磁性材料課件

磁性材料——古老而年輕的功能材料磁性材料——古老而年輕的功能材料1磁性材料是最早被人類認(rèn)識(shí)和利用的功能材料，伴隨了人類文明的發(fā)展。人類對(duì)于磁性材料的最初認(rèn)識(shí)源于天然磁石。公元前三世紀(jì)《管子》：“上有慈石者，下有銅金?！薄秴问洗呵铩肪啪砭ㄆ骸按日需F，或引之也。”在西方，據(jù)傳說(shuō)，磁性首先是被一個(gè)牧羊人發(fā)現(xiàn)的。他注意到他的木棍的鐵端，被一塊石頭所吸引。這種石塊在小亞細(xì)亞(AsiaMinor)、馬其頓的Magnesia地區(qū)以及愛奧尼亞的Magnesia城都被發(fā)現(xiàn)過(guò)。人們相信“Magnetism”一字就是來(lái)源于這些地名。磁性是自然科學(xué)史上最古老的現(xiàn)象之一磁鐵礦(Fe3O4)或磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)磁性材料是最早被人類認(rèn)識(shí)和利用的功能材料，伴隨了人類文明的2磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史——古老而年輕的功能材料?指南針?1086年?1119年??18世紀(jì)??

?1907年?1928年?1931年?1933年?1935年?1935年司馬遷《史記》描述黃帝作戰(zhàn)用宋朝沈括《夢(mèng)溪筆談》指南針的制造方法等宋朝朱或《萍洲可談》

羅盤，用于航海的記載W.Gilbert

《DeMagnete》磁石，最早的著作奧斯特 電流產(chǎn)生磁場(chǎng)法拉弟效應(yīng)

在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流安培定律 構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ),

開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)P.

Weiss的磁疇和分子場(chǎng)假說(shuō)海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場(chǎng)起源Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體Landau和Lifshitz考慮退磁場(chǎng),

理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史——古老而年輕的功能材料?指南針?10863磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史（續(xù)）4

1946年

Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)4

1948年

Neel建立亜鐵磁理論4

1954-1957年

RKKY相互作用的建立4

1958年

M?ssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)4

1960年

非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言4

1965年

Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金4

1970年

SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)4

1982年

掃描隧道顯微鏡,Brining和Rohrer,(1986年,AFM

)4

1984年

NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)

Sagawa(佐川)4

1986年高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller4

1988年巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn)(M.N.Baibich)，法國(guó)Paris-Sud大學(xué)的AlbertFert以及德國(guó)尤里希研究中心的Peter

Grünberg獲

2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)4

1994年

CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO34

1995年隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史（續(xù)）41946年Bioembergen4指南針的鼻祖——司南 地磁場(chǎng)是指南的前提戰(zhàn)國(guó)末年（先秦）《韓非子》：“先王立司南以端朝夕?！睎|漢時(shí)的王充在他的著作《論衡》中對(duì)司南的形狀和用法做了明確的記錄。指南針——磁性材料的最早應(yīng)用指南針——中國(guó)古代四大發(fā)明之一指南針的鼻祖——司南 地磁場(chǎng)是指南的前提指南針——磁性材料的5指南針——磁性材料的最早應(yīng)用指南龜北宋，曾公亮《武經(jīng)總要》：“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無(wú)風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也?！保ɡ玫卮艌?chǎng)人工磁化）北宋，沈括《夢(mèng)溪筆談》：“方家以磁石摩針鋒，則能指南?！敝改萧~人工磁化方法的發(fā)明，對(duì)指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用。指南針——磁性材料的最早應(yīng)用指南龜北宋，曾公亮《武經(jīng)總要》：6IBM硬盤的發(fā)展關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁存儲(chǔ)技術(shù)IBM硬盤的發(fā)展關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁存儲(chǔ)技術(shù)7關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁力線與磁極粉紋法演示磁力線分布?磁極之間同性相斥、異性相吸?磁鐵不論大小，都有唯一的N極和S極。關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁力線與磁極粉紋法演示磁力線分布8磁學(xué)初步認(rèn)識(shí)：?奧斯特實(shí)驗(yàn)：電流與磁場(chǎng)的相互作用；?螺線管與磁體的等效安培分子電流學(xué)說(shuō)：組成磁鐵的每個(gè)分子都具有一個(gè)小的分子電流，經(jīng)過(guò)磁化的磁鐵其小分子電流都定向規(guī)則排列。磁學(xué)初步認(rèn)識(shí)：?奧斯特實(shí)驗(yàn)：電流與磁場(chǎng)的相互作用；?螺線9現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)的磁性來(lái)源于組成物質(zhì)中原子的磁性：1原子中外層電子的軌道磁矩2電子的自旋磁矩3原子核的核磁矩（原子核的磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)，一般情況下可忽略不計(jì)。）原子的總磁矩應(yīng)是按照原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)規(guī)律將原子中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來(lái)的合磁矩。（洪德法則）磁性是物質(zhì)的基本屬性！現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)的磁性來(lái)源于組成物質(zhì)中原子的磁性：1原子中10磁學(xué)基本概念：磁場(chǎng)強(qiáng)度：指空間某處磁場(chǎng)的大小，用H表示，它的單位是安/米（A/m）。磁化強(qiáng)度：指材料內(nèi)部單位體積的磁矩矢量和，用M表示，單位是安/米（A/m）。磁化率：物體在磁場(chǎng)中被磁化的程度與磁化場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)，其關(guān)系為M=

χ

H，χ即為磁化率。磁感應(yīng)強(qiáng)度：

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義是：B=μ0(H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，μ0是一個(gè)系數(shù)，叫做真空導(dǎo)磁率。磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度，單位是特（T）。磁導(dǎo)率：磁導(dǎo)率的定義是μ=B/H，是磁化曲線上任意一點(diǎn)上B和H的比值。磁導(dǎo)率實(shí)際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說(shuō)是材料對(duì)外部磁場(chǎng)的靈敏程度。磁學(xué)基本概念：磁場(chǎng)強(qiáng)度：指空間某處磁場(chǎng)的大小，用H表示，它的11物質(zhì)磁性:物質(zhì)放入磁場(chǎng)中會(huì)表現(xiàn)出不同的磁學(xué)特性，稱為物質(zhì)的磁性。物質(zhì)磁性:物質(zhì)放入磁場(chǎng)中會(huì)表現(xiàn)出不同的磁學(xué)特性，稱為物質(zhì)的磁12u為了方便研究物質(zhì)磁性的起因，我們可以按其在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)把物質(zhì)進(jìn)行分類，

例如依據(jù)磁化率的正負(fù)、大小及其與溫度的關(guān)系來(lái)進(jìn)行分類，分類是否科學(xué)取決于是否反映了內(nèi)在磁性機(jī)理上的不同。隨著研究的深入，分類也在不斷完善和細(xì)化，到上個(gè)世紀(jì)

70年代為止，在晶狀固體里，共發(fā)現(xiàn)了五種主要類型的磁結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它們的形成機(jī)理和宏觀特征各不相同，對(duì)它們的成功解釋形成了今天的磁性物理學(xué)核心內(nèi)容。u上世紀(jì)

70年代以后，隨著非晶材料和納米材料的興起，又發(fā)現(xiàn)了一些新的磁性類型，對(duì)它們的研究尚在深化之中，課程只做初步介紹。一.

