材料化學(xué)chapter3-磁性材料課件

第三章磁性材料3.1磁學(xué)基礎(chǔ)兩磁極作用力大小磁極在磁場H中受到的磁場力幾個重要的磁學(xué)參數(shù)B------磁感應(yīng)強度M------磁化強度H------磁場強度u------磁導(dǎo)率真空條件下：B0=u0H

u0為真空的的磁導(dǎo)率，為4лX10-7T·m/A外場中放入磁介質(zhì)：B=u0（H+M）

u0為真空的的磁導(dǎo)率，為4лX10-7T·m/A電流方向和磁力線方向關(guān)系3.2.2軟磁材料容易磁化和去磁的材料，或者說矯頑力較?。ǖ陀?02A/m），專業(yè)上講導(dǎo)磁率高。（1）硅鋼片：含硅不高于4%的鋼，被用作鐵芯，導(dǎo)磁系數(shù)大，反復(fù)磁化損失小。（2）軟磁鐵氧體：是一種復(fù)合氧化物，鐵氧體本身也存在軟硬之分，軟磁鐵氧體具有立方晶系的結(jié)構(gòu)，主要用于射頻變壓器、磁頭和其他電子學(xué)方面3.2.3磁鐵氧體結(jié)構(gòu)類型：尖晶石型立方晶系結(jié)構(gòu)

AB2O4（MgAl2O4）石榴石型立方晶系結(jié)構(gòu)

X3Y2Z3O12磁鉛石型六方晶系結(jié)構(gòu)

Pb（Fe3+,Mn2+)12O19軟磁軟磁硬磁3.2.2磁鐵氧體硬磁要求：Hc﹥103A/m,Br﹥10-1T種類Br/10-4THc/(102A/m)(BH)max/(104J/m3)III42003700280058004.23.6硬磁鋇鐵氧體的性能實例兩種軟磁鐵氧體的性質(zhì)種類Bs/10-4THc/(102A/m)IIIIII(合金)460049007500﹤0.14﹤0.160.043.2.4硬磁合金-是硬磁材料的主力軍馬氏體：最早的硬磁材料，性能差；添加合金元素如Cr、Co、Ni等能改善磁性能，如Fe-Co-V；AlNiCo[(BH)max達到100kJ/M3],優(yōu)點：磁性穩(wěn)定。不受溫度影響，有較高的Hc，可以在500℃高溫下使用，且能制成體積小、精度高的零部件。缺點：加工性差，只能鑄造或燒結(jié)成型。含有稀土元素的用此材料：BH最高，Br高，矯頑力高。如NdFeB系列磁體。3.3物質(zhì)的磁性和電子行為磁和電的關(guān)系：物質(zhì)的磁性來源于電子在原子中的軌道運動，自旋運動和電子與電子之間的相互作用?？勾判晕镔|(zhì)順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)亞鐵磁性物質(zhì)反磁性物質(zhì)物質(zhì)按磁性分類溫度磁化率抗磁性物質(zhì)在磁場中的表現(xiàn)3.3.1抗磁性﹢﹣H斜率﹤0B3.3.2順磁性在常態(tài)下，沒有磁性的相互作用，不顯出磁性。外加磁場時，原子磁距部分整齊的排列起來，表現(xiàn)出凈磁場，磁化率為正。溫度對物質(zhì)的磁性產(chǎn)生一定的影響。溫度升高，磁距不容易整齊排列，顯出的磁性越弱，這種規(guī)律為“居里定律”順磁性物質(zhì)內(nèi)部，有些原子有凈磁距，即磁距不為0.凈磁距的存在是因為原子軌道上存在未成對電子。溫度順磁性物質(zhì)在磁場中的表現(xiàn)磁化率﹢﹣HB3.3.2鐵磁性鐵磁性物質(zhì)一放入磁場就容易磁化，表現(xiàn)出相當強的磁感應(yīng)強度。與順磁性物質(zhì)比較，磁化率要高1-2個數(shù)量級。常見的Fe、Co、Ni等均屬于鐵磁性物質(zhì)。原子磁距排列整齊，歸結(jié)為:①自發(fā)磁化(磁疇)②有磁性有序的溫度限制(居里溫度)。磁疇疇壁磁疇典型的磁疇結(jié)構(gòu)示意圖3.3.2亞鐵磁性尖晶石立方堆積的鐵氧體：正尖晶石型和反尖晶石型。原子磁距反方向排列，但磁距不能相互抵消，余下的磁距表現(xiàn)為亞鐵磁性。3.4磁性記錄材料（1）幾種重要的氧化物磁性材料-γ-Fe2O3專業(yè)上也稱為合成的磁赤鐵礦，由磁性氧化鐵制備。鐵前驅(qū)體溶液FeO(OH)沉淀脫水針狀還原Fe3O4氧化γ

