铁磁性与反铁磁性ppt课件
交换耦合铁磁和反铁磁
交换耦合铁磁和反铁磁1.引言1.1 概述概述交换耦合铁磁和反铁磁是材料科学领域中的重要研究方向。
交换耦合指的是通过材料内部的交换相互作用实现的磁性耦合现象，而铁磁和反铁磁则是常见的磁性材料类型。
在交换耦合铁磁材料中，交换相互作用将铁磁性颗粒相互连接，使其在外界磁场作用下呈现统一的磁化方向。
这种铁磁相互连接的效应可以应用于磁性材料的储存、传输和传感等方面。
交换耦合铁磁材料由于具有较大的矫顽力和饱和磁化强度，被广泛应用于磁存储领域，如硬盘驱动器和磁带等。
而反铁磁材料则是一种在外界磁场作用下呈现反平行磁化方向的材料。
在这种材料中，相邻磁性原子的磁矩呈现相互抵消的关系，从而产生零磁矩的效果。
反铁磁材料在信息存储领域也有着重要的应用，例如磁性传感器和磁记录材料等。
本文将详细介绍交换耦合铁磁和反铁磁的性质、结构以及其在材料科学中的应用。
首先，将对交换耦合铁磁和反铁磁的基本概念和原理进行阐述。
然后，将针对这两种材料的制备方法和表征技术进行介绍。
最后，将重点关注交换耦合铁磁和反铁磁在磁性材料领域的应用前景，并对未来的研究方向进行展望。
通过对交换耦合铁磁和反铁磁的深入了解，不仅可以为材料科学领域中的磁性材料研究提供参考，还可以为磁存储技术和磁传感器技术的发展提供理论基础和技术支持。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以如下所示：2. 文章结构本文主要介绍了交换耦合铁磁和反铁磁的相关概念、性质和应用。
具体结构如下：2.1 交换耦合铁磁在此部分中，将详细介绍交换耦合铁磁的基本概念和定义。
首先，将介绍交换耦合的概念，包括交换能和交换场的定义以及其作用机制。
接着，将讨论铁磁材料的基本性质，如磁矩、居里温度以及铁磁材料的分类。
在此基础上，将具体介绍交换耦合铁磁的特性和研究方法，包括磁化曲线的分析、磁畴结构以及交换耦合现象的测量方法。
最后，将探讨交换耦合铁磁的应用领域，如磁存储器件、磁传感器等。
2.2 反铁磁在此部分中，将详细介绍反铁磁的基本概念和性质。
磁性材料ppt_图文
1.组织结构与磁性 能关系
1）性能指标：.矫顽 力Hc，剩磁Br，最大磁能 积(BH)m，居里温度Tc， 剩余磁化强度Mr。
2）硬磁材料的4大特 性：高的矫顽力，高的剩
余磁通密度和高的剩余磁
化强度，高的最大磁能积， 高的稳定性。
硬磁材料
2.硬磁材料及其应用
(1)稀土硬磁材料：这是当前最大磁能积最高的 一大类硬磁材料，为稀土族元素和铁族元素为 主要成分的金属互化物(又称金属间化合物)。 如钕铁硼稀土合金硬磁材料。
磁性橄榄球
司南
永磁材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二.软磁材料
软磁材料的特点是高的磁导率，低的矫顽力（一 般Hc<100A/m）和低铁芯损耗。
1.组织结构与性能关系
1）.通过提高材料的均匀性来降低 矫顽力。
2）.通过降低磁各向异性来提高磁 导率，降低铁芯损耗。
软磁材料——铁粉芯
2.软磁材料及其工程应用
软磁材料大概分类为：纯铁和碳钢，镍-铁合金，磁性陶瓷 材料，非晶态合金，纳米晶软磁材料。
3)常用软磁磁芯
磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁 材料。由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5 微米），又被 非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用 于较高频率； 另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有 低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现 象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。主要用于高频电感。磁粉 芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、 它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
总的来说有两大方面的应用：
1.强电流器件的应用，一般在准静态或低频，大电流下使用； 如电磁铁，功率变压器，电机等的铁芯。
铁磁性与反铁磁性
温度的影响
铁磁性
随着温度的升高，铁磁性材料会逐渐失去其磁性，这种现象称为磁性转变。在居里点以 上，材料变为顺磁性。
反铁磁性
反铁磁性材料在温度降至尼尔点以下时，会表现出强烈的反铁磁性。随着温度的升高， 反铁磁性逐渐减弱，并在尼尔点以上完全消失。
压力的影响
铁磁性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
压力对铁磁性的影响较为复杂。在一定 范围内，压力的增加会使铁磁性增强。 但超过一定范围，压力会导致铁磁性减 弱甚至消失。
铁磁性的物理意义
磁畴结构
铁磁材料内部存在自发磁化和磁畴结构，这些结构在磁场作用下会发生磁畴翻 转，导致磁化强度的变化。
磁化机制
铁磁材料的磁化机制主要包括交换相互作用和各向异性相互作用，这些相互作 用决定了材料的磁学性质。
铁磁性的应用
电机和发电机
