納米材料與技術(shù)

第十章納米磁性材料一、 材料的磁性二、 納米微粒的磁學(xué)性能三、 納米固體材料的磁學(xué)性能四、 納米磁性材料一、材料的磁性材料的磁現(xiàn)象天然磁石：主要成分為Fe3O4，屬于一種尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵氧體，其顯著特點(diǎn)是具有吸鐵的能力，稱(chēng)為永磁材料，也稱(chēng)為硬磁或恒磁材料。慈（磁）石的發(fā)現(xiàn)、磁石吸鐵的發(fā)現(xiàn)、磁石指南和最早磁指南器（司南）的發(fā)明、指南針的發(fā)明和應(yīng)用、地球磁偏角的發(fā)現(xiàn)、地球磁傾角的利用、磁在醫(yī)藥上的應(yīng)用、北極光地球磁現(xiàn)象和太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)磁現(xiàn)象的記載等，都是中國(guó)最早發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、應(yīng)用和記載的。1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)：距導(dǎo)線r米處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：H=I/2兀r（A/m）1A/m=4x103Oe（Oersted）-材料在外加磁場(chǎng)H（直流、交變或脈沖磁場(chǎng)）作用下，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的磁通量密度，稱(chēng)其為磁感應(yīng)強(qiáng)度8，單位為T(mén)（Tesla）或韋伯/米2（Wb/m2）。1T=1Wb/m21T=104Gauss―r rB=口H真空中B0=KH隊(duì)磁導(dǎo)率，為材料的本征參數(shù)%：4x10-7亨利/米其他表征磁性材料的參數(shù)：相對(duì)磁導(dǎo)率：陣=日/%磁化率：乂=陣-1磁化強(qiáng)度：M=XH材料磁性的微觀機(jī)理基本概念：磁偶極子：線度小至原子的小磁鐵，可等效為環(huán)繞電路流動(dòng)的電荷，如電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)、電子的自旋、旋轉(zhuǎn)的電子核等。磁偶極矩Pm：真空中每單位外加磁場(chǎng)作用在磁偶極子上的最大力矩。精品文檔

磁矩m：Pm與％的比值，單位為A?m2。材料的宏觀磁性：由組成材料的原子中電子的磁矩引起，產(chǎn)生磁矩的原因有二：i） 電子繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)非常小的磁場(chǎng)，形成一個(gè)沿旋轉(zhuǎn)軸方向的軌道磁矩m。。ii） 每個(gè)電子本身作自旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)沿自旋軸方向的自旋磁矩ms，它比mo大得多。故每個(gè)電子可看成一個(gè)小磁體，具有永久的m和m。Bohr磁子垢=e/2m°每個(gè)電子的ms^堤，mo受不斷變化方向的晶格場(chǎng)作用，不能形成聯(lián)合磁矩。-原子是否具有m，取決于其具體的電子殼層結(jié)構(gòu)。若有未被填滿的電子殼層，其電子的ms未被完全抵消，則原子具有永久m。材料磁性的分類(lèi)材料的磁性取決于材料中原子和電子磁矩對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)，具體可分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性（均為弱磁性）、鐵磁性和亞鐵磁性（均為強(qiáng)磁性）。抗磁性（Diamagnetism）：在外加磁場(chǎng)存在時(shí)，外磁場(chǎng)會(huì)使材料中電子的軌道運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，感應(yīng)出很小的磁矩，其方向與外磁場(chǎng)方向相反，故名抗磁性。常見(jiàn)材料：Bi、Zn、Ag、Mg等金屬，Si、P、S等非金屬，許多有機(jī)高聚物以及惰性氣體。順磁性（Paramagnetism）：有些材料（Al，Pt等）的ms和mo沒(méi)有完全被抵消，每個(gè)原子都有一個(gè)永久m，但在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)原子的m無(wú)序排列，材料表現(xiàn)不出宏觀的磁性；而在有外磁場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)原子m

