[科普中國(guó)]-非鐵磁材料

材料以是否導(dǎo)磁可分為鐵磁材料與非鐵磁材料，一般的有色金屬，不能被磁化，都是非鐵磁材料。非鐵磁材料的鐵磁性的飽和磁化強(qiáng)度很低、樣品可重復(fù)性不高、鐵磁性受制備方法和制樣條件影響大。

非鐵磁材料簡(jiǎn)介材料以是否導(dǎo)磁可分為鐵磁材料與非鐵磁材料，鐵、鈷、鎳等具有良好導(dǎo)磁性，稱為鐵磁材料。一般的有色金屬，不能被磁化，都是非鐵磁材料，不銹鋼里面的奧氏體是不能被磁化的，而其它的不銹鋼材料則是可以被磁化的。

研究歷程非鐵磁材料的磁性研究經(jīng)歷了一系列的發(fā)展歷程，最早可以追溯到20世紀(jì)60年代對(duì)磁性半導(dǎo)體的研究。人們?yōu)榱四茉谝环N半導(dǎo)體中同時(shí)操控電子的電荷和自旋自由度，提出了磁性半導(dǎo)體的構(gòu)想。最初的研究集中在濃磁性半導(dǎo)體（Concentrated Magnetic Semiconductor）上，所謂濃磁性半導(dǎo)體是指在材料的每個(gè)晶胞的相應(yīng)位置上都含有磁性原子的半導(dǎo)體。這類材料的代表有Eu的化合物EuS、EuO，以及Cr的硫化物等。然而，這類材料的問題是居里溫度過(guò)低，比如EuS和EuO的居里溫度只有16.5 K和69.3 K，這嚴(yán)重制約了其應(yīng)用價(jià)值。

上世紀(jì)70年代末，人們陸續(xù)在Mn摻雜的II-VI族半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了鐵磁性。這一類摻雜半導(dǎo)體中，Mn以二價(jià)離子的形式摻入半導(dǎo)體，并替換掉部分半導(dǎo)體中的非磁性陽(yáng)離子，形成所謂的稀磁半導(dǎo)體（Diluted Magnetic Semiconductor）。在稀磁半導(dǎo)體的研究中，人們意外地發(fā)現(xiàn)非磁性元素?fù)诫s甚至不摻雜的半導(dǎo)體、絕緣體材料中也存在著居里溫度高于室溫的鐵磁性。這些發(fā)現(xiàn)出乎了人們的意料。長(zhǎng)久以來(lái)，人們認(rèn)為稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性來(lái)源是摻雜磁性原子的3d電子，但非磁性元素?fù)诫s或不摻雜的非鐵磁材料可以是d電子全滿甚至不含d電子的體系。

總結(jié)非鐵磁材料的鐵磁性特點(diǎn)可以看出，相比于傳統(tǒng)鐵磁材料，這類鐵磁性的飽和磁化強(qiáng)度很低、樣品可重復(fù)性不高、鐵磁性受制備方法和制樣條件影響大。即使同一體系，不同研究者得到的結(jié)果也不盡相同。因此，有人認(rèn)為這種鐵磁性來(lái)源于樣品中微量的鐵磁污染或測(cè)試中引入的樣品污染等原因，但更多人通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段和第一性原理計(jì)算證明非鐵磁材料中存在由缺陷或非磁性元素?fù)诫s誘導(dǎo)的本征鐵磁性。1

非鐵磁材料的磁電阻效應(yīng)非鐵磁材料本身具有多種磁阻效應(yīng)，比如洛倫茲力磁阻、弱局域化磁阻等等。另一方面，通過(guò)摻雜或缺陷誘導(dǎo)的方式可以使非鐵磁材料出現(xiàn)鐵磁性，在這類材料中人們還觀察到了與鐵磁性相關(guān)的磁輸運(yùn)行為，比如反?；魻栃?yīng)、隧穿磁電阻效應(yīng)等等。

洛倫茲力磁阻洛倫茲力磁阻廣泛存在于各種金屬、半導(dǎo)體等導(dǎo)電物質(zhì)中，其來(lái)源為載流子在外加磁場(chǎng)下受到洛倫茲力的作用，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得載流子的等效平均自由程變短，電阻變大。因此洛倫茲力磁阻總是正磁阻效應(yīng)，即隨著磁場(chǎng)的增大，電阻增加。

弱局域化磁阻弱局域化磁阻是低溫下存在的一種磁阻機(jī)制。其實(shí)質(zhì)是區(qū)別了載流子的彈性散射與非彈性散射機(jī)制:認(rèn)為載流子在經(jīng)彈性散射后，波函數(shù)相位有確定變化；而非彈性散射則使載流子的波函數(shù)相位無(wú)規(guī)變化。此時(shí)，當(dāng)兩個(gè)電子沿同一閉合回路的兩個(gè)不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果構(gòu)成這一路徑的散射過(guò)程都為彈性散射，那么兩個(gè)電子的波函數(shù)將相干相長(zhǎng)，電子回到起點(diǎn)的概率增大，從而降低了載流子的擴(kuò)散概率，使電阻率升高。而外加磁場(chǎng)的作用是使兩個(gè)電子波函數(shù)附加不同的相位，從而破壞電子對(duì)波函數(shù)間的相干性，使額外增加的電阻率減小，引起負(fù)磁阻效應(yīng)。所以，弱局域化磁阻效應(yīng)本質(zhì)是一種磁場(chǎng)對(duì)量子相干效應(yīng)的破壞。

弱磁技術(shù)在非鐵磁性材料檢測(cè)中的應(yīng)用材料中缺陷能夠被磁矢量傳感器檢測(cè)到，其原因就在于缺陷處與被檢測(cè)材料之間的相對(duì)磁導(dǎo)率存在差異，從而引起穿過(guò)材料的磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變。經(jīng)測(cè)試，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1. 00000004，一般可近似為1。

磁法檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)磁導(dǎo)率差異判斷缺陷，弱磁檢測(cè)技術(shù)也不例外，由于鋁合金和多晶硅材料的相對(duì)磁導(dǎo)率均與空氣存在差異，這就為缺陷檢測(cè)提供了前提。

鐵磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率都很大，從十幾到幾千不等，而非鐵磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率一般都較小，若想實(shí)現(xiàn)弱磁技術(shù)在非鐵磁性材料缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，必須能夠檢測(cè)到微小磁導(dǎo)率變化所引起的磁場(chǎng)畸變，因此必須具備測(cè)量精度非常高的傳感器與測(cè)量?jī)x器。

廖駿等2提出一種能夠應(yīng)用于鐵磁性與非鐵磁材料缺陷檢測(cè)的弱磁檢測(cè)技術(shù)。以硅半導(dǎo)體和鋁合金材料的缺陷檢測(cè)為例，介紹在地磁場(chǎng)環(huán)境下針對(duì)多晶硅和鋁合金材料中缺陷的弱磁無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)弱磁檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證弱磁檢測(cè)方法在非鐵磁性材料缺陷中檢測(cè)的可行性。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)