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1、毕 业 论 文 题 目： 物 质 的 磁 性学 院： 物理与电子工程学院 专 业： 物理学 毕业年限： 2013年6月 学生姓名： 学 号： 201072010259 指导教师： 目录目录摘 要Abstract 引 言2一.磁性的产生机理11带电粒子在电磁场中的薛定谔方程22. 均匀磁场中电子的哈密顿量23.磁场对体系哈密顿量的影响33.1 强磁场33.2 弱磁场34 原子的磁矩34.1 单电子原子34.2 多电子原子4二磁电效应51.概念和机理52.原子(离子)位移型磁电效应621自旋有序诱导铁电性72.2纯电子(极化载流子)移动型磁电效应9 2.2.1表面磁电效应9 2.2.2界面载流子聚
2、集型磁电效应13 2.3广义磁电效应15三磁电体的最新应用161.磁电传感器172.磁读电写硬盘17四结论18五致谢18参考文献19I 物质的磁性 摘 要本文首先基于量子力学的方法探讨原子核外电子在外磁场中的哈密顿量及薛定谔方程，并用微扰理论推导了原子磁矩的微观描述。然后介绍了当前物理界和材料界的关注热点磁电体，对具体物质的磁性的理论研究和实验进展作进一步呈现，重点综述了有关磁电效应的产生机制,特别是一些新颖机制，如界面磁电效应、表面磁电效应、广义磁电效应和拓扑磁电效应等。文章最后介绍了基于磁电体的一些新型功能性器件,如磁电传感器,磁读电写硬盘等。关键词：磁性；哈密顿量；微扰；磁矩 ; 磁电效
3、应; 磁电体 Abstract In this thesis, first of all, Based on the method of quantum mechanics，it is easy to derive the Hamiltonian and the Schrodinger equation of atom in an external magnetic field. And then the microscopic description of atomic magnetic moment is exported by the perturbation theory .And t
4、hen it explores the attention hot - body of physics and materials , theoretical research and experimental progress of magnetic of concrete material are further presented , mainly summarizes the generation mechanism of the magnetoelectric effect, especially some novel mechanisms, such as interface ma
5、gnetoelectricity effect, surface magnetoelectricity effect, the generalized magnetoelectric effect and topological magnetoelectric effect. At last,it is introduced some of new functional components based on the magnetoelectric body , such as magnetoelectric sensor, magnetic reading electric writing