铁磁材料在电机和发电机中作为 定子和转子的一部分，利用其高 磁导率和磁感应强度实现能量的
铁磁性与反铁磁性
目录
CONTENTS
• 铁磁性简介 • 反铁磁性简介 • 铁磁性与反铁磁性的比较 • 铁磁性与反铁磁性的影响因素 • 铁磁性与反铁磁性的研究进展
01 铁磁性简介
CHAPTER
定义与特性
定义
铁磁性是指某些材料在磁场中被强烈 磁化，表现出高磁导率和磁滞回线的 特性。
特性
铁磁材料具有高磁导率、高磁感应强 度和磁滞回线宽等特性，使得它们在 磁场中能够产生较大的磁化强度。
新材料发现
通过实验研究，人们发现了许多具有优异铁磁性 和反铁磁性性能的新型材料，为实际应用提供了 更多选择。
温度对铁磁性和反铁磁性的影响
实验研究进一步揭示了温度对铁磁性和反铁磁性 物质的影响，有助于深入理解其物理机制。
铁磁学PPT课件-动态磁化过程
1 时，进动速度与没有阻尼时相差无几。但由于阻尼小，
磁化矢量要经过很长时间才能转到-z方向
最快的反转速度
min
2 0
2 H
( 1)
12.3 交变场下的自旋共振
与易磁化方向垂直的方向上施加一交变场 ，畴壁不发生位移， 磁畴中的磁化矢量将发生转动
磁化矢量所受的有效场
H
eff
(
2K1
)k i e jt
( A)
2 dt
在半径r处由涡流产生的反向磁场为
H r0 r
j(r)dr
0 4
dM dt
(r02
r2)
(奥斯特)
越到内部合成磁场越小
效应随频率稿而增强
趋肤厚度:交变场减小到表面值的 1/e处的深度
涡流反常
由于微涡流效应的存在而产生
假定棒状样品只包含一个园柱形式180°畴壁 在畴壁园筒之内。感生电动势为零
V
(r)
0r02
dM dt
电源密度 j(r) V (r) 0 r02 dM
2r 2 r dt
单位体积的平均涡流损耗为
1
W r02
r0 R
V (r)
j(r)dr
802 r02
M
2 S
R
2
(
dR dt
)2
ln
r0 R
dM
dt 以均匀磁化的值代入
W
2 0
r02
( dM )2 ln
r0
2 dt R
1 2
磁畴结构的存在大大展宽了共振区的范围
12.4 畴壁运动方程
畴壁有效质量
以速度v运动的畴壁其能量比静止畴壁的要高 定义畴壁的有效质量为
m 2 / v2
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁性铁磁性Ferromagnetism过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。
钐(Samarium)，钕(neod ymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。
他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。
实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。
1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。
1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。
海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。
因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。
如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。
材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。
这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化：铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开始认识的。
1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。
磁性物理学(第三章讲稿)
sh 1
1 2
x
x
2
J
而
m emJx J
mJ J
d dx
J
e m J x
mJ J
d dx
sh
J
sh 1 2
1 2
x
x
J
1 2
ch
J
1 2
x
sh
1 2
x
1 2
sh
J
1 2
x
ch(
1 2
x )
sh 2 1 x
2
J
0
M 0
B J '
Nk B T
M
2 0
'
H M
0
当 T T c时，若 H 0，则无非零解，若要有 则需加 H 。而 T T c时， ' 1, 又 H 0
此时， M J 1 ' M 0 3J
M
M
0
J 1' 3J
NJg
JB
J 1' 3J
又 ' gJJB(H M ) k BT
sh x
ex
ex 2
, ch x
ex
ex 2
, th x
ex ex
ex ex
, cth x
ex ex
ex ex
考虑到
F k B T ln Z ( H )与 M
F H T ,P H T ,P
ln
Z(H
)
N
ln
4
k
J
BT H
sh
JH k BT
ln
Z(H
四、M0与Ms的区别： a、饱和磁化强度M0：原子磁矩在H作用
磁性材料基础知识-ppt课件
求其轴线上一点 p 的磁感强度的方向和大小.
