第二章 背景知識
2.7 磁性物質簡介
原子磁性的來源有兩種：電子繞原子核旋轉的軌道角動量(orbital angular moment)產生的磁矩(μ
L
)和自旋角動量(spin)產生的自旋磁矩(μs
)，原子核也會產生 原子磁矩，但其強度相對於電子磁矩而言非常微弱，因此可被忽略。當多個原子 聚集時，原子與原子間互相作用，使鄰近原子的磁矩有特定的排列方式，而形成 材料的磁性來源。也可以藉由摻雜使原本沒有磁性的材料擁有磁性，稀磁性半導 體就是摻雜過渡金屬進入材料中，使其產生自發的磁矩。2.7.2 磁性物質
當物質在一外加磁場 H 下時，其磁化強度 M 會產生變化。
為物質的磁化率(magnetic susceptibility)，表示物質被磁化的難易程度，無因次，
。依照磁化率大小的不同可分為四種：順磁性(paramagnetism)、反磁性 (diamagnetism)、鐵磁性(ferromagnetism)及反鐵磁性(antiferromagnetism)，圖 2-20 為常見的磁性行為。
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圖 2-20 不同磁性行為示意圖，由上向下分別為反磁性(diamagnetism)、順磁性 (paramagnetism)與鐵磁性(ferromagnetism) 。
[60]
1. 順磁性(paramagnetism)
順磁性物質中的每個原子皆具有永久磁矩，且原子跟原子間的耦合作用極小，
因此在未受到磁場的影響下，內部磁矩為不規則排列，原子與原子間的磁矩相抵 銷，整體淨磁矩為零。當受到一外加磁場下，每個磁矩會受到力矩作用，使其朝 磁場方向轉動排列，如圖 2-21(a)，當移開外加磁場後，原子的磁矩又會回到隨 機排列的狀態。
[61,62]
順磁性的磁化率為正值，其數量級大約在 10
-3
~10-5
間，為弱磁性。順磁性物 質的磁化率與溫度的關係為 ，稱為居里定律(Curie law)，C 為居里常數，T 為絕對溫度。力矩試圖將磁矩轉向與外加磁場方向相同，而熱擾動會造成原子磁 矩的方向不易轉成與外加磁場同方向，因此在固定磁場下，溫度上升時，熱擾動 增加，磁化率下降，如圖 2-21(b)。[60]
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圖 2-21 (a)順磁性物質磁化過程示意圖，B
ext
＝0，磁偶極矩排列凌亂；Bext
≠0，磁 偶極矩排列整齊與(b)順磁性物質磁化率倒數與溫度關係圖。[61,62]
2. 反磁性(diamagnetism)
反磁性物質與順磁性物質相同，在未受到磁場的影響下，內部磁矩為不規則 排列，原子與原子間磁矩相抵銷，整體淨磁矩為零。反磁性的磁化率為負值，其 數量級大約在 10
-6
~10-5
間。[60]
反磁性材料會被磁場排斥，古典來看，在外加磁 場下，由冷次定律(Lenz’s law)得知會產生反方向的弱磁矩，其磁性大小比順磁性 或鐵磁性小很多，當移開外加磁場後，反向磁場也會消失；從量子力學近似來看，
，而反磁性的磁化率 μ ，可以得到
μ
。 由於原子與感應磁矩方向無關，熱擾動並不影響反磁性磁化率，因此磁化率與溫 度無關，如圖 2-22。[50]
圖 2-22 反磁性物質磁化率倒數與溫度關係圖。
[62]
28
3. 鐵磁性(ferromagnetism)
鐵磁性物質包含鐵、鈷、鎳等。鐵磁性物質內原子具有不成對電子造成原子 淨磁矩不為零。在未受外加磁場下，單一磁域(magnetic domain)內原子磁偶極矩 間的耦合作用，使得各磁矩相互平行排列指向同一方向，但每個磁域的磁矩方向 不同，所以整體的淨磁矩為零，如圖 2-23。
[63]
圖 2-23 鐵磁性物質磁域結構。
[63]
當在一外加磁場下，每個磁域中的磁矩受力矩作用旋轉至與外加磁場相同方 向，若持續加大磁場，物質會被磁化至飽和狀態；當降低外加磁場至零時，部分 磁矩仍指向原本方向，保有殘留的磁化，當磁場繼續往反向增加時，磁化會降至 零，將外加磁場大小與磁化值做圖，可得到一磁滯曲線(hysteresis loop)，如圖 2-24。
當物質施加大磁場後，移除後仍有的磁化強度，稱為殘磁(remanence, Mr)；若要 使磁化強度從殘餘值降至零時所需的磁場，稱為矯頑場(coercive field, Hc)，矯頑 場的量測必須施加到材料上以反轉其磁化強度，其數量可從不到 10
-2
Oe 到超過 104
Oe。[60]
29
圖 2-24 磁滯曲線示意圖與磁域的演化。
[60]
鐵磁性物質的磁化率為正值，其數量級大約在 10
1
~106
，鐵磁性物質的磁化 率與溫度的關係為，稱為居里-衛斯定律(Curie-Weiss law)，Tc 為居里溫 度(Curie temperature)。當溫度小於 Tc 時，為鐵磁性，當溫度大於 Tc 時，因熱擾 動造成動能增加，使磁矩不再維持同一方向，而呈現出順磁性狀態，如圖 2-25。
[62]
圖 2-25 鐵磁性物質磁化率倒數與溫度關係圖。
[62]
4. 反鐵磁性(antiferromagnetism)
反鐵磁材料中，原子內的電子磁矩受到彼此間的耦合交換交互作用，形成交
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錯的反向排列，相互抵消後其淨磁矩為零。當溫度高於涅爾溫度 T
N
(Néel temperature)時，隨溫度上升，熱擾動效應增加，使得磁矩的排列變得混亂，不再 是平行排列時，反鐵磁材料從反鐵磁性變成順磁性，此時磁化率隨溫度升高而變 小；當溫度小於涅爾溫度時，磁矩呈反平行排列，磁化率隨溫度下降而變小，並 趨於穩定值。反鐵磁性物質在涅爾溫度其磁化率為最大值，如圖 2-26。[62]
圖 2-26 反鐵磁性物質磁化率倒數與溫度關係圖。