磁性物理总结

零．引言1.磁性：物质在非均匀磁场中受到作用μ是磁矩2.磁性物理研究的不是磁性起源的问题，而是各种磁性表现的起因问题。一．磁学基础知识1.基本磁学量a.磁场：B：磁通密度或磁感应强度，单位：特斯拉（T=N•A-1m-1=Wb•m-2）H：磁场强度，单位：A•m-1真空磁导率：b.物质的磁化状态：M：磁化强度：单位体积的磁矩，单位：A•m-1J：磁极化强度：单位体积的磁偶极矩，单位：特斯拉（T=N•A-1m-1=Wb•m-2）二者关系：介质方程：χ是物质的磁化率，此处为单位体积磁化率，无量纲。另外还有两种定义：c.有磁介质时：μ0：真空磁导率。μ：相对磁导率，简称磁导率。d.单位制：2.孤立原子磁矩a.轨道磁矩μB：玻尔磁子，b.自旋磁矩证明：Stern-Gerlah实验（银原子），Dirac相对论量子力学。电子的内禀性质c.原子的电子分布满足：1.Pauli不相容原理；2.能量最小原理L-S耦合两个电子为例：d.基态的确定——洪德法则1.S最大；2.L最大；3.小于等于半满J最小，反之最大。e.4f元素比较符合；3d元素只是自旋的贡献，因为受晶场作用，轨道角动量冻结3.宏观物质的磁性分类依据：磁化率的正负、大小及其与温度的关系分类范围：晶体固体a.抗磁性最基本特征是磁化率为负值且绝对值很小，一般是常数，不随温度、磁场而变化。b.顺磁性最基本特征是磁化率为正值且数值很小，一般是温度的函数，服从居里-外斯定律c.铁磁性磁化率很大，是温度和磁场的函数，存在居里温度Tc，居里温度附近出现比热等反常，存在磁滞效应。d.反铁磁性存在磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。转变温度一般很低。e.亚铁磁性T很高时趋近于反铁磁，T较低时趋近于铁磁。上面几种磁有序结构都是共线的。f.螺旋型磁结构g.超顺磁性h.散磁性i.其他：近藤效应、自旋玻璃态、混磁性、不均匀铁磁性4.强磁材料的宏观磁性质a.退磁状态和退磁方法退磁状态：无外磁场时，M=0的状态退磁方法：交流退磁，形变退磁，热退磁b.磁化曲线（M-H曲线，B-H曲线）饱和磁化强度MS起始磁化率，起始磁导率最大磁化率，最大磁导率c.磁滞回线饱和场Hmd.饱和磁化强度-温度关系e.磁能积BHf.静磁能外磁场能：退磁能：5.磁性体的热力学基础磁化功：6.配分函数二．抗磁性和顺磁性1.正常抗磁性的经典解释：Langevin理论离子实的轨道电子在外磁场中感应产生的。2.正常顺磁性的半经典解释离子实产生的原子磁矩在外磁场中的取向效应。a.Langevin经典顺磁性理论外磁场能和热运动能的共同作用，磁矩服从Boltzmann分布，弱场下：由磁化率测量可以确定原子磁矩b.Langevin模型的修正考虑磁矩的空间量子化，弱场下：3.晶场效应和轨道冻结及对原子磁矩的影响晶场效应是顺磁离子与近邻其他离子之间的静电相互作用，它使旋轨耦合被破坏。4.VanVleck顺磁性第一项是取向顺磁磁化率，相当于Langevin经典结果；第二项是激发态对顺磁性的贡献，与温度基本无关，来源于磁场对电子云的形变，即二级微扰使激发态混入基态，使电子态发生微小的变化所致。5.传导电子的磁效应——非铁磁性金属的弱磁性质a.Landau抗磁性——电子能级在磁场作用下的改变电子能量在外磁场作用下量子化，引起导体能量随磁场强度的变化，从而表现出抗磁性。只有费米面附近的电子才对抗磁性有贡献，磁化率与温度无关。b.Pauli顺磁性——磁场作用使自旋向上和向下的态密度发生变化来源于费米面附近的电子自旋磁矩在外磁场中的取向效应，与温度无关。c.关系：d.金属的磁性离子抗磁性，导电电子抗磁性、顺磁性。e.周期表中大多数过渡族金属磁化率显著高于碱金属的磁化率，表明过渡金属的态密度特别大，这和电子热容的实验结果是一致的。f.对弱磁性物质的研究要特别注意含有极少量铁磁物质的可能，顺磁物质中的铁磁杂质会完全混乱磁性的真相。g.