1、7.1 引言,磁性材料及固體磁性的歷史 原子的磁性 磁性的分類及基本物質(zhì)方程 交換作用及磁疇 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化,主要內(nèi)容,學(xué)習(xí)提示,重點掌握基本物理概念 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,1,學(xué)習(xí)交流PPT,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 用于航海的記載 最早的著作De Magnete W.Gibert 18世紀 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場 19世紀 法拉弟效應(yīng) 在磁場中運動導(dǎo)體產(chǎn)生電流 安培定律 電磁學(xué)基礎(chǔ) 電動機、發(fā)電機等開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè),19世紀前,2

2、,學(xué)習(xí)交流PPT,磁性材料及磁性的研究歷史,1907年 P.Weiss的磁疇和分子場假說 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, 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

3、態(tài)合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) 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,20世紀后,3,學(xué)習(xí)交流PPT,7.2 原子的磁性,若原子只有一個未滿殼層電子,j 為電子的總角動量,角動量與磁矩,4,學(xué)習(xí)交流PPT,7.2 原子的磁性,總自旋角動量： S=si 總軌道角動量： L=li,在一個填滿的電子殼層中，電子的軌道磁矩和自旋

4、磁矩為零。 在一個未填滿的電子殼層中，電子的軌道和自旋磁矩將形成一個原子總磁矩。,多電子原子的角動量,5,學(xué)習(xí)交流PPT,泡利原理： 同一個量子數(shù)n，l，m，s表征的量子狀態(tài)只能有一個電子占據(jù)。 庫侖相互作用：n,l,m 表征的一個軌道上若有兩個電子，庫侖排斥勢使系統(tǒng)能量提高 因而一個空間軌道傾向只有一個電子占據(jù)。 洪德法則： (1) 未滿殼層的電子自旋si排列，泡利原理傾向一個軌道只被一個電子占據(jù)，而原子內(nèi)的自旋-自旋間的相互作用使自旋平行排列，從而總自旋S取最大值。 (2) 每個電子的軌道矢量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侖排斥能，使總的軌道角動量L取 最大值

5、。(如3d電子，m=2時該軌道磁矩在外場方向上的分量最大，軌道磁矩與外磁場平行能量最低，最穩(wěn)定)。 (3) 采用L和S間耦合計算原子總角動量 電子數(shù)n小于半滿時 J= L-S， 電子數(shù)n大于半滿時 J= L+S。 (洪德法則一般的描述只有(1)和(2)項),7.2 原子的磁性,泡利原理與洪德法則,6,學(xué)習(xí)交流PPT,7.2 原子的磁性,角動量LS耦合舉例,7,學(xué)習(xí)交流PPT,7.2 原子的磁性,原子的有效磁矩及朗德g因子,8,學(xué)習(xí)交流PPT,7.2 原子的磁性,軌道角動量凍結(jié)的實驗現(xiàn)象 在晶場中的3d過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有貢獻。此現(xiàn)象稱為軌道角動量

6、凍結(jié)。,軌道角動量凍結(jié),軌道角動量凍結(jié)的物理機制 過渡金屬的3d電子軌道暴露在外面，受晶場的控制。晶場的值為102-104(cm-1)大于自旋-軌道耦合能(l)102(cm-1). 晶場對電子軌道的作用是庫侖相互作用，因而對電子自旋不起作用。隨著3d電子的軌道能級在晶場作用下劈裂，軌道角動量消失。,9,學(xué)習(xí)交流PPT,7.3 磁性的分類及基本磁學(xué)概念,磁化強度矢量,磁感應(yīng)強度矢量,：相對磁導(dǎo)率（或磁導(dǎo)率） 0：真空磁導(dǎo)率,注意：SI單位制和Gauss單位制下公式的形式不同； Gauss單位制下，真空磁導(dǎo)率為1,：極化率,10,學(xué)習(xí)交流PPT,7.3 磁性的分類及基本磁學(xué)概念,順磁性及抗磁性,順

7、磁性,抗磁性,超導(dǎo)體是完全抗磁體,11,學(xué)習(xí)交流PPT,7.3 磁性的分類及基本磁學(xué)概念,磁體（材料）的分類,順磁體,鐵磁體,反鐵磁體,亞鐵磁體,12,學(xué)習(xí)交流PPT,7.4 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e2/R，電子相互作用e2/r,以及電子和另一個核之間的交叉作用項 (-e2/ra2)和(-e2/rb1).氫分子體系的哈密頓量可寫成下到形式：,其中: 前四項是兩個弧立氫原子的電子動能和勢能， 后四項是相互作用能。,氫分子回顧,13,學(xué)習(xí)交流PPT,這一體系的波函數(shù)無法直接得到，仍用單電子波函數(shù)的線性組合,由這個線性組合，可得到對稱( S )和反對稱( A )的

