固体磁性第二章.ppt

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1、固体磁性第二章现在学习的是第1页，共48页电子轨道运动受磁场作用，产生一附加电流以电子轨道运动受磁场作用，产生一附加电流以抵消磁抵消磁通量的变化，于是就产生了抗磁性磁矩通量的变化，于是就产生了抗磁性磁矩1朗之万朗之万(Langevin)抗磁理论抗磁理论2-1-1局域电子抗磁性局域电子抗磁性.2-1抗磁性抗磁性(DM)现在学习的是第2页，共48页磁场引起附加进动，产生附加角动量磁场引起附加进动，产生附加角动量现在学习的是第3页，共48页2量子力学计算量子力学计算在磁场中电子系统哈密顿量在磁场中电子系统哈密顿量现在学习的是第4页，共48页用微扰法求体系能量，微扰哈密顿量：用微扰法求体系能量，微扰哈

2、密顿量：现在学习的是第5页，共48页若考虑系统有若考虑系统有N个原子个原子现在学习的是第6页，共48页定性结论：定性结论：1)抗磁性为一切物质所具有，是物质的共性抗磁性为一切物质所具有，是物质的共性2)抗磁磁化率为负抗磁磁化率为负3)若若 不受热运动影响，则不受热运动影响，则 d与温度无关与温度无关4)d随原子中电子数及原子序数增加而增加，且正比于各原随原子中电子数及原子序数增加而增加，且正比于各原子的轨道半径平方子的轨道半径平方现在学习的是第7页，共48页2-1-2传导电子抗磁性传导电子抗磁性v来源于传导电子在外磁场下进行回旋运动的量子效应.v所有金属均存在.v经典理论无法给出传导电子的宏观

3、抗磁性.经典回旋运动不改变电子动能.现在学习的是第8页，共48页在磁场中传导电子的哈密顿量为：在磁场中传导电子的哈密顿量为：现在学习的是第9页，共48页现在学习的是第10页，共48页现在学习的是第11页，共48页现在学习的是第12页，共48页现在学习的是第13页，共48页现在学习的是第14页，共48页3德哈斯德哈斯范阿尔芬效应范阿尔芬效应在低温下某些金属抗磁（顺磁）磁化率随磁场改在低温下某些金属抗磁（顺磁）磁化率随磁场改编成周期性震荡。编成周期性震荡。现在学习的是第15页，共48页现在学习的是第16页，共48页德哈斯-范阿尔芬效应可提供关于费米面的信息.现在学习的是第17页，共48页vLand

4、aulevels.有效质量.FreeElectron.Approx.,byF-Dstatistics,考虑到晶格的周期静电势弱的温度依赖性.Bi:StrongDMofCE.现在学习的是第18页，共48页明显的温度依赖性!v在半导体和半金属材料中，电子浓度低当满足EmorEF kT时，费米统计转化为玻尔兹曼统计现在学习的是第19页，共48页朗之万经典理论朗之万经典理论设单位体积中有设单位体积中有N个原子，每个原子具有磁矩为个原子，每个原子具有磁矩为，磁矩间无相互作用，磁矩间无相互作用外磁场中，磁矩位能外磁场中，磁矩位能2-2顺磁性顺磁性(PM)2-2-1取向顺磁性取向顺磁性现在学习的是第20页，

5、共48页每个磁矩态和：每个磁矩态和：现在学习的是第21页，共48页高温时高温时现在学习的是第22页，共48页低温强场下低温强场下现在学习的是第23页，共48页实验室普通条件实验室普通条件现在学习的是第24页，共48页2量子化修正量子化修正磁矩在磁场方向投影非连续分布，只能取磁矩在磁场方向投影非连续分布，只能取现在学习的是第25页，共48页在实验室普通条件在实验室普通条件现在学习的是第26页，共48页2-2-2VanVleckPMv来源于磁场与磁矩作用的二级微扰激发态混入（电子云形变）.vLocalizedelectronsvvmayexistswhenJ=0orJ0atgroundstate.

6、vv在能带电子中同样存在.v一般情况,vv 与温度T无关.现在学习的是第27页，共48页2-2-3传导电子顺磁性，传导电子顺磁性，PauliPM外外加加磁磁场场导导致致正正负负自自旋旋能能带带错错开开，从从而而使使得得电电子子重重新新分分布布，导致正负自旋电子数量不一致，导致了磁化导致正负自旋电子数量不一致，导致了磁化现在学习的是第28页，共48页单位体积中，单位体积中，现在学习的是第29页，共48页现在学习的是第30页，共48页(2)传导电子间的交换作用及库仑相关.增强泡利顺磁磁化率1.现在学习的是第31页，共48页小结小结:2.pi:局域电子顺磁磁化率，来源于具有固有磁矩的原子、离子及金属

