磁晶各向异性能

2.2MBxHmkT
Hm109Am-1(107Oe)
( 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。
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） 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。
磁畴
磁畴

铁磁性材料所以能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 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 。
MFM: NG-HD
表面形貌图
Topography
表面磁力图
MFM Phase
Bit size: 150× 30nm
为什么会产生自发磁化?
• 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排向了同一方向的 现象. • “交换”作用: 直接交换作用：金属磁性材料 超交换作用：氧化物
在某些材料中过渡金属离子不是直接接触，直接接触交换 作用很小，只有通过中间负离子氧起作用。 在尖晶石结构中实际上存在A-A，B-B，A-B三种可能位置. 因而存在三种交换作用。由于各种原因，这些化合物中 只有其中的一种超交换作用占优势。
[100]
[110]
2. 磁晶各向异性能的表示 磁化过程中的磁化功。 W 0 Am 0 0 H 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。
2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 3 1 2 2 1 2 2
2 3
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。
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： 2 2 2 2 2 2 2 EK K0 K1 (122 2 3 3 1 ) K2122 3 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 ;
M M
•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：
EK K0 K1 ( ) K
a a
rab
b
b
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
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
E、磁性物理的基础
铁磁性与其基本特性
• 一、磁晶各向异性： 易轴, 难轴；磁晶各向异性能 • 二、磁感生各向异性： 磁场退火、磁场成型、定向浇注 • 三、磁形状各向异性： 退磁场、退磁场能
• 四、磁致伸缩效应：
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排向 了同一方向的现象.
铁磁性的起源----直接交换相互作用
(1)
原子间距离太远，表现孤立原子特性
a
a(1)
b
b(2) (2)
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 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 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 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
产生铁磁性条件
铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。
产生铁磁性条件：
(1).有固有磁矩(未满电子壳层); (2) .原子磁矩之间有相互作用,且Rab/r > 3，即一定的点阵结构。 Rab: 原子间距; r :未满电子壳层半径.
Байду номын сангаас
交换作用能:
Eex = -AS1· S2 = -Acosφ; A>0时，自发平行排列； A<0时，反平行排列。