非鐵磁材料

材料以是否導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度很低、樣品可重複性不高、鐵磁性受製備方法和制樣條件影響大。

基本介紹

• 中文名：非鐵磁材料
• 外文名：nonferromagnetic material
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 特點：不能導磁
• 磁阻效應：洛倫茲力磁阻、弱局域化磁阻

非鐵磁材料簡介

材料以是否導磁可分為鐵磁材料與非鐵磁材料，鐵、鈷、鎳等具有良好導磁性，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，不鏽鋼裡面的奧氏體是不能被磁化的，而其它的不鏽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歷了一系列的發展歷程，最早可以追溯到20世紀60年代對磁性半導體的研究。人們為了能在一種半導體中同時操控電子的電荷和自旋自由度，提出了磁性半導體的構想。最初的研究集中在濃磁性半導體（Concentrated Magnetic Semiconductor）上，所謂濃磁性半導體是指在材料的每個晶胞的相應位置上都含有磁性原子的半導體。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低，比如EuS和EuO的居里溫度只有16.5 K和69.3 K，這嚴重製約了其套用價值。

上世紀70年代末，人們陸續在Mn摻雜的II-VI族半導體中發現了鐵磁性。這一類摻雜半導體中，Mn以二價離子的形式摻入半導體，並替換掉部分半導體中的非磁性陽離子，形成所謂的稀磁半導體（Diluted Magnetic Semiconductor）。在稀磁半導體的研究中，人們意外地發現非磁性元素摻雜甚至不摻雜的半導體、絕緣體材料中也存在著居里溫度高於室溫的鐵磁性。這些發現出乎了人們的意料。長久以來，人們認為稀磁半導體的鐵磁性來源是摻雜磁性原子的3d電子，但非磁性元素摻雜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。

總結非鐵磁材料的鐵磁性特點可以看出，相比於傳統鐵磁材料，這類鐵磁性的飽和磁化強度很低、樣品可重複性不高、鐵磁性受製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果也不盡相同。因此，有人認為這種鐵磁性來源於樣品中微量的鐵磁污染或測試中引入的樣品污染等原因，但更多人通過實驗手段和第一性原理計算證明非鐵磁材料中存在由缺陷或非磁性元素摻雜誘導的本徵鐵磁性。

非鐵磁材料的磁電阻效應

非鐵磁材料本身具有多種磁阻效應，比如洛倫茲力磁阻、弱局域化磁阻等等。另一方面，通過摻雜或缺陷誘導的方式可以使非鐵磁材料出現鐵磁性，在這類材料中人們還觀察到了與鐵磁性相關的磁輸運行為，比如反常霍爾效應、隧穿磁電阻效應等等。

洛倫茲力磁阻

洛倫茲力磁阻廣泛存在於各種金屬、半導體等導電物質中，其來源為載流子在外加磁場下受到洛倫茲力的作用，運動軌跡發生偏轉，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，即隨著磁場的增大，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制。其實質是區別了載流子的彈性散射與非彈性散射機制:認為載流子在經彈性散射後，波函式相位有確定變化；而非彈性散射則使載流子的波函式相位無規變化。此時，當兩個電子沿同一閉合迴路的兩個不同方向運動時，如果構成這一路徑的散射過程都為彈性散射，那么兩個電子的波函式將相干相長，電子回到起點的機率增大，從而降低了載流子的擴散機率，使電阻率升高。而外加磁場的作用是使兩個電子波函式附加不同的相位，從而破壞電子對波函式間的相干性，使額外增加的電阻率減小，引起負磁阻效應。所以，弱局域化磁阻效應本質是一種磁場對量子相干效應的破壞。

弱磁技術在非鐵磁性材料檢測中的套用

材料中缺陷能夠被磁矢量感測器檢測到，其原因就在於缺陷處與被檢測材料之間的相對磁導率存在差異，從而引起穿過材料的磁場產生畸變。經測試，空氣的相對磁導率為1. 00000004，一般可近似為1。

磁法檢測技術是根據磁導率差異判斷缺陷，弱磁檢測技術也不例外，由於鋁合金和多晶矽材料的相對磁導率均與空氣存在差異，這就為缺陷檢測提供了前提。

鐵磁性物質的相對磁導率都很大，從十幾到幾千不等，而非鐵磁性物質的相對磁導率一般都較小，若想實現弱磁技術在非鐵磁性材料缺陷檢測中的套用，必須能夠檢測到微小磁導率變化所引起的磁場畸變，因此必須具備測量精度非常高的感測器與測量儀器。

廖駿等提出一種能夠套用於鐵磁性與非鐵磁材料缺陷檢測的弱磁檢測技術。以矽半導體和鋁合金材料的缺陷檢測為例，介紹在地磁場環境下針對多晶矽和鋁合金材料中缺陷的弱磁無損檢測方法，通過檢測試驗對弱磁檢測結果進行分析，驗證弱磁檢測方法在非鐵磁性材料缺陷中檢測的可行性。