第二章 文獻回顧
2.1 磁性的種類
目前磁性已經依照各對於外加磁場下的各種不同反應來做分類，分別有順磁
性、反磁性、反鐵磁以及鐵磁性，以下將會針對各種不同磁性做簡單的介紹。
反磁性
反磁性材料並沒有帶有磁性的原子，它們的磁化強度(magnetization)必須有
外加磁場才能表現出來，並且磁化強度是很微弱的且方向和外加磁場相反。它們 的磁化率(magnetic susceptibility)通常和外加場以及溫度無關聯並且數量級非 常小，大約是在10−5左右，反磁性主要的成因是因為電子外加磁場下軌道運動的 改變。根據冷次定律(Lenz’s law)再外加磁場下物質會產生感應電流去並且帶有 相反方向的磁場去抵抗外加磁場。反磁性也存在於帶有磁性原子的材料當中，但 是因為太微弱通常都被忽略掉，但是在超導體材料當中卻存在極大的反磁性，磁 化率為 -1 的情況。
圖 2.1.1 超導體在 TC (critical temperature)下所呈現的反磁性，磁化率為-1
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順磁性
在順磁性材料中，磁性的來源主要是來自於原子或者離子本身就含有的永久 磁矩，假設這些磁矩之間彼此間的交互作用力非常微弱可以忽略，則這些磁矩可 以很自由的在空間中指向任意方向，使得整體的磁化強度為零。但是在有外加磁 場的情況下，這些任意排列的磁矩就會重新調整成平均方向朝著外加磁場方向，
在這個情況下整體的磁化強度就不等於零。但是這樣的磁化強度會隨著溫度的上 升而逐漸減少。雖然順磁性材料在外加場下會有磁化強度出現但是其磁化率的數 量級大約落在 10-3~10-5 之間
圖 2.1.2 在沒有外加場下反磁性材料內部磁矩的排列
反鐵磁性
反鐵磁性在巨觀上來說性質接近順磁性也是一種弱磁性，也同時帶有正值且 微小的磁化強度。和順磁性材料最大的分別就是當我們在測量溫度和磁化率的關 係時，會發現磁化率隨著溫度下降會逐漸上升但是在某個特別的溫度時會呈現最 大值，該溫度稱之為尼爾溫度(Neel temperature)，過了尼爾溫度後磁化率開始 下降和順磁性材料最大的不同就在於此。從微觀的角度來看可以知道當溫度低於 尼爾溫度時反鐵磁性材料內部的磁矩會和相鄰的磁矩呈現反平行排列，所以當沒 有外加磁場的時候反鐵磁性材料的磁化強度為零。這種磁矩反平行排列的原因可 以歸因於相鄰原子之間的反交互作用力(negative exchange interactions)，這種 交互作用力抵抗外部磁場想要使磁矩平行排列的趨勢。當溫度低於尼爾溫度熱擾
7 動的能量減少，反鐵磁性內部的反交互作用力使得內部磁矩呈現反平行排列，當 溫度高於尼爾溫度時熱擾動能量增加到足以克服反交互作用力的影響使得反鐵 磁性材料特性變得跟順磁性材料一樣。
圖 2.1.3 反鐵磁性材料在尼爾溫度上下內部磁矩的排列情形
鐵磁性
相對於反鐵磁性，鐵磁性材料內部原子的磁矩則是正交互作用，也就是相鄰 的磁矩彼此之間是平行排列。這種交互作用力效果和磁場一樣所以也稱做分子場 或交換場。和反鐵磁性一樣，在高溫的時候熱擾動的影響大於交互作用力使得磁 化率變得和順磁材料相似，造成此溫度的分界點我們稱之為居理溫度。在居理溫 度 (Curie temperature) 以 下 鐵 磁 性 材 料 會 有 自 發 性 磁 化 強 度 (spontaneous magnetzation)
圖 2.1.4 鐵磁性在沒有外加場下個磁區內部有許多平行排列的磁矩
8 圖 2.1.5 鐵磁性材料在外加場下每個磁區呈現同方向平行排列