1、CH4-3 薄膜的磁學性質Magnetic properties of thin films4.3.1 物質的磁性與磁滯回線4.3.2 磁性的分類及相關磁效應4.3.3 超導性4.3.4 磁疇及磁性測量技術4.3.5 多鐵性薄膜的研究簡述本章內容安排4.3.1 物質的磁性及磁滯回線磁性是物質的基本屬性地球磁場地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近. 磁極：磁性強的區域 N極：指北的一端，正磁極；正磁荷，+ m S極：指南的一端，負磁極；負磁荷，-m 磁荷可以看成點磁荷。 在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，并且讓它們的S極相對。紙板上面撒一些細的鐵粉末。那么，鐵的粉

2、末會自動排列起來，形成一串串曲線的樣子。N極和S極之間的曲線是連續的，而S極和S極之間的曲線互相排斥，不能融合和貫穿。 假想在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強弱。這種假想的曲線稱為磁力線，并規定磁力線從N極出發，最終進入S極。 在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。 磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱。 磁力線和磁場磁學現象的兩個基本命題：1 磁及磁現象的根源是電流，或者說是電荷 的運動。2 所有的物質都是磁性體電流(或運動電荷)電流(或運動電荷)磁場磁學初

3、步認識：磁性材料是古老而年輕的功能材料司南（戰國時期）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 羅盤用于航海的記載 材料磁性的起源原子磁矩原子核磁矩電子磁矩軌道磁矩自旋磁矩 矢量和原 子 核電荷：e自旋： 1磁矩： N電 子電荷：e 自旋： 磁矩：自旋軌道物質由原子構成，物質的磁性來源于原子的磁矩原子磁矩：電子的軌道磁矩和自旋磁矩軌道磁矩自旋磁矩核外電子的運動相當于一個閉合電流，具有一定的軌道磁矩 電子具有自旋，是量子化的。電子的自旋磁矩同自旋角動量 S 成正比電子軌道運動是量子化的，因而只有分立的軌道存在，所以角動量和總磁矩都是量子化

4、的。原子的總磁矩應是按照原子結構和量子力學規律將原子中各個電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來的合磁矩原子核磁矩簡單介紹質子靜止質量中子表示符號帶電量不帶電I 稱為核自旋量子數1. 原子核的自旋(角動量)對于不同原子核, I 只能取整數或半整數質子的磁矩幾乎是核磁子的三倍，而中子具有負磁矩，數值約為核磁子的兩倍。這表明不能把質子和中子看成是無內部結構的粒子核內各核子間存在著復雜的相互作用，并不等于組成它的所有核子磁矩之和。2. 原子核的磁矩N 稱為核磁子, gI 稱為原子核 g 的因子(1)原子核磁矩電子磁矩可忽略不計說明：什么是 “磁性”不僅僅是：Magnetic Property of 至少包

5、括：微觀粒子磁矩：質子、中子、電子、介子；原子、離子；分子、原子團、 顆粒粒子的磁相互作用：交換作用、偶極作用、超精細相互作用；自旋 軌道耦合；分子場、自旋極化率 宏觀材料本身：磁化強度、矯頑力、磁能積；磁化率、磁導率；居里溫度、 磁各向異性材料與外界條件的相互作用：磁力、磁光、磁熱、磁電、共振磁性(Magnetism)一詞就因盛產天然磁石的Magnesia地區而得名。 Figure 8.1 磁偶極矩定義Figure 8.2 磁偶極子在外加磁場中的作用磁偶極矩um的定義 回路電流為I，這相當于一個通電線圈。假設電流回路位于同一平面內，回路包圍的區域為A，并設un為射出平面A的單位向量，它與回路

6、電流I滿足右手螺旋法則。 (2)磁矩受到磁場作用的力矩當一個磁偶極子位于磁場中時，它受到轉矩作用會發生旋轉，從而使得其軸向與磁場方向一致 .在均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩J為：J=mBJ為矢量積；B為磁感應強度。磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越強，即物體在磁場中受的力越大。1.磁矩與磁偶極子電偶極子磁偶極子電偶極矩磁偶極矩- +類比 介質的磁化實質上是分子磁矩的取向以及在外磁場作用下產生附加磁矩的作用。 引入反映介質磁化程度的物理量磁化強度矢量M。2、磁化強度矢量M 磁化強度M是磁介質的宏觀的矢量函數，它可以有一定的空間分布.在SI制中，單位是Am-1.定義：單位體積

