鐵磁學(xué)課件局域電子磁性

何為局域？磁性離子受到較大的核電場作用，束縛于某一特定的原子核周圍。（常見于絕緣體化合物中）何為游行？磁性離子游行于各個原子之間。（常見于金屬和合金中）3.1

局域電子抗磁性電子軌道運(yùn)動受磁場作用，產(chǎn)生一附加電流以抵消磁通量的變化，于是就產(chǎn)生了抗磁性磁矩。（磁矩小，難觀察到）

第三章：局域電子磁性1鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024

郎之萬抗磁理論

設(shè)軌道動量矩為磁場中動量矩的運(yùn)動方程為：2鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024當(dāng)為10T時，約為1012。而電子軌道運(yùn)動本身的角速度約為1016。磁場引起附加進(jìn)動，產(chǎn)生附加角動量

3鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20244鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024量子力學(xué)中的計算5鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024利用微擾法求體系能量6鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024若考慮系統(tǒng)有N個原子，則7鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024結(jié)論：1)抗磁性為一切物質(zhì)所具有，是物質(zhì)的共性。2)抗磁磁化率為負(fù)。3)若

<ri2>不受熱運(yùn)動影響，則d與溫度無關(guān)。

4)

d隨原子中電子數(shù)或原子序數(shù)增加而增加，且正比于各原子的軌道半徑平方。對于球?qū)ΨQ分布的電子8鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20243.2局域電子順磁性具備順磁性的前提條件是什么？

材料具有固有磁矩。磁矩間沒有或只有弱的相互作用。1無自發(fā)磁化，外場為零的時候，由于熱運(yùn)動，磁矩的取向是無規(guī)則的。在外場作用下，磁矩有沿外場排列的趨勢，弱磁性。2磁化率和溫度滿足居里定律或居里-外斯定律。順磁性材料的特點(diǎn)是什么？9鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024順磁磁化率理論1郎之萬（Langevin)理論率先在經(jīng)典統(tǒng)計物理的基礎(chǔ)上，給出了順磁性理論。理論要點(diǎn)：（1）設(shè)單位體積中有N個原子，每個原子具有磁矩()，磁矩間無相互作用。（2）無外場時，各原子磁矩受熱運(yùn)動的影響，在平衡態(tài)時，磁矩?zé)o規(guī)分布，體系總磁矩為0。（3）在外場H作用下，磁矩在外場中的位能為：10鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024每個磁矩態(tài)和：11鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024

高溫時居里定律12鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024

低溫強(qiáng)場下13鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024空間量子化修正實際上，磁矩在磁場方向投影并非連續(xù)分布，只能取14鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024在實驗室普通條件15鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024實際晶體中磁性離子的順磁性實際情況中，必須考慮周圍配位離子所產(chǎn)生的晶場的作用。1稀土離子：受弱晶場作用，自旋軌道耦合仍然存在。高溫時，遵從居里-外斯定律。理論值和實驗值基本符合。低溫時，有偏差。

2鐵族元素：中等晶場，軌道矩淬滅。有效玻爾磁子實驗值和值相仿。但因有自旋軌道耦合能作為微擾，又稍有區(qū)別。16鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202417鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202418鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20243.3局域電子的鐵磁性1外斯分子場理論

在鐵磁體內(nèi)存在的作用于每個磁性離子上的一個強(qiáng)大的分子場。分子場大小對磁矩作用應(yīng)與居里溫度時熱運(yùn)動能量相當(dāng)。19鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024

仿照對順磁性的處理，作用在磁矩上的有效場：20鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024圖解法：21鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024MsM0.隨溫度上升，減小，自發(fā)磁化強(qiáng)度MS減小，當(dāng)達(dá)到某一臨界溫度TC時，MS=0，鐵磁性消失。22鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202423鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024

當(dāng)T<TC時，外場H0時，M>MS(內(nèi)稟磁化)內(nèi)稟磁化：磁矩在磁場的作用下克服熱運(yùn)動的影響，使微觀磁矩進(jìn)一步平行排列的過程。技術(shù)磁化：大塊鐵磁材料在磁場作用下，通過磁疇轉(zhuǎn)動，疇壁位移等途徑使磁疇平行于外磁場排列的過程。24鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024當(dāng)T>TC時，無自發(fā)磁化，MS=0，材料為順磁性25鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20243.4關(guān)于外斯分子場理論的一些修正1B-P-W近似(TC附近的修正)

