固体的磁性ppt课件.ppt

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1、第八章固体的磁性关于磁性的认识直接涉及物质结构的基本研究轨道磁矩、自旋磁矩、感生磁矩顺磁、抗磁、铁磁、反铁磁、亚铁磁§8-2固体的磁性概述从磁性角度可以把固体材料大致分为两类:包含顺磁离子的固体;不含顺磁离子的固体顺磁离子指d壳层不满的过渡族元素或f壳层不满的稀土族元素不含顺磁离子的固体称为一般的固体,包括金属、半导体、离子晶体,它们是由饱和结构的原子实和载流子构成,往往呈微弱的顺磁性或抗磁性包含顺磁离子的固体大都是磁性材料。结合成固体时,有不满的内壳层,而保持固有磁矩,表现出较强的磁性,成为磁学深入研究的主要对象磁性原子(或离子)之间可以产生很强的相互作

2、用,可使它们的磁矩不借助于外加磁场而自发地排列起来,导致了铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性现象包含少量磁性离子的顺磁盐构成另一个重要的领域,特点是磁性离子处于较稀释的状态,离子间的相互作用弱。以它们为基础的绝热退磁是获得极低温度的方法一、饱和电子结构的抗磁性只有当固体内包含具有固有磁矩的电子结构时才会引起顺磁磁化,而感生的抗磁性则是普遍的自由状态的原子很多都具有一定磁矩,结合成分子和固体时,往往失去磁矩。离子晶体以及共价键晶体,都形成饱和的电子结构,无固有磁矩,是抗磁性的离子晶体以及它们的溶液的磁性的实验测定说明,每种离子具有基本上确定的磁化率,晶体的磁化率χ可

3、以写成各种离子磁化率χi之和有取,原子中电子数的数量级为10,得实际上常用摩尔磁化率对于简单离子,χ随原子序数的增加而增大共价键的磁化率比一般原子的磁化率低一个数量级这种抗磁性往往只有在饱和电子结构时,才是最重要的。在非饱和结构,存在有固有磁矩,由磁矩引起的顺磁性,将远大于上述抗磁性磁矩的取向能数量级为当B是1T,ħωc为10-4eV数量级.抗磁性引起的能移为可以看到在B是1T时,抗磁性的影响要小10-5倍二、载流子的磁性金属的内层电子和半导体的基本电子结构一样也是饱和的电子结构,因此是抗磁性的。但是另外还必须考虑载流子对磁化率的贡献根据以上比较,多尔夫曼

4、首先提出导电电子显然具有顺磁性,部分抵消了内层离子的抗磁性,从而使金属的抗磁性比离子的抗磁性低载流子的顺磁性是由电子的自旋磁矩在磁场中的取向所引起的。电子的自旋磁矩=-qħ/2m=-µB.它可以有两种取向,与磁场平行或反平行,取向能-µBB,µBB以半导体中电子为例,因为半导体中导带电子数目很少,服从玻尔兹曼分布,平均磁矩为可看出平行自旋取向的几率大于反平行的,因而表现出不为零的平均磁矩,与磁场有相同方向一般温度下,µBB<

5、,磁场中运动的载流子形成一系列分离的朗道能级,从而有可能使载流子系统能量升高,而呈现出逆磁性对于自由电子气可证明抗磁性总是顺磁性的1/3,有些固体材料的载流子可近似看成自由电子。但有的固体材料,载流子抗磁性大于其顺磁性,称为反常的抗磁性载流子同时兼具顺磁性和抗磁性,实际观察到的应是两者的综合效果三、杂质和缺陷的顺磁性晶体中的杂质和缺陷往往具有未配对电子,它们的自旋贡献一定的顺磁性。研究其顺磁性对了解杂质和缺陷的电子结构可以提供重要的依据在外加磁场B中杂质、缺陷态分裂为两个能级,分别对应电子自旋不同取向,设杂质上电子自旋角动量为µs,则能级移动为:平行自旋-

6、µsB,反平行自旋µsB在低温下,电子将主要占据在较低的能量状态,若在垂直磁场方向上加上一个交变电磁场,当频率满足电子可能吸收一个电磁场量子而从低的能级跳到高的能级,此时电磁波将被强烈地吸收这一现象称为电子自旋共振或电子顺磁共振根据电子自旋共振讯号的强弱可以测定杂质与缺陷的密度;根据自旋共振的频率可以确定自旋磁矩µs,它有可能与自由电子的µB不同,通常称其为g因子不同g因子的数值在一定程度上能反映自旋－轨道波函数之间的耦合根据实验上观察到的各向异性,可推断杂质和缺陷周围环境的对称性§8-3电子的泡利顺磁性与朗道抗磁性载流子的顺磁性是由电子的自旋磁矩在磁场中

7、的取向所引起的在金属的情形,电子是高度简并的,需要考虑泡利原理的影响先讨论T=0K的低温极限没有磁场,自旋相反的两种电子数目相等,总磁矩为零存在外磁场B时,平行和反平行的自旋磁矩在磁场中的取向能分别为-µBB和+µBB,两种自旋的电子的能量将移动,相应的费米能级相差2µBB电子填充情况将调整,使两边费米能级最后相等,原来在虚线以上的电子的磁矩将反转,由反平行转为平行这部分电子的数目可以由在图中所占面积计算得到而每个电子沿磁场方向的磁矩由-µB变为+µB,改变了2µB,所以产生的总磁矩为磁矩的方向与外加磁场的方向是一致的,因此是顺磁性的,磁化率为称为泡利自旋

8、顺磁性对于具有恒定有效质量m*的近自由电子的情况,有得到可以看到,