物質(zhì)磁性的分類u為了方便研究物質(zhì)磁性的起因，我們可以按其在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)把13根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性分為五類：1、抗磁性，χ為甚小的負(fù)數(shù)（大約在-10-6量級(jí)），在磁場(chǎng)中受微弱的斥力，如金、銀

。2、順磁性，χ為正數(shù)（大約在10-3~10-6量級(jí)）在磁場(chǎng)中受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。3、鐵磁性，χ為很大的正數(shù)，在較弱磁場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，如鐵、鈷、鎳。4、亞鐵磁性，χ處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說(shuō)的磁鐵礦、鐵氧體等。5、反鐵磁性，

χ為小正數(shù)，高于某一溫度時(shí)其行為與順磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場(chǎng)的取向有關(guān)。根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性分為五類：1、抗磁性，χ為14u這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為負(fù)值且絕對(duì)值很小，顯示抗磁性的物質(zhì)在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)反向，在不均勻的磁場(chǎng)中被推向磁場(chǎng)減小的方向，所以又稱逆磁性。典型抗磁性物質(zhì)的磁化率是常數(shù)，不隨溫度、磁場(chǎng)而變化。有少數(shù)的反常。u深入研究發(fā)現(xiàn)，典型抗磁性是軌道電子在外磁場(chǎng)中受到電磁作用而產(chǎn)生的，因而所有物質(zhì)都具有的一定的抗磁性，但只是在構(gòu)成原子（離子）或分子的磁距為零，不存在其它磁性的物質(zhì)中，

才會(huì)在外磁場(chǎng)中顯示出這種抗磁性。在外場(chǎng)中顯示抗磁性的物質(zhì)稱作抗磁性物質(zhì)。除了軌道電子的抗磁性外，傳導(dǎo)電子也具有一定的抗磁性，并造成反常。c

<

0,

c <<

11.抗磁性（Diamagnetism)u這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的一類弱磁性。它的最基15自然界中很多物質(zhì)都是抗磁性物質(zhì)：周期表中三分之一的元素、絕大多數(shù)的有機(jī)材料和生物材料都是抗磁性物質(zhì)。包括：稀有氣體：He,Ne,

Ar,Kr,

Xe多數(shù)非金屬和少數(shù)金屬：Si,Ge,S,P,Cu,

Ag,

Au不含過(guò)渡族元素的離子晶體：NaCl,KBr不含過(guò)渡族元素的共價(jià)鍵化合物：H2,CO2,CH4等幾乎所有的有機(jī)化合物和生物組織：水；反?？勾判晕镔|(zhì)：Bi,Ga,Zn,

Pb,

磁化率與磁場(chǎng)、溫度有關(guān)。廣義地說(shuō)，超導(dǎo)體也是一種抗磁性物質(zhì)，

c

=

-1

，它的機(jī)理完全不同，不在我們討論之內(nèi)。自然界中很多物質(zhì)都是抗磁性物質(zhì)：周期表中三分之一的元素、絕大16-1.9-7.2-19.4-28.0-43CGS單位制克分子磁化率Kittel

書數(shù)據(jù)（2002）它們的電子殼層都是滿殼層，所以原子磁矩為零。在CGS單位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3·mol-1。統(tǒng)一換成體積磁化率的數(shù)值，量級(jí)是10-6。換成

SI單位制下應(yīng)乘以4π，量級(jí)在10-5。ρ n0.205 41.51 20.181.77 39.953.09 83.803.78 131.30.0970.430.851.031.24c體積磁化率×10-6-1.9-28.0-43CGS單位制克分子磁化率Kittel17——見馮索夫斯基《現(xiàn)代磁學(xué)》(1953)p74一些抗磁性金屬在20℃時(shí)的克分子磁化率（CGS單位）：(10-6

)(10-6

)——見馮索夫斯基《現(xiàn)代磁學(xué)》(1953)p74一些抗磁性金18這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的另一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為正值且數(shù)值很小。1

>>

c

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0

順磁性物質(zhì)的磁化率是溫度的函數(shù)，一部分服從居里定律，更多的服從居里-外斯（Curie-Weiss)定律。c

=

CTc

=

C

或：c

=

C

T

-

Tp T

+

TpC

稱作居里常數(shù)，Tp

稱作居里順磁溫度服從居里-外斯定律的物質(zhì)都是在某一個(gè)溫度之上才顯示順磁性，這個(gè)溫度之下，表現(xiàn)為其它性質(zhì)。典型順磁性物質(zhì)的基本特點(diǎn)是含有具有未滿殼層的原子（或離子），具有一定的磁矩，是無(wú)規(guī)分布的原子磁矩在外磁場(chǎng)中的取向產(chǎn)生了順磁性。此外，傳導(dǎo)電子也具有一定的順磁性。2. 順磁性（Paramagnetism）這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的另一類弱磁性。它的最基19順磁性物質(zhì)也很多，常見的順磁性物質(zhì)：過(guò)渡族元素、稀土元素和錒系元素金屬：Mn,Cr,

W,La,Nd,

Pt,Pa含有以上元素的化合物：MnSO4,

FeCl3,FeSO4,Gd2O3,堿金屬和堿土金屬：Li,Na,

K,Ru,Cs,

Mg,Ca,Sr,Ba包含有奇數(shù)個(gè)電子的原子或分子：HCl,NO,有機(jī)化合物中的自由基少數(shù)含有偶數(shù)個(gè)電子的化合物：O2,有機(jī)物中的雙自由基等順磁性物質(zhì)也很多，常見的順磁性物質(zhì)：過(guò)渡族元素、稀土元素和20這是人類最早發(fā)現(xiàn)并利用的強(qiáng)磁性，它的主要特征是：1. 磁化率數(shù)值很大。2.

磁化率數(shù)值是溫度和磁場(chǎng)的函數(shù)；3.

存在磁性轉(zhuǎn)變的特征溫度——居里溫度，溫度低于居里溫度時(shí)呈鐵磁性，高于居里溫度時(shí)表現(xiàn)為順磁性，其磁化率溫度關(guān)系服從居里-外斯定律。4.

在居里溫度附近出現(xiàn)比熱等性質(zhì)的反常。5.

磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)H之間不是單值函數(shù)，存在磁滯效應(yīng)。構(gòu)成這類物質(zhì)的原子也有一定的磁矩，但宏觀表現(xiàn)卻完全不同于順磁性，解釋鐵磁性的成因已成為對(duì)人類智力的最大挑戰(zhàn)，雖然經(jīng)過(guò)近100年的努力已經(jīng)有了比較成功的理論，但仍有很多問題有待后人去解決。c

>>

0T

-

TpCc

=c

?

100

: 1053.鐵磁性（Ferromagnetism)這是人類最早發(fā)現(xiàn)并利用的強(qiáng)磁性，它的主要特征是：1. 磁化率21表現(xiàn)為鐵磁性的元素物質(zhì)只有以下幾種：一些過(guò)渡族元素和稀土元素金屬：室溫以上，只有4種元素是鐵磁性的。但以上面元素為主構(gòu)成的鐵磁性合金和化合物是很多的，它們構(gòu)成了磁性材料的主體，在技術(shù)上有著重要作用，例如：Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO, GdCl3,Nd-Fe-B表現(xiàn)為鐵磁性的元素物質(zhì)只有以下幾種：一些過(guò)渡族元素和稀土元素22見Kittel固體物理學(xué)8版p227，姜書p52也有此數(shù)據(jù)，稍有差別。見Kittel固體物理學(xué)8版p227，姜書p52也有此數(shù)據(jù)231938年發(fā)現(xiàn)，1949年被中子實(shí)驗(yàn)證實(shí)的，它的基本特征是存在一個(gè)磁性轉(zhuǎn)變溫度，在此點(diǎn)磁化率溫度關(guān)系出現(xiàn)峰值。4.反反鐵磁性是1936年首先由法國(guó)科學(xué)家Neel從理論上預(yù)言、（antuferromagnetism)1938年發(fā)現(xiàn)，1949年被中子實(shí)驗(yàn)證實(shí)的，它的基本特征是存24文獻(xiàn)中也繪成磁化率倒數(shù)和溫度關(guān)系的：（見應(yīng)用磁學(xué)P9）1cT

(K

)鐵磁性TC低溫下表現(xiàn)為反鐵磁性的物質(zhì)，超過(guò)磁性轉(zhuǎn)變溫度（一般稱作Neel溫度）后變?yōu)轫槾判缘?，其磁化率溫度關(guān)系服從居里-外斯定律注意與鐵磁性的區(qū)別?。篶

=T

+

TpC磁化率表現(xiàn)復(fù)雜TpTp

?

