磁性物理学(第三章讲稿)案例.ppt

3. 铁氧体的(dMS/dT)T=Tc为有限值，与铁磁性物质不同。 4. 铁氧体的旋磁比γ eff随温度变化，且有反常现象。 第六节 直接交换作用 一、交换作用模型 （一）、交换作用原理（以H2中两个电子的 相互作用来说明交换作用的原理） 1、轨道波函数 当R → ∞，H2 →2H（孤立），其波函数分别为： 前面介绍的分子场理论成功地解释了铁磁体内存在自发磁化及其MS(T)－T关系。但未解决分子场的起源。 1928年，弗仑克尔提出：自发磁化起源于电子间特殊的相互作用；海森堡证明：分子场是量子力学交换作用的结果。 从此得到结论：铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用。 又当R →无限小时，两个H相互靠近形成H2，此时电子是全同的，无法区别属于那个原子， ra rAb rBa r rb 电子a 电子b 核a 核b R 当忽略电子的自旋与轨道之间以及自旋与自旋之间的磁相互作用时，系统的哈密顿为： 二电子 动能 原子核与电子静电作用能 原子核之间作用能 电子间作用能 经微扰计算，其能量： K—与经典相对应，表示库仑位能 A－交换积分：电子－电子、原子核—电子间静电交换作用。 结论： A是两电子交换后产生的交换作用，属量子效应； A是近程作用，只有?A(rb)?B(ra)存在，A?0； A属于原子中电子直接交换，故为直接交换作用， 2、自旋波函数 令两个电子的自旋分别为Sa，Sb，其取向如下四种方式： Sa Sb 则满足对称性要求的自旋波函数为： 反对称性： 代表两电子反平行自旋。 对称性： 3、总波函数 由于电子是费米子，故包括轨道波函数与自旋波函数的总波函数须取反对称形式： 能量对应ES（单重态）： 能量对应EA（三重简并）： H2的A0, →ESEA →电子自旋反平行取向最稳定（能量低） 对其它体系，若A0, → ESEA →电子自旋平行取向→自发磁化。 结论： 静电交换作用影响自旋的排列： A0，平行取向（铁磁性排列），能量低； A0，反平行取向（反铁磁性排列），能量低。 （二）、交换能（建立自旋与能量的联系） 1.单原子交换能Eex 对于基态，要求Eex0（以满足能量最低原则）， 若A0,则 ，自旋反平行为基态（反铁磁性或亚铁磁性）； 若A0,则 ，自旋平行为基态（铁磁性）； 若A =0，系统能量与近邻电子磁性壳层中电子相对取向无关，因此物质呈顺磁性。 （A是决定物质磁性的重要参量） 2.多原子体系Eex 若磁性晶体单位体积中有N个原子，则： 注： 交换作用只有发生在磁性原子或离子间时才会对自发磁化产生影响。 交换作用是一种近程作用，只能在最近邻之间。 a、若i原子与j原子相距很远，则：Aij＝0 b、 Aij ≈Ai，j +1 因此可以认为Aij＝A（常数） 若相邻自旋夹角很小，Si＝Sj＝S，则： 二、海森堡铁磁性理论 在由N个原子组成的系统中，每个原子只有一个电子 对磁性作贡献。 设：s为每个电子的自旋量子数；S为N个电子的总自旋量子数，则系统中的电子自旋总矢量平方为： c、混合型： 改变磁矩的方法： 调节 δ 值 改变M2+——常用离子取代法（非磁性离子） 四 如何控制Ms： 复合铁氧体：根据各种磁性能要求，将两种或两种以上的单铁氧体按一定比例制成多元系铁氧体，其性能决定于各组分的磁性能以及各组分的比例，此外还决定于生产工艺。 含Zn复合铁氧体是最广泛的、最有代表性的一类。它由反铁磁性的锌铁氧体与另一种铁氧体组成。 由于非磁性离子Zn2+的加入并占据A位，故部分Fe3+被赶到B位，导致MA↓，而MB↑，因此非磁性离子的加入形成的复合铁氧体反而比原来的单铁氧体的磁矩增加了。 但同时由于Zn2+的加入， MA↓，导致A－B超交换作用的减弱，从而使Tc下降。 结论：无论是NiZn、MnZn铁氧体，其Ms随Zn含量增加而增大，TC下降，但当其含量超过某一值（x0.4）后，Ms反而会下降。 原因在于： 由于A位没有足够浓度的磁性离子以使B位自旋保持反平行排列，在B位上失去与A位超交换作用的那些磁性离子，会受到近邻B位上磁性离子的B-B超交换作用，从而使B位上部分磁性离子磁矩与其他大多数B位上的磁性离子磁矩反平行，造成B位磁矩下降。此时，随着ZnO