1、 磁性材料在現代微電子學、傳感控制、信息存儲、磁性材料在現代微電子學、傳感控制、信息存儲、激光調制以及儀表測量和永磁電機等現代工業技激光調制以及儀表測量和永磁電機等現代工業技術中具有廣泛的應用術中具有廣泛的應用 磁性材料主要有金屬基磁性材料和磁性無機材料磁性材料主要有金屬基磁性材料和磁性無機材料等，磁性無機材料一般是含鐵及其它元素的的復等，磁性無機材料一般是含鐵及其它元素的的復合氧化物，通常稱為鐵氧體（合氧化物，通常稱為鐵氧體（ferrite），其具有），其具有高電阻（高電阻（10106m）、低損耗的優點。）、低損耗的優點。 5.1 物質的磁性物質的磁性 5.2 磁疇與磁滯回線磁疇與磁滯回線

2、5.3 鐵氧體的磁性和結構鐵氧體的磁性和結構 5.4 硬磁材料和軟磁材料硬磁材料和軟磁材料 5.5 磁記錄與磁存儲材料磁記錄與磁存儲材料 5.1.1 磁性磁性 5.1.3 磁性的分類磁性的分類 磁矩磁矩 抗磁抗磁 電子磁矩電子磁矩 順磁順磁 原子磁矩原子磁矩 鐵磁性鐵磁性 5.1.2 磁性的本質磁性的本質 亞鐵磁性亞鐵磁性 電子的磁矩電子的磁矩 反鐵磁性反鐵磁性 交換作用交換作用 1 磁矩磁矩 磁性來源于物質中電子磁性來源于物質中電子 的運動及原子和電子內的運動及原子和電子內 部的永久磁矩部的永久磁矩 任一封閉的環形電流（任一封閉的環形電流（I） 都具有磁矩都具有磁矩 大小：大小： 方向：與環

3、形電流的法線方向一致方向：與環形電流的法線方向一致AI munDefinition of a magnetic dipole moment.mIs單位：單位：A m2在均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩在均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩 Wb.m-2一維情況，磁矩受到的磁場力為一維情況，磁矩受到的磁場力為 磁矩是表征物體磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越磁矩是表征物體磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越強，物體在磁場中受到的力也越大強，物體在磁場中受到的力也越大 磁矩只與物質本身有關，與外加磁場無關磁矩只與物質本身有關，與外加磁場無關FmJBxmdBFdx 2 電子磁矩電子磁矩 原子中每個電子

4、都具有磁原子中每個電子都具有磁矩矩 產生磁矩的主要原因產生磁矩的主要原因 電子繞原子核運動電子繞原子核運動電電子軌道磁矩子軌道磁矩 電子本身自旋電子本身自旋電子自電子自旋磁矩旋磁矩IA-eLrorbzspinBzSz 3 原子磁矩 原子磁矩來源原子磁矩來源 (1) 每個電子的軌道磁矩每個電子的軌道磁矩 (2) 電子自旋磁矩電子自旋磁矩 (3) 原子核磁矩原子核磁矩 原子核磁矩很小，一般可以略去。原子核磁矩很小，一般可以略去。 要確定原子的核磁矩，首先要了解原子中的電子分布規律要確定原子的核磁矩，首先要了解原子中的電子分布規律和原子中電子的角動量是如何耦合的和原子中電子的角動量是如何耦合的 （1

5、）電子殼層與磁性）電子殼層與磁性在多電子原子中，決定電子狀態的原則有兩條在多電子原子中，決定電子狀態的原則有兩條泡利不相容原理：泡利不相容原理：一個量子態（一個量子態（n，l，ml，ms）上最多容納一個電子）上最多容納一個電子能量最小原理：能量最小原理：體系能量最低時最穩定體系能量最低時最穩定原子中一個電子的狀態由量子數（原子中一個電子的狀態由量子數（ n，l，ml，ms ）決定，由波函數量子）決定，由波函數量子數的取值范圍知：數的取值范圍知： n，l，ml，ms四個量子數相同的電子最多四個量子數相同的電子最多1個；個； n, l, ml三個量子數相同的電子最多只有兩個；三個量子數相同的電子最

