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1、磁性物理 Ferromagnetism 铁磁性物质的基本特征 1、铁磁体内存在按磁畴分布的自发磁化 2、 ，可达10106数量级，加很小的外场即可磁化 至饱和（原因即是存在自发磁化）。 3、MH之间呈现磁滞现象，具有Mr。 4、存在磁性转变温度Tc居里温度 5、在磁化过程中表现出磁晶各向异性与磁致伸缩现象。 磁性物理 Ferromagnetism 直接交换作用(Direct exchange) 铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用 一、交换作用模型 ra rAb rBa r rb 电子a 电子b 核A核B R 磁性物理 Ferromagnetism 对于基态，要求 （以满足能量最低原则
2、）， 1. 若A0,则 ，自旋平行为基态（铁磁性）； 3. 若A =0，系统能量与近邻电子磁性壳层中电子相对 取向无关，因此物质呈顺磁性。 磁性物理 Ferromagnetism 铁磁性条件 1、必要条件：原子具有固有磁矩（有磁性壳层） 2、充分条件：A0 rij：电子i与j间的距离； ri(rj)：i(j)电子与自己核间的距离。 A=f(rij、 ri、 rj），且A与波函数性质有关。 磁性物理 Ferromagnetism 超交换作用(Superexchange) 对于反铁磁性与亚铁磁性的晶体（如：NiO、FeF2、 Fe3O4），磁性离子间的交换作用是以隔在中间的非磁性离 子为媒介来实现
3、的。超交换作用 一、超交换作用原理（以MnO为例） Mn2：3s2 3d5 ，L0，S5/2， 2S B5 B O2：1s22s22p6 ,L=0，S=0， 0 磁性物理 Ferromagnetism 1. 基态时，O2无磁性，无法自发磁化 。 2. 处于激发态：O2的一个激发态跃到 近邻的Mn2中去，使O2 O1（ L1，S=1/2， 0），故O1可以 与邻近的Mn2+ 的3d电子发生直接交 换作用。 Mn2+ Mn2+ O2 d1 d2P P 基态 Mn2+ Mn+ O d 2 d1d1 P 激发态 (A0) 由O与Mn2+的直接交换积分A0。由此导致了O2两侧 成180o键角耦合的两个M
4、n2+的自旋反平行排列。 磁性物理 Ferromagnetism Chapter 4. Magnetic Anisotropy 磁性物理 Ferromagnetism Fe 单晶磁化曲线 易轴 难轴 磁晶各向异性 (Magnetocrystalline Anisotropy) 磁性物理 Ferromagnetism Ni 单晶磁化曲线 易轴 难轴 磁性物理 Ferromagnetism Co 单晶磁化曲线 易轴 难轴 磁性物理 Ferromagnetism 由磁化曲线和M坐标轴之间所包围的面积确定。称 这部分与磁化方向有关的自由能为磁各向异性能。 磁化过程中的磁化功 磁各向异性类型： 磁晶各向
5、异性、形状各向异性、感生各向异性、应 力各向异性、交换各向异性 磁各向异性能的表示 磁性物理 Ferromagnetism 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。 磁化过程中的磁化功 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。 磁晶各向异性 磁性物理 Ferromagnetism 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。 磁晶各向异性 (Aniso
6、tropy) 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。 磁性物理 Ferromagnetism x y z w C轴 C面 Is 六角晶系 磁晶各向异性能 磁性物理 Ferromagnetism x y z Ms(123) 100：1=1,2=0,3=0 Fk=0 110：1=0, 111： K1, K2 分别为磁晶各向异性常数，求 几个特征方向的各向异性能， (一般设：K0=0） 001 110 111 立方晶系 磁晶各向异性能 磁性物理 Ferromagnetism 由于磁晶各向异性能
7、的存在，在不施加外磁场时 ，磁化强度的方向会处在易磁化轴方向上，如果磁化强度 偏离易磁化轴，它会受到一个力矩作用，把它拉回易磁向 ，这相当于在易磁化轴方向上存在一个等效磁场 Hk 。 在很多情况下，用磁晶各向异性等效场的概念来讨论磁 晶各向异性的影响会方便得多。 4.4 磁晶各向异性等效场：Hk 磁性物理 Ferromagnetism 得到： b. c面为易磁化面时： a. c 轴为易磁化轴 六角晶系情况： 磁性物理 Ferromagnetism x y z Is 1,2,3用,耒表示, a. 易轴 立方晶系磁晶各向异性能为方便讨论也可表示为 使用上式可以推出 Hk 磁性物理 Ferromag
8、netism b.易轴： 磁化强度的有利转动晶面分别是(100)和(110)面 x y z Hk Is ( 1 )在(100)面上，Ms转动求Hk ( 100 ) 得到 Hk x y z Is ( 2 )在(110)面上，M s转出 角，用转 矩求Hk 磁性物理 Ferromagnetism C. 为易轴： x y z HA Is 注意：磁晶各向异性场仅是一种等效场，其含义是当磁化 强度偏离易磁化方向时好像会受到沿易磁化方向的一个磁 场的作用，使它恢复到易磁化方向。因此，即使对于同一 晶轴，当在不同的晶面内接近晶轴时，磁晶各向异性场的 大小是不同的。 磁性物理 Ferromagnetism 4
9、.5 磁晶各向异性的来源 磁性物理 Ferromagnetism 磁性物理 Ferromagnetism 铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。由磁 致伸缩导致的形变l / l 一般比较小，其范围在10-510-6之间。虽然磁致 伸缩引起的形变比较小，但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中，仍 是一个很重要的因素。 应变l /l 随外磁场增加而变化，最终达到饱 和 。产生这种行为的原因是材料中磁畴在外 场作用下的变化过程。每个磁畴内的晶格沿磁 畴的磁化强度方向自发的形变e 。且应变轴随 着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致样品 整体上的形变。 H 磁致伸缩 磁性物理 Ferromagnetism 磁致伸缩的机理