6、hard disk, etc.Key words: Magnetic; Khameneis quantity; Perturbation; Magnetic moment ;Magnetoelectric effect; The magnetoelectric body III引 言 电和磁是自然界最基本的物理现象之一,人类在文明发展初期就已经认识了这两种现象,开始了断断续续的研究并留下了文字记载。18世纪麦克斯韦提出的以其名字命名的方程组集经典电磁学理论之大成,表明电和磁不是两个完全独立的现象,它们之间存在相互耦合,即变化的电场可以产生磁场,变化的磁场可以产生电场,电场和磁场统一在电磁场这一
7、大框架下。由于电磁场能够独立存在于真空,所以上述这种电磁耦合并不需要外界物质做媒介,它其实是电磁场的内稟性质。本文所要讨论的磁电耦合指的是表征介质磁学性质和介电性质的序参量,即磁化强度(M)和电极化强度(P)之间存在耦合作用。基于此,外加电场可以改变介质的磁学性质,或者外加磁场能够改变介质的电极化性质,这种效应被称作磁电效应,而具有这种性质的材料则被称为磁电材料或磁电体。由于外加电(磁)场可以是静电(磁)场,因此这种效应与法拉第电磁感应有着明显的不同,它反映的是磁电体本身的性质。磁电效应的物理应用显而易见,它可以用来转换能量、传感信号、检测磁(电)场等。然而，磁电效应真正让人心动的应用是在信息
8、存储方面，由于它把磁化强度和电极化强度等可以表征信息的极化矢量紧密联系起来,这就提供了用不同手段在存储介质上读取或写入信息的途径。而进一步结合各种调控手段的优势,就有可能开发出全新概念的下一代信息功能器件,如磁电传感器、磁读电写硬盘等,这些功能器件在信息产业上具有巨大的潜在应用价值,将在后文中一一介绍。另一方面,磁电效应不仅仅在现象上区别于电磁感应,它所具有的物理内涵也不是经典的麦克斯韦方程能够诠释的。事实上,磁电效应具有多种产生机制,它深刻地反映了在微观层次上物质内稟性质之间的紧密联系,其解释涉及量子论、相对论、统计热力学、多体理论、群论等现代数学和物理先进理论在固体领域的应用,而如果没有迄
9、今才发展成较为成熟的计算机技术和固体能带计算理论作支撑,要想定量探索磁电效应产生的微观物理机制也是不可想象的。一.磁性的产生机理 纵观各类教科书及科研论文，对物质磁性的研究基本上是基于宏观电磁场理论。但是，随着原子结构、量子力学理论和微观结构分析方法的发展，已逐渐把宏观磁现象建立在微观结构的实验和理论分析的基础之上，用微观量子力学的方法，阐明物质的磁性，能更加全面、更加本质地了解物质。1带电粒子在电磁场中所满足薛定谔方程在电磁场理论中，电场强度和磁场强度 的表达式分别为： (1) (2)这里采用了库仑规范， 分别为电磁场的矢势和标势。设有一质量为，电荷量为 q 的粒子在电磁场中运动，采用坐标表
10、象，用量子力学所描述的体系的哈密顿函数为： (3) （3）式中，是粒子的正则运量。由（3）式可得坐标表象中的薛定谔方程为： (4) 2. 均匀磁场中电子的哈密顿量设磁场是恒定均匀的，并考虑电子的自旋-轨道耦合作用，则电子运动体系的哈密顿算符在 共同表象里为： (5)（5）式中第一项为电子的动能项，第二项为电子的静电势能项。在均匀外磁场中，可取： 它满足和 (6) (6）式中是轨道角动量算符，是粒子的轨道磁矩，则（6）式表示粒子轨道磁矩与外磁场的耦合作用能。为正，为逆磁项，是自旋磁矩。为自旋一轨道耦合项。3 .磁场对体系哈密顿量的影响3.1 强磁场在强磁场的情况下，电子的自旋轨道耦合项很小，可作
11、为微扰项，因其很小可略去。则体系哈密顿量可表示为 (7) 3.2 弱磁场在弱磁场的情况下，（5）式中电子的轨道磁矩和自旋磁矩与磁场的耦合作用项与电子的自旋轨道耦合作用相比很小，可看成微扰项，而逆磁项与成正比，故可略去，则哈密顿量可表示为： （8） 如果 ，则（8）式中第三、四项可忽略。则 （9) 由（7）、（8）、（9）式可看出，磁场的大小影响体系的哈密顿量表达式，即对物质的磁性产生不同的影响。4 原子的磁矩4.1 单电子原子设磁场沿 Z 轴，取 有 为电子在原子核的静电库仑场中的势能，在磁场足够强的情况下，则体系的哈密顿算符为： （10） 其中： 一级微扰项：二级微扰项：在非简并情况下，按照