6、多只有兩個； n，l兩個量子數相同的電子最多有兩個量子數相同的電子最多有2（2l+1）個；）個； 對給定主量子數對給定主量子數n的殼層，可容納的殼層，可容納2n個電子；個電子； 能量相同（主量子數n）的電子分布在同一殼層上，n=0，1，2，3殼層分別用K，L，M，N等表示；在同一殼層中，可以取0，1，（l-1）個角量子數，可以按照其不同分成若干次殼層，分別用符號s，p，d，f，g，h等表示。具體見表5-1 電子填滿殼層 ：電子總動量據和總磁矩都為零 未填滿電子的殼層 ：存在著未成對的電子磁矩對原子的總磁矩作出貢獻 結論：原子的總磁矩取決于未滿電子殼層上的電子磁矩結論：原子的總磁矩取決于未滿電子

7、殼層上的電子磁矩磁矩電子殼層磁矩電子殼層 （2）角動量耦合與原子總磁矩）角動量耦合與原子總磁矩* 原子中的角動量耦合方式由兩種：原子中的角動量耦合方式由兩種： 軌道軌道-自旋耦合（自旋耦合（L-S耦合）耦合）z32 混合耦合混合耦合 32z82 j-j 耦合耦合 z82 磁鐵物質的角動量磁鐵物質的角動量 大都大都L-S耦合耦合 原子的總角動量原子的總角動量 原子磁矩原子磁矩(1)JLSJppppJ J(1)JJBgJ J(1)(1)(1)12 (1)JJ JS SL LgJ J 朗德或光譜分裂因子 (3) 洪德法則洪德法則 多電子原子基態的量子數多電子原子基態的量子數L，S，J 由洪德法則確定

8、由洪德法則確定 法則一法則一：在泡利不相容原理允許下，給定原子組態具有最 大 值 法則二法則二：在最大S時 應有最大值 法則三法則三：未滿殼層中J由下列方式證明： 當電子數少于應滿數的一半 當電子數等于或大于應滿數的一半 （4）原子磁矩的計算）原子磁矩的計算sSmLLmJLSJLSJLS （1）cr+3(z=24):電子組態電子組態1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(3) 半滿以下半滿以下, 則則 S=1/2+1/2+1/2=3/2（最大值）（最大值） L=2+1+0=3（可能最大值）（可能最大值） J=L-S=3/2 總的電子自旋磁矩總的電子自旋磁矩3uB 原子磁矩：將原

9、子磁矩：將L S J帶入公式求出帶入公式求出 gJ=0.4 uJ=1.3856uB (2) 鐵原子（原子序數鐵原子（原子序數26），基態電子殼層分布為），基態電子殼層分布為 1s（2）2s（2）2p（6）3s（2）3p（6）3d（6）4s（2） 磁性電子殼層磁性電子殼層3d（6）（半滿以上）（半滿以上） S=51/2-1/2=2 電子的總自旋磁矩電子的總自旋磁矩4uB L=2+1+0+（-1）+(-2)+2=2 J=L+S=4 原子磁矩：原子磁矩：gJ=1.5 uJ=6.7真空中真空中磁介質中磁介質中介質磁導率表征磁介質的磁性、導磁性和磁化難易程度，只與介質有關定義磁化強度X叫做磁化率，可正可

10、負0BH70410 (/)H mBH0()BHMH0(/1)HM (1)rMHH 1 電子的磁矩電子的磁矩磁現象和電現象存在本質的聯系磁現象和電現象存在本質的聯系物質的磁現象與原子、電子結構有關物質的磁現象與原子、電子結構有關電子磁矩電子磁矩=電子軌道磁矩電子軌道磁矩+自旋磁自旋磁（1）晶體中電子軌道磁矩受晶格場的作用，方向是變化的，不能形）晶體中電子軌道磁矩受晶格場的作用，方向是變化的，不能形成聯合磁矩，對外沒磁性作用。所以物質磁性主要是自旋磁矩引起的成聯合磁矩，對外沒磁性作用。所以物質磁性主要是自旋磁矩引起的（2）原子核自旋的自旋磁矩可以略去不計）原子核自旋的自旋磁矩可以略去不計（3）孤立