7、中的原子实。取向顺磁性，磁场取向与热运动之间的竞争。居里及居里-外斯定律1.di:局域电子抗磁磁化率，来源于原子、离子及金属中的原子实,di10-6。随原子中电子数及原子序数增加而增加，且正比于各原子的轨道半径平方；一般不依赖温度.现在学习的是第32页，共48页3.vv:范弗莱克顺磁性，磁场导致的电子云形变.vv0-10-4.其数值与电子云的对称性（形状）有关。与温度无关。4.de:传导电子抗磁性，来源于传导电子在外磁场下进行回旋运动的量子效应.de10-6,一般与温度无关.5.pe:传导电子顺磁性，外加磁场导致正负自旋能带错开从而导致正负自旋电子数量不一致.交换增强效应.现在学习的是第33页

8、，共48页2-3无磁序磁性材料无磁序磁性材料多种磁性作用共存于固体材料中，它们之间的相互竞争导致了材料最终的磁性能.金属及半导体,=di+pi+pe+de.非金属,=di+pi.现在学习的是第34页，共48页2-3-1周期表中元素的磁性周期表中元素的磁性现在学习的是第35页，共48页Table 1.Data of atomic magnetic susceptibility of metallic elements in periodic table at room temperature.AIIA234567Li325.2Be4-9.02Na1115.6Mg126K1921.5Ca2044R

9、b3719.2Sr3892Cs5529.9Fr87Ba5620Ra88Sc21315Y39191La57140Ac89(90-103)Ti22150Zr40120Hf5870Ku104V23230Nb41120Ta59145Ha105Cr 24160Mo4254W6040Mn25527Tc43Re6168.7Fe26-Ru4444Os627.6From left to right:weak PM-strong PM with FM,AF&FIM-DM.现在学习的是第36页，共48页BB234567Co27Rh45113Ir7725Ni28Pd46580Pt78200Cu29-5.4Ag47-2

10、1.56Au79-29.6Zn30-10.3Cd48-19.6Hg80-33.8Ga31-16.8In49-12.6-Tl81-44.0Ge32-8.9-Sn50*4.4As33-5.5Pb82-24.9Sb51-107Bi83-285Se34-26.5Te52-40.8Po84B5-6.7Al 1316.7C6-42Si14P15*-Sn,A=-31.510-6现在学习的是第37页，共48页1.PMSimplemetalsGroupIAandIIA,exceptBe(A =-1010-6)TheoreticalandexperimentalvaluesareshowninTable2-2现在

11、学习的是第38页，共48页2.DiamagneticmetalsGroupIB,IIB,IIIA,IVA,VAexceptAl(PM)arediamagnetic.(1)Cu,Ag,Au,CuAgAuA-5.4-21.56-29.59measuredion-18.0-31.0-45.08determinedindirectlyAe12.69.4416.21A-ion Ape18.914.1624.3vdiisdeterminedbyindirectmethodfromdataofsalts(13)orsemi-theoreticalmethod.(13)现在学习的是第39页，共48页vpe c

12、an be determined directly by CESR.pe intansify,indirectlybyNMRfromknight,Kpeorindirectlyby(e-di)3/2asintheabovetable.(2)Bi,Sbetc.,withnearlyfullyfilledband,m*small.pe-de.3.Diamagneticnon-metalsandgases.vElementsinIIIA-VIIIAvCovalentsolid,moleculesandinertgasesvAlldiamagneticwithsomeexceptionsC:diamo

13、ndA=-5.9,Graphite:A=2.25106Sn:(-37,3.1)现在学习的是第40页，共48页4Transitionmetals*29TMs:3FM,2AFM,19PM.10-5-10-4*AllPM,strongPMTM:Pd,V,Sc,Pt.*T varying(1)NormalTdependence:T,withlarge,andMax.N(EF).(2)AbnormalTdependence:T,forsmallandMin.N(EF).=di+vv+de(d)+pe(d)+de(s)+pe(s)现在学习的是第41页，共48页现在学习的是第42页，共48页现在学习的是第4

14、3页，共48页现在学习的是第44页，共48页现在学习的是第45页，共48页5REmetals4felectronsprovidemainmagnetism=d i+p+vv+CEMostlymag.orderatlowT.StrongPMathighT6Acperiod,Complicated7T-dependenceof IndependentonT,increasingordecreasing.现在学习的是第46页，共48页现在学习的是第47页，共48页习题习题*1.为什么传导电子有时表现顺磁性,有时为抗磁性?*2.范-弗莱克磁化率vv的表现及机理.*3.在材料中共有哪些顺磁性及抗磁性?并描述每种磁化率与温度的依赖关系.现在学习的是第48页，共48页