低温高场下顺磁性物质的磁和磁光特性及掺杂影响MnZn功率铁氧体磁性能的研究

论文摘要

本论文工作分两部分。第一部分为强磁场下顺磁性物质的磁和磁光特性研究，第二部分是关于掺杂影响MnZn功率铁氧体材料磁性能的研究。近年来，实验研究发现某些顺磁性材料在低温、强磁场下呈现异常的磁和磁光特性。例如，其法拉第旋转角θ与外磁场强度之间存在非线性和互易性关系，而随着的增强，某些顺磁性介质的低温磁化强度eHeHM呈现异常的饱和现象。目前尚无相应的理论能够较好地解释上述实验现象。本文首先简要介绍了磁学和磁光学的基本概念及其相关理论的发展历程，以及物质的自旋玻璃态特性和理论。随后，本文理论研究和分析了顺磁性介质法拉第磁光效应的非线性和互易性，首先从法拉第效应的宏观理论出发，然后过渡到顺磁性介质法拉第效应的量子理论，推导出了顺磁性介质法拉第旋转角θ与之间关系。理论研究表明，顺磁性介质的法拉第旋转角eHθ与外磁场之间存在复杂的非线性关系。在高温和中、低磁场下，eHθ主要受的一次项影响，两者近似呈线性关系，但在低温和高场下必须考虑高次项的影响，因此eHeHθ表现出明显的非线性特性，且其互易性也不能忽略。本文同时还分析了顺磁性介质费尔德常数与磁化率比值Vp/χ的复杂温度特性。利用上述理论结果，本文拟合分析了顺磁性钕镓石榴石（Nd3Ga5O12）材料在轨道-自旋耦合作用、晶场交换作用、间接交换作用和外磁场共同作用下高场法拉第效应的实验数据。研究发现高场下其法拉第旋转角θ与外磁场之间存在明显的非线性关系，且的高次项系数强烈依赖温度eHeHT和入射光频率ω,而其费尔德常数V （θ/（ H eL））也是的函数。理论分析同时表明,高场情况下顺磁性钕镓石榴石法拉第效应的互易性不可忽略。理论分析结果和实验数据吻合得很好。最后,本文中利用朗之万顺磁性经典理论,结合顺磁性物质中（间接）交换作用有效场的概念,研究了低温、高场下NdF3单晶的异常磁特性。发现并证明了NdF3单晶在低温下具有明显的自旋玻璃态特性,而在光辐照条件下,被冻结的自旋磁矩将会“融化”。与强磁性介质的自旋玻璃态特性相似,当顺磁性介质的自旋玻璃态特性与（间接）交换作用密切相关。与此同时,其磁特性与前者相比又存在明显的不同,例如,其自旋冻结程度与外磁场H e的大小有关,在低场区可逆磁化率χM随温度下降反而增大等;本文最后详细分析了导致这些特性的内在因素。本文第二部分是关于掺杂影响MnZn功率铁氧体材料磁性能的研究。由于高性能铁氧体对于烧结炉的温度和气氛控制精度有很高的要求,而目前国内铁氧体烧结设备的性能相对国外仍有一定的差距,因此立足现有设备,通过新的掺杂提高MnZn铁氧体的性能具有重要意义。本文首先研究了作为主配方原料之一的Mn3O4用作掺杂对于MnZn功率铁氧体材料性能的影响。研究发现,相对于将全部Mn3O4作为主配方原料使用的传统方法,将适量Mn3O4作为添加剂,在二次球磨时进行掺杂能够有效提高MnZn功率铁氧体材料的初始磁导率和饱和磁感应强度,同时降低功率损耗。实验结果表明,应用Mn3O4添加剂对进一步改善现有MnZn铁氧体材料的性能具有重要的潜在价值。