剖析7磁性7.2.ppt

7.2 磁性 铁磁性和铁电性有相似的规律，但应该强调的是它们的本质差别；铁电性是由离子位移引起的，而铁磁性则是由原子取向引起的；铁电性在非对称的晶体中发生，而铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中；铁电体的居里点是由于熵的增加（晶体相变），而铁磁体的居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的“交换”作用，从而使自发磁化消失引起的。 交换作用：铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。实践证明，处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。这种相互作用称为“交换”作用。 这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。原子间好像在交换电子，故称为“交换”作用。 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，当时，交换能为负值，为反铁磁性。 交换能与铁磁性的关系 居里点：铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一温度称为居里点TC。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里－外斯定律， ?=C/(T-Tc) 式中C为居里常数 依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类： 本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（一般为1——2微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小永磁体），这种铁磁性称为完全铁磁性（Fe、Co、Ni）。 大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。 反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，在铁电性材料中有反铁电性。 顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。 亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。 磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。 H M Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及其合金、金属间化合物。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr等 各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni氧化物）Fe,Co等与重稀土类金属形成金属间化合物（TbFe等) O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的F中心 Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等3d过渡元素或稀土元素，还有MnO、MnF2等合金、化合物等。 抗磁性：磁矩为零，在外磁场作用下感生磁矩，磁化强度为负值。引起的原因主要是原子中电子轨道状态的变化。周期表中前8个主要元素表现为抗磁性。这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子。（O2-,F-,Cl-N3-OH-等） H M Cu,Ag,Au C,Si,Ge N,P,As,Sb,Bi S,Te,Se F,Ci,Br,I He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn S N 永磁体 F 强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性） 轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性） 轻微排斥的物质：反磁性 强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体） 按物质对磁场的反应对其进行分类 N S N S N S N S 完全反磁性 铁磁性 S N 顺磁性 B= ?0H+M=(?0+ ?) H= ?H MnO点阵中Mn2+的自旋排列 例如：反铁磁性MnO 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。根据此理论，能够通过邻近阳离子的激发态而完成间接交换作用。即经中间的激发态氧离子的传递交换作用，把相距很远无法发生直接交换作用的两个金属离子的自旋系统连接起来。在激发态下，O2－将一个2p电子给予相邻的Mn2+而成为O－，Mn2+获得这个电子变成Mn+，此时它们的电子自旋排列如图所示。 MnO晶体中离子的自旋 (a)基态 （b）激发态 Mn2+(3d5) O2-(2p6) Mn+(3d)6 O-(2p5) Mn2+(3d5) O－的自旋与左方Mn+自旋方向相同。当右方的