铁磁性与反铁磁性

第12章铁磁性与反铁磁性目录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.单畴粒子物质原子原子核核外电子原子核运动轨道运动＋自旋运动主要贡献磁矩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1.铁磁序M：单位体积的磁矩。BE=λM对于顺磁体：M=χPBχP=M/B=C/T对于铁磁体：M=χP（Ba+BE）χ=M/Ba=C/（T-Cλ）Χ=C/T-TC,TC=Cλλ=TC/C：平均场常数。铁：λ≈5000BE≈λM=103T交换场近似地表示量子力学的交换作用假设i、j两原子，自旋Si，Sj，其相互作用能：U=-2JSi·Sj（J：交换积分）在平均场近似下，J与Tc的关系在平均场近似下，对于S=1/2，磁化强度与温度的函数关系为：若进行约化：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）绝对零度下的饱和磁化强度：nB是有效磁子数2s22p63s23p63d64s2Fe原子：Fe[26]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。金属Cu的4s带和3d带关系示意图金属镍的4s带和3d带关系示意图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）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：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：4.亚铁磁序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·Fe2O3Fe3O4的自旋排列。铁氧体就是典型的具有亚铁磁性序的材料尖晶石结构：MO·Fe2O3，M是二价阳离子，比如Zn，Cd，Ni等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：LaFeO3,四面体（A）位置：8个八面体（B）位置：16个尖晶石立方晶胞：含有8个MFe2O4JAA、JBB、JAB0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：氧正十二面体中心石榴石晶体结构示意图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）金属离子被O2－形成的亚点阵包围：Y3＋→C；Fe3＋→A＋D石榴石晶胞中共160个原子（离子）：O原子96个构成亚点阵；A原子16个；D位24个；C位24个DCA亚铁磁体的居里温度及其磁化率Q型P型R型N型TCTCTCTCTcompMSMSMSMS亚铁磁性体自发磁化随温度的变化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）。MnO中Mn2+离子排列平均场近似下：TN=μCTTN，理论结果实验结果奈尔温度以下的磁化率反铁磁性磁波子：反铁磁性磁波子的色散关系：长波近似下，铁磁性6.铁磁畴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）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xyzxyNeel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；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MHMSMHMMH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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谢谢！