第一講 固體的磁性

1、固體的磁性固體的磁性 一般論述一般論述 固體的抗磁性固體的抗磁性 固體的順磁性固體的順磁性 電子順磁共振電子順磁共振 鐵磁性和分子場理論鐵磁性和分子場理論 交換互作用交換互作用 自旋波自旋波 反鐵磁性和亞鐵磁性反鐵磁性和亞鐵磁性B. Gleich, et al., Nature 435, 1214 (2005)MFH應(yīng)用于腫瘤等疾病的無創(chuàng)治療原理簡應(yīng)用于腫瘤等疾病的無創(chuàng)治療原理簡圖圖MFH（magnetic fluid hyperthermia 磁流體熱療）磁流體熱療） 有關(guān)磁學(xué)的有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎物理學(xué)獎(I) 1902 塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng) P. Zeeman, H. A. Lore

2、ntz 1943 斯特恩斯特恩-蓋拉赫實驗蓋拉赫實驗 發(fā)展分子束方法并測出質(zhì)子磁矩發(fā)展分子束方法并測出質(zhì)子磁矩 O. Stern, W.Gerlach有關(guān)磁學(xué)的有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎物理學(xué)獎(II) 1944 分子束核磁共振分子束核磁共振方法測定核磁矩方法測定核磁矩 I. I. Rabi 1952 凝聚態(tài)物質(zhì)的核磁共凝聚態(tài)物質(zhì)的核磁共振測量方法振測量方法 F. Bloch, E. M. Purcell有關(guān)磁學(xué)的有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎物理學(xué)獎(III) 1966 光磁共振方法光磁共振方法 A. Kastler 1955 測定電子磁矩測定電子磁矩 P. Kusch 2007 巨磁阻效應(yīng)

3、巨磁阻效應(yīng)(GMR) Peter Grnberg , Albert Fert 有關(guān)磁學(xué)的有關(guān)磁學(xué)的Nobel物理學(xué)獎物理學(xué)獎(IV) 1970 磁流體力學(xué)磁流體力學(xué) H. O. G. Alfven 反鐵磁性與鐵氧體反鐵磁性與鐵氧體 L. E. F. Neel1 一般論述一般論述1.1 固體的磁化率固體的磁化率 (susceptibility) 真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率 磁化強度矢量磁化強度矢量 磁化率磁化率 相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率物質(zhì)磁性分類物質(zhì)磁性分類1.2 物質(zhì)磁性分類物質(zhì)磁性分類 按物質(zhì)在外場中表現(xiàn)的特性按物質(zhì)在外場中表現(xiàn)的特性 按化學(xué)成分按化學(xué)成分 按物理方法按物理方法按物質(zhì)在外場中表現(xiàn)的特

4、性分類按物質(zhì)在外場中表現(xiàn)的特性分類（磁化率的大小及正負(fù)）（磁化率的大小及正負(fù)） 順磁性材料順磁性材料 弱磁性物質(zhì)弱磁性物質(zhì) 抗磁性材料抗磁性材料 鐵磁性材料鐵磁性材料 - 強磁性物質(zhì)（磁性材料）強磁性物質(zhì)（磁性材料）磁性材料磁性材料 軟磁性材料（剩磁較小）軟磁性材料（剩磁較?。?剩磁弱，易去磁，適于反復(fù)磁化的場合剩磁弱，易去磁，適于反復(fù)磁化的場合例如：半導(dǎo)體收音機天線磁棒，錄音機磁例如：半導(dǎo)體收音機天線磁棒，錄音機磁 頭，頭，電腦記憶元件，變壓器，交流發(fā)電機，電磁電腦記憶元件，變壓器，交流發(fā)電機，電磁鐵，各種高頻元件的鐵芯等鐵，各種高頻元件的鐵芯等 硬磁性材料（剩磁較大）硬磁性材料（剩磁較大）

5、 剩磁強，不易退磁，可制成永磁鐵剩磁強，不易退磁，可制成永磁鐵例如：磁電式儀表，揚聲器，話筒，永磁電機例如：磁電式儀表，揚聲器，話筒，永磁電機等電器設(shè)備等電器設(shè)備按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類 軟磁：軟鐵、硅鋼、鎳鐵合金軟磁：軟鐵、硅鋼、鎳鐵合金 金屬磁性材料金屬磁性材料 硬磁：碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金硬磁：碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金 鐵氧體鐵氧體 鐵氧體鐵氧體大致可分成大致可分成3 3類類: : 第第1 1類在移去外磁場后很快消退磁化，被稱為軟類在移去外磁場后很快消退磁化，被稱為軟磁體，如磁體，如(Mn(Mn、Zn)FeZn)Fe2 2O O4 4 、(Ni(Ni、Zn)FeZn)Fe2 2O O4