7、內分子磁矩的矢量和.均勻磁化：非均勻磁化： 分子電流因磁化而呈現出宏觀電流，稱為磁化電流。這個電流不伴隨任何帶電粒子的宏觀位移，所以又稱為束縛電流。 對于各向同性均勻介質，均勻磁化時，內部的分子電流相互抵消，而在介質表面各分子電流相互疊加。類比：電介質的極化過程無電場時有電場時束縛電荷外場-+-+-+-+-+-+ 磁化強度矢量M是單位體積的磁矩，表征物質被磁化的程度；磁感應強度B和磁場強度H的均為描述空間任意一點的磁場參量（矢量）。3、磁場強度 H 與與磁通密度 B磁場強度 H ： 表征空間某處磁場的大小，它的SI單位是安/米（ Am-1 ）。磁通密度 B： 描述空間某處磁場強弱和方向的物理量

8、，又稱為磁通密度，單位是特（T）。磁感應強度B的定義是：B=0(H+M)，其中H和M分別是磁場強度和磁化強度，0是一個系數，叫做真空導磁率。常見的幾種電流產生磁場的形式為：方向是切于與導線垂直的且以導線為軸的圓周2、直流環形線圈圓心r為環形圓圈半徑，方向由右手螺旋法則確定。3、無限長直流螺線管：n：單位長度的線圈匝數，方向沿螺線管的軸線方向1、無限長載流直導線InI知識回顧rII磁體的磁化率：單位磁場強度H在磁體內感生的磁化強度M，表征物體在磁場中被磁化的程度。無量綱，可正可負，取決于材料的不同磁性類別。4、磁化率和磁導率磁導率 ：導磁率的定義是=B/H，是磁化曲線上任意一點上B和H的比值，無

9、量綱。代表了磁性材料被磁化的難易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏程度。 r=/0為介質的相對磁導率。 稱為相對電容率或相對介電常量。 之間的關系： 之間的關系 稱為相對磁導率磁導率磁學量名稱符號CGS單位SI單位換算比磁極強度m韋(Wb)108/4磁通麥克斯韋（Mx)韋(Wb)108磁 矩M磁 矩m安米2(Am2)103磁通密度 或磁感應強度B高斯（Gs）韋/米2或特斯拉 (Wb/m2或T)104磁場強度H奧斯特（Oe）安/米(A/m)1/79.6磁 勢Vm奧厘米(Oecm)安（A）4/10磁通勢m奧厘米(Oecm)安（A）4/10磁化強度M高斯（Gs）安/米(A/m)10-3相對磁化率4相

10、對導磁率1退磁因子N(CGS) D(SI)4真空導磁率014/107107/4磁 阻Rm(奧厘米)/麥克斯韋安培/韋（A/Wb）410-9磁晶各向異性常數K1erg/cm2焦/米3(J/m3)10磁能積(BH)m高奧焦/米3(J/m3)109/ 7.96疇壁能密度erg/cm2焦/米2(J/m2)103SI制數值乘以此數即得CGS制數值5. 飽和磁化和居里點鐵磁體中所有原子磁矩的排列盡可能一致時的最大磁化強度稱為飽和磁化強度Msat 隨著溫度的升高，晶格振動會隨機擾亂原子自旋，改變原子自旋方向,導致自旋排列不一致 晶體內晶格振動所具有的熱能足以克服交互作用勢能，進而破壞自旋排列，鐵磁體的特性將

11、會消失Tc：居里點TTc，鐵磁性完全消失而成為順磁質，Tc稱為居里溫度或居里點。應用磁化過程四階段：（1） M隨H呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動過程。（2） M隨H急劇增長，不可逆疇壁移動過程。（3）M的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉到最接近H方向，M的增長主要靠可逆轉動過程來實現。（4）磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達到飽和狀態。6. 磁化曲線初始磁導率區Barkhausen效應不連續磁化區轉向磁化區飽和磁化區疇壁微小移動，被晶體缺陷釘扎的疇壁消失,晶體具有很小的凈磁化強度;疇壁開始遇到諸如晶體缺陷、雜質以及第二相等，它們會吸引疇壁從而阻礙其運動;出現磁化現象間斷發生而不是連續發生的現象，

