納米材料在磁性方

1、主講人：ppt整理：材料收集：納米材料在磁性方面上的應(yīng)用 磁記錄材料磁記錄材料 巨磁電阻材料巨磁電阻材料 磁性液體材料磁性液體材料 軟磁性材料軟磁性材料納米磁性材料 納米磁性材料的磁單疇尺寸、超順磁磁性臨界尺寸、交換作用長(zhǎng)度等在1-100nm范圍內(nèi)，具有奇異的超順磁性和較高的矯頑力。20nm的純鐵微粒的矯頑力是大塊鐵的1000倍，當(dāng)微粒在50-200nm之間時(shí)，矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度均達(dá)到最大值，且具有單疇特性。因納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性使納米材料具有磁性。當(dāng)磁性體的尺寸與這些特征物理長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)反常的磁學(xué)性質(zhì)。磁記錄材料 磁記錄材料（magnetic recor

2、ding material）是指：利用磁特性和磁效應(yīng)輸入（寫(xiě)入）、記錄、存儲(chǔ)和輸出（讀出）聲音、圖像、數(shù)字等信息的磁性材料。分為磁記錄介質(zhì)材料和磁頭材料。前者主要完成信息的記錄和存儲(chǔ)功能，后者主要完成信息的寫(xiě)入和讀出功能。磁記錄材料的簡(jiǎn)介 磁性納米粒子由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高，用它制作磁記錄材料，能使記錄密度大大提高，可比普通的磁性材料提高10倍以上；還可以提高聲噪比，改善圖象質(zhì)量。 20世紀(jì)80年代，高密度磁記錄用的磁粉的尺寸就已進(jìn)入到納米尺寸，例如： （1） 性能優(yōu)良的CrO2磁粉尺寸給為200nm35nm， （2） 鐵或其合金磁粉的尺寸給為20nm，并制成高密度的金屬磁帶，

3、 （3） 90年代發(fā)展起來(lái)的摻Co、Ti的鋇鐵氧體（BaFe12O19）典型的顆粒尺寸為六角片形，直徑50nm，厚20nm， （4） 近年來(lái)，又研究氮化鐵、碳化鐵等類(lèi)型的納米磁粉。制造工藝 將磁漿（主要成分是磁粉、粘合劑、各種添加劑和有機(jī)溶劑等）均勻涂布在聚酯或金屬支持體上，制成涂布型不連續(xù)材料，又稱涂布型薄膜材料。這是一類(lèi)產(chǎn)量最大、用途最廣、技術(shù)最成熟的磁記錄材料，如錄音磁帶、錄像磁帶等。 將磁性材料用真空鍍膜技術(shù)直接蒸鍍?cè)谥С煮w上制成的薄膜連續(xù)材料，又稱連續(xù)薄膜材料，如80年代初出現(xiàn)的微型鍍膜磁帶巨磁電阻材料 磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象，人們

4、把這種現(xiàn)象稱為磁電阻，所謂巨磁阻，是指在一定的磁場(chǎng)下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值，約高10余倍。 巨磁電阻材料的用途 在巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤(pán)記錄密度一下子提高了17倍，達(dá)5Gbitin2，最近報(bào)道為11Gbitin2，從而在與光盤(pán)競(jìng)爭(zhēng)中磁盤(pán)重新處于領(lǐng)先地位。 由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化，廉價(jià)化，除讀出磁頭外同樣可應(yīng)用于測(cè)量位移，角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，汽車(chē)測(cè)速，非接觸開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中。 優(yōu)點(diǎn)：與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件

5、等優(yōu)點(diǎn)。 利用巨磁電阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點(diǎn)，可以制成隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM），其優(yōu)點(diǎn)是在無(wú)電源的情況下可繼續(xù)保留信息。 利用自旋極化效應(yīng)的自旋晶體管設(shè)想亦被提出來(lái)了。鑒于巨磁電阻效應(yīng)重要的基礎(chǔ)研究意義和重大的應(yīng)用前景，對(duì)巨磁電阻效應(yīng)作出重大開(kāi)拓工作的弗特教授等人曾獲二次世界級(jí)大獎(jiǎng)。 巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個(gè)重要方面是微弱磁場(chǎng)探測(cè)器。隨著納米電子學(xué)的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化，要求測(cè)量系統(tǒng)也要微型化。 21世紀(jì)超導(dǎo)量子相干器件(SQUIDS)和超微霍耳探測(cè)器和超微磁場(chǎng)探測(cè)器將成為納米電子學(xué)中主要角色。其中以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)超微磁場(chǎng)傳感器要求能探測(cè)

