固体的磁性基础知识

《固体的磁性基础知识》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、固体的磁性基础知识1・磁性的一种分类方式根据磁化率％的人小符号以及与温度、磁场的关系，可以把物质的磁性分成五类：(1)抗磁性，磁化强度与磁场方向相反，%<0,其值约为10「7〜10°；(2)顺磁性，磁化强度与磁场方向相同，%>0,其值约为10-6~10-5；(3)反铁磁性，%>0,其值约为10‘；(4)亚铁磁性，%>0,其值约为10*104；(5)铁磁性，%>0,其值约为lO'^lO6抗磁性的％几乎与温度无关，其余均与温度有关；亚铁磁性和铁磁性为强磁性，其余为弱磁性。2.原子磁矩构成固体物质的原子屮，电子

2、磁矩比原子核的磁矩大三个数量级，所以电子磁矩对固体的磁性起主要作用。2.1独立原子的磁矩矩和自旋磁矩两部分组成。电子—L2m原子中电子的磁矩曲轨道磁的轨道磁矩为他=厶是电子的轨道角动量，“的绝对值为叫1)蚀其中/是电子轨道角动量量子数,“B是波尔磁子，其大小为mB=eh2m电了的自旋磁矩为S是电子的自旋角动量，“S的绝对值及其在Z方向的投影分别为叫=2jS(S+1)叫%=□叫如果原子中只有一个电子，则原子磁矩为“=・—(£+25)=-—(J+5)2m2m/是电子的总角动量。如果原子屮有多个电子，原子的总角

3、动量有厶S耦合和〃耦合两种耦合方式，分别适用于原子序数比较小和原子序数比较大(？＞80)的耦合方式。常见的3d族和4f族元素，电子之间的轨道-轨道与自旋-自旋偶合较强，适合使用厶S耦合。2.2晶场效应原子结合成品体后，原子的电子状态发生变化，价电子参与各种类型的键合,而处在格点位置的离子也不同于孤立离子，其电子状态因受周围离子所产生的静电场的作用而发生变化，这种静电场称为品体电场，它所造成的影响称为品场效应。晶场效应有两种：一是离子中简并的电子态发生劈裂，二是电子的轨道角动量的贡献部分或者全部被冻结。这两

4、种效应都会对离子磁矩造成影响。品场效应的强弱取决于晶场的强弱及其对称性。3抗磁性抗磁性是物质磁化强度与外磁场方向相反的一种性质。具冇抗磁性的物质种类很多，如惰性气体，不含过渡元素的离子晶体和共价晶体。抗磁性的來源有两种：束缚屯子的抗磁性和自出屯子的抗磁性。束缚电子的抗磁性是电子轨道绕外磁场进动产生的附加磁矩所导致的，只有原子的固定磁矩为零时才显现出來；自由屯子的抗磁性源于电子回旋运动的量子化，在低温强磁场下抗磁磁化率将随磁场变化而震荡。4^11页磁性顺磁性主要有三种类型：(1)自由电子的顺磁性，乂称为Pa

5、uli顺磁性；(2)物质中具有固有磁矩的原了或离了的顺磁性，乂称为Langevin顺磁性；(3)温度超过临界温度时，铁磁、反铁磁及亚铁磁物质所呈现的顺磁性。Pauli顺磁性是磁场引起自由电子能量分布的变化导致的oLangevin顺磁性是原本无序的原子磁矩在外磁场作用下有序化的结果。5铁磁性铁磁性材料有三个基木特征：(1)有很高的饱和磁化强度，是一类强磁性材料；(2)存在临界温度7b(Curie温度)。只有厂＜兀吋才呈现铁磁性，其饱和磁化强度随温度升高而减小，温度远低丁兀吋变化缓慢，当温度上升至北时，快速下

6、降为零，铁磁性消失。在温度高于几时，表现为顺磁性；(3)存在磁滞现象。5.1分子场理论1907年Weiss为了说明铁磁性物质的基本特征捉出了分子场理论，它包括两个基本假设：(1)铁磁性物质内部存在一个很强的分子场，无需外磁场就能使原子磁矩行取向，产生自发磁化，并假定分子场与磁化强度M成正比；(2)铁磁物质内分为许多自发磁化的小区域，称为磁畴，每个磁畴的自发磁化方向不同，没有外磁场作用时整个物质不显示宏观的磁性。根据分子场理论计算出的磁化强度与实验结果符合得很好。现代磁性理论认为,分子场的来源是电子之间的交

7、换作用，不同物质中有不同的交换作用机制。Heisenberg交换理论的内容是，假定过渡金屈屮的d电子是局域的，束缚在各原子周围，不参与输运过程，对电导、热导等没有贡献，d电子间的交换作用导致d电子自旋磁矩的冇序排列，从而产生铁磁性。这种理论虽然在过渡金屈原子磁矩的计算上具有明显的局限性，但是可以正确导岀口旋Hamilton,并且首次提出铁磁性的起源是电子间的交换作用°Stoner随后提出巡游电子模型，认为d电子可以在原子间巡游，应考虑其能带结构，在过渡金屈中，d带窄s带宽并且相互重叠。铁磁性主要来自d电子

8、的贡献，由于d电子间的交换作用，自旋取向不同的d电子能量不同，d带分裂为两个子带，电子在两个子带屮的填充数目不同，产生自发磁化。RKKY交换作用适用于稀土金属，它是一种间接交换作用。这种交换作用模型认为d电子是局域的，形成原子磁矩，但d电子与s电子存在直接交换作用,导致d电子的自旋平行或反平行，即以s电子为媒介d-d电子之间发生间接交换作用。超交换作用模型是以负离子为媒介的间接交换作用，适用于菲金属反铁磁和亚铁磁性物质的研究，