TC文獻(xiàn)中也繪成磁化率倒數(shù)和溫度關(guān)系的：（見應(yīng)用磁學(xué)P9）T(25反鐵磁物質(zhì)主要是一些過(guò)渡族元素的氧化物、鹵化物、硫化物，

如：FeO,MnO,NiO, CoO,

Cr2O3

FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS右圖是1938年測(cè)到的MnO磁化率溫度曲線，它是被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反鐵磁物質(zhì)，轉(zhuǎn)變溫度

122K。反鐵磁物質(zhì)主要是一些過(guò)渡族元素的氧化物、鹵化物、硫化物，26該表取自Kittel書2005中文版p236，從中看出反鐵磁物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度一般都很低，只能在低溫下才觀察到反鐵磁性。該表取自Kittel書2005中文版p236，從中看出反鐵27人類最早發(fā)現(xiàn)和利用的強(qiáng)磁性物質(zhì)天然磁石Fe3O4就是亞鐵磁性物質(zhì)，上世紀(jì)30～40年代開始在此基礎(chǔ)上人工合成了一些具有亞鐵磁性的氧化物，但其宏觀磁性質(zhì)和鐵磁物質(zhì)相似，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們并未意識(shí)到它的特殊性，1948年

Neel在反鐵磁理論的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了亞鐵磁性理論后，人們才認(rèn)識(shí)到這類物質(zhì)的特殊性，在磁結(jié)構(gòu)的本質(zhì)上它和反鐵磁物質(zhì)相似，但宏觀表現(xiàn)上卻更接近于鐵磁物質(zhì)。對(duì)這類材料的研究和利用克服了金屬鐵磁材料電阻率低的缺點(diǎn)，極大地推動(dòng)了磁性材料在高頻和微波領(lǐng)域中的應(yīng)用，成為今日磁性材料用于信息技術(shù)的主體。5.亞鐵磁性（ferrimagnetism)人類最早發(fā)現(xiàn)和利用的強(qiáng)磁性物質(zhì)天然磁石Fe3O4就是亞鐵磁28鐵磁性和亞鐵磁性宏觀上的區(qū)別：磁化率倒數(shù)和溫度關(guān)系飽和磁化強(qiáng)度溫度關(guān)系亞鐵磁物質(zhì)的磁化率和磁化強(qiáng)度一般比鐵磁物質(zhì)低，但其電阻率一般要高的多。鐵磁性和亞鐵磁性宏觀上的區(qū)別：磁化率倒數(shù)和溫度關(guān)系飽和磁化29亞鐵磁物質(zhì)主要是一些人工合成的含過(guò)渡族元素和稀土元素的某些特定結(jié)構(gòu)的氧化物，例如：尖晶石結(jié)構(gòu)：Fe3O4, MnFe2O4,CoFe2O4

石榴石結(jié)構(gòu)：A3Fe5O12, (A=Y,

Sm,

Gd,

Dy,Ho,Er,Yb )磁鉛石結(jié)構(gòu)：BaFe12O19,PbFe12O19, SrFe12O19,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：LaFeO3,亞鐵磁物質(zhì)主要是一些人工合成的含過(guò)渡族元素和稀土元素的某些30以上五種磁性類型的原子磁矩分布特點(diǎn)可以用下圖來(lái)表示。以上五種磁性類型的原子磁矩分布特點(diǎn)可以用下圖來(lái)表示。311.把晶體中的磁性歸為五類并分析出它們的起因是人類對(duì)物質(zhì)磁性認(rèn)識(shí)的一次飛躍，1950年前后出版了第一批以解釋五種磁性起因?yàn)橹鞯默F(xiàn)代磁學(xué)理論專著，標(biāo)志著磁學(xué)成為一個(gè)獨(dú)立完整的學(xué)科。它極大地推動(dòng)了20世紀(jì)后半葉磁性材料的基礎(chǔ)研究和開發(fā)利用。50年后的今天，我們不但對(duì)上述五種磁性有了更深入的認(rèn)識(shí)，而且發(fā)現(xiàn)了一些新的磁結(jié)構(gòu)。2.嚴(yán)格說(shuō)來(lái)上面的分類是針對(duì)物質(zhì)磁性質(zhì)進(jìn)行的，同一物質(zhì)在不同的溫度區(qū)域可以呈現(xiàn)出不同的磁類型，而且與其晶體結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系：例如室溫附近的金屬鐵為鐵磁性，超過(guò)居里溫度（1040K）后變?yōu)轫槾判?，它受到高?.5×1010Pa的高壓時(shí)，其結(jié)構(gòu)從bcc變?yōu)閔cp，磁性變?yōu)榉氰F磁性。我們只可以說(shuō)常溫常壓下鐵是鐵磁性物質(zhì)。小結(jié)1.把晶體中的磁性歸為五類并分析出它們的起因是人類對(duì)物質(zhì)磁32上面幾種磁有序結(jié)構(gòu)，都是共線的，或平行，

或反平行。20世紀(jì)70年代后，主要在稀土金屬和合

金里發(fā)現(xiàn)了一些非共線結(jié)構(gòu)，在微粉和納米磁性材

料里，在非晶材料里，也都發(fā)現(xiàn)了一些新的結(jié)構(gòu)類

型，它們極大地豐富了我們對(duì)物質(zhì)磁性的認(rèn)識(shí)。上面幾種磁有序結(jié)構(gòu)，都是共線的，或平行，或反平行。20世紀(jì)3320世紀(jì)70年代后，隨著稀土元素的研究和觀測(cè)技術(shù)的提高，人們又在晶狀材料中發(fā)現(xiàn)了很多非共線的磁結(jié)構(gòu)，即在這些材料的不同原子層中的原子磁矩或在原子層平面內(nèi)、或在與原子平面成一定角度的錐面內(nèi)，以一定的旋轉(zhuǎn)角度做螺旋式排列（見下頁(yè)圖）產(chǎn)生平面螺旋磁性或錐面螺旋磁性，通稱螺旋型磁結(jié)構(gòu)。雖然在磁性結(jié)構(gòu)上，它和鐵磁性、反鐵磁性有所不同，但其宏觀表現(xiàn)上是相似的。例如：Gd：T<221K,是平面型簡(jiǎn)單鐵磁性。221K<T

<228K，是平面型螺旋反鐵磁性。6. 螺旋型磁結(jié)構(gòu)20世紀(jì)70年代后，隨著稀土元素的研究和觀測(cè)技術(shù)的提高，人34姜書p115姜書p11535是在微粉和納米磁性材料中發(fā)現(xiàn)的一類現(xiàn)象，當(dāng)鐵磁顆粒減小到臨界尺寸以下(1~10nm)，微粒的

各向異性能遠(yuǎn)小于熱運(yùn)動(dòng)能量，微粒的磁化矢量不再有確定的方向時(shí)，鐵磁粒子的行為類似于順磁性一樣。這些磁性顆粒系統(tǒng)的總磁性叫做超順磁性。普通順磁性是具有固有磁矩的原子或分子在外磁場(chǎng)中的取向，而超順磁性是均勻磁化的單疇粒子的原

本無(wú)序取向的磁化矢量在外磁場(chǎng)中的取向。每個(gè)單疇粒子包含較大數(shù)目的原子所以有大得多的磁矩。7.