6、10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在過(guò)去是沒(méi)有辦法測(cè)量的，特別是在超微系統(tǒng)測(cè)量如此弱的磁通密度時(shí)十分困難的，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件經(jīng)過(guò)定標(biāo)可能完成上述目標(biāo)。 瑞士蘇黎土高工在實(shí)驗(yàn)室研制成功了納米尺寸的巨磁電阻絲，他們?cè)诰哂屑{米孔洞的聚碳酸脂的襯底上通過(guò)交替蒸發(fā)Cu和Co并用電子束進(jìn)行轟擊，在同心聚碳酸脂多層薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充形成幾微米長(zhǎng)的納米絲，其巨磁電阻值達(dá)到15，這樣的巨磁電阻陣列體系飽和磁場(chǎng)很低，可以用來(lái)探測(cè)1011T的磁通密度。由上述可見(jiàn)，巨磁阻較有廣闊的應(yīng)用情景。 巨磁電阻材料發(fā)展?fàn)顩r 巨磁電阻效應(yīng)是近十年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。 1986年德國(guó)的Grunberg

7、教授首先在Fe/Cr/Fe多層膜中觀察到反鐵磁層間耦合。 1988年法國(guó)巴黎大學(xué)的肯物教授研究組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，這在國(guó)際上引起了很大的反響。 90年代，人們?cè)贔e/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng)。 由于巨磁阻多層膜 在高密度讀出磁頭、磁存貯元件上有廣泛的應(yīng)用前景，美國(guó)、日本和西歐都對(duì)發(fā)展巨磁電阻材料及其在高技術(shù)上的應(yīng)用投入很大的力量。 1992年美國(guó)率先報(bào)道了Co-Ag、Co-Cu顆粒膜中存在巨磁電阻效應(yīng)，這種顆粒膜是采用雙靶共濺射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基體上鑲嵌納米級(jí)的鐵

8、磁Co顆粒。這種人工復(fù)合體系具有各向同性的特點(diǎn)，顆粒膜中的巨磁電阻效應(yīng)上前以Co-Ag體系為最高，在液氮溫度下可達(dá)55%，室溫可達(dá)20%，而目前實(shí)用的磁性合金僅為2%3%，但顆粒膜的飽和磁場(chǎng) 較高，降低顆粒膜磁電阻飽和磁場(chǎng)是顆粒膜研究的主要目標(biāo)。顆粒膜制備工藝比較簡(jiǎn)單，成本比較低，一旦在降低飽和磁場(chǎng)上有所突破將存在著很大的潛力。 最近在FeNiAg顆粒膜中發(fā)現(xiàn)最小的磁電阻飽和磁場(chǎng)約為32kA/m，這個(gè)指標(biāo)已與具有實(shí)用化的多層膜比較接近，從而為顆粒膜在低磁場(chǎng)中應(yīng)用展現(xiàn)了一線曙光。 在顆粒膜的研究中發(fā)現(xiàn)了磁電阻與磁場(chǎng)線性度甚佳的配方與熱處理?xiàng)l件，為發(fā)展新型的磁敏感元件提供了實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。磁性流體材料

9、 1. 磁性液體的定義 磁性液體是由納米磁性微粒包復(fù)一層長(zhǎng)鏈的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。其中磁性微粒尺寸通常小于10nm，呈超順磁性。磁性液體的名稱的起源 1963年，美國(guó)國(guó)家航空與航天局的帕彭首先采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細(xì)的Fe3O4微顆粒上(直徑約為l0m)，并高度彌散于煤油(基液)中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒帶動(dòng)著被表面活性劑所包裹著的液體一起運(yùn)動(dòng)，好像整個(gè)液體具有磁性，于是，取名為磁性液體。生成磁性液體的必要條件 生成磁性液體的必要條件是強(qiáng)磁性顆粒要足夠小，在致可以削弱磁偶極矩之間的靜磁作用，能在基液中作無(wú)規(guī)則

10、的熱運(yùn)動(dòng)。 基液 水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。 磁性液體的特點(diǎn) （1）在磁場(chǎng)作用下可以被磁化，可以在磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)它又是液體，具有液體的流動(dòng)性。 （2）在靜磁場(chǎng)作用下，磁性顆粒將沿著外磁場(chǎng)方向形成一定有序排列的團(tuán)鏈簇，從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。 a. 當(dāng)光波、聲波在其中傳播時(shí)(如同在各向異性的晶體中傳播一樣)，會(huì)產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應(yīng)、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。 b. 磁性液體在靜磁場(chǎng)作用下，介電性質(zhì)亦會(huì)呈現(xiàn)各向異性。 這些有別于通常液體的奇異性質(zhì)，為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 磁流體 磁性液體的的用途 磁密封 旋轉(zhuǎn)軸