6、 4，被用于，被用于制作變壓器的鐵芯或馬達等；制作變壓器的鐵芯或馬達等； 第第3 3類則為殘留磁化大，磁性不易消失的永久磁類則為殘留磁化大，磁性不易消失的永久磁鐵，又稱硬磁體如鐵，又稱硬磁體如CoCo0.750.75FeFe2.252.25O O4 4； 第第2 2類則介乎二者之間，稱為矩形磁體，如類則介乎二者之間，稱為矩形磁體，如(Mn(Mn、Mg)FeMg)Fe2 2O O4 4 、CoFeCoFe2 2O O4 4 ，用于電子計算機的存儲，用于電子計算機的存儲元件。元件。 鐵氧體最主要的有尖晶石型、石榴石型和磁鉛石鐵氧體最主要的有尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型等。型等。 尖晶石是指以尖晶石

7、是指以MgAl2O4為典型代表的結(jié)構(gòu)類型。為典型代表的結(jié)構(gòu)類型。如用如用Fe取代取代Al3+，便得尖晶石鐵氧體，通式為，便得尖晶石鐵氧體，通式為MFe2O4，M=Mg2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+等。等。 石榴石結(jié)構(gòu)型起名于礦物石榴石，具通式石榴石結(jié)構(gòu)型起名于礦物石榴石，具通式A3B2(SiO4)3，A= Mg2+、Fe2+、Mn2+等，等，B= Al3+、Fe2+、Cr3+等。該系礦物種類繁多。具有磁性的鐵石榴石可用等。該系礦物種類繁多。具有磁性的鐵石榴石可用通式通式M3Fe5O12，表示，表示，M=Y3+、Ln3+等，鐵為等，鐵為Fe3+。 磁鉛石是第磁鉛

8、石是第3類鐵氧體，以類鐵氧體，以MFe12O19為通式，為通式，M=Ba、Sr等。它們是尖晶石結(jié)構(gòu)的超構(gòu)，具六方對稱等。它們是尖晶石結(jié)構(gòu)的超構(gòu)，具六方對稱性。磁鉛石的陽離子可被多種金屬離子取代，為磁記錄性。磁鉛石的陽離子可被多種金屬離子取代，為磁記錄材料。材料。 按物理方法分類按物理方法分類 抗磁體抗磁體 順磁體順磁體 鐵磁體鐵磁體 反鐵磁體和亞鐵磁體反鐵磁體和亞鐵磁體抗磁體抗磁體 經(jīng)典抗磁體經(jīng)典抗磁體 “反常反常”抗磁抗磁體體 超導(dǎo)體超導(dǎo)體 0 |很小很小10-5 與外磁場大小無關(guān)與外磁場大小無關(guān) 與溫度無關(guān)與溫度無關(guān) 所有原子（離子）都沒有所有原子（離子）都沒有固有磁矩固有磁矩 0 |很小

9、很小 10-4-10-3 依賴于外磁場依賴于外磁場 服從服從Curie law 含含F(xiàn)e、Co、Ni離子的鹽類；離子的鹽類； 鐵磁金屬在溫鐵磁金屬在溫度高于鐵磁居度高于鐵磁居里溫度時里溫度時本質(zhì)特征：材料內(nèi)含有濃度可觀的因不滿原子殼層而具有固本質(zhì)特征：材料內(nèi)含有濃度可觀的因不滿原子殼層而具有固有磁矩的離子有磁矩的離子大多數(shù)金屬，例如堿金屬大多數(shù)金屬，例如堿金屬 10-6Table .1鐵磁體鐵磁體 0 |很大，約為順磁體的很大，約為順磁體的 105-106 依賴于外磁場依賴于外磁場Fe、Co、Ni本質(zhì)：不滿的本質(zhì)：不滿的3d殼層引起固有磁矩，相鄰原子間殼層引起固有磁矩，相鄰原子間的量子力學(xué)互作