12、稱為Barkhausen效應。急劇的疇壁運動使沿磁化場方向的疇長大而使偏離該方向的疇縮小，從而使磁化強度持續增加。最終疇壁的移動使得晶粒中都具有一個單疇且都是沿易磁化方向被磁化;晶體磁化也達到了飽和值M，其方向沿+x，即與外場H一致; 磁體保留一部分永久磁化矢量，稱為剩余磁化矢量。 當鐵磁質達到飽和狀態后，緩慢地減小H，鐵磁質中的B并不按原來的曲線減小，并且H=0時，B不等于0，具有一定值，這種現象稱為剩磁。 要完全消除剩磁Br，必須加反向磁場，當B=0時磁場的值Hc為鐵磁質的矯頑力。 當反向磁場繼續增加，鐵磁質的磁化達到反向飽和。反向磁場減小到零，同樣出現剩磁現象。不斷地正向或反向緩慢改變磁

13、場，磁化曲線為一閉合曲線磁滯回線。7. 磁滯回線(1)加熱法 當鐵磁質的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質變為順磁質，該溫度為居里溫度 tc 。當溫度低于 tc 時，又由順磁質轉變為鐵磁質。鐵的居里溫度 Tc=770C；原因：由于加熱使磁介質中的分子、原子的振動加劇，提供了磁疇轉向的能量，使鐵磁質失去磁性。退磁化方法(2)敲擊法：通過振動可提供磁疇轉向的能量，使介質失去磁性。如敲擊永久磁鐵會使磁鐵磁性減小。(4)加交變衰減的磁場：使介質中的磁場逐漸衰減為0，應用在錄音機中的交流抹音磁頭中。(3)加反向磁場法：加反向磁場，提供一個矯頑力Hc ,使鐵磁質退磁。8. 磁滯損耗 在交變磁場中，鐵

14、磁質磁化一周總的能量損耗，稱為磁滯損耗，損耗的能量以熱能釋放，將引起介質的發熱。磁滯損耗和磁滯回線所包圍的面積成正比 單位體積能量消耗 PQRS所包圍的面積QRS所包圍的面積PQS所包圍的面積PQQSPQS磁化退磁化回線磁滯損耗和磁滯回線所包圍的面積成正比 4.3.2 磁性的分類及相關磁效應磁偶極矩H M磁化率磁導率ur內容回顧介質的相對磁導率順磁質抗磁質鐵磁質填充介質的總磁場強度為真空中的磁場介質磁化后產生的附加磁場在介質均勻充滿磁場的情況下 銅鋁 鐵順磁質抗磁質鐵磁質mr1且11且mrmr11舉例1+101-10-5105-4根據物質的磁化率，可以把物質的磁性分為五類：1、抗磁體，為甚小的

15、負數（大約在-10-6量級），在磁場中受微弱的斥力，如金、銀 。2、順磁體，為正數（大約在10-3-10-6量級）在磁場中受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。3、反鐵磁體， 為小正數，高于某一溫度時其行為與順磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場的取向有關。4、亞鐵磁體，處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說的磁鐵礦、鐵氧體等。5、鐵磁體，為很大的正數，在較弱磁場作用下可以產生很大的磁化強度，如鐵、鈷、鎳。鐵磁性材料亞鐵磁性材料順磁性材料反鐵磁性材料抗磁性材料HM五種磁體的磁化曲線示意圖強磁性材料弱磁性材料抗磁質磁化微觀機制B0真空中抗磁性的微觀機制B抗磁質的電子磁矩矢量和近乎零.(順磁質亦有此效應

16、,其影響相對較小).0B0BB施加 ,引起感應分子電流(無阻),所形成的 與 反向.(所有介質均具有抗磁性)順磁質磁化微觀機制B0真空中介質的分子磁矩(分子中的電子自旋和繞核運動B無外場,磁矩隨機取向,相互抵消.順磁性的微觀機制0B0BB施加,順磁質的與同向.,(只有順磁質、鐵磁質才具有順磁性)鐵磁質磁化微觀機制用金相顯微鏡觀察到拋光鋼材樣品表面上鐵粉在磁疇邊界上聚集.鐵磁性的微觀機制磁 疇鐵磁質的自發磁化小區域(由電子自旋磁矩引起)用偏振光顯微鏡觀察到的石榴石單晶磁性薄膜的迷宮式磁疇.續14鐵磁性的微觀機制（續）H0HHHH 各磁疇磁化方向混亂，整體不顯磁性.疇壁運動 磁疇的自發磁化方向與外