超順磁性（Superparamagnetism）是在微粉和納米磁性材料中發(fā)現(xiàn)的一類現(xiàn)象，當(dāng)鐵磁顆粒減小到臨368.散磁性這是在某些非晶材料中發(fā)現(xiàn)的一種磁結(jié)構(gòu)，由于非晶材料中原子磁矩間的間距有一定分布，從而使得原子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的分散排列，這種雖然分散但仍有序的磁矩排列稱作散磁性，按其基本趨向又可以細(xì)分為散鐵磁性、散反鐵磁性和散亞鐵磁性。8.散磁性37姜書p117姜書p11738在抗磁性基體中摻入磁性原子，隨濃度的逐漸增加,會(huì)出現(xiàn)各種磁性現(xiàn)象：近藤效應(yīng) 自旋玻璃態(tài) 混磁性 不均勻鐵磁性9. 其它在抗磁性基體中摻入磁性原子，隨濃度的逐漸增加,會(huì)出現(xiàn)各種磁性39李國(guó)棟書p17李國(guó)棟書p1740物質(zhì)磁性分類是一個(gè)復(fù)雜問題，存在著不同觀點(diǎn) 。這是一種弱磁場(chǎng)中顯示順磁性，超過(guò)某一磁場(chǎng)值后，顯示鐵磁性的材料。物質(zhì)磁性分類是一個(gè)復(fù)雜問題，存在著不同觀點(diǎn) 。這是一種弱磁場(chǎng)41見《應(yīng)用磁學(xué)》P9亞鐵磁性各種磁性的磁化曲線特征見《應(yīng)用磁學(xué)》P9亞鐵磁性各種磁性的磁化曲線特征42Kittel《固體物理導(dǎo)論》一書對(duì)磁有序結(jié)構(gòu)的描述：見2005年版Kittel《固體物理導(dǎo)論》一書對(duì)磁有序結(jié)構(gòu)的描述：43鐵磁物質(zhì)和亞鐵磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁性，它們的磁化率約為

1~105，在技術(shù)上有著重大應(yīng)用，我們通稱為強(qiáng)磁性材料。它們?cè)诖艌?chǎng)中的行為（技術(shù)磁化過(guò)程）也是磁性物理研究的重要內(nèi)容。二.

強(qiáng)磁材料的宏觀磁性質(zhì)鐵磁物質(zhì)和亞鐵磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的磁性，它們的磁化44不同的回線形狀反映了不同的磁性質(zhì)，有著不同的應(yīng)用。亞鐵磁體有豐富的溫度依賴關(guān)系不同的回線形狀反映了不同的磁性質(zhì)，有著不同的應(yīng)用。亞鐵磁體45自發(fā)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(chǎn)生剩余的磁矩。但是，如果每個(gè)原子的磁矩仍然混亂排列，那么整個(gè)物體仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一個(gè)方向整齊地排列，就象很多小磁鐵首尾相接，才能使物體對(duì)外顯示磁性，成為磁性材料。這種原子磁矩的整齊排列現(xiàn)象，就稱為自發(fā)磁化。磁疇：磁性材料內(nèi)部的一個(gè)個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同，如下圖所示。各個(gè)磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個(gè)物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說(shuō)磁性材料在正常情況下并不對(duì)外顯示磁性。只有當(dāng)磁性材料被磁化以后，它才能對(duì)外顯示出磁性。自發(fā)磁化：如前所述某些原子的核外電子的自旋磁矩不能抵消，46順磁與鐵磁能帶示意圖泡利順磁性的量子力學(xué)能帶圖說(shuō)明鐵磁性的量子力學(xué)能帶圖順磁與鐵磁能帶示意圖泡利順磁性的量子力學(xué)能帶圖說(shuō)明鐵磁性的量47物質(zhì)強(qiáng)磁性來(lái)源與特征現(xiàn)代物理科學(xué)告訴我們：物質(zhì)磁性主要源自電子，磁性是物質(zhì)的基本屬性！強(qiáng)磁性決定于電子間正的量子力學(xué)交換積分常數(shù)。正是海森堡揭示的這一鐵磁性起源使得物質(zhì)存在著磁有序結(jié)構(gòu)、即自發(fā)磁化，表現(xiàn)為存在磁疇。軟磁條形疇薄膜迷宮疇樹枝狀疇物質(zhì)強(qiáng)磁性來(lái)源與特征現(xiàn)代物理科學(xué)告訴我們：物質(zhì)磁性主要源自電48磁疇示意圖物質(zhì)強(qiáng)磁性來(lái)源與特征自發(fā)磁化的強(qiáng)磁材料，在磁疇內(nèi)

部磁化方向一致，磁疇之間磁化

方向不一致，宏觀上表現(xiàn)為沒有

磁性。在外場(chǎng)作用下磁化時(shí)，磁疇中磁

化方向轉(zhuǎn)動(dòng)或者磁疇交界的疇壁

發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生宏觀磁化。磁疇壁示意圖磁疇示意圖物質(zhì)強(qiáng)磁性來(lái)源與特征自發(fā)磁化的強(qiáng)磁材料，在磁疇內(nèi)49物質(zhì)強(qiáng)磁性來(lái)源與特征磁滯回線居里溫度物質(zhì)強(qiáng)磁性來(lái)源與特征磁滯回線居里溫度50居里溫度：對(duì)于所有的磁性材料來(lái)說(shuō)，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個(gè)臨界溫度Tc，在這個(gè)溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的排列是混亂無(wú)序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性的。應(yīng)用舉例：（電飯煲的控制）居里溫度：對(duì)于所有的磁性材料來(lái)說(shuō)，并不是在任何溫度下都具有51電飯鍋控溫——利用居里溫度電飯鍋的工作原理：內(nèi)鍋放到發(fā)熱板上，底部與發(fā)熱板中心限溫軟磁鐵（鐵氧體）相貼合。按下琴鍵開關(guān)，軟磁鐵下方的永久磁鐵上升至與軟磁鐵接觸；此時(shí)鍋尚未升溫，軟磁鐵處于居里溫度以下，被永久磁鐵磁化，并將永久磁鐵吸持在高點(diǎn)位置，帶動(dòng)內(nèi)部杠桿，將電路上、下觸點(diǎn)接通，通電加熱鍋內(nèi)食物。當(dāng)內(nèi)鍋底溫度達(dá)到103±2℃（軟磁鐵的居里溫度）時(shí)，軟磁鐵失去磁性，永磁鐵在重力及內(nèi)部彈簧的共同作用下落下，并帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)使電路上、下觸點(diǎn)脫離，電路斷開，達(dá)到限溫目的。電飯鍋控溫——利用居里溫度電飯鍋的工作原理：內(nèi)鍋放到發(fā)熱板上52磁性材料的基本分類：軟磁和硬磁軟磁材料：易磁化又易退磁，交變場(chǎng)下磁損耗小，是電工和電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料，用于電機(jī)、變壓器、繼電器、電感、互感等。硬磁材料：難磁化又難退磁，用作產(chǎn)生磁場(chǎng)，又稱永磁材料。磁性材料的基本分類：軟磁和硬磁53強(qiáng)磁材料的應(yīng)用HH?

軟磁材料：高磁導(dǎo)率，低矯頑力，易磁化又易退磁的材料，交變場(chǎng)下磁損耗小，是電工和電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料，用于電機(jī)，變壓器，繼電器，電感，互感等。?

永磁（硬磁）材料：高矯頑力、高剩余磁化強(qiáng)度的材料，用作產(chǎn)生磁場(chǎng)。綜合指標(biāo)是磁能積。?

磁記錄材料：包括磁記錄介質(zhì)材料和磁讀出頭及寫入頭。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM)等。?

旋磁材料：利用旋磁性的材料。?

