第一講固體的磁性第一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三頁，共九十二頁，2022年，8月28日第四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六頁，共九十二頁，2022年，8月28日第七頁，共九十二頁，2022年，8月28日第八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第九頁，共九十二頁，2022年，8月28日第十頁，共九十二頁，2022年，8月28日B.Gleich,etal.,Nature435,1214(2005)第十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日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）

第十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日有關(guān)磁學的Nobel物理學獎(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第十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日有關(guān)磁學的Nobel物理學獎(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第十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日有關(guān)磁學的Nobel物理學獎(III)1966光磁共振方法A.Kastler1955測定電子磁矩P.Kusch第十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日2007巨磁阻效應(yīng)(GMR)PeterGrünberg,AlbertFert

有關(guān)磁學的Nobel物理學獎(IV)1970磁流體力學H.O.G.Alfven反鐵磁性與鐵氧體L.E.F.Neel第十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日§1一般論述1.1固體的磁化率χ(susceptibility)真空磁導率磁化強度矢量磁化率相對磁導率第十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日物質(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)的特性按化學成分按物理方法第十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日按物質(zhì)在外場中表現(xiàn)的特性分類

（磁化率的大小及正負）順磁性材料弱磁性物質(zhì)抗磁性材料鐵磁性材料----強磁性物質(zhì)（磁性材料）第十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日磁性材料軟磁性材料（剩磁較小）剩磁弱，易去磁，適于反復磁化的場合例如：半導體收音機天線磁棒，錄音機磁頭，電腦記憶元件，變壓器，交流發(fā)電機，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，不易退磁，可制成永磁鐵例如：磁電式儀表，揚聲器，話筒，永磁電機等電器設(shè)備第二十頁，共九十二頁，2022年，8月28日按化學成分分類

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

第二十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日鐵氧體大致可分成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，用于電子計算機的存儲

元件。

第二十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日

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。

第二十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日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二十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日抗磁體經(jīng)典抗磁體“反?！笨勾朋w超導體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第二十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.1第二十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日順磁體正常順磁體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第二十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.1第二十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日鐵磁體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互作用使得各原子的固有磁矩趨于平行排列，導致了鐵磁性第二十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.1第三十頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.2第三十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日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等第三十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日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)磁化強度。Fe3O4(FeO·Fe2O3)MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、Y3Fe5O4、Gd3Fe5O12等第三十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.1第三十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日當鐵磁（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MNP的尺寸足夠小時，熱漲落足以隨機地翻轉(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)熱機制。第三十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日與超順磁直接相關(guān)的磁馳豫機制：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。第三十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日§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)第三十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.2第四十頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.3第四十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.4第四十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.5第四十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日§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）第四十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日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)向順磁性第四十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.6Fig.7第四十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日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|第四十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.3第四十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.4第四十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.8第五十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.5第五十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.9第五十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日§4電子順磁共振共振原理弛豫時間超精細互作用及應(yīng)用第五十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.10第五十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日

Fig.11第五十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日弛豫時間自旋--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?，而自己由高能級回復到低能級。這一作用越強，恢復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六十頁，共九十二頁，2022年，8月28日

Fig.12第六十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.13第六十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.14第六十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日超精細互作用及應(yīng)用超精細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)第六十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日

Fig.15第六十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日§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六十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.16第六十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日鐵磁體中，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，也有磁化強度存在，稱為自發(fā)磁化強度。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。第六十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日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。第六十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.17第七十頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.18第七十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日Table.2第七十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日§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）鐵的強鐵磁性系統(tǒng)第七十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日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七十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.20第七十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日直接交換作用：當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。第七十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日巡游電子模型（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)密度較大第七十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.21第七十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.22第七十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日Fig.23第八十頁，共九十二頁，2022年，8月28日鐵的強鐵磁性系統(tǒng)鐵原子內(nèi)部有強交換作用使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。第八十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日§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度方向偏離，由此會受到磁化強度的作