會(huì)沿外磁場(chǎng)方向擇優(yōu)取向，使材料表現(xiàn)出宏觀的磁性，稱(chēng)其為順磁性。常見(jiàn)材料：稀土金屬，F(xiàn)e族元素的鹽類(lèi)，Mn、Cr、Pt、n2、O2等?？勾判院晚槾判圆牧弦话憧醋魇菬o(wú)磁性的，因?yàn)樗鼈冎挥性谕獯艌?chǎng)存在時(shí)才被磁化，而磁化率又極小。鐵磁性(Ferromagnetism):26Fe、27Co、28Ni、39丫、66Dy等材料在外磁場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，外磁場(chǎng)去除后仍能保持相當(dāng)大的永久磁性，故而得名。具有鐵磁性的材料的磁化率可高達(dá)106,使得磁化強(qiáng)度M(M=%H)遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。反鐵磁性(Antiferromagnetism)：MnO，Cr2O3，CoO，ZnFeO4等材料，其相鄰原子或離子的磁矩作反方向平行排列，總磁矩為零。⑤亞鐵磁性(Ferrimagnetism)：對(duì)于含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，即鐵氧體(Ferrite)，其宏觀磁性類(lèi)似于鐵磁性，但是其磁化率和飽和磁化強(qiáng)度比鐵磁性材料低一些，稱(chēng)為亞鐵磁性。這類(lèi)鐵氧體的電阻率較高，適于制作電導(dǎo)率低的磁性元件。>鐵磁材料具有一個(gè)磁性轉(zhuǎn)變溫度：居里溫度TcT<Tc時(shí)，表現(xiàn)出鐵磁性；T>Tc時(shí)，鐵磁性消失而呈現(xiàn)順磁性。>磁疇(magneticdomain)假說(shuō)：鐵磁材料的自發(fā)磁化是按區(qū)域分布的，各個(gè)自發(fā)磁化區(qū)域稱(chēng)為磁疇。鐵磁材料在一定溫度范圍內(nèi)(0K到Tc)存在與外加磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)磁化，導(dǎo)致自發(fā)磁化的相互作用力為材料內(nèi)部的分子場(chǎng)，原子磁矩在分子場(chǎng)作用下克服熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序效應(yīng)，自發(fā)地平行一致取向一分子場(chǎng)假說(shuō)(Heisenberg證明了分子場(chǎng)是量子交換相互作用的結(jié)果，這種交換作用純屬量子效應(yīng)?？梢?jiàn)鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用)。該假說(shuō)巳被隨后的理論和實(shí)驗(yàn)所證明：每個(gè)磁疇的線度為1-100pm，約含1015個(gè)原子，每一磁疇內(nèi)原子的磁矩沿同一方向排列。由于鐵磁材料在溫度高于tc時(shí)鐵磁性消失，這表明熱運(yùn)動(dòng)能破壞了分子場(chǎng)對(duì)原子磁矩有序取向的作用能，在tc處兩種作用能相等。>鐵磁材料的居里溫度tc正比于交換積分，居里溫度的本質(zhì)是鐵磁材料內(nèi)靜電交換作用強(qiáng)弱在宏觀上的表現(xiàn)，交換作用越強(qiáng)，就需要越大的熱能才能破壞這種作用，宏觀上就表現(xiàn)出越高的居里溫度。>材料具有鐵磁性的條件為:必要條件：材料原子中具有未充滿的電子殼層，即有原子磁矩。充分條件：交換積分大于零。材料的鐵磁理論>一般鐵磁性材料的磁化率乂和磁導(dǎo)率日很大，其磁化強(qiáng)度M(=ZH)和磁感應(yīng)強(qiáng)度B(=曲)與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間不是單值函數(shù)關(guān)系，而顯示磁滯現(xiàn)象(HysteresisLoop)。精品文檔鐵氧體磁性材料含義：鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，它的磁性與鐵磁性有相同點(diǎn)，都具有自發(fā)磁化強(qiáng)度和磁疇；不同之處在于，鐵氧體一般都是多種金屬的氧化物復(fù)合而成，因此鐵氧體磁性來(lái)自兩種不同的磁矩：一種磁矩在一個(gè)方向相互整齊排列，另一種磁矩在相反的方向排列。這兩種磁矩方向相反，大小不等，兩種磁矩之差不等于零，就產(chǎn)生了自發(fā)磁化現(xiàn)象，故鐵氧體磁性又稱(chēng)亞鐵磁性。按結(jié)構(gòu)分類(lèi)鐵氧體材料有尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鈦礦型、鈣鐵礦型和鎢青銅型等6種，前三種最為重要。i） 尖晶石型鐵氧體（面心立方結(jié)構(gòu)）的通式為Me2+Fe23+O42-，其中Me2+為Fe、Ni、Mn、Zn、Ba、Pb、Mg等二價(jià)金屬離子，也可以是幾種離子的混合物，如Mgi-xMnx等，因此其組成和磁性能寬廣。ii） 石榴石型（立方晶系）的通式為R33+Fe53+O122-，式中的R3+為三價(jià)的稀土離子等。iii） 磁鉛石型的通式為Me2+Fe123+O192-，其中的Me2+為Ba2+、Sr2+、Pb2+等二價(jià)金屬離子，此種六角晶系鐵氧體具有高的磁晶各向異性，矯頑力高，適宜制備永磁材料。其片層結(jié)構(gòu)具有很好的吸波性能。按磁滯回線特征分類(lèi)i） 軟磁材料ii） 硬磁材料（永磁材料）iii） 矩磁材料這里的硬和軟并不是指力學(xué)性能上的硬和軟，而是指磁學(xué)性能上的硬和軟。