特殊磁性材料：利用磁致伸縮，磁光、磁卡等效應(yīng)的材料，磁性液體等。BBBH軟磁永磁矩磁強(qiáng)磁材料的應(yīng)用HH?軟磁材料：高磁導(dǎo)率，低矯頑力，易磁化又54（1）單質(zhì)：室溫下只有Fe,Co,Ni,Gd四種金屬（2）合金：以鐵族元素為基的合金：Fe-Ni;

Fe-Co;Fe-Si;以非鐵磁性元素構(gòu)成的鐵磁合金：MnBi;ZrZn2;郝斯勒合金Mn-Cu-M(=Sn,Al,Ge,Zn,…（3）非金屬化合物：鐵氧體：含鐵及其它過(guò)渡族元素的氧化物。其它：如：EuO,

CrO2,鈣鈦礦型化合物RMnO3（4）非晶鐵磁合金強(qiáng)磁材料按組成與結(jié)構(gòu)的分類（1）單質(zhì)：室溫下只有Fe,Co,Ni,Gd四種金屬?gòu)?qiáng)55產(chǎn)業(yè)化的各類磁性材料產(chǎn)業(yè)化的各類磁性材料56軟磁材料:Hc<100

A/m主要是指那些容易反復(fù)磁化，且在外磁場(chǎng)去掉后，容易退磁的磁性材料。?特點(diǎn)：高磁導(dǎo)率：在較弱的外磁場(chǎng)下就能獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度，并隨外磁場(chǎng)的增強(qiáng)很快達(dá)到飽和。低矯頑力：當(dāng)外磁場(chǎng)去除時(shí)，其磁性立即基本消失。?用途：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計(jì)算機(jī)磁心等。?要求：高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的最大磁導(dǎo)率、高的居里溫度和低的損耗。?分類：高磁飽和材料，中磁飽和中導(dǎo)磁材料，高導(dǎo)磁材料，高硬度、高電阻、高導(dǎo)磁材料，矩磁材料，恒磁導(dǎo)率材料，磁溫度補(bǔ)償材料，磁致伸縮材料。軟磁材料:Hc<100A/m主要是指那些容易反復(fù)磁化，且57常見的軟磁材料：鐵、坡莫合金、電工鋼和MFe2O4

、MFeO3

、M3Fe2O5

、MFe12O19（M為金屬離子）等鐵氧體都是軟磁材料。按用途分類具體包括：

鐵芯材料：工業(yè)純鐵、電工硅鋼片、鐵鈷合金、坡莫合金、高導(dǎo)磁合

金（主要是高鎳含量的鐵鎳合金）、恒導(dǎo)磁率合金（含Ni55～75%的鐵鎳合金）、中磁飽和中磁導(dǎo)率合金（低鎳和中鎳的鐵鎳合金）；

磁記錄介質(zhì)材料：γ-Fe2O3、Co-γ-Fe2O3、CrO2、Fe60Co40粉末、

Co-Ni-P連續(xù)膜；

磁記錄磁頭材料：高鎳含量的鐵鎳基耐磨高導(dǎo)磁合金、FeSiAl合金和高導(dǎo)磁鐵氧體(Mn-Zn和Ni-Zn鐵氧體)；

超聲波發(fā)聲器用磁致伸縮材料：純鎳(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金、Fe49Co49V2、Fe-w(Ni)50%；

磁屏蔽材料：純鐵、坡莫合金或FeSiAl合金，非晶態(tài)合金；

非晶態(tài)、微晶與納米晶軟磁合金

：后詳述。常見的軟磁材料：鐵、坡莫合金、電工鋼和MFe2O4、MFe58軟磁鐵氧體電工鋼還原鐵粉、羰基鐵粉、FeSiAl粉等軟磁金屬粉料非晶納米晶軟磁薄帶磁粉軟磁鐵氧體電工鋼還原鐵粉、羰基鐵粉、FeSiAl粉等軟59新型軟磁材料——非晶納米晶合金軟磁? 與晶態(tài)相比，具有高強(qiáng)度、高耐腐蝕性與高電阻率、

高磁導(dǎo)率、低損耗的特性。三大類：? （1）過(guò)渡金屬－類金屬非晶合金，主要包括鐵

基非晶合金、鐵鎳基非晶合金和鈷基非晶合金；? （2）稀土－過(guò)渡族非晶合金，如TbFeCo、GaTbFe等；? （3）過(guò)渡金屬－過(guò)渡金屬非晶態(tài)合金，如FeZr、CoZr等。新型軟磁材料——非晶納米晶合金軟磁601988年由非晶態(tài)FeSiB退火通過(guò)摻雜Cu和Nb控制

晶粒成為新型的納米晶軟磁材料?將非晶材料在晶化溫度之上進(jìn)行退火處理，可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，如在FeSiB非晶合金組成中再添加Cu、Nb等元素，以細(xì)化晶粒并限制退火過(guò)程中晶粒的生長(zhǎng)，就可以獲得納米晶磁性材料。1988年由非晶態(tài)FeSiB退火通過(guò)摻雜Cu和Nb控制晶粒61軟磁材料應(yīng)用——圖書防盜磁條將磁條貼在圖書中或超市貨品上，通過(guò)門禁處交變磁場(chǎng)檢測(cè)磁條的磁性變化來(lái)區(qū)分被保護(hù)對(duì)象是否帶有磁條，來(lái)達(dá)到防盜的目的。磁條由軟磁材料制作，通常為鈷基非晶合金、鐵基納米晶合金或坡莫合金（鐵鎳合金）。防盜磁條技術(shù)的運(yùn)用大大降低了開架售貨領(lǐng)域如圖書館、超市、藥店等的運(yùn)營(yíng)成本。軟磁材料應(yīng)用——圖書防盜磁條將磁條貼在圖書中或超市貨品上，62電力變壓器核心在于鐵芯和線圈。鐵芯處于交變電磁場(chǎng)中，要求在工作頻率下對(duì)外磁場(chǎng)變化足夠靈敏。軟磁材料的應(yīng)用——電力變壓器電力變壓器核心在于鐵芯和線圈。鐵芯處于交變電磁場(chǎng)中，要63軟磁材料的應(yīng)用——電子電路元器件常見開關(guān)電源電路中多處應(yīng)用了軟磁器件！軟磁材料的應(yīng)用——電子電路元器件常見開關(guān)電源電路中多處應(yīng)用了64軟磁材料的應(yīng)用——電子電路元器件變壓器貼片變壓器電感濾波器環(huán)形電感濾波器諧波電流抑制器軟磁材料的應(yīng)用——電子電路元器件變壓器貼片變壓器電感濾波器環(huán)65軟磁材料的應(yīng)用——電機(jī)鐵芯電機(jī)鐵芯通常由疊層軟磁硅鋼片或者鐵鎳合金沖壓而成。軟磁材料的應(yīng)用——電機(jī)鐵芯電機(jī)鐵芯通常由疊層軟磁硅鋼片或者66硬磁材料：Hc

>1000A/m硬磁材料是指那些難以磁化，且除去外場(chǎng)以后，仍能保留高的剩余磁化強(qiáng)度的材料，又稱永磁材料。（磁鐵）?種類：鋁鎳鈷系硬磁合金硬磁鐵氧體材料、稀土硬磁材料等幾個(gè)系列。?用途：1、硬磁材料主要用來(lái)儲(chǔ)藏和供給磁能，作為磁場(chǎng)源。2、硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術(shù)的磁控管中亦有應(yīng)用。、硬磁材料：Hc>1000A/m硬磁材料是指那些難以磁化，67目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——AlNiCo系永磁合金?

AlNiCo系永磁合金：包括鋁鎳型、鋁鎳鈷型和鋁鎳鈷鈦型三種。其中又有各向同性合金、磁場(chǎng)取向合金和定向結(jié)晶合金。生產(chǎn)工藝包括：鑄造磁鋼與燒結(jié)磁鋼。鑄造鋁鎳鈷合金具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和產(chǎn)品性能高等特點(diǎn)。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產(chǎn)。?左上：鑄造鋁鎳鈷合金；?左下：各類異形件?右下：燒結(jié)鋁鎳鈷合金目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——AlNiCo系永磁合金?Al68鑄造鋁鎳鈷系合金的磁性鑄造鋁鎳鈷系合金的磁性69目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——永磁鐵氧體鋇鐵氧體(BaO·6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO·6Fe2O3)。晶體結(jié)構(gòu)均屬六角晶系。具有高的磁晶各向異性常數(shù)、高矯頑力和低剩磁，最大磁能積偏低；其剩磁溫度系數(shù)是鋁鎳鈷磁體的10倍，不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產(chǎn)量極大的家用電器、音響設(shè)備、揚(yáng)聲器、電機(jī)、電話機(jī)、笛簧接點(diǎn)元件和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械等方面得到普遍應(yīng)用。鋇鐵氧體的微波應(yīng)用：1、器件；2、隱身涂層。目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——永磁鐵氧體鋇鐵氧體的微波應(yīng)用：170目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——鐵鉻鈷系合金以鐵、鉻（23.5～27.5%）、鈷（11.5～21.0%）為主；加入適量硅、鉬、鈦。此類合金可以通過(guò)成分調(diào)節(jié)將其低的單軸各向異性常數(shù)提高到鋁鎳鈷合金的水平；定向凝固+磁場(chǎng)處理(結(jié)晶與磁雙重織構(gòu))，以及塑性變形與適當(dāng)熱處理的方法(形變時(shí)效)顯著提高合金性能。?鐵鉻鈷合金各種加工形式，包括絲材。目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——鐵鉻鈷系合金?鐵鉻鈷合金各種加71目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——釤鈷系合金SmCo系合金（SmCo5,Sm2Co17)：耐高溫稀土永磁。SmCo5：第一代稀土永磁，上世紀(jì)60年代；Sm2Co17：第二代稀土永磁，上世紀(jì)70年代。