-Fe2O3α

-Fe2O3針狀3.4磁性記錄材料（1）幾種重要的氧化物磁性材料-摻鈷的氧化鐵Co離子摻雜的γ

-Fe2O3中加入，其矯頑力較高。離子摻雜的方法對顆粒的大小和形狀產(chǎn)生一定的影響。如在進行Co摻雜時，具體可采取兩種方式：一是在沉淀出FeO(OH)之前就吧鈷鹽加入溶液中；二是用氫氧化鈷包圍針狀FeO(OH)，再做下面的處理。3.4磁性記錄材料（1）幾種重要的氧化物磁性材料-CrO2CrO2為針狀磁性材料，可還原CrO3或氧化Cr2O3而制得，對離子形狀的控制方法是在處理過程中溶液中加鐵或銻離子。特點是居里溫度低，使用于視頻錄像或其他短波長記錄場合；且硬度大、但穩(wěn)定性低與Fe2O3；同等條件下，輸出功率高于γ-Fe2O3。3.4磁性記錄材料（2）合金薄膜磁記錄材料薄膜材料的特點：連續(xù)高矯頑力高飽和磁化強度高密度磁記錄介質(zhì)的要求：存儲的膜要薄高矯頑力磁性介質(zhì)的粒子要細各向異性要大晶粒間的交換作用弱Co合金薄膜-高密度磁存儲記錄的主要材料品種Co基合金薄膜材料Co-Cr，Co-Pt合金薄膜磁記錄性能較好；合金中加入Cr能提高材料的耐蝕性和耐磨性；摻雜鉭能使晶粒細化；在Co-Cr-Pt合金中加硼可進一步提高矯頑力，并有利于降低成本；Co基合金薄膜材料性能比較以CoCrPt/Cr或CoCrPtB/Cr品種較優(yōu)制備方法：（1）通過化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)沉積：化學(xué)鍍:通過化學(xué)反應(yīng)在基底上沉積出薄膜電鍍：通過電極上的電化學(xué)沉積在基底上形成薄膜。＋－Co2+Ni2+電極基底電鍍形成薄膜示意圖在制膜過程中，常添加VA(如磷)和VI族(如鉻、鎢等)以控制調(diào)節(jié)膜的矯玩性質(zhì)制備方法：（2）蒸鍍：是一類通用的方法經(jīng)歷蒸發(fā)預(yù)熱，降溫回復(fù)真空，升溫加大蒸發(fā)量，組份的合金原子沉積到基地上，必要時在膜的表面鍍一層抗氧化膜。非晶態(tài)稀土-過渡金屬合金采用“雙源蒸鍍”，真空蒸鍍室中采用兩個源金屬的坩堝，蒸發(fā)條件分別控制，還可通過讓基片轉(zhuǎn)動，使合金成分在基片上均勻沉積?？焖僬翦兎ǎ臏囟瓤刂频暮艿?，使金屬原子一沉積就定位。可回火降低應(yīng)力，增強磁性能。制備方法：（3）電子束蒸發(fā)沉積：在真空中采用電子束照射使材料氣化，然后沉積。此方法的特點是可以形成一定組成的合金層?；纂娮邮舭l(fā)沉積制備方法：（4）直流/射頻濺射在真空下，利用惰性氣體產(chǎn)生一個等離子體，讓等離子體轟擊靶材料，把金屬原子擊出，然后沉積在基質(zhì)上。等離子體是由直流或射頻電流產(chǎn)生。