第一講固體的磁性

第一講固體的磁性第1頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第3頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第4頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第7頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一B.Gleich,etal.,Nature435,1214(2005)第11頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一MFH應(yīng)用于腫瘤等疾病的無創(chuàng)治療原理簡圖MFH（magneticfluidhyperthermia磁流體熱療）

第12頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎(I)1902塞曼效應(yīng)P.Zeeman,H.A.Lorentz1943斯特恩-蓋拉赫實驗發(fā)展分子束方法并測出質(zhì)子磁矩O.Stern,W.Gerlach第13頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎(II)1944分子束核磁共振方法測定核磁矩I.I.Rabi1952凝聚態(tài)物質(zhì)的核磁共振測量方法F.Bloch,E.M.Purcell第14頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎(III)1966光磁共振方法A.Kastler1955測定電子磁矩P.Kusch第15頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一2007巨磁阻效應(yīng)(GMR)PeterGrünberg,AlbertFert

有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎(IV)1970磁流體力學(xué)H.O.G.Alfven反鐵磁性與鐵氧體L.E.F.Neel第16頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一§1一般論述1.1固體的磁化率χ(susceptibility)真空磁導(dǎo)率磁化強(qiáng)度矢量磁化率相對磁導(dǎo)率第17頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一物質(zhì)磁性分類1.2物質(zhì)磁性分類按物質(zhì)在外場中表現(xiàn)的特性按化學(xué)成分按物理方法第18頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一按物質(zhì)在外場中表現(xiàn)的特性分類

（磁化率的大小及正負(fù)）順磁性材料弱磁性物質(zhì)抗磁性材料鐵磁性材料----強(qiáng)磁性物質(zhì)（磁性材料）第19頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一磁性材料軟磁性材料（剩磁較小）剩磁弱，易去磁，適于反復(fù)磁化的場合例如：半導(dǎo)體收音機(jī)天線磁棒，錄音機(jī)磁頭，電腦記憶元件，變壓器，交流發(fā)電機(jī)，電磁鐵，各種高頻元件的鐵芯等硬磁性材料（剩磁較大）剩磁強(qiáng)，不易退磁，可制成永磁鐵例如：磁電式儀表，揚聲器，話筒，永磁電機(jī)等電器設(shè)備第20頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一按化學(xué)成分分類

軟磁：軟鐵、硅鋼、鎳鐵合金

金屬磁性材料

硬磁：碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金鐵氧體

第21頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一鐵氧體大致可分成3類:第1類在移去外磁場后很快消退磁化，被稱為軟

