最新磁晶各向异性能教学讲义ppt

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。实际上磁晶各向异性 对温度的依赖性比自发磁化强度对温度的依赖强的多。在材料中局域自旋的 方向余弦( 1,2,3 )并不同于总自发磁化强度的方向余弦( 1,2,3 )，它们的 差别随温度的升高而增加。温度为T的立方各向异性为：
每个磁矩方向一致的区域就称为一个磁畴。 不同的磁畴方向不同，两磁畴间的区域就
称为磁畴壁 。
铁磁性的起源----直接交换相互作用
原子间距离太远，表现孤立原子特性
a.b原子核外电子因库仑相互作用相 互排斥，在原子中间电子密度减少。
原子间距离适当时，a原子核将吸引
(1) a(1)
a
b
b(2) (2)
下面介绍 Kittel 的一种简明解释：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 性机理的一 种简明解释
见Kittelp240
6. 磁晶各向异性常数的温度依赖性
见姜书p220-221
rab
b原子的外囲电子，同样b原子核将吸引 b原子的外囲电子。原子间电子密度增
a
b
加。电子间产生交换作用，或者说a、b
原子的电子进行交换是等同的，自旋平
行时能量最小。铁磁耦合
a
b
原子间距离再近，这种交换作用使
自旋反平行，a、b原子的电子共用一
个电子轨道，抅成反铁磁耦合
a
b
铁磁相互作用
实验事实：铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温度以下
10
K1 K10
Is Is0
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。
特别注意符号的改变！
二、磁感生磁各向异性
1、磁退火效应：
在外磁场下将磁性材料进行加热或退火，即可获得磁场退火效应。对 Fe-Ni合金可以覌察到这种效应。曲线A和C是经过磁场退火处理，A是平 行于磁场方向的磁化曲线，C是垂直方向磁化曲线，B是没有经过磁场热 处理的磁化曲线。从曲线C的平均磁化率，估计感生的单轴各向异性常数 为 1x102Jm-3 。
立方晶系晶体磁晶各向异性能：
E K K 0 K 1 (1 22 2 2 23 2 3 2 1 2 ) K 2 1 22 23 2
室温下：铁K1= 4.2×104 J/m3 ; Co K1= 41×104 J/m3 ; Ni K1= -0.34×104 J/m3 ;
图中看到当[100]方向为易磁化轴和[111]方向为易磁化轴 的各向异性能的空间分布状况。
[100]
[110]
2. 磁晶各向异性能的表示
磁化过程中的磁化功。
M
M
W 0
A m 0
0H d M
由磁化曲线和M坐标轴之间所包围的面积确定。我们称这部分 与磁化方向有关的自由能为磁晶各向异性能。显然易磁化方 向磁晶各向异性能最小，难磁化方向最大。而沿不同晶轴方 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。
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。
•磁晶各向异性能
磁晶各向异性大的适于作永磁材料，小的适于软磁材 料。
材料制备中人工地使晶粒的易磁化方向排在一特定方 向以提高该方向磁性能。(如硅钢片生产工艺上的冷 扎退化，铝镍钴生产中的定向浇铸(柱晶取向)和磁 场中热处理，磁场成型等都是利用磁晶各向异性。
磁晶各向异性能
磁晶各向异性大的适于作永磁材料，小的适于软磁材料。
材料制备中人工地使晶粒的易磁化方向排在一特定方向以 提高该方向磁性能。(如硅钢片生产工艺上的冷扎退化， 铝镍钴生产中的定向浇铸(柱晶取向)和磁场中热处理， 磁场成型等都是利用磁晶各向异性。
立方晶系晶体磁晶各向异性能：
E K K 0 K 1 (1 22 2 2 23 2 3 2 1 2 ) K 2 1 22 23 2
磁晶各向异性能
自发磁化
• 磁畴: 在未加外磁场时,铁磁金属内 部已经磁化到饱和状态的小区域.
• 自发磁化:在未加外磁场时,铁磁金 属内部的自旋磁矩已经自发地使磁化强度显著增大， 在于其中存在着磁畴（Domain）结构
在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规的， 因而在整体上净磁化强度为零
原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显现铁磁性。
这个相互作用是什么？首先要估计这个相互作用有多
强。铁的原子磁矩为2.2MB=2.2x1.17x10-29，居里温度为103度， 而热运动能kT=1.38x10-23x103。假定这个作用等同一个磁场的作
用，设为Hm，那么
2.2MBxHmkT Hm109Am-1(107Oe)
室温下：Fe: K1= 4.2×104 J/m3 ; Ni: K1= -0.34×104 J/m3 ;
六角晶系晶体磁晶各向异性能：
EK=Ku1sin2θ+KU2sin2θ+… Co KU1=41×104 J/m3 ;
5. 磁晶各向异性的机理：
产生磁晶各向异性的来源比较复杂，一直在研究之中。 目前普遍认为和自旋-轨道耦合与晶场效应有关。经过多 年研究，局域电子的磁晶各向异性理论已经趋于成熟，目 前有两种模型：单离子模型和双离子模型。主要适合于解 释铁氧体和稀土金属的磁晶各向异性。而以能带论为基础 用于解释过渡族金属的巡游电子磁晶各向异性理论进展迟 缓，尚不完备。（见姜书P221-228）
( 分子场 )
一、磁晶各向异性
序言：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。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。
K a (T ) K 1 (0 ) 1 22 22 23 23 21 2
在‹ ›为所有自旋簇的角函数的平均值，在 ‹ ›， 角函数的幂越高，函数‹ ›随着温度升高降得越快。 根据对次幂函数的精确计算得到
K(n)
In(n1)/2 s
对于单轴各向异性 n=2
对于立方各向异性 n=4
3
Ku Ku0
Is Is0