固体的磁性课件

1、7.1 引言,磁性材料及固体磁性的历史 原子的磁性 磁性的分类及基本物质方程 交换作用及磁畴 铁磁物质的技术磁化,主要内容,学习提示,重点掌握基本物理概念 理解和掌握交换作用 磁性的分类及基本物质方程 交换作用及磁畴,1,学习交流PPT,磁性材料及磁性的研究历史,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 宋朝朱或萍洲可谈磁石罗盘 用于航海的记载 最早的著作De Magnete W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 19世纪 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 安培定律 电磁学基础 电动机、发电机等开创现代电气工业,19世纪前,2

2、,学习交流PPT,磁性材料及磁性的研究历史,1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假说 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 1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效应的发现 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶

3、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.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki,20世纪后,3,学习交流PPT,7.2 原子的磁性,若原子只有一个未满壳层电子,j 为电子的总角动量,角动量与磁矩,4,学习交流PPT,7.2 原子的磁性,总自旋角动量： S=si 总轨道角动量： L=li,在一个填满的电子壳层中，电子的轨道磁矩和自旋

4、磁矩为零。 在一个未填满的电子壳层中，电子的轨道和自旋磁矩将形成一个原子总磁矩。,多电子原子的角动量,5,学习交流PPT,泡利原理： 同一个量子数n，l，m，s表征的量子状态只能有一个电子占据。 库仑相互作用：n,l,m 表征的一个轨道上若有两个电子，库仑排斥势使系统能量提高 因而一个空间轨道倾向只有一个电子占据。 洪德法则： (1) 未满壳层的电子自旋si排列，泡利原理倾向一个轨道只被一个电子占据，而原子内的自旋-自旋间的相互作用使自旋平行排列，从而总自旋S取最大值。 (2) 每个电子的轨道矢量li的排列，电子倾向于同样的方向绕核旋转，以避免靠近而增加库仑排斥能，使总的轨道角动量L取 最大值

5、。(如3d电子，m=2时该轨道磁矩在外场方向上的分量最大，轨道磁矩与外磁场平行能量最低，最稳定)。 (3) 采用L和S间耦合计算原子总角动量 电子数n小于半满时 J= L-S， 电子数n大于半满时 J= L+S。 (洪德法则一般的描述只有(1)和(2)项),7.2 原子的磁性,泡利原理与洪德法则,6,学习交流PPT,7.2 原子的磁性,角动量LS耦合举例,7,学习交流PPT,7.2 原子的磁性,原子的有效磁矩及朗德g因子,8,学习交流PPT,7.2 原子的磁性,轨道角动量冻结的实验现象 在晶场中的3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量

6、冻结。,轨道角动量冻结,轨道角动量冻结的物理机制 过渡金属的3d电子轨道暴露在外面，受晶场的控制。晶场的值为102-104(cm-1)大于自旋-轨道耦合能(l)102(cm-1). 晶场对电子轨道的作用是库仑相互作用，因而对电子自旋不起作用。随着3d电子的轨道能级在晶场作用下劈裂，轨道角动量消失。,9,学习交流PPT,7.3 磁性的分类及基本磁学概念,磁化强度矢量,磁感应强度矢量,：相对磁导率（或磁导率） 0：真空磁导率,注意：SI单位制和Gauss单位制下公式的形式不同； Gauss单位制下，真空磁导率为1,：极化率,10,学习交流PPT,7.3 磁性的分类及基本磁学概念,顺磁性及抗磁性,顺

7、磁性,抗磁性,超导体是完全抗磁体,11,学习交流PPT,7.3 磁性的分类及基本磁学概念,磁体（材料）的分类,顺磁体,铁磁体,反铁磁体,亚铁磁体,12,学习交流PPT,7.4 交换相互作用,当组成氢分子后，体系要增加核之间的相互作用项e2/R，电子相互作用e2/r,以及电子和另一个核之间的交叉作用项 (-e2/ra2)和(-e2/rb1).氢分子体系的哈密顿量可写成下到形式：,其中: 前四项是两个弧立氢原子的电子动能和势能， 后四项是相互作用能。,氢分子回顾,13,学习交流PPT,这一体系的波函数无法直接得到，仍用单电子波函数的线性组合,由这个线性组合，可得到对称( S )和反对称( A )的