金屬離子金屬靶材料基質(zhì)氣態(tài)離子(等離子體)制備方法：（5）外延法氣相高真空分子束外延：在很高的真空條件下，分子束中原子或分子落在清潔的基地上，層層成膜，且可用原位裝置直接對膜進行檢查。分子束外延技術(shù)可制備幾層到幾十層分子厚的超薄膜。液相外延使材料熔融為液態(tài)，在溫度略降至物種達到過飽和條件下，將清潔基片浸入使材料外延生長于基片上，可制備鐵氧體薄膜。3.6特殊磁性材料和他們的應(yīng)用（1）壓磁材料-也叫磁致伸縮材料，它是一種能完成磁能和機械能轉(zhuǎn)換的材料。特點：①室溫下應(yīng)變值大；②能量密度高；③響應(yīng)快（us級）；④輸出力大。用途：液流控制元件控制液體的流動常用閥門、泵等設(shè)備。由于磁致伸縮材料在磁場中能夠伸縮，因此可以做成閥芯來啟閉閥門。用途：微型行走裝置采用物理濺射法在非磁性基片上制得稀土-鐵合金的非晶態(tài)薄膜時發(fā)現(xiàn)其具有軟磁材料性質(zhì)。在常溫下較低的磁場中就能產(chǎn)生相當大的磁致伸縮效應(yīng)，被稱之為超磁致伸縮材料。3.6特殊磁性材料和他們的應(yīng)用（2）距磁材料-由它的磁滯回線得名，看起來幾乎是個距形。Br≈Bs，Br/Bs=0.8,它是磁存儲材料。特點：①Br高，接近飽和磁感應(yīng)強度，磁能積高，這樣可以獲得強的信號和弱的噪音；②矯頑力低，可以降低存儲的功率；③對環(huán)境和溫度穩(wěn)定；有鐵氧體和合金兩類：過渡金屬鐵氧體(Mg,Mn)Fe2O4以及(Li,Mg,Fe)Fe2O4;合金有Fe-Ni磁性薄膜和Fe-Ni-Co-Mn等。3.6特殊磁性材料和他們的應(yīng)用（3）旋磁材料及其在微波中的應(yīng)用-電磁波在其中可以傳播，但偏振面會旋轉(zhuǎn)?？芍瞥晌⒉ㄆ骷糜诶走_、通訊、導(dǎo)航、遙測等電子設(shè)備中。特點：①共振線寬度要窄以降低磁損耗；②飽和磁化強度要適當，以適應(yīng)各波段的需要；③居里溫度高，這樣對溫度穩(wěn)定性好，能在較高的溫度下工作④電阻高，降低渦流損失。尖晶石型(Mg,Mn)Fe2O4，Ni鐵氧體，石榴石型的含稀土的鐵氧體(Y3Fe5O12)。3.6特殊磁性材料和他們的應(yīng)用（4）磁流體發(fā)電-將高溫等離子體噴入磁場，在洛侖茲力的作用下，帶正負電荷的粒子分別反向運動，各自聚集到電極上，將電極外接負載，就能輸出電能。負載等離子體磁極3.6特殊磁性材料和他們的應(yīng)用（5）磁流體潛艇-設(shè)置為一個電場和一個磁場，當水流過電場時，海水被電離，帶電荷的海水經(jīng)過磁場，在強磁場的作用下，受洛侖茲力的作用，加速從艇尾的管子流出，用反作用力推動潛艇前行。缺點：海水在電離時產(chǎn)生氫氣，顯出航跡；磁場強，需要屏蔽。

