磁性材料概念学习

磁性材料基本概念

1、磁矩之间的相互作用

1）直接交换作用（磁性物理第一章ppt35）：起源于相邻原子轨道的重叠，仅涉及相邻原子局域的电子自旋，即原子间没有其他原子来隔开传递交换的通路。

原子间距离太远，表现孤立原子特性，a.b原子核外电子因库仑相互作用相互排斥，在原子中间电子密度减少；→Paramagnetism

原子间距离适当时，a原子核将吸引b原子的外围电子，b原子核将吸引b原子的外围电子。原子间电子密度增加。电子间产生交换作用，或者说a、b原子的电子进行交换是等同的，自旋平行时能量最小。→Ferromagnetism（铁磁耦合）

原子间距离再近，这种交换作用使自旋反平行，a、b原子的电子共用一个电子轨道。→Antiferromagnetism（反铁磁耦合）

2）超交换作用

铁氧体材料具有亚铁磁性（Ferrimagnetism）, 其中金属离子具有几种不同的亚点阵晶格，因相邻的亚点阵晶格相距太远，因此在其格点的金属离子之间不能直接发生交换作用，但可以通过位于它们之间的氧原子间接发生交换作用，或称超交换作用（Superexchange）。反铁磁性（Antiferromagnetism）材料中也存在超交换作用。

3）RKKY交换作用

稀土金属和合金的磁性壳层中的4f电子是深埋在内层的，波函数是相当局域的，相邻的磁性壳层也几乎不存在交叠，这种情况下的磁关联则是通过传导电子为媒介而产生的，这种间接交换作用就称之为RKKY交换作用。RKKY模型成功解释了稀土金属中磁性的多样性。

RKKY模型更适合用于稀土金属的情况，其基本特点是，4f电子是局域的，6s电子是游动的，f电子与s电子发生交换作用，使s电子极化，这个极化了的s电子的自旋对f电子自旋取向有影响，结果形成以游动的s电子为媒介，使磁性原子(或离子)中局域的4f电子自旋与其近邻磁性原子的4f电子自旋产生交换作用，这是一种间接交换作用。

（正常状态下，原子中的电子趋向占有最低能级。）

2、实际上对于3d电子，其中有一部分能较自由地运动，即所谓的巡游电子，它的行为象自由电子。

在3d电子中95%是定域的，但有内约5%是巡游电子。

3d电子的定域磁矩使巡游电子的自旋极化，在空间形成衰减振荡分布，传递耦合能使相邻的铁原子的本征磁矩取向于平行。由此形成长程序。

3、磁化过程的磁化机制有两种:(1)磁畴壁的位移磁化过(2)磁畴转动磁化过程

大多数铁磁体在从磁中性状态磁化到技术饱和的时要经历畴壁位移和磁畴转动两个过程。在低磁场强度下，一般以位移磁化为主；而在高磁场强度下，则以磁畴转动为主。

畴壁位移过程：一般铁磁体在弱场范围内的磁化过程主要是畴壁的位移过程。即接近于外磁场方向的磁畴长大，远离外磁场方向的磁畴缩小。理想完美的铁磁晶体，它内部的磁畴结构只由其外形的退磁场作用所决定，在外磁场作用下，只要其内部有效磁场不为零，磁畴壁将被驱动，直到畴结构改组到有效场等于零时才稳定下耒，因此这种理想晶体的起始磁化率应为无限大。

4、矫顽力：矫顽力是材料在正向加磁场使磁化强度达到饱和，然后去掉磁场，再反向加磁场直到磁化强度为零，其相对应的磁场称为矫顽力Hc。

影响材料矫顽力的主要因素是缺陷(晶格不完整性)，对磁性的影响分长程和短程两种，位错、非磁性参杂、磁矩与基体不同的弥散脱溶物是长程的，它们影响磁弹性能、弥散场能的变化。晶粒边界、堆垛层错、反向边界、点缺陷等属于短程的，它们使交换能和磁晶各向异性能发生变化，而阻碍畴壁的运动。

