第一讲固体的磁性

第一讲固体的磁性第一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一B.Gleich,etal.,Nature435,1214(2005)第十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一MFH应用于肿瘤等疾病的无创治疗原理简图MFH（magneticfluidhyperthermia磁流体热疗）

第十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一有关磁学的Nobel物理学奖(I)1902塞曼效应P.Zeeman,H.A.Lorentz1943斯特恩-盖拉赫实验发展分子束方法并测出质子磁矩O.Stern,W.Gerlach第十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一有关磁学的Nobel物理学奖(II)1944分子束核磁共振方法测定核磁矩I.I.Rabi1952凝聚态物质的核磁共振测量方法F.Bloch,E.M.Purcell第十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一有关磁学的Nobel物理学奖(III)1966光磁共振方法A.Kastler1955测定电子磁矩P.Kusch第十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一2007巨磁阻效应(GMR)PeterGrünberg,AlbertFert

有关磁学的Nobel物理学奖(IV)1970磁流体力学H.O.G.Alfven反铁磁性与铁氧体L.E.F.Neel第十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一§1一般论述1.1固体的磁化率χ(susceptibility)真空磁导率磁化强度矢量磁化率相对磁导率第十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一物质磁性分类1.2物质磁性分类按物质在外场中表现的特性按化学成分按物理方法第十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一按物质在外场中表现的特性分类

（磁化率的大小及正负）顺磁性材料弱磁性物质抗磁性材料铁磁性材料----强磁性物质（磁性材料）第十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一磁性材料软磁性材料（剩磁较小）剩磁弱，易去磁，适于反复磁化的场合例如：半导体收音机天线磁棒，录音机磁头，电脑记忆元件，变压器，交流发电机，电磁铁，各种高频元件的铁芯等硬磁性材料（剩磁较大）剩磁强，不易退磁，可制成永磁铁例如：磁电式仪表，扬声器，话筒，永磁电机等电器设备第二十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一按化学成分分类

软磁：软铁、硅钢、镍铁合金

金属磁性材料

硬磁：碳钢、钨钢、铝镍钴合金铁氧体

第二十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一铁氧体大致可分成3类:第1类在移去外磁场后很快消退磁化，被称为软

