工学磁性物理.pptx

研究凝聚态物质各种磁性表现的起因是磁性物理的主要任务，其中强磁性物质在技术领域有着突出作用，所以影响强磁性物质磁性的机理是我们课程最为关注的。1.3 宏观物质的磁性宏观物质的磁性固体磁性原子、离子的磁矩（顺、抗磁）晶体结构和晶场类型（自旋、轨道贡献）相邻原子、电子间的相互作用（磁有序）为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的表现把物质进行分类，例如依据磁化率的正负、大小依据磁化率的正负、大小及其与温度的关系来进行分类及其与温度的关系来进行分类，分类是否科学取决于是否反映了内在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类也在不断完善和细化，到上个世纪 70 年代为止，在晶状固在晶状固体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质体里，共发现了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征各不相同，对它们的成功解释形成了今天对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心内容。的磁性物理学核心内容。上世纪 70 年代以后，随着非晶材料非晶材料和纳米材料纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中，课程只做初步介绍。一一.物质磁性的分类物质磁性的分类 这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，显示抗磁性的物质在外磁场中产生的磁化强度和磁场反向，在不均匀的磁场中被推向磁场减小的方向，所以又称逆磁性。逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率是常数，不随温度、磁场而变化磁化率是常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子轨道电子在外磁场中受到电磁作用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只是在构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的构成原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物质中，物质中，才会在外磁场中才会在外磁场中显示出显示出这种抗磁性。这种抗磁性。在外场中显示抗磁性的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导传导电子电子也具有一定的抗磁性，并造成反常。1.抗磁性（抗磁性（Diamagnetism)自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。包括：稀有气体：He,Ne.Ar,Kr,Xe 多数非金属和少数金属少数金属：Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au,不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr,不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4 等 几乎所有的有机化合物和生物组织：水；反常抗磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，它的机理完全不同，不在我们讨论之内。-1.9-7.2-19.4-28.0-43见姜书见姜书p25CGS单位制克分子磁化率单位制克分子磁化率它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3mol-1。统一换成体积磁化率体积磁化率的数值，量级是10-6。换成 SI 单位制下应乘以4，量级在10-5。Kittel 书数据（2002）n 0.205 4 0.0971.51 20.18 0.431.77 39.95 0.853.09 83.80 1.033.78 131.3 1.24 密度密度原子量原子量体积磁化率体积磁化率 10-6见冯索夫斯基现代磁学(1953)p74一些抗磁性金属在20时的克分子磁化率克分子磁化率（CGS单位）：这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。