17、場方向相同或相近的磁疇體積擴大,反之縮小.磁疇壁發生運動.磁疇轉向 磁疇的自發磁化方向轉向外場方向.飽和 全部磁疇方向均轉向外場方向.磁滯現象及剩磁,是因磁化時磁疇相互摩擦發熱,使過程不可逆.TO一、抗磁性材料 對于電子殼層被填滿的物質，其磁矩為零。在外磁場作用下，電子運動將產生一個以外磁場為軸線的轉動，稱為軌道角動量繞磁場旋進(電子的進動) ，出現附加角動量，感生出與H反向的磁矩。因此： d0，但數值很小（顯微弱磁性）。室溫下P：103106。如：稀土金屬，鉑、鈀、奧氏體不銹鋼和鐵族元素的鹽。TO其中：C為居里常數，TP為順磁性居里溫度。TO三、反鐵磁性材料T0 ，大小為1 103 1、TT

18、c時,呈順磁性。3、典型代表為鐵氧體。鐵氧體的電阻率 （可用于高頻電訊工程技術中）H五、鐵磁性材料 內部原子磁矩按磁疇自發平行取向，有宏觀磁性,只要在很小的磁場作用下就能磁化到飽和。 其f0（約為10106），有磁滯現象。 實例：3d金屬Fe，Co，Ni，4f金屬鋱、鉺、銩、鈥、等以及很多合金與化合物。H自發磁化： 如前所述某些原子的核外電子的自旋磁矩不能抵消，從而產生剩余的磁矩。但是，如果每個原子的磁矩仍然混亂排列，那么整個物體仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一個方向整齊地排列，就象很多小磁鐵首尾相接，才能使物體對外顯示磁性，成為磁性材料。這種原子磁矩的整齊排列現象，就稱為自發磁化。鐵磁

19、性起因 1926年海森堡用量子力學中的交換力解釋了磁偶極子間相互作用的起源。其中S1 和 S2是兩個電子的自旋角動量；Je 是一個數字量叫做交換積分 交互作用能：Je大小依賴于靜電相互作用和原子間的距離 Eex為正反鐵磁態Eex為負鐵磁態為了減少交互作用能，鐵原子中3d電子的自旋自發地沿相同的方向排列，這一自發磁化是鐵磁性現象。 鐵磁性順磁性Je怎樣隨著3d亞殼層半徑的原子間距與原子半徑比（r/rd）而改變。對于過渡金屬元素鐵、鈷和鎳，r/rd對應的Je是正值3。在其它情況，Je是負值不表現鐵磁性。 磁 性磁有序的起源：交換相互作用無交互作用交互作用間接直接 超量子力學效應全同粒子 1879年

20、，24歲的美國物理學家霍爾在研究載流導體在磁場中所受力的性質時，發現了一種電磁效應，他在長方形導體薄片上通一電流，沿電流的垂直方向加磁場，發現在與電流和磁場兩者垂直的兩側面產生了電勢差。即在電流的垂直方向加上磁場，則在同電流和磁場都垂直的方向上將建立一個電場。這個效應廣泛應用于半導體研究。這個效應被稱為霍爾效應。霍爾效應磁場愈大霍爾電阻愈大，它們是成簡單的線性關系主要應用于以下幾個方面:(1)測量磁場;(2)測量半導體特性; (3)磁流體發電; (4)電磁無損探傷;(5)霍爾傳感器; 近年來，由于新型半導體材料和低維物理學的發展使得人們對霍爾效應的研究取得了許多突破性進展。德國物理學家克利青(

21、K.V.Klitzing)因發現量子霍爾效應而榮獲1985年度諾貝爾物理學獎。 1998年諾貝爾物學理獎授予美國加州斯坦福大學的勞克林（Robert B .Laughlin,1950- )，美國紐約哥倫比亞大學與新澤西州貝爾實驗室的施特默（Horst L.Stormer,1949- )和美國新澤西州普林斯頓大學電氣工程系的崔琦(Daniel C.Tsui,1939- ),以表彰他們發現了一種具有分數電荷激發狀態的新型量電子流，這種狀態起因于所謂的分數量子霍爾效應。 這一領域因兩次授予諾貝爾獎而引起了人們廣泛的興趣，崔琦也成為第六位獲得諾貝爾獎的華裔科學家。克利青施特默勞克林崔琦阿爾貝費爾 彼得

