几种常用的磁性测量仪器(II)-2004年

常用磁性测量仪器（II）（共78页）•磁性信号的测量仪器（II）磁－力学效应关注•磁－力学效应包括哪些物理现象？•磁－力学效应可测哪些参数？磁各向异性的测量极弱磁矩信号的测量方法磁天平磁致伸缩效应磁－力效应MagnetomechanicalEffect(磁－力学效应)MagnetostaticForce(静磁力)MagneticTorsion(扭矩)磁－力效应HmF0磁－力1原理（一）把含有磁矩m的物体放在非均匀的磁场中时，物体将受到沿磁场梯度方向的力的作用。此力的大小正比于磁场梯度和物体的磁矩。m为样品的磁矩为沿任意轴向的磁场梯度磁矩m沿任意轴向所受的力：H磁天平磁－力效应KFVL)(磁－力2原理（二）当具有磁各向异性的物体在磁场中转动时，物体将受到转矩L的作用。其大小等于磁场强度与垂直于磁场方向磁化强度分量的乘积。V为样品的体积为与磁各向异性相关的能量转矩与磁各向异性的关系：KF转矩磁强计磁－力效应磁－力3原理（三）当磁性材料在磁场中被磁化时，材料的力学性质发生变化的效应。也存在逆效应。这里通称为磁致伸缩效应。可以是样品的体积、长度、弹性模量、刚度系数，等等。磁致伸缩系数λ：磁致伸缩仪磁－力效应磁－力4原理（四）1.Barnett效应（1915年）当磁性圆柱体在绕其柱轴作高速旋转时会产生微弱的磁化强度，其大小与角速度成比例。即，旋转致磁化效应。2.Einstein－deHass效应（1915年）当自由悬挂的磁性圆柱体突然被磁化时会产生微弱的旋转。即，磁化致旋转效应。是Barnett效应的逆效应。旋磁比磁－力效应磁－力5相应的磁性测量仪器可测参数力的产生力的测量磁罗盘磁场方向磁场永磁体转矩磁强计磁各向异性样品(磁场)转动悬丝/压电晶体磁天平磁矩、磁场稳恒梯度磁场灵敏天平交变梯度磁强计磁矩交变梯度磁场压电晶体磁致伸缩测量仪伸缩系数稳恒磁场力敏器件回旋磁效应旋磁比磁化角动量磁各向异性磁各向异性：magneticanisotropy相同磁场强度时，磁化强度的方向相关性沿不同方向磁化时，磁化曲线及达到饱和的磁场强度不同或者物理起源－本质分类磁晶各向异性晶体对称性内禀晶体对称性应力磁（弹）各向异性磁弹性感生（几何）形状各向异性退磁几何形状感生各向异性特殊制备生长、热处理、形变交换各向异性反铁磁单方向磁各向异性的测量测量依据测量方法定义仪器（单晶、多晶）不同方向磁化曲线奇点探测法（SPD）转矩磁强计（铁）磁共振磁光Kerr效应磁二色谱（MXD）磁各向异性的测量单晶样品多晶样品单晶磁化曲线多晶磁化曲线趋近饱和定律转矩磁强计（局域各向异性的平均值）多晶奇点检测（SPD）法旋转样品磁强计磁场中取向铁磁共振（局域各向异性）转矩磁强计TorqueMagnetometer(Tq-M)talk磁各向异性的测量转矩磁强计Torque1转矩磁强计的原理H晶轴方向磁化强度M方向磁场H、磁化强度M、晶轴三者重合在一个方向0L磁场H、磁化强度M、晶轴三者不重合DL初始方向θα样品样品转矩磁强计Torque2转矩磁强计的原理样品：饱和磁化...sinsin42210KKKFK...)()(232221221232322222110KKKFKNS...sin2uKKFθLKFVL)(转矩磁强计Torque3仪器设备TRT－2型转矩磁强计：日本东英工业株式会社，1985年TorqueMagnetometer：美国QuantumDesign公司，2002年详见本系列的《PPMS－Tq_Mag》HR转矩磁强计Torque4PPMS的转矩磁强计磁转矩测量的要求Torque5磁场强度：样品饱和磁化...sin2uKKFHMEasyaxis＝0测量过程：补偿－非补偿补偿：施加补偿扭矩使样品保持在原方向非补偿：直接测量样品所受到的扭矩当外加磁场相对于样品旋转时，PPMS的Micro－Tq一般转矩磁强计使得转矩不依赖于磁场的强度磁转矩测量的要求Torque6样品：晶轴取向H，M单晶体取向多晶单位：量程力矩单位：N·m1N·m＝1J＝1A·m2·T＝1×103emu·TPPMS的Tq－Mag上限：1×10－5N·m＝1×10－2emu·T7×10－4emuat14T噪声：1×10－9N·m7×10－8emuat14T奇点探测法SingularPointDetection(SPD)非磁－力效应补充磁化曲线方法磁晶各向异性的测量SingularPointDetection(SPD)本质：磁化曲线的测量－磁各向异性等效场原理：材料的磁化强度M对磁场强度H的n次导数dnM/dHn是磁场强度H的函数，当H等于材料的各向异性场HA时，dnM/dHn～H曲线会出现尖锐的奇点。求导次数n取决于沿各向异性场HA方向晶体的对称性。单轴各向异性的难磁化方向的n＝2。SPD1SingularPointDetection(SPD)SPD技术的发展状况：文献单晶取向多晶单轴各向异性W.SucksmithandJ.E.Thompson(英国)Proc.R.Soc.London,Ser.A,225(1954)362-375单晶多晶G.AstiandS.Rinaldi(意大利)Phys.Rev.Lett.,28(1972)1584-1586J.Appl.Phys.,45(1974)3600-3610G.Asti(意大利)IEEETrans.onMagn.,30(1994)991-996.SPD2SingularPointDetection(SPD)Sucksmith_SPD技术说明假设：1、材料具有单轴磁各向异性；2、材料为单晶体或者取向多晶体；3、磁场沿着材料的难磁化方向“Themagneticanisotropyofcobalt”Sucksmith和Thompson在1954年并没有提出SPD检测技术SPD3SingularPointDetection(SPD)Sucksmith_SPD技术说明4'42'2sinsinkkEcIHIkIIkSS2'242'424Stoner关系式：六角Co难磁化轴的磁化曲线：立方Co难磁化轴的磁化曲线：IHIkkIIkSS2'4'242'4)2(24使用磁天平SPD4SingularPointDetection(SPD)Sucksmith_SPD技术说明HMc轴Sucksmith方法的示意图HMdHdM22dHMdHASPD5SingularPointDetection(SPD)Asti_SPD技术说明“NonanaliticityoftheMagnetizationCurve:ApplicationtotheMeasurementofAnisotropyinPolycrystallineSamples”“Singularpointsinthemagnetizationcurveofapolycrystallineferromagnet”Asti和Rinaldi在1972年首次提出SPD检测技术Asti和Rinaldi在1974年给出SPD的理论结果SPD6SingularPointDetection(SPD)Asti_SPD技术说明αθφxcaxisharddirectionHSMx2AAHHHSPD7SingularPointDetection(SPD)Asti_SPD技术说明4224122()5()4[1()][12()]33(1)(1)224tSAxxEKxxxxMHK0/xEt各向异性能量：平衡条件：21213426,0KKKKLxLxSPD8SingularPointDetection(SPD)Asti_SPD技术说明约化磁化强度：随机取向的多晶体：2cos12xxMMMtSSdxdtt0202),(2)(002磁化强度t对磁场强度γ的一阶导数：)(322)(303121xxdxxdtdxx031212742312127420332200332200LLLLLLx112212,00,0LLγxγ积分下极限：积分上极限：γ＝0有奇点SPD9SingularPointDetection(SPD)Asti_SPD技术说明磁化强度t对磁场强度γ的二阶导数：0202122221)(xxLLdtd21)2()(14int*SPn最高求导次数n*的确定：其中，λ，S，δ和P(λ)为依赖于材料晶体对称性的常数。H/HA10.5222dHMdSPD10SingularPointDetection(SPD)磁学室有一台自建脉冲磁场SPD装置（M05组）电源C/tAdtA检测系统M/tH/tI样品SPD112003年转给内蒙古师范大学磁天平MagneticBalance(MB)磁矩的测量磁天平磁天平1HmF0一、梯度磁场的产生Lewis梯度磁场LewisCoilHz’z’dH/dzSucksmith极头z’磁天平磁天平2二、力的测量直接测量力的方法利用力敏－换能器件mAERHmF0磁天平磁天平3三、测量方式：绝对测量－相对测量HMHmFS00绝对测量法：直接测量磁场梯度H/z、样品质量M及所受到的力F，确定磁矩。不使用标准样品对磁矩进行定标，相对测量法：使用标准样品对磁矩进行定标，通过比例常数，确定磁矩。HmFdardtanSdardtanS0HmFSampleSample0磁天平磁天平4四、磁天平的历史评价1.最早用于测量材料的磁矩与磁化率；M.Faraday（1855年）P.Curie（1895年）2.对磁场强度、磁矩进行绝对测量；L.G.Gouy（1895年）3.种类最多的磁性测量仪器。磁天平磁天平5四、磁天平的类型（一）Faraday磁秤Gouy磁秤GOOD高灵敏度、变温测量不依赖样品形状不需特别设计极头BAD特殊形状极头需大量样品、压实UGLY无很大不确定性磁天平磁天平6四、磁天平的类型（二）Evans磁秤Kapitza磁秤GOOD高灵敏度、变温测量不需特别设计极头BAD大量样品、压实不确定性UGLY很大不确定性相对测量PhotodiscsBeamCoilSample磁天平磁天平7四、磁天平的类型－Faraday法Sucksmith环秤电磁换能器应变电阻换能器电容换能器电磁秤适合于球形小样品特殊设计的磁铁极头磁天平磁天平8四、磁天平的类型－Gouy法截面积AAHMFSZ021磁场H：可精确测量；截面积A：可精确测量；作用力F：可精确测量；样品：径向严格均匀；粉末须压实；重复性：较差磁天平磁天平9四、磁天平的类型－总结灵敏度特点及适用范围Curie-Cheveneau秤很高样品少，相对，不宜变温Faraday秤（非常）高气、固、液，相对Kapitza秤高强场、不宜于绝对Quinke秤高液体、绝对，气体（改进）Rankine秤高顺磁、抗磁，不宜含铁磁性Sucksmith环秤中宽温度范围、真空，简单Gouy秤中绝对、不宜变温、样品均匀Evans秤中同上磁天平磁天平10磁学室的磁天平型号MB－2厂家日本岛津，1974年磁场范围0～1.2Tesla温度范围77K～1200K灵敏度5×10－4emu样品要求单方向3mm交变梯度磁强计Alternating(MagneticField)GradientForceMagnetometer(AGFM)磁矩的测量振动样品磁强计超导量子磁强计AGFM灵敏度高成本低交变梯度磁强计AGFM1交变梯度磁强计的本质交变梯度磁强计的历史交变梯度磁强计的原理交变梯度磁强计的仪器交变梯度磁强计的特点交