12、定态微扰论，原子的能量近似表示式： （11）原子的磁矩，其中：Mz为固有磁矩，M 为磁场感生的磁矩 （12）4.2 多电子原子为简化问题，忽略掉电子之间的相互作用，而把原子看成由多个孤立的电子的集合。原子的磁矩 （13）（13）式中第三项为逆磁项，对所有电子占有态求平均，有 （14） 可得原子的逆磁磁矩为 （15） 这就是半经典模型描述的拉莫尔进动产生的逆磁磁矩。综上所述，用量子力学的观点导出的原子的磁矩描述与半经典模型导出的磁矩描述是一致的，说明用微观理论分析方法更能体现物质磁性的本质，而不再只是假说的推导和唯系的解释。二磁电效应1.概念和机理磁电效应可以分为正磁电效应,即磁场诱导介质电极化
13、:P=H,和逆磁电效应,即电场诱导介质磁极化:M=E,其中P和M分别为诱导电极化强度和磁化强度,H和E为外加磁场和电场。为了方便概念理解,这里只讨论线性效应,所以就是线性(逆)磁电耦合系数。值得指出的是,许多磁电效应并不是简单的线性关系,这一点会在后文中得到进一步阐明。由上述定义可以看出,磁电效应的存在并不需要介质是多铁体,因此尽管多铁体的研究是本文的重要内容,但本文的讨论不会受限于多铁体这个范畴。事实上,后文将要介绍的表面和界面磁电效应等都可以在非多铁体上发生,而广义上来说霍尔效应和自旋霍尔效应都是磁电效应,而这些效应甚至都不需要材料是磁性或铁电性,只要是导体或半导体就行。那么磁电效应的起源
14、究竟是什么呢?从本质上来说,磁电效应的产生源于电子同时是电荷和自旋的载体。具体说来,外场能够以静电力,静磁力和洛伦兹力的形式改变电子的物理状态,而电子的自旋状态对物质的磁性有决定性作用,电子的运动状态则直接和间接地决定了物质的介电性质,这样就有可能通过电子运动让外电场(磁场)与物质的磁性(介电性质)关联。而由于外场的施加方式、介质的具体特性以及电子(或空穴)运动状态(束缚抑或巡游)的不同,以及电子-电子相互作用,电子运动与晶格运动耦合等因素的存在,磁电效应也就有了多种不同的表现形式,其机理也变得错综复杂。而对具有不同铁电性起源的各种多铁体来说,磁电效应的实现形式就更多元化。根据多铁成分组成的来
15、源,我们可简单将多铁体分为铁电铁磁同源型和异源型,其中铁电铁磁异源型是指系统中铁电性和铁磁性没有共同起源,而是分别由不同成分或结构单元来实现,这包括早期合成的固溶体如Pb(Fe0.5Nb0.5)O3,孤对电子(lone-pair)多铁体如BiFeO3,锰氧化物几何铁电体如YMnO3,复合材料多铁体等,而铁电铁磁同源型则是指铁电性和铁磁性有着共同起源,如自旋有序诱导铁电性,电子型铁电体等。按直观理解,铁电铁磁同源型材料中铁电性和铁磁性是本征性关联,因而其磁电耦合会大大强于铁电铁磁异源型材料,但事实上这并非绝对,例如许多复合材料多铁体都能达到非常强的磁电耦合。综合分析现有的研究成果,本文尝试将磁电
16、效应机理大致分成了两类:一类是原子(离子)位移型,一类是纯电子(极化载流子)移动型。两者的主要区别在于前者涉及晶格运动,而后者晶格几乎保持不变。以下我们将结合最新理论和实验研究成果分别对划分在这两大类下的磁电效应一一做相应介绍。2.原子(离子)位移型磁电效应 原子是构成晶格的骨架,其中原子核和芯电子构成离子实,外层价电子以电子云方式笼罩在离子实周围。由于原子核磁矩可以忽略不计,而芯电子一般为满壳层电子,所以离子实通常没有磁性(f电子体系除外,严格说来f电子不应作为芯电子处理),但离子实带电,其位移是产生铁电性特别是传统铁电性的重要原因,也因此在磁电效应中扮演了相当重要的角色。对磁电效应而言,外