磁性硬是指磁性材料經(jīng)過(guò)外加磁場(chǎng)磁化以后能長(zhǎng)期保留其強(qiáng)磁性，其特征是具有4種主要磁特性：（1）高的矯頑力（矯頑磁場(chǎng)）Hc。矯頑力是磁性材料經(jīng)過(guò)磁化以后再經(jīng)過(guò)退磁使其剩余磁性（剩余磁通密度或剩余磁化強(qiáng)度）降低到零的磁場(chǎng)強(qiáng)度，它是永磁材料抵抗磁的和非磁的干擾而保持其永磁性的量度；（2）高的最大磁能積（BH）m。最大磁能積是永磁材料單位體積存儲(chǔ)和可利用的最大磁能量密度的量度；（3）高的剩余磁通密度Br和高的剩余磁化強(qiáng)度Mr。它們是具有空氣隙的永磁材料在氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的量度；（4）高的穩(wěn)定性，即對(duì)外加干擾磁場(chǎng)和溫度、震動(dòng)等環(huán)境因素變化的高穩(wěn)定性。軟磁材料：矯頑力Hc小，磁導(dǎo)率高，磁損耗低，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，電阻率高。主要用于電感線圈、變壓器的磁芯、錄音磁頭、磁放大器等。硬磁材料（永磁材料）：剩磁Br大，矯頑力Hc大，最大磁能積（BH）max大等。最重要的鐵氧體硬磁材料為鋇恒磁BaFe12O19,它比金屬硬磁材料的優(yōu)點(diǎn)是電阻大、渦流損失小、成本低，主要用于揚(yáng)聲器、拾音器、助聽(tīng)器、示波器等。矩磁材料：其磁滯回線近似為矩形，矯頑力Hc小，磁損耗小等，可用作記憶元件、開(kāi)關(guān)元件或邏輯元件（利用其兩個(gè)剩磁態(tài)+Br和-Br表示計(jì)算機(jī)中的“1”和“0”狀態(tài)）。精品文檔鐵氧體永磁材料是以Fe2O3為主要組元的復(fù)合氧化物強(qiáng)磁材料，其特點(diǎn)是電阻率高，特別有利于在高頻和微波中應(yīng)用。如鋇鐵氧體（BaFe12O19）和鍶鐵氧體（SrFe12O19）等，以Fe2O3及SrO或BaO為原料，通過(guò)陶瓷工藝方法制造而成，外形有圓形、圓柱形、方形、瓦形等。稀土永磁材料永磁材料是在一指定空間可產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)的材料。永磁體既可以單獨(dú)使用，也可以與其他鐵磁性或非鐵磁性材料組成磁路，進(jìn)而成為磁器件。永磁材料性能的提高，可使器件尺寸變小。稀土永磁材料是當(dāng)前最大磁能積最高的一大類(lèi)永磁材料--是以釤、釹等稀土族元素和鉆、鐵等鐵族元素為主要成分組成的合金，用粉末冶金方法壓型燒結(jié)，經(jīng)磁場(chǎng)充磁后制得的一種磁性材料。1983年，釹一鐵一硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料問(wèn)世，是永磁材料領(lǐng)域中的一個(gè)巨大進(jìn)步，其高性能可能帶來(lái)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的磁器件高效化、小型化和輕型化。1967年，SmCo5——第一代稀土永磁材料1972年，Sm2Co17——第二代稀土永磁材料1983年，高性能、低成本的第三代稀土永磁材料Nd2Fe14B3問(wèn)世，奠定了稀土永磁材料在永磁材料領(lǐng)域的霸主地位。1993年，日本稀土永磁材料產(chǎn)值首次超過(guò)永磁鐵氧體。2000年，全球燒結(jié)NdFeB的產(chǎn)值達(dá)30億美圓，超過(guò)永磁鐵氧體。永磁體最基本的作用是在某一特定的空間中產(chǎn)生一恒定的磁場(chǎng)，維持此磁場(chǎng)并不需要任何外部電源。標(biāo)志永磁材料好壞的參數(shù)有許多，最重要的是最大磁能積（BH）max，磁能積越大，材料每單位體積所產(chǎn)生外磁場(chǎng)的能量就越大。目前商品NdFeB永磁材料的最大磁能積（BH）max達(dá)440kJ/m3，比碳鋼的2kJ/m3提高幾百倍，是永磁鐵氧體的12倍，比昂貴的鉑鉆合金的磁性能還高一倍。由于稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力等優(yōu)異的特性，從而在特定空間中產(chǎn)生同樣磁通量所需的磁體體積明顯減小，巳給永磁應(yīng)用帶來(lái)革命性的變化。第三代稀土永磁釹鐵硼（NdFeB）是當(dāng)代磁體中性能最強(qiáng)的永磁體，它不僅具有高剩磁、高矯頑力、高磁能積、高性能價(jià)格比等特性，而且容易加工成各種尺寸?，F(xiàn)巳廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、電聲、機(jī)電、儀器、儀表、醫(yī)療技術(shù)及其它需用永磁場(chǎng)的裝置的設(shè)備中，特別適用于研制高性能、小型化、輕型化的各種換代產(chǎn)品，在各國(guó)的極大重視下發(fā)展極為迅速。