Idl
r
dB
B
o
R
p B
x
*
x
I
dB 0
4π
Idl r2
解: 根据对称性分析
毕奥—萨伐尔定律的应用2
Idl
sin R
R
o
r
x
dB
*p x
r2 R
B0I
4π
r 2 x2
sindl
l r2
dB x
dB 0
4π
Idl r2
dB xdsBin4 π 0Isri2 n dl
0I dl
2πR l
I B
dl
oR
l
l 设 l 与 I 成右螺旋
关系
3.3 安培环路定理-应用
求载流螺绕环内的磁场 （已知 n N I）
1） 对称性分析；环内 B 线为同心圆，环外 B 为零.
2 ）选 回路(顺时针圆周) .
lB d Bl 2 0π NR I B 0 NI
2π R
d
令L2πRB0NIL
内部交流报告
磁性材料基础知识
提纲
1 磁性材料的发展简史
2 磁学基本常识
磁性来源 磁学基本概念 磁性材料分类
3 电磁学主要定律-恒稳/交变磁场
4 磁性材料性能分析
5 磁性材料应用实例
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
一、磁性材料发展简史（续）
• 1946年 Bioembergen发现NMR效应 • 1948年 Neel建立亜铁磁理论
铁磁性
第一项
BJ (x) =
J +1x 3J
因为： M
=
kT
gμBJλ
x
J +1 x = kBTc x
3J
Ng
2
μ
2 B
J
2
λ
M= Ng μBJ BJ(x)
Tc
=
Ng
2
μ
2 B
J
(
kB
λ
Tc 称为居里温度，me 称为有效原子磁矩 me = gμB J (J +1)
从测量宏观量居里温度Tc就能得到分子场系数 λ。
T >Tc, 外加磁场H不高时， x = gμB J (H + λM ) 即 ，x «1时
kBT
M
=
NgμB JBJ
(x)
=
NgμB (J
+ 1)
x 3
=
Ng
2
μ
2 B
J
(J
+ 1)
1 3kBT
(H
+
λM
)
= Nme2 (H + λM ) = C(H + λM )
3kBT
T
C = Nme2 3kB
因而可得到
M/M0
T/Tc
利用J = 1/2，1，∝的布里渊函数的计算值与实验结果比较。得： (1) J = 1/2 和 J = 1与实验结果符合的较好，说明原子磁矩的空间量 子化比自旋无规取向更接近实际。主要是电子自旋的贡献
(2)居里点是分子场系数 λ 的一个很好的量度。
居里温度以上的磁化率 （顺磁态）
相互作用是什么？多大？
这个相互作用多大？ z相互作用的强度：首先要估计这个相互作用有多强。
铁磁性与反铁磁性
原子核
3
物质磁性分类的原则
A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？ C.是什么相互作用？
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争
a
4
1.铁磁序
M：单位体积的磁矩。 BE=λM
对于顺磁体： M=χPB χP= M / B = C / T
对于铁磁体： M=χP（Ba + BE） χ= M / Ba = C / （T-Cλ）
Χ=C/ T-TC , TC=Cλ
λ = TC/C ：平均场常数。
铁：λ≈5000
BE≈λM =103Ta
a
17
YIG晶体中3种位置：
6个氧构成A位置（V8）、
4个氧构成D位置（V4） 、
8个氧构成C位置（V12）
A
金属离子被O2－形成的
亚点阵包围：
Y3＋→C；Fe3＋ →A＋D
D
C
石榴石晶胞中共160个原
子（离子）：O原子96个 石榴石晶体结构示意图
构成亚点阵；A原子16个；
D位24个；C位24个
a
应用： 生物领域。生物中的单畴粒子与外部磁场之间 的相互作用，鸟类的迁徙，蜜蜂的飞行。 仪器：扫描隧道显微镜的探针
18
亚铁磁体的居里温度及其磁化率
a
19
亚铁磁性体自发磁化随温度的变化
MS Q型
TC
MS P型
TC
MS R型
反铁磁性
反铁磁性目录1概念解析2反铁磁性3物质之磁矩1概念解析在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中,如果相邻原子自旋间是受负的交换作用,自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态(称为序磁性)，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。
这种磁有序状态称为反铁磁性。
注：①这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列，即材料显示出小的正磁化率。
但该磁化率与温度相关，并在奈尔点有最大值。
②用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。
在反铁磁性物质内部，相邻价电子的自旋趋于相反方向。
这种物质的净磁矩为零，不会产生磁场。
这种物质比较不常见，大多数反铁磁性物质只存在于低温状况。
假设温度超过奈耳温度，则通常会变为具有顺磁性。
例如，铬、锰、轻镧系元素等等，都具有反铁磁性。