它的最基本特征是磁化率为正值且数值很小。磁化率为正值且数值很小。顺磁性物质的磁化率是顺磁性物质的磁化率是温度的函数温度的函数，一部分服从，一部分服从居里定律居里定律，更多的服从更多的服从居里居里-外斯（外斯（Curie-Waiss)定律。定律。C 称作居里常数称作居里常数，Tp 称作居里顺磁温度称作居里顺磁温度服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子（或离子），具有一定的磁矩，是无规分布无规分布的原子磁矩在外磁场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子传导电子也具有一定的顺磁性。2.顺磁性（顺磁性（Paramagnetism）顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质：过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa,含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba 包含有奇数个电子的原子或分子：HCl,NO,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物：O2,有机物中的双自由基等 这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：1.磁化率数值很大。2.磁化率数值是温度和磁场的函数；3.存在磁性转变的特征温度居里温度，温度低于居里温度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律。4.在居里温度附近出现比热等性质的反常。5.磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。构成这类物质的原子也有一定的磁矩有一定的磁矩，但宏观表现却完全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理论，但仍有很多问题有待后人去解决。3.铁磁性（铁磁性（Ferromagnetism)表现为铁磁性的元素物质只有以下几种：一些过渡族元素和稀土元素金属：但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如：Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO,GdCl3,室温以上，只有室温以上，只有4种元素是铁磁性的。种元素是铁磁性的。见Kittel 固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在一个磁性转变温度转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值峰值。4.反铁磁性（反铁磁性（antuferromagnetism)（见应用磁学P9）文献中也绘成磁化率倒数和温度关系的：铁磁性铁磁性 低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律：注意与铁磁性的区别！磁磁化化率率表表现现复复杂杂 反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物，如：FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3,FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS右图是1938 年测到的MnO磁化率温度曲线，它是被发现的第一个反铁磁物质，转变温度 122K。该表取自Kittel 书2005中文版p236，从中看出反铁磁物质的反铁磁物质的转变温度一般都很低转变温度一般都很低，只能在低温下才观察到反铁磁性。，只能在低温下才观察到反铁磁性。人类最早发现和利用的强磁性物质天然磁石Fe3O4就是亚铁磁性物质，上世纪3040年代开始在此基础上人工合成了一些具有亚铁磁性的氧化物，但其宏观磁性质和铁磁物质相似，很长时间以来，人们并未意识到它的特殊性，1948 年 Neel在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后，人们才认识到这类物质的特殊性，在磁结构的本质上它和反在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接近于铁磁物质铁磁物质相似，但宏观表现上却更接近于铁磁物质。