鐵氧體 尖晶石 亞鐵磁課件

無論是電子技術、電力技術、通信技術、還是空間技術、計算技術、生物技術，乃至家用電器，磁學和磁性材料都是不可缺少的重要部分。從1902年P.塞曼和H.A.洛倫茲獲得諾貝爾獎，到1998年華裔的崔琦先生獲諾貝爾物理學獎，至少有24次諾貝爾獎得主在磁學領域作出了杰出的貢獻；公元前2500年我國已有磁性指南——司南的記載，其開創(chuàng)了人類對磁學和磁性材料研究的先河；以磁科學進行研究的創(chuàng)始者當數(shù)吉爾伯特，后經安培、奧斯特、法拉第等人開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，初步奠定了磁學科學的基礎。從1900年到1930年，先后確立了金屬電子論、順磁性理論、分子磁場、磁疇概念、X射線衍射分析、原子磁矩、電子自旋、波動力學、鐵磁性體理論金屬電子量子論、電子顯微鏡等相關的的理論。從而形成了完整的磁學科學體系。在此后的20~30年間，出現(xiàn)了種類繁多的磁性材料。我國的磁學前輩當數(shù)葉企孫（1924年從美國哈佛大學獲博士學位回國）、施汝為先生（1931年在國內發(fā)表了第一篇磁學研究論文），現(xiàn)我國已有十余所高校、十幾個研究所及幾百個生產企業(yè)從事磁學研究、教學和生產。<<磁性材料>>(鐵氧體部分)磁性材料是功能材料的重要分支；磁性元器件具有轉換、傳遞、處理信息、存儲能量、節(jié)約能源等功能,應用于能源、電信、自動控制、通訊、家用電器、生物、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工、選礦、物理探礦、軍工等領域,尤其在信息技術領域已成為不可缺少的組成部分。信息化發(fā)展的總趨勢是向小、輕、薄以及多功能、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展;要求磁性材料制造的元器件不僅大容量、小型化、高速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振動和低成本的特點。我國磁性材料的生產在國際上占有重要的地位.其中,永磁鐵氧體的產量達1.1×105ｔ,居世界首位;軟磁鐵氧體產量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁產量4300ｔ,居世界第二.根據中國工程院的專項調查和預測,我國2005年磁性材料的需求量:永磁鐵氧體15×104ｔ,軟磁鐵氧體6×104ｔ,稀土永磁8000—10000ｔ.但是,目前我國生產的磁性材料基本上是低性能水平的材料,與世界先進水平存在較大的差距.(1)加強磁性材料的基礎研究和應用基礎研究.(2)改造和完善現(xiàn)有的磁性材料,提高其磁性能,優(yōu)化制備工藝,降低生產成本.(3)發(fā)展新型的磁性材料,特別是納米磁性材料納米磁性材料是納米材料中最早進入工業(yè)化生產的功能材料,應用廣泛,性能優(yōu)異,特別是在信息存儲、處理與傳輸中占據重要地位,其基礎研究和應用開發(fā)正方興未艾.(4)加強研究、生產、應用三方面的結合,不斷開拓磁性材料新的應用領域并促使其發(fā)展.磁性材料的研究和發(fā)展將主要集中在以下幾個方面:1、永磁鐵氧體鋇鐵氧體、鍶鐵氧體、鈷鐵氧體等工業(yè)應用領域：電聲材料、電機等Br、BHc、jHc、（BH)m燒結鐵氧體－工藝：原材料要求不高，預燒，成型、燒結粘結永磁體－工藝：磁粉＋黏合劑，磁場取向，應力取向。（電子儀表，玩具，冰箱密封墊圈，磁性卡片等）總需求計算機領域家電領域電動玩具行業(yè)2、軟磁鐵氧體尖晶石：MnZn、NiZn,六角鐵氧體電信、儀器儀表、自動控制和計算技術（音頻、中頻、高頻、超高頻）

