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磁性物质(Ⅱ)–铁磁性、反铁磁性(Magnetic Mate


2020-07-27


承接上篇『磁性物质(Ⅰ)–反磁性、顺磁性』,本篇则从铁磁性、反铁磁性物质谈起:

(3)铁磁性(ferromagnetism)物质和居礼温度

1.铁磁性

铁磁性物质,包括铁、钴、镍及其化合物与合金等材料,主要特性是具有很大的磁化率,亦即 $$\chi$$ 值为一很大的正数。铁磁性物质与顺磁性物质一样,原子本身都具有不成对电子而造成原子的净磁矩不为零。不过铁磁性物质与顺磁性物质有一个非常不同的地方,就是铁磁性物质邻近两个原子之磁矩彼此间会有交互作用,此交互作用使得邻近的磁矩会指向同一方向,这是一种量子效应。

铁磁性物质的磁性行为可以用磁域(magnetic domain)的观念来作概述。每个磁域介于几微米到 $$1$$ 毫米间,大约包含 $$10^{15}$$~$$10^{16}$$ 个原子。纵使没有外加磁场,铁磁性物质仍拥有来自自旋电子并且排列整齐的磁矩。同一个磁域内的磁矩,因磁域中原子磁偶极矩间的强烈耦合作用,使得各磁矩互相平行排列,且指向同一方向,亦即每一个磁域本身便有一饱和磁化值,称为自生磁化。

这些磁域之间有磁壁(domain wall)相隔,每一个磁域内包含了数百万个小磁矩。在外加磁场时,不同磁域磁矩之指向并不相同,如图1所示,所以整个铁磁性物质的总磁矩为零。

磁性物质(Ⅱ)–铁磁性、反铁磁性(Magnetic Mate

若将外加磁场大小与物质的磁化值大小作图,可以得到一磁滞曲线(hysteresis loop),如图2,此为铁磁性物质的重要特徵。

磁性物质(Ⅱ)–铁磁性、反铁磁性(Magnetic Mate

就磁滞曲线由以下来说明之:

    当外加磁场作用于铁磁性材料上时,由于磁域的磁矩受到一磁力矩作用,使得磁域中的磁矩开始旋转至与外加磁场同一方向。旋转开始时,磁域中的磁壁亦会移动。如果外加磁场持续增大,则最后整个铁磁性物质会从多重磁域(multi domain)状态变为单一磁域(single domain)状态,而此时的磁化值称之为饱和磁化量 $$M_S$$(saturation magnetization)[2]。当外加磁场降为零时,磁化值并未回到零,会有一残留的磁化值,此称之为残磁 $$M_R$$(remanence)。当磁场继续往反方向增加时,磁化值会降至零,此时的磁场大小称之为矫顽力 $$H_C$$(coercive force)。

2.居礼温度

由于热能会导致铁磁性物质的磁偶极矩偏离完美的平行排列方式。

当温度渐渐升高时,若温度增加至热能大于铁磁性物质的磁偶极矩平行排列的交换能时,因磁矩受到热激发的扰乱,使得排列秩序开始变得凌乱,这时铁磁材料的铁磁性消失而转变成顺磁性。这个磁性性质发生变化时的温度即称为居里温度 $$T_C$$。当铁磁性材料从高温降温至低于居里温度时,铁磁性磁域将再形成,材料变回铁磁性[5]。

一般常见的铁磁性材料块材,$$\bf Fe$$ 的居里温度约为 $$770^\circ C$$,$$\bf Co$$ 的居里温度约为 $$1123\circ C$$ ,$$\bf Ni$$ 的居里温度约为 $$358^\circ C$$[6,7]。

(4)反铁磁性(antiferromagnetism)和涅尔温度

1.反铁磁性

反铁磁性亦为弱磁性,磁化率 $$\chi$$ 为很小的正数,磁化方向与外加磁场相同。磁化率与温度相关,但随温度变化情形较顺磁性物质特殊。当温度低于涅尔温度 $$T_N$$(Neel temperature)时,随着温度的提高,磁化率增大,而当温度高于 $$T_N$$ 时,磁化率则随着温度的提高而变小时,为顺磁性。当温度低于 $$T_N$$ 时,磁矩的排列则趋向于反平行。如图3所示。

磁性物质(Ⅱ)–铁磁性、反铁磁性(Magnetic Mate

反铁磁性物质因为总轨道角动量为负号(铁磁性为正),以交换积分得出最小交换能发生在相邻自旋电子反平行的时候。可分为两种,一种为补偿态(介面净磁矩为 $$0$$ ),另一种为非补偿态(介面净磁矩不为 $$0$$ ),如图4所示。

磁性物质(Ⅱ)–铁磁性、反铁磁性(Magnetic Mate

2.涅尔温度

在反铁磁材料中,也有一类似居礼温度的特徵温度,当温度升高,因受到热扰动的效应影响,使得磁矩的排列开始变得混乱,不再是反平行排列时,反铁磁性材料便从反铁磁性转变成顺磁性,这一个变换的特徵温度即为涅尔温度 $$T_N$$。当温度持续下降,则反铁磁材料的磁矩将再度形成反平行排列。反铁磁块材 $$\bf CoO$$ 的涅尔温度为 $$290~K$$ ,故要使 $$\bf CoO$$ 呈现反铁磁性必须进行冷却的动作。

参考资料:

[1]  王坤池(2001),「超高真空中在Ge(111)面上成长Co超薄膜之退火效应及磁性现象研究」,国立台湾科技大学机研所硕士论文。
[2]  D. J. Griffiths(1981),Introduction to Electrodynamics,Prentice Hall,New York。
[3]  B.D.Cullity(1972),Introduction to Magnetic Materials,Addison Wesley,New York。
[4] D. K. Cheng(1989)Field and Wave Electromagnetics,3rd ed,Addison-Wesley,New York。
[5] M. A. Plonus,娄祥麟译(1985),「应用电磁学(下册)」,乾泰图书。
[6] J.A.C.Bland and B.Heinrich(1994),Ultrathin Magnetic Structure Ⅰ,Springer-Verlag,New York。
[7]   J.Nogues and I.K.Schuller(1999),Exchange bias,J.Magn.Magn.Mater.,192,203。



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