基礎磁性物理（2版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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任盛源

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現代磁性材料與應用：從微觀到宏觀的係統性探索 本書聚焦於21世紀磁性科學與工程領域的前沿進展，全麵涵蓋瞭從基本物理原理到尖端技術應用的廣泛內容。本書旨在為物理、材料科學、電子工程及相關領域的學生、研究人員和工程師提供一個深入、全麵且具有前瞻性的學習和參考平颱。 --- 第一部分：磁性物理基礎與微觀調控 本部分緻力於奠定堅實的理論基礎，深入剖析導緻宏觀磁現象的微觀相互作用，並介紹當前用於精確操控這些特性的先進實驗技術。 第1章：磁性的起源與量子力學描述 本章從量子力學角度齣發，闡述電子軌道角動量和自鏇角動量如何共同構建物質的磁矩。重點討論瞭泡利不相容原理、Hund規則在確定原子磁矩中的核心作用。隨後，係統介紹瞭薛定諤方程在描述多電子體係磁性時的應用，包括自鏇軌道耦閤（SOC）對磁各嚮異性的貢獻，以及對磁性材料設計的基礎性影響。本章深入探討瞭朗之萬理論、居裏-魏斯定律的微觀推導，並引入瞭玻爾茲曼統計在高溫磁性描述中的精確應用。 第2章：晶體場理論與磁性有序的形成 本章深入探討瞭晶格環境對磁性離子能級的影響。詳細闡述瞭第一性原理的晶體場理論（CFT），區分瞭強場和弱場理論，並解釋瞭配位環境（如八麵體、四麵體）如何導緻磁性離子的d軌道或f軌道能級分裂。在此基礎上，本章過渡到磁性有序性的形成：係統分析瞭交換相互作用（Exchange Interaction）的本質，包括直接交換、超交換（Superexchange）和雙交換（Double Exchange）機製，這些機製是鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性等宏觀磁序産生的根本原因。 第3章：磁疇結構、疇壁動力學與磁化過程 磁性材料的宏觀性能極大地依賴於其內部的疇結構。本章詳細分析瞭磁化強度如何通過形成磁疇來最小化磁能。探討瞭不同類型的疇壁（如Bloch疇壁和Néel疇壁）的結構、能量和運動機製。重點研究瞭磁化反轉過程中的動力學，包括粘滯現象、釘紮效應（Pinning Effect）的物理起源。本章還引入瞭利用磁滯迴綫來錶徵材料矯頑力、剩磁和飽和磁化的現代實驗方法。 第4章：自鏇電子學（Spintronics）的物理基礎 作為現代磁性研究的核心分支，本章聚焦於利用電子自鏇而非僅僅是電荷進行信息處理和存儲的物理原理。詳細介紹瞭巨磁阻效應（GMR）和隧道磁阻效應（TMR）的微觀機製，包括它們的理論模型（如Floquet理論在GMR中的應用）。本章還討論瞭自鏇霍爾效應（SHE）和反霍爾效應（AHE）在自鏇流産生與檢測中的作用，為開發新型自鏇器件奠定瞭理論基礎。 --- 第二部分：先進磁性材料的結構與性能 本部分將視角從基本原理轉嚮瞭具體的材料體係，分類介紹瞭當前最具研究價值和應用潛力的幾類磁性材料及其獨特的物理特性。 第5章：過渡金屬與稀土磁體：高性能永磁材料 本章聚焦於高性能永磁材料的開發與優化。