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1、磁性材料,Office : 6358Mobile Phone: 15807186029Email : ,卢志红,大纲,磁性的基础 1次课铁磁性与铁磁材料 1次课 软铁材料 硬磁材料薄膜磁性材料基础 1次课薄膜磁性材料的制备方法 2次课 薄膜磁性器件与制备方法 1次课,磁性发现和早期应用,几千年前 天然磁石Fe3O4公元前1200年 金属铁前200年 战国时期 司南 公元六世纪 磁石磁化铁针 （中国） 指南针用于航海 （磁化的铁片）,物质磁性的普遍性,物质磁性的普遍性首先表现在它无处不在：（1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态和反物质态都会具有磁性；（2）物质的各个层
2、次，无论是原子、原子核、基本粒子和基础粒子等都会具有磁性。（3）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱的磁场。例如：地球磁场强度约为240A/m，太阳的普遍磁场强度约为80A/m，而中子星的磁场强度高达1013-1014A/m。物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他属性之间存在着广泛的联系，并构成多种多样的耦合效应和双重（多重）效应（例如磁电效应、磁光效应、磁声效应和磁热效应等）。这些效应既是了解物质结构和性能关系的重要途径，又是发展各种应用技术和功能器件（例如磁光存储技术、磁记录技术和霍尔器件等）的基础。,磁性科学早期发展,1600 威廉 吉尔伯特（William
3、Gilbert） 论磁 记录基本磁现象：吸引与排斥、极性、地磁、退磁等1777 库仑 （Charles Coulomb） (France) 证明两磁极间吸引或排斥力正比于1/d21820 奥斯特（ Hans Christain Oersted） (丹麦) 证明电流可以产生磁场。 第一个非天然的磁场1826 安培 证明电流可以产生磁场， 通电的线圈与磁铁相似 通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运动的电产生的。(磁的电本质) 尤为重要！,安培的分子电子说,载流圆线圈磁矩 m=IA(Am3)将磁性归为分子电流产生安培分子电流的假说，揭示了磁铁磁性的起源，它使我们认识到：磁铁的磁场和电流的磁
4、场一样，都是由电荷的运动产生的,磁性的来源,电子的运动产生 轨道磁矩：电子绕核运动产生。 自旋磁矩：电子的自旋产生。原子核磁矩 原子核磁矩要比电子磁矩小三个数量级 可忽略。,非磁性原子,总的来说，组成宏观物质的原子有两类： 一类原子中的电子数为偶数，即电子成对地存在于原子中。这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消，使原子中的电子总磁矩为零，整个原子就好像没有磁矩一样，习惯上称他们为非磁原子。 偶数电子的原子并不都是非磁性原子，例如： 1）碱土金属 2）一些过渡元素,磁性原子,另一类原子中的电子数为奇数，或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩（有时叫净
5、磁矩，剩余磁矩）不为零，带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子,原子磁性的基础知识,原子的电子轨道 Fe：原子序数 26 每个轨道电子数：2n2 核外电子排列： 电子层与亚电子层 每个亚层: (l+1)(l+2) (l=0、1、2、3）泡利不相容原理 一 个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子,1s2s22p63s23p63d64s2,物质磁性的起源,磁性的起源 “结构决定性质”。磁性当然也是由物质原子内部结构决定的。原子结构与磁性的关系可以归纳为： （1） 原子的磁性来源于电子的自旋和轨道运动； （2） 原子内具有未被填满的电子是材料具有磁性的必要条件； （
6、3） 电子的“交换作用”是物质具有磁性的根本原因,电子交换作用,原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A表示，称作交换能，它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁矩的排列方式和物质的基本磁性。一般地：当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性。当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁性。当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性。,
7、描述磁性的基本量,磁场强度：描述空间某一点磁场的大小和方向，用H表示。磁化强度：指磁体内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，它反映出磁体的磁性强弱程度。磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=0(H+M)，其中0是一个系数，叫做真空磁导率。,磁化率与磁导率,磁化率:磁导率: 描述材料磁性的重要参数。 二者实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。,材料的磁性,类型：顺磁性抗磁性反铁磁性亚铁磁性铁磁性,顺磁性,顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观