除了探索Mn3O4作为新掺杂的可能性之外,本文对之前报道过的MoO3和TiO2掺杂从不同角度进行了研究,得到了一些新的结论。研究表明,以往主要作为助熔剂,用于提高铁氧体初始磁导率的MoO3在特定的含量下对材料功耗也有显著的改善,而少量的TiO2掺杂不仅并不影响铁氧体的初始磁导率等磁特性,还可进一步降低铁氧体功耗,并改善材料初始磁导率的温度稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一部分 低温高场下顺磁性物质的磁和磁光特性
• 第一章 绪论
• 1.1 物质磁性及磁性理论的发展
• 1.1.1 物质磁性及其分类
• 1.1.2 物质磁性理论的发展
• 1.2 磁光效应，磁光材料及磁光理论的发展历史
• 1.2.1 物质磁光效应及其分类
• 1.2.2 磁光材料的研究和发展
• 1.2.3 磁光效应理论的研究和发展
• 1.3 自旋玻璃态及其研究概况
• 1.3.1 自旋玻璃态概况
• 1.3.2 自旋玻璃态的微观来源
• 1.3.3 自旋玻璃态与顺磁态和铁磁态的异同
• 1.3.4 自旋玻璃态材料
• 本部分论文结构概述
• 参考文献
• 第二章 强磁场下顺磁性物质法拉第磁光效应的非线性和互易性理论
• 2.1 法拉第效应的宏观理论
• 2.2 顺磁性物质法拉第效应的量子理论
• 2.3 强磁场下顺磁性物质法拉第效应的非线性和互易性
• 2.3.1 强磁场下顺磁性物质的法拉第旋转θ
• 2.3.2 影响顺磁性介质法拉第效应非线性和互易性的因素
• 2.3.3 顺磁性物质V/χ的温度特性
• 小结
• 参考文献
• 第三章 低温高场下顺磁性钕镓石榴石晶体法拉第效应的非线性和互易性
• 3.1 顺磁性石榴石材料概述
• 3.1.1 石榴石的晶体结构
• 3Ga₅O₁₂晶体中的元素取代'>3.1.2 Nd₃Ga₅O₁₂晶体中的元素取代
• 3Ga₅O₁₂晶体的磁性'>3.1.3 Nd₃Ga₅O₁₂晶体的磁性
• 3Ga₅O₁₂法拉第效应的非线性和互易性'>3.2 低温高场下顺磁性Nd₃Ga₅O₁₂法拉第效应的非线性和互易性
• 小结
• 参考文献
• 3单晶的自旋玻璃态特性及其光控特性'>第四章 NdF₃单晶的自旋玻璃态特性及其光控特性
• 3单晶的晶体结构和基本磁特性'>4.1 NdF₃单晶的晶体结构和基本磁特性
• 3单晶磁化强度的理论计算'>4.2 NdF₃单晶磁化强度的理论计算
• 4.2.1 朗之万顺磁理论
• 4.2.2 顺磁介质中的交换作用有效场
• 3单晶磁化强度的理论计算'>4.2.3 NdF₃单晶磁化强度的理论计算
• 3单晶的自旋玻璃态特性'>4.3 NdF₃单晶的自旋玻璃态特性
• 3单晶低温磁化强度的温度特性'>4.3.1 NdF₃单晶低温磁化强度的温度特性
• 3单晶的磁化率温度特性'>4.3.2 NdF₃单晶的磁化率温度特性
• 3单晶的低温法拉第磁光效应'>4.3.3 NdF₃单晶的低温法拉第磁光效应
• 4.3.4 两类介质自旋玻璃态特性的异同
• 小结
• 参考文献
• 第二部分 掺杂影响 MnZn 功率铁氧体磁性能的研究
• 第一章 绪论
• 1.1 铁氧体材料概述
• 1.1.1 铁氧体材料的主要成分
