固體磁性第三章

固體磁性第三章第1頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3-1鐵磁性Ferromagnetism

3-1-1特性1、T<,FM態(tài):，“易”飽和,M*非線性M-H曲線及磁滯回線

2、T>PMmostly.(or=)第2頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四圖36-2第3頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3-1-2FM材料1、Materials:

(1)元素:9,(33dmetals,Fe,Co,Ni;64fmetals),(2)合金及化合物:FM-FM,FM-NFM(etc))AFM-NFM(etc),TM(PM)–NFM(FM);compounds(有機FM;Low-d,MML（磁性多層膜）andUTF（超薄膜）,UFP（超細顆粒）,FM半導體.(3)特殊FM第5頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四2、應用(1)軟磁材料Fe-Si,Fe–Ni,Fe-Co-Ni,等非晶合金,立方鐵氧體.(2)硬磁材料.(),六角鐵氧體,Alnico,MnAlC,,(3）磁及磁光記錄材料:

等非晶膜,CoCr膜,Tb(Gd)-Fe-Co,顆粒膜()高,較好的.第6頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(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（Spintronics）.第7頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3-1-3Weiss分子場理論(MF),局域模型1、基本假設(shè):分子場導致自發(fā)磁化.MF:ForT=0K,M=T≠0K時，磁能和熱運動能相競爭完全飽和H應該足夠大以致和熱運動能相當.第8頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四 仿照對順磁性的處理，作用在磁矩上的有效場：第9頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四 從布里淵函數(shù)求解自發(fā)磁化強度的圖解法：第10頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四 隨溫度上升，減小，自發(fā)磁化強度MS減小，當達到某一臨界溫度TC時，MS=0，鐵磁性消失。第11頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四 當T<TC時，材料呈鐵磁性第12頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四 當T<TC時，外場H0時，M>MS(內(nèi)稟磁化)第13頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四 當T>TC時，無自發(fā)磁化，MS=0，材料為順磁性第14頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四有效Bohr磁子數(shù)=(IfC-WLawbecomesCurielaw(PMmaterials))第15頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四2、結(jié)論(1)局域電子鐵磁態(tài)判斷標準:(3)ForTM,(交換常數(shù)J>0).飽和Bohr磁子數(shù).（4）When整數(shù).第16頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3.關(guān)于M0,pS,

peff,

pc,

TC

andHλ的實驗:兩次外推.(a)Ms由高場的M-H曲線外推.(b)M0

由低溫下的MS–T外推(2)Weight,(3)Cisobtainedbyabove第17頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四For3delements,(4)is2sobtainedfrom局域化模型,非局域化模型,pc/ps

>1.第18頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(5):由TC附近的Ms-T曲線外推(也可由其他曲線得到）第19頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四

Fe1043110117432.2163.13(4.2)42.291.03Co1388142814471.7153.13(3.21)32.291.34Ni6276505210.6061.6220.91.49Gd293.2131719807.557.9877.040.93(6)Somedata第22頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(7)MF理論的一些問題*短程有序.整數(shù)*3dmetals:第24頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第25頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3-1-4巡游電子鐵磁性1、物理圖象第27頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四2.Stoner判據(jù).第28頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(2)傳導電子系統(tǒng)鐵磁性條件

①,large；(3)增強的順磁性

②N(E)large.(1)判據(jù):第31頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四Sometheoreticalvalues

LiVFeCo(fcc)NiPdN()0.481.643.062.014.062.312.252.24-2-1.5-0.95ActuallyFMTM:>1,<0ExchangeenergyofCEofLietc.islargerthanFe,Co,Ni!ButN(EF)issmall!第32頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(1)實驗

334sFe4.82.60.6

2.2Co5.03.30.71.7Ni5.04.40.60.63.電子分布及飽和磁矩第33頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(2)Experimentalvaluesof’s(neutrondiffraction)

p(3d)p(4s)gFe2.39-0.212.182.0910.09182.2142.216Co1.99-0.281.7152.1870.14721.5681.715Ni0.62-0.1050.5152.1830.05070.5630.606第34頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(1)可依據(jù)Fermi-Dirac統(tǒng)計計算出Ms-T,χ-T,Tc.(2)問題.計算出的Tc偏高。計算結(jié)果Tc:Fe:4400-6200K,Co:3300-4800K,Ni:2900K.Tc以上χ-T不同于居里-外斯定律.

