7磁性7.2.ppt

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1、 7.2 磁性磁性铁铁磁磁性性和和铁铁电电性性有有相相似似的的规规律律，但但应应该该强强调调的的是是它它们们的的本本质质差差别别；铁铁电电性性是是由由离离子子位位移移引引起起的的，而而铁铁磁磁性性则则是是由由原原子子取取向向引引起起的的；铁铁电电性性在在非非对对称称的的晶晶体体中中发发生生，而而铁铁磁磁性性发发生生在在次次价价电电子子的的非非平平衡衡自自旋旋中中；铁铁电电体体的的居居里里点点是是由由于于熵熵的的增增加加（晶晶体体相相变变），而而铁铁磁磁体体的的居居里里点点是是原原子子的的无无规规则则振振动动破破坏坏了了原原子子间间的的“交交换换”作作用用，从从而而使使自自发磁化消失引起的。发磁

2、化消失引起的。交交换换作作用用：铁铁磁磁性性除除与与电电子子结结构构有有关关外外，还还决决定定于于晶晶体体结结构构。实实践践证证明明，处处于于不不同同原原子子间间的的、未未被被填填满满壳壳层层上上的的电电子子发发生生特特殊殊的的相相互互作作用用。这这种种相相互互作作用称为用称为“交换交换”作用。作用。这这是是因因为为在在晶晶体体内内，参参与与这这种种相相互互作作用用的的电电子子已已不不再再局局限限于于原原来来的的原原子子，而而是是“公公有有化化”了了。原原子子间间好像在交换电子，故称为好像在交换电子，故称为“交换交换”作用。作用。而而由由这这种种“交交换换”作作用用所所产产生生的的“交交换换能

3、能”J与与晶晶格格的的原原子子间间距距有有密密切切关关系系。当当距距离离很很大大时时，J接接近近于于零零。随随着着距距离离的的减减小小，相相互互作作用用有有所所增增加加，J为为正正值值，就就呈呈现现出出铁铁磁磁性性。当当原原子子间间距距a与与未未被被填填满满的的电电子子壳壳层层直直径径D之之比比大大于于3时时，交交换换能能为为正正值值，当当时，交换能为负值，为反铁磁性。时，交换能为负值，为反铁磁性。交换能与铁磁性的关系交换能与铁磁性的关系居居里里点点：铁铁磁磁体体的的铁铁磁磁性性只只在在某某一一温温度度以以下下才才表表现现出出来来，超超过过这这一一温温度度，由由于于物物质质内内部部热热骚骚动动

4、破破坏坏电电子子自自旋旋磁磁矩矩的的平平行行取取向向，因因而而自自发发磁磁化化强强度度变变为为0，铁铁磁磁性性消消失失。这这一一温温度度称称为为居居里里点点TC。在在居居里里点点以以上上，材材料料表表现现为为强强顺顺磁磁性性，其其磁磁化化率率与温度的关系服从居里外斯定律，与温度的关系服从居里外斯定律，=C/(T-Tc)式中式中C为居里常数为居里常数依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的

5、方向趋于一致，此范围称为磁畴（原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（一般一般为为12微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小永磁体磁化强度的小永磁体），这种铁磁性称为完全铁磁），这种铁磁性称为完全铁磁性（性（Fe、Co、Ni）。）。大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。反铁磁性反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的单

6、电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，在铁电性材料中有反铁电性。列，在铁电性材料中有反铁电性。顺磁性和铁磁性顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。保留极强的磁性。亚铁磁性体亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大

7、部分铁系氧化物即为此。体的大部分铁系氧化物即为此。磁性材料磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。：铁磁性与亚铁磁性的统称。HMFe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及等元素及其合金、金属间化合物。其合金、金属间化合物。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr等等各种铁氧体系材料（各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni氧化物）氧化物）Fe,Co等与重稀土类等与重稀土类金属形成金属间化合物金属形成金属间化合物（TbFe等等)O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的的F中中心心Cr,Mn,Nd,

8、Sm,Eu等等3d过渡元过渡元素或稀土元素，还有素或稀土元素，还有MnO、MnF2等合金、化合物等等合金、化合物等。抗磁性抗磁性：磁矩为零，磁矩为零，在外磁场作用下感生在外磁场作用下感生磁矩，磁化强度为负磁矩，磁化强度为负值。引起的原因主要值。引起的原因主要是原子中电子轨道状是原子中电子轨道状态的变化。周期表中态的变化。周期表中前前8个主要元素表现个主要元素表现为抗磁性。这些元素为抗磁性。这些元素构成了陶瓷材料中几构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子。乎所有的阴离子。（O2-,F-,Cl-N3-OH-等）等）HMCu,Ag,AuC,Si,GeN,P,As,Sb,BiS,Te,SeF,Ci,Br,I