• 1.1.2 铁氧体材料的晶体结构
• 1.1.3 铁氧体材料的磁电特性
• 1.2 软磁铁氧体材料研制技术的发展历史
• 1.3 MnZn 功率铁氧体材料的应用现状
• 1.4 MnZn 功率铁氧体材料研制技术的发展趋势
• 本部分研究工作概述
• 参考文献
• 第二章 MnZn 铁氧体材料的性能指标及测量方法
• 2.1 MnZn 铁氧体的初始磁导率
• 2.1.1 初始磁导率的定义
• 2.1.2 提高初始磁导率的方法
• 2.2 MnZn 铁氧体的功耗
• 2.2.1 铁氧体功耗的分类
• 2.2.2 降低磁芯损耗的方法
• 2.3 MnZn 铁氧体初始磁导率和功耗的测量
• 小结
• 参考文献
• 第三章 掺杂影响MnZn功率铁氧体磁性能的研究
• 3.1 掺杂物质的选取
• 3.2 MnZn 功率铁氧体样品的制备工艺
• 3.2.1 一次球磨
• 3.2.2 预烧
• 3.2.3 掺杂
• 3.2.4 二次球磨
• 3.2.5 造粒和压制成型
• 3.2.6 烧结
• 3O₄掺杂对MnZn功率铁氧体磁性能的影响'>3.3 Mn₃O₄掺杂对MnZn功率铁氧体磁性能的影响
• 3O₄掺杂对MnZn功率铁氧体初始磁导率的影响'>3.3.1 Mn₃O₄掺杂对MnZn功率铁氧体初始磁导率的影响
• 3O₄掺杂对功率铁氧体功耗的影响'>3.3.2 Mn₃O₄掺杂对功率铁氧体功耗的影响
• 3O₄掺杂对MnZn功率铁氧体直流磁性能的影响'>3.3.3 Mn₃O₄掺杂对MnZn功率铁氧体直流磁性能的影响
• 3O₄掺杂影响MnZn功率铁氧体磁性能的机制'>3.4 Mn₃O₄掺杂影响MnZn功率铁氧体磁性能的机制
• 3O₄掺杂对MnZn功率铁氧体微结构的影响'>3.4.1 Mn₃O₄掺杂对MnZn功率铁氧体微结构的影响
• 3O₄掺杂对MnZn功率铁氧体初始磁导率的影响机制'>3.4.2 Mn₃O₄掺杂对MnZn功率铁氧体初始磁导率的影响机制
• 3O₄掺杂对MnZn功率铁氧体功耗的影响机制'>3.4.3 Mn₃O₄掺杂对MnZn功率铁氧体功耗的影响机制
• 3掺杂对功率铁氧体磁性能的影响'>3.5 MoO₃掺杂对功率铁氧体磁性能的影响
• 3掺杂对功率铁氧体初始磁导率的影响'>3.5.1 MoO₃掺杂对功率铁氧体初始磁导率的影响
• 3掺杂对功率铁氧体功耗特性的影响'>3.5.2 MoO₃掺杂对功率铁氧体功耗特性的影响
• 2掺杂对功率铁氧体磁性能的影响'>3.6 TiO₂掺杂对功率铁氧体磁性能的影响
• 2掺杂对功率铁氧体功耗的影响'>3.6.1 TiO₂掺杂对功率铁氧体功耗的影响
• 2掺杂对功率铁氧体初始磁导率的影响'>3.6.2 TiO₂掺杂对功率铁氧体初始磁导率的影响
• 3和TiO₂掺杂影响功率铁氧体磁性能的机制'>3.7 MoO₃和TiO₂掺杂影响功率铁氧体磁性能的机制
• 3掺杂影响功率铁氧体磁性能的机制'>3.7.1 MoO₃掺杂影响功率铁氧体磁性能的机制
• 2掺杂影响功率铁氧体磁性能的机制'>3.7.2 TiO₂掺杂影响功率铁氧体磁性能的机制
• 小结
• 参考文献
• 论文总结
• 博士期间工作成果
• 致谢