第四章分子電子學(xué)材料4.1分子電子學(xué)興起半導(dǎo)體電子學(xué)在微處理器方面的局限性？分子電子學(xué)的優(yōu)勢？分子電子學(xué)的特點與目前的微電子線路加工技術(shù)不同，分子電子學(xué)以分子為基礎(chǔ)，制作方法為化學(xué)合成，能實現(xiàn)完全相同的分子合成。分子電子學(xué)是由小到大、又下到上組裝能邏輯電路，采用特殊的方法來構(gòu)筑新型的集成電路乃至芯片，完全不同與半導(dǎo)體電路在硅片上做各種處理的方法。大小的問題。分子小到1-10nm，而現(xiàn)在研究中的電子分子開關(guān)越10-100nm。所以分子芯片比硅制的芯片要緊湊的多，能實現(xiàn)更大規(guī)模的集成。4.2分子電子學(xué)的誕生過程

AirAviram和MarkRatner首先提出關(guān)于單分子可能有電子器件的類似行為。

1998年，合成第一個具有電子器件開關(guān)行為的分子合成出來

1999年，正式在SCIENCE上報道第一個可逆的分子開關(guān)，分子電子學(xué)技術(shù)進入一個時間和發(fā)展的階段。4.3分子開關(guān)手性烯開關(guān)Chiroopticene手性分子結(jié)構(gòu)XHYZYXZH胺類分子結(jié)構(gòu)-NR3左向偶極過渡態(tài)鏡面右向偶極N︰RRRRRRN︰RRR胺類分子結(jié)構(gòu)-NRST左向偶極過渡態(tài)鏡面右向偶極N︰RSTRSTN︰RST簡化后分子的兩種偶極方向和中間過渡態(tài)左向偶極過渡態(tài)鏡面右向偶極分子開關(guān)的兩種狀態(tài)XHYZ10能阱能壘能阱能量左手狀態(tài)右手狀態(tài)分子的勢能曲線示意圖4.4設(shè)計中的手性烯分子開關(guān)單擺運動？手性分子的勢能曲線？or手性分子開關(guān)舉例基于噻噸基團的烯烴衍生物的分子開關(guān)功能分子手性是由于分子中基團的不對稱排列而形成的特定空間構(gòu)象所表現(xiàn)出來的手性層次,即一個分子的鏡像結(jié)構(gòu)不能與該分子本身重合,通常在分子中不具有對稱面、對稱中心等對稱元素。超分子手性則是由于手性分子或非手性分子之間通過分子間非共價相互作用而形成的手性空間結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的比分子手性更高層次的手性現(xiàn)象。

配體的結(jié)構(gòu)和配體與Cu(Ⅱ)形成的配合物在氧化和還原過程中的空間構(gòu)象變化示意圖5-十八烷氧基-2-噻唑偶氮基苯酚(TARC18),進行氣、液界面組裝發(fā)現(xiàn),TARC18分子在水面上可能通過π-π相互作用等分子間作用形成兩種不同的手性超分子組裝體。其他類型的分子開關(guān)類型-以杯芳烴為例杯芳烴是由苯酚單元通過亞甲基在酚羥基的鄰位連接而成的一類環(huán)狀低聚物,被譽為繼冠醚和環(huán)糊精后的第3代超分子化合物，具有大小可調(diào)的空腔和修飾性,從而得到不同功能的超分子有雙蒽基團的杯芳烴-光熱控制杯芳烴-PH控制的分子開關(guān)在中性環(huán)境沒有熒光，在堿性環(huán)境中有微弱的熒光，在酸性環(huán)境中熒光較強。與金屬離子如Cu2+作用后,熒光發(fā)生猝滅。在酸性條件下,H+取代了Cu2+的位置與咪唑上的氮原子形成質(zhì)子化的氮原子,使熒光增強。當H+完全取代Cu2+位置時,熒光最強。第二勢能面第一，它是左右對稱的，中間平面是個對稱鏡面；第二，有一個強偶極，它的方向和左右兩邊的偶極向量互相垂直，也正好落在晶面上；第三，于它相應(yīng)的勢能曲線是中間能阱；第四，它的對稱面即中央晶面，和左、右手式的對稱面是一個面。