17、层电子的状态如自旋可以被外磁场改变,而通过自旋轨道耦合作用或Jahn-Teller效应能够把这种改变传导到带电离子实构成的晶格上,从而使晶格伸缩或畸变,并可能导致电极化状态的改变;而对逆磁电效应来说,带电离子实在电场作用下发生位移,可能导致磁性原子间磁相互作用(如电子交换关联能J)的变化,从而引起材料磁性变化。一般来说,单相材料中大部分磁电体如早期发现的Gr2O3以及铁电铁磁异源型多铁体等基本上都适用于上面的描述,也得到了较为深入的讨论,所以下面将着重介绍铁电铁磁同源型多铁体以及复合材料磁电体中的磁电效应,如自旋有序诱导多铁性、纯电子(极化载流子)移动型磁电效应、广义磁电效应。21自旋有序诱导
18、铁电性铁电性存在的首要条件是空间反演对称性的破缺,如果体系内自旋存在有序排列,同时其排列破坏了空间反演对称性,那么就可能由自旋有序诱导出铁电性。由于这种铁电性是由自旋有序排列造成的,那么用磁场控制该铁电性就是顺理成章的事情了。铁电性和自旋有序的关联最早是在一系列，锰氧化物中发现的,如TbMnO3，DyMnO3和TbMn2O5。这些材料的铁电性只存在于磁有序状态,其介电性质对外加磁场非常敏感,可以导致巨磁致电容效应。进一步的深入研究表明其铁电性和螺旋形自旋密度波有密切联系,而螺旋形自旋密度波一般是由竞争性的磁相互作用导致的自旋失措造成,这样铁电性就和自旋失措建立了联系。如今在许多自旋失措磁体中都
19、发现了铁电性,如Ni3V2O8,CuFeO2,CoGr2O4,MnWO4和（Ba,Sr）2Zn2-Fe12O22等。事实上,在BiFeO3中也观测到了非公度自旋密度波导致的弱铁电性。具体如何由自旋有序形成铁电性是一个十分有趣的课题。宏观上利用对称性分析我们可以断定铁电性和铁磁性共存的多铁体中极化矢量P和磁化强度M的耦合只能是非线性的,因为在该类体系中要求时间反演对称性和空间反演对称性同时破缺,而在空间反演操作下P会反号,但M不会,反过来在时间反演操作下,M会反号,但P不会。P和M的非线性耦合起源于体系中电荷,自旋,轨道运动及晶格自由度之间的相互作用,通常情况下这种作用都比较弱。但如果M出现空间
20、变化并导致空间反演对称性的破缺,这时会出现一个三阶耦合项,即,该项与P成正比,所以很弱的耦合也可能产生铁电性。对立方晶系,磁有序导致的电极化可以有下面的形式 这样自旋失措对诱导电极化的意义就很明显了,它的作用就是产生随空间变化的磁极化,如锥状自旋结构，螺旋形自旋。图1锥状自旋结构中诱导的铁电性;(b)该结构中可能出现的相互钳制的铁电畴和铁磁畴。微观上自旋构型如何产生铁电性的研究尚在开展中,因此目前还无法给出全面的解释。对于螺旋自旋结构中铁电性的产生机理,较普遍的观点是反称的Dzyalosh inskii -Moriya(DM)相互作用可能扮演了重要角色。DM相互作用是超交换作用的相对论修正,其
21、强度正比于自旋轨道耦合常数,倾向于形成非共线的自旋结构。理论上Katsura等预言了基于自旋轨道耦合,两个自旋成夹角的相邻格点的波函数的叠加可以导致电极化。一般来说螺旋形自旋结构对应的磁转变温度都比较低(-40 K),这在很大程度上限制了其实际用途。但是最近T.Kimura等在230 K观测到CuO低维结构中出现了螺旋形自旋结构导致的铁电性,如此高的居里温度和CuO低维结构中的强超交换作用有关,这就给这方向上的研究注入了新的动力向上的研究注入了新的动力。图2 通过自旋轨道耦合作用,自旋成夹角的相邻两格点可以形成电极化,其极化方向依赖于自旋结构的螺旋性(顺时针或逆时针)。事实上,螺旋形自旋结构并
22、不是实现自旋有序诱导铁电性的唯一形式,共线磁结构也可以产生铁电性,甚至无须借助自旋轨道耦合作用,也可能连磁有序空间反演对称破缺也不需要。例如在正交相RMn2O5(R是稀土元素)结构中,从c轴方向看,氧四面体中的Mn3+离子(总自旋为2)和氧八面体中的Mn4+离子(总自旋为3/2)成周期为五个自旋的循环排列,即Mn4+-Mn3+-Mn3+-Mn4+-Mn3+,如图3所示,其中最近邻自旋是反铁磁相互作用,但由于周期内自旋总数为奇数,不可能保证所有最近邻自旋都成反铁磁排列,从而造成自旋失措,形成复杂的磁结构,进而诱导出铁电性。 图3 TbMn2O5z中不对称自旋链所诱导的铁电性利用第一性原理计算,C
