[科普中國(guó)]-鐵磁性

定義

鐵磁性（Ferromagnetism）指的是一種材料的磁性狀態(tài)，具有自發(fā)性的磁化現(xiàn)象。過(guò)渡族金屬（如鐵）及它們的合金和化合物所具有的磁性叫做鐵磁性。1

由來(lái)在鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部，如同順磁性物質(zhì)，有很多未配對(duì)電子。由于交換作用（exchangeinteraction），這些電子的自旋趨于與相鄰未配對(duì)電子的自旋呈相同方向。由于鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部又分為很多磁疇，雖然磁疇內(nèi)部所有電子的自旋會(huì)單向排列，造成“飽合磁矩”，磁疇與磁疇之間，磁矩的方向與大小都不相同。所以，未被磁化的鐵磁性物質(zhì)，其凈磁矩與磁化矢量都等于零。

假設(shè)施加外磁場(chǎng)，這些磁疇的磁矩還趨于與外磁場(chǎng)呈相同方向，從而形成有可能相當(dāng)強(qiáng)烈的磁化矢量與其感應(yīng)磁場(chǎng)。隨著外磁場(chǎng)的增高，磁化強(qiáng)度也會(huì)增高，直到“飽和點(diǎn)”，凈磁矩等于飽合磁矩。這時(shí)，再增高外磁場(chǎng)也不會(huì)改變磁化強(qiáng)度。假設(shè)，減弱外磁場(chǎng)，磁化強(qiáng)度也會(huì)跟著減弱。但是不會(huì)與先前對(duì)于同一外磁場(chǎng)的磁化強(qiáng)度相同。磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的關(guān)系不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。磁化強(qiáng)度比外磁場(chǎng)的曲線形成了磁滯回線。

假設(shè)再到達(dá)飽和點(diǎn)后，撤除外磁場(chǎng)，則鐵磁性物質(zhì)仍能保存一些磁化的狀態(tài)，凈磁矩與磁化矢量不等于零。所以，經(jīng)過(guò)磁化處理后的鐵磁性物質(zhì)具有“自發(fā)磁矩”。1

發(fā)現(xiàn)者鐵磁理論的奠基者，法國(guó)物理學(xué)家P.E.外斯于1907年提出了鐵磁現(xiàn)象的唯象理論。他假定鐵磁體內(nèi)部存在強(qiáng)大的“分子場(chǎng)”，即使無(wú)外磁場(chǎng)，也能使內(nèi)部自發(fā)地磁化；自發(fā)磁化的小區(qū)域稱為磁疇，每個(gè)磁疇的磁化均達(dá)到磁飽和。實(shí)驗(yàn)表明，磁疇磁矩起因于電子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力學(xué)方法計(jì)算了鐵磁體的自發(fā)磁化強(qiáng)度，給予外斯的“分子場(chǎng)”以量子力學(xué)解釋。1930年F.布洛赫提出了自旋波理論。海森伯和布洛赫的鐵磁理論認(rèn)為鐵磁性來(lái)源于不配對(duì)的電子自旋的直接交換作用。

程序即磁疇內(nèi)每個(gè)原子的未配對(duì)電子自旋傾向于平行排列。因此，在磁疇內(nèi)磁性是非常強(qiáng)的，但材料整體可能并不體現(xiàn)出強(qiáng)磁性，因?yàn)椴煌女牭拇判匀∠蚩赡苁请S機(jī)排列的。如果我們外加一個(gè)微小磁場(chǎng)，比如螺線管的磁場(chǎng)會(huì)使本來(lái)隨機(jī)排列的磁疇取向一致，這時(shí)我們說(shuō)材料被磁化。材料被磁化后，將得到很強(qiáng)的磁場(chǎng)，這就是電磁鐵的物理原理。當(dāng)外加磁場(chǎng)去掉后，材料仍會(huì)剩余一些磁場(chǎng)，或者說(shuō)材料"記憶"了它們被磁化的歷史。這種現(xiàn)象叫作剩磁，所謂永磁體就是被磁化后，剩磁很大。

當(dāng)溫度很高時(shí)，由于無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，磁性會(huì)消失，這個(gè)臨界溫度叫居里溫度(Curietemperature)。

如果我們考察鐵磁材料在外加磁場(chǎng)下的機(jī)械響應(yīng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在外加磁場(chǎng)方向，材料的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生微小的改變，這種性質(zhì)叫作磁致伸縮(magnetostriction)。

磁滯回線和鐵電體一樣，鐵磁性材料的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)呈非線性關(guān)系。這種關(guān)系是一條閉合曲線，此曲線線稱為磁滯回線（如圖1）。一般來(lái)講，鐵磁體等強(qiáng)磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度M或磁感應(yīng)強(qiáng)度B不是磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單值函數(shù)而依賴于其所經(jīng)歷的磁狀態(tài)歷史。以H=M=B=0為起始狀態(tài)，當(dāng)磁化曲線由OABC到C點(diǎn)時(shí)，此時(shí)磁化強(qiáng)度趨于飽和，記為Ms。若減小磁場(chǎng)，則從B電開始M隨H的變化偏離起始磁化曲線，M的變化落后于H。當(dāng)H減小至零時(shí)，M不為零，而等于剩余磁化強(qiáng)度Mr。為使M為零，需加一個(gè)反向磁場(chǎng)，即為磁矯頑場(chǎng)Hc。繼續(xù)增大反向磁場(chǎng)至-Hs時(shí)，磁化強(qiáng)度M將沿反方向磁化至-Ms。曲線BDEGB即為磁滯回線。23