8、看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度与外磁场方向一致， 为正，而且严格地与外磁场H成正比。 顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下约为10-5。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。,抗磁性,抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一(-10-6)。,抗磁性物质有；
9、惰性气体、大部分有机合物、若干金属(如Bi、Zn、Ag和Mg等)非金属(如Si、P和S等)。 电子壳层都是填满的，所以，原子矩等于零或虽原子的磁矩不为零，但由子组成的分子的总磁矩为零。零。,反铁磁性,反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体没有磁性 。不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的，M与H处于同一方向，磁化率为正值。,反铁磁性物质有过渡族元素的盐类及化合物，如MnO、Cr2O3、 CoO等。也有合金如Fe
10、Mn，NiMn，MnPt 等,亚铁磁性,在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用。使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩1的现象。当施加外磁场后，其磁化强度随外磁场的变化与铁磁性物质相似。 亚铁磁性与反铁磁性具有相同的物理本质，只是亚铁磁体中反平行的自旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不尽的自发磁矩，类似于铁磁体。铁氧体大都是亚铁磁体。,铁磁性,在磁场下磁矩同向排列磁场撤去后，对外还有磁矩（剩磁）在后面进一步讨论,各种磁性比较,抗磁性：原子没有磁矩反铁磁性：反铁磁性，由于交换作用，相邻晶胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩
11、反向排列。顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，与反铁磁性类似，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此。磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。,各种磁性的磁化率,磁化率与磁行为类型磁性种类 典型的值 随温度的变化 随场强的变化抗磁性 -110-6 无变化 无关顺磁性 010-2 减小 无关铁磁性 102106 减小 无关反铁磁性 010-2 增加 有关,物质的磁性分类-磁序,本章要点,材料的磁性是怎么产生的？ 电子的绕核转
12、动，电子自旋原子的磁性 有未成对的电子材料的磁性与磁性材料是不同概念 材料的磁性分类 磁性材料：具有铁磁性与亚铁磁性,磁性材料,磁性材料温度特性,磁性与温度的关系 1）铁磁性材料 磁化率随温度升高的减小 居里点以上为顺磁性 2) 亚铁磁性材料 磁化强度随温度的变化曲线 可以具有不同于铁磁性的各种特殊 形状，可以分为P型、R型和N型， 也有与铁磁性相同的Q型。 居里点以上为顺磁性。,磁性材料的磁化-磁滞回线,磁性材料被磁化后表现出一个重要特征，即有磁滞现象。磁滞回线是磁化磁场变化(H)一周时，磁性材料的磁感应强度(B)或磁化强度(M)随之而变化的曲线。由于磁滞，B或M的值，不是沿着原来的磁化路径
13、改变，而是沿着当H作循环变化时另外的路径变化，以至于当磁化磁场正反磁化一周所得的磁化曲线，形成一闭合回线。磁滞回线中的重要参量：矫顽场 Hc饱和场 Hs饱和磁化强度 Ms剩余磁化强度 Mr,原子自发磁化,为什么铁磁体中原子磁矩这样容易排列起来呢？这是因为在铁磁体中存在着由于原子间强烈的交互作用(称为交换力)而产生的分子场分子场的作用和磁场一样，使得原子的磁矩发生取向排列，分子场的大小，较普通的磁场强得多。（自发磁化） 例如，铁在室温下，就有95以上的原于磁矩由于分子场的作用而取向排列了起来。但是铁磁体在未经磁化前并不表现出磁性，为什么？,磁畴,加上外磁场后，各个磁踌的磁矩方向转向外磁场的方向，
14、铁磁体的总磁矩便不为零鉴于各个滋畴中的原于磁矩在没有外磁场时就已取向了，所以铁滋体在不大的外磁场中也表现出强磁性来,每一铁磁体实际上分成许多小区域，我们称这样的小区域为磁畴分子场使每一磁畴中各个原于的磁矩排列在同一方向，但各个磁畴的磁矩方向彼此不同，因此在没有外磁场时，虽然各个磁畴内原于磁短已经差不多全部排列起来了，铁磁体的总磁矩仍为零，整个铁磁体不呈现出磁性,磁畴形貌,磁性材料的分类,软磁材料硬磁材料半硬磁材料旋磁材料矩磁材料压磁材料,按磁性种类,按化学成份,金属磁性材料非金属磁性材料,按使用形态,块体磁性材料粉末磁性材料薄膜磁性材料,磁性材料,磁各项异性,磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。,单晶体的易磁化和难磁化方向,软磁材料,概念： 软磁材料主要是指那些容易反复磁化，且在外磁 场去掉后，容易退磁的磁性材料。 当磁化发生在 Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体。典型的软磁材料，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。 特点： 高磁导率：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。 低矫顽力：当外磁场去除时，其磁性立即基本消失。,
