[科普中国]-非铁磁材料

材料以是否导磁可分为铁磁材料与非铁磁材料，一般的有色金属，不能被磁化，都是非铁磁材料。非铁磁材料的铁磁性的饱和磁化强度很低、样品可重复性不高、铁磁性受制备方法和制样条件影响大。

非铁磁材料简介材料以是否导磁可分为铁磁材料与非铁磁材料，铁、钴、镍等具有良好导磁性，称为铁磁材料。一般的有色金属，不能被磁化，都是非铁磁材料，不锈钢里面的奥氏体是不能被磁化的，而其它的不锈钢材料则是可以被磁化的。

研究历程非铁磁材料的磁性研究经历了一系列的发展历程，最早可以追溯到20世纪60年代对磁性半导体的研究。人们为了能在一种半导体中同时操控电子的电荷和自旋自由度，提出了磁性半导体的构想。最初的研究集中在浓磁性半导体（Concentrated Magnetic Semiconductor）上，所谓浓磁性半导体是指在材料的每个晶胞的相应位置上都含有磁性原子的半导体。这类材料的代表有Eu的化合物EuS、EuO，以及Cr的硫化物等。然而，这类材料的问题是居里温度过低，比如EuS和EuO的居里温度只有16.5 K和69.3 K，这严重制约了其应用价值。

上世纪70年代末，人们陆续在Mn掺杂的II-VI族半导体中发现了铁磁性。这一类掺杂半导体中，Mn以二价离子的形式掺入半导体，并替换掉部分半导体中的非磁性阳离子，形成所谓的稀磁半导体（Diluted Magnetic Semiconductor）。在稀磁半导体的研究中，人们意外地发现非磁性元素掺杂甚至不掺杂的半导体、绝缘体材料中也存在着居里温度高于室温的铁磁性。这些发现出乎了人们的意料。长久以来，人们认为稀磁半导体的铁磁性来源是掺杂磁性原子的3d电子，但非磁性元素掺杂或不掺杂的非铁磁材料可以是d电子全满甚至不含d电子的体系。

总结非铁磁材料的铁磁性特点可以看出，相比于传统铁磁材料，这类铁磁性的饱和磁化强度很低、样品可重复性不高、铁磁性受制备方法和制样条件影响大。即使同一体系，不同研究者得到的结果也不尽相同。因此，有人认为这种铁磁性来源于样品中微量的铁磁污染或测试中引入的样品污染等原因，但更多人通过实验手段和第一性原理计算证明非铁磁材料中存在由缺陷或非磁性元素掺杂诱导的本征铁磁性。1

非铁磁材料的磁电阻效应非铁磁材料本身具有多种磁阻效应，比如洛伦兹力磁阻、弱局域化磁阻等等。另一方面，通过掺杂或缺陷诱导的方式可以使非铁磁材料出现铁磁性，在这类材料中人们还观察到了与铁磁性相关的磁输运行为，比如反常霍尔效应、隧穿磁电阻效应等等。

洛伦兹力磁阻洛伦兹力磁阻广泛存在于各种金属、半导体等导电物质中，其来源为载流子在外加磁场下受到洛伦兹力的作用，运动轨迹发生偏转，使得载流子的等效平均自由程变短，电阻变大。因此洛伦兹力磁阻总是正磁阻效应，即随着磁场的增大，电阻增加。

弱局域化磁阻弱局域化磁阻是低温下存在的一种磁阻机制。其实质是区别了载流子的弹性散射与非弹性散射机制:认为载流子在经弹性散射后，波函数相位有确定变化；而非弹性散射则使载流子的波函数相位无规变化。此时，当两个电子沿同一闭合回路的两个不同方向运动时，如果构成这一路径的散射过程都为弹性散射，那么两个电子的波函数将相干相长，电子回到起点的概率增大，从而降低了载流子的扩散概率，使电阻率升高。而外加磁场的作用是使两个电子波函数附加不同的相位，从而破坏电子对波函数间的相干性，使额外增加的电阻率减小，引起负磁阻效应。所以，弱局域化磁阻效应本质是一种磁场对量子相干效应的破坏。

弱磁技术在非铁磁性材料检测中的应用材料中缺陷能够被磁矢量传感器检测到，其原因就在于缺陷处与被检测材料之间的相对磁导率存在差异，从而引起穿过材料的磁场产生畸变。经测试，空气的相对磁导率为1. 00000004，一般可近似为1。

磁法检测技术是根据磁导率差异判断缺陷，弱磁检测技术也不例外，由于铝合金和多晶硅材料的相对磁导率均与空气存在差异，这就为缺陷检测提供了前提。

铁磁性物质的相对磁导率都很大，从十几到几千不等，而非铁磁性物质的相对磁导率一般都较小，若想实现弱磁技术在非铁磁性材料缺陷检测中的应用，必须能够检测到微小磁导率变化所引起的磁场畸变，因此必须具备测量精度非常高的传感器与测量仪器。

廖骏等2提出一种能够应用于铁磁性与非铁磁材料缺陷检测的弱磁检测技术。以硅半导体和铝合金材料的缺陷检测为例，介绍在地磁场环境下针对多晶硅和铝合金材料中缺陷的弱磁无损检测方法，通过检测试验对弱磁检测结果进行分析，验证弱磁检测方法在非铁磁性材料缺陷中检测的可行性。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学