固體磁性第三章教材

1、第三章第三章 固體材料中的固體材料中的磁有序磁有序3-1 鐵磁性鐵磁性Ferromagnetism 3-1-1 特性特性 1、T PM mostly. CT051010SM:CMCBCHH and HCTcTccMHH RRRMBM4,(or = )RBRM0圖36-23-1-2 FM 材料材料1、Materials: (1) 元素:9 ,(3 3d metals, Fe, Co, Ni; 6 4f metals), (2) 合金及化合物 : FM-FM, FM-NFM ( etc)AFM-NFM( etc ), TM(PM) NFM( FM); compounds ( 34ln,ScAu V

2、 Weak2,)CrO EuOS ferrites有機(jī)FM; Low-d, MML（磁性多層膜） and UTF（超薄膜）, UFP（超細(xì)顆粒）,FM半導(dǎo)體.AlFeSiFe,(MnAlCMnAlCu,2,2ZrZn(3) 特殊 FM2、應(yīng)用、應(yīng)用 (1) 軟磁材料2513( ) 1010 ,(1010)Celow HO Fe-Si, FeNi, Fe-Co-Ni, 等非晶合金, 立方鐵氧體.(2)硬磁材料. ( ), 六角鐵氧體,100CHOe217(),.XXSm FeNCetcAlnico , MnAlC, ,(3）磁及磁光記錄材料 : 等非晶膜 , CoCr 膜,Tb (Gd) -Fe

3、-Co, 顆粒膜 ( )341010CHOe2:10CHOe高f, 較好的 .sSmCo)(,11142172xxCTMNSmFeBFeNdCoSm(5) 傳感器、換能器等. Magnetoelastic, magnetostrictive,MR, GMR, magneto-caloric, etc. (4) 微波材料 (6) 自旋電子學(xué)（Spintronics）. 3-1-3 Weiss分子場(chǎng)理論分子場(chǎng)理論(MF), 局域模型局域模型1、基本假設(shè)、基本假設(shè):分子場(chǎng)導(dǎo)致自發(fā)磁化.MF :,.effJJJBeffHM HHMEg mH For T= 0K, M =0,.JBssJBMNg JNp

4、pg JT0K 時(shí)，磁能和熱運(yùn)動(dòng)能相競(jìng)爭(zhēng) 完全飽和 BJJNgM0H 應(yīng)該足夠大以致和熱運(yùn)動(dòng)能相當(dāng). 仿照對(duì)順磁性的處理，作用在磁矩上的有效場(chǎng)：仿照對(duì)順磁性的處理，作用在磁矩上的有效場(chǎng)：MHHe)(0JBMM BJJNgM0其中kTMHJgBJ/)(002000MHMNkTMM20000MNkTMMH時(shí)，當(dāng) 從布里淵函數(shù)求解自發(fā)磁化強(qiáng)度的圖解法：從布里淵函數(shù)求解自發(fā)磁化強(qiáng)度的圖解法： 隨溫度上升，隨溫度上升， 減小，自發(fā)磁化強(qiáng)度減小，自發(fā)磁化強(qiáng)度MS減小，當(dāng)減小，當(dāng)達(dá)到某一臨界溫度達(dá)到某一臨界溫度TC時(shí)，時(shí)，MS =0，鐵磁性消失。，鐵磁性消失。20031MNkTJJckJJNgTBJc3)1

5、(202 當(dāng)當(dāng)TTC時(shí)，材料呈鐵磁性時(shí)，材料呈鐵磁性)(0JSBMMcSBJTTMMJJkTMJgH/13/000時(shí)，)/13(00cSJSTTMMJJBMM)/(/13010MMBMMJJTTSJSc)(0cJSTTfMM 當(dāng)當(dāng)TMS(內(nèi)稟磁化內(nèi)稟磁化)dHdddBMdHdBMdHdMJJ)()(00)1 ()(00dHdMkTJgBMBJJkTJgBMkTJgBMBJJBJJ/)(1/)(0000)(13)(13JCJBJJTTCBJJkJJNgCBJ3)1(202其中 當(dāng)當(dāng)TTC時(shí)，無(wú)自發(fā)磁化，時(shí)，無(wú)自發(fā)磁化，MS=0，材料為順磁性，材料為順磁性1/130cSTTMMJJJJBJ31)(

6、kTMHJgBJ/)(0kTMHJgJJJNgBMMBJBJJ)(31)(00)()(3)1(022MHTCMHkTJJNgBJHCTCMpTCCTC有效Bohr磁子數(shù)=(1)JgJ J kNkJJNgCeffBJ33/) 1(22,C,) 1(222BJeffJJgeffp(If C-W Law becomes Curie law0H,cT(PM materials)2 、結(jié)論、結(jié)論(1) 局域電子鐵磁態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)局域電子鐵磁態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn):(3) For TM , ; 0) (Ji, 0)(ii(交換常數(shù) J0).,)2(0BSBJNpJNgMSp飽和Bohr磁子數(shù).,SJ , 2Jg,2SpS

