1、7.1 引言n 磁性材料及固體磁性的歷史n 原子的磁性n 磁性的分類及基本物質方程n 交換作用及磁疇n 鐵磁物質的技術磁化 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方程 交換作用及磁疇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 電流產生磁場 19世紀 法拉弟效應 在磁場中運動導體產生電流 安培定律 電磁學基礎 電動機、發電機等開創現代電氣工業磁性材料及磁性的研究歷史1907年 P.Weiss的磁

2、疇和分子場假說 1919年 巴克豪森效應1928年 海森堡模型，用量子力學解釋分子場起源1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇 1933年 加藤與武井發現含Co的永磁鐵氧體1935年 荷蘭Snoek發明軟磁鐵氧體1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場, 理論上預言了磁疇結構1946年 Bioembergen發現NMR效應1948年 Neel建立亞鐵磁理論1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效應的發現1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的發現1984年 NdFeB稀土永磁材料的發現 Sa

3、gawa(佐川)1986年 高溫超導體，Bednortz-muller1988年 巨磁電阻GMR的發現, M.N.Baibich1994年 CMR龐磁電阻的發現，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁電阻TMR的發現,T.Miyazaki7.2 原子的磁性m磁矩m: 電子自旋磁矩 電子軌道磁矩q角動量磁矩若原子只有一個未滿殼層電子(2 )()22eemm lsjsjlsj 為電子的總角動量電子軌道磁矩電子自旋磁矩2(1)2(1)llBemel lml l L(2)22(1)ssBegms s s g2Bem7.2 原子的磁性 總自旋角動量： S=si 總軌道角動量： L=li l在一個填滿

4、的電子殼層中，電子的軌道磁矩和自旋磁矩為零。l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。LS總角動量J 泡利原理： 同一個量子數n，l，m，s表征的量子狀態只能有一個電子占據。 庫侖相互作用：n,l,m 表征的一個軌道上若有兩個電子，庫侖排斥勢使系統能量提高 洪德法則：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，而原子內的自旋-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，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。(如3d電子，m=2

5、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，最穩定)。 (3) 采用L和S間耦合計算原子總角動量 電子數n小于半滿時 J= L-S， 電子數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7.2 原子的磁性S S m3210 -1-2-3 L- S L+S=L-s=L+sJ=L-SJ=L+S7.2 原子的磁性(2 )22emegm JLSJLSJ(1)(1)(1)12 (1)JJJ JS SL LgJ J JSLJ L S J 7.2 原子的磁性在晶場中的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

6、。此現象稱為軌道角動量凍結。n 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).n 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。7.3 磁性的分類及基本磁學概念HVmM0HHHMHB0000磁化強度矢量磁感應強度矢量：相對磁導率（或磁導率）0：真空磁導率：極化率7.3 磁性的分類及基本磁學概念順磁性抗磁性7.3 磁性的分類及基本磁學概念順磁體鐵磁體反鐵磁體亞鐵磁體7.4 交換相互作用當組成氫分子后，體系要增加核之間的相互作用項e2/R，電子相

7、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。這一體系的波函數無法直接得到，仍用單電子波函數的線性組合由這個線性組合，可得到對稱( S )和反對稱( A )的波函數Sab表式重迭積分自旋函數為7.4 交換相互作用Heisenberg將氫分子的概念推廣至整個晶體。相鄰兩個3d電子的結合能取決與兩個原子的自旋磁矩的相對去向，而結合能是由兩個原子中d電子的波函數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

8、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ijijHA SSAij0Aij0兩個自旋傾向平行排列，體系能量降低兩個自旋傾向反平行排列，體系能量降低電子云鐵磁亞鐵磁7.4 交換相互作用7.4 交換相互作用 1934年克喇末首先提出超交換模型(間接交換)耒解釋反鐵磁性自發磁化的起因。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- 離子的電子結構為(1s)2(2s)2(2p)6,其中p-軌道向近鄰的Mn離子M1和M2

9、伸展，一個p- 可以轉移到M1的Mn離子的3d軌道，由于Mn 2+離子已經有五個半滿電子，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，結果M1和M2反平行。 當M1-O-M2是180度，超交換作用最強。隨角度變小超交換減弱，當90度夾角時，相互作用傾向變為正值。7.5 鐵磁性短程磁有序磁疇內磁矩的定向排列7.5 鐵磁性 1. 靜磁能和疇壁能的共同作用下 磁疇不能發展成無限大 未磁化的磁體M 0，不顯磁性 表面磁場線被磁疇屏蔽 2. 疇壁的微觀結構

10、靜磁能未磁化磁體，M0磁疇壁內自旋取向逐漸過渡以降低體系能量7.6（亞）鐵磁體中的疇壁Exchange energyMagnetocrystallineMagnetoelasticZeemanMagnetostatic7.6（亞）鐵磁體中的疇壁7.6（亞）鐵磁體中的疇壁7.7 鐵磁物質的技術磁化HM磁滯回線Hc7.7 鐵磁物質的技術磁化疇壁可逆移動7.7 鐵磁物質的技術磁化疇壁不可逆移動7.7 鐵磁物質的技術磁化不可逆Barkhausent跳躍7.7 鐵磁物質的技術磁化可逆磁疇轉動7.8 磁性材料應用舉例之一磁記錄7.8 磁性材料應用舉例之一磁記錄Schematic representation of longitudinal, digital magneticrecording write process. 7.8 磁性材料應用舉例之一磁記錄考試重點n 分離變量方法，單電子近似，諧陣子能量（一維、三維）n 倒易點陣，Bragg方程，布里淵區n 晶格振動的色散關系，聲學和光學振動，聲子，德拜模型，態密度，晶體導熱n 金屬的費米面，態密度，