磁无序,即没有原子磁矩或原子磁矩无规取向。抗磁性使磁无矩的一种表现。
抗磁性
抗磁性是指一种微弱的磁性,它出现在没有原子磁矩的材料中。这种材料的相对磁化率为负值且很小,典型的数值是 。
在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。其产生的机理是:外磁场穿过电子轨道时,引起的电磁感应使轨道电子加速(图1)。根据
楞次定律,由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通,总是与外磁场的变化相反。因而磁化率是负的。
顺磁性
原子系统在外磁场作用下,物质感生出与磁化场相同方向的磁化强度现象称为顺磁性,顺磁性物质特征是原子具有固有磁矩,在无外磁场时,受热扰动影响原子磁矩杂乱分布,总磁矩为零,即。
当施加外磁场时,这些磁矩趋于向外磁场方向,引起顺磁性,其磁化率,但在常温下,受热运动的影响,大小在数量级,仅显示微弱的磁性。多数顺磁性物质服从居里定律,另一些顺磁性物质服从居里一外斯定律洳一去,如图2所示,C是居里常数,Tp是顺磁性居里点。室温下使顺磁性物质磁化到饱和,在技术上是难以达到的。若将温度降低到接近绝对零度,则容易多了。具有顺磁性的物质很多,典型的有稀土金属和ⅧB族元素(铁族元素)的盐类。
顺磁性属于磁无序状态。
铁磁性
铁磁性物质的原子具有固有磁矩,原子磁矩自发磁化按区域呈平行排列,在很小的外磁场作用下,物质就能被磁化到饱和,磁化率,在10~106数量级。磁化率与磁场呈非线性、复杂的函数关系,如图3所示。具有磁滞现象、
磁晶各向异性、磁致伸缩等性质。是铁磁性与顺磁性临界温度,称为居里温度。在温度时,物质呈现铁磁性;时.物质呈现顺磁性,并服从居里一外斯定律。在孔附近铁磁性物质的许多性质出现反常现象。
亚铁磁性
亚铁磁性物质宏观磁性上与铁磁性物质相同,只是在磁化率的数量级上低,在10~103数量级。区别在于微观自发磁化是反平行排列,但两个相反平行排列的磁矩大小不相等,矢量和不为零。
总之,各类物质的磁性状态是由于不同原子具有不同的电子壳层结构,原子的固有磁矩不同。但是。必须指出原子磁性虽然是物质磁性的基础,却不能完全决定凝聚态物质的磁性,因为原子间的相互作用对物质的磁性常常起重要影响,图4示出各类物质的磁结构状态。铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性为磁有序状态,顺磁性是磁无序状态。
纳米材料基本特性
小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长、
德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体的
周期性边界条件将被破坏,在非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化,这就是纳米粒子的
小尺寸效应。例如,光吸收显著增加,并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态的转变,超导相向正常相的转变;声子谱发生改变。
表面效应
表面效应是指因纳米微粒表面原子与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小,位于表面的原子所占的体积分数很大,随着纳米颗粒尺寸减小,比表面积急剧加大。表面原子处于“裸露”状态,周围缺少相邻的原子。原子配位数不足,存在未饱和键,导致纳米颗粒表面存在许多缺陷。这些表面原子具有很高的活性,特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输运和构型的变化,同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面效应是纳米粒子及其固体材料的最重要的效应之一。