磁性材料及其磁化【威澳门尼斯人36366com】,概述二维磁性范德华材料的惊人特征和巨大潜力

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磁性材料的基本现象:
一、自发磁化:从“磁性来源”中我们了解到,某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵消,从而产生剩余的磁矩。但是,如果每个原子的磁矩仍然混乱排列,那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一个方向整齐地排列,就象很多小磁铁首尾相接,才能使物体对外显示磁性,成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现象,就称为自发磁化。既然磁性材料内部存在自发磁化,那么是不是物体中所有的原子都沿一个方向排列整齐了呢?当然不是,否则,凡是钢铁等就会永远带有磁性,成为一块大磁铁,永远能够相互吸引了。事实上,磁性材料绝大多数都具有磁畴结构,使得它们没有磁化时不显示磁性。二、磁畴:所谓磁畴,是指磁性材料内部的一个个小区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同,如右图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。下图为在显微镜中观察到的磁性材料中常见的磁畴形状,其中左面是软磁材料常见的条形畴,黑白部分因为不同的磁畴其磁矩方向不同而具有不同的亮度,它们的交界面就是畴壁;中间是树枝状畴和畴壁;右面是薄膜材料中可以见到的磁畴形状。实际的磁性材料中,磁畴结果五花八门,如条形畴、迷宫畴、楔形畴、环形畴、树枝状畴、泡状畴等。既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的,那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢?在畴壁的一侧,原子磁矩指向某个方向,假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么,在畴壁内部,原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。实际上,畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向,从一侧开始,每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度,并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大,到另一侧时,磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。上图给出了典型的磁畴壁结构示意图。三、居里温度:
对于所有的磁性材料来说,并不是在任何温度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一个临界温度Tc,在这个温度以上,由于高温下原子的剧烈热运动,原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下,原子磁矩排列整齐,产生自发磁化,物体变成铁磁性的。利用这个特点,人们开发出了很多控制元件。例如,我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后,食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时,由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失,磁铁就对它失去了吸力,这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开,同时带动电源开关被断开,停止加热。四、与磁性材料有关的常用物理量:磁场强度:指空间某处磁场的大小,用H表示,它的单位是安/米。磁化强度:指材料内部单位体积的磁矩矢量和,用M表示,单位是安/米。磁感应强度:
磁感应强度B的定义是:B=m0(H+M),其中H和M分别是磁化强度和磁场强度,而m0是一个系数,叫做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度,单位是特斯拉。导磁率:导磁率的定义是m=B/m0H,是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度,或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。

在纳米世界,磁性已被证明是非常令人惊讶的。只有几个原子厚度的磁性2D材料可以帮助满足科学家们的好奇心,并为更小的后硅电子设备实现梦想。由基础科学研究所(IBS)内的相关电子系统中心的PARK
Je-Geun领导的国际研究小组刚刚在Nature发表了一篇Perspective
Perspective论文。它介绍了2D磁性范德华(vdW)材料的最新成果和未来潜力,这些材料直到6年前才被人们所了解,并且最近引起了全世界的关注。

VdW材料由成对的超薄层制成,这些超薄层由弱范德华键结合在一起。石墨烯(vdW)的恒星材料的成功刺激了科学家寻找其他二维晶体,​​其中可以改变,添加或去除层以引入新的物理特性,如磁性。

材料如何变成磁性?

威澳门尼斯人36366com,你可以想象一种材料中的每个电子都像一个微小的罗盘,有自己的北极和南极。这些罗盘针的方向决定了磁化强度。更具体地,磁化源于电子的自旋(磁矩)并且取决于温度。铁磁体,如标准冰箱磁铁,在磁转换温度(Tc,居里温度)以下获得其磁性,当所有磁矩对齐时,所有罗盘针指向同一方向。相反,其他材料是反铁磁性的,意味着低于转变温度(在这种情况下称为Neel温度,TN),罗盘针指向相反的方向。对于高于Tc或TN的温度,单个原子矩不对齐,

然而,在将材料减少到2D纳米尺度时,情况可以显着改变。冰箱磁铁的超薄切片可能会显示整个物体的不同特征。这是因为2D材料对温度波动更敏感,这会破坏良好对齐的罗盘针的图案。例如,传统的块状磁铁,例如铁和镍,在2D中具有比在3D中低得多的Tc。在其他情况下,2D中的磁性实际上取决于厚度:三碘化铬(CrI3)作为单层铁磁性,双层反铁磁性,并且作为三层回铁磁性。然而,还有其他的例子,如三硫代磷酸铁(FePS3),它可以显着地保持其反铁磁有序,一直到单层。

制作2D磁性材料的关键是驯服它们的自旋波动。具有优选旋转方向(磁各向异性)的2D材料更可能是磁性的。各向异性也可以通过添加缺陷,磁性掺杂剂或通过玩电子自旋和电子在原子核周围运动产生的磁场之间的相互作用来人工引入。然而,这些都是技术上具有挑战性的方法。

帕克用一个类比来解释:这就像监督一群不安分和行为不端的孩子,每个孩子代表一个原子指南针。你想要排队,但他们宁愿玩。这是一项艰巨的任务,就像任何幼儿园一样老师会告诉你。你需要准确地知道每个人在时间和空间上的动作。为了控制它们,你需要在那里做出反应然后,这在技术上非常困难。

为什么物理学家对2D磁性vdW材料如此感兴趣?

2D磁性vdW材料可以解决几个基本问​​题。特别是,vdW材料是找到一些尚未解决的数学物理模型的实验证据的试验平台。这些模型解释了与自旋相关的磁转变行为。特别是,Ising模型描述了旋转(罗盘针)被约束为垂直于平面向上或向下指向。XY模型允许自旋指向平面上的任何方向,最后,在海森堡模型中,自旋可以指向任何x,y,z方向。

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