第一讲 固体磁性

Table .1
Table .2
பைடு நூலகம் 反铁磁体
• 在某些场合，原子间的互作用量子力使得 相邻离子（原子）的磁矩方向相反，导致 总的不表现出磁性。 • 在外场下，表现为特有的顺磁性，并有显 著的各向异性。 • 多为过渡金属的化合物，CrCl2、MnO、 NiO、CoO、FeF2、VCl3、V2O4等
亚铁磁体
Fig.1
• 当铁磁（或亚铁磁）颗粒的尺寸小于磁畴 的最小尺寸时，每个颗粒将只能包含一个 单畴。 • 一般磁畴的最小尺寸是微米量级，因此每 个MNP都是一个单畴，称为单畴铁磁。 • 当MNP的尺寸足够小时，热涨落足以随机 地翻转一个MNP的M的方向；这被称为超 顺磁，即每个MNP依然是铁磁（或亚铁 磁），但是各个MNP的M却像顺磁体系中 的原子磁矩一样，受热涨落的影响随机排 列。 • 超顺磁与顺磁类似，不存在磁滞现象，也 就不存在磁滞产热机制。
本质特征：材料内含有浓度可观的因不满原子壳层而具有固 有磁矩的离子
• Χ与温度无关的顺磁体
大多数金属，例如碱金属 Χ~ 10-6
Table .1
铁磁体
• Χ> 0 • |Χ|很大，约为顺磁体的 105--106 Fe、Co、Ni • Χ依赖于外磁场
本质：不满的3d壳层引起固有磁矩，相邻原子间 的量子力学互作用使得各原子的固有磁矩趋于 平行排列，导致了铁磁性
• 固体中含有两种大小不等的固有磁矩的离 子（原子），而这些离子（原子）间的量 子作用力使其磁矩方向相反，由于他们的M 大小不等，结果仍存在一定的总磁矩。在 此情况下，与铁磁体类似，也显现出自发 磁化强度。 • Fe3O4 (FeO· Fe2O3) • MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4、Y3Fe5O4、 Gd3Fe5O12等
物质磁性分类
1.2 物质磁性分类 按物质在外场中表现的特性 按化学成分 按物理方法
按物质在外场中表现的特性分类 （磁化率的大小及正负）
• 顺磁性材料 弱磁性物质
• 抗磁性材料
• 铁磁性材料 ---- 强磁性物质（磁性材料）
磁性材料
• 软磁性材料（剩磁较小） 剩磁弱，易去磁，适于反复磁化的场合 例如：半导体收音机天线磁棒，录音机磁 头， 电脑记忆元件，变压器，交流发电机，电磁 铁，各种高频元件的铁芯等 • 硬磁性材料（剩磁较大） 剩磁强，不易退磁，可制成永磁铁 例如：磁电式仪表，扬声器，话筒，永磁电机 等电器设备
按化学成分分类
软磁：软铁、硅钢、镍铁合金
• 金属磁性材料
硬磁：碳钢、钨钢、铝镍钴合金
• 铁氧体
铁氧体大致可分成3类: 第1类在移去外磁场后很快消退磁化，被称为软 磁体，如(Mn、Zn)Fe2O4 、(Ni、Zn)Fe2O4，被用于 制作变压器的铁芯或马达等； 第3类则为残留磁化大，磁性不易消失的永久磁 铁，又称硬磁体如Co0.75Fe2.25O4； 第2类则介乎二者之间，称为矩形磁体，如 (Mn、Mg)Fe2O4 、CoFe2O4 ，用于电子计算机的存储 元件。
固体的磁性
• • • • • • • • 一般论述 固体的抗磁性 固体的顺磁性 电子顺磁共振 铁磁性和分子场理论 交换互作用 自旋波 反铁磁性和亚铁磁性
B. Gleich, et al., Nature 435, 1214 (2005)
MFH应用于肿瘤等疾病的无创治疗原理简 图
MFH（magnetic fluid hyperthermia 磁流体热疗）
有关磁学的Nobel物理学奖(I)
• 1902 塞曼效应 • P. Zeeman, H. A. Lorentz
• 1943 斯特恩-盖拉赫实验 • 发展分子束方法并测出质子磁矩 • O. Stern, W.Gerlach
有关磁学的Nobel物理学奖(II)
铁氧体最主要的有尖晶石型、石榴石型和磁铅石 型等。 尖晶石是指以MgAl2O4为典型代表的结构类型。 如用Fe取代Al3+，便得尖晶石铁氧体，通式为MFe2O4， M=Mg2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+、Mn2+等。 石榴石结构型起名于矿物石榴石，具通式 A3B2(SiO4)3，A= Mg2+、Fe2+、Mn2+等，B= Al3+、Fe2+、 Cr3+等。该系矿物种类繁多。具有磁性的铁石榴石可用 通式M3Fe5O12，表示，M=Y3+、Ln3+等，铁为Fe3+。 磁铅石是第3类铁氧体，以MFe12O19为通式， M=Ba、Sr等。它们是尖晶石结构的超构，具六方对称 性。磁铅石的阳离子可被多种金属离子取代，为磁记录 材料。
有关磁学的Nobel物理学奖(IV)
• • • • 1970 磁流体力学 H. O. G. Alfven 反铁磁性与铁氧体 L. E. F. Neel
• 2007 巨磁阻效应(GMR) • Peter Grünberg , Albert Fert
§1
一般论述
1.1 固体的磁化率 χ(susceptibility) • 真空磁导率 • 磁化强度矢量 • 磁化率 • 相对磁导率
• 1944 分子束核磁共振 方法测定核磁矩 • I. I. Rabi
• 1952 凝聚态物质的核磁共 振测量方法 • F. Bloch, E. M. Purcell
有关磁学的Nobel物理学奖(III)
• 1955 测定电子磁矩 • P. Kusch
• 1966 光磁共振方法 • A. Kastler
按物理方法分类
• • • • 抗磁体 顺磁体 铁磁体 反铁磁体和亚铁磁体
抗磁体
• 经典抗磁体
• • • • • Χ< 0 |Χ|很小~10-5 Χ与外磁场大小无关 Χ与温度无关 所有原子（离子）都没有 固有磁矩 • • • • Χ< 0 |Χ|较大~10-4 Χ随磁场周期振荡 Χ与温度有一定关系 Zn, Au, Ag Cu Si, P, S 惰性气体
• “反常”抗磁 体
Bi, Ga, Sb 石墨,I, Tl
• 超导体
• Χ= -1 • μ= 0 完全抗磁性
Table .1
顺磁体
• 正常顺磁体 • Χ> 0
• |Χ|很小 ~ 10-4--10-3 • Χ依赖于外磁场 • 服从Curie law 含Fe、Co、Ni 离子的盐类； 铁磁金属在温 度高于铁磁居 里温度时