磁性材料

．Fe3O4的晶体结构

根据已有的研究结果，Fe3O4晶体是立方的反尖晶石结构（空间群Fd3m，晶格常数a＝8.396 ?），一个完整的Fe3O4晶胞由8个小立方体构成，如图3所示[9] ： 图3 Fe3O4的晶体结构

其中O2-位于体对角线中点和顶点的中心，构成立方密堆积结构，其中1/2的Fe3+填充正四面体空隙（A位置），Fe2+和另外1/2的Fe3+填充正八面体空隙（B位置）。

室温下，Fe3O4是一种不良的导体，电导率为2×104Ω-1m-1,比最小的金属电导率还小一个量级。其导电机制主要是B位Fe2+和Fe3+之间的电子跳跃传导[10]。Fe3O4在120K附近会发生B位Fe2+和Fe3+电荷无序到有序的转变（Verwey转变），导致B位Fe2+和Fe3+之间的电子跳跃被冻结，使电阻率提高2个数量级[11]。

Fe3O4具有亚铁磁性，A位的Fe3+磁矩和B位的Fe3+磁矩取向相反，相互抵消，只剩下B位的Fe2+的磁矩，所以Fe3O4每个晶胞的磁矩为4.08μB。其居里温度为858K[11]。

2. Fe3O4薄膜

由于Fe3O4在磁学和自旋电子学等方面的应用，科学家们对于制备Fe3O4 薄膜产生了浓厚的兴趣，大量的研究工作随之展开。利用溅射、脉冲激光沉积法（PLD）和分子束外延（MBE）等方法，在Si、α-Al2O3、MgO、SrTiO3等衬底上都制备出不同厚度的多晶或单晶薄膜。对各种方法生长出的Fe3O4薄膜的测试表明，Fe3O4薄膜和单晶块材的物理性质有很大差别[10]。在测量MgO衬底上生长的超薄的Fe3O4外延薄膜时，发现薄膜在磁场中难以饱和磁化，呈现出超顺磁性，有人认为这与薄膜中存在的反相边界有关，并且这种反相边界的存在对Fe3O4薄膜的磁电阻也有影响[12]。

另外有文献报告在120K附近和2T的外磁场下，Fe3O4薄膜的磁电阻可达－12.3%[13]。新奥尔良大学的王文东等人在室温和14T的外磁场下测试PS包覆的Fe3O4颗粒，发现其磁电阻可达－22.8%，并得室温下Fe3O4的54% [14] ，这是目到前为止发现的Fe3O4材料的最大的磁电阻。

最近，本实验室利用激光分子束外延（LMBE）制备出Fe3O4-SiO2-Si的薄膜结构，发现这种结构能够放大Fe3O4薄膜本身的磁电阻[15]，我们对此结构进一步研究，希望通过PS包覆提高其磁电阻。

类别：Physics | 评论(0) | 浏览(161) report2008-04-10 13:331. 磁电阻效应

磁电阻效应（magnetoresistance effect）是指由于外加磁场而导致材料电阻的变化[1]。其定量表示为磁电阻率（MR），通常定义：

式中，ρ(H),和ρ(0)分别为有磁场和无磁场情况下材料的电阻率。

人们早已发现，几乎所有的金属、合金及半导体中都或大或小地存在磁电阻效应，只是通常的磁电阻很小，仅有百分之几的量级，并取决于外磁场和外电场的相对取向,然而只有大的磁电阻效应才能在实际生活中得到应用。

2. 巨磁电阻效应

1986年，德国Julich研究中心的P.Grunberg等人发现Fe/Cr/Fe多层膜系通过中间的非磁性层的媒介，在相邻两个铁磁层之间发生了交换耦合作用 [2]。两年后，法国南巴黎大学A.Fert教授领导的研究小组在[Fe(3nm)/Cr(0.9nm)]n超晶格体系的电阻测量中发现，在温度和磁场强度分别为4.2K和2T时，电阻下降了一半，即使在室温下也下降了17%[3]，这是一种巨大的磁电阻增强效应，被定义为巨磁电阻效应。A.Fert教授和P.Grunberg教授因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

早在1975年，Julliere就研究了磁隧道结（MTJ）自旋隧穿过程，指出其中的磁电阻效应来自两个铁磁层中自旋向上电子（多数）和自旋向下电子（少数）态密度的不对称性[4]。2005年，David等人以MgO为势垒制备的CoFeB/MgO/CoFeB隧道结室温时TMR达230%[5]。2006年，Freescale公司推出了基于隧道结的磁随机存储器（MRAM），MRAM 拥有SRAM的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度。