2反铁磁性指由于电子自旋[1]反向平行排列。
在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。
两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体磁化率接近于0。
反铁磁性物质大都是金属化合物，如MnO。
温度升高到一定时，反铁磁物质表现出顺磁性，转变温度称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点。
对尼尔点存在的解释是：在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率几乎接近于0。
当温度上升时，使自旋反向的作用减弱，增加。
当温度升至尼尔点以上时，热扰动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。
反铁磁性物质置於磁场中，其邻近原子之磁矩相等而排列方向刚好相反，因此其磁化率为零。
许多过渡元素之化合物都有这种反铁磁性。
研究发现，纯金属α-Mn、Cr等是属于反铁磁性。
还有许多金属氧化物如MnO、Cr2O3CuO、NiO等也属于反铁磁性。
3物质之磁矩物质之磁矩是由其内每一原子内之电子之自旋，及轨道运动所产生之磁矩和及原子间之交互作用之和。
利用物质之磁矩对中子磁矩作用产生之绕射现象，可以测定物质内原子磁矩之分布方向和次序。
材料物理性能铁磁性
生的。根据键合理论，当原子相互接近(jiējìn)时，电子云
要相互重叠，电子要相互交换位置。交换力的作用
迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。
共五十二页
铁磁材料的原子(yuánzǐ)组态和原子(yuánzǐ)磁矩
自然界中的铁磁性材料(cáiliào)都是金属，它们的铁磁性来源于原
共五十二页
统一(tǒngyī)的表
达式
交换(jiāohuàn)作
用能
1
e2
E 2 E0 K A 2 A( S a Sb )
2
R
Eex 2 A Sa .Sb
对于基态，要求Eex<0（以满足
能量最低原则）
A
铁磁性
顺磁性
Co
Ni
1. 若A<0,则，Sa与Sb相反，自旋反平行
常温下呈现为顺磁性。
共五十二页
共五十二页
共五十二页
第二节 铁磁性
• 物理本质(běnzhì)
外斯假说(jiǎ shuō)
• 自发极化
• 反铁磁性
• 亚铁磁性
• 磁相互作用
共五十二页
3. 反铁磁性
x
x
x
TC
铁磁性
T
TN
反铁磁性
共五十二页
T
TS
T
亚铁磁性
共五十二页
反铁磁性的基本特征
共五十二页
反铁磁性与亚铁磁性的特点
• 反铁磁晶体可以看做是由两个亚点阵组成，每个亚点
阵的离子磁矩平行排列而相互间的磁矩方向(fāngxiàng)却
反平行。即MA + MB = 0，自发磁化强度为零。
材料物理性能-磁性能
1831—1879
居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里定律。
抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度； 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
（1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的
发明，影响非常深远。
其它成果： 1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。 发现了物质的抗磁性。 提出了电磁场这一概念。 法拉第，英国科学家
居里定律
居里-外斯定律
C T C T
3.相变及组织转变的影响
当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距
发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变 化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰 锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时， 也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。
Ht H H
磁场强度的单位是A/m (安/米)。 磁化强度 M ：材料被磁化后，单位体积的磁矩 1 M mi V 磁化强度的单位是A/m (安/米)。mi为原子固有磁矩。
H M
磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、 可负。
M H
磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当 外磁场增加时磁感应强度增加的速率。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场