23、henjieWang等简化TbMn2O5的磁结构为共线型,并忽略了自旋轨道耦合作用,同样得到了铁电性的TbMn2O5,其自发极化达到了约1.2uC/cm2,这就说明了自旋轨道耦合作用和非共线磁结构对自旋有序诱导铁电性来说并不是必须的。2.2纯电子(极化载流子)移动型磁电效应前面已经提到过电子(或等效的空穴)同时是电荷和自旋的载体,而电荷和自旋分别是电场和磁场的操控对象,因而就有可能通过电场(磁场)控制电子行为来改变材料的磁性(电极化性质),同时保持晶格的稳定性,这就是纯电子(极化载流子)移动型的磁电耦合效应。2.2.1表面磁电效应当金属处于外部电场中时,金属内部的自由电子会移动到金属表面以屏蔽
24、外电场,因此外电场只能透入金属表面很小的深度,这是经典物理就能理解的金属屏蔽效应。但是对于铁磁性金属而言,这种屏蔽效应会引起新的物理现象,这是由于铁磁金属中自由电子的自旋取向存在自发极化,即自旋向上态和自旋向下态的占据数不同,于是屏蔽电子在金属上,磁性金属的外电场屏蔽是一个复杂的多体问题,对其进行具体准确地阐述十分困难。但是借助经典和半经典的物理模型,我们可以定性甚至定量地解释发生在其中的许多物理现象。首先,由于这是一个表面现象,我们可以模仿体材料中的定义提出表面磁电系数()这一概念:表面的积累就会直接导致表面磁性的变化,亦即产生了磁电效应。图4外部电场诱导的铁表面磁矩变化(箭头指示电场方向)
25、(a)电场方向背离薄膜表面,磁矩增加;(b)电场方向指向薄膜表面,磁矩减少。注意表面铁原子自旋少数态在费米面附近处于统治地位,因此表面屏蔽电子的增加会引起总表面磁矩减少。其中M是表面磁化强度,可以理解为单位面积内的磁矩,E是外加电场大小,是真空磁导率。根据高斯定理,我们知道表面诱导电荷密度为,而表面诱导电荷是自旋向上态和自旋向下态电子的电荷之和,单位表面内自旋向上态和自旋向下态电子的占据数之差则是,其中是玻尔磁子,那么很容易可以得到:(16)式其中n和n分别是自旋向上和自旋向下电子的表面态密度。由上式可以看出,表面磁电系数的符号依赖于表面处n和n之差,由于铁磁金属表面电子态密度可以与体内电子态
26、密度有很大不同,因此的计算不能采用体材料的电子态密度值,否则会导致定性的错误。另外从图5可以看出,外加电场诱导的铁磁金属内部电荷密度变化呈类Friedel振荡分布,但是振荡无规则周期,且自旋向上态和自旋向下态的分布迥异,这是由于两态对应的费米波矢不同,而且它们纠缠在对外电场的介电响应方程中,从而造成了诱导电荷密度振荡的多周期性。对Fe,Co,Ni等铁磁金属,这种振荡能深入到金属内部。公式(16)的推导忽略了表面诱导电荷对应的电子之间的交换作用,更复杂的推导需要借助多体理论知识,因而公式(16)只能用来定性地与第一性原理计算的结果作比较。但是对一类特殊的铁磁金属即半金属,它给出的结果是准确的,与
27、考虑了电子交换作用的解析计算给出的公式推广到半金属情形时一致。在半金属中,载流子的图5外部电场诱导的铁内部电荷密度变化,实线代表自旋向上态电子,虚线代表自旋向 下态电子,注意两态电子的类Friedel振荡存在显著不同。自旋取向100%极化,因此n和n两者取值一个为1,一个为0,(如图6所示),这时公式(15)演化为:(16)式这个结果相当出乎意料,它表明半金属的表面磁电系数是一个普适常数(6.4410-14Gcm2/V),其符号由半金属的种类,即其费米面附近电子自旋的取向决定,其大小与半金属的具体材料组成,电子结构及表面结构等无关。图6半金属的表面磁电效应示意图,载流子为100%自旋极化,所以