9、He,Ne,Ar,Kr,Xe,RnSN永磁体永磁体F强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性）磁性）轻微排斥的物质：反磁性轻微排斥的物质：反磁性强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）按物质对磁场的反应对其进行分类按物质对磁场的反应对其进行分类NSN SNSNS完全反磁性完全反磁性铁磁性铁磁性S N 顺磁性B=0H+M=(0+)H=HMnO点阵中Mn2+的自旋排列例如：反铁磁性例如：反铁磁性MnO在在反反铁铁磁磁体体中中，具具有有反反平平行行磁磁矩矩的

10、的相相邻邻离离子子间间的的交交换换作作用用应应占占优优势势，但但从从图图容容易易看看出出，这这种种离离子子间间的的距距离离比比之之平平行行自自旋旋的的离离子子间间距距要要大大，根根据据前前面面的的讨讨论论，交交换换能能的的大大小小取取决决于于物物质质的的原原（离离）子子间间距距离离，相相距距远远的的交交换换力力小小。怎怎样样克克服服这这个个矛矛盾盾，解解释释这这种种离离子子间间所所具具有有的的较较大大的的交交换换能能呢呢？超超交交换换理理论论或或称称间间接接交交换换理理论论可可以以提提供供适适当当的的解解释释。根根据据此此理理论论，能能够够通通过过邻邻近近阳阳离离子子的的激激发发态态而而完完成

11、成间间接接交交换换作作用用。即即经经中中间间的的激激发发态态氧氧离离子子的的传传递递交交换换作作用用，把把相相距距很很远远无无法法发发生生直直接接交交换换作作用用的的两两个个金金属属离离子子的的自自旋旋系系统统连连接接起起来来。在在激激发发态态下下，O2将将一一个个2p电电子子给给予予相相邻邻的的Mn2+而而成成为为O，Mn2+获获得得这这个个电电子子变变成成Mn+，此时它们的电子自旋排列如图所示。此时它们的电子自旋排列如图所示。MnO晶体中离子的自旋(a)基态（b）激发态Mn2+(3d5)O2-(2p6)Mn+(3d)6O-(2p5)Mn2+(3d5)O的自旋与左方的自旋与左方Mn+自旋方向

12、相同。当右方的自旋方向相同。当右方的Mn2+的自旋的自旋方向相反时，系统有较低的能量，这是方向相反时，系统有较低的能量，这是Mn2+通过通过O的相互的相互作用出现的情况。激发态的出现，是作用出现的情况。激发态的出现，是O2提供了一个提供了一个2p电子电子导致的，而导致的，而p电子的空间分布是电子的空间分布是型，故型，故MOM间的夹角间的夹角为为180度时，间接交换作用最强，而度时，间接交换作用最强，而=90 时的作用最弱。超时的作用最弱。超交换理论也可以说明铁氧体所具有的亚铁磁性交换理论也可以说明铁氧体所具有的亚铁磁性.尖晶石的元晶胞(a)及子晶胞(b)、(c)例如：尖晶石型铁氧体例如：尖晶石

13、型铁氧体M 2+OFe2 3+O3MFe,Ni,Mg或复合铁氧体或复合铁氧体Mg 1-xMnxFe2O4氧四面体为氧四面体为A位，位，八面体为八面体为B位，两位，两价离子都处于价离子都处于A位，位，则为正尖晶石结构；则为正尖晶石结构；二价离子占有二价离子占有B位，位，三价离子占有三价离子占有A位位及余下的及余下的B位，则位，则为反尖晶石。为反尖晶石。所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的（所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的（Fe 3+(Fe3+M2+)O4这可设想由于较大的两价离子趋于占据较大的八面位这可设想由于较大的两价离子趋于占据较大的八面位置。置。A位离子与反平行态的位离子与反平行态的B位离

14、子之间，借助于电位离子之间，借助于电子自旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即子自旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即 Fea+3Feb+3Mb+2阳阳离离子子出出现现于于反反型型程程度度，取取决决于于热热处处理理条条件件。一一般般来来说说，提提高高正正尖尖晶晶石石的的温温度度会会使使离离子子激激发发至至反反型型位位置置。所所以以在在制制备备类类似似于于CuFe2O4的的铁铁氧氧体体时时，必必须须将将反反型型结构高温淬火才能得到存在于低温的反型结构。结构高温淬火才能得到存在于低温的反型结构。锰锰铁铁氧氧体体约约为为80正正型型尖尖晶晶石石，这这种种离离子子分分布布随随热热处处理变化不大。理变化不大。图8