10、用使得各原子的固有磁矩趨于的量子力學(xué)互作用使得各原子的固有磁矩趨于平行排列，導(dǎo)致了鐵磁性平行排列，導(dǎo)致了鐵磁性Table .1Table .2反鐵磁體反鐵磁體 在某些場合，原子間的互作用量子力使得在某些場合，原子間的互作用量子力使得相鄰離子（原子）的磁矩方向相反，導(dǎo)致相鄰離子（原子）的磁矩方向相反，導(dǎo)致總的不表現(xiàn)出磁性?？偟牟槐憩F(xiàn)出磁性。 在外場下，表現(xiàn)為特有的順磁性，并有顯在外場下，表現(xiàn)為特有的順磁性，并有顯著的各向異性。著的各向異性。 多為過渡金屬的化合物，多為過渡金屬的化合物，CrCl2、MnO、NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等等亞鐵磁體亞鐵磁體 固體中含有兩種大小不等的固

11、有磁矩的離固體中含有兩種大小不等的固有磁矩的離子（原子），而這些離子（原子）間的量子（原子），而這些離子（原子）間的量子作用力使其磁矩方向相反，由于他們的子作用力使其磁矩方向相反，由于他們的M大小不等，結(jié)果仍存在一定的總磁矩。在大小不等，結(jié)果仍存在一定的總磁矩。在此情況下，與鐵磁體類似，也顯現(xiàn)出自發(fā)此情況下，與鐵磁體類似，也顯現(xiàn)出自發(fā)磁化強度。磁化強度。 Fe3O4 (FeOFe2O3) MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、Y3Fe5O4、Gd3Fe5O12等等Fig.1 當(dāng)鐵磁（或亞鐵磁）顆粒的尺寸小于磁疇當(dāng)鐵磁（或亞鐵磁）顆粒的尺寸小于磁疇的最小尺寸時，每個顆粒將只能包含一個的

12、最小尺寸時，每個顆粒將只能包含一個單疇。單疇。 一般磁疇的最小尺寸是微米量級，因此每一般磁疇的最小尺寸是微米量級，因此每個個MNP都是一個單疇，稱為單疇鐵磁。都是一個單疇，稱為單疇鐵磁。 當(dāng)當(dāng)MNP的尺寸足夠小時，熱漲落足以隨機的尺寸足夠小時，熱漲落足以隨機地翻轉(zhuǎn)一個地翻轉(zhuǎn)一個MNP的的M的方向；這被稱為超的方向；這被稱為超順磁，即每個順磁，即每個MNP依然是鐵磁（或亞鐵依然是鐵磁（或亞鐵磁），但是各個磁），但是各個MNP的的M卻像順磁體系中卻像順磁體系中的原子磁矩一樣，受熱漲落的影響隨機排的原子磁矩一樣，受熱漲落的影響隨機排列。列。 超順磁與順磁類似，不存在磁滯現(xiàn)象，也超順磁與順磁類似，不存

13、在磁滯現(xiàn)象，也就不存在磁滯產(chǎn)熱機制。就不存在磁滯產(chǎn)熱機制。 與超順磁直接相關(guān)的磁馳豫機制：與超順磁直接相關(guān)的磁馳豫機制：Nel馳豫，馳豫， 馳豫時間（馳豫時間（N）由）由Nel-Arrhenius公式給出，公式給出， 0：由材料的自旋動力學(xué)決定的本征馳豫時間，：由材料的自旋動力學(xué)決定的本征馳豫時間，又稱又稱“企圖時間企圖時間”（attempting time），其值一），其值一般在般在1010-1012s； Ka：磁各向異性能，它一般包含磁晶和形狀各向：磁各向異性能，它一般包含磁晶和形狀各向異性兩部分；異性兩部分； Vm：磁體積。：磁體積。 0expamNBK Vk T2 固體的抗磁性固體的抗

14、磁性 芯電子的抗磁性芯電子的抗磁性 Langevin 抗磁磁化率抗磁磁化率 自由電子抗磁性自由電子抗磁性 Landau抗磁性抗磁性 de Hass Van Alphen效應(yīng)效應(yīng)Fig.2Fig.3Fig.4Fig.53 固體的順磁性固體的順磁性 原子（離子）的磁性原子（離子）的磁性 Hund定則定則 朗之萬順磁磁化率朗之萬順磁磁化率 自由電子順磁性（自由電子順磁性（Pauli順磁性）順磁性）引起順磁性的主要原因引起順磁性的主要原因 固體中存在具有固有磁矩的順磁離子固體中存在具有固有磁矩的順磁離子 固體中自由電子的自旋磁矩固體中自由電子的自旋磁矩 固體中存在束縛于缺陷或雜質(zhì)上的單個電固體中存在束