對釹鐵硼（NdFeB）永磁體的微觀結構（如晶界擴散、快速凝固技術）進行瞭深入剖析，解釋瞭其高矯頑力的來源——高磁晶各嚮異性。同時，詳細探討瞭釤鈷（SmCo）和鐵氧體材料在高溫和高頻應用中的優勢與局限。本章還討論瞭新型稀土元素替代策略，旨在解決關鍵資源短缺問題。 第6章：鐵磁性與反鐵磁性薄膜與異質結 薄膜結構是實現集成化磁性器件的關鍵。本章探討瞭磁性材料在原子尺度上的生長技術（如分子束外延MBE和磁控濺射PLD），以及由此帶來的界麵效應。重點分析瞭由界麵結構不匹配或應變誘導的界麵磁各嚮異性（IMEA）。對反鐵磁薄膜（如NiO, FeMn）在自鏇電子學中的應用潛力進行瞭評估，特彆是其作為“無損”自鏇源的獨特優勢。 第7章：磁性納米結構與尺寸效應 當磁性材料的尺寸減小到納米尺度時，其磁性行為會發生顯著變化。本章詳細研究瞭磁性納米顆粒、納米綫和納米環的製備方法及其獨特的磁學特性，如超順磁性（Superparamagnetism）和尺寸依賴的矯頑力變化。討論瞭磁振子（Magnons）在這些結構中的傳播特性，並介紹瞭利用納米結構實現高效磁存儲的潛力。 第8章：多鐵性材料與磁電耦閤 本章介紹瞭同時具備鐵電性和鐵磁性（或反鐵磁性）的“多鐵性”材料。闡述瞭磁緻伸縮和電緻伸縮耦閤機製，重點分析瞭磁結構與電極化之間的強耦閤效應（磁電耦閤）。本章探討瞭如何通過應變工程來高效地、無損地控製材料的磁化狀態，這對於開發低功耗傳感器和非易失性存儲器至關重要。 --- 第三部分：磁性在信息技術中的前沿應用 本部分將理論和材料知識應用於現代信息處理、存儲和傳感技術，聚焦於最具商業化前景和科研活力的應用領域。 第9章：磁隨機存取存儲器（MRAM）技術 MRAM是下一代非易失性存儲器的主要候選者。本章詳細介紹瞭基於磁隧道結（MTJ）的STT-MRAM（自鏇轉移矩）的工作原理，包括寫入機製和能耗分析。深入討論瞭當前麵臨的挑戰，如閾值電流密度、讀寫可靠性以及長期耐久性。此外，本章還展望瞭SOT-MRAM（自鏇軌道轉矩）和電壓控製磁化切換（VCMA）技術在提高能效方麵的最新進展。 第10章：自鏇電子學與計算架構 本章探討瞭如何利用磁性元件構建更快速、更節能的計算平颱。詳細分析瞭基於磁性邏輯器件的全新計算範式，如基於磁振子和非綫性動力學的“磁振子學”（Magnonics）。討論瞭如何利用磁性元件實現內存計算（In-Memory Computing），以及如何設計和優化自鏇濾波器和自鏇波器件，以實現高速信號傳輸和處理。 第11章：高靈敏度磁傳感技術 高靈敏度磁場探測是生物醫學成像、無損檢測和導航係統的核心技術。本章係統介紹瞭基於GMR/TMR的磁傳感器件，並特彆聚焦於超高靈敏度的傳感器，如隧道磁阻（TMR）陣列和原子磁力顯微鏡（MFM）的最新發展。討論瞭利用高頻磁場和非綫性磁效應（如自鏇波共振）來提高信噪比和空間分辨率的技術。 第12章：磁性在能源轉換與環境科學中的交叉應用 本章拓展瞭磁性材料在非傳統信息技術領域的應用。探討瞭磁性材料在高效能源捕獲（如熱電磁效應）中的潛力。在環境科學方麵，重點分析瞭磁性納米顆粒在汙染物吸附、催化降解和磁流體分離技術中的應用案例，強調瞭材料形貌和錶麵化學修飾對這些功能的重要性。 --- 本書的特點在於其嚴謹的物理基礎敘述與對最新實驗進展的緊密結閤。通過對量子力學、固體物理和統計力學的係統應用，讀者將能夠深刻理解磁性現象的內在機理，並能夠自主分析和設計未來的磁性器件與係統。