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1、第三章 固体材料中的 磁有序,3-1 铁磁性Ferromagnetism 3-1-1 特性 1、T PM mostly.,(or = ),图36-2,3-1-2 FM 材料,1、Materials: (1) 元素:9 ,(3 3d metals, Fe, Co, Ni; 6 4f metals) ,(2) 合金及化合物 : FM-FM, FM-NFM ( etc),AFM-NFM( etc ), TM(PM) NFM(,FM); compounds (,有机FM; Low-d, MML（磁性多层膜） and UTF（超薄膜）, UFP（超细颗粒）, FM半导体.,(3) 特殊 FM,2、应用,
2、(1) 软磁材料,Fe-Si, FeNi, Fe-Co-Ni, 等非晶合金, 立方铁氧体.,(2)硬磁材料. ( ), 六角铁氧体,Alnico , MnAlC, ,(3）磁及磁光记录材料 :,等非晶膜 ,CoCr 膜,Tb (Gd) -Fe-Co,颗粒膜 ( ),高, 较好的 .,(5) 传感器、换能器等.,Magnetoelastic, magnetostrictive,MR, GMR, magneto-caloric, etc.,(4) 微波材料,(6) 自旋电子学（Spintronics）.,3-1-3 Weiss分子场理论(MF), 局域模型,1、基本假设:,分子场导致自发磁化. M
3、F :,For T= 0K, M =,T0K 时，磁能和热运动能相竞争,完全饱和,H 应该足够大以致和热运动能相当.,仿照对顺磁性的处理，作用在磁矩上的有效场：,从布里渊函数求解自发磁化强度的图解法：,随温度上升，减小，自发磁化强度MS减小，当达到某一临界温度TC时，MS =0，铁磁性消失。,当TTC时，材料呈铁磁性,当TMS(内禀磁化),当TTC时，无自发磁化，MS=0，材料为顺磁性,有效Bohr磁子数=,(If C-W Law becomes Curie law,(PM materials),2 、结论,(1) 局域电子铁磁态判断标准:,(3) For TM ,(交换常数 J0).,饱和B
4、ohr磁子数.,（4）When,整数.,3. 关于M0 , pS , peff , pc , TC and H 的实验,: 两次外推. (a) Ms由高场的M-H曲线外推.,(b) M0 由低温下的MS T外推,(2),Weight,(3) C is obtained by,above,For 3d elements ,(4),is 2s obtained from,局域化模型,非局域化模型, pc/ps 1.,(5) :由TC附近的Ms-T曲线外推 (也可由其他曲线得到）,(6) Some data,(7) MF理论的一些问题,*,短程有序.,整数,*3d metals:,3-1-4 巡游电
5、子铁磁性,1、 物理图象,2. Stoner 判据.,(2) 传导电子系统铁磁性条件, , large；,(3) 增强的顺磁性, N(E ) large.,(1) 判据:,Some theoretical values,Actually FM TM: 1, 0,Exchange energy of CE of Li etc. is larger than Fe, Co, Ni !,But N( EF ) is small !,(1) 实验,3. 电子分布及饱和磁矩,(2) Experimental values of s (neutron diffraction),(1) 可依据Fermi-D
6、irac统计计算出Ms-T, -T, Tc.,(2) 问题 .,计算出的Tc偏高。 计算结果Tc: Fe :4400-6200K, Co: 3300-4800K, Ni:2900K. Tc 以上-T不同于居里-外斯定律.,4. results,3-2 反铁磁性Antiferromagnetism (AFM) 亚铁磁性Ferrimagnetism (FIM),3-2-1 AFM,1、 特性.,T , AFM态,=0,-,When T,T,PM态,化合物 ,局域磁矩, 0 K,(1),(2),(3)T = TN, = max.,金属中, 巡游电子, 较复杂.,2、AFM材料.,(1) (TM)和,
7、元素形成的化合物, 如,MnO, MnS, MnF2, MnTe, FeF2, Fe Cl2, FeO, CoCl2, CoO, NiO.,(2)TM 及其合金, Mn( ), (bcc): FM?,Mn:,T705 C,o,=1.9, 1.78, 0.6 , 0.25 , 95-100K.,复杂体心立方结构，4 sites,T705 C,o,Mn (fcc).,From Cu-Mn alloy,TN=207 C and,o,Cr(bcc) : =312K. 磁矩在晶格中波动分布.,Fe(T910 C, fcc): 40K ?,MnAu2 , Pt3Fe etc. 螺旋式AFM. 大部分RE金
