磁性材料第2章磁性的起源.ppt

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,第一節(jié)電子的軌道磁矩和自旋磁矩,第二節(jié)原子磁矩,第三節(jié)稀土及過渡元素的有效玻爾磁子,第四節(jié)軌道角動量的凍結(jié)（晶體場效應(yīng)）,第二章磁性的起源,第五節(jié)合金的磁性,第一節(jié)電子的軌道磁矩和自旋磁矩,物質(zhì)的磁性來源于原子的磁性，研究原子磁性是研究物質(zhì)磁性的基礎(chǔ)。原子的磁性來源于原子中電子及原子核的磁矩。原子核磁矩很小，在我們所考慮的問題中可以忽略。電子磁矩（軌道磁矩、自旋磁矩）——→原子的磁矩。即：,一、電子軌道磁矩（由電子繞核的運(yùn)動所產(chǎn)生）方法：先從波爾原子模型出發(fā)求得電子軌道磁矩，再引入量子力學(xué)的結(jié)果。按波爾原子模型，以周期T沿圓作軌道運(yùn)動的電子相當(dāng)于一閉合圓形電流i,其產(chǎn)生的電子軌道磁矩：,∵軌道動量矩,說明：電子軌道運(yùn)動產(chǎn)生的磁矩與動量矩在數(shù)值上成正比，方向相反。,由量子力學(xué)知：動量矩應(yīng)由角動量代替：,其中l(wèi)＝0，1，2…n-1，,l＝0，即s態(tài)，Pl＝0，μl＝0（特殊統(tǒng)計(jì)分布狀態(tài)）如有外場，則Pl在磁場方向分量為：,角量子數(shù)l＝0，1，2…n-1（n個取值）磁量子數(shù)ml＝0、1、2、3??????l（2l+1個取值）在填充滿電子的次殼層中，各電子的軌道運(yùn)動分別占了所有可能的方向，形成一個球體，因此合成的總角動量等于零，所以計(jì)算原子的軌道磁矩時，只考慮未填滿的那些次殼層中的電子——這些殼層稱為磁性電子殼層。,二、電子自旋磁矩自旋→自旋磁矩實(shí)驗(yàn)證明：電子自旋磁矩在外磁場方向分量等于一個μB，取正或取負(fù)。,總自旋磁矩在外場方向的分量為：,計(jì)算原子總自旋角動量時，只考慮未填滿次殼層中的電子。電子總磁矩可寫為：,第二節(jié)原子磁矩,由上面的討論可知，原子磁矩總是與電子的角動量聯(lián)系的。根據(jù)原子的矢量模型，原子總角動量PJ是總軌道角動量PL與總自旋角動量PS的矢量和：,總角量子數(shù)：J=L+S,L+S-1,……|L-S|。原子總角動量在外場方向的分量：,總磁量子數(shù)：mJ=J,J-1,……-J按原子矢量模型，角動量PL與PS繞PJ進(jìn)動。故μL與μS也繞PJ進(jìn)動。,μL與μS在垂直于PJ方向的分量(μL)┴與(μS)┴在一個進(jìn)動周期中平均值為零?！嘣拥挠行Т啪氐扔讦蘈與μS平行于PJ的分量和，即：,注：1、蘭德因子gJ的物理意義：當(dāng)L=0時，J=S，gJ=2,均來源于自旋運(yùn)動。當(dāng)S=0時,J=L，gJ=1，均來源于軌道運(yùn)動。當(dāng)1l2)S=s1+s2,s1+s2-1,,s1-s2(設(shè)s1>s2),對于確定的L值，PL和?L的絕對值分別為：,對于確定的S值，PS和?S的絕對值分別為：,其中總角動量量子數(shù)J可以取以下數(shù)值：J=L+S,L+S-1,……|L-S|（共2S(2L)+1個）,NOTE：由總角動量PJ并不能直接給出總磁矩?，因?yàn)樵拥目偞啪氐姆较蚺c其總角動量的方向并不重合,,,,,,pL,pS,pJ,,,,,,?J,?L-S,?s,?L,,,2、原子磁矩?J在磁場中的取向也是量子化的;,∴原子磁矩的大小取決于原子總角量子數(shù)J,原子總磁矩?J在H方向的分量為：,原子總角動量在H方向的分量：,總磁量子數(shù)mJ：mJ=J,J-1,……-J,4、組成分子或宏觀物體的原子的平均磁矩一般不等于孤立原子的磁矩。這說明原子組成物質(zhì)后，原子之間的相互作用引起了磁矩的變化。因此計(jì)算宏觀物質(zhì)的原子磁矩時，必須考慮相互作用引起的變化（晶體場的影響）一般按Hund’sRules計(jì)算出來的稀土離子的磁矩與實(shí)驗(yàn)值符合得較好，而鐵族離子的磁矩則與實(shí)驗(yàn)值差別較大,3、原子中電子的結(jié)合大體分三類：L－S耦合：各電子的軌道運(yùn)動間有較強(qiáng)的相互作用∑li→L，∑si→S,J＝S+L發(fā)生與原子序數(shù)較小的原子中（Z82LS+jj耦合：32kBT。二、過渡族元素離子的順磁性3d（鐵族）、4d（鈀族）、5d（鉑族）、6d（錒族）1、結(jié)構(gòu)特征：過渡元素的磁性來源于d電子，且d電子受外界影響較大。）,2、有效玻爾磁子即過渡族元素的離子磁矩主要由電子自旋作貢獻(xiàn)，而軌道角動量不作貢獻(xiàn)，這是“軌道角動量猝滅”所致。