铁磁学课件-物质磁性分类和原子磁矩

,*,第二章 物质磁性分类和原子磁矩,2.1,物质磁性概论,磁性分类：,按磁化率的正负以及数值大小来区分。传统意义上分为,五大类：,抗磁性，顺磁性，铁磁性，亚铁磁性，反铁磁性。,此外在一些新材料中还发现有：混磁性，散反铁磁性，散铁,磁性，亚散铁磁性等。,第二章 物质磁性分类和原子磁矩,1.,抗磁性,（,1,）来源,：,(a),满壳层电子在外磁场作用下感生出的与外,场相反的磁矩。,(b),自由电子在外场运动造成的。,（,2,）数值、正负：,（,3,）与温度的关系：基本与温度无关。,（,4,）例证：,NaCl,Cu,Zn,，,SiO,2,。,1.抗磁性,2.,顺磁性,（,1,）来源：具有固有磁矩的离子，因相距较远，则离子间没有或只有很小的相互作用。外磁场的作用，在克服热运动后，在场方向产生微弱的磁化。,（,2,）,数值、正负：,2.顺磁性,（,3,）与温度关系：,EuSiO,3,（,4,）例证：,O,2,NO,Sc,Ti,V,铁磁性，亚铁磁性高于居里点，反铁磁性高于奈尔点。,（3）与温度关系：,3.,铁磁性：,（,1,）来源,:,具有固有磁矩的离子因之间的正的交换作用，使它们的磁矩长程平行的排列。从而存在自发磁化。磁畴的形成，磁化，磁滞。,3.铁磁性：,（,2,）数值，正负：,（,3,）与温度关系：,当温度上升时，自发磁化强度,M,S,减小，至居里温度,T,C,时变为零。,TT,C,时呈现顺磁性，满足居里,-,外斯定律。,（2）数值，正负：,只有很少的几种绝缘化合物有铁磁性：,如：,CrBr,3,GdCl,3,EuO,过渡金属：,-,Fe,Co,Ni,Gd,以及合金。,其磁性属于游行电子铁磁性。,只有很少的几种绝缘化合物有铁磁性：,4.,反铁磁性：,（,1,）来源：固有磁矩间具有负的交换作用。磁矩间长程的反平行排列。,4.反铁磁性：,（,2,）数值，正负：,（,3,）与温度关系：,（2）数值，正负：,大多数过渡金属或稀土金属的氧化物，硫化物，氟化物等都属于反铁磁体。,过渡金属,Cr,Mn,-Fe,以及部分稀土属于反铁磁体。还有些合金元素。,大多数过渡金属或稀土金属的氧化物，硫化物，氟化物等都属于反铁,5,亚铁磁性：,（,1,）来源：具有两个反平行的次点阵。但磁矩不同，故有净磁矩的存在。,5 亚铁磁性：,（,2,）数值正负：,（,3,）与温度关系：,在,Curie,温度,T,C,以下，,有自发磁化，自发磁化强度一般随温度上升而减小,。,TT,C,时呈现顺磁性，但在,T,C,附近与居里,-,外斯定律偏离较大，在高温时满足居里,-,外斯定律，但,p,S,时，,当,LS,时，,原子总轨道角动量,铁磁学课件-物质磁性分类和原子磁矩,铁磁学课件-物质磁性分类和原子磁矩,（自旋贡献）,（轨道贡献）,（自旋贡献）（轨道贡献）,3 Hund,规则,a),在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数,S,取最大值。,b),在满足,(a),条件下，总轨道角动量量子数,L,取最大值。