分子開關(guān)是建立在分子水平上的一個可逆過程，外界條件的改變，能使分子的結(jié)構(gòu)或構(gòu)型會有一些改變，從而表現(xiàn)出一些特殊的性質(zhì)。分子水平上具有開關(guān)(on/off)意義的分子，能夠在一定的條件下對外界刺激做出反應(yīng)，通過不同的開關(guān)控制方式來產(chǎn)生開和關(guān)的兩個狀態(tài)，從而實現(xiàn)信息存儲、分子識別、離子傳輸?shù)忍厥夤δ堋?.5分子導(dǎo)線-電子和空穴的通道導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電共軛分子分子導(dǎo)電機理共軛分子？2000年，MacD.、Shirakawa和Heegez因1977年發(fā)現(xiàn)摻雜I2的聚乙炔膜是一種分子導(dǎo)電材料獲得諾貝爾獎。這種材料既是共軛分子，又是聚合物。分子導(dǎo)線是指所有由單分子或多分子構(gòu)成的能夠起到傳導(dǎo)作用的體系,其傳導(dǎo)的對象包括電子、光子和離子，1987年諾貝爾化學(xué)獎得主Lehn在其獲獎時稱其為化學(xué)子。分子導(dǎo)電機理HC=C–C=CHHHHHC=C–C=C丁二烯C=C–C=C–C=C–C=CHHHHHHHHHH辛四烯碳鏈C=C–C=C–C=C–C=C碳鏈摻雜能提高其導(dǎo)電性能導(dǎo)電的分子化合物-電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)體它有兩部分帶環(huán)共軛體系組合成的：一部分是供電子體；另一部分是吸電子體。導(dǎo)電配位聚合物導(dǎo)電分子的最高占有軌道是部分充滿的，分子在晶體中的排列有利于分子的前線軌道間的彼此重疊。K2[Pt(CN)4]X0.3·nH2O[(C2H5NH2)4PtCl]2+金屬酞菁類等金屬卟啉等可以通過調(diào)節(jié)環(huán)上和橋基上的基團調(diào)節(jié)此物質(zhì)的電導(dǎo)率摻雜對聚合物的意義及特點在合成聚合物導(dǎo)體方面，摻雜起至關(guān)重要的作用：酞菁(PcH2)電導(dǎo)率為10-16S/cm，銅酞菁配合物導(dǎo)電率10-10S/cm，摻雜的PcCuI可達到500-2000S/cm,導(dǎo)電能力大大提高。缺點是穩(wěn)定性變差，不容易加工。特點：摻雜量大；不同與半導(dǎo)體的取代摻雜；是一種氧化還原摻雜；有脫雜過程。導(dǎo)線分子-分子導(dǎo)線導(dǎo)線分子滿足的條件：①要沿分子鏈輸送空穴或電子；②分子導(dǎo)線要容易氧化或還原③分子導(dǎo)線要有絕緣的外套，不漏電④分子導(dǎo)線易控制在一定的長度；⑤易于合成，穩(wěn)定幸好；⑥能修整，可以根據(jù)不同用途和要求修飾分子，使它滿足要求的性能；⑦以操作，易于“自裝配”，易于“裝”上“電極”導(dǎo)線分子-分子導(dǎo)線-舉例聚聯(lián)乙炔SHSHSHSH對苯二硫酚對聯(lián)苯二硫酚…….4.6LB膜技術(shù)和相關(guān)的組裝技術(shù)什么是LB膜？LangmuirBlodget