面內磁各向異性

面內磁各向異性

面內磁各向異性是指在某個平面或者界面內的磁各向異性。磁各向異性是指物質的磁性隨方向而變的現象。主要表現為弱磁體的磁化率鐵磁體磁化曲線隨磁化方向而變。鐵磁體的磁各向異性尤為突出,是鐵磁體的基本磁性之一,表示飽和(或自發)磁化在不同晶體方向時自由能密度不同。磁各向異性來源於磁晶體的各向異性

如果分子中具有多重鍵或共軛多重鍵,在外磁場作用下,π電子會沿著分子的某一方向流動,它對鄰近的質子附加一個各向異性的磁場,使某些位置的質子處於該基團的禁止區,δ值移向高場,而另一些位置的質子處於該集團的去禁止區,δ值移向低場,這種現象稱為磁各向異性效應。

基本介紹

  • 中文名:面內磁各向異性
  • 外文名:In-plane magnetic anisotropy
  • 含義:指物質的磁性隨方向而變的現象
  • 表現:為弱磁體的磁化率鐵磁體
定義,化學鍵,苯環,雙鍵,叄鍵,單鍵,磁晶,磁形狀,感生磁各向異性,交換各向異性,磁應力,

定義

化學鍵尤其是π鍵,因電子的流動將產生一個小的誘導磁場,並通過空間影響到鄰近的氫核。在電子云分布不是球形對稱時,這種影響在化學鍵周圍也是不對稱的。有的地方與外加磁場方向一致,將使外加磁場強度增加,使該處氫核共振峰向低磁場方向移動(負禁止效應,deshieldingeffect),所以化學位移增大;有的地方則與外加磁場方向相反,將使外加磁場強度減弱,使該處氫核共振峰向高磁場方向移動(正禁止效應,shieldingeffect),所以化學位移減小,這種效應叫做磁的各向異性效應。
磁各向異性效應與局部禁止效應不同的是,局部禁止效應是通過化學鍵起作用,而磁各向異性效應是通過空間起作用的。磁各向異性效應具有方向性,其大小和正負與距離和方向有關。

化學鍵

苯環

苯環有三個雙鍵,六個π電子形成大π鍵,在外磁場誘導下,很容易形成電子環流,產生感應磁場,其禁止情況如圖14-8。在苯環中心,感應磁場的磁力線與外磁場的磁力線方向相反,使處於苯環中心的質子實受磁場強度降低,禁止效應增大,具有這種作用的空間稱為正禁止區,以+表示。處於正禁止區的質子的化學位移值降低(峰右移)。在平行於苯環平面四周的空間,次級磁場的磁力線與外磁場一致,使得處於此空間的質子實受場強增加,這種作用稱為順磁禁止效應。相應的空間稱為去禁止區或負禁止區,以-表示。苯環上氫的化學位移值為7.27,就是因為這些氫處於去禁止區之故。同理可以解釋十八碳環壬烯的環內氫處於強正禁止區,環外氫處於去禁止區,因此兩者的化學位移值相差很大。在正、負禁止區的交界處禁止作用等於零。

雙鍵

雙鍵的π電子形成結面(nodalplane),結面電子在外加磁場誘導下形成電子環流,從而產生感應磁場。雙鍵上下為兩個錐形的禁止區,雙鍵平面上下方為正禁止區,平面周圍則為負禁止區,烯烴氫核因正好處於負禁止區,故其共振峰移向低場化學位移值為4.5~5.7。
醛基氫核除與烯烴氫核相同位於雙鍵的負禁止區,由於受相連氧原子強烈電負性的影響,故共振峰將移向更低場,化學位移值為9.4~10。

叄鍵

碳-碳叄鍵的π電子以鍵軸為中心呈對稱分布(共四塊電子云),在外磁場誘導下π電子可以形成繞鍵軸的電子環流,從而產生感應磁場。在鍵軸方向上下為正禁止區;與鍵軸垂直方向為負禁止區(圖14-10),與雙鍵的磁各向異性的方向相差90°。炔氫有一定的酸性,可見其外圍電子云密度較低,但它處於叄鍵的正禁止區,故其化學位移值反而小於烯氫(烯氫處於負禁止區)。例如,乙炔氫的化學位移值為2.88,而乙烯氫為5.25。