28、外加电场诱导的表面电荷积累直接等效于表面磁矩积累。上述结果最近由Duan等通过对CrO2薄膜的第一性原理计算证实,计算值约为-6.41x10-14,与上述简单物理模型推出的结果非常吻合。半金属的特殊表面磁电性质可用来作为半金属性的检测和类型表征,但是现在技术上的具体实现尚有一定难度。外加电场不仅会引起表面磁矩的变化,表面电子波函数也会相应发生改变,进而影响电子轨道角动量,从而改变表面磁晶各向异性能(见图7)。这一点类似于前面讨论铁电/铁磁复合结构中界面成键时铁电极化对界面铁磁原子磁晶各向异性能的调制,只不过这里外加电场需达到非常大的值才能和铁电调制作用比拟。由于铁电体一般具有很大的介电常数值,
29、从而局域电场相当强,所以有可能上述两种作用有很大的相似成分,有关研究正在开展之中。图7外部电场对表面电子轨道角动量(左侧)和表面磁晶各向异性能(右侧)的影响。铁磁金属的表面磁电效应和电场作用的磁晶各向异性能改变不但得到了理论计算的验证,也有着来自实验方面的支持。M.Weisheit等在电解液中观测到FePt和FePd的磁晶各向异性能被外加电场改变,而且这种改变是可逆的,具体说来,-0.6伏的电压改变能分别引起2纳米厚FePt和FePd薄膜的矫顽场发生-4.5%和1%的变化(如图8所示)。 图8外加电压改变了FePt(FePd)薄膜的矫顽场和Kerr旋转角(即磁化矢量) Chiba等在稀磁半导体
30、(Ga,Mn)As中同样观测到电场对其磁晶各向异性的直接影响,虽然他们归结原因为稀磁半导体中施加电场后空穴浓度的增加,但是很可能更本质的原因与载流子屏蔽外电场有关。2.2.2界面载流子聚集型磁电效应从本质上来讲,界面载流子聚集型磁电效应和表面磁电效应是一致的,只不过它发生在铁磁/介电(铁电)界面,而由于介电材料对外加电场的增强作用,可以在较小场强下观测到磁电效应。Rondinelli等通过第一性原理计算研究了电场作用下的异图9 外加电场的改变直接导致Fe薄膜的磁晶各向异性变化 图10 外加电场可以改变稀磁半导体（Ca,Mn)As的磁晶各向异性变化SrRuO3/SrTiO3质结,他们发现外加电场
31、能引起铁磁性的在界面处发生磁矩的变化。不同的是,诱导磁矩的分布形状与介电组分的位移没有太大关系,亦即界面成键不是这种磁电效应的原因,主要是自旋极化的载流子移动造成了界面处的自旋磁矩积累。如果考虑了电场对离子的极化作用,磁电效应会大大增加,这是因为的零频介电常数远远大于其光频介电常数,所以局域电场被更加放大的原因。这种效应普遍地存在于铁磁/介电(铁电)复合结构中,并有可能用于构造类似电容概念的“自旋容(spin capacitor)”之类的自旋电子学器件。2.3广义磁电效应有许多现象,从定义上来说也应属于磁电效应,但是由于它们自身独特的重要性,而其磁电效应产生机理也与前述机制有着不同,因此并没有
32、被划入磁电效应的研究范畴,我们这里把它们统称为广义磁电效应。比如著名的霍尔效应其实也是一种磁电效应,即对有电流通过的导体施加垂直于电流方向的磁场,会在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间分别形成正负电荷积累(可以理解为产生极化)；而自旋霍尔效应,即施加电场后在非磁性导体或半导体材料的平行于电场(电流)的两侧产生自旋积累,则相当于逆磁电效应。 图11霍尔效应和自旋霍尔效应示意图霍尔效应的量子版本即量子霍尔效应在当代物理学研究中占据非常重要的位置。最近几年来,关于量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应的理论研究取得很大进展,相关学者还提出了拓扑绝缘体(topological insulator)和物质
