納米尺度的電磁現(xiàn)象nano

1、納米尺度的電磁現(xiàn)象內容提要納米材料納米尺度的電現(xiàn)象納米尺度的磁現(xiàn)象 納米材料納米材料開展歷史納米結構單元納米材料的根本特性 納米材料開展歷史 諾貝爾獎獲得者Feynman在六十年代曾經預言：如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能產生豐富的變化。 1984年德國薩爾蘭大學的Gleiter以及美國阿貢實驗室的Siegel相繼成功地制得了純物質的納米細粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結得到納米微晶塊體，從而使納米材料進入了一個新的階段。 1985年，英國Kroto等采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲

2、苯中形成碳的團簇，質譜分析發(fā)現(xiàn)C60和C70的新的譜線. C60具有高穩(wěn)定性的新奇結構，它是由32面體構成，其中有20個六邊形和12個五邊形所構成 純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導體，適當的摻雜成分可以使C60固體成為超導體。從此，對 C60的研究熱潮應運而來。 1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議，正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。 會上正式提出納米材料學、納米生物學、納米電子學和納米機械學的概念，并決定出版?納米結構材料?、?納米生物學?和?納米技術?的正式學術刊物。 1994年在美國波士頓召開的MRS秋季會議上正式提出納米材料工程 納米

3、材料研究的根底上通過納米合成、納米添加開展新型的納米材料. 現(xiàn)在，人們關注納米尺度顆粒、原子團簇、納米絲、納米棒、納米管、納米電纜和納米組裝體系。 納米組裝體系是以納米顆粒、納米絲或納米管為根本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系，如人造超原子體系、介孔組裝體系、有序陣列等。C納米管和C60球多層C納米管 納米材料開展的三個階段 第一階段1990年以前 主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體包括薄膜，研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對納米顆粒和納米塊體材料結構的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單

4、相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。 第二階段1994年前 人們關注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能，設計納米復合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復合，納米微粒與常規(guī)塊體復合及開展復合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導方向。 第三階段從1994年到現(xiàn)在 納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構的材料體系越來越受到人們的關注，正在成為納米材料研究的新的熱點。納米結構單元 構成納米結構塊體、薄膜、多層膜以及納米結構的根本單元有下述幾種： 團簇 原子團簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學物種，是在20世紀80年代才出現(xiàn)的，原子團簇是指幾個至幾百個原子的聚集體粒

5、徑小于或等于 1nm，如Fen，CunSm，CnHm和碳簇C60, C70和富勒烯等等。 絕大多數原子團簇的結構不清楚，但有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等等洋蔥狀 納米微粒 納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉通常，把僅包含幾個到數百個原子或尺度小于1nm的粒子稱為“簇，它是介于單個原子與固態(tài)之間的原子集合體。納米微粒一般在 1100nm之間，有人稱它為超微粒子。納米微粒是肉眼和一般顯微鏡看不見的微小粒子。 日本名古屋大學上田良二給納米微粒下了一個定義：用電子顯微鏡TIM能看到的微粒稱為納米微粒。 145個原子組成的1.9 nm 的半導體納米顆

6、粒 人造原子 人造原子artificial atoms有時稱為量子點，所謂人造原子是由一定數量的實際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm。 從維數來看，包括準零維的量子點、準一維的量子棒和準二維的量子圓盤，甚至把100nm左右的量子器件也看成人造原子。 人造原子與真正原子的差異： 人造原子含有一定數量的真正原子； 人造原子的形狀和對稱性是多種多樣，真正的原子可以用簡單的球形和立方形來描述，而人造原子不局限于這些簡單的形狀，除了高對稱性的量子點外，尺寸小于100nm的低對稱性復雜形狀的微小體系都可以稱為人造原子； 人造原子電子間強交互作用比實際原子復雜得多； 實際原子中電子受原子核吸引作軌

7、道運動，而人造原子中電子是處于拋物線形的勢阱中。 納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜 早在 1970年法國的奧林大學University of Orleans的 Endo首次用氣相生長技術制成了直徑為7nm的碳纖維，遺憾的是，他沒有對這些碳纖維的結構進行細致地評估和表征。 1991年，美國海軍實驗室一個研究組提交一篇理論性文章，預計了一種碳納米管的電子結構，但當時認為近期內不可能合成碳納米管。 同年同月日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領域的科學家們極大關注。 1996年，美國著名的諾貝爾獎金獲得者斯莫利Smalley等合成了成行排列的單壁碳納米管束，每一束中含有許多碳納米