材料中原子的电子态和磁性与孤立原子相比发生了很大变化，首先是由于键合使外层电子发生变化，其次是晶体电场效应引起材料中电子态发生变化。h.在过渡金属中，d电子能级也变成能带，d带和s带的重叠使d和s带中的电子数与孤立原子不同，磁矩也会发生变化三．自发磁化理论1.铁磁性的“分子场”理论自发磁化强度随温度上升而逐渐下降，在居里温度至零。在T0.8Tc后，饱和磁化强度（存在外磁场）与自发磁化强度差别不大。低温区：分子场理论不能予以解释，自旋波理论才能解释。高温区：，分子场给出β=1/2，实验确定β≈1/3分子场理论建立在对局域磁矩认识的基础上，传导电子磁矩不太适合用分子场理论。分子场不是磁场，而是交换场。2.Heisenberg直接交换作用模型，能量依赖电子自旋取向。交换能：，A0是可能出现铁磁性的充分条件，必要条件是原子中具有未充满的电子壳层。交换能与磁矩间的联系完全是泡利原理的结果。，Z是最近邻原子数目，N是单位体积的原子数。分子场是对电子间交换作用的平均场近似。假定只有自旋对磁矩有贡献：居里温度正比于交换积分。Heisenberg模型的贡献在于揭示了分子场的本质，定性地给出了发生铁磁性的条件。铁磁性判据：1.要轨道量子数l大的未满的电子壳层（d或f）；2.这些壳层的半径比起晶格中原子核间的距离来要小。3.Bloch自旋波理论自旋波是晶格中自旋的相对取向的振动。一个自旋的翻转不是简正模式，所有自旋的运动将耦合在一起。低温下自发磁化强度随温度T变化：BlochT3/2定律（比热也符合T3/2定律）50年代后期由中子非弹性散射直接观察到，铁磁共振，布里渊散射也可以观测Bloch自旋波方法和Heisenberg理论同样都建立在局域磁矩（局域电子）模型基础上，认为原子磁矩来源于未满壳层的电子自旋。但Bloch理论和Heisenberg理论目的不同，考虑的不是形成自旋磁矩有序排列的机制，而是磁矩有序排列后的行为。局域磁矩并不是自旋波理论的必要基础，从巡游电子模型也可以导出自旋波的存在。4.金属铁磁性的能带模型及巡游电子理论a.每个磁性原子具有一个固定大小的磁矩，是近邻原子中电子之间的静电交换作用使其磁矩保持一定取向，从而实现磁有序状态的，我们称之为局域电子模型。b.同一原子内3d电子自旋通过原子内交换作用相互耦合形成有序排列，它在巡游期间电子自旋的方向保持不变，这又会和另外一个原子内的3d电子自旋相互耦合而有序，于是形成铁磁性。由于这种耦合来自原子内电子之间的交换作用，所以3d金属的居里点比较高。3d电子既不像4s电子那样可以用自由电子近似来处理，也不像4f电子那样可以完全看作是局域电子，所以我们称之为巡游电子。c.Stoner判据：0K出现铁磁性的稳定条件其中，U是同一格点周围能带电子之间的库仑作用能，g(EF)是费米面处电子态密度。Stoner判据的由来：使电子翻转必须要求交换能的降低超过动能的提高d.自旋涨落则与磁化强度随位置的局部变化有关，涉及的是电子自旋的短程序，随着温度增高，自旋短程序会变得越来越重要，因此必须通过考虑自旋涨落及自旋涨落不同模式之间的耦合作用来改进Stoner模型。e.局域电子模型是把实空间里的局域电子态作为讨论的出发点，而巡游电子模型则是把倒易空间里的局域电子作为自己的出发点5.反铁磁性的“分子场”理论Neel“定域分子场”理论在低于TN的任何温度区域，虽存在自发磁化，但又不表现出自发磁化强度，这是反铁磁性的基本特征之一。6.亚铁磁性的“分子场”理论抵消点：随着温度的提高，原来磁矩较大的次点阵下降较快，而原来磁矩较小的次点阵，下降较慢，通过抵消点后，磁矩反而超过原来较大的次点阵，这会造成磁体在外磁场中反向。在抵消点温度，虽然磁化强度也为零，但和居里温度点是不同的，超过居里温度后，自发磁化强度一直都会为零，但超过抵消点温度后，自发磁化强度又会不为零。两者的差异还表现在其它物理性质上。7.间接交换作用模型a.超交换作用模型（Anderson）——离子键MnO的反铁磁性：氧离子的p电子为媒介。b.