缺陷的上述性质，使得缺陷所在之处容易形成反磁化核或钉扎畴壁的中心。缺陷愈多反磁化核便愈容易形成，因而矫顽力愈低。但缺陷作为钉扎畴壁的中心，缺陷愈多，矫顽力愈高。一般来说缺陷尺寸大对形核有利，尺寸小对钉扎有利。

5、巡游电子变磁转变：

对于绝缘磁性材料产生磁性的局域电子在各原子周围形成局域自旋矩，它们之间的交换作用由海森伯模型描述。但是，在过渡金属中产生磁性的d电子不是局域电子，它们依次在各原子的d轨道上游移，布洛赫称之为巡游电子（itinerant electron），实际上就是公有化的能带电子的关联效应，从赫伯德模型入手建立巡游电子的磁性理论。

6、超顺磁：超顺磁的必要条件有两个：一个是测M-T曲线的零场冷（ZFC）和场冷（FC）曲线，两曲线会分叉，在ZFC曲线有一个峰值，对应超顺磁的冻结温度，并且该峰值会随着测量的频率变化而发生移动。这是个金标准；另一个是测量M-H，没有磁滞和娇顽力，并且磁化曲线不是饱和的。要注意一点，即使是超顺磁态，是指的某一个温度区间内的状态。所以，从你的M-H上来看，你的两个磁化曲线虽然都没有磁滞，但明显的已经达到饱和，所以在此温度下不是超顺磁态，是明显的铁磁状态。但并不能说你的颗粒在其它温度下不是超顺磁。所以，楼主应当先测量M-T的ZFC和FC，先看是否满足第一个条件。如果满足的话，就是超顺磁，并确定超顺磁的冻结温度和颗粒的居里温度。在冻结温度和居里温度之间的才是超顺磁态。

所以，你的这个或者是铁磁的；或者是超顺磁颗粒，但是在低于冻结温度以下的MH测量，只有这两种可能性的。

你需要测MT的ZFC和FC，否则单纯的上面图不能说明是不是超顺磁的。

7、热滞：在一级相变中,温度改变的可逆相变出现相变滞后的现象。影响热滞的主要因素是相变时表面能和应变能的大小,其次还与温度、晶粒大小、加热速度以及所含杂质有关。在压强改变的可逆相变中也能出现相变滞后现象。

热滞后：在实际生产条件下,由于冷却速度和加热速度较快,致使实际相变温度与相图上的平衡相变点发生差异的现象。其规律是: 加热时相变温度偏向高温,冷却时相变温度偏向低温,且加热和冷却速度越快,热滞后越严重。

（细小晶粒逐渐溶解而较大晶粒继续长大的现象：从热力学角度讲，大晶粒长大，小晶粒溶解，会使总表面积减小，总表面能减小，系统能量降低。从动力学角度讲，溶解和结晶是一个动态过程，同时在发生。小晶粒的比较面积大，表面曲率半径小，表面原子溶解的多，而沉积回表面的原子少，所以就越来越小了。大晶粒正好相反。）

8、抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性

抗磁性：磁化率χ为负（χ=-10-6~-10-2），材料在磁场中被均匀排斥，一般实验条件下χ与H 和T无关；抗磁性介质没有固有磁矩，负磁矩是被磁场诱导出来的。常见物质有惰性气体、H2、N2、H2O、NaCl、金刚石、Cu、Ge、Ag、Au、Si、P、S等。（超导χ=-1，迈森纳效应）顺磁性：磁化率为正，被不均匀磁场区吸引（χ=10-6~100）。一般χ与H无关，多数满足居里定律χ=C/T或居里-外斯定律χ=C/(T-θC)(顺磁居里温度）。顺磁性物质中，部分或全部原子或离子具有固有磁矩；磁矩间相互作用很弱，没有外磁场时，各磁矩受热的骚扰作用，随时混乱排列，J=0。在磁场中，磁矩受力矩作用而转向磁场方向，但由于热能远比磁矩在外磁场中的位能大，磁化很小。常见物质O2、NO、Pd、Pt、Li、Na、K及高于Tc的Fe、Co、Ni。