Sm2Co17的工作溫度可達(dá)350其oC缺。點(diǎn)是含有較多的金屬鈷(～w(Co)66%)和蘊(yùn)藏量稀少的稀土金屬元素Sm。原材料昂貴，受到資源與價(jià)格的限制。主要應(yīng)用于高端領(lǐng)域。目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——釤鈷系合金代。Sm2Co17的72第三代稀土永磁體；其價(jià)格只相當(dāng)于釤鈷合金的50%左右；分燒結(jié)釹鐵硼和粘接釹鐵硼；優(yōu)點(diǎn)：最大磁能積和最大矯頑力；缺點(diǎn)：剩磁溫度系數(shù)較高。目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料——釹鐵硼第三代稀土永磁體；其價(jià)格只相當(dāng)于釤鈷合金的目前產(chǎn)業(yè)化的主要永73中國(guó)稀土資源豐富？占世界比例？2012年6月20日，發(fā)布《中國(guó)的稀土狀況與政策》白皮書，指出中國(guó)以23%的全球儲(chǔ)量提供了全球90%以上的稀土出口供應(yīng)。價(jià)格嚴(yán)重背離價(jià)值，資源的稀缺性沒有得到合理體現(xiàn)。稀土永磁是我國(guó)稀土資源利用最主要、最重要的方式。中國(guó)稀土資源豐富？占世界比例？2012年6月20日，發(fā)布《74永磁材料的應(yīng)用——永磁電機(jī)永磁步進(jìn)電機(jī)在各種應(yīng)用中，永磁材料主要用來(lái)提供恒定磁場(chǎng)。永磁材料的應(yīng)用——永磁電機(jī)永磁步進(jìn)電機(jī)75永磁電機(jī)/發(fā)電機(jī)——永磁材料大發(fā)展變頻家用電器硬盤驅(qū)動(dòng)器音圈電機(jī)（VCM）兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)（半直驅(qū)）風(fēng)力發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力汽車永磁電機(jī)/發(fā)電機(jī)——永磁材料大發(fā)展變頻家用電器硬盤驅(qū)動(dòng)器音圈76現(xiàn)代汽車需要使用幾十個(gè)小型永磁電動(dòng)機(jī)和其它磁

控機(jī)械元件。EPS將成為高性能永磁體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。Thenumberofmagnets

in

thefamilycarhasincreasedfrom

one

in

the1950'stoover

thirtytoday.現(xiàn)代汽車需要使用幾十個(gè)小型永磁電動(dòng)機(jī)和其它磁控機(jī)械元件。E77永磁材料應(yīng)用舉例永磁磁選設(shè)備揚(yáng)聲器：電聲換能永磁式核磁共振譜儀（MRI）永磁材料應(yīng)用舉例永磁磁選設(shè)備揚(yáng)聲器：電聲換能永磁式核磁共振78磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭GMR讀出磁頭和結(jié)構(gòu)示意圖磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭GMR讀出磁頭和結(jié)構(gòu)示意圖79磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭磁性金屬和合金一般都具有磁電阻的現(xiàn)象。磁電阻是指在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象。巨磁電阻（GMR）是指

在一定的磁場(chǎng)下電阻急劇

減小，且一般減小的幅度

比通常的磁性金屬及合金

材料的磁電阻值要高十多

倍以上。磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭磁性金屬和合金一般都具有磁電阻的80磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭艾爾伯-費(fèi)爾和皮特-克魯伯格1988年各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)

了一種全新的物理效應(yīng)——巨磁電阻效應(yīng)，即一個(gè)

微弱的磁場(chǎng)變化可以在巨磁電阻系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的

電阻變化。（2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）

1997年首個(gè)應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的讀取頭研制成功，

很快成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，沿用至今。艾爾伯-費(fèi)爾（法）皮特-克魯伯格（德）磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭艾爾伯-費(fèi)爾和皮特-克魯伯格1981磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭美國(guó)前總統(tǒng)克林頓2000年7月向國(guó)會(huì)提交的美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃(nationalnanotechnologyinitiative)中，電腦硬盤磁頭的巨磁電阻讀傳感器(GMRreadsensor)已被作為納米科技在信息存儲(chǔ)技術(shù)中的第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例而提出

。磁記錄技術(shù)——GMR讀出磁頭美國(guó)前總統(tǒng)克林頓2000年7月向82各類新型磁性材料（納米磁性）?1959年，著名的諾貝爾獎(jiǎng)得主費(fèi)曼（RichardFeynman）就設(shè)想：“如果有一天人們可以按照自己的意志排列原子和分子，那會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡！”

，“毫無(wú)疑問，如果我們對(duì)細(xì)微尺度的事物加以控制的話，將大大擴(kuò)充我們可以獲得物性的范圍”，他首次提出了

“納米”

材料的概念。今天，納米科技的發(fā)展使費(fèi)曼的預(yù)言已逐步成為現(xiàn)實(shí)。納米材料的奇特物性正對(duì)人們的生活和社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。?1962年，久保提出超微顆粒的量子限域理論，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家對(duì)納米微粒進(jìn)行探索。?1984年，德國(guó)的H.