外斯分子場理論與實驗的偏差來源于Hm=M這一假定過于簡化。在溫度不高時，磁性離子周圍離子的磁矩的平均值與整塊材料磁矩的平均值相同，但當(dāng)T~TC時，漲落現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致離子近鄰磁矩平均值不為零，既存在短程序。但這些“離子團(tuán)”磁矩取向混亂，材料總體分子場仍為零。無長程序。但有短程序，溫度進(jìn)一步升高，短程序消失。26鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20242自旋波(低溫修正)T=0K時，各自旋磁矩平行排列。溫度略為升高時，有自旋發(fā)生反轉(zhuǎn)，反向自旋可從一個原子傳向另一個原子，既存在反向自旋的傳播，稱為自旋波。相當(dāng)于每個自旋對Z軸形成相等的偏角，而相鄰自旋又形成一個小偏角。(可類比晶體中格波的概念）27鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024鐵磁性相變點(diǎn)處的特性電阻反常（在低于某個特定溫度處電阻率隨溫度上升較快，而高于這個溫區(qū)后，電阻率隨溫度上升較慢。）比熱反常出現(xiàn)極大值晶格常數(shù)變化體積磁致伸縮磁卡效應(yīng)熵值變化28鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20243.5反鐵磁性與亞鐵磁性

1基本特征

1）反鐵磁性 存在相變溫度TN。T>TN，順磁態(tài)，服從居里外斯定律；T<TN，反鐵磁態(tài)，隨溫度上升而增加；T=TN，出現(xiàn)比熱反常、熱膨脹反常等現(xiàn)象。此時最大。 磁性離子間存在負(fù)的交換作用，磁矩自發(fā)反平行排列，自發(fā)磁化強(qiáng)度為零。只有在外磁場作用下才會出現(xiàn)微小的磁矩，故很小。 一些反鐵磁性物質(zhì)：Mn、Cr金屬；一些合金；Fe、Co、Ni、Mn等的氧化物、氟化物等。29鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20242反鐵磁性結(jié)構(gòu)的實驗證實30鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20243反鐵磁性分子場理論T<TN時，反鐵磁體中離子磁矩按一定的次序反平行排列?？蓪⒋啪胤譃閮蓚€或兩個以上互相貫穿的次點(diǎn)陣。在一個次點(diǎn)陣中，離子磁矩受到近鄰、次近鄰的交換作用可等效為分子場。31鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024以兩個次點(diǎn)陣為例：每個A位的最近鄰是B，次近鄰為A。作用在A位離子上的分子場為：同理32鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024設(shè)A、B次晶格中磁性離子相同，則33鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024當(dāng)溫度較高時，

<<134鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024若外場H=035鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024該方程組有非零解的條件為36鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024T>TN，順磁態(tài)，

<<137鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024T≤TNH與自發(fā)磁化方向垂直時38鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024H與自發(fā)磁化方向平行時39鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024對于多晶體40鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024反鐵磁材料的變磁性行為41鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024反鐵磁材料的變磁性行為42鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202443鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024CoMnSi0.88Ge0.12中的變磁性行為熱磁曲線：隨溫度升高出現(xiàn)反鐵磁到鐵磁的變磁性相變。磁化曲線：在變磁性溫度附近可觀察到磁場誘導(dǎo)的變磁性相變。44鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024CoMnSi0.88Ge0.12中的磁電阻效應(yīng)45鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024CoMnSi0.88Ge0.12中的磁熱效應(yīng)46鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024

NiMnGe合金的相變(1).Tt

>TC，Tt>TN

，(常壓下)PMPM(2).TC<Tt<TN

(高壓下)AFMPM(3).Tt

<TC

，Tt

<TN

(如何實現(xiàn)？)AFMFM47鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202448鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202449鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202450鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202451鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202452鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202453鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202454鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202455鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024僅在相變溫度附近存在大的磁熵變，制冷溫區(qū)窄。熱滯和磁滯大。電場調(diào)控下，熱滯磁滯減小，相變溫區(qū)拓寬。56鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202457鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202458鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024亞鐵磁性

磁性離子間存在負(fù)的交換作用，當(dāng)磁性離子的磁矩不等時，出現(xiàn)未抵消的反鐵磁性，稱為亞鐵磁性。在TC以下有自發(fā)磁化，具有鐵磁體的性質(zhì)；在TC以上為順磁態(tài)，—T曲線在較高溫度下才服從居里—外斯定律，p<0。鐵氧體是最早發(fā)現(xiàn)的亞鐵磁性物質(zhì)，此外許多過渡金屬和非金屬或半金屬的化合物，以及稀土過渡金屬合金呈現(xiàn)出亞鐵磁性。R-T59鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20244亞鐵磁性分子場理論未抵消的反鐵磁性。以尖晶石鐵氧體為例，分子式：60鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024假定M2+為非磁性離子。設(shè)1mol鐵氧體中，F(xiàn)e3+在A、B座中的摩爾離子數(shù)分別為XA和XB，A、B座中的摩爾磁化強(qiáng)度各為MA和MB。則：61鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024T<TN=TC，亞鐵磁狀態(tài)耐爾型磁結(jié)構(gòu)62鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/202463鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024T>TN=TC，順磁狀態(tài)64鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024可求得65鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/2024高溫時，略去66鐵磁學(xué)課件局域電子磁性5/9/20245鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度分子式：結(jié)構(gòu)式：6