固体物理学：第七章-第九节-反铁磁性
A代表自旋三重态(S=1，铁磁)，而b代表自旋单重态 (S=0，反铁磁)。他们的能量分别为（直接是Mn和O的 格点能相加），两者能量相等：
超交换作用可以看做中介氧离子的电子参与的虚跃迁 过程，并且导致动态交换。首先不考虑多体效应，计 算电子通过氧离子在两个Mn格位间的有效单电子跃迁 矩阵元，它对应于以下的跃迁过程：
初态
中间态
终态
上述过程的跃迁矩阵元为： 称为电荷转移能，
由于跃迁是通过氧离子作为媒介完成的，跃迁的最 后结果是氧离子的状态未发生变化，但是Mn离子之 间确完成了一个跃迁，跃迁矩阵元为teff，这样计算 三重态和单重态的电子跃迁图像简化为：
上述的零级基态能量是简并的，由于氧离子状态未变， 所以可以不考虑氧离子的能量。
但是当0<T<TN时，计算表明随着温度升高，平行磁 化率平滑地增加，在奈耳点：
下图是MnF2的实验结果
3. 超交换作用(superexchange)
过渡金属的盐类，比如MnO，磁性Mn离子中间存在 氧离子，所以两个Mn相距较远，波函数不能重叠，因 此海森堡的交换作用（直接交换）极其微弱。Kramers 提出磁性离子的交换作用可以通过中间的非磁性离子 作为媒介而产生，称为超交换作用。
2. 反铁磁序
反铁磁体的定压比热容Cp在奈耳点出现反常，似乎 表明反铁磁体在奈耳点有一个从磁有序到有序的二 级相变。
X射线衍射表明，MnO具有NaCl结构，晶格参数 0.443纳米。但是慢中子衍射表明，在奈耳温度以上， 两者衍射峰没什么区别。但是在奈耳温度以下，中 子衍射出现了一些X射线没有的峰，此时得到的晶格 常数为0.885纳米，相当于元胞扩大一倍。
变价、铁磁、金属
3种典型的反铁磁结构
区别在于中子具有自旋，它不但能检测晶体结构， 还能检测磁结构。所以可以肯定在奈耳温度以下， 相邻的Mn原子出现了反平行的磁矩，相当于两个Mn 原子不等价了，所以元胞扩大了一倍。
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亚铁磁体的居里温度及其磁化率
19
亚铁磁性体自发磁化随S P型
TC
MS R型
MS N型
TC
Tcomp TC
20
5.反铁磁序
反铁磁体是亚铁磁体的一种特殊情况，即其中A和 B两套子晶格磁化强度相等（CA=CB）。
平均场近似下：TN=μC T>TN，理论结果
实验结果 MnO中Mn2+离子排列
4
1.铁磁序
M：单位体积的磁矩。 BE=λM
对于顺磁体： M=χPB χP= M / B = C / T
对于铁磁体： M=χP（Ba + BE） χ= M / Ba = C / （T-Cλ）
Χ=C/ T-TC , TC=Cλ
λ = TC/C ：平均场常数。
铁：λ≈5000
BE≈λM =103T
5
交换场近似地表示量子力学的交换作用
27
铁磁体在外磁场中磁化的过程主要为磁畴壁的移动和磁畴内磁矩的 转向过程
M
HM
S
MH
M
M
H 28
形成畴结构的原因：系统能量最低结果，是交换相互作用能、 磁晶各向异性能、磁弹性能、退磁能等各种能量贡献的平衡
结果。
矫顽力
29
7.单畴粒子
理想的单畴粒子：磁矩朝向某一端的长形微细 颗粒或其他特殊形状的粒子
13
3.中子散射
中子能感受到晶体的两个方面：核的分布和电子磁化强度的分布 中子-核 的相互作用截面与中子-电子相互作用截面数量级相同，因此 磁性晶体对中子的衍射能确定磁矩的分布、方向和磁矩的序 中子可以被结构非弹性散射，同时产生或消灭一个磁波子。---可测定 磁波子谱
动量守恒： 能量守恒：
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4. 亚铁磁序
假设i、j两原子，自旋Si，Sj，其相互作用能： U=-2J Si· Sj
（ J：交换积分） 在平均场近似下，J与Tc的关系
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在平均场近似下，对于S=1/2，磁化强度与温度的函数关系为：
若进行约化：
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低温下，平均场近似给出的磁化强度的偏离量： ΔM = M(0)- M(T)
而实验结果表明：低温下ΔM随温度的变化要快的多 如何来解释？（自旋波理论）
第12章 铁磁性与反铁磁性
1
目录
1. 铁磁序 2. 磁波子（磁振子） 3. 中子散射 4. 亚铁磁序 5. 反铁磁序 6. 铁磁畴 7. 单畴粒子
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物质 原子
原子核
原子核运动
磁
核外电子
主要贡献 矩
轨道运动＋自旋运动
为什么电子磁矩对物质磁矩起主要贡献， 而不是原子核磁矩呢？
原子核比电子重1000多倍； 原子核运动速度仅为电子速度的1/几千； 故：原子核磁矩可忽略
原子核
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物质磁性分类的原则
A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？ C.是什么相互作用？