磁體，如(Mn、Zn)Fe2O4、(Ni、Zn)Fe2O4，被用于

制作變壓器的鐵芯或馬達(dá)等；

第3類則為殘留磁化大，磁性不易消失的永久磁

鐵，又稱硬磁體如Co0.75Fe2.25O4；

第2類則介乎二者之間，稱為矩形磁體，如

(Mn、Mg)Fe2O4、CoFe2O4，用于電子計算機(jī)的存儲

元件。

第22頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

鐵氧體最主要的有尖晶石型、石榴石型和磁鉛石

型等。尖晶石是指以MgAl2O4為典型代表的結(jié)構(gòu)類型。

如用Fe取代Al3+，便得尖晶石鐵氧體，通式為MFe2O4，

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

石榴石結(jié)構(gòu)型起名于礦物石榴石，具通式

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

Cr3+等。該系礦物種類繁多。具有磁性的鐵石榴石可用

通式M3Fe5O12，表示，M=Y3+、Ln3+等，鐵為Fe3+。

磁鉛石是第3類鐵氧體，以MFe12O19為通式，

M=Ba、Sr等。它們是尖晶石結(jié)構(gòu)的超構(gòu)，具六方對稱性。磁鉛石的陽離子可被多種金屬離子取代，為磁記錄

材料。

第23頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一按物理方法分類抗磁體順磁體鐵磁體反鐵磁體和亞鐵磁體第24頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一抗磁體經(jīng)典抗磁體“反?！笨勾朋w超導(dǎo)體Χ<0|Χ|很小~10-5Χ與外磁場大小無關(guān)Χ與溫度無關(guān)所有原子（離子）都沒有固有磁矩Χ<0|Χ|較大~10-4Χ隨磁場周期振蕩Χ與溫度有一定關(guān)系Χ=-1μ=0完全抗磁性Zn,Au,AgCuSi,P,S惰性氣體Bi,Ga,Sb石墨,I,Tl第25頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.1第26頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一順磁體正常順磁體Χ與溫度無關(guān)的順磁體Χ>0|Χ|很小~10-4--10-3Χ依賴于外磁場服從Curielaw含F(xiàn)e、Co、Ni離子的鹽類；鐵磁金屬在溫度高于鐵磁居里溫度時本質(zhì)特征：材料內(nèi)含有濃度可觀的因不滿原子殼層而具有固有磁矩的離子大多數(shù)金屬，例如堿金屬Χ~10-6第27頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.1第28頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一鐵磁體Χ>0|Χ|很大，約為順磁體的105--106Χ依賴于外磁場Fe、Co、Ni本質(zhì)：不滿的3d殼層引起固有磁矩，相鄰原子間的量子力學(xué)互作用使得各原子的固有磁矩趨于平行排列，導(dǎo)致了鐵磁性第29頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.1第30頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.2第31頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一反鐵磁體在某些場合，原子間的互作用量子力使得相鄰離子（原子）的磁矩方向相反，導(dǎo)致總的不表現(xiàn)出磁性。在外場下，表現(xiàn)為特有的順磁性，并有顯著的各向異性。多為過渡金屬的化合物，CrCl2、MnO、NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等第32頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一亞鐵磁體固體中含有兩種大小不等的固有磁矩的離子（原子），而這些離子（原子）間的量子作用力使其磁矩方向相反，由于他們的M大小不等，結(jié)果仍存在一定的總磁矩。在此情況下，與鐵磁體類似，也顯現(xiàn)出自發(fā)磁化強(qiáng)度。Fe3O4(FeO·Fe2O3)MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、Y3Fe5O4、Gd3Fe5O12等第33頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.1第34頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第35頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)鐵磁（或亞鐵磁）顆粒的尺寸小于磁疇的最小尺寸時，每個顆粒將只能包含一個單疇。一般磁疇的最小尺寸是微米量級，因此每個MNP都是一個單疇，稱為單疇鐵磁。當(dāng)MNP的尺寸足夠小時，熱漲落足以隨機(jī)地翻轉(zhuǎn)一個MNP的M的方向；這被稱為超順磁，即每個MNP依然是鐵磁（或亞鐵磁），但是各個MNP的M卻像順磁體系中的原子磁矩一樣，受熱漲落的影響隨機(jī)排列。超順磁與順磁類似，不存在磁滯現(xiàn)象，也就不存在磁滯產(chǎn)熱機(jī)制。第36頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第37頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一與超順磁直接相關(guān)的磁馳豫機(jī)制：Néel馳豫，馳豫時間（τN）由Néel-Arrhenius公式給出，Τ0：由材料的自旋動力學(xué)決定的本征馳豫時間，又稱“企圖時間”（attemptingtime），其值一般在10^10-10^12s；Ka：磁各向異性能，它一般包含磁晶和形狀各向異性兩部分；Vm：磁體積。第38頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一§2固體的抗磁性芯電子的抗磁性

Langevin抗磁磁化率自由電子抗磁性

Landau抗磁性

deHass–VanAlphen效應(yīng)第39頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.2第40頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.3第41頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.4第42頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.5第43頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一§3固體的順磁性原子（離子）的磁性Hund定則朗之萬順磁磁化率自由電子順磁性（Pauli順磁性）第44頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一引起順磁性的主要原因固體中存在具有固有磁矩的順磁離子固體中自由電子的自旋磁矩固體中存在束縛于缺陷或雜質(zhì)上的單個電子的自旋磁矩上述固有磁矩在外場中的轉(zhuǎn)向順磁性第45頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.6Fig.7第46頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Hund定則滿足Pauli原理的條件下，原子自旋量子數(shù)S取最大值滿足Pauli原理的條件下，S取最大值的各狀態(tài)中，原子軌道角動量量子數(shù)L也取最大值若殼層內(nèi)電子數(shù)不到半滿，則J=|L-S|；若超過半滿，則J=|L+S|第47頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.3第48頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.4第49頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.8第51頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.5第52頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.9第53頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一§4電子順磁共振共振原理弛豫時間超精細(xì)互作用及應(yīng)用第54頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.10第55頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