33、的拓扑态(to-pological state)概念。所谓拓扑绝缘体是指在量子霍尔效应研究中发现的一类较强自旋轨道耦合效应的特殊材料如Bi1-xSbx,它们的体能带具有带隙,但是其边缘(表面)态是导电态并十分稳定,受拓扑保护。关于拓扑绝缘体的具体讨论超出了本文的讨论范围,这里特别需要指出的是拓扑绝缘体具有一个奇特的性质,即拓扑磁电性：外加电场(磁场)可以诱导出其同方向的磁极化(电极化),而且其磁电系数是量子化的,为精细结构常数的奇数倍。这种磁电耦合机制显然与我们在前面章节讨论的磁电效应有区别。图12拓扑型磁电效应示意图:拓扑绝缘体(TI)和铁磁体(FM)成圆柱状嵌套结构排列。(a)外加电场诱导
34、出磁极化和环状电流;(b)外加磁场诱导出电荷极化。 另外一种类型的磁电效应也是与低维结构的边缘态有关,如石墨烯纳米带的半金属相变。石墨烯就是单层的石墨,具有极好的力学和电学性能,被认为是下一代纳米电子学基体材料。2006年Young-Woo Son等对石墨烯纳米带的第一性原理研究发现,由于电子局域化作用,宽度为1.56.7 nm的锯齿形石墨烯纳米带的基态是反铁磁绝缘态,即位于左边缘和右边缘的碳原子分别拥有约0.4B的磁矩且成符号相反,不同自旋态的电子分别占据价带顶和导带底。当在施加横向外电场时,由于两边缘态的电势发生改变,导致其相对于费米能级发生平移,当外加电压达到一定强度时,最终使原左边缘态
35、的导带和原右边缘态的价带触及费米能级,系统进入金属态。有趣的是,这时占据费米面附近的电子态处于完全相同的自旋极化状态,所以体系实际上成为半金属态。由于此时体系两边缘的磁矩必定发生变化,而且系统出现了自旋极化的载流子,所以也可以看作是一种磁电效应。很显然,这种磁电效应只是一种电势差造成的效果,而且与系统边缘态的具体特性有深刻联系。三磁电体最新应用早在30多年前,Wood和Austin已经指出了磁电效应的多种潜在应用,现在对磁电效应的应用大致仍在这个范围内,但是经过几十年来理论和实验两方面学者的不懈努力,磁电效应的许多应用已经走向日常生活,许多原型器件已经初具雏形,而当时看起来很虚幻的目标如今已经
36、触手可及,甚至远超出当时的想象。1.磁电传感器磁电效应最初的用途就是磁电传感器,特别是用来检测磁,灵敏度可以达到特斯拉。而采用Ni作电极,BaTiO3作介电材料,如今的传统多层电容型磁电传感器已经可以将成本降到一美分左右,同时面积还不到硬币的二十分之一。如图13这种传统多层电容磁电感应系数可以达到7.0x10-6VOe-1,虽然磁场探测灵敏度还比不上SQUID,但可以进行工业上的大规模生产,成本低,而且可以工作在室温且不需要额外电能,所以在能量采集,磁场检测,玩具制造,生命医药,水下及太空探索等多种领域里都有着广泛应用。2.磁读电写硬盘 基于多铁体的电控磁性,可以提高现代硬盘技术。从1956年
37、IBM发明世界上第一个硬盘(重约1吨,容量为5 MB)到现在,硬盘的发展已经经历了大致四个阶段,而每个阶段的突破都伴随着技术上的革新,其中GMR技术的应用使得硬盘真正实现了商业化和平民化,而采用垂直磁记录方式取代水平磁记录方式,则使硬盘密度突破的超顺磁极限,达到了。但是由于垂直磁记录采用强单轴各向异性(High-Ku)的磁性薄膜作信息介质,虽然减小了信息位的尺寸,却也使得写信息时需要较强磁场,为此研究人员又提出了“热协助磁性记录”技术以进一步提高磁记录密度。著名硬盘公司Seagate宣称利用HAMR技术能将硬盘数据密度提高到,并生产出300 TB大小的3.5英寸硬盘,可以容纳整个美国国会图书馆
38、的藏书,这无疑是一个非常震撼的数据。然而未来硬盘的发展必然要向节能和便携性靠拢,而HAMR技术显然有所背离这个趋势,因此有必要发展新的技术以取代HAMR。基于磁电效应的“电协助磁性记录”(Electrically Assisted Mag-netic Recording,EAMR)就是很有潜力的新型磁记录方式。简单说来,类似于HAMR,EAMR采用加电场(电压)的方式来降低磁性介质的磁晶各向异性能,从而达到无磁场或弱磁场写入信息的目的。这样硬盘就可以采用磁学方法(TMR或GMR)来读信息,而用电学方法来写入或辅助写入信息。磁读电写硬盘能大大提高硬盘存取速度,减少功耗,因而极具发展潜力。如今理论
