B的分子场A、B点阵种自发磁化强度为对于亚铁磁铁氧体，再T=0的时候，其饱和磁化强度可以表述为：可以在一定温度下产生抵消点，这时由于其中包含多个次点阵PNQ型曲线产生P、Q、N型曲线的定性解释大家思考一下，亚铁磁分子场理论对解释亚铁磁型的作用三角形亚铁磁结构三角形亚铁磁构型示意图当当2JB/B//>JAB时，始终不为零，就有可能形成三角形结构首先被证实的三角结构是Cu（Cr2）O4，使用中子衍射3、铁氧体高温顺磁性亚铁磁体的温度磁化率曲线在高于居里点附近呈双曲线型。这一点显著区别于铁磁体和反铁磁体，可以根据1/x~T线形来判断大致的微观自旋构型短程有序的存在4、有效g因数有效旋磁比对于尖晶石铁氧体存在两个次点阵在磁矩抵消点会出现geff=0，在动量矩抵消点geff会变的很大2.5晶格畸变1、离子有序化导致的晶格形变Fe3O4在114.5K附近发生一级相变，由立方对称转变为正交对称B位阳离子在垂直于C轴的平面内有序排列，且二者离子半径有差异，导致晶格发生畸变，且畸变和阳离子半径差以及配位阳离子价键强弱有关2、四角晶格形变含Cu2+、Mn3+和In3+等的铁氧体晶格形变和Fe3O4不同（1） 共价键理论Cu2+和Mn3+易于形成dsp2杂化轨道，在B位置构成四方键，导致B位发生晶格畸变。高温下，四角晶轴杂乱排列，当温度下降到一定程度以后，就会出现有序排列，在宏观上破坏立方对称性。（2）晶体电场理论degt2gdx2-y2dz2dxydxzdyz自由离子八面体位四角晶场Kramers原理Jahn-Teller效应2.6电性1、铁氧体电阻率随着温度升高呈指数衰减的趋势2、电阻率在一定温度存在转折点3、2价铁离子的影响铁氧体的导电机制是怎么样的呢？1、电阻率铁氧体导电机制离子Mn2+Mn3+Co2+Fe3+Fe2+Cu2+Ni2+电子形态3d54s03d44s03d74s03d54s03d64s03d94s03d84s0MeOMnOMn3O4CoOFe2O3Fe3O4CuONiOln87810-278过渡元素氧化物的直流电阻率蛙跃机制提高铁氧体电阻率的途径（1）使配方缺铁（2）加入适量的锰或钴的氧化物是抑制还是束缚（3）减少导电离子对（4）增进晶界的电阻率2、铁氧体的介电性能铁氧体的介电常数明显依赖于Fe2+和Ti2+等的离子浓度，最高可以达到104105。通常，随着频率升高产生剧烈频散现象，以至到了微波仅为10的数量级2.7磁晶各向异性和磁致伸缩磁晶各向异性用来描述内能对自发磁化强度方向的依赖，我们称这个能量为磁晶各向异性能，通常磁晶各向异性和晶体结构有同样的的对称性立方晶体六角晶体四角晶体注意：磁晶各向异性具有可加性，Fe2+的磁晶各向异性常数对铁氧体K1贡献为正，在一定温度范围内可以和其他离子有抵消点（2）轨道动量矩淬灭关于磁晶各向异性的起源：因为它有方向性，不可能来自于自旋间的交换作用，那它来自于哪里呢？当轨道动量矩保持不被淬灭的时候，这样的波函数绕量子化轴旋转，从而产生一个顺时针或者逆时针的圆形电流，相应的方位变化被抹掉，波函数的方向可以简单的由绕量子化轴的函数表示假定m＝＋2和m＝－2两个波函数重叠而抵消了它们的角动量，总的波函数为波函数言<110>方向，避开四重对称主轴波函数沿<100>方向对于以上两种情况在晶场中和近邻的相互作用能量是不同的，这种相互作用包括交换作用，库仑相互作用和共价键作用，我们把这个相互作用叫做配位场，如果有一个态被整个配位场稳定，轨道矩就会被淬灭在晶场中，Vosida提出基态的波函数为下列形式：例如：Fe2+(3d6)，在晶场中能级分裂，在立方晶场作用下分裂成一个三重态，一个双重态，在三角晶场中在分裂成一个单重态两个双重态，基态为单重态结论：只要能级分裂结果使基态为单重态，则轨道角动量必淬灭（3）磁晶各向异性磁晶各向异性使指磁矩相对于晶轴不同方向时能量不同的现象。它的产生使由于自旋－轨道耦合和晶场的联合作用早期认为磁晶各向异性来自于磁矩间交换作用和偶极相互作用，后来证明使错误的，在量子力学建立以后才了解它真正的起源。两个理论模型（1）单离子各向