8、波函数,Sab表式重迭积分,自旋函数为,7.4 交换相互作用,氢分子回顾,14,学习交流PPT,Heisenberg将氢分子的概念推广至整个晶体。相邻两个3d电子的结合能取决与两个原子的自旋磁矩的相对去向，而结合能是由两个原子中d电子的波函数再空间的重叠程度决定的。这种相互作用的能量可以写成：,Aij是电子之间、电子和原子核之间静电作用的一种形式,ex通常称为交换能，称 Aij为交换积分，它是由于电子云交叠而引起的附加能量。,7.4 交换相互作用,海森堡模型,15,学习交流PPT,7.4 交换相互作用,海森堡模型,16,学习交流PPT,7.4 交换相互作用,1934年克喇末首先提出超交换模型(

9、间接交换)耒解释反铁磁性自发磁化的起因。例如MnO的反铁磁性,Mn离子中间有O 2-离子，因此离子间的距离大，直接交换作用非常弱。然而，Mn离子之间通过O 2-而有一个超交换作用。其机理是：O 2- 离子的电子结构为(1s)2(2s)2(2p)6,其中p-轨道向近邻的Mn离子M1和M2伸展，一个p- 可以转移到M1的Mn离子的3d轨道，由于Mn 2+离子已经有五个半满电子，按照洪德法则，氧的p-电子自旋只能与Mn 2+的五个电子自旋反平行。同时p 轨道上剩余的一个电子自旋必然是与转移出去的电子自旋反平行。它与M2之间的交换作用使它与另一个Mn离子M2的自旋反平行，结果M1和M2反平行。,当M1

10、-O-M2是180度，超交换作用最强。随角度变小超交换减弱，当90度夹角时，相互作用倾向变为正值。,超交换相互作用,17,学习交流PPT,7.5 铁磁性,铁磁性,注：当TTc (居里点)时，热运动破坏了自旋间的交换作用，呈磁无序状态,18,学习交流PPT,7.5 铁磁性,磁畴的大小和分布,1. 静磁能和畴壁能的共同作用下,磁畴不能发展成无限大 未磁化的磁体M 0，不显磁性 表面磁场线被磁畴屏蔽,2. 畴壁的微观结构,磁畴壁内自旋取向逐渐过渡 以降低体系能量,19,学习交流PPT,7.6（亚）铁磁体中的畴壁,相关能量及定义,Exchange energy,Magnetocrystalline,M

11、agnetoelastic,Zeeman,Magnetostatic,20,学习交流PPT,7.6（亚）铁磁体中的畴壁,Bloch畴壁,21,学习交流PPT,7.6（亚）铁磁体中的畴壁,Neel畴壁,22,学习交流PPT,7.7 铁磁物质的技术磁化,铁磁体的技术磁化,磁滞回线,Hc,Hc 较小，磁化率较大称为软磁材料 Hc 较大，磁化率较小称为硬磁材料,23,学习交流PPT,7.7 铁磁物质的技术磁化,铁磁体的技术磁化,畴壁可逆移动,24,学习交流PPT,7.7 铁磁物质的技术磁化,铁磁体的技术磁化,畴壁不可逆移动,25,学习交流PPT,7.7 铁磁物质的技术磁化,铁磁体的技术磁化,不可逆Ba

12、rkhausent跳跃,26,学习交流PPT,7.7 铁磁物质的技术磁化,可逆磁畴转动,铁磁体的技术磁化,27,学习交流PPT,7.8 磁性材料应用举例之一磁记录,28,学习交流PPT,7.8 磁性材料应用举例之一磁记录,Schematic representation of longitudinal, digital magnetic recording write process.,水平记录,29,学习交流PPT,7.8 磁性材料应用举例之一磁记录,垂直记录,30,学习交流PPT,考试重点,分离变量方法，单电子近似，谐阵子能量（一维、三维） 倒易点阵，Bragg方程，布里渊区 晶格振动的色散关系，声学和光学振动，声子，德拜模型，态密度，晶体