二、納米微粒的磁學(xué)性能超順磁性鐵磁性的特點(diǎn)在于一個(gè)磁化了的物體會(huì)強(qiáng)烈地吸引另一個(gè)磁化了的物體，即鐵磁性物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)有很強(qiáng)的磁響應(yīng)，在磁場(chǎng)撤去后仍然保留磁性；而順磁性則是當(dāng)把物質(zhì)放到磁場(chǎng)中時(shí)，物質(zhì)在平行于磁場(chǎng)的方向被磁化，而且磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)成正比（極低溫、極強(qiáng)磁場(chǎng)除外），也就是說(shuō)順磁性物質(zhì)只有很弱的磁響應(yīng)，并且當(dāng)撤去磁場(chǎng)后，磁性會(huì)很快消失。超順磁性則兼具前兩者的特點(diǎn)，超順磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中具有較強(qiáng)的磁性（磁響應(yīng)），當(dāng)磁場(chǎng)撤去后其磁性也隨之消失。-納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)進(jìn)入超順磁狀態(tài)，這時(shí)磁化率乂不再服從常規(guī)的居里-外斯定律。例如:a-Fe、Fe3O4和a-Fe2O3粒徑分別為5nm、16nm和20nm時(shí)變成順磁體。Ni粒徑小于15nm時(shí)，矯頑力Hc-0，說(shuō)明進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。不同種類(lèi)的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁的臨界尺寸是不相同的。-超順磁狀態(tài)的原因：由于小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可相比擬時(shí)，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無(wú)規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。矯頑力：納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時(shí)通常呈現(xiàn)高的矯頑力*如用惰性氣體蒸發(fā)冷凝的方法制備的納米Fe微粒，隨著顆粒變小，飽和磁化強(qiáng)度Ms有所下降，但矯頑力卻顯著地增加。大塊的純鐵矯頑力約為80安/米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1000倍；但若進(jìn)一步減小其尺寸到約小于6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。彖高矯頑力的解釋?zhuān)?gt;一致轉(zhuǎn)動(dòng)模式：當(dāng)粒子尺寸小到某一尺寸時(shí)，每個(gè)粒子就是一個(gè)單磁疇，每個(gè)單磁疇納米微粒成為一個(gè)永久磁鐵，要使這個(gè)磁鐵去掉磁性，必須使每個(gè)粒子整體的磁矩反轉(zhuǎn)，這需要很大的反向磁場(chǎng)，即超順磁狀態(tài)的納米微粒具有較高的矯頑力。>球鏈反轉(zhuǎn)磁化模式：球鏈?zhǔn)勾判栽鰪?qiáng)（球面缺陷將削弱磁性）。?利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，巳作成高貯精品文檔存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤(pán)、磁卡以及磁性鑰匙等。而利用超順磁性，人們巳將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。居里溫度：由于小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)而導(dǎo)致納米粒子的本征和內(nèi)稟的磁性變化，因此具有較低的居里溫度?？勺C明隨粒徑的下降，納米Ni微粒的距離溫度有所下降。彖納米微粒內(nèi)原子間距隨粒徑下降而減小，原子間距減小將導(dǎo)致交換積分的減小，從而使反映交換作用強(qiáng)弱的居里溫度隨粒徑減小而降低。磁化率：納米微粒的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)。偶數(shù)電子數(shù)一顆粒具有抗磁性；奇數(shù)電子數(shù)一顆粒具有順磁性。電子數(shù)為奇或偶數(shù)的粒子的磁性隨溫度變化還有不同的變化規(guī)律。三、納米固體材料的磁學(xué)性能材料磁性與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系磁化強(qiáng)度M（=ZH）、磁化率乂（=陣-1）等磁性參量與物質(zhì)的晶粒大小、形狀及缺陷等密切相關(guān)；居里溫度Tc等與物質(zhì)中的相分布（組成、數(shù)量）有關(guān)系。納米固體材料較之常規(guī)多晶、非晶材料，有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。磁結(jié)構(gòu)n（磁化特點(diǎn)）n獨(dú)特的磁性如納米晶Fe：每個(gè)納米Fe粒為一個(gè)單的鐵磁疇，相鄰晶粒的磁化受晶粒的各向異性和磁交互作用的共同影響，由于晶粒的取向很混亂，使材料中磁化交互作用僅限于幾個(gè)晶粒的范圍，沒(méi)有長(zhǎng)程的交互作用。