材料的磁性课件

功能材料之一

材料的磁性

磁性是物质的基本属性，应用领域很广，如1）电气化：发电用的发电机和动力用的电动机内磁钢2）信息化：磁记录器和磁存储器3）高能加速器和粒子检测器：需要使用强磁场4）原子核和基本粒子的微观物理学研究：产生磁场的装置5）生物学和医学：生物体为弱磁体，各组织和器官的弱磁性有所不同，疾病诊断6）地球科学研究和应用：研究地磁场的起源和演化。7）天文学的研究和航天新技术：目前已知的最强磁场（脉冲星即中子星的磁场高达108-109T）和最低磁场（星系际磁场低到10-13T）均存在于天文学的研究中。磁性与磁性材料的发展史

指南针司马迁《史记》描述黄帝作战用

1086年宋朝沈括《梦溪笔谈》指南针的制造方法等

1119年宋朝朱或《萍洲可谈》罗盘用于航海的记载磁石最早的著作《DeMagnete》W.Gibert18世纪奥斯特电流产生磁场法拉弟效应在磁场中运动导体产生电流安培定律构成电磁学的基础,

电动机、发电机等开创现代电气工业

1907年P.Weiss的磁畴和分子场假设

1919年巴克豪森效应

1928年海森堡模型，用量子力学解释分子场起源

1931年Bitter在显微镜下直接观察到磁畴

1933年加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体

1935年荷兰Snoek发明软磁铁氧体

1935年Landau和Lifshitz考虑退磁场，理论上预言了磁畴结构

1946年

Bioembergen发现NMR效应

1948年Neel建立亚铁磁理论

1954-1957年RKKY相互作用的建立

1958年Mössbauer效应的发现

1960年非晶态物质的理论预言

1964年Kondoeffect近藤效应

1965年Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金

1970年SmCo5稀土永磁材料的发现

1984年NdFeB稀土永磁材料的发现Sagawa(佐川)1986年高温超导体，Bednortz-muller

1988年巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibich1994年CMR庞磁电阻的发现，Jin等La1-xCaxMnO3

1995年隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki磁性的来源1、早期观点1）安培分子电流在磁介质中分子、原子存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体在没有被磁化时，分子电流杂乱无章排列，不显磁性；加入磁场，分子电流沿磁场方向规则排列，显磁性2）磁荷磁介质的最小单元是磁偶极子介质没有被磁化，磁偶极子的取向无规，不显磁性；处于磁场中，产生一个力矩，磁偶极矩转向磁场的方向，各磁偶极子在一定程度上沿着磁场的方向排列，显示磁性2、现代观点：物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性1)带电的粒子漂移或运动产生磁场2)电子的自旋电子的轨道运动：核外电子的运动相当于一个闭合电流，具有一定的轨道磁矩4)原子核的磁矩材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。原子核的磁矩很小，只有电子的几千分之一，通常可以略去不计要研究材料的磁性，必须探讨体系的电子特性电子是电荷与自旋的统一载体当今光电子和微电子材料的研究和应用领域关注的大多只是电子的电荷特性，而忽略了电子自旋的一面。但当器件的尺度减小到纳米量级时，由于量子效应，现有电子学器件的发展将趋于极限。而量子尺度下电子的自旋属性可以得到充分的显示，如果能有效地利用电子自旋的特性，必将使电子学器件的功能得到根本性的改善和提高。固体的磁性宏观描述参数：磁化率

对于各向同性的物质，H：磁场强度M：磁化强度

定义为材料的磁感应强度

B：

固体磁性的分类

抗磁性（磁无序）：磁化率是数值甚小的负数，量级~10-6。大部分的绝缘体和一部分简单金属顺磁性（磁无序）：磁化率是数值比较小的正数，它与温度T成反比关系，遵从居里定律。大部分金属铁磁性（磁有序）：这类固体的磁化率是特别大的正数，在某个临界温度TC以下，即使没有外加磁场，材料中也会产生自发的磁化强度。在高于TC的温度，它变成顺磁体，磁化率服从居里——外斯定律亚铁磁性（磁有序）：这类材料在温度低于TC时的磁化率不如铁磁体那么大，它的自发磁化强度也没有铁磁体的大。典型的亚铁磁材料是铁氧体。顺磁居里点

<TC,且往往为负值，反铁磁性（磁有序）：这类材料的磁化率是小的正数。在温度低于反铁磁转变温度尼尔温度TN时，c随温度的降低而下降，并且它的磁化率同磁场的取向有关；在温度高于TN

时，它的行为是顺磁的，磁化率与温度的关系是顺磁性铁磁性亚铁磁性反铁磁性为什么材料会表现出不同的磁性？在晶体中，轨道与轨道、轨道与自旋、自旋与自旋的直接或间接的相互作用以及这些磁矩对外磁场响应的特性就构成了各种不同的磁性物质。§1原子和离子的固有磁矩原子的磁性：电子的轨道磁矩和自旋磁矩轨道磁矩自旋磁矩核外电子的运动相当于一个闭合电流，具有一定的轨道磁矩

电子具有自旋，是量子化的。电子的自旋磁矩同自旋角动量S成正比。对自由电子，gS

＝2.0003§1.1原子的磁矩

当原子中的壳层被电子填满时，它们的轨道和自旋的磁矩总和是零，对原子的固有磁矩没有贡献未满壳层的电子对原子的固有磁矩有贡献原子总磁矩

J由总的自旋磁矩与总的轨道磁矩合成轨道和自旋磁矩合成的总磁矩

另一方面，原子的总磁矩应与总角动量成正比g为Lander因子

原子的有效磁矩等于

L

和

S

的平行于J

的分量之和

角动量都是量子化的

原子磁矩的大小

B：玻尔磁子数，P：原子或离子的有效玻尔磁子数，

讨论：若原子的磁矩完全由电子的自旋磁矩所贡献，则L=0,J=S，g=2若完全由电子的轨道磁矩所贡献，则S=0,J=L，g=1一般情况下两者都有贡献。g的数值可以从实验精确测定，由此可以判定磁性的来源是由于电子的轨道运动，或电子自旋或两者都有实验上往往观察到g因子大于2的情况，这是为什么呢？理论上可以证明，g因子还与材料的晶格场有关系原子或离子的基态量子数的确定：洪德定则

原子或离子基态的自旋角动量S取泡利原理允许的最大值，亦即S最大的能级位置最低。泡利原理是指在原子中不能有两个电子处于同一状态。另一方面，由于库仑相互作用，自旋相互平行的电子能量较低。总轨道角动量取符合泡利原理条件的最大值，即具有相同S值的能级中，最大L值的能级位置最低。这里的mli为磁量子数，它是（2l＋1）重简并的，l为轨道数。原子的总角动量量子数J

可取因此，当支壳层不到半满时，取；当支壳层正好半满或超过半满时，取；支壳层正好半满时，取L=0,J=S。

例：求三价Pr+++离子的有效玻尔磁子数

原子序数：59

电子组态：1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f25s25p6

不满的壳层：4f2，有两个电子

运用洪特定则：

1）这两个电子的自旋角动量可以相互平行，因此

S＝2×（1/2）＝1；

2）4f

态确定的轨道数l＝3，本身填充14个电子。现在有两个电子，要使得L为最大值，并在不违背泡利原理的前提下，可取

ml=3，2。因此取离子基态最大的磁量子数ML=5，即L=5。

3）现在f壳层只有2个电子，小