7、（4）WhenHMp/0p,0KT sp整數(shù).sMHMMH)(, 03. 關(guān)于關(guān)于M0 , pS , peff , pc , TC and H 的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn) : 兩次外推. (a) Ms由高場(chǎng)的M-H曲線外推. 0M(b) M0 由低溫下的MS T外推(2),100BABSNAMNMp,densityatomicAWeight,.noAvogadroNA(3) C is obtained by ),/3 (2BeffNkCpTabove.CT,2SJgpJS. ) 1( JJgpJeff22(1),effJpg J JFor 3d elements ,(4)scpp /, 2Jg),2()22

8、(22cceffppsspcp.effpis 2s obtained from局域化模型,. 1/scpp非局域化模型, pc/ps 1.(5) :由TC附近的Ms-T曲線外推 (也可由其他曲線得到） CT,)T CTTTTT etc()CTK()K0M()SpH Fe1043110117432.216 3.13(4.2)42.291.03Co1388142814471.7153.13(3.21)32.291.34Ni6276505210.6061.6220.91.49Gd293.2131719807.557.9877.040.93(6) Some dataspeffpcpscpp /)104

9、,(2MAG)(B)(B)(B)(B(7) MF理論的一些問(wèn)題理論的一些問(wèn)題*,exp,CCTeriments T短程有序.ssscppHppp,)(,整數(shù)*3d metals: 3-1-4 巡游電子鐵磁性巡游電子鐵磁性1、 物理圖象物理圖象NNUEex0U導(dǎo)致能帶劈裂exE2NNN劈裂前，nNNnNN2,2劈裂后，02nUEex交換能變化2. Stoner 判據(jù)判據(jù).動(dòng)能的變化)(2ENnnEEik能量的總變化)(22ENnnUEEEikex)(1 ()(2ENUENnii出現(xiàn)鐵磁性的條件1)(ENUi即：0E)(422ENmEiBk能量的總變化224BexmUE時(shí)無(wú)自發(fā)磁化。加外磁場(chǎng)如果,

10、 1)(ENUimHEH0HmENUENmEiiB022)(1 ()(4得由能量極小條件, 0mE)(1)(2)(1)(22002ENUENHENUENmiiBiiB交換增強(qiáng)順磁性(2) 傳導(dǎo)電子系統(tǒng)鐵磁性條件 , large； (3) 增強(qiáng)的順磁性 N(E ) large. F(1) 判據(jù):1)(ENUi0U11)(PaulipepeSome theoretical valuesFE11 LiVFeCo(fcc)NiPdN( )0.481.643.062.014.062.312.252.24-2-1.5-0.95 Actually FM TM: 1, 011Exchange energy o

11、f CE of Li etc. is larger than Fe, Co, Ni !But N( EF ) is small ! (1) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)ddsp 334sFe4.82.60.6 2.2Co5.03.30.71.7Ni5.04.40.60.63. 電子分布及飽和磁矩電子分布及飽和磁矩(2) Experimental values of s (neutron diffraction)spspLpspinpsp p(3d)p(4s)gFe2.39-0.212.182.0910.09182.2142.216Co1.99-0.281.7152.1870.14721.5681.715Ni0.6

12、2-0.1050.5152.1830.05070.5630.606(1) 可依據(jù)可依據(jù)Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)計(jì)算出統(tǒng)計(jì)計(jì)算出Ms-T, -T, Tc.(2) 問(wèn)題問(wèn)題 .計(jì)算出的Tc偏高。 計(jì)算結(jié)果Tc: Fe :4400-6200K, Co: 3300-4800K, Ni:2900K. Tc 以上-T不同于居里-外斯定律. 4. results3-2 反鐵磁性反鐵磁性Antiferromagnetism (AFM) 亞鐵磁性亞鐵磁性Ferrimagnetism (FIM)3-2-1 AFM 1、 特性.T ,PM態(tài), NT化合物 ,局域磁矩, PCTP 0 K, 0(1)(2) (3)T

13、 = TN, = max.金屬中, 巡游電子, 較復(fù)雜.)(T2、AFM材料材料.(1) (TM)和,元素形成的化合物, 如 MnO, MnS, MnF2, MnTe, FeF2, Fe Cl2, FeO, CoCl2, CoO, NiO. (2)TM 及其合金, Mn( ), (bcc): FM? , ABNTMn:T705 C, o,MnMn (fcc). From Cu-Mn alloy,TN=207 C and oBA25. 2Cr(bcc) : =312K. 磁矩在晶格中波動(dòng)分布. NTNT Fe(T910 C, fcc): 40K ?MnAu2 , Pt3Fe etc. 螺旋式AF