不象常規(guī)Fe晶體中可通過(guò)磁疇壁的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁化。②組成結(jié)構(gòu)n新的磁特性i） 顆粒組元：納米級(jí)顆粒有高的矯頑力Hc和低的Tc；尺寸d小于某臨界值時(shí)出現(xiàn)超順磁性；%與d的關(guān)系取決于顆粒中電子數(shù)的奇偶性，等等。ii） 界面組元：結(jié)構(gòu)與粗晶粒差別很大，其本身的磁性獨(dú)特：磁各向異性能小于晶粒內(nèi)部，Tc比大塊多晶的低，等等。故：納米微晶+龐大界面n納米材料獨(dú)特的磁性納米材料的磁特性飽和磁化強(qiáng)度Ms磁性的轉(zhuǎn)變超順磁性磁相變居里溫度Tc巨磁電阻效應(yīng)飽和磁化強(qiáng)度Ms納米晶Fe也有鐵磁性，但其Ms比常規(guī)Fe材料低。鐵的Ms取決于短程結(jié)構(gòu)，納米晶Fe的界面的短程序與常規(guī)Fe材不同，如原子間距較大等，使其Ms降低。故Ms的下降表明龐大的界面對(duì)材料的磁化不利（疇壁運(yùn)動(dòng)受阻）。磁性的轉(zhuǎn)變i） 抗磁性n順磁性（隨粒徑的下降）金屬Sb（乂<0）n納米晶Sb（乂>0）ii） 順磁性n反鐵磁性（隨溫度的下降）納米晶順磁體n反鐵磁體（X與外場(chǎng)H無(wú)關(guān)，與T成正比）對(duì)納米晶FeF2，界面中原子配位小，原子間距大，導(dǎo)致其晶界的Tn降低，使納米晶FeF2塊體的Tn有個(gè)分布。超順磁性納米結(jié)構(gòu)材料的界面體積分?jǐn)?shù)很大，界面的磁各向異性常數(shù)小于晶粒內(nèi)部，使得磁有序較易實(shí)現(xiàn)，超順磁性易出現(xiàn)。如：a-Fe2O3納米粉體，在室溫下有明顯的超順磁性。磁相變傳統(tǒng)粗晶Er為hcp結(jié)構(gòu)，在100K以下由于電子間的靜電交換作用和晶粒磁各向異性共同作用，產(chǎn)生三類(lèi)不同的磁相變。Ta=85K時(shí)，出現(xiàn)縱向正弦磁結(jié)構(gòu)，Tb=52K時(shí)，成為基面調(diào)制結(jié)構(gòu)，Tc=19K時(shí)，為沿C軸有凈磁矩的螺旋鐵磁結(jié)構(gòu)。（超順磁性）-該磁相變的情況在納米微晶Er材料（晶粒12-70nm，密度50%-75%）中有所改變：i）通過(guò)緩慢蒸發(fā)制備的納米微晶Er，很難找到溫度較高的兩個(gè)相變點(diǎn)，但超順磁性可觀察到。ii）經(jīng)快速蒸發(fā)過(guò)程制備的納米微晶Er材料，3個(gè)相變點(diǎn)仍然存在，但對(duì)應(yīng)的溫度有變化，超順磁性也可觀察到。解釋?zhuān)篴.超順磁性：可用稀土族元素的無(wú)相互作用粒子模型，在溫度Tc以下（熱擾動(dòng)?。┏霈F(xiàn)磁有序，有宏觀凈磁矩。b.較高溫度相變點(diǎn)的移動(dòng)、消失：可能與納米晶粒的有效各向異性和交換相互作用有關(guān)。Er的相變對(duì)磁各向異性與交換相互作用項(xiàng)之間的細(xì)微平衡很敏感，在納米微晶中，由于晶界和微晶粒內(nèi)部局域環(huán)境的精品文檔畸變，將使上述平衡發(fā)生移動(dòng)，從而影響Er的磁相變。納米微晶材料的磁性與晶粒尺度、界面原子分?jǐn)?shù)以及界面原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步闡明。居里溫度Tc納米晶材料具有較低的Tc（磁疇小，靜電交換作用弱）：如：85nm的Ni的Tc比常規(guī)粗晶的低8°C；70nm的Ni的Tc比常規(guī)粗晶的低40C。Tc的降低不單純是由于大量界面引起時(shí)，晶粒組元也會(huì)有所貢獻(xiàn)。巨磁電阻效應(yīng)磁電阻：具有各向異性的磁性金屬材料，在磁場(chǎng)下電阻下降的現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。AR二些勺<0

R（0）ar一般約為百分之幾。磁電阻效應(yīng)具有各向異性：來(lái)自各向異性的散射，如自旋-軌道耦合和低對(duì)稱(chēng)性的勢(shì)散射中心。各向異性磁電阻：坡莫合金（Ni81Fe19）的磁電阻在5K時(shí)為15%，RT時(shí)仍有2.5%。磁電阻效應(yīng)主要用于讀出磁頭、傳感器和磁電阻型隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）。II.巨磁電阻效應(yīng)（GMR）磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象（在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象）。而巨磁電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。巨磁電阻效應(yīng)是近20年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。