11、原子是否具有磁矩，決定于原子的結構，即有無未填滿的）孤立原子是否具有磁矩，決定于原子的結構，即有無未填滿的電子殼層電子殼層 2 交換作用交換作用 用來解釋磁性很強的鐵磁體的磁特性用來解釋磁性很強的鐵磁體的磁特性 鐵磁性除與電子結構有關外，還與晶體結構有關：鐵磁性除與電子結構有關外，還與晶體結構有關： 處于不同原子間、未填滿殼層上的電子由于公有化運動發處于不同原子間、未填滿殼層上的電子由于公有化運動發生特殊的相互作用生特殊的相互作用稱作交換作用稱作交換作用 交換作用產生的交換能交換作用產生的交換能wj與原子間距密切相關（圖與原子間距密切相關（圖5.3） a/D3：交換能為正值，鐵磁性：交換能為正

12、值，鐵磁性 a/D3：交換能為負，反鐵磁性：交換能為負，反鐵磁性 1 抗磁性抗磁性*磁化強度磁化強度M為負值（磁化率為負值（磁化率X為極小的負數）為極小的負數）M和和H方向相反，并且幾方向相反，并且幾乎不隨溫度變化。無永久磁矩，外磁場使電子軌道變化感生一個磁矩乎不隨溫度變化。無永久磁矩，外磁場使電子軌道變化感生一個磁矩 2 順磁性順磁性*磁化強度磁化強度M （磁化率（磁化率X ）為正值）為正值M和和H方向一致，與溫度成反比關系方向一致，與溫度成反比關系 3 鐵磁性鐵磁性* 屬于強磁性物質，室溫下磁化率屬于強磁性物質，室溫下磁化率103 鐵磁性物質的主要特性鐵磁性物質的主要特性 （1）很容易磁化

13、，在不強的磁場下就可以磁化到飽和態）很容易磁化，在不強的磁場下就可以磁化到飽和態 （2）磁化強度與外磁場不成線性關系）磁化強度與外磁場不成線性關系磁滯回線磁滯回線 （3）鐵磁性物質的磁性與溫度有關，遵從居里外斯定律）鐵磁性物質的磁性與溫度有關，遵從居里外斯定律 4 亞鐵磁性亞鐵磁性 溫度低于居里點溫度低于居里點TC時，與鐵磁性相似，具有自發磁化和磁時，與鐵磁性相似，具有自發磁化和磁滯特性，但滯特性，但X和和M都比鐵磁體小的多，在溫度高于居里點時，都比鐵磁體小的多，在溫度高于居里點時，特性像順磁體。特性像順磁體。 5 反鐵磁性反鐵磁性 其交換能為負值，電子自旋反向平行排列，無自發磁化現其交換能為

14、負值，電子自旋反向平行排列，無自發磁化現象象宏觀特性是順磁性；宏觀特性是順磁性；Je0+MnFeCoNiGdCrrrd 5.2.1 磁疇 5.2.2 磁滯回線 5.2.3 磁導率 鐵磁體在很弱的外磁場鐵磁體在很弱的外磁場作用下就能顯示強磁性，作用下就能顯示強磁性，是由于鐵磁體內存在著是由于鐵磁體內存在著自發極化的小區域自發極化的小區域-磁磁疇的緣故，磁疇之間的疇的緣故，磁疇之間的過渡層稱為疇壁過渡層稱為疇壁 鐵磁體在外磁場中的磁鐵磁體在外磁場中的磁化過程主要為疇壁的移化過程主要為疇壁的移動和磁疇內磁矩的轉向動和磁疇內磁矩的轉向。HaReversibleboundarymotionHbIrrev

15、ersibleboundarymotionHcRotationofMMHMdSaturationofM無外磁場時，材料處于退磁態，具有不同方向的磁疇的磁矩大體可以抵消無外磁場時，材料處于退磁態，具有不同方向的磁疇的磁矩大體可以抵消有外磁場不很大時，疇壁發生移動，使與外場方向一致的磁疇區域擴大有外磁場不很大時，疇壁發生移動，使與外場方向一致的磁疇區域擴大外場增大到一定程度，磁矩都向著場的方向排列，處于飽和狀態外場增大到一定程度，磁矩都向著場的方向排列，處于飽和狀態AB100HAB(a)(b)MsatMOabcdefMrHe-Hc-x-H+xH 磁導率U表征了磁性材料傳導和通過磁力線的能力，是 磁