Gleiter教授等合成了納米晶體Pd,Fe等。?1987年，美國(guó)阿貢國(guó)立實(shí)驗(yàn)室Siegel博士制備出納米TiO2

多晶陶瓷，呈現(xiàn)良好的韌性，在100多度高溫彎曲仍不裂。這一突破性進(jìn)展造成第一次世界性納米熱潮，使其成為材料科學(xué)的一個(gè)分支。各類新型磁性材料（納米磁性）?1959年，著名的諾貝爾獎(jiǎng)得主83準(zhǔn)零維磁性納米粒子早在上世紀(jì)50年代就已應(yīng)用1. 用于磁疇觀察的粉紋技術(shù)：將足夠細(xì)的鐵磁粉末的膠狀懸浮液涂在樣品表面上，由于疇壁處的散磁場(chǎng)將磁性粉末集中于此，描繪出表面的磁疇結(jié)構(gòu)或表面疇壁的軌跡。2. 用于制備單疇永磁粉材料，因?yàn)閱萎犃Ｗ臃创呕^(guò)程是磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有疇壁運(yùn)動(dòng)過(guò)程，矯頑力可以提高很多。3. 用于磁密封的磁性液體，即60年代用宇航服頭盔的磁密封。這里用到了納米粒子的超順磁性。準(zhǔn)零維磁性納米粒子早在上世紀(jì)50年代就已應(yīng)用1. 用于磁疇觀84磁性液體1963年，美國(guó)國(guó)家航空與航天局的S．Papell采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細(xì)的四氧化三鐵微顆粒上(直徑約為10nm)，并高度彌散于煤油(基液)中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒帶動(dòng)著被表面活性劑所包裹著的液體一起運(yùn)動(dòng)，好象整個(gè)液體具有磁性，因此，取名為磁性液體。生成磁性液體的必要條件是強(qiáng)磁性顆粒要足夠地小，以致可以削弱顆粒間的靜磁作用，能在基液中作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。例如對(duì)鐵氧體類型的微顆粒，大致尺寸為10nm；對(duì)金屬微顆粒，通常小于6nm。為了防止顆粒聚集成團(tuán)，產(chǎn)生沉積，每個(gè)磁性微顆粒的表面必須化學(xué)吸附一層長(zhǎng)鏈的高分子(稱為表面活性劑)，高分子的鏈要足夠地長(zhǎng)，以致顆粒接近時(shí)排斥力應(yīng)大于吸引力，此外，鏈的一端應(yīng)和磁性顆粒產(chǎn)生化學(xué)吸附，另一端應(yīng)和基液親和。磁性液體1963年，美國(guó)國(guó)家航空與航天局的S．Papell采85磁性液體的應(yīng)用——密封磁性液體在非均勻磁場(chǎng)中將聚集于磁場(chǎng)梯度最大處，因此利用外磁場(chǎng)可將磁性液體約束在密封部位形成磁性液體“O”型環(huán)，具有無(wú)泄露、無(wú)磨損、自潤(rùn)滑、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。磁性液體的應(yīng)用——密封磁性液體在非均勻磁場(chǎng)中將聚集于磁場(chǎng)梯度86許多生物體內(nèi)就有天然的納米磁性粒子，如磁性細(xì)菌，鴿子，海豚，石鱉，蜜蜂，人的大腦等代表磁性顆粒。對(duì)地磁場(chǎng)的準(zhǔn)確定位？1975年即發(fā)現(xiàn)向磁性細(xì)菌---體內(nèi)有一排磁性納米粒子磁性納米粒子導(dǎo)航作用的物理原理和生物過(guò)程？人類大腦中平均含有20微克（約500萬(wàn)粒）的磁性納米粒

蜜蜂腹部的磁性納米顆粒，G子——與進(jìn)化，成長(zhǎng)，某些腦功能的關(guān)系？自然界的納米磁性許多生物體內(nèi)就有天然的納米磁性粒子，如磁性細(xì)菌，鴿子，海豚，87磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統(tǒng)電冰箱June 23, 2004磁（熵變）制冷技術(shù)磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統(tǒng)電冰箱磁（熵變）制冷技88各種磁效應(yīng)示意圖各種磁效應(yīng)示意圖89其他磁效應(yīng)相關(guān)技術(shù)磁致伸縮材料——NiMnGa、Terfenol-D等? 磁光效應(yīng)材料——Tb-Fe等? 磁電（多鐵）效應(yīng)其他磁效應(yīng)相關(guān)技術(shù)磁致伸縮材料——NiMnGa、Terfen90結(jié)束語(yǔ)人類對(duì)材料磁性的認(rèn)識(shí)和對(duì)磁性材料的應(yīng)用歷史悠久。第二次工業(yè)革命以來(lái)，隨著電磁學(xué)的發(fā)展，磁性材料在電力和電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也成為了信息存儲(chǔ)技術(shù)的重要基石。磁性材料既古老又年輕，是新材料技術(shù)領(lǐng)域的重要分支。結(jié)束語(yǔ)91磁性材料——古老而年輕的功能材料磁性材料——古老而年輕的功能材料92磁性材料是最早被人類認(rèn)識(shí)和利用的功能材料，伴隨了人類文明的發(fā)展。人類對(duì)于磁性材料的最初認(rèn)識(shí)源于天然磁石。公元前三世紀(jì)《管子》：“上有慈石者，下有銅金?！薄秴问洗呵铩肪啪砭ㄆ骸按日需F，或引之也。”在西方，據(jù)傳說(shuō)，磁性首先是被一個(gè)牧羊人發(fā)現(xiàn)的。他注意到他的木棍的鐵端，被一塊石頭所吸引。這種石塊在小亞細(xì)亞(AsiaMinor)、馬其頓的Magnesia地區(qū)以及愛奧尼亞的Magnesia城都被發(fā)現(xiàn)過(guò)。人們相信“Magnetism”一字就是來(lái)源于這些地名。磁性是自然科學(xué)史上最古老的現(xiàn)象之一磁鐵礦(Fe3O4)或磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)磁性材料是最早被人類認(rèn)識(shí)和利用的功能材料，伴隨了人類文明的93磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史——古老而年輕的功能材料?指南針?1086年?1119年??18世紀(jì)??

?1907年?1928年?1931年?1933年?1935年?1935年司馬遷《史記》描述黃帝作戰(zhàn)用宋朝沈括《夢(mèng)溪筆談》指南針的制造方法等宋朝朱或《萍洲可談》

羅盤，用于航海的記載W.Gilbert

《DeMagnete》磁石，最早的著作奧斯特 電流產(chǎn)生磁場(chǎng)法拉弟效應(yīng)

在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流安培定律 構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ),

開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)P.

Weiss的磁疇和分子場(chǎng)假說(shuō)海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場(chǎng)起源Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體Landau和Lifshitz考慮退磁場(chǎng),

理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史——古老而年輕的功能材料?指南針?108694磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史（續(xù)）4

1946年

Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)4

1948年

Neel建立亜鐵磁理論4

1954-1957年

RKKY相互作用的建立4

1958年

M?ssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)4

1960年

非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言4

1965年

Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金4

1970年

SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)4

1982年

掃描隧道顯微鏡,Brining和Rohrer,(1986年,AFM

)4

1984年

NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)

Sagawa(佐川)4

1986年高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller4

1988年巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn)(M.N.Baibich)，法國(guó)Paris-Sud大學(xué)的AlbertFert以及德國(guó)尤里希研究中心的Peter

Grünberg獲

2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)4

1994年

CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO34

1995年隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史（續(xù)）41946年Bioembergen95指南針的鼻祖——司南 地磁場(chǎng)是指南的前提戰(zhàn)國(guó)末年（先秦）《韓非子》：“先王立司南以端朝夕。”東漢時(shí)的王充在他的著作《論衡》中對(duì)司南的形狀和用法做了明確的記錄。指南針——磁性材料的最早應(yīng)用指南針——中國(guó)古代四大發(fā)明之一指南針的鼻祖——司南 地磁場(chǎng)是指南的前提指南針——磁性材料的96指南針——磁性材料的最早應(yīng)用指南龜北宋，曾公亮《武經(jīng)總要》：“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無(wú)風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也?！保ɡ玫卮艌?chǎng)人工磁化）北宋，沈括《夢(mèng)溪筆談》：“方家以磁石摩針鋒，則能指南?！敝改萧~人工磁化方法的發(fā)明，對(duì)指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用。指南針——磁性材料的最早應(yīng)用指南龜北宋，曾公亮《武經(jīng)總要》：97IBM硬盤的發(fā)展關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁存儲(chǔ)技術(shù)IBM硬盤的發(fā)展關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁存儲(chǔ)技術(shù)98關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁力線與磁極粉紋法演示磁力線分布?磁極之間同性相斥、異性相吸?磁鐵不論大小，都有唯一的N極和S極。關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)之一——磁力線與磁極粉紋法演示磁力線分布99磁學(xué)初步認(rèn)識(shí)：?奧斯特實(shí)驗(yàn)：電流與磁場(chǎng)的相互作用；?螺線管與磁體的等效安培分子電流學(xué)說(shuō)：組成磁鐵的每個(gè)分子都具有一個(gè)小的分子電流，經(jīng)過(guò)磁化的磁鐵其小分子電流都定向規(guī)則排列。磁學(xué)初步認(rèn)識(shí)：?奧斯特實(shí)驗(yàn)：電流與磁場(chǎng)的相互作用；?螺線100現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)的磁性來(lái)源于組成物質(zhì)中原子的磁性：1原子中外層電子的軌道磁矩2電子的自旋磁矩3原子核的核磁矩（原子核的磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)，一般情況下可忽略不計(jì)。）原子的總磁矩應(yīng)是按照原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)規(guī)律將原子中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來(lái)的合磁矩。（洪德法則）磁性是物質(zhì)的基本屬性！現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)的磁性來(lái)源于組成物質(zhì)中原子的磁性：1原子中101磁學(xué)基本概念：磁場(chǎng)強(qiáng)度：指空間某處磁場(chǎng)的大小，用H表示，它的單位是安/米（A/m）。磁化強(qiáng)度：指材料內(nèi)部單位體積的磁矩矢量和，用M表示，單位是安/米（A/m）。磁化率：物體在磁場(chǎng)中被磁化的程度與磁化場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)，其關(guān)系為M=