15、縛于缺陷或雜質(zhì)上的單個電子的自旋磁矩子的自旋磁矩 上述固有磁矩在外場中的轉(zhuǎn)向上述固有磁矩在外場中的轉(zhuǎn)向順磁性順磁性Fig. 6Fig. 7Hund定則定則 滿足滿足Pauli原理的條件下，原子自旋量子數(shù)原理的條件下，原子自旋量子數(shù)S取最大值取最大值 滿足滿足Pauli原理的條件下，原理的條件下，S取最大值的各取最大值的各狀態(tài)中，原子軌道角動量量子數(shù)狀態(tài)中，原子軌道角動量量子數(shù)L也取最大也取最大值值 若殼層內(nèi)電子數(shù)不到半滿，則若殼層內(nèi)電子數(shù)不到半滿，則J=|L-S|；若；若超過半滿，則超過半滿，則J=|L+S|Table .3Table .4Fig.8Table .5Fig.94 電子順磁共振電

16、子順磁共振 共振原理共振原理 弛豫時間弛豫時間 超精細(xì)互作用及應(yīng)用超精細(xì)互作用及應(yīng)用Fig. 10 Fig.11弛豫時間弛豫時間 自旋自旋-晶格弛豫時間晶格弛豫時間 高能級上電子通過與晶格原子相互作用，激發(fā)晶格振動，高能級上電子通過與晶格原子相互作用，激發(fā)晶格振動，把能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽约河筛吣芗壔貜?fù)到低能級。這一把能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而自己由高能級回?fù)到低能級。這一作用越強，恢復(fù)到熱平衡所需時間越短。作用越強，恢復(fù)到熱平衡所需時間越短。 自旋自旋-自旋弛豫時間自旋弛豫時間 順磁離子磁矩（或雜質(zhì)、缺陷束縛的單電子自旋磁矩）所順磁離子磁矩（或雜質(zhì)、缺陷束縛的單電子自旋磁矩）所受的臨近磁矩的相互影響，

17、特別是晶體原子核磁矩的影響。受的臨近磁矩的相互影響，特別是晶體原子核磁矩的影響。該磁矩間互作用的時間稱為自旋該磁矩間互作用的時間稱為自旋-自旋弛豫時間自旋弛豫時間。 縱向弛豫時間和橫向弛豫時間縱向弛豫時間和橫向弛豫時間 Fig.12Fig.13Fig.14超精細(xì)互作用及應(yīng)用超精細(xì)互作用及應(yīng)用 超精細(xì)互作用超精細(xì)互作用 順磁體中順磁離子磁矩與原子核磁矩發(fā)順磁體中順磁離子磁矩與原子核磁矩發(fā)生的相互作用生的相互作用 超精細(xì)結(jié)構(gòu)超精細(xì)結(jié)構(gòu) 可用來研究雜質(zhì)或缺陷的結(jié)構(gòu)及電子狀態(tài)可用來研究雜質(zhì)或缺陷的結(jié)構(gòu)及電子狀態(tài) Fig.155 鐵磁性和分子場理論鐵磁性和分子場理論 鐵磁性鐵磁性 磁滯回線磁滯回線 磁疇

18、磁疇 分子場理論分子場理論Fig.16 鐵磁體中，具有固有磁矩的離子間存在著一鐵磁體中，具有固有磁矩的離子間存在著一種量子作用力（交換力），使得離子的固有種量子作用力（交換力），使得離子的固有磁矩都趨向一致。所以即使沒有外磁場，也磁矩都趨向一致。所以即使沒有外磁場，也有磁化強度存在，稱為自發(fā)磁化強度。有磁化強度存在，稱為自發(fā)磁化強度。 在單晶的鐵磁體內(nèi)，有很多的小區(qū)域。其中在單晶的鐵磁體內(nèi)，有很多的小區(qū)域。其中所有離子（原子）的固有磁矩排列一致，而所有離子（原子）的固有磁矩排列一致，而不同區(qū)域的磁矩方向不同，這樣的區(qū)域稱為不同區(qū)域的磁矩方向不同，這樣的區(qū)域稱為磁疇。磁疇。分子場分子場 鐵磁性的

19、特點：鐵磁性的特點： 鐵磁體內(nèi)不僅有固有的原子磁矩，而且各鐵磁體內(nèi)不僅有固有的原子磁矩，而且各個原子（離子）之間還存在著一種特殊的個原子（離子）之間還存在著一種特殊的量子作用力，使得各個固有原子（離子）量子作用力，使得各個固有原子（離子）磁矩的方向相互一致，從而引起宏觀的自磁矩的方向相互一致，從而引起宏觀的自發(fā)磁化強度。發(fā)磁化強度。 若把這種特殊的作用力看成一種內(nèi)部磁場，若把這種特殊的作用力看成一種內(nèi)部磁場，可以稱之為分子場或內(nèi)場。可以稱之為分子場或內(nèi)場。Fig.17Fig.18Table .26 交換相互作用交換相互作用 直接交換作用模型（直接交換作用模型（Heisenburg交換模型）交換