16、性材料最重要的物理量之一 一般磁性材料，磁導率是常數，B和H是線性關系 鐵磁體，磁導率隨外磁場變化，鐵磁體，磁導率隨外磁場變化，B和和H是非線性關系：圖是非線性關系：圖5.10 為獲得高為獲得高U的磁性材料，一方面提高材料的飽和磁化強度，的磁性材料，一方面提高材料的飽和磁化強度，另一方面要減少磁化過程中的阻力，所以要嚴格控制材料的另一方面要減少磁化過程中的阻力，所以要嚴格控制材料的成分和工藝成分和工藝 BHBsatBdBrg-H-B-Bsat-Br(b)HMsatMOdMrefghH-H-M-Msat-Mr-HcHcHsat-Hsati(a)磁滯損耗與回線面積成正比磁滯損耗與回線面積成正比 鐵

17、氧體是含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，它一般包含多種金屬的鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，它一般包含多種金屬的氧化物氧化物 鐵氧體磁性與鐵磁性相同點：有自發磁化強度和磁疇；所以鐵氧體磁性與鐵磁性相同點：有自發磁化強度和磁疇；所以又統稱為鐵磁性物質又統稱為鐵磁性物質 鐵氧體磁性與鐵磁性不同點：鐵氧體一般包含多種金屬氧化鐵氧體磁性與鐵磁性不同點：鐵氧體一般包含多種金屬氧化物，其磁性來自兩種不同排列方向相反、大小不同的磁矩物，其磁性來自兩種不同排列方向相反、大小不同的磁矩（兩者之差（兩者之差-自發磁化），其磁性屬于亞鐵磁性自發磁化），其磁性屬于亞鐵磁性 鐵氧體按材料結構分為尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鐵

18、氧體按材料結構分為尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鈦礦型、鈦鐵礦型和鎢青銅型，主要為前鈦礦型、鈦鐵礦型和鎢青銅型，主要為前3種種 1 尖晶石結構尖晶石結構 屬于屬于AB2O4型化合物，通式型化合物，通式 氧離子為體心立方密堆排列。由此氧離子可組成氧四面體空位（氧離子為體心立方密堆排列。由此氧離子可組成氧四面體空位（A）和八）和八面體空位（面體空位（B） 若二價離子若二價離子M2+都處于都處于A位，位，Fe+3占據占據B位，則為正尖晶石位，則為正尖晶石 如如 若二價離子若二價離子M2+處于處于B位，三價離子分別占據位，三價離子分別占據A位和位和B位，位，則為反尖晶石則為反尖晶石 如如2323MO

19、 Fe O2324()ZnFeO3324()FeFe MO 亞鐵磁性尖晶石多為反尖晶石結構亞鐵磁性尖晶石多為反尖晶石結構，其凈磁矩的形成可表示，其凈磁矩的形成可表示為為： 借助電子自旋耦合形成二價離子的凈磁矩借助電子自旋耦合形成二價離子的凈磁矩 反型的出現取決于熱處理條件，通過對正尖晶石結構提高溫反型的出現取決于熱處理條件，通過對正尖晶石結構提高溫度再淬火才形成易于反型結構度再淬火才形成易于反型結構 2亞鐵磁性亞鐵磁性 為了解釋鐵氧體的亞鐵磁性，尼爾認為為了解釋鐵氧體的亞鐵磁性，尼爾認為A和和B位離子總是反平位離子總是反平行排列，但由于鐵氧體中總合有兩種或以上陽離子，離子磁行排列，但由于鐵氧體

20、中總合有兩種或以上陽離子，離子磁矩大小不同，數目有所不同，因而存在剩余凈磁矩。鐵磁性、矩大小不同，數目有所不同，因而存在剩余凈磁矩。鐵磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性的對比如亞鐵磁性和反鐵磁性的對比如圖圖5-12。332abbFeFeM2334FeOFe OFe O26) 如（如（1）亞鐵磁性的鐵礦石）亞鐵磁性的鐵礦石 凈磁矩凈磁矩Fe+2（3d6）（鐵原子序數是）（鐵原子序數是26，失去兩個電子），失去兩個電子），所以所以 s=2 總自旋磁矩總自旋磁矩 （2）反鐵磁性的鋅鐵氧體）反鐵磁性的鋅鐵氧體（ ）正尖晶石構 （原子序數（原子序數30）3d10,s=0 表現為反鐵磁性表現為反鐵磁性 2334FeOFe OFe O2324ZnOFe OZnFe O2aZn3aFe3bFe2Zn3aFe3bFe2bFe4B 通式為