1986年，德國(guó)的Crunberg教授首光在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AlbertFert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)：AR=-50%，比一般磁電阻效應(yīng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且為負(fù)值，各向同性。這在國(guó)際上引起了很大的反響。20世紀(jì)90年代，人們?cè)贔e/Cu，F(xiàn)e/Al，F(xiàn)e/Ag，F(xiàn)e/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、磁存儲(chǔ)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。-是在納米材料體系（人工納米結(jié)構(gòu)磁性金屬膜）中發(fā)現(xiàn)的！i）人工超晶格、多層膜的GMR孑（100）GaAs基片上用MBE生長(zhǎng)單晶（100）Fe/Cr/Fe三層膜和（Fe/Cr）超晶格薄膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cr層為9A厚時(shí)，在4.2K下當(dāng)所加外場(chǎng)為20kOe（相鄰Fe層磁矩平行排列）及不加外場(chǎng)（相鄰Fe層磁矩反平行排列）時(shí)，前者的電阻只有前者的一半（M=-50%）。（1988年）后有研究表明（Fe/Cr）超晶格在1.5K時(shí)，AR達(dá)-220%。在鐵磁層（Fe、Co、Ni及合金）和非磁層（3d、4d及5d非磁層金屬）的多層膜中，許多具有GMR效應(yīng)。彖解釋?zhuān)捍判越饘俣鄬幽MR效應(yīng)依賴(lài)相鄰鐵磁層的相對(duì)取向，而外磁場(chǎng)的作用不過(guò)是改變相鄰鐵磁層的相對(duì)取向，這說(shuō)明電子的輸運(yùn)與電子的自旋散射相關(guān)。在與自旋有關(guān)的s-d散射中，當(dāng)電子的自旋與鐵磁金屬的自旋向上3d子帶（多數(shù)自旋）平行時(shí)，其平均自由程長(zhǎng)，相應(yīng)的電阻率低；而當(dāng)電子的自旋與自旋向下的3d子帶平行（即與多數(shù)自旋反平行）時(shí)，其平均自由程短，相應(yīng)的電阻率高。因此，當(dāng)相鄰鐵磁層的磁矩反鐵磁耦合時(shí)，在一個(gè)鐵磁層受散射較弱的電子（即其自旋方向平行于多數(shù)子帶電子的自旋方向）進(jìn)入另一鐵磁層后必受較強(qiáng)的散射（其自旋方向僅與少數(shù)子帶電子的自旋方向平行），故對(duì)所有傳導(dǎo)電子而言均受到較強(qiáng)的散射；而當(dāng)相鄰鐵磁層的磁矩在磁場(chǎng)的作用下趨于平行時(shí)，自旋向上的電子在所有鐵磁層中均受到較弱的散射，相當(dāng)于短路狀態(tài)。此即基于Mott模型對(duì)GMR效應(yīng)的簡(jiǎn)單解釋?！镒孕y（SpinValve）結(jié)構(gòu)：在通常的磁性多層膜中存在較強(qiáng)的層間反鐵磁耦合作用，GMR必須在非常高的飽和外磁場(chǎng)（10到20kOe）下才能達(dá)到，所以MR的靈敏度很小。人們就通過(guò)各種人為的方式使不存在（或很?。┙粨Q耦合的相鄰鐵磁層的磁矩在一定磁場(chǎng)下從平行排列變到反平行排列到相反變化，此即自旋閥結(jié)構(gòu)。Spin閥通常分為兩種基本方式：一種是被非磁層分開(kāi)的兩軟磁層之一用反鐵磁層（FeMn，NiO）通過(guò)交換作用釘扎；另一種是具有不同矯頑力Hc的兩鐵磁層（一軟一硬）用非磁層分開(kāi)。在Spin閥中.未被釘扎的軟磁層或低Hc的磁鐵層在較小的磁場(chǎng)的作用下，其磁矩能較自由的反轉(zhuǎn)，因此在較小磁場(chǎng)下能使系統(tǒng)的電阻率變化很大，從而使其MR的靈敏度很高。目前應(yīng)用開(kāi)發(fā)大都采用Spin閥結(jié)構(gòu)。ii）顆粒膜的GMR在人工納米結(jié)構(gòu)磁性金屬膜中，除超晶格和多層膜之外，還有一類(lèi)重要的顆粒膜：將納米微粒鑲嵌在互不固溶的薄膜中所形成的復(fù)合薄膜。其具有微粒和薄膜的雙重特性及其交互作用。孑最近的研究集中在Cu、Ag為基體，與Fe、Co、Ni精品文檔金屬和合金所構(gòu)成的兩大顆粒膜系列。在顆粒膜中，鐵族元素新占的體積百分比約為15-25%，低于形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的逾滲閥值，即保持Fe以微粒形式嵌于薄膜之中。微粒的最佳尺寸為幾個(gè)到幾十個(gè)納米，如此尺寸的鐵磁顆粒在RT下處于超順磁態(tài)，在膜內(nèi)一般呈無(wú)規(guī)分布的。對(duì)顆粒膜的GMR也可用自旋相關(guān)的散射來(lái)解釋?zhuān)⒁越缑嫔⑸錇橹?。理論表明顆粒膜的GMR與磁性顆粒的直徑成反比，即與顆粒的表面積成反比。問(wèn)題：由于鐵磁顆粒RT下處在超順磁態(tài)，獲得GMR效應(yīng)需非常高的飽和外場(chǎng)。