第七章-固體的磁性-1PPT課件

1、 7.1 引言 n 磁性材料及固體磁性的歷史 n 原子的磁性 n 磁性的分類及基本物質(zhì)方程 n 交換作用及磁疇 n 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化 重點(diǎn)掌握基本物理概念 理解和掌握交換作用 磁性的分類及基本物質(zhì)方程 交換作用及磁疇 磁性材料及磁性的研究歷史 指南針 司馬遷史記描述黃帝作戰(zhàn)用 1086年 宋朝沈括夢(mèng)溪筆談指南針的制造方法等 1119年 宋朝朱或萍洲可談磁石羅盤(pán) 用于航海的記載 最早的著作De Magnete W.Gibert 18世紀(jì) 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場(chǎng) 19世紀(jì) 法拉弟效應(yīng) 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流 安培定律 電磁學(xué)基礎(chǔ) 電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等開(kāi)創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè) 磁性材料及磁性的研究歷史 190

2、7年 P.Weiss的磁疇和分子場(chǎng)假說(shuō) 1919年 巴克豪森效應(yīng) 1928年 海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場(chǎng)起源 1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇 1933年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體 1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體 1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場(chǎng), 理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu) 1946年 Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng) 1948年 Neel建立亞鐵磁理論 1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)

3、1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) Sagawa(佐川) 1986年 高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller 1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn), M.N.Baibich 1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki 7.2 原子的磁性 m 磁矩m: 電子自旋磁矩 電子軌道磁矩 q 角動(dòng)量磁矩 若原子只有一個(gè)未滿殼層電子 (2 )() 22 ee mm lsjs jlsj 為電子的總角動(dòng)量 電 子 軌 道 磁 矩 電 子 自 旋 磁 矩 2 (1) 2 (1) l l B e m e l l m l l L (2)

4、 2 2(1) s sB e g m s s s g 2 B e m 7.2 原子的磁性 總自旋角動(dòng)量： S=si 總軌道角動(dòng)量： L=li l在一個(gè)填滿的電子殼層中，電子的軌道磁矩和自旋磁矩為零。 l在一個(gè)未填滿的電子殼層中，電子的軌道和自旋磁矩將形成一 個(gè)原子總磁矩。 L S 總角動(dòng)量J 泡利原理： 同一個(gè)量子數(shù)n，l，m，s表征的量子狀態(tài)只能有一個(gè)電子占據(jù)。 庫(kù)侖相互作用：n,l,m 表征的一個(gè)軌道上若有兩個(gè)電子，庫(kù)侖排斥勢(shì)使系統(tǒng)能量提高 洪德法則：洪德法則： (1) 未滿殼層的電子自旋si排列，泡利原理傾向一個(gè)軌道只被一個(gè)電子占據(jù)，而 原子內(nèi)的自旋-自旋間的相互作用使自旋平行排列，從而

5、總自旋S取最大值。 (2) 每個(gè)電子的軌道矢量li的排列，電子傾向于同樣的方向繞核旋轉(zhuǎn)，以避免靠 近而增加庫(kù)侖排斥能，使總的軌道角動(dòng)量L取 最大值。(如3d電子，m=2時(shí)該軌道 磁矩在外場(chǎng)方向上的分量最大，軌道磁矩與外磁場(chǎng)平行能量最低，最穩(wěn)定)。 (3) 采用L和S間耦合計(jì)算原子總角動(dòng)量 電子數(shù)n小于半滿時(shí) J= L-S， 電子數(shù)n大于半滿時(shí) J= L+S。 (洪德法則一般的描述只有(1)和(2)項(xiàng)) 7.2 原子的磁性 7.2 原子的磁性 S S m 3 2 1 0 -1 -2 -3 L- S L+S =L-s =L+s J=L-SJ=L+S 7.2 原子的磁性 (2 ) 2 2 e m e

6、 g m J LS JLS J (1)(1)(1) 1 2 (1) J J J JS SL L g J J J S L J L S J 7.2 原子的磁性 在晶場(chǎng)中的3d過(guò)渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子自旋磁 矩，而電子的軌道磁矩沒(méi)有貢獻(xiàn)。此現(xiàn)象稱為軌道角動(dòng)量?jī)鼋Y(jié)。 n 過(guò)渡金屬的3d電子軌道暴露在外面，受晶場(chǎng)的控制。晶場(chǎng)的 值為102-104(cm-1)大于自旋-軌道耦合能(l)102(cm-1). n 晶場(chǎng)對(duì)電子軌道的作用是庫(kù)侖相互作用，因而對(duì)電子自旋不 起作用。隨著3d電子的軌道能級(jí)在晶場(chǎng)作用下劈裂，軌道角 動(dòng)量消失。 7.3 磁性的分類及基本磁學(xué)概念 H V m M 0 H HH

