鐵磁性

鐵磁性（Ferromagnetism）指的是一種材料的磁性狀態，具有自發性的磁化現象。過渡族金屬（如鐵）及它們的合金和化合物所具有的磁性叫做鐵磁性。

在鐵磁性物質內部，如同順磁性物質，有很多未配對電子。由於交換作用（exchangeinteraction），這些電子的自旋趨於與相鄰未配對電子的自旋呈相同方向。由於鐵磁性物質內部又分為很多磁疇，雖然磁疇內部所有電子的自旋會單向排列，造成“飽合磁矩”，磁疇與磁疇之間，磁矩的方向與大小都不相同。所以，未被磁化的鐵磁性物質，其凈磁矩與磁化矢量都等於零。

假設施加外磁場，這些磁疇的磁矩還趨於與外磁場呈相同方向，從而形成有可能相當強烈的磁化矢量與其感應磁場。隨著外磁場的增高，磁化強度也會增高，直到“飽和點”，凈磁矩等於飽合磁矩。這時，再增高外磁場也不會改變磁化強度。假設，減弱外磁場，磁化強度也會跟著減弱。但是不會與先前對於同一外磁場的磁化強度相同。磁化強度與外磁場的關係不是一一對應關係。磁化強度比外磁場的曲線形成了磁滯回線。

假設再到達飽和點后，撤除外磁場，則鐵磁性物質仍能保存一些磁化的狀態，凈磁矩與磁化矢量不等於零。所以，經過磁化處理后的鐵磁性物質具有“自發磁矩”。

鐵磁理論的奠基者，法國物理學家P.E.外斯於1907年提出了鐵磁現象的唯象理論。他假定鐵磁體內部存在強大的“分子場”，即使無外磁場，也能使內部自發地磁化；自發磁化的小區域稱為磁疇，每個磁疇的磁化均達到磁飽和。實驗表明，磁疇磁矩起因於電子的自旋磁矩。1928年W.K.海森伯首先用量子力學方法計算了鐵磁體的自發磁化強度，給予外斯的“分子場”以量子力學解釋。1930年F.布洛赫提出了自旋波理論。海森伯和布洛赫的鐵磁理論認為鐵磁性來源於不配對的電子自旋的直接交換作用。

即磁疇內每個原子的未配對電子自旋傾向於平行排列。因此，在磁疇內磁性是非常強的，但材料整體可能並不體現出強磁性，因為不同磁疇的磁性取向可能是隨機排列的。如果我們外加一個微小磁場，比如螺線管的磁場會使本來隨機排列的磁疇取向一致，這時我們說材料被磁化。材料被磁化后，將得到很強的磁場，這就是電磁鐵的物理原理。當外加磁場去掉后，材料仍會剩餘一些磁場，或者說材料"記憶"了它們被磁化的歷史。這種現象叫作剩磁，所謂永磁體就是被磁化后，剩磁很大。

當溫度很高時，由於無規則熱運動的增強，磁性會消失，這個臨界溫度叫居里溫度(Curietemperature)。

如果我們考察鐵磁材料在外加磁場下的機械響應，會發現在外加磁場方向，材料的長度會發生微小的改變，這種性質叫作磁致伸縮(magnetostriction)。

和鐵電體一樣，鐵磁性材料的磁化強度與外磁場呈非線性關係。這種關係是一條閉合曲線，此曲線線稱為磁滯回線（如圖1）。一般來講，鐵磁體等強磁物質的磁化強度M或磁感應強度B不是磁場強度H的單值函數而依賴於其所經歷的磁狀態歷史。以H=M=B=0為起始狀態，當磁化曲線由OABC到C點時，此時磁化強度趨於飽和，記為Ms。若減小磁場，則從B電開始M隨H的變化偏離起始磁化曲線，M的變化落後於H。當H減小至零時，M不為零，而等於剩餘磁化強度Mr。為使M為零，需加一個反向磁場，即為磁矯頑場Hc。繼續增大反向磁場至-Hs時，磁化強度M將沿反方向磁化至-Ms。曲線BDEGB即為磁滯回線。