39、和实验上已经有很多关于加电场(电压)后磁介质磁晶各向异性能变化的报道,其中既包括电场的直接作用,也有以铁电(压电)材料作中介的。目前看来,电场的直接影响是相对较小的,而实现完全无需外磁场的磁记录信息改变需要体系有极大的磁电耦合系或磁记录材料的Ku较小,因此在短期内EAMR会是改进硬盘读写的一个更现实的选择。四.结论本文从物质的宏观磁性出发，对物质磁性的发展及研究过程作了详尽的归纳与总结，并根据已有的结论和结合量子力学的知识做了相关的理论推导，最后得到物质磁性的来源归结为电子绕原子核的轨道运动和绕本身的自旋运动产生了磁距，物质的磁距才使物质宏观上表现了磁性。接着介绍了物质的磁电效应,磁电效应其实
40、是一种较为普遍的效应,无论材料是单质还是化合物,是单相还是复相,是低维(表面,界面,纳米带)还是高维(体材料),都有可能发生磁电效应;磁电效应的起源既可以是复杂的电子强关联现象,也可以是简单的介电响应或电致势差。磁电效应可以按照不同的规则来进行分类,本文以离子移动与否来作为标准将其简单分为两类,即离子位移型和纯电子(极化载流子)移动型,但实际情况可能是两者的混合,另外还有一些广义磁电效应如拓扑磁电效应等,它们的起源有着颇为不同的物理背景。同时我们也看到磁电效应研究是一个物理,材料,化学,信息技术及电子工程等多学科交叉渗透的领域,其机理探索,材料生长,性能表征及器件制备和实际应用几乎涉及了当代物
41、理学和材料研究的各个领域。虽然本文力图尽可能涵盖近几年来在磁电效应领域内的重要进展,但一方面该领域发展太快,另一方面则受限于个人知识水平和有限精力,所以仍有可能会遗漏部分内容或理解有所偏差。五 致谢 本论文在张爱霞导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德。本次论文从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声：老师，谢谢您！ 时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，
42、聚散真容易。离校日期已日趋渐进，毕业论文的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！在此我向西北师范学校物理学专业的所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们四年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢四年里面你们孜孜不倦的教诲！参考文献：1 梁灿彬. 电磁学 北京：高等教育出版社 ，1980. 2 周世勋. 量子力学教程。 北京：高等教育出版社 ，1979. 3 曾谨言. 量子力学。 北京：科学教育出版社 ，2002. 4 张哲华，刘莲君. 量子力学与原子物理学。 武汉大学出版社, 1997. 5
43、 严宁. 物理通报。 物质的磁性, 2001. 6姜寿亭,李卫.凝聚态磁性物理.北京:科学出版社,2003.17Maxwell J C.Phil Trans R Soc Lond,1865,155:4598Fiebig M.J Phys D:Appl Phys.2005,38:1239Eerenstein W,Mathur N D,Scott J F.Nature.2006,442:75910Spaldin N A,Fiebig M.Science,2005,309:39111国内此前关于Multiferroic的翻译有多铁性材料,多铁性体,铁电磁体, 复铁性材料,多铁体等。12Wolf S A,Awschalom D D,Buhrman R A,et al.Science,2001,294:14881314迟振华,靳常青.物理学进展,2007,27:225 19