χ

H，χ即為磁化率。磁感應(yīng)強(qiáng)度：

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義是：B=μ0(H+M)，其中H和M分別是磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，μ0是一個(gè)系數(shù)，叫做真空導(dǎo)磁率。磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度，單位是特（T）。磁導(dǎo)率：磁導(dǎo)率的定義是μ=B/H，是磁化曲線上任意一點(diǎn)上B和H的比值。磁導(dǎo)率實(shí)際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說(shuō)是材料對(duì)外部磁場(chǎng)的靈敏程度。磁學(xué)基本概念：磁場(chǎng)強(qiáng)度：指空間某處磁場(chǎng)的大小，用H表示，它的102物質(zhì)磁性:物質(zhì)放入磁場(chǎng)中會(huì)表現(xiàn)出不同的磁學(xué)特性，稱為物質(zhì)的磁性。物質(zhì)磁性:物質(zhì)放入磁場(chǎng)中會(huì)表現(xiàn)出不同的磁學(xué)特性，稱為物質(zhì)的磁103u為了方便研究物質(zhì)磁性的起因，我們可以按其在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)把物質(zhì)進(jìn)行分類，

例如依據(jù)磁化率的正負(fù)、大小及其與溫度的關(guān)系來(lái)進(jìn)行分類，分類是否科學(xué)取決于是否反映了內(nèi)在磁性機(jī)理上的不同。隨著研究的深入，分類也在不斷完善和細(xì)化，到上個(gè)世紀(jì)

70年代為止，在晶狀固體里，共發(fā)現(xiàn)了五種主要類型的磁結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它們的形成機(jī)理和宏觀特征各不相同，對(duì)它們的成功解釋形成了今天的磁性物理學(xué)核心內(nèi)容。u上世紀(jì)

70年代以后，隨著非晶材料和納米材料的興起，又發(fā)現(xiàn)了一些新的磁性類型，對(duì)它們的研究尚在深化之中，課程只做初步介紹。一.

物質(zhì)磁性的分類u為了方便研究物質(zhì)磁性的起因，我們可以按其在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)把104根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性分為五類：1、抗磁性，χ為甚小的負(fù)數(shù)（大約在-10-6量級(jí)），在磁場(chǎng)中受微弱的斥力，如金、銀

。2、順磁性，χ為正數(shù)（大約在10-3~10-6量級(jí)）在磁場(chǎng)中受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。3、鐵磁性，χ為很大的正數(shù)，在較弱磁場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，如鐵、鈷、鎳。4、亞鐵磁性，χ處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說(shuō)的磁鐵礦、鐵氧體等。5、反鐵磁性，

χ為小正數(shù)，高于某一溫度時(shí)其行為與順磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場(chǎng)的取向有關(guān)。根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性分為五類：1、抗磁性，χ為105u這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為負(fù)值且絕對(duì)值很小，顯示抗磁性的物質(zhì)在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)反向，在不均勻的磁場(chǎng)中被推向磁場(chǎng)減小的方向，所以又稱逆磁性。典型抗磁性物質(zhì)的磁化率是常數(shù)，不隨溫度、磁場(chǎng)而變化。有少數(shù)的反常。u深入研究發(fā)現(xiàn)，典型抗磁性是軌道電子在外磁場(chǎng)中受到電磁作用而產(chǎn)生的，因而所有物質(zhì)都具有的一定的抗磁性，但只是在構(gòu)成原子（離子）或分子的磁距為零，不存在其它磁性的物質(zhì)中，

才會(huì)在外磁場(chǎng)中顯示出這種抗磁性。在外場(chǎng)中顯示抗磁性的物質(zhì)稱作抗磁性物質(zhì)。除了軌道電子的抗磁性外，傳導(dǎo)電子也具有一定的抗磁性，并造成反常。c

<

0,

c <<

11.抗磁性（Diamagnetism)u這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的一類弱磁性。它的最基106自然界中很多物質(zhì)都是抗磁性物質(zhì)：周期表中三分之一的元素、絕大多數(shù)的有機(jī)材料和生物材料都是抗磁性物質(zhì)。包括：稀有氣體：He,Ne,

Ar,Kr,

Xe多數(shù)非金屬和少數(shù)金屬：Si,Ge,S,P,Cu,

Ag,

Au不含過(guò)渡族元素的離子晶體：NaCl,KBr不含過(guò)渡族元素的共價(jià)鍵化合物：H2,CO2,CH4等幾乎所有的有機(jī)化合物和生物組織：水；反?？勾判晕镔|(zhì)：Bi,Ga,Zn,

Pb,

磁化率與磁場(chǎng)、溫度有關(guān)。廣義地說(shuō)，超導(dǎo)體也是一種抗磁性物質(zhì)，

c

=

-1

，它的機(jī)理完全不同，不在我們討論之內(nèi)。自然界中很多物質(zhì)都是抗磁性物質(zhì)：周期表中三分之一的元素、絕大107-1.9-7.2-19.4-28.0-43CGS單位制克分子磁化率Kittel

書數(shù)據(jù)（2002）它們的電子殼層都是滿殼層，所以原子磁矩為零。在CGS單位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3·mol-1。統(tǒng)一換成體積磁化率的數(shù)值，量級(jí)是10-6。換成

SI單位制下應(yīng)乘以4π，量級(jí)在10-5。ρ n0.205 41.51 20.181.77 39.953.09 83.803.78 131.30.0970.430.851.031.24c體積磁化率×10-6-1.9-28.0-43CGS單位制克分子磁化率Kittel108——見馮索夫斯基《現(xiàn)代磁學(xué)》(1953)p74一些抗磁性金屬在20℃時(shí)的克分子磁化率（CGS單位）：(10-6

)(10-6

)——見馮索夫斯基《現(xiàn)代磁學(xué)》(1953)p74一些抗磁性金109這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的另一類弱磁性。它的最基本特征是磁化率為正值且數(shù)值很小。1

>>

c

>

0

順磁性物質(zhì)的磁化率是溫度的函數(shù)，一部分服從居里定律，更多的服從居里-外斯（Curie-Weiss)定律。c

=

CTc

=

C

或：c

=

C

T

-

Tp T

+

TpC

稱作居里常數(shù)，Tp

稱作居里順磁溫度服從居里-外斯定律的物質(zhì)都是在某一個(gè)溫度之上才顯示順磁性，這個(gè)溫度之下，表現(xiàn)為其它性質(zhì)。典型順磁性物質(zhì)的基本特點(diǎn)是含有具有未滿殼層的原子（或離子），具有一定的磁矩，是無(wú)規(guī)分布的原子磁矩在外磁場(chǎng)中的取向產(chǎn)生了順磁性。此外，傳導(dǎo)電子也具有一定的順磁性。2. 順磁性（Paramagnetism）這是19世紀(jì)后半葉就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究的另一類弱磁性。它的最基110順磁性物質(zhì)也很多，常見的順磁性物質(zhì)：過(guò)渡族元素、稀土元素和錒系元素金屬：Mn,Cr,

W,La,Nd,

Pt,Pa含有以上元素的化合物：MnSO4,

FeCl3,FeSO4,Gd2O3,堿金屬和堿土金屬：Li,Na,

K,Ru,Cs,

Mg,Ca,Sr,Ba包含有奇數(shù)個(gè)電子的原子或分子：HCl,NO,有機(jī)化合物中的自由基少數(shù)含有偶數(shù)