鐵磁質的自發磁化：

鐵磁現象雖然發現很早，然而這些現象的本質原因和規律，還是在上世紀初才開始認識的。1907年法國科學家外斯系統地提出了鐵磁性假說，其主要內容有：鐵磁物質內部存在很強的“分子場”，在“分子場”的作用下，原子磁矩趨於同向平行排列，即自發磁化至飽和，稱為自發磁化；鐵磁體自發磁化分成若干個小區域(這種自發磁化至飽和的小區域稱為磁疇)，由於各個區域(磁疇)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。

外斯的假說取得了很大成功，實驗證明了它的正確性，並在此基礎上發展了現代的鐵磁性理論。在分子場假說的基礎上，發展了自發磁化（spontaneousmagnetization）理論，解釋了鐵磁性的本質；在磁疇假說的基礎上發展了技術磁化理論，解釋了鐵磁體在磁場中的行為。鐵磁性材料的磁性是自發產生的。所謂磁化過程(又稱感磁或充磁)只不過是把物質本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質提供磁性的過程。實驗證明，鐵磁質自發磁化的根源是原子(正離子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀態是產生鐵磁性的必要條件。例如鐵的3d狀態有四個空位，鈷的3d狀態有三個空位，鎳的3d態有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來，將會得到較大磁矩，理論上鐵有4μB，鈷有3μB，鎳有2μB。

可是對另一些過渡族元素，如錳在3d態上有五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應是5μB，但它並不是鐵磁性元素。因此，在原子中存在沒有被電子填滿的狀態(d或f態)是產生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故產生鐵磁性不僅僅在於元素的原子磁矩是否高，而且還要考慮形成晶體時，原子之間相互鍵合的作用是否對形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個條件。

根據鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換。對於過渡族金屬，原子的3d的狀態與s態能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態電子的再分配。這種交換便產生一種交換能Eex(與交換積分有關)，此交換能有可能使相鄰原子內d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來。量子力學計算表明，當磁性物質內部相鄰原子的電子交換積分為正時(A>0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現自發磁化。這就是鐵磁性產生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應，其本質仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強磁場一樣。外斯分子場就是這樣得名的。理論計算證明，交換積分A不僅與電子運動狀態的波函數有關，而且強烈地依賴子原子核之間的距離Rab(點陣常數)。只有當原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大於3，交換積分才有可能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發磁化的條件。鉻、錳的A是負值，不是鐵磁性金屬，但通過合金化作用，改變其點陣常數，使得Rab/r之比大於3，便可得到鐵磁性合金。

綜上所述，鐵磁性產生的條件：①原子內部要有未填滿的電子殼層；②及Rab/r之比大於3使交換積分A為正。前者指的是原子本徵磁矩不為零；後者指的是要有一定的晶體結構。

根據自發磁化的過程和理論，可以解釋許多鐵磁特性。例如溫度對鐵磁性的影響。當溫度升高時，原子間距加大，降低了交換作用，同時熱運動不斷破壞原子磁矩的規則取向，故自發磁化強度Ms下降。直到溫度高於居里點，以致完全破壞了原子磁矩的規則取向，自發磁矩就不存在了，材料由鐵磁性變為順磁性。同樣，可以解釋磁晶各向異性、磁致伸縮等。

三碘化鉻作為製作2D磁體的首選，在於其具有三個重要特性：首先，三碘化鉻晶體包含許多疊層，層級間好像“透明膠帶”一樣相互隔開，2D層狀結構容易獲得；其次，該化合物是一種鐵磁性材料，其內電子自旋方向整齊劃一，能像冰箱磁貼一樣產生永久磁性；最後，三碘化鉻還具有各向異性，這一特性使得其內電子一直沿著與晶體表面垂直的方向自旋。

到目前為止，僅有四種金屬元素在室溫以上是鐵磁性的，即鐵，鈷，鎳和釓。極低低溫下有五種元素是鐵磁性的，即鋱、鏑、鈥、鉺和銩。以及面心立方的鐠、面心立方的釹。居里溫度分別為：鐵768℃，鈷1070℃，鎳376℃，釓20℃。