磁体，如(Mn、Zn)Fe2O4、(Ni、Zn)Fe2O4，被用于

制作变压器的铁芯或马达等；

第3类则为残留磁化大，磁性不易消失的永久磁

铁，又称硬磁体如Co0.75Fe2.25O4；

第2类则介乎二者之间，称为矩形磁体，如

(Mn、Mg)Fe2O4、CoFe2O4，用于电子计算机的存储

元件。

第二十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一

铁氧体最主要的有尖晶石型、石榴石型和磁铅石

型等。尖晶石是指以MgAl2O4为典型代表的结构类型。

如用Fe取代Al3+，便得尖晶石铁氧体，通式为MFe2O4，

M=Mg2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+等。

石榴石结构型起名于矿物石榴石，具通式

A3B2(SiO4)3，A=Mg2+、Fe2+、Mn2+等，B=Al3+、Fe2+、

Cr3+等。该系矿物种类繁多。具有磁性的铁石榴石可用

通式M3Fe5O12，表示，M=Y3+、Ln3+等，铁为Fe3+。

磁铅石是第3类铁氧体，以MFe12O19为通式，

M=Ba、Sr等。它们是尖晶石结构的超构，具六方对称性。磁铅石的阳离子可被多种金属离子取代，为磁记录

材料。

第二十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一按物理方法分类抗磁体顺磁体铁磁体反铁磁体和亚铁磁体第二十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一抗磁体经典抗磁体“反常”抗磁体超导体Χ<0|Χ|很小~10-5Χ与外磁场大小无关Χ与温度无关所有原子（离子）都没有固有磁矩Χ<0|Χ|较大~10-4Χ随磁场周期振荡Χ与温度有一定关系Χ=-1μ=0完全抗磁性Zn,Au,AgCuSi,P,S惰性气体Bi,Ga,Sb石墨,I,Tl第二十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.1第二十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一顺磁体正常顺磁体Χ与温度无关的顺磁体Χ>0|Χ|很小~10-4--10-3Χ依赖于外磁场服从Curielaw含Fe、Co、Ni离子的盐类；铁磁金属在温度高于铁磁居里温度时本质特征：材料内含有浓度可观的因不满原子壳层而具有固有磁矩的离子大多数金属，例如碱金属Χ~10-6第二十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.1第二十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一铁磁体Χ>0|Χ|很大，约为顺磁体的105--106Χ依赖于外磁场Fe、Co、Ni本质：不满的3d壳层引起固有磁矩，相邻原子间的量子力学互作用使得各原子的固有磁矩趋于平行排列，导致了铁磁性第二十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.1第三十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.2第三十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一反铁磁体在某些场合，原子间的互作用量子力使得相邻离子（原子）的磁矩方向相反，导致总的不表现出磁性。在外场下，表现为特有的顺磁性，并有显著的各向异性。多为过渡金属的化合物，CrCl2、MnO、NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等第三十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一亚铁磁体固体中含有两种大小不等的固有磁矩的离子（原子），而这些离子（原子）间的量子作用力使其磁矩方向相反，由于他们的M大小不等，结果仍存在一定的总磁矩。在此情况下，与铁磁体类似，也显现出自发磁化强度。Fe3O4(FeO·Fe2O3)MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、Y3Fe5O4、Gd3Fe5O12等第三十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.1第三十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第三十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一当铁磁（或亚铁磁）颗粒的尺寸小于磁畴的最小尺寸时，每个颗粒将只能包含一个单畴。一般磁畴的最小尺寸是微米量级，因此每个MNP都是一个单畴，称为单畴铁磁。当MNP的尺寸足够小时，热涨落足以随机地翻转一个MNP的M的方向；这被称为超顺磁，即每个MNP依然是铁磁（或亚铁磁），但是各个MNP的M却像顺磁体系中的原子磁矩一样，受热涨落的影响随机排列。超顺磁与顺磁类似，不存在磁滞现象，也就不存在磁滞产热机制。第三十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第三十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一与超顺磁直接相关的磁驰豫机制：Néel驰豫，驰豫时间（τN）由Néel-Arrhenius公式给出，Τ0：由材料的自旋动力学决定的本征驰豫时间，又称“企图时间”（attemptingtime），其值一般在10^10-10^12s；Ka：磁各向异性能，它一般包含磁晶和形状各向异性两部分；Vm：磁体积。第三十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一§2固体的抗磁性芯电子的抗磁性

Langevin抗磁磁化率自由电子抗磁性

Landau抗磁性

deHass–VanAlphen效应第三十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.2第四十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.3第四十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.4第四十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.5第四十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一§3固体的顺磁性原子（离子）的磁性Hund定则朗之万顺磁磁化率自由电子顺磁性（Pauli顺磁性）第四十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一引起顺磁性的主要原因固体中存在具有固有磁矩的顺磁离子固体中自由电子的自旋磁矩固体中存在束缚于缺陷或杂质上的单个电子的自旋磁矩上述固有磁矩在外场中的转向顺磁性第四十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.6Fig.7第四十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Hund定则满足Pauli原理的条件下，原子自旋量子数S取最大值满足Pauli原理的条件下，S取最大值的各状态中，原子轨道角动量量子数L也取最大值若壳层内电子数不到半满，则J=|L-S|；若超过半满，则J=|L+S|第四十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.3第四十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.4第四十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第五十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.8第五十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.5第五十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.9第五十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一§4电子顺磁共振共振原理弛豫时间超精细互作用及应用第五十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.10第五十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一

Fig.11第五十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第五十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第五十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一第五十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一弛豫时间自旋--晶格弛豫时间