,過渡元素的原子或離子組成物質(zhì)時，軌道角動量凍結(jié)，因而不考慮L孤立Fe原子的基態(tài)（6.7μB)與大塊鐵中的鐵原子(2.2μB)磁矩不一樣。物質(zhì)中：Fe3＋的基態(tài)磁矩為5μBMn2＋5μBCr2＋4μBNi2＋2μBCo2＋3μBFe2＋4μB（有幾個未成對電子，就有幾個μB）,第四節(jié)軌道角動量的凍結(jié)（晶體場效應(yīng)）,晶體場理論是計(jì)算離子能級的一種有效方法，在物理、化學(xué)、礦物學(xué)、激光光譜學(xué)以及順磁共振中有廣泛應(yīng)用。晶體場理論的基本思想：認(rèn)為中心離子的電子波函數(shù)與周圍離子（配位子）的電子波函數(shù)不相重疊，因而把組成晶體的離子分為兩部分：基本部分是中心離子，將其磁性殼層的電子作量子化處理；非基本部分是周圍配位離子，將其作為產(chǎn)生靜電場的經(jīng)典處理。配位子所產(chǎn)生的靜電場等價為一個勢場——晶體場。,晶體中的晶體場效應(yīng)a、晶體場對磁性離子軌道的直接作用引起能級分裂使簡并度部分或完全解除，導(dǎo)致軌道角動量的取向處于被凍結(jié)狀態(tài)。b、晶體場對磁性離子自旋角動量的間接作用。通過軌道與自旋耦合來實(shí)現(xiàn)。常溫下，晶體中自旋是自由的，但軌道運(yùn)動受晶體場控制，由于自旋－軌道耦合和晶體場作用的聯(lián)合效應(yīng)，導(dǎo)致單離子的磁各向異性。,一、晶體場劈裂作用考慮到晶體場與L－S耦合作用，晶體系統(tǒng)的哈密頓量為：,等式中間第一項(xiàng)為第i個電子的動能，第二項(xiàng)為電子勢能，第三項(xiàng)為原子內(nèi)電子的庫侖相互作用，第四項(xiàng)為自旋－軌道相互作用，第五項(xiàng)為中心離子與周圍配離子產(chǎn)生的晶場間相互作用。,采用簡并態(tài)微擾法可計(jì)算系統(tǒng)的微擾能量，為此，須求解方程：,弱晶場,與自由原子（離子）一樣，滿足洪特規(guī)則。稀土金屬及其離子屬于此中等晶場,、,仍滿足洪特規(guī)則，但晶體場V(r)首先對軌道能量產(chǎn)生影響，即能級分裂，簡并部分或完全消除。含3d電子組態(tài)的離子的鹽類屬于此強(qiáng)晶場,不滿足洪特規(guī)則，導(dǎo)致低自旋態(tài)。發(fā)生于共價鍵晶體和4d,5d,6d等過渡族化合物。,,二、軌道角動量的凍結(jié)由于晶場劈裂作用，簡并能級出現(xiàn)分裂，可能出現(xiàn)最低軌道能級單態(tài)，當(dāng)單態(tài)是最低能量的軌道時，總軌道角動量絕對值L2雖然保持不變，但是其分量Lz不再是運(yùn)動常量。當(dāng)Lz的平均值為零，即時，就稱為軌道角動量的凍結(jié)。一個態(tài)的磁矩是磁矩=(Lz+2Sz)μ，當(dāng)Lz的平均值為零時，對于整個磁性，軌道磁矩不作貢獻(xiàn)。（單態(tài)??簡并度為1（簡并度由2l+1決定)??簡并度解除??2l+1=1。所以l=0時為單態(tài)。）離子的軌道角動量凍結(jié)程度取決于軌道簡并度解除的程度。,第五節(jié)合金的磁性,一、鐵磁性合金按其組成可分為三類：1.由鐵磁性金屬組成，如：Fe－Ni、Fe－Co。任何成分下都有鐵磁性。2.由鐵磁性金屬與非鐵磁性金屬或非金屬組成合金，如：Fe－Si－Al、Co－Cr等。在一定范圍內(nèi)有鐵磁性。由非磁性金屬組成的合金，如：Mn－Cr－Al、Mn－Bi。只在很窄的范圍內(nèi)由鐵磁性。,鐵磁性合金的磁性質(zhì)與其各組元的磁性及合金相圖有密切關(guān)系。其磁矩就來源于合金中可以自由游移于鄰近各原子間的外層電子(與孤立原子的磁矩不同）,Slater-Pauling曲線表征周期表上相鄰的元素組成的合金平均磁矩與外層電子數(shù)的關(guān)系。曲線的解釋可用能帶模型：在不同電子濃度的鐵磁性合金中，電子補(bǔ)充或減少各能帶中的電子分布，從而改變合金的磁性。,如：Fe：2μB——2.2μBCo：1.1μB——1.7μBNi：0μB——0.6μB其磁疇結(jié)構(gòu)由交換作用的漲落決定。稀土－過渡金屬合金呈亞鐵磁性或鐵磁性，以薄膜形式應(yīng)用。磁結(jié)構(gòu)為散亞鐵磁性或散鐵磁性，由各項(xiàng)異性漲落決定。過渡金屬－過渡金屬合金有微弱的磁性其磁結(jié)構(gòu)也由交換作用的漲落決定。,二、非晶態(tài)磁性合金分三類：過渡金屬－類金屬合金（TM）由80%的Fe(Co、Ni)與Si、C、B、P（類金屬）組成，有強(qiáng)鐵磁性，以薄帶形式應(yīng)用。其磁矩主要來自于過渡金屬，但磁矩隨類金屬元素含量增加而下降，所以比晶態(tài)過渡金屬中相應(yīng)的原子磁矩小。,,