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争
尖晶石结构： MO·Fe2O3，M是二价阳离子，比如Zn，Cd，Ni等
尖晶石立方晶胞： 含有8个MFe2O4
四面体（A）位置：8个 八面体（B）位置：16个
JAA、JBB、JAB <0
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石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb
结构中有3种位置：1. A位：氧正八面 体中心；2.D位：氧正四面体中心； 3. C位：氧正十二面体中心
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绝对零度下的饱和磁化强度：
nB是有效磁子数
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Fe 原子：Fe[26]
2s2 2p6
3s2
3p6
nB=4
实际观测值nB往往不是整数，原因： 1.自旋-轨道耦合，+/- 轨道磁矩 2. 在顺磁性离子实周围感生的 3.亚铁磁性物质的自旋磁矩不是整数。
3d6
4s2
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金属Cu的4s带和3d带关系示意图
在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接 近于铁磁物质。
以磁铁矿Fe3O4为例，即FeO·Fe2O3
Fe3O4的自旋排列。
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铁氧体就是典型的具有亚铁磁性序的材料
尖晶石结构：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4 石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb ) 磁铅石结构：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19, 钙钛矿结构：LaFeO3,
y
x
Neel畴壁：多见于磁性薄膜，磁 化方向在薄面上发生旋转，最终 实现反转；
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畴壁的厚度取决于交换能和磁各向异性平衡的结果
磁学各向异性
磁学特性随晶体学 方向不同而不同的 特性；
磁学特性包括： 初始磁导率，饱 和磁化强度、剩 余磁化强度、矫 顽力等等
铁单晶沿不同方向的磁化曲线 不同晶体学方向磁化难易程度不同
金属镍的4s带和3d带关系示意图
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2. 磁波子
假定N个自旋，每个大小为S，最近邻自旋之间通过海森堡相互作用进 行耦合，其相互作用能：
晶格振动---晶格原子的相对位置的振动。 声子 自 旋 波 ---晶格中自旋的相对取向的振动。 磁波子（磁振子）
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磁波子的色散关系： 长波近似下
k2的系数一般可由中子散射或自旋波共振准确测定。 自旋波量子化： 频率为ωk的模含有nk个磁波子时，其能量 激发一个磁波子，相当于一个1/2自旋的反转 磁波子的热激发：
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YIG晶体中3种位置：
6个氧构成A位置（V8）、
4个氧构成D位置（V4） 、
8个氧构成C位置（V12）
A
金属离子被O2－形成的
亚点阵包围：
Y3＋→C；Fe3＋ →A＋D
D
C
石榴石晶胞中共160个原
子（离子）：O原子96个 石榴石晶体结构示意图
构成亚点阵；A原子16个；
D位24个；C位24个
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奈尔温度以下的磁化率
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反铁磁性磁波子： 反铁磁性磁波子的色散关系：
长波近似下，
铁磁性
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6.铁磁畴
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畴壁的3类：布洛赫畴壁（bloch） 尼尔畴壁（Neel） 介于二者之间的畴壁（枕木状）
z
y
x
Bloch畴壁：磁化方向自旋相对于畴壁 的法线成分连续变化。磁化强度在厚 度方向上像竹帘打捻一样实现反转， 多见于块状磁体
应用： 生物领域。生物中的单畴粒子与外部磁场之间 的相互作用，鸟类的迁徙，蜜蜂的飞行。 仪器：扫描隧道显微镜的探针