巨磁阻效应被用于开发研制硬磁盘中的体积小而灵敏的数据读出头，使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，A.Fert教授和P.Grunberg教授所发现的巨磁阻效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。

3．微观机制

大部分磁性材料磁电阻效应的产生是由于电子输运过程中的与自旋相关的极化和散射引起的。普通金属中电子的自旋是简并的,费米面附近电子的态密度对于自旋向上和向下是完全一样的，因而输运过程中电子流是自旋非极化的，但在铁磁金属中则不同。铁磁金属中的费米能级穿过s能带和d能带，其中s能带是宽能带，费米面处的能态密度小，d能带是窄能带，费米面处的能态密度大，即通常铁磁金属中包含的s电子的数目远低于d电子数，因此输运过程中电子流是自旋极化的。如图1所示：

图1 半金属中电子态密度的示意图

铁磁金属或合金的输运过程可以用两自旋电流模型[6]来描述，即认为电子流输运有两个并联的通道，自旋向上的自旋向下的电子分别在各自的通道中流动，如下图2：

图2 两自旋电流模型

这样，总电子流等于自旋向上和自旋向下的电子流之和，总电阻等于自旋向上和自旋向下通道的并联电阻。低温下，每一自旋通道的电阻主要来源于杂质散射和界面散射。

对于半金属铁磁体，只有惟一的自旋向下或自旋向上的电子在输运通道中传输，我们定义自旋极化率：

式中N↑和N↓分别为费米面附近自旋方向平行（多数自旋）和反平行（少数自旋）于磁化方向的电子的态密度，可知半金属铁磁体有100%的自旋极化率。理论和实践均表明，自旋极化率越高的材料越可能产生巨大的磁电阻效应，因而高自旋极化率材料的磁电阻效应成了人们研究的热点。

4．Fe3O4的磁电阻特性

Fe3O4由于其理论预言的接近100%的电子自旋极化率（半金属性），高的居里温度（Tc=858K），较高的饱和磁化强度，低的室温电阻率，在磁电阻效应上有很大的应用前景[7]。但有一个很大的问题就是Fe3O4表面容易被氧化而导致其表面失去化学计量比[8]。研究认为这些氧化后富含的Fe3+会使Fe3O4的表面失去半金属性，使人们不能观测到Fe3O4高的磁电阻效应和自旋极化率，从而严重制约了Fe3O4在磁输运方面的应用。为了观测到Fe3O4真实的自旋极化率并获得高的磁电阻效应，必须保持Fe3O4的表面状态，阻止表面富余Fe3+氧化物的生成。

Fe3O4与有机物有非常好的亲和性，因此国内外很多研究人员利用有机包覆Fe3O4的方法来获取其更好的性能。并且我们相信与含氧的有机塑料相比，不含氧的塑料能够更好地保持Fe3O4的表面状态。故我们计划利用PS包覆Fe3O4薄膜，以阻止其表面氧化。进而研究PS包覆对Fe3O4薄膜磁电阻效应的影响，提高Fe3O4薄膜磁电阻效应。

类别：Physics | 评论(0) | 浏览(117) 最近没有常来2008-03-07 09:42??

类别：默认分类 | 评论(0) | 浏览(44) 固体结构与物性关系2008-01-13 13:54一 电子填充规则：１．泡利不相容原理（每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子 ）；２．能量最低原理（电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最 低）；３．洪物规则（在 n 和 l 相同的轨道上分布的电子,将尽可能分占 m 值不同的轨道, 且自旋平行）；４．半满全满规则（当轨道处于全满、半满时，原子较稳定）

Cr(24) Cu(29) 二 性质

金属键 离子键 共价键

Ａ和Ｂ的电负性 Ａ电正性

Ｂ电正性 Ａ电正性

Ｂ电负性 Ａ电负性

Ｂ电负性

结合力性质

自由电子和金属离子间吸引 和 间静电吸引 成键电子将Ａ、Ｂ

结合在一起

结合的几何形式 金属原子密堆积

Ａ－Ｂ间最大地接近；

Ａ－Ａ间、Ｂ－Ｂ间远离 由价电子数控制

键强度性质

６个价电子最高，大于６

和小于６都逐渐减小 由离子大小和电价决定 由净成键电子数决定

电学性质 导体

固态为绝缘体，熔态为导体 固态和熔态均为绝缘体和半导体

三 石墨晶体内部化学键的组成：混合价型晶体；其层中Ｃ原子采用sp 杂化轨道，彼此之间以 键连续成为六角形的蜂巢结构，此外，余下一个ｐ轨道和ｐ电子，这些ｐ轨道与层平