高能级上电子通过与晶格原子相互作用，激发晶格振动，把能量转变为热能，而自己由高能级回复到低能级。这一作用越强，恢复到热平衡所需时间越短。自旋--自旋弛豫时间

顺磁离子磁矩（或杂质、缺陷束缚的单电子自旋磁矩）所受的临近磁矩的相互影响，特别是晶体原子核磁矩的影响。该磁矩间互作用的时间称为自旋--自旋弛豫时间。纵向弛豫时间和横向弛豫时间第六十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一

Fig.12第六十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.13第六十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.14第六十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一超精细互作用及应用超精细互作用顺磁体中顺磁离子磁矩与原子核磁矩发生的相互作用超精细结构可用来研究杂质或缺陷的结构及电子状态第六十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一

Fig.15第六十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一§5铁磁性和分子场理论铁磁性磁滞回线磁畴分子场理论第六十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.16第六十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一铁磁体中，具有固有磁矩的离子间存在着一种量子作用力（交换力），使得离子的固有磁矩都趋向一致。所以即使没有外磁场，也有磁化强度存在，称为自发磁化强度。在单晶的铁磁体内，有很多的小区域。其中所有离子（原子）的固有磁矩排列一致，而不同区域的磁矩方向不同，这样的区域称为磁畴。第六十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一分子场铁磁性的特点：铁磁体内不仅有固有的原子磁矩，而且各个原子（离子）之间还存在着一种特殊的量子作用力，使得各个固有原子（离子）磁矩的方向相互一致，从而引起宏观的自发磁化强度。若把这种特殊的作用力看成一种内部磁场，可以称之为分子场或内场。第六十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.17第七十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.18第七十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Table.2第七十二页，共九十二页，编辑于2023年，星期一§6交换相互作用直接交换作用模型（Heisenburg交换模型）--局域电子模型氢分子的交换能间接交换和超交换作用巡游电子模型（能带模型）铁的强铁磁性系统第七十三页，共九十二页，编辑于2023年，星期一1928年，Heisenburg

提出近邻原子间的直接交换作用，它直接与Pauli不相容原理相联系，指出了Weiss分子场的实质。所以直接交换作用模型常称为Heisenburg交换模型。因为参与交换作用的电子是局域在原子附近，又称为局域电子模型第七十四页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.20第七十五页，共九十二页，编辑于2023年，星期一直接交换作用：当2个电子波函数交叠时才存在。适用于过渡金属3d电子间接交换作用：

2个磁性离子磁矩通过传导电子（5s、5p）为中介而发生相互作用。适用于磁性离子4f电子形式：s-f，s-d，d-d，d-f电子间的间接交换作用超交换作用：

2个磁性离子的自旋通过负离子氧的中介而发生相互作用。适用于铁磁性、反铁磁性或亚铁磁性的绝缘体。第七十六页，共九十二页，编辑于2023年，星期一巡游电子模型（能带模型）按照能带理论：各原子壳层的电子都形成能带处于最外层的价电子能带较宽，相应态密度较小内壳层3d或4f电子的能带较窄，相应态密度较大第七十七页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.21第七十八页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.22第七十九页，共九十二页，编辑于2023年，星期一Fig.23第八十页，共九十二页，编辑于2023年，星期一铁的强铁磁性系统铁原子内部有强交换作用使3d能带分裂，上自旋能带能级下降，形成原子的定域磁矩。3d电子中有小部分（5%）形成巡游电子，它们在定域磁矩作用下极化，并使原子间形成自发磁化。s电子对铁磁性作用很小。第八十一页，共九十二页，编辑于2023年，星期一§7自旋波定义在绝对零度下，铁磁体的基态是所有自旋均沿同一方向排列并形成饱和磁化强度Mso状态；在有限温度下，铁磁体中个别自旋磁矩方向因涨落而与磁化强度方向偏离，由此会受到磁化强度的作用，