超順磁性

超順磁性

超順磁性(superparamagnetism)是指鐵磁物質的顆粒小於臨界尺寸時具有單疇結構,在較高溫度下表現為順磁性特點,但在外磁場作用下其順磁性磁化率比一般順磁材料的大好幾十倍,稱為超順磁性。臨界尺寸與溫度有關,鐵磁性轉變成超順磁性的溫度常記為TB,稱為轉變溫度。超順磁性隨磁場的變化關係不存在磁滯現象,這與一般順磁性相同。但在整個顆粒記憶體在自發磁化,即各原子磁矩的取向基本一致,只是整體磁矩的取向因受熱運動的作用而隨時在變化。在轉變溫度以下時,顆粒的磁矩沿各向異性的易軸方向取向,故整個材料表現為鐵磁性。

基本定義

超順磁性(sup:如果 磁性材料是一單疇顆粒的 集合體,對於每一個顆粒而言,由於 磁性原子或 離子之間的 交換作用很強, 磁矩之間將 平行取向,而且磁矩 取向在由磁晶 各向異性所決定的易 磁化方向上,但是顆粒之間由於易磁化 方向不同,磁矩的取向也就不同。現今,如果進一步減小顆粒的尺寸即 體積,因為總的磁晶各向異性能正比於 ,熱擾動能正比於 ( 是磁晶各向異性常數, 是顆粒體積, 是 玻爾茲曼常數, 是 樣品的 絕對溫度),顆粒體積減小到某一數值時,熱擾動能將與總的磁晶各向異性能 相當,這樣,顆粒內的磁矩方向就可能隨著時間的推移,整體保持平行地在一個易 磁化方向和另一個易磁化方向之間反覆變化。從單疇顆粒集合體看,不同顆粒的磁矩取向每時每刻都在變換方向,這種磁性的特點和正常順磁性的情況很相似,但是也不盡相同。因為在正常順 磁體中,每個 原子或離子的磁矩只有幾個 玻爾磁子,但是對於直徑5nm的特定球形顆粒集合體而言,每個顆粒可能包含了5000個以上的原子,顆粒的總磁矩有可能大於10000個玻爾磁子。所以把單疇顆粒集合體的這種 磁性稱為 超順磁性。

特點

介紹

超順磁性行為有兩個最重要的特點:一是如果以 磁化強度 為 縱坐標,以 / 為 橫坐標作圖(H是所施加的 磁場強度,T是絕對溫度),則在單疇顆粒集合體出現超順磁性的 溫度範圍內,分別在不同的溫度下測量其 磁化曲線,這些磁化曲線必定是 重合在一起的。二是不會出現 磁滯,即集合體的 剩磁和 矯頑力都為零。

當 鐵磁體或亞鐵磁體的尺寸足夠小的時候,由於熱騷動影響,這些 納米粒子會隨機地改變方向。假設沒有外磁場,則通常它們不會表現出磁性。但是,假設施加外磁場,則會被 磁化,就像順磁性一樣,而且 磁化率超大於順磁體的磁化率。

重要性

對於 磁性集合體來說,有兩個 量很重要:一是出現超順磁性的 臨界尺寸( 直徑) 。如果 顆粒系統的 溫度保持 恆定,則只有當顆粒尺寸 ≤ 才有可能呈現超順磁性,該直徑小於單疇顆粒的 臨界直徑。二是截止溫度 ,對於足夠小的磁性顆粒,存在一特徵溫度 ,當溫度 < 時,顆粒呈現強磁性( 鐵磁性或亞鐵磁性); ≥ 時,顆粒呈現超順磁性。

理論詮釋

超順磁性是指 鐵磁性物質的顆粒小於 臨界尺寸時,外場產生的磁 取向力不足以抵抗熱騷動的 干擾,其磁化性質與順磁體(見順磁性)相似,稱作超順磁性。臨界尺寸與溫度有關,例如球狀鐵粒在室溫的臨界半徑為12.5 納米,而在4.2K時半徑為2.2納米還是鐵磁性的。

超順磁體的 磁化曲線與 鐵磁體不同,沒有 磁滯現象。當去掉外 磁場後, 剩磁很快消失。如以 / ( 是 磁場強度, 是 絕對溫度)為 坐標橫軸,不同溫度的磁化曲線合而為一,可用順磁體的磁化 公式(朗之萬 函式或布里淵函式)表示。外加 磁場時,在普通順磁體中,單個原子或 分子的 磁矩獨立地沿磁場 取向;而超順磁體以包含大於10 個原子的 均勻磁化的單疇作為 整體協同取向,所以 磁化率較一般順 磁體大很多。

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