反铁磁性：χ=10-4~10-1，随温度上升，χ增加，在尼尔温度T N达到最大，在高于T N温度区成为顺磁性，满足居里外斯定律χ=C/(T+T N)。这些介质中部分或全部原子具有固有磁矩，他们构成两个或更多的磁性次晶格。（一种是原子磁矩大小一样且平行排列但不同次晶格的原子磁矩取向不同；另一种是在一层晶面内原子磁矩平行排列，不同层晶面的磁矩方向不同，磁矩方向随晶面层螺旋性变化。在零磁场中介质的磁化强度等于0）

铁磁性：χ=10~107,χ对H和T的依赖关系非常复杂。有磁滞现象，即J、M、B不是H的单值函数，而是与H的变化历史有关。铁磁体一般由多个磁畴组成，即使没有外加磁场，各磁畴都自发转化到饱和值Js；铁磁体磁化主要通过各磁畴中畴壁位移和磁畴的转动进行。典型的为Fe、Co、Ni及其合金或化合物，及其与类金属（Si、B、C等）的非晶合金。随非磁性元素增加Js和Tc一般都下降。

亚铁磁性：具有两个或更多的次晶格，有些次晶格磁矩互相反平行排列，但磁矩不完全抵消。磁畴结构和磁化特性与铁磁性相同，当温度高于尼尔温度时转变为顺磁性。常见物质有尖晶石铁氧体MO·Fe2O3，Fe、Co、Ni与Gd的非晶合金等。

9、一级相变二级相变（G=U-TS+pv，H=U+pv，dG=vdp-SdT）

一级相变：发生相变时原子排列发生变化，体积v=?G/?p发生跃变，并吸收或放出潜热（潜热等于相变温度和熵的变化的乘积），相变温度是常数，因此熵也发生跃变。这种两相自由能对温度和压强的一阶偏导数发生跃变的相变称为一级相变。新相的形核需要克服附加的应变能、表面能等位垒，因此一级相变有热滞后现象，即升温和降温过程中发生相变的温度分别高于和低于平衡相变温度。

二级相变：相平衡时，两相自由能对温度和压强的一阶偏导数相等，但二阶偏导数不相等，称为二级相变。S=-?G/?T、J=-?G/?H连续变化，但是比热C p=T?S/?T、磁化率?J/?H=-?2G/?H2等二次偏导数发生跃变。磁相变也呈现微弱的热滞后现象。

总结（转变点处）:1)一级相变：S、V突变，H突变，比热不连续为无限大，有序度急剧变化；2)二级相变：S、V无突变，H连续有极大值，比热有极大值，有序度连续变化，比热、压缩系数、热膨胀系数均有突变。

场致变磁转变：少数磁性介质被磁化时，在某一磁场发生晶体结构转变（如单斜-正交）或磁性转变（如亚铁磁-铁磁），并伴随J的急剧而显著的变化，这种由磁场诱导发生的磁性变化称为变磁转变。

相变时新相需要形核和长大，常有转变温度或转变压力的滞后，即在相变点Tc上，虽然μα=μβ，但由于结构重组需要越过势垒或新相形成需要提供正值的界面能和应变能，造成相变阻力，从而导致升温与降温过程的相变温度T +和T -不等，而且T +〉Tc〉T -。

相变潜热是物质在一定温度压力条件下本身的属性，如果想提高某种物质的潜热，可尝试合成材料或者添加某种添加剂。L=T（S1-S2）,即相变潜热等于相变温度与相变熵增的乘积。要降低热滞，就必须降低相变潜热，但是潜热太低又会降低MCE，因此必须兼顾。

随着退火温度的升高，晶粒逐渐长大、成分更加均匀、应变能减小、杂质含量降低，导致铁磁-顺磁转变速率加快，从而有利于居里温度附近磁熵变的提高。此外，随着晶粒的长大、成分的均匀化，使相变潜热降低，从而降低了热滞。