20、模型）- 局域電子模型局域電子模型 氫分子的交換能氫分子的交換能 間接交換和超交換作用間接交換和超交換作用 巡游電子模型（能帶模型）巡游電子模型（能帶模型） 鐵的強鐵磁性系統(tǒng)鐵的強鐵磁性系統(tǒng) 1928年，年，Heisenburg 提出近鄰原子間的直接交換作用，它直接提出近鄰原子間的直接交換作用，它直接與與Pauli不相容原理相聯(lián)系，指出了不相容原理相聯(lián)系，指出了Weiss分子場的實質(zhì)。分子場的實質(zhì)。 所以直接交換作用模型常稱為所以直接交換作用模型常稱為Heisenburg交換模型。交換模型。 因為參與交換作用的電子是局域在原子附因為參與交換作用的電子是局域在原子附近，又稱為局域電子模型近，又稱

21、為局域電子模型Fig. 20 直接交換作用：直接交換作用： 當(dāng)當(dāng)2個電子波函數(shù)交疊時才存在。個電子波函數(shù)交疊時才存在。 適用于過渡金屬適用于過渡金屬3d電子電子 間接交換作用：間接交換作用： 2個磁性離子磁矩通過傳導(dǎo)電子（個磁性離子磁矩通過傳導(dǎo)電子（5s、5p）為中介）為中介而發(fā)生相互作用。而發(fā)生相互作用。 適用于磁性離子適用于磁性離子4f電子電子 形式：形式：s-f，s-d，d-d，d-f電子間的間接交換作用電子間的間接交換作用 超交換作用：超交換作用： 2個磁性離子的自旋通過負(fù)離子氧的中介而發(fā)生相個磁性離子的自旋通過負(fù)離子氧的中介而發(fā)生相互作用。互作用。 適用于鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性的

22、絕緣體。適用于鐵磁性、反鐵磁性或亞鐵磁性的絕緣體。巡游電子模型（能帶模型）巡游電子模型（能帶模型） 按照能帶理論：按照能帶理論： 各原子殼層的電子都形成能帶各原子殼層的電子都形成能帶 處于最外層的價電子能帶較寬，相應(yīng)態(tài)密度處于最外層的價電子能帶較寬，相應(yīng)態(tài)密度較小較小 內(nèi)殼層內(nèi)殼層3d或或4f電子的能帶較窄，相應(yīng)態(tài)密度電子的能帶較窄，相應(yīng)態(tài)密度較大較大Fig. 21Fig. 22 Fig. 23鐵的強鐵磁性系統(tǒng)鐵的強鐵磁性系統(tǒng) 鐵原子內(nèi)部有強交換作用鐵原子內(nèi)部有強交換作用 使使3d能帶分裂，上自旋能帶能級下降，形能帶分裂，上自旋能帶能級下降，形成原子的定域磁矩。成原子的定域磁矩。 3d電子中有

23、小部分（電子中有小部分（5%）形成巡游電子，）形成巡游電子，它們在定域磁矩作用下極化，并使原子間它們在定域磁矩作用下極化，并使原子間形成自發(fā)磁化。形成自發(fā)磁化。 s電子對鐵磁性作用很小。電子對鐵磁性作用很小。7 自旋波自旋波 定義定義 在絕對零度下，鐵磁體的基態(tài)是所有自旋均沿同在絕對零度下，鐵磁體的基態(tài)是所有自旋均沿同一方向排列并形成飽和磁化強度一方向排列并形成飽和磁化強度Mso狀態(tài)；在有狀態(tài)；在有限溫度下，鐵磁體中個別自旋磁矩方向因漲落而限溫度下，鐵磁體中個別自旋磁矩方向因漲落而與磁化強度方向偏離，由此會受到磁化強度的作與磁化強度方向偏離，由此會受到磁化強度的作用，產(chǎn)生進動。因為晶體中各個自旋磁矩與其鄰用，產(chǎn)生進動。因為晶體中各個自旋磁矩與其鄰近的自旋磁矩間存在交換作用，所以自旋的進動近的自旋磁矩間存在交換作用，所以自旋的進動狀態(tài)不會只局限于這一個自旋上，可在晶體中傳狀態(tài)不會只局限于這一個自旋上