固體磁性第二章

固體磁性第二章第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 電子軌道運動受磁場作用，產(chǎn)生一附加電流以抵消磁通量的變化，于是就產(chǎn)生了抗磁性磁矩

1朗之萬(Langevin)抗磁理論2-1-1局域電子抗磁性.2-1

抗磁性(DM)第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 磁場引起附加進動，產(chǎn)生附加角動量 第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2量子力學(xué)計算 在磁場中電子系統(tǒng)哈密頓量第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 用微擾法求體系能量，微擾哈密頓量： 第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 若考慮系統(tǒng)有N個原子 第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 定性結(jié)論： 1)抗磁性為一切物質(zhì)所具有，是物質(zhì)的共性 2)抗磁磁化率為負 3)若<ri2>不受熱運動影響，則d與溫度無關(guān)

4)d隨原子中電子數(shù)及原子序數(shù)增加而增加，且正比于各原子的軌道半徑平方第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2-1-2傳導(dǎo)電子抗磁性

來源于傳導(dǎo)電子在外磁場下進行回旋運動的量子效應(yīng).所有金屬均存在.經(jīng)典理論無法給出傳導(dǎo)電子的宏觀抗磁性.經(jīng)典回旋運動不改變電子動能.第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 在磁場中傳導(dǎo)電子的哈密頓量為：第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四3德哈斯—范阿爾芬效應(yīng) 在低溫下某些金屬抗磁（順磁）磁化率隨磁場改編成周期性震蕩。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四德哈斯-范阿爾芬效應(yīng)可提供關(guān)于費米面的信息.第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四Landaulevels.

有效質(zhì)量.FreeElectron.Approx.,byF-Dstatistics,考慮到晶格的周期靜電勢弱的溫度依賴性.Bi:StrongDMofCE.第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四明顯的溫度依賴性!在半導(dǎo)體和半金屬材料中，電子濃度低當(dāng)滿足Em

orEF

<<kT時，費米統(tǒng)計轉(zhuǎn)化為玻爾茲曼統(tǒng)計第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 朗之萬經(jīng)典理論 設(shè)單位體積中有N個原子，每個原子具有磁矩為，磁矩間無相互作用 外磁場中，磁矩位能2-2順磁性(PM)2-2-1取向順磁性第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 每個磁矩態(tài)和：第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 高溫時第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 低溫強場下第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 實驗室普通條件第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2量子化修正 磁矩在磁場方向投影非連續(xù)分布，只能取第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 在實驗室普通條件第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2-2-2VanVleckPM來源于磁場與磁矩作用的二級微擾激發(fā)態(tài)混入（電子云形變）.Localizedelectrons

vv

mayexistswhenJ=0orJ

0atgroundstate.vv

在能帶電子中同樣存在.

一般情況,vv與溫度T無關(guān).第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2-2-3傳導(dǎo)電子順磁性，PauliPM外加磁場導(dǎo)致正負自旋能帶錯開，從而使得電子重新分布，導(dǎo)致正負自旋電子數(shù)量不一致，導(dǎo)致了磁化第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四 單位體積中，第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四(2)傳導(dǎo)電子間的交換作用及庫侖相關(guān).增強泡利順磁磁化率<1,’>1.第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四小結(jié):2.pi:局域電子順磁磁化率，來源于具有固有磁矩的原子、離子及金屬中的原子實。取向順磁性，磁場取向與熱運動之間的競爭。居里及居里-外斯定律1.di:局域電子抗磁磁化率，來源于原子、離子及金屬中的原子實,di~10-6。隨原子中電子數(shù)及原子序數(shù)增加而增加，且正比于各原子的軌道半徑平方；一般不依賴溫度.第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四3.vv:范弗萊克順磁性，磁場導(dǎo)致的電子云形變.

vv~0-10-4.其數(shù)值與電子云的對稱性（形狀）有關(guān)。與溫度無關(guān)。4.de:傳導(dǎo)電子抗磁性，來源于傳導(dǎo)電子在外磁場下進行回旋運動的量子效應(yīng).

de~10-6,一般與溫度無關(guān).5.pe:傳導(dǎo)電子順磁性，外加磁場導(dǎo)致正負自旋能帶錯開從而導(dǎo)致正負自旋電子數(shù)量不一致.交換增強效應(yīng).第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2-3無磁序磁性材料多種磁性作用共存于固體材料中，它們之間的相互競爭導(dǎo)致了材料最終的磁性能.金屬及半導(dǎo)體,=di+pi+pe+de.

非金屬,=di+pi

.

第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2-3-1周期表中元素的磁性第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四Table1.Dataofatomicmagneticsusceptibilityofmetallicelementsinperiodictableatroomtemperature.ⅠAIIA234567Li325.2Be4-9.02Na1115.6Mg126K1921.5Ca2044Rb3719.2Sr3892Cs5529.9Fr87Ba5620Ra88Sc21315Y39191La57140Ac89(90-103)Ti22150Zr40120Hf5870Ku104V23230Nb41120Ta59145Ha105Cr24160Mo4254W6040Mn25527Tc43Re6168.7Fe26-Ru4444Os627.6Fromlefttoright:weakPM---strongPMwithFM,AF&FIM---DM.第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四ⅠB

ⅡBⅢⅣⅤⅥ234567Co27Rh45113Ir7725Ni28Pd46580Pt78200Cu29-5.4Ag47-21.56Au79-29.6Zn30-10.3Cd48-19.6Hg80-33.8Ga31-16.8In49-12.6α-Tl81-44.0Ge32-8.9β-Sn50*4.4As33-5.5Pb82-24.9Sb51-107Bi83-285Se34-26.5Te52-40.8Po84B5-6.7Al1316.7C6-42Si14P15*α-Sn,A=-31.5×10-6第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四PMSimplemetalsGroupIAandIIA,exceptBe(A=-10·10-6)TheoreticalandexperimentalvaluesareshowninTable2-2第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四2.DiamagneticmetalsGroupIB,IIB,IIIA,IVA,VAexceptAl(PM)arediamagnetic.Cu,Ag,Au,CuAgAu

A-5.4-21.56-29.59measured

ion

-18.0-31.0-45.08determinedindirectly

Ae12.69.4416.21A-ion

Ape18.914.1624.3diisdeterminedbyindirectmethodfromdataofsalts(13)orsemi-theoreticalmethod.(13)第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四pecanbedetermineddirectlybyCESR.pe~intansify,indirectlybyNMRfromknight,K~peorindirectlyby(e-di)3/2asintheabovetable.(2)Bi,Sbetc.,withnearlyfullyfilledband,m*small.pe

<-

de.

Diamagneticnon-metalsandgases.ElementsinIIIA-VIIIACovalentsolid,molecules

andinertgases

AlldiamagneticwithsomeexceptionsC:diamondA

=-5.9,Graphite:A

=2.25106Sn:(-37,3.1)第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四4Transitionmetals

*29TMs:3FM,2AFM,19PM.~10-5-10-4*AllPM,strongPMTM:Pd,V,Sc,Pt.*~Tvarying(1)

NormalTdependence:T↑,↓,withlarge,andMax.N(EF).(2)AbnormalTdependence:T↑,↑,forsmall

andMin.

N(EF).

=di+vv+de(d)+pe(d)+de(s)+pe(s)第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四5REmetals4felectronsprovidemainmagnetism=di+p+vv+CEMostlymag.orderatlowT.StrongPMathi