[科普中国]-铁磁性

定义

铁磁性（Ferromagnetism）指的是一种材料的磁性状态，具有自发性的磁化现象。过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性。1

由来在铁磁性物质内部，如同顺磁性物质，有很多未配对电子。由于交换作用（exchangeinteraction），这些电子的自旋趋于与相邻未配对电子的自旋呈相同方向。由于铁磁性物质内部又分为很多磁畴，虽然磁畴内部所有电子的自旋会单向排列，造成“饱合磁矩”，磁畴与磁畴之间，磁矩的方向与大小都不相同。所以，未被磁化的铁磁性物质，其净磁矩与磁化矢量都等于零。

假设施加外磁场，这些磁畴的磁矩还趋于与外磁场呈相同方向，从而形成有可能相当强烈的磁化矢量与其感应磁场。随着外磁场的增高，磁化强度也会增高，直到“饱和点”，净磁矩等于饱合磁矩。这时，再增高外磁场也不会改变磁化强度。假设，减弱外磁场，磁化强度也会跟着减弱。但是不会与先前对于同一外磁场的磁化强度相同。磁化强度与外磁场的关系不是一一对应关系。磁化强度比外磁场的曲线形成了磁滞回线。

假设再到达饱和点后，撤除外磁场，则铁磁性物质仍能保存一些磁化的状态，净磁矩与磁化矢量不等于零。所以，经过磁化处理后的铁磁性物质具有“自发磁矩”。1

发现者铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。

程序即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化。材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。

当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curietemperature)。

如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。

磁滞回线和铁电体一样，铁磁性材料的磁化强度与外磁场呈非线性关系。这种关系是一条闭合曲线，此曲线线称为磁滞回线（如图1）。一般来讲，铁磁体等强磁物质的磁化强度M或磁感应强度B不是磁场强度H的单值函数而依赖于其所经历的磁状态历史。以H=M=B=0为起始状态，当磁化曲线由OABC到C点时，此时磁化强度趋于饱和，记为Ms。若减小磁场，则从B电开始M随H的变化偏离起始磁化曲线，M的变化落后于H。当H减小至零时，M不为零，而等于剩余磁化强度Mr。为使M为零，需加一个反向磁场，即为磁矫顽场Hc。继续增大反向磁场至-Hs时，磁化强度M将沿反方向磁化至-Ms。曲线BDEGB即为磁滞回线。23

条件铁磁质的自发磁化：

铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在上世纪初才开始认识的。1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。

外斯的假说取得了很大成功，实验证明了它的正确性，并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。在分子场假说的基础上，发展了自发磁化（spontaneousmagnetization）理论，解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为。铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程(又称感磁或充磁)只不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。实验证明，铁磁质自发磁化的根源是原子(正离子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。与原子顺磁性一样，在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。例如铁的3d状态有四个空位，钴的3d状态有三个空位，镍的3d态有二个空位。如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来，将会得到较大磁矩，理论上铁有4μB，钴有3μB，镍有2μB。

可是对另一些过渡族元素，如锰在3d态上有五个空位，若同向排列，则它们自旋磁矩的应是5μB，但它并不是铁磁性元素。因此，在原子中存在没有被电子填满的状态(d或f态)是产生铁磁性的必要条件，但不是充分条件。故产生铁磁性不仅仅在于元素的原子磁矩是否高，而且还要考虑形成晶体时，原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利。这是形成铁磁性的第二个条件。

根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换。对于过渡族金属，原子的3d的状态与s态能量相差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状态电子的再分配。这种交换便产生一种交换能Eex(与交换积分有关)，此交换能有可能使相邻原子内d层末抵消的自旋磁矩同向排列起来。量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时(A>0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。外斯分子场就是这样得名的。理论计算证明，交换积分A不仅与电子运动状态的波函数有关，而且强烈地依赖子原子核之间的距离Rab(点阵常数)。只有当原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)r之比大于3，交换积分才有可能为正。铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件。铬、锰的A是负值，不是铁磁性金属，但通过合金化作用，改变其点阵常数，使得Rab/r之比大于3，便可得到铁磁性合金。

综上所述，铁磁性产生的条件：①原子内部要有未填满的电子壳层；②及Rab/r之比大于3使交换积分A为正。前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。

根据自发磁化的过程和理论，可以解释许多铁磁特性。例如温度对铁磁性的影响。当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度Ms下降。直到温度高于居里点，以致完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁矩就不存在了，材料由铁磁性变为顺磁性。同样，可以解释磁晶各向异性、磁致伸缩等。4

磁体的首选三碘化铬作为制作2D磁体的首选，在于其具有三个重要特性：首先，三碘化铬晶体包含许多叠层，层级间好像“透明胶带”一样相互隔开，2D层状结构容易获得；其次，该化合物是一种铁磁性材料，其内电子自旋方向整齐划一，能像冰箱磁贴一样产生永久磁性；最后，三碘化铬还具有各向异性，这一特性使得其内电子一直沿着与晶体表面垂直的方向自旋。

元素到目前为止，仅有四种金属元素在室温以上是铁磁性的，即铁，钴，镍和钆。极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、镝、钬、铒和铥。以及面心立方的镨、面心立方的钕。居里温度分别为：铁768℃，钴1070℃，镍376℃，钆20℃