磁性物質（Ⅱ）–鐵磁性、反鐵磁性（Magnetic Material–Ⅱ）

磁性物質（Ⅱ）–鐵磁性、反鐵磁性（Magnetic Material–Ⅱ）
國立臺灣師範大學物理系李聖尉碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

承接上篇『磁性物質（Ⅰ）–反磁性、順磁性』，本篇則從鐵磁性、反鐵磁性物質談起：

（3）鐵磁性（ferromagnetism）物質和居禮溫度

1.鐵磁性

鐵磁性物質，包括鐵、鈷、鎳及其化合物與合金等材料，主要特性是具有很大的磁化率，亦即 $$\chi$$ 值為一很大的正數。鐵磁性物質與順磁性物質一樣，原子本身都具有不成對電子而造成原子的淨磁矩不為零。不過鐵磁性物質與順磁性物質有一個非常不同的地方，就是鐵磁性物質鄰近兩個原子之磁矩彼此間會有交互作用，此交互作用使得鄰近的磁矩會指向同一方向，這是一種量子效應。

鐵磁性物質的磁性行為可以用磁域（magnetic domain）的觀念來作概述。每個磁域介於幾微米到 $$1$$ 毫米間，大約包含 $$10^{15}$$～$$10^{16}$$ 個原子。縱使沒有外加磁場，鐵磁性物質仍擁有來自自旋電子並且排列整齊的磁矩。同一個磁域內的磁矩，因磁域中原子磁偶極矩間的強烈耦合作用，使得各磁矩互相平行排列，且指向同一方向，亦即每一個磁域本身便有一飽和磁化值，稱為自生磁化。

這些磁域之間有磁壁（domain wall）相隔，每一個磁域內包含了數百萬個小磁矩。在外加磁場時，不同磁域磁矩之指向並不相同，如圖1所示，所以整個鐵磁性物質的總磁矩為零。

若將外加磁場大小與物質的磁化值大小作圖，可以得到一磁滯曲線（hysteresis loop），如圖2，此為鐵磁性物質的重要特徵。

就磁滯曲線由以下來說明之：

1. 當外加磁場作用於鐵磁性材料上時，由於磁域的磁矩受到一磁力矩作用，使得磁域中的磁矩開始旋轉至與外加磁場同一方向。旋轉開始時，磁域中的磁壁亦會移動。
2. 如果外加磁場持續增大，則最後整個鐵磁性物質會從多重磁域（multi domain）狀態變為單一磁域（single domain）狀態，而此時的磁化值稱之為飽和磁化量 $$M_S$$（saturation magnetization）[2]。
3. 當外加磁場降為零時，磁化值並未回到零，會有一殘留的磁化值，此稱之為殘磁 $$M_R$$（remanence）。當磁場繼續往反方向增加時，磁化值會降至零，此時的磁場大小稱之為矯頑力 $$H_C$$（coercive force）。

2.居禮溫度

由於熱能會導致鐵磁性物質的磁偶極矩偏離完美的平行排列方式。

當溫度漸漸升高時，若溫度增加至熱能大於鐵磁性物質的磁偶極矩平行排列的交換能時，因磁矩受到熱激發的擾亂，使得排列秩序開始變得凌亂，這時鐵磁材料的鐵磁性消失而轉變成順磁性。這個磁性性質發生變化時的溫度即稱為居里溫度 $$T_C$$。當鐵磁性材料從高溫降溫至低於居里溫度時，鐵磁性磁域將再形成，材料變回鐵磁性[5]。

一般常見的鐵磁性材料塊材，$$\bf Fe$$ 的居里溫度約為 $$770^\circ C$$，$$\bf Co$$ 的居里溫度約為 $$1123\circ C$$ ，$$\bf Ni$$ 的居里溫度約為 $$358^\circ C$$[6,7]。

（4）反鐵磁性（antiferromagnetism）和涅爾溫度

1.反鐵磁性

反鐵磁性亦為弱磁性，磁化率 $$\chi$$ 為很小的正數，磁化方向與外加磁場相同。磁化率與溫度相關，但隨溫度變化情形較順磁性物質特殊。當溫度低於涅爾溫度 $$T_N$$（Neel temperature）時，隨著溫度的提高，磁化率增大，而當溫度高於 $$T_N$$ 時，磁化率則隨著溫度的提高而變小時，為順磁性。當溫度低於 $$T_N$$ 時，磁矩的排列則趨向於反平行。如圖3所示。

反鐵磁性物質因為總軌道角動量為負號（鐵磁性為正），以交換積分得出最小交換能發生在相鄰自旋電子反平行的時候。可分為兩種，一種為補償態（介面淨磁矩為 $$0$$ ），另一種為非補償態（介面淨磁矩不為 $$0$$ ），如圖4所示。

2.涅爾溫度

在反鐵磁材料中，也有一類似居禮溫度的特徵溫度，當溫度升高，因受到熱擾動的效應影響，使得磁矩的排列開始變得混亂，不再是反平行排列時，反鐵磁性材料便從反鐵磁性轉變成順磁性，這一個變換的特徵溫度即為涅爾溫度 $$T_N$$。當溫度持續下降，則反鐵磁材料的磁矩將再度形成反平行排列。反鐵磁塊材 $$\bf CoO$$ 的涅爾溫度為 $$290~K$$ ，故要使 $$\bf CoO$$ 呈現反鐵磁性必須進行冷卻的動作。

參考資料：

[1]  王坤池（2001），「超高真空中在Ge(111)面上成長Co超薄膜之退火效應及磁性現象研究」，國立台灣科技大學機研所碩士論文。
[2]  D. J. Griffiths（1981），Introduction to Electrodynamics，Prentice Hall，New York。
[3]  B.D.Cullity（1972），Introduction to Magnetic Materials，Addison Wesley，New York。
[4]　D. K. Cheng（1989）Field and Wave Electromagnetics，3rd ed，Addison-Wesley，New York。
[5]　M. A. Plonus，婁祥麟譯（1985），「應用電磁學（下冊）」，乾泰圖書。
[6]　J.A.C.Bland and B.Heinrich（1994），Ultrathin Magnetic Structure Ⅰ，Springer-Verlag，New York。
[7]   J.Nogues and I.K.Schuller（1999），Exchange bias，J.Magn.Magn.Mater.，192，203。