铁磁性磁性耦合机理ppt课件.ppt
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1、我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 从分子场理论,到海森伯交换作用模型,再到布洛赫自旋波理论,都认为每个磁性原子具有一个固定大小的磁矩每个磁性原子具有一个固定大小的磁矩,是近邻原子近邻原子中电子之间的静电交换作用使其磁矩保持一定取中电子之间的静电交换作用使其磁矩保持一定取向向,从而实现磁有序状态的,我们称之为局域电子模型局域电子模型,以强调这样的认识:对磁性有贡献的电子(例如对磁性有贡献的电子(例如3d和和4f电子)电子)全部局域在原子核附近全部局域在原子核附近。在这种观点基础上建立起的铁磁理
2、论获得了相当的成功:揭示了分子场的本质;推出了铁磁体磁化强度温度关系以及居里-外斯定律;推出了布洛赫 定律和色散关系: ,特别对理解铁磁金属盐类和氧化物特别对理解铁磁金属盐类和氧化物上更为成功上更为成功,测得的磁性原子磁矩大小均为玻尔磁子的整数测得的磁性原子磁矩大小均为玻尔磁子的整数倍。倍。后来局域电子模型还成功地揭示了亚铁磁性和反铁磁性后来局域电子模型还成功地揭示了亚铁磁性和反铁磁性的成因的成因。然而对于铁磁金属和合金,由于传导电子的存在,然而对于铁磁金属和合金,由于传导电子的存在,局域电子模型并不完全适合,因而理论上还存在着许多与实局域电子模型并不完全适合,因而理论上还存在着许多与实验不符
3、的结论。需要我们用全新的观点来处理。验不符的结论。需要我们用全新的观点来处理。32T2kDk我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物问题的提出能带模型的物理图像能带论对铁磁性自发磁化的解释斯托纳判据巡游电子模型的发展金属铁磁性理论的发展现状参考:戴书参考:戴书5章章p320,姜书,姜书3.11,3.12节节3.4 金属铁磁性的能带模型及巡游电子理论金属铁磁性的能带模型及巡游电子理论我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里
4、边有一个活的生物实验表明由饱和磁化强度测量给出的 Fe,Co,Ni 原子磁距的平均有效玻尔磁子数分别为 2.2,1.7,0.6 ,有悖于局域电子模型给出的结论,数值不同且不是整数。按局域电子模型,与磁化率 有关的居里常数应为: 而由过渡金属磁化率测出的居里常数 C 无法给出整数或半整数自旋量子数 S, 且与饱和磁矩无关。在某些情况下有些金属的磁化率甚至不遵守居里-外斯定律。3. 过渡族金属的结合能和电子比热比正常金属大 510 倍,表明3d电子参与了导电电子参与了导电。2()(1)3BN gS SCk一、问题的提出一、问题的提出我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽
5、的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 由饱和磁化强度测量给出的平均有效玻尔磁子数往往不是整数,其原因是多方面的,对于过渡族金属,虽说由于晶场效应,轨道磁矩被冻结,主要是自旋磁矩所贡献,但因为一是因为自旋-轨道耦间的相互作用,依然会有一些轨道磁矩轨道磁矩的影响,二是铁磁金属中在顺磁性离子实周围会出现一些局部感生传导电子传导电子磁化强度。但现在的问题是金属态的但现在的问题是金属态的Fe,Co,Ni测量给出的磁矩值与严格按照局域电子模型计算出来的孤测量给出的磁矩值与严格按照局域电子模型计算出来的孤立原子的磁矩值相比要小的多,且不是整数。无法用局域电立原子的磁矩值相比
6、要小的多,且不是整数。无法用局域电子模型解释。子模型解释。0SBMKN p参考参考Kittel 书书p226一点说明一点说明我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 这一切都说明,对磁性有贡献的这一切都说明,对磁性有贡献的3d电子也参与了导电,电子也参与了导电,不完全是局域电子,再用原子磁矩这个概念就很不恰当了,不完全是局域电子,再用原子磁矩这个概念就很不恰当了,必须在能带论的基础上重新讨论过渡金属及其合金的铁磁性必须在能带论的基础上重新讨论过渡金属及其合金的铁磁性起因问题,起因问题,按照能带论,按
7、照能带论,3d,4s电子都可以在整个金属晶格电子都可以在整个金属晶格周期场中运动,但与自由移动的周期场中运动,但与自由移动的4s电子相比,电子相比,3d电子仍有一电子仍有一定的局域性,因此为了和局域电子模型相区别,在此观点建定的局域性,因此为了和局域电子模型相区别,在此观点建立起的铁磁理论又称作立起的铁磁理论又称作巡游巡游(itinerant)电子模型。电子模型。参与该模参与该模型早期建立工作的有:型早期建立工作的有:Bloch(1929),),Wigner(1934),),Stoner(1936),),Mott(1935), Slater(1936)等。)等。(下划红线者是(下划红线者是No
8、bel物理学奖获得者)物理学奖获得者)我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 过渡族金属中的 3d 和 4s 电子都能在周期性的晶格中巡游。它们形成的能带由于布里渊区的限制会有交迭,形成 3d 和 4s 的混合带,如图所示:FEFEFE二、能带模型的物理图像二、能带模型的物理图像我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物=1第一能带=2, 3=4, 5, 6第二能带第三能带第四能带1110右上图表示费米能
9、级穿过两个能级的情况。右上图表示费米能级穿过两个能级的情况。简约区中自由电子的费米面简约区中自由电子的费米面我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 以下是过渡金属3d和4s电子能态密度示意图,图中数字表示原子的平均电子数及所对应的费米面位置。可以看出3d和4s能带是交迭在一起的,4s是宽带,3d是窄带,除去4s电子可以自由移动外,3d 电子也会有一定程度的传导性(Cu没有)。见黄昆书见黄昆书p422CuCoNiFe我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我