（1）高磁導率材料，i﹥104，寬頻變壓器、低頻變壓器、小型環(huán)形脈沖變壓器和微型電感器（2）低損耗高穩(wěn)定材料，高Q值，用于中頻載波機、高頻、甚高頻調諧電路，掃頻電路與集成電路組裝的通信用濾波器（3）高頻、大磁場用材料。用于質子同步加速器中的調諧磁芯、小型電感器（級間耦合變壓器），用于跟蹤接收機的高功率變壓器（寬頻掃描）（4）高飽和磁化強度低功耗材料，用于開關電源、電視機偏轉磁芯以及U型磁芯（5）甚高頻六角鐵氧體，使用頻率高，頻帶寬，用于寬頻帶變壓器磁芯、跟蹤接收機以及電視掃描接收機之掃頻磁芯，衛(wèi)星通訊中微波中繼線路

（6）感溫、感濕、電波吸收、電機Mn工藝：氣氛燒結（真空或惰性氣體）Ni工藝：氧氣燒結平面六角4、微波鐵氧體主要利用鐵氧體的旋磁性、非線性效應等特性，制成鐵氧體微波器件，如隔離器、相移器、調制器、環(huán)行器等線性器件，倍頻器、振蕩器、混頻器等非線性器件；利用磁聲耦合效應制成延遲線等磁聲器件尖晶石：Mg系、Ni系、Li系石榴石：YIG有著和低頻鐵氧體不同的工藝特點，關鍵是要控制好損耗特性5、磁記錄材料磁帶、磁盤、磁鼓、磁芯、磁泡、磁光MnZn，音頻磁頭，NiZn錄像磁頭磁帶用磁粉：－Fe2O36、磁泡材料圓柱形磁疇，可以產生與消失，用于作為硬盤磁記錄材料尖晶石鐵氧體

MgAl2O4（尖晶石）型結構

通式：AB2O4A—二價離子B—三價離子兩種正離子的總價數(shù)必須等于8電中性條件正分條件陽離子：陰離子＝3：4非正分情況陽離子空位，正穴導電（P型）陰離子空位，電子導電（N型）有時需要采用相應的工藝對鐵氧體物性進行調控立方晶系立方面心格子Fd3m空間群ao=0.808nmz=8晶體結構陽離子分布正尖晶石反尖晶石影響陽離子分布的因素（1）庫侖能（2）晶體電場效應（3）共價鍵軌道雜化（4）近程作用能關于陽離子對B位的擇優(yōu)順序2.4亞鐵磁性1、超交換作用多晶MnO得磁化率和溫度得關系曲線MnO的反鐵磁結構離子磁矩有序是如何形成的呢？1934年Kramers首先提出離子間交換作用可以通過陰離子激發(fā)態(tài)來形成。1950年Anderson進行具體推演并獲得重要結論（準粒子和二次量子化）。結論：（1）由于p電子軌道啞鈴形，因此離子連線180度時作用最強，90度時最弱（2）作用強弱取決于陰離子負電性強弱Jpd是O-的電子自旋S=1/2與Fe2+的S=2兩個自旋間的直接交換作用。半共價交換作用理論Goodenough提出半共價理論雙交換作用鈣鈦礦La1-xCaMnO32、分子場理論