面垂直，互相平行，排列形成超大的 键，有类似于金属键的性质，电子可以在石墨内 键为共价键，键长 ，层间距离为 ，相距较远，以范氏吸引力结合（很弱），层内超大 键（类金属键） 三种键型的结合 四 价键理论要点：１．两个原子有几对自旋相反的未成对电子就可以形成几个共键键――原子化合价；２．一个未成对电子成键后就不能再与第三个电子配对――共价键的饱和性；３．电子云最大程度地重叠――共价键的方向性

五 若干个能量相近的原子轨道可以混杂成同样数目的能量完全相同的新的原子轨道，这种轨道称为杂化轨道；形成杂化轨道的过程称为原子轨道杂化（简称杂化） 为什么要杂化？增强原子的成键能力，降低体系的能量 遵循原则：能量相近原则、对称性匹配原则、最大重叠原则

六 s-p杂化的几种类型：sp 杂化――杂化轨道间的夹角为180°，空间构型为直线型（尚有两个互相垂直且垂直于sp轨道的P轨道）；sp 杂化――杂化轨道间的夹角为120°，空间构型为平面三角型（尚有一P轨道与三角型平面垂直）；sp 杂化――正四面体

成键能力： ，其中 是s轨道成份， 是p轨道成份，例如： 杂化中s轨道成份是 ，p轨道成份是

八 扬－泰勒畸变：电子在简并轨道的不对称占据会导致分子的几何构型发生畸变，从而降低分子的对称性和轨道的简并度使体系能量进一步降低（＃＃）

十二 金属原子半径变化规律：

１． 同一族中，原子半径随原子序数的增加而增加 ２． 同一周期中，原子半径随原子序数的增加而下降

３． 同一长周期中，过渡元素的原子半径开始时稳定下降，以后稍有增大但变化幅度不大 ４． 镧系元素在原子序数递增时，核电荷增加，核外电子数增加 十三 金属离子半径变化规律：

１． 离子半径越大，离子极化率愈大 ２． 负离子的极化率一般比正离子大很多 ３． 正离子的价态越高极化率愈小 ４． 负离子的价态越高极化率愈大

５． 含有 电子的极化率较大，且随的正离子ｘ增加而增加 十四 鲍林第二规则：在一个稳定的离子晶体结构中，每一个负离子的价态数等于或近似等于从邻近的正离子至该负离子的静电键强度之和 静电键强度： ，其中Ｚ为正电荷数， 为配位数 负离子价态数：

； ； （每个Ｏ周围有４个Ｃａ两个Ｔｉ）

十五 特点：１．基本结构单元： 八面体，共顶点连接而成，形成的几何体中间有个大的空位，放钙原子；２．Ａ：一般为＋２价，也可以是价态混合（如＋１和＋３），Ｂ：＋４价，也可以是混合价态（如一些过渡族金属的不同价态混合）；３．Ｏ不是整化，即一般是 ，可以通过Ａ位掺杂或Ｂ位变价

Ａ位化学键特点：Ａ－Ｏ，Ａ的配位数是１２，呈现完全离子性

Ｂ位化学键特点：Ｂ－Ｏ，Ｂ的配位数是６，键型既有离子型，也有共价型 十六 容限因子：为了解释钙钛矿（ ）的结构畸变和键长失配，定义 为其容限因子（＃＃） 十七 双交换相互作用：以氧原子作为中间媒介，两个不同价态的过渡族离子间的交换相互作用（两次交换作用）

（间接交换模型）作为传导电子的 电子在锰离子间跳跃时保持其自旋方向，由于 电子与 电子存在强的洪特耦合，使得锰离子间的 电子的局域自旋必须呈铁磁排列（即铁磁性金属），反之，当相邻锰离子的磁矩呈反铁磁排列时， 电子就不能发生跳跃（即反铁磁性绝缘体）；如掺杂锰氧化物（ ），其中的Ｍｎ离子变为 ，Ｍｎ离子被Ｏ离子隔开， 电子从 转移至 ，与此同时， 的２ｐ电子从 转移到 上，在转移的过程中，电子自旋方向不变（即双交换具有简并性），即要求 轨道电子自旋平行排列，即呈现铁磁性，又由于其中 电子的巡游特性，晶体呈现金属性；过后理论进一步发展，考虑到Ｍｎ离子的芯自旋较大，可以将其近似地看成经典自旋，即自旋可任意取向，设相邻Ｍｎ离子的芯自旋间的取向相差 角，故转移积分为 ，当相邻Ｍｎ离子的芯自旋取向相同（铁磁性）时，有效转移积分最大， ，出现金属导电性，取向相反时， ，系统呈绝缘性