-顆粒小，順磁態(tài)；顆粒大，大于電子平均自由程，散射中心減少，使GMR效應(yīng)下降。須獲得最佳的顆粒尺寸和體積百分?jǐn)?shù)，提高工作溫度，降低外加磁場(chǎng)等。顆粒膜中的巨磁電阻效應(yīng)目前以Co-Ag體系為最高，在液氮溫度可達(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。巳在FeNiAg顆粒膜中發(fā)現(xiàn)最小的磁電阻飽和磁場(chǎng)約為30A/m，這個(gè)指標(biāo)巳和實(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。iii） 氧化物的龐磁阻效應(yīng)（CMR）過(guò)渡金屬陽(yáng)離子都有未滿的d殼層，具有磁矩m。在其氧化物中，陽(yáng)離子因被氧離子隔離而無(wú)直接的交換作用，但可通過(guò)陽(yáng)離子的激發(fā)電子態(tài)發(fā)生超交換作用，形成磁有序結(jié)構(gòu)。由于電子局域，這類(lèi)磁有序氧化物具有很高的電阻率。1994年，在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Mn系氧化物中，如Nd07Sr03MnO3，在60K下，H為80kOe時(shí)，AR/Rh達(dá)1.06x106%；Nd065Sr035MnO3中低于30K時(shí)，外場(chǎng)為50kOe下，其p從103Q-m下降到10-4Q?m。彖一定范圍的磁場(chǎng)使其從順磁性或反鐵磁性變?yōu)殍F磁性，同時(shí)氧化物從半導(dǎo)體的導(dǎo)電性n金屬性，從而使其p產(chǎn)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。近年來(lái)在La-Ca-Mn-O系的材料中發(fā)現(xiàn)了CMR效應(yīng)，加磁場(chǎng)后的電阻變化率AR/Rh可達(dá)到103-106。這種材料的鐵磁性的根源是雙交換相互作用，而且磁性轉(zhuǎn)變與絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變相鄰近。Mott轉(zhuǎn)變：氧化物材料因溫度或壓力改變所引起的絕緣體到金屬的相變，由電子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致。iv） 隧道巨磁電阻效應(yīng)（Tunnelingmagnetoresistance--TMR）將隧道電導(dǎo)與鐵磁電極的磁化方向相關(guān)的現(xiàn)象稱(chēng)為磁隧道閥效應(yīng)(隧道磁電阻)。兩鐵磁層的磁化方向平行(P)和反平行(A)時(shí)的電阻為Rp、Ra，則隧道磁電阻為：TMR=Rp—RaRA“磁性金屬/非磁絕緣體/磁性金屬”(FM/I/FM)隧道結(jié)，若兩鐵磁電極的磁化方向平行，一個(gè)電極中的多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一個(gè)電極中的多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，同時(shí)少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一電極的少數(shù)自旋子帶的空態(tài)；若兩電極的磁化方向反平行，則一電極中的多數(shù)自旋子帶的電子自旋與另一電極中少數(shù)自旋子帶的電子的自旋平行，于是隧道電導(dǎo)過(guò)程中一個(gè)電極中的多數(shù)自旋子帶的電子必須在另一個(gè)電極中尋找少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，因而其隧道電導(dǎo)必然在與兩電極磁化方向平行時(shí)的電導(dǎo)有所差別。孑Fe/Al2O3/Fe磁隧道結(jié)的TMR在室溫及4.2K下分別為15.6%、23%。在較小的外磁場(chǎng)下，Hc小的鐵磁層的磁化方向首先反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)TMR的極大值。故磁隧道閥的磁場(chǎng)靈敏度很高，F(xiàn)e/Al2O3/Fe的磁場(chǎng)靈敏度為8%/Oe,Co/Al2O3/Co的磁場(chǎng)靈敏度為5%/Oe。這是多層膜GMR及氧化物CMR遠(yuǎn)難企及的。孑巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用在多層膜巨磁電阻效應(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。利用巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭將磁盤(pán)記錄密度一下子提高了17倍，達(dá)5Gbit/in2，最近報(bào)道為40Gbit/in2,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，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(magneticrandomaccessmemory-MRAM)，其優(yōu)點(diǎn)是在無(wú)電源的情況下可繼續(xù)保留信息--非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(nonvolatilememories):當(dāng)電源斷開(kāi)之后，原來(lái)存儲(chǔ)的信息不會(huì)被“揮發(fā)”掉。