,c),在未满壳层中，电子数小于壳层总电子数一半时，总角动量量子数,J=|L-S|,；电子数大于或等于壳层总电子数一半时，,J=L+S,原子（离子）基态光谱项表示方法,3 Hund规则a)在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S,举例：,（,1,）,Fe,2+,的基态,3d,6,4s,2,Fe,2+,(,失去两个,4s,电子）,6,个,3d,电子的排列：,L=2,根据,Hund,规则,m,l,2 1 0 -1 -2,m,s,举例：,Fe,2+,:S=4,1/2=2,L=2+1+0-1-2+2=2,J=L+S=4,基态光谱项：,L:0,1,2,3,4,5,6,7,S P D F G H I K,5,D,4,Fe2+:S=41/2=2,L=2+1+0-1-2+2,(2)Nd,3+,4f,4,5s,2,5p,6,6s,2,Nd,3+,(,失去,2,个,6s,一个,4f,电子）,未满壳层为,3,个,4f,电子。,L=3,m,l,3 2 1 0 -1 -2 -3,m,s,S=3/2,L=6,J=9/2,4,I,9/2,(2)Nd3+,2.3,晶场效应,磁性物质中的磁性离子所受的外场：,（,1,）受核、周围离子等所产生的静电场的作用。,（,2,）磁性离子与近邻离子间电子波函数的重叠，产生的静电的和交换的相互作用。,特点,:,（,a,）晶场具有与磁性离子所在处相同的对称性。,（,b,）晶场对晶体中的电子态有很大影响,.,（,c,）晶场通过自旋轨道耦合影响晶体中自旋的,取向，从而引起磁晶各向异性。,2.3晶场效应磁性物质中的磁性离子所受的外场：,晶场作用下，磁性离子的哈密顿可表示为：,比较库仑能 晶场能，自旋轨道耦合能的大小,晶场作用下，磁性离子的哈密顿可表示为：比较库仑能 晶场能，自,2,各种磁性离子所受晶场的大小,1,弱晶场,稀土离子，,(,如,Nd,3+,4f,3,5s,2,5p,6,)4f,电子受有效核电场作用大。同时 受,5s,2,5p,6,壳层的影响（,1.,与其他电子发生波函数重叠的几率减小。,2.,屏蔽作用。）,晶场能,10,2,cm,-1,量级。,Hund,法则的三条原则都仍然成立。,2,中等晶场,铁族离子，,3d,电子受有效核电场作用小，直接暴露在最外，与其他电子波函数重叠几率增加。同时受其他离子的静电场作用大。晶场能,10,4,cm,-1,量级。,Hund,法则的第一条仍然能够成立。,2 各种磁性离子所受晶场的大小1弱晶场,3,强晶场,Pd,族和,Pt,族离子，,（及络合物中一些铁族离子）,晶场效应很大，（与交换关联和库仑关联相仿）,Hund,法则不成立。存在低自旋态。从而使,4d,和,5d,族过渡元素只有很小的磁矩。,晶场的表示：,用磁性离子与周围离子间的静电相互作用势能来表示晶场。,磁性离子受最近邻离子的静电势能为,3强晶场,晶场对电子状态的影响：,1,）立方晶场中的本征函数,晶场的作用使得磁性离子中电子状态发生变化，其波函数不再是自由离子的单电子波函数，而是由它们的叠加组合而成。,离子的波函数与受到的晶场大小及对称性有关。,晶场对电子状态的影响：1）立方晶场中的本征函数,例：立方晶场中的,3d,电子波函数,例：立方晶场中的3d电子波函数,2,）轨道矩的淬灭,3d,电子在立方晶场中的电子态的磁量子数为零，则其轨道角动量在磁场方向的投影为零，表明在外磁场作用下不出现轨道磁矩。,3,）能级分裂,不计晶场时，能级简并。计入晶场势后，电子态能量发生变化，能级将产生分裂。,2）轨道矩的淬灭,低自旋现象,双重简并,e,g,三重简并,t,2g,(,能隙,库仑作用能,低自旋现象双重简并eg三重简并t2g(能隙库仑作用能）三,铁磁学课件-物质磁性分类和原子磁矩,库伦能和晶场劈裂能间的竞争,库伦能和晶场劈裂能间的竞争,双交换和自旋态转变间的竞争,双交换和自旋态转变间的竞争,