半共价键交换作用模型（goodenough）c.双交换相互作用模型（Zener）这是以氧原子作为中间媒介，两个不同价态的过渡族离子间的交换相互作用，电子在三个离子之间的连续换位的可能条件是两个Mn离子的磁距平行排列。La1-xCaxMnO3中，Mn3+离子的电子通过氧原子作为中间媒介跳入到Mn4+离子，使Mn3+离子与Mn4+离子间呈铁磁性耦合。1994年，这类材料被发现在居里温度附近伴有金属—半导体相变和庞磁电阻效应，TTC时，该材料呈铁磁性和金属型导电，而且这个导电是自旋极化电子的导电。TTC时，呈顺磁性，且电导呈绝缘体型温度关系。d.铁氧体中的间接交换作用阳离子和氧离子间的距离比较短，阳离子-氧离子-阳离子之间夹角更接近180度时间接交换作用比较大。Zn原子的加入，大大降低了A-B之间的交换作用，使居里温度迅速下降。8.RKKY交换作用模型RKKY模型是目前已经公认的解释稀土金属和合金铁磁性起因的理论，可以认为是金属中的间接交换作用。局域电子之间通过传导电子作媒介而产生交换作用的机制很适合于解释稀土金属的自发磁化：局域电子与传导电子之间存在交换作用，导致传导电子的自旋极化，从而发生局域电子之间的间接交换作用。金属中的反铁磁性是由自旋密度波产生的。9.小结四．磁畴结构磁畴是磁体中沿某一方向饱和磁化的微小区域，铁磁体的磁畴大小一般在微米量级1.影响磁化状态的相关能量强磁物质中出现磁畴，以及在外磁场中磁畴结构的变化都是满足平衡状态下自由能最小条件的结果。a.交换能b.磁晶各向异性能•易磁化轴•沿不同晶轴方向的磁化功之差就是代表不同方向的磁晶各向异性能之差。•磁晶各向异性等效场•磁晶各向异性的机理：由于自旋-轨道耦合作用使非球对称的电子云分布随自旋取向而变化，因而导致了波函数的交迭程度不同，产生了各向异性的交换作用，使其在晶体的不同方向上能量不同。•磁晶各向异性是由自发磁化强度和晶格之间的相互作用产生的，因而自发磁化强度的温度关系将导致磁晶各向异性的温度变化。此外，晶格的热膨胀，磁性原子电子态的热激发，化合价态的温度依赖性等，都会影响磁各向异性。c.与磁致伸缩现象相关的磁弹性能和应力能铁磁性物质的形状在磁化过程中发生弹性形变的現象，叫磁致伸缩。d.其他磁各向异性能磁场退火效应、形状各向异性、交换各向异性、光感生磁各向异性、轧制磁各向异性。2.畴壁结构和畴壁能畴壁的性质往往影响着磁畴的结构。a.畴壁及畴壁分类在两个相邻磁畴之间原子层的自旋取向由于交换作用的缘故，不可能发生突变，而是逐渐的变化，从而形成一个有一定厚度的过渡层，称为畴壁。按畴壁两边磁化矢量的夹角来分类，可以把畴壁分成180壁和90壁两种类型。b.Bloch壁的结构特性和畴壁能在大块晶体中，当磁化矢量从一个磁畴内的方向过渡到相邻磁畴内的方向时，转动的仅仅是平行于畴壁的分量，垂直于畴壁的分量保持不变，这样就避免了在畴壁的两侧产生磁荷，防止了退磁能的产生。这种结构的畴壁称作Bloch壁。90º畴壁取向应为相邻两畴自发磁化强度夹角的平分面。畴壁厚度主要取决于交换能与各向异性能的平衡。畴壁宽度参量：畴壁能密度单位：畴壁厚度：单位面积畴壁能量：c.Neel壁的结构和畴壁能多发生在大块材料中，后者壁内的自旋取向始终平行于薄膜表面转向，在畴壁面内产生了磁荷和退磁场，但在样品表面没有了退磁场。Fe-Ni合金薄膜：d.十字壁e.畴壁的动态性质3.畴壁结构a.影响磁畴结构主要因素的定性考虑决定于体内畴壁能与表面退磁场能的平衡，相应的自由能极小。b.单轴各向异性晶体的磁畴结构c.立方晶体材料中的磁畴结构必须考虑自发磁化引起的形变产生的磁弹性能的影响，封闭磁畴结构的能量较低。d.单畴颗粒铁磁颗粒小到某一尺寸，它形成畴壁后的畴壁能大于颗粒的退磁能时，铁磁颗粒将保持为单畴结构。e.反铁磁物质的磁畴反铁磁物质也有磁畴，但和减小退磁场的原因无关，是晶格不完整性造成的。4.磁畴的观察a.磁畴结构的观察历史和粉纹法Bitter粉纹法（1931年）：胶体中的铁磁性颗粒b.磁光方法克尔效应是