11、動(dòng)態(tài)磁密封 利用磁性液體可以被磁控的特性，人們利用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場(chǎng)分布，將磁性液體約束在磁場(chǎng)之中而形成磁性液體的“O”形環(huán)，可進(jìn)行真空、加壓、封水、封油等情況下的動(dòng)態(tài)密封，具有無(wú)泄露、無(wú)磨損、自潤(rùn)滑、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 防塵密封 在計(jì)算機(jī)中為防止塵埃進(jìn)入硬盤(pán)中損壞磁頭與磁盤(pán)，在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。 氣流粉碎（分級(jí)）機(jī)等等。 真空密封 在精密儀器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，如X射線衍射儀中的轉(zhuǎn)靶部分的真空密封，大功率激光器件的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，甚至機(jī)械人的活動(dòng)部件亦采用磁性液體密封法。此外，單晶爐提拉部位、真空加熱爐等有關(guān)部件的密封等，磁性液體是較為理想動(dòng)態(tài)密封方式之一。 氣體密

12、封 可用于多種氣體密封的場(chǎng)合（如煤氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸部位） 磁性潤(rùn)滑油 通常潤(rùn)滑劑易損耗、易污染環(huán)境。磁性液體中的磁性顆粒尺寸僅為10nm，因此，不會(huì)損壞軸承，而基液亦可用潤(rùn)滑油，只要采用合適的磁場(chǎng)就可以將磁性潤(rùn)滑油約束在所需的部位。 增進(jìn)揚(yáng)聲器輸出功率 在音圈與磁鐵間隙處滴入磁性液體，由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高56倍，從而使得在相同條件下功率可以增加1倍。 作阻尼器件 磁性液體具有一定的粘滯性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系統(tǒng)中所產(chǎn)生的振蕩模式。 礦物分離 應(yīng)用比重不同進(jìn)行礦物分離。磁性液體被磁化后相當(dāng)于增加磁壓力，以致在磁性液體中的物體將會(huì)浮起，好像磁性液體的視在密度隨著磁場(chǎng)增加而增大。 利用此原

13、理可以設(shè)計(jì)出磁性液體比重計(jì)，磁性液體對(duì)不同比重的物體進(jìn)行比重分離，控制合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以使低于某密度值的物體上浮，高于此密度的物體下沉，原則上可以用于礦物分離。 其他用途 磁性液體還有其他許多用途，如磁制冷材料、儀器儀表中的阻尼器、無(wú)聲快速的磁印刷、磁性液體發(fā)電機(jī)、醫(yī)療中的造影劑等等。 發(fā)展?fàn)顩r 1934年就制成膠體Fe3O4溶液，用于磁疇觀察，20世紀(jì)6070年代已發(fā)展成為一類(lèi)商用產(chǎn)品，用于高速旋轉(zhuǎn)軸密封等方面，美、日等國(guó)均有商品生產(chǎn)，我國(guó)雖已研制成功，但應(yīng)用的領(lǐng)域尚未開(kāi)拓， 近年來(lái)人們對(duì)磁性液體，或它與微米級(jí)微粒組合成的復(fù)合介質(zhì)的磁光、磁聲以及微波特性進(jìn)行了研究，有可能開(kāi)拓出一類(lèi)新型的功能

14、器件。 例如，使高密度的金與低密度的砂石分離，亦可用于城市廢料中金屬與非金屬的分離軟磁性材料軟磁性材料 軟磁性材料的磁滯回線細(xì)長(zhǎng)，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁；在通訊技術(shù)與電力技術(shù)中應(yīng)用廣泛，可用來(lái)制造電感元件，如變壓器、繼電器、電磁鐵電機(jī)的鐵心等軟磁材料的分類(lèi) 金屬軟磁材料 軟磁鐵氧體軟磁材料的用途軟磁材料的用途 軟磁材料廣泛地應(yīng)用于： （1）電力電信（變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)） （2）家用電器 （3）計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域（如存儲(chǔ)器） 軟磁材料的性質(zhì) 軟磁材料一般的技術(shù)要求通常為高磁導(dǎo)率，低矯頑力，寬頻帶，低損耗，此外對(duì)變壓器開(kāi)關(guān)電源磁頭等應(yīng)用尚希望飽和磁化強(qiáng)度。 從磁疇理論出