Fig.11第56頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第57頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第58頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一第59頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一弛豫時間自旋--晶格弛豫時間

高能級上電子通過與晶格原子相互作用，激發(fā)晶格振動，把能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽约河筛吣芗壔貜?fù)到低能級。這一作用越強(qiáng)，恢復(fù)到熱平衡所需時間越短。自旋--自旋弛豫時間

順磁離子磁矩（或雜質(zhì)、缺陷束縛的單電子自旋磁矩）所受的臨近磁矩的相互影響，特別是晶體原子核磁矩的影響。該磁矩間互作用的時間稱為自旋--自旋弛豫時間?？v向弛豫時間和橫向弛豫時間第60頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

Fig.12第61頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.13第62頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.14第63頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一超精細(xì)互作用及應(yīng)用超精細(xì)互作用順磁體中順磁離子磁矩與原子核磁矩發(fā)生的相互作用超精細(xì)結(jié)構(gòu)可用來研究雜質(zhì)或缺陷的結(jié)構(gòu)及電子狀態(tài)第64頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一

Fig.15第65頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一§5鐵磁性和分子場理論鐵磁性磁滯回線磁疇分子場理論第66頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.16第67頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一鐵磁體中，具有固有磁矩的離子間存在著一種量子作用力（交換力），使得離子的固有磁矩都趨向一致。所以即使沒有外磁場，也有磁化強(qiáng)度存在，稱為自發(fā)磁化強(qiáng)度。在單晶的鐵磁體內(nèi)，有很多的小區(qū)域。其中所有離子（原子）的固有磁矩排列一致，而不同區(qū)域的磁矩方向不同，這樣的區(qū)域稱為磁疇。第68頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一分子場鐵磁性的特點：鐵磁體內(nèi)不僅有固有的原子磁矩，而且各個原子（離子）之間還存在著一種特殊的量子作用力，使得各個固有原子（離子）磁矩的方向相互一致，從而引起宏觀的自發(fā)磁化強(qiáng)度。若把這種特殊的作用力看成一種內(nèi)部磁場，可以稱之為分子場或內(nèi)場。第69頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.17第70頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.18第71頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Table.2第72頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一§6交換相互作用直接交換作用模型（Heisenburg交換模型）--局域電子模型氫分子的交換能間接交換和超交換作用巡游電子模型（能帶模型）鐵的強(qiáng)鐵磁性系統(tǒng)第73頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一1928年，Heisenburg

提出近鄰原子間的直接交換作用，它直接與Pauli不相容原理相聯(lián)系，指出了Weiss分子場的實質(zhì)。所以直接交換作用模型常稱為Heisenburg交換模型。因為參與交換作用的電子是局域在原子附近，又稱為局域電子模型第74頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.20第75頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一直接交換作用：當(dāng)2個電子波函數(shù)交疊時才存在。適用于過渡金屬3d電子間接交換作用：

2個磁性離子磁矩通過傳導(dǎo)電子（5s、5p）為中介而發(fā)生相互作用。適用于磁性離子4f電子形式：s-f，s-d，d-d，d-f電子間的間接交換作用超交換作用：

2個磁性離子的自旋通過負(fù)離子氧的中介而發(fā)生相互作用。適用于鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性的絕緣體。第76頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一巡游電子模型（能帶模型）按照能帶理論：各原子殼層的電子都形成能帶處于最外層的價電子能帶較寬，相應(yīng)態(tài)密度較小內(nèi)殼層3d或4f電子的能帶較窄，相應(yīng)態(tài)密度較大第77頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.21第78頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.22第79頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一Fig.23第80頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一鐵的強(qiáng)鐵磁性系統(tǒng)鐵原子內(nèi)部有強(qiáng)交換作用使3d能帶分裂，上自旋能帶能級下降，形成原子的定域磁矩。3d電子中有小部分（5%）形成巡游電子，它們在定域磁矩作用下極化，并使原子間形成自發(fā)磁化。s電子對鐵磁性作用很小。第81頁，共92頁，2023年，2月20日，星期一§7自旋波定義在絕對零度下，鐵磁體的基態(tài)是所有自旋均沿同一方向排列并形成飽和磁化強(qiáng)度Mso狀態(tài)；在有限溫度下，鐵磁體中個別自旋磁矩方向因漲落而與磁化強(qiáng)度方向偏離，由此會受到磁化強(qiáng)度的作用，