1907年，Weiss對鐵磁現(xiàn)象提出了分子場假設。Neel將分子場近似的推廣到反鐵磁性和亞鐵磁性的情況其中分子場可以表示為：(同時受同一次晶格磁性離子的影響）兩種次晶格的情況N種次晶格考慮只有A、B兩種次晶格的情況，此時存在三種相互作用，AA、BB、AB作用于A的分子場作用于B的分子場A、B點陣種自發(fā)磁化強度為對于亞鐵磁鐵氧體，再T=0的時候，其飽和磁化強度可以表述為：可以在一定溫度下產生抵消點，這時由于其中包含多個次點陣PNQ型曲線產生P、Q、N型曲線的定性解釋大家思考一下，亞鐵磁分子場理論對解釋亞鐵磁型的作用三角形亞鐵磁結構三角形亞鐵磁構型示意圖當當2JB/B//>JAB時，始終不為零，就有可能形成三角形結構首先被證實的三角結構是Cu（Cr2）O4，使用中子衍射3、鐵氧體高溫順磁性亞鐵磁體的溫度磁化率曲線在高于居里點附近呈雙曲線型。這一點顯著區(qū)別于鐵磁體和反鐵磁體，可以根據1/x~T線形來判斷大致的微觀自旋構型短程有序的存在4、有效g因數(shù)有效旋磁比對于尖晶石鐵氧體存在兩個次點陣在磁矩抵消點會出現(xiàn)geff=0，在動量矩抵消點geff會變的很大2.5晶格畸變1、離子有序化導致的晶格形變Fe3O4在114.5K附近發(fā)生一級相變，由立方對稱轉變?yōu)檎粚ΨQB位陽離子在垂直于C軸的平面內有序排列，且二者離子半徑有差異，導致晶格發(fā)生畸變，且畸變和陽離子半徑差以及配位陽離子價鍵強弱有關2、四角晶格形變含Cu2+、Mn3+和In3+等的鐵氧體晶格形變和Fe3O4不同（1） 共價鍵理論Cu2+和Mn3+易于形成dsp2雜化軌道，在B位置構成四方鍵，導致B位發(fā)生晶格畸變。高溫下，四角晶軸雜亂排列，當溫度下降到一定程度以后，就會出現(xiàn)有序排列，在宏觀上破壞立方對稱性。（2）晶體電場理論degt2gdx2-y2dz2dxydxzdyz自由離子八面體位四角晶場Kramers原理Jahn-Teller效應2.6電性1、鐵氧體電阻率隨著溫度升高呈指數(shù)衰減的趨勢2、電阻率在一定溫度存在轉折點3、2價鐵離子的影響鐵氧體的導電機制是怎么樣的呢？1、電阻率鐵氧體導電機制離子Mn2+Mn3+Co2+Fe3+Fe2+Cu2+Ni2+電子形態(tài)3d54s03d44s03d74s03d54s03d64s03d94s03d84s0MeOMnOMn3O4CoOFe2O3Fe3O4CuONiOln87810-278過渡元素氧化物的直流電阻率蛙躍機制提高鐵氧體電阻率的途徑（1）使配方缺鐵（2）加入適量的錳或鈷的氧化物是抑制還是束縛（3）減少導電離子對（4）增進晶界的電阻率2、鐵氧體的介電性能鐵氧體的介電常數(shù)明顯依賴于Fe2+和Ti2+等的離子濃度，最高可以達到104105。通常，隨著頻率升高產生劇烈頻散現(xiàn)象，以至到了微波僅為10的數(shù)量級2.7磁晶各向異性和磁致伸縮磁晶各向異性用來描述內能對自發(fā)磁化強度方向的依賴，我們稱這個能量為磁晶各向異性能，通常磁晶各向異性和晶體結構有同樣的的對稱性立方晶體六角晶體四角晶體注意：磁晶各向異性具有可加性，F(xiàn)e2+的磁晶各向異性常數(shù)對鐵氧體K1貢獻為正，在一定溫度范圍內可以和其他離子有抵消點（2）軌道動量矩淬滅關于磁晶各向異性的起源：因為它有方向性，不可能來自于自旋間的交換作用，那它來自于哪里呢？當軌道動量矩保持不被淬滅的時候，這樣的波函數(shù)繞量子化軸旋轉，從而產生一個順時針或者逆時針的圓形電流，相應的方位變化被抹掉，波函數(shù)的方向可以簡單的由繞量子化軸的函數(shù)表示假定m＝＋2和m＝－2兩個波函數(shù)重疊而抵消了它們的角動量，總的波函數(shù)為波函數(shù)言<110>方向，避開四重對稱主軸波函數(shù)沿<100>方向對于以上兩種情況在晶場中和近鄰的相互作用能量是不同的，這種相互作用包括交換作用，庫侖相互作用和共價鍵作用，我們把這個相互作用叫做配位場，如果有一個態(tài)被整個配位場穩(wěn)定，軌道矩就會被淬滅在晶場中，Vosida提出基態(tài)的波函數(shù)為下列形式：例如：Fe2+(3d6)，在晶場中能級分裂，在立方晶場作用下分裂成一個三重態(tài)，一個雙重態(tài)，在三角晶場中在分裂成一個單重態(tài)兩個雙重態(tài)，基態(tài)為單重態(tài)結論：只要能級分裂結果使基態(tài)為單重態(tài)，則軌道角動量必淬滅（3）磁晶各向異性磁晶各向異性使指磁矩相對于晶軸不同方向時能量不同的現(xiàn)象。它的產生使由于自旋－軌道耦合和晶場的聯(lián)合作用早期認為磁晶各向異性來自于磁矩間交換作用和偶極相互作用，后來證明使錯誤的，在量子力學建立以后才了解它真正的起源。兩個理論模型（1）單離子各向