15、發(fā)，傳統(tǒng)的軟磁材料在配方上有兩點(diǎn)值得注意：一是磁各向異性；二是晶粒粗化。 一般納米軟磁材料采取非晶晶化法，即在非晶的基體上有相當(dāng)大的體積百分?jǐn)?shù)納米微晶存在，這種納米晶軟磁材料已在實(shí)際中得到了應(yīng)用。 1998年日本首先在FeSiB合金中加入Cu，Nb成分，制成的納米微晶磁性材料，其典型成分為Fe73.5Cu1NbSi13.5B9(商品牌號(hào)為Finenet)，它具有鐵基非晶材料的高飽和磁化強(qiáng)度以及Co基非晶材料優(yōu)良的高頻特性，而價(jià)格約為Co基非晶材料的1/41/5，其晶粒尺寸約為10nm。除Fe-Si系列外， Fe-M-B系列納米微晶材料（M為Zr，Ta，Mo，Hf等），F(xiàn)e-M-C系列（M為Zr

16、，Hf，Nb，Ti，V，Ta等）商品牌號(hào)為Nanomax，作為高密度磁頭的輸出比Co-Ta-Hf系非晶膜磁頭約高5dB。20世紀(jì)80年代末期起已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，如日立金屬公司等。我國(guó)亦于90年代投入生產(chǎn)，總體水平處于世界第三位。 納米微晶軟磁材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎?yīng)用的各方面，如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開(kāi)關(guān)、傳感器等，它將成為鐵氧體的有力競(jìng)爭(zhēng)者。制備方法 磁性微粒的制備 磁流體的制備磁性微粒的制備 磁性微粒的制備方法主要有包埋法和單體聚合法等。包埋法 包埋法是將磁流體分散在高分子溶液中，通過(guò)霧化、絮凝、沉積、

17、蒸發(fā)、乳化等復(fù)合技術(shù)，制得磁性微粒該法制備的磁性微粒、磁流體與高分子間通過(guò)范德華力、氫鍵和螯合作用以及功能基間的共價(jià)鍵結(jié)合，得到的微粒粒徑分布寬、粒徑不易控制、殼層中難免混有雜質(zhì)。單體聚合法 單體聚合法是指在磁性微粒和單體存在下，加入引發(fā)劑、穩(wěn)定劑等聚合而成的核殼式磁性微粒單體聚合法得到的載體粒徑較大，固載量小，但作為固定化酶的載體，有利于保持酶的活性，而且磁性也較強(qiáng)磁流體的制備 磁流體的制備方法有物理法和化學(xué)法。物理法。又可分為研磨法、熱分解法、超聲波法、機(jī)械合成法、等離子cVD法等；化學(xué)法又可分為氣相沉積法、水熱合成法、溶膠凝膠法、溶劑蒸發(fā)法、熱分解法、微乳 液法及化學(xué)沉降法等超聲波法 在

18、此體系中，加入了高分子物質(zhì)律穩(wěn)定劑，將易揮發(fā)的金屬有機(jī)物Fe(cO)，在純氧的條件下超聲處理，制得粒徑分布均一的磁流體。研磨法 研磨法一般是在表面活性劑存在下，研磨幾周制得，此法耗能高，制備的微粒粒徑分布不均一。其原理是將粉碎的磁性微粒和表面活性劑添加到載液中，在球磨機(jī)中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間球磨，其中部分微粒穩(wěn)定地分散在載液中，再在高速離心機(jī)中除去直徑大的粒子。生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 納米生物技術(shù)是納米技術(shù)與分子生物學(xué)相結(jié)合發(fā)展出來(lái)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。 磁性納米顆粒是一類(lèi)具有可控尺寸、能夠外部操控并可用于核磁共振成像(MRI)造影的材料。包括蛋白質(zhì)的提純和醫(yī)學(xué)影像等方面。 當(dāng)納米顆粒與靶向試劑耦合,通過(guò)特定的生物作用與生物分子反應(yīng),功能化的納米顆粒即可與靶向生物組織耦合,實(shí)現(xiàn)疾病診斷或者生物分離。在核磁共振成像的正常磁場(chǎng)強(qiáng)度下(通常高于1T) ,這些靶向區(qū)域的超順磁納米顆?？梢赃_(dá)到磁飽和,建立有序的區(qū)域擾動(dòng)偶極場(chǎng),縮短MR I中質(zhì)子弛豫時(shí)間,使得靶向區(qū)域相對(duì)于生物環(huán)境有更暗的對(duì)比度。 此外,在