22、格林貝格爾 瑞典皇家科學院9日宣布，法國科學家阿爾貝費爾（左）和德國科學家彼得格林貝格爾二人因先后獨立發現了“巨磁電阻”效應，分享2007年諾貝爾物理學獎 看看你的計算機硬盤存儲能力有多大，就知道他們的貢獻有多大 巨磁電阻效應 磁電阻效應巨磁電阻效應材料超巨磁電阻材料 磁場可以使許多金屬的電阻發生改變，導電電子的自旋磁矩如果順著磁有序材料的電子自旋方向前進，材料處于低電阻狀態；反之，如果垂直于自旋方向，則呈高電阻狀態。這種現象稱為磁電阻效應，相應的材料為磁電阻材料(MR)。 磁電阻材料(MR)：巨磁電阻效應巨磁電阻”效應是指在一定的磁場下電阻急劇變化，變化的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻

23、數值高10余倍。20世紀90年代，人們在多種納米結構的多層膜中觀察到了顯著的“巨磁電阻”效應，巨磁電阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有廣泛的應用前景。 磁存儲 數據在磁片上以磁化的點來表示，被磁化的點代表1，沒有被磁化的點代表04.3.3. 超導性 7/13/2022問題2：超導的特性是什么？問題3：超導的應用？問題1：什么是超導？Heike Kamerlingh Onnes 1913John Bardeen 1972Leon N. Cooper 1972J. Robert Schrieffer 1972Ivar Giaever 1973 Brian D. Josephson 1973J

24、. George Bednorz 1987K. Alex Muller 1987Alexei A. Abrikosov 2003Vitaly L. Ginzburg 2003Pierre-Gilles de Gennes 1991Philip W. Anderson 1977The Nobel Laureates. 超導領域的諾貝爾獎獲得者1913年諾貝爾物理學將授予荷蘭萊頓大學大卡末林-昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes ,1853-1936), 以表彰他對低溫物質特性的研究，特別是這些研究導致液氦的生產。 1972年諾貝爾物理學獎授予美國伊利諾斯州烏爾班那德

25、伊利諾斯大學的巴丁（John Bardeen,1908-1991）、美國羅德艾蘭州普羅威頓斯（Providence）布朗大學的庫伯（Leon N.Cooper,1930- ）和美國賓夕法尼亞州賓夕法尼亞大學的施里弗（John Robert Schrieffer,1931- ），以表彰他們合作發展了通常稱為BCS理論的超導電性理論。 巴丁庫伯施里弗1973年年諾貝爾物理學獎一半授予美國通用電氣公司的賈埃沃（Ivar Giaever,1929- ）以表彰他們分別在有關超導體中德隧道現象的實驗發現；另一半授予英國劍橋大學的約瑟夫森（Brian Josephson,1940- ），以表彰他對穿過隧道壁

26、壘的超導電流所作的理論預言，特別是關于普遍稱為約瑟夫森效應的那些現象。 賈埃沃約瑟夫森江崎玲於奈 （Leo Esaki,1925- ） IBM瓦森研究室1987年諾貝爾物理學獎授予瑞士IBM研究實驗室的德國物理學家柏諾茲（J.Georg Bednorz,1950- ）與瑞士物理學家繆勒（K.Alexander Muller,1927- ）,以表彰他們在發現陶瓷材料中的超導電性所作的重大突破。柏諾茲繆勒2003年諾貝爾物理學獎授予擁有俄羅斯和美國雙重國籍的科學家阿列克謝阿布里科索夫、俄羅斯科學家維塔利金茨堡以及擁有英國和美國雙重國籍的科學家安東尼萊格特，以表彰他們在超導體和超流體理論上作出的開創

27、性貢獻。 阿比瑞克索夫成功地從理論上解釋第二類超導現象，而他的理論基點來自于金茲伯格等人先前創立的關于第一類超導體的理論，事實證明該理論同樣可應用到第二類超導體領域。雖然這些理論都形成于上個世紀50年代，它們對超導新材料的迅速開發仍有重要意義。今天，在更高溫度和更強磁場的條件下，人們仍可以制造出超導體。 科索夫萊格特金茨堡1991年諾貝爾物理學獎授予法國德納然（Pierre Gilles de Gennes,1932- ）,以表彰他把研究簡單系統中有序現象的方法推廣到更復雜的物理態，特別是液晶和聚合物所做的貢獻。德然納用數學方法描述磁偶極子、長分子或分子鏈是怎樣在特定條件下形成有序態的，并闡明