單鍵

C一C單鍵也有磁各向異性效應,但比電子環流引起的磁各向異性效應小得多。
C一C單鍵產生一個錐形的磁各向異性效應,C-C鍵是去禁止區的軸。
C一C鍵的兩個碳原子上的氫都受這個C-C單鍵的去禁止效應。在椅式構象的環己烷系統中,直立鍵上的氫處於禁止區,平伏鍵上的氫處於去禁止區。所以,直立鍵上的氫比平伏鍵上的氫受禁止作用大,化學位移值較小,兩者化學位移值的差別一般在0.2〜0.5之間。但在室溫下,因構象式之間的快速翻轉平衡,所以只給出一個尖銳的單峰。

磁晶

磁體不同方向的磁性不同。如弱磁的抗磁、順磁和反鐵磁晶體的磁化率隨晶體方向不同而異,強磁體飽和磁化在不同方向時自由能不同等。磁各向異性對強磁體的技術磁性有很大影響,因而是強磁物質的重要的基本磁性之一。
溫度低於居里溫度(見鐵磁性)的鐵磁體受外磁場作用時,單位體積物質達到磁飽和所需的能量稱為磁晶能,由於晶體的各向異性,沿不同方向磁化所需的磁晶能不同。對每種鐵磁體都存在一個所需磁晶能最小和最大的方向,前者稱易磁化方向,後者稱難磁化方向。鐵磁體受外力作用時,由於磁彈性效應(見磁致伸縮),體內應力和應變的各向異性會導致磁各向異性。在外磁場或應力作用下的鐵磁體進行冷、熱加工處理時,均可產生感生磁各向異性。鐵磁薄膜材料在一定外界條件影響下進行晶體生長時,也會引入生長磁各向異性。磁晶各向異性Fk常表示為飽和磁化強度矢量Ms相對於主晶軸的夾角的三角函式冪級數。其表式隨晶體對稱性而異。
磁晶各向異性能的微觀機制主要有以下幾種:①磁偶極相互作用。經典的磁偶極作用只對非立方晶體能引起各向異性。但常常不是主要的貢獻。②各向異性交換作用。來自軌道-自旋作用對交換作用的影響。存在於某些稀土離子及低對稱化合物中。③單離子各向異性。為晶體電場和軌道-自旋作用的聯合效應。它使單個離子的能級呈現各向異性。對鐵氧體和一些稀土離子,它的貢獻是主要的。④巡遊電子各向異性。來自軌道-自旋作用對能帶的影響。適用於3d金屬及合金。

磁形狀

對於非球形對稱的物體,磁化在不同方向時,退磁場及退磁場能不同,稱為磁形狀各向異性

感生磁各向異性

為某些材料經過某種處理後出現的附加的磁各向異性。這類處理有:磁場作用下的熱處理、應力作用下的熱處理及冷軋等。有磁場熱處理感生各向異性的材料,在無磁場作用下退火時,在磁疇疇壁中獲得自發磁化條件下的感生各向異性。某些薄膜材料在磁場下生長,或由於某種條件生長,均可獲得生長感生各向異性。對金屬及合金的感生各向異性,原子對的有序排列(方向有序)的理論給出了合理的解釋。鐵氧體的感生各向異性則可用單離子理論(各向異性離子的有序分布)來表達解釋。

交換各向異性

當材料中存在著鐵磁-反鐵磁界面或與亞鐵磁的界面時,由於界面原子間交換耦合,使鐵磁體附加一單“向”的各向異性。具有這種各向異性的材料有不對稱的磁滯回線,兩側的矯頑力Hcm不相等。在具有Co-CoO界面的微粒及FeMnPBAl非晶態中均發現這種各向異性。

磁應力

由於磁彈性耦合、材料中的應力及其應變導致的磁各向異性。

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