10、也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物实际Fe,Co,Ni 的能带十分复杂,存在很多峰和谷,后来的严格计算和实验结果基本是一致的(0K)FE见戴书见戴书p327Rydberg里德伯(光谱学单位)Ni我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物FE见戴书见戴书p328f.c.c. Fe我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物三、能带论对铁磁性自发磁化的解释三、能带论对铁磁性自发磁化的解释 3d 过
11、渡金属及合金中,由于轨道冻结,它的磁矩仅依赖于自旋磁矩。每个电子具有一个玻尔磁子 B,所以按照局域电子模型,每个原子的磁矩只能是玻尔磁子的整数倍,实验给出的原子磁矩为什么会是非整数呢?能带论是这样解释的:在金属中,传导电子能级是量子化的在金属中,传导电子能级是量子化的,由于泡利不相容原理每个能级只能被正、负自旋的两个电子所占据。在 0 K 时,N 个电子占据到最高能级费密能级 EF为止,正负自旋电子总数相同,磁矩相互抵消,对外不显示磁性,温度不为零时只有费密面附近极少数的电子可以在外磁场温度不为零时只有费密面附近极少数的电子可以在外磁场中反向,产生微弱的顺磁性(泡利顺磁性)中反向,产生微弱的顺
12、磁性(泡利顺磁性)。 斯托纳认为在铁磁金属中,电子之间存在着一个正的斯托纳认为在铁磁金属中,电子之间存在着一个正的交换作用,相当于晶体中存在着一个沿正方向的内磁场交换作用,相当于晶体中存在着一个沿正方向的内磁场。我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物使具有正自旋的态密度所具有的最低能量比负自旋的要低。使具有正自旋的态密度所具有的最低能量比负自旋的要低。即产生一个能带劈裂即产生一个能带劈裂 。由于这个交换场由于这个交换场Hm比通常的外加磁比通常的外加磁场强得多,因此交换作用引起的能带劈裂比顺磁金属在
13、外磁场强得多,因此交换作用引起的能带劈裂比顺磁金属在外磁场中的劈裂大得多,这就是出现自发磁化的原因场中的劈裂大得多,这就是出现自发磁化的原因。此时正自旋和负自旋能带中的电子数可表示为:由这个能带极化引起的自发磁化强度为:()BMNN很简洁地解释了原子磁矩的非整数问题。很简洁地解释了原子磁矩的非整数问题。dEEfEgNdEEfEgN)()()()()()(mBHEgEg我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物分子场的存在使分子场的存在使没有外磁场存在时没有外磁场存在时,能带就发生了劈裂,出现,能带就发
14、生了劈裂,出现自发磁化,这个劈裂远大于外磁场作用下的泡利顺磁劈裂。自发磁化,这个劈裂远大于外磁场作用下的泡利顺磁劈裂。 TTC 的铁磁体 TTC的铁磁体顺磁体或FE我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物3d4s见黄昆书见黄昆书p423或许这张图更准确一些,只是只是3d 带的劈裂带的劈裂。造成自旋向上的电子比自旋向下的电子数目多,在在3d能带中形成未被抵消的能带中形成未被抵消的自发磁矩,因而可能发生自发磁化。自发磁矩,因而可能发生自发磁化。3d我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这
15、样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物4s 能带的分裂可以忽略不计不妥不妥我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物Cu:3d104s1我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 以上两图摘自以上两图摘自Kittel 书书 8 版版 p227,228, Ni的数据和后面表中数据稍有不同,是不同计算结果所致。Ni:3d84s2TTC我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西
16、,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物注意Ni的数据和前面图稍有不同见戴书见戴书 p3266,7,8,9,10,11我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物该表取自该表取自凝聚态物理上卷凝聚态物理上卷p525我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实
17、我的猜测没有错:表里边有一个活的生物我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 虽说从能带观点可以解释清楚过渡金属的平均原子磁矩为什么不是整数,但要说明能带中的电子是如何产生交换作用但要说明能带中的电子是如何产生交换作用的,及如何说明巡游电子的磁性却不是一件容易的事情的,及如何说明巡游电子的磁性却不是一件容易的事情,至今仍一直是磁学界深入研究的重要理论课题,目前一种普
18、遍的观点认为这和电子间的关联效应有关这和电子间的关联效应有关。同一原子内同一原子内 3d 电子自电子自旋通过原子内交换作用相互耦合形成有序排列,它在巡游期旋通过原子内交换作用相互耦合形成有序排列,它在巡游期间电子自旋的方向保持不变,这又会和另外一个原子内的间电子自旋的方向保持不变,这又会和另外一个原子内的 3d 电子自旋相互耦合而有序,于是形成铁磁性电子自旋相互耦合而有序,于是形成铁磁性。由于这种耦合由于这种耦合来自原子内电子之间的交换作用,所以来自原子内电子之间的交换作用,所以 3d 金属的居里点比较金属的居里点比较高高。3d电子既不像电子既不像 4s 电子那样可以用自由电子近似来处理,电子
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