4.results第35頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第36頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第37頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3-2反鐵磁性Antiferromagnetism(AFM)亞鐵磁性Ferrimagnetism(FIM)3-2-1AFM

1、特性.T<,AFM態(tài),=0--

WhenTT>,PM態(tài),化合物,局域磁矩,<0K,(1)(2)(3)T=TN,=max.第38頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四金屬中,巡游電子,較復雜.第40頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第42頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第43頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四2、AFM材料.(1)(TM)和Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ元素形成的化合物,如MnO,MnS,MnF2,MnTe,FeF2,FeCl2,FeO,CoCl2,CoO,NiO.(2)TM及其合金,Mn(),(bcc):FM?Mn:T<705C,o=1.9,1.78,0.6,0.25,~95-100K.復雜體心立方結(jié)構(gòu)，4sites,T>705C,oMn(fcc).FromCu-Mnalloy,TN=207CandoCr(bcc):=312K.磁矩在晶格中波動分布.Fe(T>910C,fcc):~40K?MnAu2,Pt3Feetc.螺旋式AFM.大部分RE金屬顯示螺旋式及其他復雜自旋結(jié)構(gòu)的AFM和FIM.T>1100oC,第44頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3、理論解釋（1）局域磁矩,次晶格模型.次晶格:每個次晶格的行為類似于鐵磁性第45頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四WhenH=0,but每個次晶格服從C-Wlaw,總的M也服從C-Wlaw.兩次晶格為例EvenH=0.第46頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(2)金屬與合金.巡游電子.巡游電子次晶格理論.(a)擴展的Stoner模型.AFM判據(jù)2N>1.第47頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(b)自旋密度波（SDW）理論.由于交換作用導致自旋密度為波動分布，正、負自旋電子的空間分布不均勻.A.W.Overhauser.P.R.128,1437(1962),PRL4,462(1960)CrGroundstateSupposen+andn-areallpositivenumber.Whenn+>n-,misup,whilen+<n-,misdown.第48頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(3)磁晶各向異性.單晶中的自旋突轉(zhuǎn)rotation(i)WhenH//oneeasyaxisHparallelto,antiparalleltoSlightlyAtWhenT<TN,第49頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(ii)Wheneasyaxis,rotation.(iii)SpinFlop第50頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四(4)AFM疇.(5)AFM/FM雙層膜或顆粒中的AFM/FM界面相互作用,交換各向異性及交換偏置,磁滯回線的位移.第51頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3-2-2亞鐵磁性FerrimagnetismFIM。特性.未完全補償?shù)腁FM.1、（1）T<TCAFM結(jié)構(gòu)，MS≠0,MS-T與FM不同.（2）T>TCPM態(tài),MS=0,-T與FM材料不同.FIM材料2、（1）化合物.鐵氧體:

尖晶石(etc.),石榴石(（良好的微波材料）

六角(Mtype:BaFe12O19Y,Z,Wtypeetc.),其他化合物.and(2)HRE-TM合金(3)REmetals第52頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3、次晶格Neel理論

MS≠0atT<TC.When各種磁化強度的溫度依賴關(guān)系,.由于不同次晶格磁矩Msi(T)的競爭.第53頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第54頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第55頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四不同于C-Wlaw.T>Tc:1/=T/C+1/0+/(T-),第56頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第57頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四第58頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3-2-3RE金屬磁性1、實驗現(xiàn)象

(3)復雜的磁相邊,e.g.FM-AFM-PM.(4)復雜的磁有序(磁結(jié)構(gòu))

從La(57,4f0)到Lu(71,4f14),幾乎所有具有未滿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)價值。永磁材料(LRE-TM);磁光存儲介質(zhì)(HRE-TM).第59頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四2.RE金屬的磁結(jié)構(gòu)及相變

RE Mag-structures,and(K)Ce(58) AFM(FIMinc-plane,AFMinterplane)Pr AFM(similartoNd?)Nd FMorFIM(FMinplane,AFMinterplane)Sm ?Eu AFM(SSS)(similartoNd)第60頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四Gd FM(//c-axis,T>248Kdeviatefromc)Tb FM(//c-plane)Dy FM(//c-plane)Ho FM(FS)*Er FM(FS)*Tm(69) FM(APD)*,(Upmomentin4layers,downin3).第61頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四SSS:SimpleSpiralS.FS:FMSpiralCS:ComplexSpiral.SLSW:St.Longi.SWAPD:AntiphaseDom.FM第62頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四非共線SSS: 簡單螺旋結(jié)構(gòu).FS:鐵磁螺旋結(jié)構(gòu)或錐面結(jié)構(gòu).CS: 復雜螺旋結(jié)構(gòu)或反相錐面結(jié)構(gòu).SLSW:靜態(tài)縱向自旋波結(jié)構(gòu)或簡諧調(diào)制結(jié)構(gòu)APD: 反向疇或方波調(diào)制結(jié)構(gòu).如Tm:4層原子磁矩向上，3層向下，平均凈磁矩為1第63頁，共70頁，2023年，2月20日，星期四3.螺旋結(jié)構(gòu)的理論解釋……*ForAFM,M0=Mi,對簡單螺旋結(jié)構(gòu)θi+1=iθ

*有符號變化的長程交換作用.c,simplespiral,,SLSW考慮交換作用的分子場較為長程，需考慮更多相鄰原子層的交換作用.第64頁，共70頁，2023年，2月20日，星