8、属显示螺旋式及其他复杂自旋结构的AFM 和 FIM.,T1100 C,3 、理论解释,（1）局域磁矩,次晶格模型. 次晶格:,每个次晶格的 行为类似于铁磁性,When H=0, but,每个次晶格 服从 C-W law,总的M也服从 C-W law.,两次晶格为例,Even H = 0.,(2) 金属与合金. 巡游电子.,巡游电子次晶格理论.,(a),扩展的 Stoner模型.,AFM 判据,2 N 1.,(b) 自旋密度波（SDW）理论. 由于交换作用导致自旋密度为波动分布，正、负自旋电子的空间分布不均匀. A.W.Overhauser. P.R.128,1437(1962), PRL4,4
9、62(1960),Cr,Ground state,Suppose n+ and n- are all positive number. When n+ n- , m is up, while n+ n- , m is down.,(3) 磁晶各向异性. 单晶中的自旋突转,rotation,(i) When H / one easy axis,H parallel to , antiparallel to,Slightly,At,When TTN,(ii) When easy axis, rotation.,(iii) Spin Flop,(4) AFM畴.,(5) AFM/FM双层膜或颗粒中的
10、AFM/FM界面相互作用, 交换各向异性及交换偏置, 磁滞回线的位移.,3-2-2亚铁磁性Ferrimagnetism FIM。,特性. 未完全补偿的AFM.,1、,（1）TTC AFM结构，MS0, MS-T 与 FM不同.,（2）TTC PM态, MS=0, -T与 FM材料不同.,FIM 材料,2、,（1） 化合物. 铁氧体: 尖晶石 ( etc. ),石榴石 (,（良好的微波材料）,六角 (M type: Ba Fe12O19 Y, Z, W type etc.), 其他化合物.,and,(2) HRE-TM 合金,(3) RE metals,3、次晶格Neel理论,MS0 at T
11、TC.,When,各种磁化强度的温度依赖关系, .,由于不同次晶格磁矩Msi(T)的竞争 .,以尖晶石铁氧体为例，分子式：,不同于 C-W law.,TTc: 1/=T/C + 1/0 + /(T-),3-2-3 RE金属磁性,1、 实验现象,(3) 复杂的磁相边, e.g. FM-AFM-PM.,(4) 复杂的磁有序 (磁结构),从La(57, 4f0)到Lu(71, 4f14 ), 几乎所有具有未满4f壳层的在低温下都有磁有序. 与TM形成的合金有巨大的技术价值。 永磁材料 (LRE-TM); 磁光存储介质(HRE-TM).,2. RE金属的磁结构及相变,REMag-structures,
12、 and (K),Ce(58)AFM (FIM in c-plane, AFM interplane),PrAFM (similar to Nd?),Nd FM or FIM,(FM in plane,AFM interplane),Sm ?,EuAFM(SSS),(similar to Nd),GdFM(/c-axis,T248K deviate from c),TbFM(/c-plane),DyFM(/c-plane),Ho FM(FS)*,ErFM(FS)*,Tm(69) FM(APD)*, (Up moment in 4 layers,down in 3).,SSS: Simple S
13、piral S.,FS: FM Spiral,CS: Complex Spiral.,SLSW: St.Longi.SW,APD:Antiphase Dom.,FM,非共线,SSS: 简单螺旋结构.,FS: 铁磁螺旋结构或锥面结构.,CS: 复杂螺旋结构或反相锥面结构.,SLSW: 静态纵向自旋波结构或简谐调制结构,APD: 反向畴或方波调制结构.,如Tm: 4层原子磁矩向上，3层向下，平均净磁矩 为1,3. 螺旋结构的理论解释,* For AFM, M0= Mi , 对简单螺旋结构 i+1=i,*有符号变化的长程交换作用.,c, simple spiral, , SLSW,考虑交换作用的分子
14、场较为长程，需考虑更多相邻原子层的交换作用.,1. 磁性金属固溶在非磁金属而形成稀磁合金,c为合金中磁性金属的浓度,when cc1 : Kondo effect. When , , 交换作用不能及于磁性原子之间,When c1cc2: Spin glass态.,When but not AFM, 无磁序 .,自旋冻结.,3-2-4 自旋玻璃态Spin glass 和混磁性mictomagnetism,When cc2: 磁有序或者混磁性.,混磁性: 不只一种性质的交换作用同时出现在一个合金系统中.,例如, FM团蔟出现在AFM基体中.,散铁磁性: 在非晶合金中,交换作用和局域随机各向异性之间的竞争,(a) Antisperromagnetism. (b)Sperrimag. Sperromag.,Nd,Fe,Co,Fe,Co,Nd,1. 推导巡游电子铁磁性的Stoner判据. 2. 描述单晶及多晶AFM材料中 -T的变化关系. 3. 如何解释M-T曲线上的补偿温度? 4. 解释一下为什么在过度族元素金属中,仅Cr, Mn, Fe, Co, Ni有磁有序, 而稀土金属中基本上都是磁有序的 .,习题,