对这类材料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用，成为今日磁性材料用于信息技术的主体。5.亚铁磁性（亚铁磁性（ferrimagnetism)铁磁性和亚铁磁性宏观上的区别：铁磁性和亚铁磁性宏观上的区别：磁化率倒数和温度关系饱和磁化强度温度关系亚铁磁物质的磁化率和磁化强度一般比铁磁物质低，但其电阻率一般要高的多。亚铁磁物质主要是一些人工合成的含过渡族元素和稀土元素的某些特定结构的氧化物，例如：尖晶石结构：Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4石榴石结构：A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb )磁铅石结构：BaFe12O19,PbFe12O19,SrFe12O19,钙钛矿结构：LaFeO3,以上五种磁性类型的原子磁距分布特点可以用下图来表示。以上五种磁性类型的原子磁距分布特点可以用下图来表示。1.把晶体中的磁性归为五类并分析出它们的起因是人类对物质磁性认识的一次飞跃，1950年前后出版了第一批以解释五种磁性起因为主的现代磁学理论专著，标志着磁学成为一个独立完整的学科。它极大地推动了20世纪后半叶磁性材料的基础研究和开发利用。50年后的今天，我们不但对上述五种磁性有了更深入的认识，而且发现了一些新的磁结构。2.严格说来上面的分类是针对物质磁性质进行的，同一物质在不同的温度区域可以呈现出不同的磁类型，而且与其晶体结构有密切关系：例如室温附近的金属铁为铁磁性，超过居里温度（1040K）后变为顺磁性，它受到高于1.51010Pa的高压时，其结构从bcc变为hcp,磁性变为非铁磁性。我们只可以说常温常压下铁是铁磁性物质。小结小结 上面几种磁有序结构，都是共线的，或平行，或反平行。20世纪70年代后，主要在稀土金属和合金里发现了一些非共线结构，在微粉和纳米磁性材料里，在非晶材料里，也都发现了一些新的结构类型，它们极大地丰富了我们对物质磁性的认识。20世纪70年代后，随着稀土元素的研究和观测技术的提高，人们又在晶状材料中发现了很多非共线的磁结构非共线的磁结构，即在这些材料的不同原子层中的原子磁矩或在原子层平面内、或在与原子平面成一定角度的锥面内，以一定的旋转角度做以一定的旋转角度做螺旋式排列螺旋式排列（见下页图）产生平面螺旋磁性或锥面螺旋磁性，通称螺旋型磁结构。虽然在磁性结构上，它和铁磁性、反铁磁性有所不同，但其宏观表现上是相似的。例如：Gd：T 221K,是平面型简单铁磁性。221K T 228K，是平面型螺旋反铁磁性。6.螺旋型磁结构螺旋型磁结构姜书姜书p115 是在微粉和纳米磁性材料中发现的一类现象，当铁磁颗粒减小到临界尺寸以下(110 nm)，微粒的各向异性能远小于热运动能量，微粒的磁化矢量不再有确定的方向时，铁磁粒子的行为类似于顺磁性一样。这些磁性颗粒系统的总磁性叫做超顺磁性超顺磁性。普通顺磁性是具有固有磁矩的原子或分子在外磁场中的取向，而超顺磁性是均匀磁化的单畴粒子的原本超顺磁性是均匀磁化的单畴粒子的原本无序取向的磁化矢量在外磁场中的取向。每个单畴粒子包含无序取向的磁化矢量在外磁场中的取向。每个单畴粒子包含较大数目的原子所以有大得多的磁矩。较大数目的原子所以有大得多的磁矩。7.超顺磁性（超顺磁性（Superparamagnetism）这是在某些非晶材料非晶材料中发现的一种磁结构，由于非晶材料中原子磁矩间的间距有一定分布，从而使得原子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的分散排列，这种虽然分散但仍有序的磁矩排列称作散磁性，按其基本趋向又可以细分为散铁磁性、散反铁磁性和散亚铁磁性。8.散磁性散磁性姜书姜书p117 在抗磁性基体中掺入磁性原子，随浓度的逐渐增加,会出现各种磁性現象：近藤效应近藤效应 自旋玻璃态自旋玻璃态 混磁性混磁性 不均匀铁磁性不均匀铁磁性9.其它其它李国栋书李国栋书p17物质磁性分类是一个复杂问题，存在着不同观点 （见应用磁学一书p11)这是一种弱磁场中显示顺磁性，超过某一磁场值后，显示铁磁性的材料。