28、了當這些物質從有序態過渡到無序態發生了些甚麼事情。例如，在加熱磁體時，就會發生這類有序-無序的變化。而由無序到有序的轉變往往發生在確定的溫度下，有時也出現跳躍式的變化，這就是在臨界態下的相變，對于鐵磁體來說，這個溫度就是所謂的居里點。 his famous textbook, Superconductivity of Metalsand Alloys in 1966德納然highly original studies of the dynamics of quantized magnetic flux in superconductors in the early 60s.he was a k

29、ey figure in the development of a pseudo-spin formalismfor superconductivity towards the end of the 50s.對磁性和無序系統的電子結構所作的基礎理論研究獲1977年諾貝爾物理學獎。安德森Philip W. Anderson 超導現象的發現1911年卡末林-昂內斯意外地發現，將汞冷卻到268.98時，汞的電阻突然消失；后來他發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性。卡茂林昂尼斯在1913年獲得諾貝爾獎時，指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”，水銀

30、在4.2K進入了一種新狀態，由于它的特殊導電性能，可以稱為超導態”。4.00 4.20 4.400.1500.1000.0500.000*：臨界溫度4.20K附近汞的電阻突降為零在高溫超導材料超導歷史必須用液氦冷卻補充:兩類新型超導體C60：有較大的發展潛力，由于它彈性較大，比質地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場和相干長度均較大，這些特點使C60超導體更有望實用化。 C60被譽為21世紀新材料的”明星”，這種材料已展現了機械、光、電、磁、化學等多方面的新奇特性和應用前景。有人預言巨型C240、C540合成如能實現，還可能成為室溫超導體。MgB2：二硼化鎂（MgB2），其

31、超導轉變溫度達39K。二硼化鎂的發現為研究新一類具有簡單組成和結構的高溫超導體找到新途徑。 易合成和加工，容易制成薄膜或線材。可應用于電力傳輸、超級電子計算機器件以及CT掃描成像儀等方面。二硼化鎂的發現使世界凝聚態物理學界為之興奮。 超導的主要性質 1.完全導電性：零電阻效應 當；電阻率電導率， 超導體在臨界溫度和臨界磁場下，直流電阻呈現零電阻現象。從電阻不為零的正常態轉變為超導態的溫度稱為超導轉變溫度或超導臨界溫度，用Tc 表示。思考1.為什么良導體低溫下仍有電阻？超導體 = 理想導體 ？電阻率受到雜質和晶體缺陷的散射影響而在某個有限值處達到飽和，飽和值與剩余電阻率有關。 兩種

32、截然不同類型導體的特征曲線 超導體與理想導體的差異 2.完全抗磁性 給處于超導態的某一物質加一磁場，磁力線無法穿透樣品，而保持超導體內的磁通為零的特性，即超導體能把磁力線全部排斥到體外，我們稱之為完全抗磁性。此現象首先由W.邁斯納和R.奧克森菲爾德兩人于1933年發現，也就是所謂的邁斯納效應。superconductormagnetsuperconductormagnetsurface current溫度在臨界溫度以上溫度在臨界溫度以下Source: photo courtesy of Professor Paul C.W. Chu. 3.臨界磁場強度Hc 稱為臨界磁場強度。Hc 與溫度的關系

33、為：當當超導態正常態H0 是T0K時的臨界磁場強度。NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導態N表示正常態N加場TcHc處于超導態的物質，外加磁場之所以無法穿透內部，是因為樣品內部感生了一個分布和大小剛好抵消外部磁通，使內部磁通為零的電流。這個電流沿表面層流過，磁場也就穿透到同樣深度，這層厚度稱為“磁場穿透深度（）”。它與溫度以及材料的臨界溫度有關。當介質表面處的磁場為B0時，穿透樣品表面進入內部，距表面x處的磁場強度為 4.磁場穿透深度（） 5.臨界電流密度超導體內的電流強度超過某一量值Jc時，超導性消失。超導體轉變為正常導體，Jc稱為臨界電流。 當當超導態正常態 電流自身就會產生磁場，而在足