8、管，這些碳納米管的直徑分布很窄1991年日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領域的科學家們極大關注 Nature (1991) 碳納米管是由多個碳原子六方點陣的同軸圓柱面套構而成的空心小管，其中石墨層可以因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納米，長度為幾至幾十微米。 碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導電性或半導體性。 具有極好的可彎折性具有極好的可扭曲性碳納米管可以制作成兩維數據存儲系統(tǒng) (1015 bytes/cm2 compared to the current state of the 108 bytes/cm2) .。 碳納米管的強度

9、比鋼高100多倍，楊氏模量估計可高達5 TPa， 這是目前可制備出的具有最高比強度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認為是未來的 “超級纖維，是復合材料中極好的加強材料。 納米棒、納米絲和納米線 準一維實心的納米材料是指在兩維方向上為納米尺度，長度比上述兩維方向上的尺度大得多，甚至為宏觀量的新型納米材料 縱橫比長度與直徑的比率小的稱為納米棒，縱橫比大的稱作納米絲至今，關于納米棒與納米絲之間并沒有一個統(tǒng)一的標準，通常把長度小于 1mm的納米絲稱為納米棒，長度大于 1mm的稱為納米絲線半導體和金屬納米線通常稱為量子線人工組裝合成的納米結構的體系納米齒輪T形

10、和Y形結宏觀量子隧道效應小尺寸效應外表效應 納米材料的特性宏觀量子隧道效應電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的根底，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而溢出器件，使器件無法正常工作，經典電路的極限尺寸大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應制成的新

11、一代器件。介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。 例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數還是偶數有關，比熱亦會反常變化，光譜線會產生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現(xiàn)。因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應，原有宏觀規(guī)律已不再成立。小尺寸效應 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。

12、特殊的光學性質 當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑白金變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外又有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。 特殊的熱學性質 固態(tài)物質在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。 例如，金的常規(guī)熔點為1064，當顆粒尺寸減小到10納米尺寸

13、時，那么降低27，2納米尺寸時的熔點僅為327左右；銀的常規(guī)熔點為670，而超微銀顆粒的熔點可低于100。 因此，超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質量。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結溫度從3000降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導體管的基片。 特殊的磁學性質 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能區(qū)分方向，具

14、有回歸的本領。磁性超微顆粒實質上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究說明，在趨磁細菌體內通常含有直徑約為 210-2微米的磁性氧化物顆粒。 小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當顆粒尺寸減小到 210-2微米以下時，其矯頑力可增加1千倍，假設進一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。 特殊的力學性質 陶

15、瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。美國學者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究說明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬一陶瓷等復合納米材料那么可在更大的范圍內改變材料的力學性質，其應用前景十分寬廣。 超微顆粒的小尺寸效應還表現(xiàn)在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。外表效應 球形顆粒

16、的外表積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比外表積外表積體積與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比外表積將會顯著增大，說明外表原子所占的百分數將會顯著地增加。對直徑大于 微米的顆粒外表效應可忽略不計，當尺寸小于 微米時，其外表原子百分數激劇增長，甚至1克超微顆粒外表積的總和可高達100米2，這時的外表效應將不容忽略。 超微顆粒的外表與大塊物體的外表是十分不同的，假設用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒進行電視攝像，實時觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀如立方八面體，十面體，二十面體多晶等，它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照

17、射下，外表原子仿佛進入了“沸騰狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結構的不穩(wěn)定性，這時微顆粒具有穩(wěn)定的結構狀態(tài)。 超微顆粒的外表具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用外表包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保外表穩(wěn)定化。利用外表活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點材料。納米尺度的電現(xiàn)象根本電特性庫侖堵塞量子點納米電子學納米晶體管信息產業(yè)單電子 器件磁電子 器件過濾器截止器諧振器微電容微電極自旋電子器件共振隧穿器件光電子 器件巨磁電阻器件量子點和分子電子器件納米結構器件納米加工 納米技術新工業(yè)革命的

18、主導技術高集成、高空間分辨率，存儲密度：1000GB 計算速度提高1001000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低1001000倍 根本電特性電導介電特性壓電效應電導電導是常規(guī)金屬和合金材料一個重要的性質納米材料的出現(xiàn)，人們對電導電阻的研究又進入了一個新的層次由于納米構中龐大體積百分數的界面使平移周期在一定范圍內遭到嚴重的破壞顆粒尺寸愈小，電子平均自由程愈短，這種材料偏移理想周期場就愈嚴重，這就帶來了一系列的問題：i納米金屬和合金與常規(guī)材料金屬與合金電 導電阻行為是否相同?ii納米材料電導電阻與溫度的關系有什 么差異?iii電子在納米結構體系中的運動和散射有什 么新的特點?

