磁性物理学Lecture7.

磁性物理Ferromagnetism铁磁性物质的基本特征1、铁磁体内存在按磁畴分布的自发磁化2、，可达10～106数量级，加很小的外场即可磁化至饱和（原因即是存在自发磁化）。3、M—H之间呈现磁滞现象，具有Mr。4、存在磁性转变温度Tc——居里温度5、在磁化过程中表现出磁晶各向异性与磁致伸缩现象。1f磁性物理Ferromagnetism直接交换作用(Directexchange)铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用一、交换作用模型rarBarrb电子a电子b核A核BR磁性物理Ferromagnetism对于基态，要求（以满足能量最低原则），1.若A0,则，自旋反平行为基态（反铁磁性或亚铁磁性）；0cosbabaSSSS考虑自旋20abEASS　2.若A0,则，自旋平行为基态（铁磁性）；cos0ababSSSS3.若A=0，系统能量与近邻电子磁性壳层中电子相对取向无关，因此物质呈顺磁性。磁性物理Ferromagnetism铁磁性条件1、必要条件：原子具有固有磁矩（有磁性壳层）2、充分条件：A021222**ddrerererrrrAjiijjjjiijiirij：电子i与j间的距离；ri(rj)：i(j)电子与自己核间的距离。∴A=f(rij、ri、rj），且A与波函数性质有关。磁性物理Ferromagnetism超交换作用(Superexchange)对于反铁磁性与亚铁磁性的晶体（如：NiO、FeF2、Fe3O4），磁性离子间的交换作用是以隔在中间的非磁性离子为媒介来实现的。——超交换作用一、超交换作用原理（以MnO为例）Mn2＋：3s23d5，L＝0，S＝5/2，μ＝2SμB＝5μBO2－：1s22s22p6,L=0，S=0，μ＝0磁性物理Ferromagnetism1.基态时，O2－无磁性，无法自发磁化。2.处于激发态：O2－的一个激发态跃到近邻的Mn2＋中去，使O2－→O1－（L＝1，S=1/2，μ0），故O1－可以与邻近的Mn2+的3d电子发生直接交换作用。Mn2+Mn2+O2－d1d2P’P基态Mn2+Mn+O－d2d1d1’P激发态(A0)由O－与Mn2+的直接交换积分A0。由此导致了O2－两侧成180o键角耦合的两个Mn2+的自旋反平行排列。磁性物理FerromagnetismChapter4.MagneticAnisotropy磁性物理FerromagnetismFe单晶磁化曲线易轴难轴磁晶各向异性(MagnetocrystallineAnisotropy)磁性物理FerromagnetismNi单晶磁化曲线易轴难轴磁性物理FerromagnetismCo单晶磁化曲线易轴难轴磁性物理Ferromagnetism由磁化曲线和M坐标轴之间所包围的面积确定。称这部分与磁化方向有关的自由能为磁各向异性能。磁化过程中的磁化功000dMMmWAHM磁各向异性类型：磁晶各向异性、形状各向异性、感生各向异性、应力各向异性、交换各向异性磁各向异性能的表示磁性物理Ferromagnetism沿不同晶轴方向的磁化功之差就是代表不要方向的磁晶各向异性能之差。磁化过程中的磁化功000dMMmWAHM由于磁晶各向异性的存在，如果没有其它因素的影响，显然自发磁化在磁畴中的取向不是任意的，而是在磁晶各向异性能最小的各个易磁化方向上。磁晶各向异性0[111]0[100]1VssMMKHdMHdM立方晶体磁晶各向异性常数：0[1010]0[0001]1VssMMKHdMHdM六角晶体磁晶各向异性常数：磁性物理Ferromagnetism在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能。磁晶各向异性(Anisotropy)实际上在磁性材料中，自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向，该方向称为易轴。当施加外场时，磁化强度才能从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向异性。磁性物理FerromagnetismxyzwC轴C面Is2412sinsinkuuFKK六角晶系磁晶各向异性能磁性物理FerromagnetismxyzMs(123)222222222011223312123()kFKKK[100]：1=1,2=0,3=0Fk=0[110]：1=0,2312[111]：12313K1,K2分别为磁晶各向异性常数，求几个特征方向的各向异性能，(一般设：K0=0）[001][110]14kKF12327kKKF立方晶系磁晶各向异性能磁性物理Ferromagnetism由于磁晶各向异性能的存在，在不施加外磁场时，磁化强度的方向会处在易磁化轴方向上，如果磁化强度偏离易磁化轴，它会受到一个力矩作用，把它拉回易磁向，这相当于在易磁化轴方向上存在一个等效磁场Hk。00,1sinKKSFHM00cossinkSKkSKFMHFMH在很多情况下，用磁晶各向异性等效场的概念来讨论磁晶各向异性的影响会方便得多。4.4磁晶各向异性等效场：Hk磁性物理Ferromagnetism102uksKHM得到：b.c面为易磁化面时：1202(2)uuksKKHMa.c轴为易磁化轴六角晶系情况：2412sinsinkuuFKK11000012sincos2cossinsinKuuKSSSFKKHMMM磁性物理FerromagnetismxyzIs1,2,3用,耒表示,102ksKHMa.100易轴立方晶系磁晶各向异性能为方便讨论也可表示为22222221122331123422222k1()....sincossinsincossincossinsincos....kFKKFKK使用上式可以推出Hk磁性物理Ferromagnetismb.110易轴：磁化强度的有利转动晶面分别是(100)和(110)面xyzHk011Is(1)在(100)面上，Ms转动求Hk(100)10sinsin42kskFKMH得到102ksKHMHkxyzIs(2)在(110)面上，Ms转出角，用转矩求Hk10sin(2sin23sin4)8kskFKMH)6sin34sin42sin(642K1201()/2ksHKKM110磁性物理FerromagnetismC.111为易轴：1sin2sin(22)3sin(44)8kskFKMH)66sin(3)44sin(4)22sin(642K2104()/33ksKHKMxyzHAIs111注意：磁晶各向异性场仅是一种等效场，其含义是当磁化强度偏离易磁化方向时好像会受到沿易磁化方向的一个磁场的作用，使它恢复到易磁化方向。因此，即使对于同一晶轴，当在不同的晶面内接近晶轴时，磁晶各向异性场的大小是不同的。磁性物理Ferromagnetism4.5磁晶各向异性的来源磁性物理Ferromagnetism磁性物理Ferromagnetism铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。由磁致伸缩导致的形变l/l一般比较小，其范围在10-510-6之间。虽然磁致伸缩引起的形变比较小，但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中，仍是一个很重要的因素。应变l/l随外磁场增加而变化，最终达到饱和。产生这种行为的原因是材料中磁畴在外场作用下的变化过程。每个磁畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发的形变e。且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致样品整体上的形变。2cosellH磁致伸缩磁性物理Ferromagnetism磁致伸缩的机理