十八 超交换作用：以氧离子为媒介（一次交换作用）

是反铁磁绝缘体基态，其中Ｍｎ为 ； 也是反铁磁绝缘体基态，其中Ｍｎ为 ， 和 均为非半满结构，O2-外层电子为2p6,p电子的空间分布呈哑铃状，当氧离子与Ｍｎ离子相近邻时，氧离子的p电子可以激发到d 状态，而Ｍｎ离子的电子按洪德法则而相耦合，此时剩余的未成对的p电子则与另一近邻的Ｍｎ离子产生交换作用

， （ ） 4个d－电子自旋平行，电子强关联，原子内的电子－电子相互作用很强，使 电子形成Sc=3/2的局域“芯自旋”，每个Mn格点上，4个d电子自旋平行相邻Mn格点间，氧的超交换作用，自旋相互反平行，是反铁磁性排列；每个Mn格点上一个eg电子有可能巡游。但是，跃迁能量 t << 库仑能量 U，无法“跳跃”“巡游”，是绝缘体 ， （ ），Mn离子全部是Mn4＋ ，形成离子自旋为S=3/2的局域自旋的晶格（说法类似 ）

类别：默认分类 | 评论(2) | 浏览(166) 凝聚态导论2008-01-13 13:47没什么写的，记录一点我的作业内容

凝聚态物理学新的范式――强调多体效应，对称破缺占据中心地位；固体物理学的内涵逐步扩大，造成向凝聚态物理学的过渡（凝聚态物理学是从微观角度出发，研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质的结构和动力学过程，及其与宏观物理性质之间关系的一门科学），这种扩大导致学科本身重新构筑和深化，创建了一个新的范式，使序参量、对称破缺、元激发、缺陷、广义刚度、标度不变性、自相似结构等新的、重要的概念在凝聚态物理学的框架内逐步地明确起来。（对称破缺唱主角；对称破缺导致有序相，基态通常是充分有序态；激发态显示恢复原本对称的倾向，因而出现各式各样的元激发与拓扑缺陷；在临界区域涨落的关联长度达到宏观尺度，直到Tc；有序相和无序相合二为一）

巨磁阻效应：指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场

控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。

对称破缺：当宏观条件变化，如温度降低或压力增大、或外场的加入，一种或多种对称元素可能消失，称这种现象为＃＃；发生对称破缺时，系统所处的状态不再具有描述系统的Hamilton量所具有的全部对称性。

四类重要的对称性：全同粒子的互换，由此导致Bose统计和Fermi统计；连续时空变换，如平移、旋转和加速；分立变换，包括空间反演、时间反演、粒子－反粒子共轭；规范变换，包括U(1)（电荷、超荷、重子数和轻子数守恒）、SU(2)（同位旋）和SU(3)（色和味）对称

序参量：表示体系有序程度的热力学量（对一个系统的相变给出定量的描述），它是某处物理量的平均值，随着对称性的不同，它在高温时为零，低温下取有限值，在临界温度Tc处发生两者之间的转变；它是低温有序相的一个标志，描述偏离对称的性质和程度。

层展现象：由于物质结构实际上可分划为一系列的层次，各有其组成的“基本”粒子以及其特有的长度尺度和能量尺度，而且诸多不同层次之间除了耦合这外，还存在脱耦，从而使得简单构筑复杂并不像过去还原论者设想的那么容易；每一不同的聚集层次，都会展现全新的性质，这些性质忆超出组成粒子的物理学的领域，可以被称为层展性质。

重电子金属：是一些二元或三元金属间化合物，其中一种万分为具有部分填充f轨道的稀士元素或锕系元素，另外的万分是不含f电子的金属或非金属元素，其化学式包含数个到十几个原子。

分形：自然界或实验室中有许多系统或者一些现象在不同的尺度上表现出不同的几何结构特征，这些对象在大尺度上可以具有平移对称性或者统计均匀性，而当尺度减小时又具有自相似性，这种存在自相似性的几何对象被称之为分形。

分维：分形的维数；定义为： （对一规则d维物体，保持其形状不变，放大其线性尺寸l倍，其体积增大 倍，如果取放大前的物体容量为1,放大后为N(l)，则有统一关系N(l)= ）

Wigner晶体：一个低密度电子系统，库仑相互作用与动能相比占优势， 电子有可能被在一个晶体点阵上，处在该相的电子不再能在空间中自由运动，而是在被限制在格点上，些时它们的量子力学零点运动也被限制在平衡位置附近作微小振动。

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