19、納米金屬與合金的電阻Gleiter等對納米金屬Cu，Pd，F(xiàn)e塊體的電阻與溫度關系，電阻溫度系數與顆粒尺寸的關系進行了系統(tǒng)的研究說明：隨顆粒尺寸減小，電阻溫度系數下降，與常規(guī)粗晶根本相似其差異在于納米材料的電阻高于常規(guī)材料，電阻溫度系數強烈依賴于晶粒尺寸當顆粒小于某一臨界尺寸電子平均自由程時，電阻溫度系數可能由正變負。例如，納米銀細粒徑和構成粒子的晶粒直徑分別減小至等于或小于18nm和11nm時， 室溫以下的電阻隨溫度上升呈線性下降，即電阻溫度系數a由正變負。介電特性 介電特性是材料的根本物性, 電介質材料中介電常數和介電耗損是最重要的物理特性. 常規(guī)材料的極化都與結構的有序相聯(lián)系，而納米材料

20、在結構上與常規(guī)粗晶材料存在很大的差異它的介電行為介電常數、介電損耗有自己的特點。主要表現(xiàn)在介電常數和介電損耗與顆粒尺寸有很強的依賴關系。電場頻率對介電行為有極強的影響。 目前，對于不同粒徑的納米非晶氨化硅、納米 aA12O3、納米TiO2銳鈦礦、金紅石和納米 Si塊材的介電行為的研究已獲得了一些結果，歸納起來有以下幾點： 1納米材料的介電常數e或相對介電常數er隨測量頻率減小呈明顯的上升趨勢。2在低頻范圍，介電常數明顯地隨納米材料的顆粒粒徑變化，即粒徑很小時，介電常數e或er 較低，隨粒徑增大， e或er 先增加然后下降。 3納米aA12O3塊體的介電損耗頻率譜上出現(xiàn)一個損耗峰損耗峰的峰位隨粒

21、徑增大移向高頻。7nm27nm84nm258nm壓電效應 某些晶體受到機械作用應力或應變在其兩端出現(xiàn)符號相反束縛電荷的現(xiàn)象稱壓電效應。具有壓電效應的物體稱為壓電體。 早在1894年，Voigt就指出，在 32種點群的晶體中，僅有 20種非中心對稱點群的晶體才可能具有壓電效應，但至今壓電性的微觀理論研究方面還存在許多問題，無法與實驗結果一致， 但壓電效應實質上是由晶體介質極化引起。 我國科技工作在 LICVD納米非晶氨化硅塊體上觀察到強的壓電效應，并指出制備塊狀試樣條件對壓電常數的影響相大。壓強為60MPa的納米非晶氮化硅試樣具有最高的壓電常數。庫侖堵塞 庫侖堵塞效應是20世紀80年代介觀領域所

22、發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一當體系的尺度進入到納米級，體系是電荷“量子化的，即充電和放電過程是不連續(xù)的，充入一個電子所需的能量Ec 為e2/2C，體系越小，C越小，能量越大。這個能量稱為庫侖堵塞能。 換句話說，庫侖堵塞能是前一個電子對后一個電子的庫侖排斥能，這就導致了對一個小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個一個單電子的傳輸通常把小體系這種單電子輸運行為稱庫侖堵塞效應。 當電極電壓低于閾值時,電子傳輸過程不能發(fā)生,當電壓大于該值時,充電過程可以發(fā)生. 庫侖阻塞的震蕩特征, 可應用于開關電路 如果兩個量子點通過一個“結連接起來，一個量子點上的單個電子穿過能壘到到另一個量子點上的行為稱作

23、量子隧穿為了使單電子從一個量子點隧穿到另一個量子點，在一個量子點上所加的電壓必須克服 Ec，即V eC、通常，庫侖堵塞和量子隧穿都是在極低溫度情況下觀察到的，觀察到的條件是 e2/2C kBT。 有人已作了估計，如果量子點的尺寸為1nm左右，我們可以在室溫下觀察到上述效應當量子點尺寸在十幾納米范圍，觀察上述效應必須在液氮溫度下原因很容易理解，體系的尺寸越小，電容 C越小， e2/2C就越大，這就允許我們在較高溫度下進行觀察利用庫侖堵塞和量子隧穿效應可以設計下一代的納米結構器件，如單電子晶體管和量子開關等。Quantum Dots (量子點)Nano-electronics納米電子學納米晶體管