见见应用磁学应用磁学P9亚铁磁性亚铁磁性各种磁性的磁化曲线特征各种磁性的磁化曲线特征Kittel固体物理导论一书对磁有序结构的描述：见2005年版 铁磁物质和亚铁磁物质在磁场中表现出强烈的磁性，它们的磁化率约为1105，在技术上有着重大应用，我们通称为强磁性材料强磁性材料。它们在磁场中的行为（技术磁化过程）也是磁性物理研究的重要内容。1.退磁状态和退磁方法退磁状态和退磁方法2.磁化曲线：磁化曲线：3.磁滞回线：磁滞回线：4.饱和磁化强度饱和磁化强度-温度关系，居里温度温度关系，居里温度5.磁能积磁能积6.静磁能静磁能7.强磁材料按组成与结构的分类强磁材料按组成与结构的分类8.强磁材料的应用强磁材料的应用二二.强磁材料的宏观磁性质强磁材料的宏观磁性质 无外磁场作用下，强磁体磁化强度 M=0 的状态。这是我们讨论材料磁性能时必须统一的参考点讨论材料磁性能时必须统一的参考点。在测量材料磁化曲线前可以通过交流退磁；形变退磁；热退磁等方法，使材料达到退磁状态。1.退磁状态和退磁方法退磁状态和退磁方法 反映材料特性的基本曲线，从中可以得到标 志材料的参量：饱和磁化强度Ms、起始磁化率 和最大磁化率Ms可以理解为该温度下的自发磁化强度抗磁性物质磁化曲线抗磁性物质磁化曲线顺磁性物质磁化曲线顺磁性物质磁化曲线2.磁化曲线磁化曲线低于居里温度，形成自发磁化的小区域磁畴。为了降低退磁能，磁畴磁化矢量不同取向，总磁化强度为零，处于退磁状态。施加磁场后，磁畴结构发生变化，在磁场方向出现磁化强度。铁磁体的磁化过程铁磁体的磁化过程或从磁感应强度磁场曲线上得到：起始磁导率起始磁导率 最大磁导率最大磁导率剩余磁化强度剩余磁化强度Mr，矫顽力，矫顽力Hc3.磁滞回线磁滞回线B-H回线和M-H回线的区别。不同的回线形状不同的回线形状反映了不同的磁反映了不同的磁性质，有着不同性质，有着不同的应用。的应用。姜书姜书：p50 4.饱和磁化强度饱和磁化强度-温度关系，居里温度温度关系，居里温度左图见左图见Kittel p224下表见黄昆书下表见黄昆书p406（BH）max 5.磁能积磁能积（参考姜书（参考姜书p210-214）（1）外磁场能外磁场能：磁极化强度为J 的磁体，处在外磁场 H 中,将受到一个力矩作用：该力矩的作用是使磁极化强度和外磁场同向。如果把磁体转动，使 J 和 H 的夹角增加，就要对磁体做功，因而磁体的能量增加，假定磁性体在外力作用下使其夹角由 0 到到，它所增加的磁势能为：为方便使用，取 为零点，于是磁性体在外磁场中，单位体积单位体积的能量为：6.静磁能静磁能（2）退磁能）退磁能：被磁化的非闭合非闭合磁体磁体将在磁体两端产生磁荷，如果磁性体内部磁化不均匀，还将产生体磁荷，面磁荷和面磁荷和 体磁荷都会在磁性体内部产生磁场，其方向和磁化强度方体磁荷都会在磁性体内部产生磁场，其方向和磁化强度方 向相反，有减弱磁化的作用，我们称这一磁场为向相反，有减弱磁化的作用，我们称这一磁场为退磁场。退磁场。如果磁性体还同时受到外磁场的作用，这时磁性体内部的 有效磁场为：若磁性体磁化是均匀的，则退磁场也是均匀的，可以若磁性体磁化是均匀的，则退磁场也是均匀的，可以 表示为：表示为：N 称作退磁因子称作退磁因子，它的大小与它的大小与M无关，只依赖于样品的几无关，只依赖于样品的几何形状及所选取的坐标，一般情况下它是一个二阶张量。何形状及所选取的坐标，一般情况下它是一个二阶张量。HexMHd+-均匀磁化的磁性体中外磁场、退磁场、有效均匀磁化的磁性体中外磁场、退磁场、有效磁场三者关系示意图磁场三者关系示意图旋转椭球形状样品的磁化旋转椭球形状样品的磁化是均匀的是均匀的，我们选取坐标系与椭球的主轴重合，则退磁场的三个分量可以表示为：如果磁性体不是椭球形状，即使在均匀外场中，磁化如果磁性体不是椭球形状，即使在均匀外场中，磁化也是不均匀的，这时退磁场的大小和方向随位置而变，很也是不均匀的，这时退磁场的大小和方向随位置而变，很难用退磁因子来表示。难用退磁因子来表示。在在CGS单位值中单位值中旋转椭球的极限情况：旋转椭球的极限情况：显然，磁性体在磁化过程中，也将受到自身退磁场的作用，产生退磁场能退磁场能，它是在磁化强度逐步增加的过程中逐步积累起来的，单位体积单位体积内对于均匀材料制成的椭球样品，容易得出;N 是磁化方向的退磁因子。对于非球形样品，沿不同方向磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随磁化方向的变化，通常也称形状各向异性能形状各向异性能。退磁能的存在是自退磁能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。