15、.11 石榴石结构的简化模型（只表示了元晶胞的1/8，O2-未标出）例如：稀土石榴例如：稀土石榴石型铁氧体石型铁氧体其通式为其通式为M3cFe2aFe3dO12，式中式中M为稀土为稀土离子或钇离子，离子或钇离子，都是三价。上标都是三价。上标c，a，d表示该表示该离子所占晶格位离子所占晶格位置的类型。置的类型。a离离子子八八面面体体位位置置，c离离子子占占据据十十二二面面体体位位置置，d离子四面体离子四面体每每个个晶晶胞胞包包括括8个个化化学学式式单单元元，共共有有160个个原原子子。a离离子子位位于于体体心心立立方方晶晶格格上上，c离离子子与与d离离子子位位于于立立方方体体的的各各个个面面。每

16、每个个晶晶胞胞有有8个个子子单单元元。每每个个a离离子子占占据据一一个个八八面面体体位位置置，每每个个c离离子子占占据据十十二二面面体体位位置置，每个每个d离子处于一个四面体位置。离子处于一个四面体位置。与与尖尖晶晶石石类类似似，石石榴榴石石的的净净磁磁矩矩起起因因于于反反平平行行自自旋旋的的不不规规则则贡贡献献：a离离子子和和d离离子子的的磁磁矩矩是是反反平平行行排排列列的的，c离离子子和和d离离子子的的磁磁矩矩也也是是反反平平行行排排列列的的。如如果果假设每个假设每个Fe3离子磁矩为离子磁矩为5B，则对则对M3cFe2aFe3dO12 净净3c（3d2a）3c5B每每个个电电子子自自旋旋磁

17、磁矩矩的的近近似似值值等等于于一一个个波波尔尔磁磁子子B(原原子子磁磁矩矩的的单单位位，是是一一个极小的量，约等于个极小的量，约等于9.27*10-24 A*m2）在亚铁磁性的石榴石系中，以钇铁石榴在亚铁磁性的石榴石系中，以钇铁石榴石石Y3Fe5O12（Y3Fe2Fe3O12）为首称为首称为磁性石榴石的一系列改进型物质，作为磁性石榴石的一系列改进型物质，作为高密度记录介质，在磁记录（磁泡材为高密度记录介质，在磁记录（磁泡材料）、光磁记录（光磁克尔效应材料）、料）、光磁记录（光磁克尔效应材料）、光通讯（单向波导，法拉第效应材料）光通讯（单向波导，法拉第效应材料）等领域，正成为较为活跃的研究对象。

18、等领域，正成为较为活跃的研究对象。磁学与电学各基本参量的类似性磁学与电学各基本参量的类似性磁学参量（磁路）磁学参量（磁路）名称名称单位单位名称名称单位单位磁通量磁通量 Wb电流强度电流强度IA磁通密度磁通密度BWb/m2电流密度电流密度JA/m2磁场强度磁场强度HA/m电场强度电场强度EV/m磁导率磁导率 H/m电导率电导率 磁阻磁阻Rm电阻电阻R 磁势磁势VmA电动势电动势VV3d壳层的电子结构壳层的电子结构元元素素原子序原子序数数21222324252627282930元素名元素名ScTiVCrMnFeCoNiCuZn磁性磁性顺顺顺顺顺顺反反反反铁铁铁铁铁铁反反反反电电子子的的壳壳层层结结

19、构构壳层结壳层结构构3d4s23d24s23d34s23d54s13d24s23d64s23d74s23d84s23d104s13d104s23d电子电子数及自数及自旋排布旋排布4s壳层壳层电子数电子数2221222212磁滞回线磁滞回线(B-H或或M-H)与电滞回线（与电滞回线（P-E)铁铁电电电电滞滞回回线线（PS为为自自发发极极化化强强度度，EC为为矫矫顽顽力）力）磁滞回线磁滞回线饱和磁化强度或最大磁感应强度或饱和磁通密度饱和磁化强度或最大磁感应强度或饱和磁通密度饱和饱和极化强度极化强度矫顽力矫顽力矫顽力矫顽力剩余磁化强度或剩余磁通密度剩余磁化强度或剩余磁通密度剩余极化强度剩余极化强度磁

20、畴（由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化磁畴（由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化而形成）而形成）电畴电畴磁畴壁磁畴壁电畴壁电畴壁自发磁化自发磁化自发极化自发极化矩形比：剩余磁化强度矩形比：剩余磁化强度/饱和磁化强度或饱和磁化强度或B(H1/2)/饱和磁饱和磁化强度化强度.AABB 电畴结构电畴结构 闭合磁畴闭合磁畴由由磁磁畴畴扩扩大大（b）及及磁磁化化矢矢量量（c）引引起起的的磁磁化过程，（化过程，（a）是退磁状态下的磁畴分布是退磁状态下的磁畴分布（在下方的磁化曲线标明了对应的阶段）（在下方的磁化曲线标明了对应的阶段）（a）（b）（c）HH可逆壁移可逆壁移不不可可逆逆壁壁移移