34、夠大的電流下，這個磁場超過臨界場從而使超導性消失。 原 因僅限于第一類超導體JcJV失超 6.臨界表面：超導態的臨界值第二類超導體Nb-Ti合金的臨界表面用臨界溫度Tc、臨界磁場Bc以及臨界電流密度Jc來定義超導的有效范圍。這些臨界參量組成了如圖所示的三維曲面，該曲面將超導態與正常態分離開來：曲面內部的任一工作點都處于超導態。 兩種不同類型的超導體根據抗磁特性的不同，分為如下兩類：第類(又稱Pippard超導體或軟超導體)第類(又稱London 超導體或硬超導體)完全抗磁 完全穿透完全抗磁 部分穿透 完全穿透 包括：Hg, Al, Sn, In等決大多數超導元素包括：V，Nb，

35、Ge；Nb3Sn, NbTi,所有高溫超導體材料超導態正常態Hc超導態混合態正常態Hc1Hc2Characteristics of Type I and Type II superconductors. B = oH is the applied field and M is the overall magnetization of the sample. Field inside the sample, Binside = oH + oM, which is zero only for B Bc (Type I) and B Bc1 (Type II). 約瑟夫森效應 P756

36、超導體中的弱連接庫珀對的隧穿引起的超導電流應滿足 約瑟夫森直流效應相位角約瑟夫森交流效應用來精確定義電壓標準一伏特的電壓是指，在約瑟夫森結兩端加如此大小的電壓所產生的交流電流能夠產生頻率為483,597.9GHz的電磁輻射。 振蕩電流的頻率相位角的電壓調制與材質、溫度無關僅與電壓有關4.3.4 磁疇及磁性測量 磁疇和疇壁運動1. 磁疇結構磁疇：晶體內的某個區域內所有自旋磁矩排列一致并且磁矩方向相同的區域。 體積約為10-110-6cm3。 定義：靜磁能：磁場內存儲的勢能。 磁疇壁：兩個磁疇之間的過渡/交界區域；原子磁矩方向逐漸轉變的過渡層。疇壁處兩邊的原子自旋方向相對發生了改變，

37、因此疇壁處的勢能提高 增加了額外的疇壁，靜磁能減少，疇壁勢能增加磁疇的大小、形狀以及分布與一系列因素有關，包括介質的大小與形狀 圖8.22b表明：外場磁力線被抵消，只存在于端部，所以場內存儲的勢能減少圖8.22a所示為一個具有鐵磁性（所有原子自旋排列一致）而被永久磁化了的 鐵單晶。如同條形磁鐵一樣，晶體磁力線為環繞型；磁場內儲存有一定的靜磁能產生一個新的磁疇所減少的勢能與建立新疇壁所增加的勢能相等時，磁疇才會停 止自發生成，此時介質具有最小的勢能 磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向異性，形狀各向異性，感生各向異性和應力各向異性等。單晶體的易磁化和難磁化方向 2

38、 磁晶各向異性鐵磁性晶體具有各向異性的磁性能，也就是說它們沿不同晶向的磁性能不同。 施加沿100向的磁場H時，磁疇壁就會發生偏移，結果導致磁化方向與外場H一致的磁疇（如A）擴大而磁化方向與外場H相反的磁疇(如B)縮小。 自旋磁矩指向沿磁晶的某個晶面方向最容易一致排列。那么晶體中這個方向就是晶體最容易磁化的方向。磁疇通常都是沿著原子自旋排列最容易，即交互作用最強的方向進行磁化例：Fe Fe單位體積的晶體沿某一方向磁化比沿最易磁化方向磁化所額外消耗的能量稱為磁晶體各向異性能，用K表示。 施加沿對角線OD方向的磁場時，初始時所有磁化M沿OA,OB,OC方向（即那些具有沿OD方向磁化分量）的疇生長，并

39、抵消掉其它方向的磁化而使整個介質都沿這些方向磁化。這個過程對應圖8.24中111磁化曲線上的0到P點部分，與沿100方向一樣，該過程很容易發生，因此只需要較小的外加磁場。不過，從P點向上，磁疇的磁化將旋轉離開最易磁化方向（即從OA,OB,OC轉向OD）。這個過程將會消耗較多的能量，因此需要外加較強的磁場。 3. 疇壁類型1）、按疇壁兩側磁矩方向的差別分：90度、180度疇壁。a、磁體中每一個易磁化軸上有兩個相反的易磁化方向，若相鄰兩磁疇的磁化方向恰好相反，則其之間的疇壁即為180度疇壁。b、易磁化方向相互垂直或近乎垂直，相鄰磁疇的磁化方向可能也是近乎“垂直”的，這樣的疇壁稱為90度疇壁。決定磁