24、研究者使用有機分子和一種化學自組裝流程顯著縮小了晶體管的體積，研制出了直徑僅為1到2納米的晶體管。利用這種技術，未來的計算機芯片還可以大幅縮小，否那么的話由于芯片體積越來越小，上面可以安裝的晶體管數量將極其有限，從而阻礙芯片行業(yè)在未來10到15年的開展。芯片上能夠安裝的晶體管數量越多，芯片傳輸信息的速度就會越快，因此納米晶體管的問世將對芯片產業(yè)起到革命性的意義。這些科學家在研究中使用了名為“硫醇的有機分子，他們表示這種分子在電流的控制和增容方面具有突出的效力。而且，這些分子還可以自行組裝，從而將各個導電器件連為一體。納米碳管晶體管 只需一個電子就可實現(xiàn)開關狀態(tài) 2001年7月6日出版的美國科學

25、周刊報道，荷蘭研究人員制造出的這種晶體管是首個能在室溫下有效工作的單電子納米碳管晶體管。他們使用一個單獨的納米碳管為原材料，利用原子作用力顯微鏡的尖端在碳管里制造帶扣狀的銳利彎曲，這些帶扣的作用如同屏障，它只允許單獨的電子在一定電壓下通過。 用此方法制造的納米碳管單電子晶體管只有1納米寬、20納米長，整體不足人的頭發(fā)絲直徑的500分之一。 對于致力于開發(fā)出更小的電腦芯片的研究員來說，單電子晶體管概念越來越有吸引力。因為這種特殊的單電子晶體管只需要一個電子來實現(xiàn)“開”和“關”狀態(tài)，即計算機中的“0”和“1”，相比之下，普通微電子學中的晶體管使用數百萬個電子來實現(xiàn)開、關狀態(tài)。正因以上優(yōu)點，單電子晶

26、體管將成為未來分子計算機的理想材料。納米尺度的磁現(xiàn)象納米材料的根本磁特性納米多層中的巨磁電阻效應納米磁性材料納米材料的磁特性超順磁性高矯頑力低居里溫度高磁化率 超順磁性 納米微粒的小尺寸效應、量子尺寸效應、外表效應等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的磁特性 超順磁性: 納米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態(tài)，例如 aFe，F(xiàn)e3O4和等粒徑分別為 5nm，16nm時變成順磁體這時磁化率c不再服從居里一外斯定律 c=C(T-Tc) 例如粒徑為85nm的納米Ni微粒， c服從居里一外斯定律，而粒徑小于15nm的Ni微粒，矯頑力Hc0，這說明它們進入了超順磁狀態(tài)。在小尺寸下，當各向異性能減少到與

27、熱運動能可相比較時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結果導致順磁性的出現(xiàn)，不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁性的臨界尺寸是不同的。超順磁狀態(tài)的起源高矯頑力 矯頑力納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時通常呈現(xiàn)高的橋頑力C例如，用惰性氣體蒸發(fā)冷凝方法制備的Fe納米微粒。隨著顆粒變小飽和磁化強度有所下降，但矯頑力卻顯著地增加，在.5K時達1.27105A/m。室溫下，F(xiàn)e的矯頑力仍保持104A/m, 而常規(guī)的Fe塊的矯頑力為80A/m。高矯頑力的起源有兩種解釋：一致轉動模式和球鏈反轉磁化模式一致轉動磁化模式根本內容是：當粒子尺寸小到某一尺寸時，每個粒子就是一個單磁疇，例如對于

28、Fe和Fe3O4單磁疇的臨界尺寸分別為 12nm和 40nm。每個單磁疇的納米微粒實際上成為一個永久磁鐵，要使這個磁鐵去掉磁性，必須使每個粒子整體的磁矩反轉，這需要很大的反向磁場，即具有較高的矯頑力許多實驗說明，納米微粒的Hc測量值與一致轉動的理論值不相符合也有人認為，納米顆粒的高矯頑力來源應用球鏈球鏈反轉磁化模式來解釋，即由于靜磁作用球形納米Ni微粒形成鏈狀，計算結果與實驗值可比較，略大于實驗值，修正后，可定性解析高嬌頑力。低居里溫度居里溫度是物質磁性的重要參數，通常與交換積分Jc成正比，并與原子構型和間距有關。對于薄膜，理論與實驗研究說明，隨著鐵磁薄膜厚度的減小，居里溫度下降。對于納米微粒