7、MHB 0 000 磁化強(qiáng)度矢量 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量 ：相對(duì)磁導(dǎo)率（或磁導(dǎo)率） 0：真空磁導(dǎo)率 ：磁化率 7.3 磁性的分類及基本磁學(xué)概念 順磁性 抗磁性 7.3 磁性的分類及基本磁學(xué)概念 順磁體 鐵磁體 反鐵磁體 亞鐵磁體 7.4 抗磁性與順磁性 B0 l l -e 0 0 d d d d2 l l l t e tm l B B 進(jìn)動(dòng)方程 進(jìn)動(dòng)頻率 0 2 L eB m 7.4 抗磁性與順磁性 實(shí)驗(yàn)規(guī)律：居里（Curie）定律，順磁磁化率 0 /(/)C TM B 朗之萬(wàn)（Langevin）順磁理論： 磁矩在磁場(chǎng)中的能量為： 00JBJJ gM BxM B 由玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)有： () J J J

8、M x BJ J J M x J gMe e 0 0 N B 7.4 抗磁性與順磁性 00JBJ gM B B 若J=3/2, MJ=3/2, 1/2, -1/2, -3/2靜磁場(chǎng)磁場(chǎng)使能級(jí)分裂 交變磁場(chǎng)使能級(jí)躍遷 0B gB J3/2 -3/2 -1/2 1/2 3/2 0B gB B0 1 cos x BBt 7.5 交換相互作用 當(dāng)組成氫分子后，體系要增加核之間的相 互作用項(xiàng)e2/R，電子相互作用e2/r,以及電 子和另一個(gè)核之間的交叉作用項(xiàng) (- e2/ra2)和(-e2/rb1).氫分子體系的哈密頓量 可寫(xiě)成下到形式： 其中: 前四項(xiàng)是兩個(gè)弧立氫原子的電子動(dòng)能和勢(shì)能， 后四項(xiàng)是相互作

9、用能。 這一體系的波函數(shù)無(wú)法直接得到， 仍用單電子波函數(shù)的線性組合 由這個(gè)線性組合，可得到對(duì)稱( S )和反對(duì)稱( A )的波函數(shù) Sab表式重迭積分 自旋函數(shù)為 7.5 交換相互作用 Heisenberg將氫分子的概念推廣至整個(gè)晶體。相鄰兩個(gè)3d電子的結(jié)合能取 決與兩個(gè)原子的自旋磁矩的相對(duì)去向，而結(jié)合能是由兩個(gè)原子中d電子的 波函數(shù)再空間的重疊程度決定的。這種相互作用的能量可以寫(xiě)成： Aij是電子之間、電子和原子核之間靜電作用的一種形式,ex通常稱為交換 能，稱 Aij為交換積分，它是由于電子云交疊而引起的附加能量。 7.5 交換相互作用 ijij HA SS Aij0 Aij0 兩個(gè)自旋傾

10、向平行排列，體系能量降低 兩個(gè)自旋傾向反平行排列，體系能量降低 電子云 鐵磁 亞鐵磁 7.5 交換相互作用 7.6 鐵磁性 短程磁有序 磁疇內(nèi)磁矩的定向排列 7.6 鐵磁性 1. 靜磁能和疇壁能的共同作用下 磁疇不能發(fā)展成無(wú)限大 未磁化的磁體M 0，不顯磁性 表面磁場(chǎng)線被磁疇屏蔽 2. 疇壁的微觀結(jié)構(gòu) 靜磁能未磁化磁體，M0 磁疇壁內(nèi)自旋取向逐漸過(guò)渡 以降低體系能量 7.7（亞）鐵磁體中的疇壁 7.7（亞）鐵磁體中的疇壁 7.8 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化 H M 磁滯回線 Hc 7.8 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化 疇壁可逆移動(dòng) 7.8 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化 疇壁不可逆移動(dòng) 7.8 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化 不可逆Barkhausent跳躍 7.8 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化 可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng) 7.9 磁性材料