退磁场对样品磁性能的影响是明显的：退磁场对样品磁性能的影响是明显的：有退磁场是曲线倾斜 所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁所有材料性能表给出的磁导率等数值都是针对有效磁场的数值场的数值，材料性能的实际测量中必须尽量克服退磁场的影响。见见p19环状样品退磁场为零环状样品退磁场为零见应用磁学p20球形样品球形样品 容易修正容易修正（1）单质单质：室温下只有Fe,Co,Ni,Gd四种金属（2）合金合金：以铁族元素为基的合金：Fe-Ni;Fe-Co;Fe-Si;以非铁磁性元素构成的铁磁合金：MnBi;ZrZn2;郝斯勒合金Mn-Cu-M(=Sn,Al,Ge,Zn,（3）非金属化合物非金属化合物：铁氧体：含铁及其它过渡族元素的氧化物。其它：如：EuO,CrO2,钙钛矿型化合物RMnO3,（4）非晶铁磁合金非晶铁磁合金：7.强磁材料按组成与结构的分类强磁材料按组成与结构的分类（1）软磁材料软磁材料：高磁导率，低矫顽力，易磁化又易退磁的材 料，交变场下磁损耗小，是电工和电子技术的基础材料，用于电机，变压器，继电器，电感，互感等。（2）永磁（硬磁）材料永磁（硬磁）材料：高矫顽力、高剩余磁化强度的材料，用作产生磁场。综合指标是磁能积。（3）磁记录材料磁记录材料：包括磁记录介质材料和磁读出头及写入头。磁随机存储器（MRAM)等。（4）旋磁材料旋磁材料：利用旋磁性的材料。（5）特殊磁性材料特殊磁性材料：利用磁致伸缩，磁光、磁卡等效应的材 料，磁性液体等。8.强磁材料的应用强磁材料的应用 讨论磁性体在磁场的行为，既可以仔细分析磁性体从初始状态到终态的动力学磁化过程，也可以采用热力学的方法，只采用热力学的方法，只研究初始平衡态到终态平衡态的变化。研究初始平衡态到终态平衡态的变化。为了使热力学函数（内能为了使热力学函数（内能 U,自由能自由能 F,吉布斯函数吉布斯函数 G）能能够描述磁性体的磁化过程，除了一般的热力学参数够描述磁性体的磁化过程，除了一般的热力学参数 p,T,V,S以以外，还必须增加一些描述磁性系统的参量，如磁场强度外，还必须增加一些描述磁性系统的参量，如磁场强度H,磁磁化强度化强度M等。等。参考：姜书参考：姜书1.6节节p19-24一一.磁化功：磁化功：物体磁化，改变其磁化强度，需要做功。第一项是真空中的磁场能量密度，第二项是使单位体积磁第一项是真空中的磁场能量密度，第二项是使单位体积磁性体磁化所做的功。性体磁化所做的功。1.4 磁性体的热力学基础磁性体的热力学基础所以，对磁化的微小变化而言，磁化功该式告诉我们：在绝热该式告诉我们：在绝热 等容等容 过程中，过程中，磁化功的等于磁体内能的增加。磁化功的等于磁体内能的增加。在体积不变的情况下，可以给出研究磁化效应的一个基本热力学方程 (见姜书p21)等容过程等容过程二二.内能内能 该式告诉我们：等温、等容过程中，磁场做的磁化等温、等容过程中，磁场做的磁化功等于体系自由能的增加。功等于体系自由能的增加。只是等容过程，可以得出：如果能从理论上给出自由能的如果能从理论上给出自由能的表达式表达式 ，则可获得，则可获得一定温度下的一定温度下的 M-H 关系式关系式。三三.自由能自由能考虑到：于是：此时，吉布斯函数是温度、压力和磁场的函数。知道了知道了G,即可求出磁化强度。即可求出磁化强度。四四.吉布斯函数（也称热力学势）吉布斯函数（也称热力学势）有时热力学势也可以改写作：于是：同样考虑到：所以：知道了知道了G,即可求出磁化强度。即可求出磁化强度。小结：小结：自由能自由能 F 和热力学势和热力学势 G 可以作为磁化过程的判据，可以作为磁化过程的判据，磁性体稳定的磁化状态应该是使磁性体稳定的磁化状态应该是使 F 和和 G 处于极小值。处于极小值。统计物理中的配分函数（状态和）是系统微观状态的总体反映，由它可以导出宏观量：结合前面的结果，可以给出：是某一微观态的能量，是与这一状态相应的简并度。小结：小结：通过量子力学求出原子系统在外磁场中的能量本通过量子力学求出原子系统在外磁场中的能量本征值及相应的简并度后，即可计算其磁化强度征值及相应的简并度后，即可计算其磁化强度。五五.配分函数配分函数 Z习习 题题1.4.模仿姜书p45页图，将 5 种磁性的磁化率温度关系绘制到 一张图内，以比较它们的不同特点和相对大小。（同时绘 出磁化率倒数和温度关系）1.5.依据 Fe 的饱和磁化强度测量值估算其平均原子磁距，并 和孤立原子磁矩做比较；1.6.试估算出使铁球样品磁化到饱和时最低的磁场强度。