29、，由于小尺寸效應和外表效應而導致納米粒子的本征和 內稟的磁性變化，因此具有較低的居里溫度。例如 85nm粒徑的 Ni 微粒，由于磁化率在居里溫度呈現(xiàn)明顯的峰值，因此通過測量低磁場下磁化率與溫度關系可得到居里溫度略低于常規(guī)塊體Ni的居里溫度。超順磁性顆粒的居里溫度，隨粒徑的下降有所下降。高磁化率納米微粒的磁性與它所含的總電子數的奇偶性密切相關，每個微粒的電子可以看成一個體系，電子數的宇稱可為奇或偶。一價金屬的微粉，一半粒子的宇稱為奇，另一半為偶，兩價金屬的粒子的宇稱為偶，電子數為奇或偶數的粒子磁性有不同溫度特點。電子數為奇數的粒子集合體的磁化率服從居里一外斯定律，c=C/(T-Tc), 量子尺寸

30、效應使磁化率遵從-3規(guī)律;電子數為偶數的系統(tǒng), ckBT, 并遵從規(guī)律。納米磁性金屬的工值是常規(guī)金屬的20倍。 納米多層中的巨磁電阻效應 1986年德國科學家Grunberg小組有一重要的發(fā)現(xiàn)，就是在Fe/Cr/Fe三層膜中觀察到兩個鐵層之間通過鉻層產生耦合。 1988年法國科學家Fert小組在Fe/Cr周期性多層膜中，觀察 到當施加外磁場時，其電阻下降，變化率高達50。因此稱之為巨磁電阻效應(giant magnetoresistance, GMR)。 1995年，人們以絕緣層Al2O3代替導體Cr，觀察到很大的隧道磁電阻(TMR)現(xiàn)象。 基于GMR和TMR的發(fā)現(xiàn)，一個新的學科分支磁電子學的

31、概念被提出了。 從那時起，科技人員一直堅持不懈地努力，將上述創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)轉化為信息技術(IT)產業(yè)化。 1999年以GMR多層膜為磁頭的硬盤驅動器(HDD) 進入市場，其存儲密度到達11Gbits/in2，而1990年僅為2，10年中提高了100倍。 目前GMR的研究開發(fā)工作正方興未艾，而將上述隧道磁電阻(TMR)多層膜應用于新型隨機存儲器 (MRAM)的研究又已經展開。在Fe/Cr/Fe系統(tǒng)中，相鄰鐵層間存在著耦合，它隨鉻層厚度的增加而呈正負交替的振蕩衰 減形式。使得相鄰鐵層磁矩從彼此反平行取向到平行取向交替變化。外磁場也可使多層膜中鐵 磁層的反平行磁化狀態(tài)發(fā)生變化。當通以電流時，這種磁化狀態(tài)

32、的變化就以電阻變化的形式反 映出來。這就是GMR現(xiàn)象的物理機制。 以Cr中電子為中介的鐵層間的耦合，隨著Cr層厚度增加而振蕩衰減。其平均作用范圍為13nm，這是對Cr層厚度的一個限制。在金屬中，特別是在磁性金屬中，電子平均自由程(1020nm)和自旋擴散長度(3060nm)很短。這是對多層膜各個亞層厚度的又一限制。 基于上述原因，可以說GMR和TMR現(xiàn)象的研究完全取決于納米材料科學的進步。任何創(chuàng)新或 轉化都以此為根底。但是，納米尺度是如此之微小，這給多層膜的制備和微結構表征帶來了挑 戰(zhàn)。 1999年10月，國際核心學術刊物Journal of Magnetic Material an Magnetism出滿了 200卷。時值世紀之交，本卷就成了紀念?？诿麨椤?000年之后的磁學。美國知名學者Schuller發(fā)表一篇總結性評述，列出現(xiàn)存的20多種GMR金屬多層膜(即具有GMR和振蕩的交換耦合)。 納米磁性材料 磁性是物質的根本屬性，磁性材料是古老而用途十分廣泛的功能材料，納米磁性材料是20世紀70年代后逐步產生、開展、壯大而成為最富有生命力與寬廣應用前景的新型磁性材料。美國政府今年大幅度追加納米科技研究經費，