條件鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化：

鐵磁現(xiàn)象雖然發(fā)現(xiàn)很早，然而這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因和規(guī)律，還是在上世紀(jì)初才開始認(rèn)識(shí)的。1907年法國(guó)科學(xué)家外斯系統(tǒng)地提出了鐵磁性假說(shuō)，其主要內(nèi)容有：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場(chǎng)”，在“分子場(chǎng)”的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個(gè)小區(qū)域(這種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇)，由于各個(gè)區(qū)域(磁疇)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對(duì)外不顯示磁性。

外斯的假說(shuō)取得了很大成功，實(shí)驗(yàn)證明了它的正確性，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了現(xiàn)代的鐵磁性理論。在分子場(chǎng)假說(shuō)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了自發(fā)磁化（spontaneousmagnetization）理論，解釋了鐵磁性的本質(zhì)；在磁疇假說(shuō)的基礎(chǔ)上發(fā)展了技術(shù)磁化理論，解釋了鐵磁體在磁場(chǎng)中的行為。鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的。所謂磁化過(guò)程(又稱感磁或充磁)只不過(guò)是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來(lái)，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子(正離子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。例如鐵的3d狀態(tài)有四個(gè)空位，鈷的3d狀態(tài)有三個(gè)空位，鎳的3d態(tài)有二個(gè)空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來(lái)，將會(huì)得到較大磁矩，理論上鐵有4μB，鈷有3μB，鎳有2μB。

可是對(duì)另一些過(guò)渡族元素，如錳在3d態(tài)上有五個(gè)空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應(yīng)是5μB，但它并不是鐵磁性元素。因此，在原子中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)(d或f態(tài))是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故產(chǎn)生鐵磁性不僅僅在于元素的原子磁矩是否高，而且還要考慮形成晶體時(shí)，原子之間相互鍵合的作用是否對(duì)形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個(gè)條件。

根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時(shí)，電子云要相互重疊，電子要相互交換。對(duì)于過(guò)渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。這種交換便產(chǎn)生一種交換能Eex(與交換積分有關(guān))，此交換能有可能使相鄰原子內(nèi)d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來(lái)。量子力學(xué)計(jì)算表明，當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子交換積分為正時(shí)(A>0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實(shí)現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應(yīng)，其本質(zhì)仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強(qiáng)磁場(chǎng)一樣。外斯分子場(chǎng)就是這樣得名的。理論計(jì)算證明，交換積分A不僅與電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)有關(guān)，而且強(qiáng)烈地依賴子原子核之間的距離Rab(點(diǎn)陣常數(shù))。只有當(dāng)原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大于3，交換積分才有可能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發(fā)磁化的條件。鉻、錳的A是負(fù)值，不是鐵磁性金屬，但通過(guò)合金化作用，改變其點(diǎn)陣常數(shù)，使得Rab/r之比大于3，便可得到鐵磁性合金。

綜上所述，鐵磁性產(chǎn)生的條件：①原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層；②及Rab/r之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)自發(fā)磁化的過(guò)程和理論，可以解釋許多鐵磁特性。例如溫度對(duì)鐵磁性的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，原子間距加大，降低了交換作用，同時(shí)熱運(yùn)動(dòng)不斷破壞原子磁矩的規(guī)則取向，故自發(fā)磁化強(qiáng)度Ms下降。直到溫度高于居里點(diǎn)，以致完全破壞了原子磁矩的規(guī)則取向，自發(fā)磁矩就不存在了，材料由鐵磁性變?yōu)轫槾判?。同樣，可以解釋磁晶各向異性、磁致伸縮等。4

磁體的首選三碘化鉻作為制作2D磁體的首選，在于其具有三個(gè)重要特性：首先，三碘化鉻晶體包含許多疊層，層級(jí)間好像“透明膠帶”一樣相互隔開，2D層狀結(jié)構(gòu)容易獲得；其次，該化合物是一種鐵磁性材料，其內(nèi)電子自旋方向整齊劃一，能像冰箱磁貼一樣產(chǎn)生永久磁性；最后，三碘化鉻還具有各向異性，這一特性使得其內(nèi)電子一直沿著與晶體表面垂直的方向自旋。

元素到目前為止，僅有四種金屬元素在室溫以上是鐵磁性的，即鐵，鈷，鎳和釓。極低低溫下有五種元素是鐵磁性的，即鋱、鏑、鈥、鉺和銩。以及面心立方的鐠、面心立方的釹。居里溫度分別為：鐵768℃，鈷1070℃，鎳376℃，釓20℃