8、波函數(shù),Sab表式重迭積分,自旋函數(shù)為,7.4 交換相互作用,氫分子回顧,14,學(xué)習(xí)交流PPT,Heisenberg將氫分子的概念推廣至整個晶體。相鄰兩個3d電子的結(jié)合能取決與兩個原子的自旋磁矩的相對去向，而結(jié)合能是由兩個原子中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。,7.4 交換相互作用,海森堡模型,15,學(xué)習(xí)交流PPT,7.4 交換相互作用,海森堡模型,16,學(xué)習(xí)交流PPT,7.4 交換相互作用,1934年克喇末首先提出超交換模型(

9、間接交換)耒解釋反鐵磁性自發(fā)磁化的起因。例如MnO的反鐵磁性,Mn離子中間有O 2-離子，因此離子間的距離大，直接交換作用非常弱。然而，Mn離子之間通過O 2-而有一個超交換作用。其機理是：O 2- 離子的電子結(jié)構(gòu)為(1s)2(2s)2(2p)6,其中p-軌道向近鄰的Mn離子M1和M2伸展，一個p- 可以轉(zhuǎn)移到M1的Mn離子的3d軌道，由于Mn 2+離子已經(jīng)有五個半滿電子，按照洪德法則，氧的p-電子自旋只能與Mn 2+的五個電子自旋反平行。同時p 軌道上剩余的一個電子自旋必然是與轉(zhuǎn)移出去的電子自旋反平行。它與M2之間的交換作用使它與另一個Mn離子M2的自旋反平行，結(jié)果M1和M2反平行。,當(dāng)M1

10、-O-M2是180度，超交換作用最強。隨角度變小超交換減弱，當(dāng)90度夾角時，相互作用傾向變?yōu)檎怠?超交換相互作用,17,學(xué)習(xí)交流PPT,7.5 鐵磁性,鐵磁性,注：當(dāng)TTc (居里點)時，熱運動破壞了自旋間的交換作用，呈磁無序狀態(tài),18,學(xué)習(xí)交流PPT,7.5 鐵磁性,磁疇的大小和分布,1. 靜磁能和疇壁能的共同作用下,磁疇不能發(fā)展成無限大 未磁化的磁體M 0，不顯磁性 表面磁場線被磁疇屏蔽,2. 疇壁的微觀結(jié)構(gòu),磁疇壁內(nèi)自旋取向逐漸過渡 以降低體系能量,19,學(xué)習(xí)交流PPT,7.6（亞）鐵磁體中的疇壁,相關(guān)能量及定義,Exchange energy,Magnetocrystalline,M

11、agnetoelastic,Zeeman,Magnetostatic,20,學(xué)習(xí)交流PPT,7.6（亞）鐵磁體中的疇壁,Bloch疇壁,21,學(xué)習(xí)交流PPT,7.6（亞）鐵磁體中的疇壁,Neel疇壁,22,學(xué)習(xí)交流PPT,7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化,鐵磁體的技術(shù)磁化,磁滯回線,Hc,Hc 較小，磁化率較大稱為軟磁材料 Hc 較大，磁化率較小稱為硬磁材料,23,學(xué)習(xí)交流PPT,7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化,鐵磁體的技術(shù)磁化,疇壁可逆移動,24,學(xué)習(xí)交流PPT,7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化,鐵磁體的技術(shù)磁化,疇壁不可逆移動,25,學(xué)習(xí)交流PPT,7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化,鐵磁體的技術(shù)磁化,不可逆Ba

12、rkhausent跳躍,26,學(xué)習(xí)交流PPT,7.7 鐵磁物質(zhì)的技術(shù)磁化,可逆磁疇轉(zhuǎn)動,鐵磁體的技術(shù)磁化,27,學(xué)習(xí)交流PPT,7.8 磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄,28,學(xué)習(xí)交流PPT,7.8 磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄,Schematic representation of longitudinal, digital magnetic recording write process.,水平記錄,29,學(xué)習(xí)交流PPT,7.8 磁性材料應(yīng)用舉例之一磁記錄,垂直記錄,30,學(xué)習(xí)交流PPT,考試重點,分離變量方法，單電子近似，諧陣子能量（一維、三維） 倒易點陣，Bragg方程，布里淵區(qū) 晶格振動的色散關(guān)系，聲學(xué)和光學(xué)振動，聲子，德拜模型，態(tài)密度，晶體