40、疇結構的因素退磁化能磁各向異性 實際鐵磁體中磁矩方向不能任意選取磁致伸縮效應 疇壁能簡單介紹2）、按疇壁中磁矩轉向的方式： a、布洛赫（Bloch）壁： 磁矩過渡方式始終保持平行于疇壁平面 在疇壁面上無自由磁極出現，故疇壁上不會產生磁極，也能保持退磁場能極小，但晶體上下表面卻會出現磁極。但對大塊晶體材料而言，因尺寸大，表面退磁場能極小。 b、奈爾（Neel）壁 在很薄的材料中，疇壁中磁矩平行于薄膜表面逐漸過渡。 疇壁兩側表面會出現磁極而產生退磁場，只有當奈爾壁厚度遠大于薄膜厚度時，退磁化能較小。故奈爾壁穩定程度與薄膜厚度有關。磁疇壁中原子自旋方向逐漸旋轉，經過幾百原子間距后磁矩旋轉了180。相

41、鄰原子自旋之間的相互作用力對二者之間的相對旋轉并沒有多大貢獻。 4. Bloch疇壁的厚度及疇壁能Fe: 疇壁厚度約為70nm，230個原子層疇壁厚度是交互作用能與各向異性能之間的一個折衷前者需要較大的疇壁厚度，而后者則希望疇壁厚度小一些。最佳（平衡）疇壁厚度應使兩種能量之和最小，即疇壁總勢能最小。 Uwall最小時，疇壁厚度交互作用各項異性作用交互作用能、磁晶體各向異性能K和飽和磁滯伸縮系數sat MaterialCrystalEex kTC (meV)EasyHardK(mJ cm3)sat( 106 )FeBCC90; cube edge; cube diagonal4820 10020

42、 111CoHCP120/ to c axis to c axis450NiFCC50; cube diagonal; cube edge546 10024 1115. Bloch疇壁的運動當磁疇壁向位錯靠近時，張應變和壓應變相互抵消，結果晶格不再受力因此具有較小的應變能，這種能量最低的穩定排列使磁疇邊界靠近位錯。雜質對疇壁的“釘扎”效應 當磁疇壁與雜質相交并且雜質周圍有兩個相鄰的磁疇那么靜磁能將會減小 疇壁運動的整個運動過程是不可逆的，而且運動中能量以熱量的形式釋放到晶體中。 壓應變位錯對張應變疇壁的吸引封閉疇 樣品端面上出現了三角形磁疇，封閉了主疇的兩端。 形成機制： 前面討論片狀磁疇磁疇

43、時涉及到表面出現了交替磁極。可以設想這些磁極的附近會產生局部磁場（如圖）使這些區域發生新的磁化，磁化的方向在局部磁場方向，這樣就形成了封閉疇。DDD/2D/2NNS退磁場能為零。但同時增加了封閉疇的磁晶各向異性能。均勻鐵磁體的磁疇結構介紹樹枝狀疇 在一些立方單晶材料的表面，有時會出現從疇壁界線出發，向兩邊主疇作斜線伸展的一種附加疇樹枝狀疇。產生原因： 兩個主疇的Ms與樣品表面不平行，有一微小的傾角，這樣在表面就會出現磁極，使接近表面區產生退磁場，引起此區域的橫向磁化。為了降低表面退磁場能，則須在晶體表面形成樹狀的表面精細疇。（原因與封閉疇相似） 區域附加疇與主疇間的Ms 互相垂直，故其中間為900壁。NNSSAB樹狀磁疇為降低晶體表面總的退磁場能，在晶體表面出現各種各樣的表面精細疇結構或附加次級疇。表面疇介紹 在同一晶粒內，各磁疇的磁化方向有一定關系，但在不同晶粒之間由于易磁化軸方向的不同，磁疇的磁化方向就沒有一定的關系。就整塊材料而言，磁疇有各種方向，材料對外顯示各向同性。 多晶體