材料物理基础-材料的磁学.ppt

* * 这是19世纪后半叶发现和研究的一类弱磁性物质。 在外加磁场存在时，外磁场会使材料中电子的轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩，其方向与外磁场相反，称其为抗磁性．所有材料都具有抗磁性，但因为它很弱，只有当其它类型的磁性完全消失时才能被观察到．常见的抗磁性物质有：Bi，Zn，Ag，Mg等金属，Si，P，S等非金属，许多有机高聚物，以及惰性气体． * 这也是19世纪后半叶发现和研究的一类弱磁性物质。 有些材料(如Al,Pt等的自旋磁矩与轨道磁矩没有完全被抵消，每个原子都有一个永久磁矩，在无外磁场作用时，各个原子磁矩无序地排列，材料表现不出宏观的磁性；而在有外磁场作用时，各个原子磁矩会沿外磁场方向择优取向，使材料表现出宏观的磁性，称其为顺磁性。在顺磁性材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度M为正值，相对磁导率＞1，磁化率x为正值．常见的顺磁性材料有：稀土金属、铁族元素的盐类，金属Pa，Pt；某些气体如O2，NO，NO2等．抗磁性和顺磁性材料一般看作是无磁性的，因为它们只有在外磁场存在下才被磁化，而磁化率又极小． * 这是最早研究并得到应用的一类强磁性物质。早在18世纪50年代就有人做过磁化钢针的实验，19世纪末居里完成了铁磁物质的磁性随温度变化的测量。 诸如Fe，Co，Ni，Y，Dy等材料在外磁场作用下，会产生根大的磁化强度，外磁场去除后仍能保持相当大的永久磁性，称其为铁磁性．具有铁磁性材料的磁化率可高达106，使得磁化强度M远大于磁场强度H。 * 它是20世纪30—50年代被发现研究的一类弱磁性物质。 过渡金属的氧化物、卤化物和硫化物(如MnO，NiO，Cr2O3，CoO，FeCl2，MnS，ZnFeO4等) * 对于含铁酸盐的陶瓷磁性材料，即铁氧体(Ferrite)，其宏观磁性类似于铁磁性，但其磁化率和饱和磁化强度比铁磁性材料低—些，称为亚铁磁性．这类铁氧体的电阻率较高，适于制作电导率低的磁性元件． 而由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时，J接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加，J为正值，就呈现出铁磁性。当原子间距a与未被填满的电子壳层直径D之比大于3时，交换能为正值。 交换能与铁磁性的关系 当原子间距a与未被填满的电子壳层直径D之比小于3时，交换能为负值，为反铁磁性。 材料的反铁磁性和亚铁磁性理论 反铁磁性 铁族元素的某些氧化物，硫化物及卤素化合物如：FeO,FeS,CoO,NiO,MnO等属于反铁磁物质。在晶格结构上，这类物质属于离子晶体，具有磁距的金属离子被非金属离子所包围，故磁性离子的间距较远。在微观结构上，它们和铁磁性物质同属于磁有序物质。不同的是，反铁磁性物质中的相邻离子磁距是反平行排列且大小相等。 在反铁磁性中，近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互抵消。因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩，显现微弱的磁性。反铁磁的相对磁化率?的数值为10-5到10-2。与顺磁体不同的是自旋结构的有序化。 当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转向磁场方向的转矩很小，因而磁化率比顺磁磁化率小。随着温度升高，有序的自旋结构逐渐被破坏，磁化率增加，这与正常顺磁体的情况相反。然而在某个临界温度以上，自旋有序结构完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温度(称奈耳温度Neel point)显示出一个尖锐的极大值。 反铁磁自旋有序，首先是由舒尔和司马特利用中子衍射实验在MnO上证实。MnO的晶体结构是Mn离子形成面心立方晶格，O离子位于每个Mn-Mn对之间。从中子衍射线，超过奈耳点的室温衍射图与奈耳点以下80K温度的衍射图比较，看到低于奈耳点的衍射图有额外的超点阵线，通过分析得到反铁磁的磁结构。 在反铁磁体中，具有反平行磁矩的相邻离子间的交换作用应占优势，但从图容易看出，这种离子间的距离比之平行自旋的离子间距要大，根据前面的讨论，交换能的大小取决于物质的原（离）子间距离，相距远的交换力小。怎样克服这个矛盾，解释这种离子间所具有的较大的交换能呢？超交换理论或称间接交换理论可以提供适当的解释。 超交换模型(间接交换)可解释反铁磁性自发磁化的起因。MnO中Mn离子中间有O2-离子，故离子间距大，直接交换作用非常弱。但Mn离子之间通过O2-有一个超交换作用。其机理是： O2-离子的电子结构为1s22s22p6,其中p-轨道向近邻的Mn离子M1和M2伸展，一个p- 可转移到M1的Mn离子的3d轨道，由于Mn2+离子已有五个半满电子，按照洪德法则，氧的p-电子自旋只能与Mn2+的五个电子自旋反平行。同时p–轨道上剩余的一个电子自旋必然是与转移出去的电子自旋反平行。它与M2之间的交换作用使它与另一个Mn离子M2的自旋反平行，结果