21、转向磁化转向磁化abcOHs HBs磁畴壁完全消失磁学各向异性例如：在某一宏观方向生长的单畴粒子，且其自发磁化强度被约束在该方向内，当在该方向上施加磁场时，会显示直角型的磁滞回线，而在与此垂直方向上施加磁场，则磁滞回线缩成线性，一般来说，软磁材料各向异性越小越好，而硬磁材料则根据具体应用多采用各向异性大的材料。（磁各向异性：磁化方向不同，内部能量会发生变化）磁泡结构磁泡结构通过分子束外延法在基板上生长膜，容易诱发垂直磁各向通过分子束外延法在基板上生长膜，容易诱发垂直磁各向异性（可能是由于稀土金属离子容易加入到特定的晶格格异性（可能是由于稀土金属离子容易加入到特定的晶格格点位置，使外延生长时，产

22、生特定的晶体学取向所致。点位置，使外延生长时，产生特定的晶体学取向所致。如在（如在（111）基板上通过液相外延法生长石榴石膜，造成垂）基板上通过液相外延法生长石榴石膜，造成垂直膜面的方向为易磁化轴。形成带状的磁畴结构。这种结直膜面的方向为易磁化轴。形成带状的磁畴结构。这种结构随外磁场的作用的加强，逐渐增加，磁化方向向下的带构随外磁场的作用的加强，逐渐增加，磁化方向向下的带状磁畴逐渐减少，在某一偏置磁场强度之下，形成圆柱形状磁畴逐渐减少，在某一偏置磁场强度之下，形成圆柱形孤立的磁畴。一般称这种磁畴为磁泡，当磁场进一步加大，孤立的磁畴。一般称这种磁畴为磁泡，当磁场进一步加大，则磁泡会消失。则磁泡会

23、消失。目前可以得到直径为目前可以得到直径为23微米的磁泡，从而有可能用于高微米的磁泡，从而有可能用于高密度信息记录，而且有希望用于计算机的高速存储器。密度信息记录，而且有希望用于计算机的高速存储器。无磁场作用无磁场作用 磁场作用磁场作用在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物质的各种磁性能；在工艺上要充分保证并提高质的各种磁性能；在工艺上要充分保证并提高磁性能；在应用上应充分发挥铁磁性材料的潜磁性能；在应用上应充分发挥铁磁性材料的潜力。铁磁性材料的几个重要的基本特性如下：力。铁磁性材料的几个重要的基本特性如下：（1）完全由物质本身（成分组成比）决定的特）

24、完全由物质本身（成分组成比）决定的特性性饱和磁化强度、饱和磁感应强度饱和磁化强度、饱和磁感应强度（2）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的特征特征磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为高的矫顽力）、矩形比高的矫顽力）、矩形比铁磁性材料：铁磁性材料：软磁（高磁导率材料）、软磁（高磁导率材料）、硬磁（剩磁大，高矫玩力材料，永磁体材料）硬磁（剩磁大，高矫玩力材料，永磁体材料）、矩磁（磁滞回线近乎于矩形）矩磁（磁滞回线近乎于矩形）高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强度高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强

25、度就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。（1）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能效率效率（2）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在于省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场的反转。于省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场的反转。（3）矫顽力要小，目的在于提高高频效率。）矫顽力要小，目的在于提高高频效率。（4）铁损要低，提高功能效率）铁损要低，提高功能效率（5）电阻率要高，提高高频性能，减小涡流损失）电阻率要高，提高高频性能，减小涡流损失（6）

26、磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声）磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声（7）作为基本特性的磁各向异性系数要低（无论在哪个）作为基本特性的磁各向异性系数要低（无论在哪个结晶方向都可以磁化）结晶方向都可以磁化）非晶态材料特征（1）从原子排布结构看，为长程无序，短程有序；（2）不存在位错及晶粒边界；（3）加热具有结晶化倾向；（4）电阻率比晶态高；（5）机械强度高，硬度大（6）受放射性物质辐照，性能劣化不明显（7）作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。由于电阻率高，涡流损耗小。非晶态磁性具有优良的综合软磁性材料特性。采用容易非晶化的物质采用容易非晶化的物质3d过渡金属过渡金属-非金属系：非金属系：Fe Co Ni B C Si P (Co-Fe-B-Si)3d-金属系金属系 ：Fe Co Ni Ti Zr Nb Ta(Co-Nb-Zr)过渡金属过渡金属-稀土类金属系：稀土类金属系：Gd,Tb,Dy,Nd（GdTbFe,TbFeCo）缺点：热稳定性差，大量生产存在一定困难，缺点：热稳定性差，大量生产存在一定困难，