14、M. 大部分RE金屬顯示螺旋式及其他復(fù)雜自旋結(jié)構(gòu)的AFM 和FIM.T1100 C,3 、理論解釋、理論解釋?zhuān)?）局域磁矩,次晶格模型. 次晶格:0.ijiioJiiMM B iiiBijjjg JHMkTiiMM ,jjijiMHH每個(gè)次晶格的 行為類(lèi)似于鐵磁性jM When H=0, butNTT jiMM 0iiMM 每個(gè)次晶格 服從 C-W law,NTT . 0,H總的M也服從 C-W law.兩次晶格為例iM),(2ABAMMHTCM)(2BABMMHTCM,3/) 1(22kJJNgCBjBAMMMPTCCP)(21 Even H = 0.,NTT 0,BAMMCTN)(21(2

15、) 金屬與合金金屬與合金. 巡游電子巡游電子. TM巡游電子次晶格理論. (a)擴(kuò)展的 Stoner模型. AFM 判據(jù) 2 N 1. 2BFE(b) 自旋密度波（SDW）理論. 由于交換作用導(dǎo)致自旋密度為波動(dòng)分布，正、負(fù)自旋電子的空間分布不均勻. A.W.Overhauser. P.R.128,1437(1962), PRL4,462(1960) CrGround stateSuppose n+ and n- are all positive number. When n+ n- , m is up, while n+ n- , m is down.(3) 磁晶各向異性磁晶各向異性. 單晶中

16、的自旋突轉(zhuǎn)單晶中的自旋突轉(zhuǎn)rotation HHijMM:./:/,NTT :/(i) When H / one easy axisH parallel to , antiparallel to AM.BM),(0AJABMMkTMMHJgABBJA/ )(),(0BJBBMMkTMMHJgBABJB/ )(AMSlightlyBMHMMBA/,NT.1/AtWhen TTN, .00./KatTwithdecrease(ii) When easy axis, rotation.H:0)(BAAAMMHMHHM02sincos2AAMHM,/sin2HMMAH.1./(iii) Spin Fl

17、op(4) AFM疇疇. (5) AFM/FM雙層膜或顆粒中的雙層膜或顆粒中的AFM/FM界面相互作用界面相互作用, 交換各向異性及交換偏置交換各向異性及交換偏置, 磁滯回線的位移磁滯回線的位移. H(a )(b )HE asyax isM-30-20-100102030-1.0-0.50.00.51.0-30-20-100102030-1.0-0.50.00.51.0 fitted loop H(Oe) exp dataM/Ms 3-2-2亞鐵磁性亞鐵磁性Ferrimagnetism FIM。特性. 未完全補(bǔ)償?shù)腁FM. 1、（1）TTC PM態(tài), MS=0, -T與 FM材料不同. FIM

18、 材料 2、（1） 化合物. 鐵氧體鐵氧體: 尖晶石尖晶石 ( etc. ), 3434Fe O ,MFe O石榴石石榴石 ( （良好的微波材料） 六角六角 (M type: Ba Fe12O19 Y, Z, W type etc.),其他化合物.REROFeR,1253and1253)oFeYY(2) HRE-TM 合金(3) RE metals3、次晶格、次晶格Neel理論理論 MS0 at T T0 at TTc: 1/=T/C + 1/0 + /(T-),3-2-3 RE金屬磁性金屬磁性1、 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 (3) 復(fù)雜的磁相邊, e.g. FM-AFM-PM. (4) 復(fù)雜的磁有序

19、 (磁結(jié)構(gòu)) 從La(57, 4f0)到Lu(71, 4f14 ), 幾乎所有具有未滿(mǎn)4f殼層的在低溫下都有磁有序.與TM形成的合金有巨大的技術(shù)價(jià)值。 永磁材料 (LRE-TM); 磁光存儲(chǔ)介質(zhì)(HRE-TM).2. RE金屬的磁結(jié)構(gòu)及相變金屬的磁結(jié)構(gòu)及相變 REMag-structures, and (K) cTNTPMKTN5 .12.Ce(58)AFM (FIM in c-plane, AFM interplane) PrAFM (similar to Nd?) PMKTN20.Nd FM or FIM AFMKTC5 . 7.(FM in plane,AFM interplane) P

20、MKTN19.Sm ? AFMK14.?EuAFM(SSS) PMKTN90.(similar to Nd)PMK ?106GdFM(/c-axis,T248K deviate from c) PMKTN289.TbFM(/c-plane) PMSSSAFMKTKTNC230.218.)(DyFM(/c-plane) PMSSSAFMKTKTcN179.90.)(Ho FM(FS)* PMSSSAFMKTKTNc133.20.)(ErFM(FS)* PMSLSWAFMCSAFMKTKTTcNN56.52.20.21)()(Tm(69) FM(APD)* PMSLSWAFMKTKTcN56.22.)(, (Up moment in 4 layers,down in 3).SSS: Simple Spiral S.FS: FM Spiral CS: Complex Spiral. SLSW: St.Longi.SW APD:Antiphase Dom. FM 非共線 SSS: 簡(jiǎn)單螺旋結(jié)構(gòu). FS: 鐵磁螺旋結(jié)構(gòu)或錐面結(jié)構(gòu). CS: 復(fù)雜螺旋結(jié)構(gòu)或反