磁性材料基础_中国科技大学材料物理课件.pdf

物质的各类宏观磁性
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?
物质磁性的分类
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
路易斯·奈尔(Louis Eugene Felix Neel)
(1904—2000)
法国著名物理学家;
1904年11月22日出生于里昂;
1928年毕业于巴黎高等师范学校;
1932年获博士学位,导师:P. Weiss;
1937年起先后任法国斯特拉斯堡大学和
格勒诺布尔大学教授;
1956年,倡议和筹建格勒诺布尔原子能研究中心(CENG);
1967年,和穆斯堡尔联名发起建立国际合作的高通量中子反应堆——劳厄-朗
之万研究所(ILL);
1971年,又创建了法德合作的国家强磁场研究中心(SNCI)。
1970年,由于在反铁磁性和铁氧体磁性方面的研究,获得诺贝尔物理学奖。
主要科学成就:
建立和发展了反铁磁性(1932)、亚铁磁性(1948)和超反铁磁性(1961)的分
子场理论,在热涨落和方向有序产生的磁化蠕移、微粉磁性、岩石磁性、磁
畴和畴壁的理论,以及技术磁化和矫顽力理论等领域也都有突出贡献。
§5 反铁磁性(ism)
它的基本特征:
(1) 存在一个磁性转变温度(Néel 温度,TN)。
当 T > TN 时,为顺磁性,磁化率服从 Curie-Weiss 定律
χ
C
=
T +θ
其中,C 为 Curie 常数,θ为顺磁 Néel 温度。
当 T < TN 时,表现为反铁磁性。最大特征是磁化率随温度降低而
减小,因此温度关系在 TN 出现峰值。
(2) TN 处的顺磁-反铁磁相变属于二级相变,比热、热膨胀系数等物
理量出现突变。
(3) 存在磁晶各向异性,即单晶体沿不同晶轴方向的磁化率明显不同。
磁化率表现复杂
1
χ
TC
θ TN TK()
铁磁性θ≈ Tc
反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤素化合物、硫化
物,如: FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3,
FeCl2, FeF2, MnF2,
FeS, MnS
转变温度一般都很低,只能在低温下才观察到反铁磁性。
反铁磁性的分子场理论
一、定域分子场理论与反铁磁性的发现
与铁磁性不同,反铁磁性是 Néel 在使用“定域分子场”概念过程中
首先从理论上预言的。
Weiss 分子场理论把分子场看作是存在于铁磁物质中的均匀场,
Heisenberg 指出是原子间的交换作用产生了分子场,这种交换作用是
短程的,只和最近邻原子有关,所以对于两种无规分布的原子 A 和异
类原子 B 组成的铁磁合金来说,每种原子的环境是完全不同的,再使
用统一的分子场显然是不合适的。为此,1932 年 Néel 提出了“定域分
子场”的概念,即分别作用在 A 和 B 原子上的分子场:
H mA = λ+ λ MM AAABAB
H mB += λλMM BBBAAB
在保留分子场理论简明性的基础上求出了 AB 类型合金磁化率的表达
式,其系数和 A, B 两类原子的相对数量及两种原子自身的居里常数
CA, CB 有关。
特别重要的是:
这里得出的 1/χ~ T 曲线不再是直线,而是双曲线。其结果很好地
解释了 Pt-Co 合金的性质,1934 年 Néel 用“定域分子场”模型解释了
Fe-Co, Fe-Ni, Co-Ni 合金的性质。
完全不同于普通顺磁性的磁化率双曲线形式虽很快被实验证实,
但 Néel 的“定域分子场”理论却未被当时的学术界所接受。1936 年
Néel 继续用“定域分子场”概念处理了由磁化强度分别为 MA 和 MB 的
两个次点阵 A 和 B 组成的系统,并假定:
H T →= ,K0,0 A = −MM B
他得出的结果是,两种次点阵的反平行自发磁化应在某一温度 TN 时消
失,由此他发现了一类新的磁性物质,这类物质的特点是:
近邻自旋由于交换作用而反平行排列,它们的磁矩因而相互抵
消。所以它不产生自发磁化磁矩,在外磁场中只显出现很微弱的磁性
(数值上类似顺磁性)。但与顺磁体不同的是自旋结构的有序化。它
最大特征是其磁化率温度关系有一个极大值。
TN
当施加外磁场