此外其存、取時(shí)間可低于3ns,優(yōu)于靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM),存儲(chǔ)密度高于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)。MRAM還具有抗輻射、低成本、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，成為可與半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM,SRAM)和鐵電存儲(chǔ)器等相競(jìng)爭(zhēng)的新型內(nèi)存儲(chǔ)器，其商業(yè)化生產(chǎn)的年產(chǎn)值可望超過(guò)千億美圓，這也是美國(guó)克林頓政府大幅度增加納米科技經(jīng)費(fèi)的主要精品文檔依據(jù)。此外，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。淤自旋電子學(xué)自旋電子學(xué)是電子學(xué)的一個(gè)新興領(lǐng)域，其英文名稱(chēng)為Spintronics(利用spintransportelectronics的前綴及字尾組合而成)，是利用電子的自旋屬性進(jìn)行工作的電子學(xué)。當(dāng)初系美國(guó)軍方研究機(jī)構(gòu)(DefenseAdvancedResearchProjectAgency--DARPA)于1994年開(kāi)始支持發(fā)展的項(xiàng)目，其目的是創(chuàng)造新一代的電子器件。由于自旋有兩個(gè)狀態(tài)(upanddown),因此利用到自旋的器件將比傳統(tǒng)只利用到電荷的器件有更強(qiáng)的功能。目前巳發(fā)展出的器件是利用與自旋有關(guān)的隧穿效應(yīng)以及巨磁阻(GMR)效應(yīng)來(lái)作磁場(chǎng)偵測(cè)器，以及磁隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)。目前，自旋的作用是被動(dòng)的，它們的工作由局域磁場(chǎng)來(lái)控制。自旋電子學(xué)則要走出被動(dòng)自旋器件的范疇，成為基于自旋動(dòng)力學(xué)的主動(dòng)控制的應(yīng)用。因?yàn)樽孕齽?dòng)力學(xué)的主動(dòng)控制預(yù)計(jì)可以導(dǎo)致新的量子力學(xué)器件，如自旋晶體管、自旋過(guò)濾器和調(diào)制器、新的存儲(chǔ)器件、量子信息處理器和量子計(jì)算。從這個(gè)意義上說(shuō)，自旋電子學(xué)是在電子材料(如半導(dǎo)體)中主動(dòng)控制載流子自旋動(dòng)力學(xué)和自旋輸運(yùn)的一個(gè)新興領(lǐng)域。巳經(jīng)證明，通過(guò)注入、輸運(yùn)和控制這些自旋態(tài)，可以執(zhí)行新的功能。這就是半導(dǎo)體自旋電子學(xué)新領(lǐng)域所包含的內(nèi)容，它涉及自旋態(tài)在半導(dǎo)體中的利用，巳吸引了半導(dǎo)體、磁性及光電器件專(zhuān)家等一同來(lái)研究在金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體及異質(zhì)結(jié)中電子傳導(dǎo)的自旋動(dòng)力學(xué)。當(dāng)前，半導(dǎo)體自旋電子學(xué)研究可分為兩個(gè)領(lǐng)域：即半導(dǎo)體磁電子學(xué)(SME)和半導(dǎo)體量子自旋電子學(xué)(SQSE)oSME:主要是利用磁性半導(dǎo)體材料(Dilutedmagneticsemiconductor--DMS)或者半導(dǎo)體與磁性材料的復(fù)合材料，把磁性功能引入半導(dǎo)體以執(zhí)行一些新的功能。例如，由此可研制光學(xué)隔離器、磁傳感器以及非揮發(fā)性內(nèi)存等新的半導(dǎo)體器件，而且這些都可以集成到平常的半導(dǎo)體器件和電路中。如果磁性和自旋可以通過(guò)光或電場(chǎng)來(lái)控制，將光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)性質(zhì)結(jié)合起來(lái)，就可以發(fā)展出自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋發(fā)光二極管以及自旋共振隧穿器件等全新的磁-光-電一體化的多功能新器件。SQSE:主要是利用半導(dǎo)體中電子自旋的量子力學(xué)特性。例如許多非磁性半導(dǎo)體中的自旋相對(duì)于電子極化有比較長(zhǎng)的相干時(shí)間，并且可以被光場(chǎng)或電場(chǎng)控制，所以在一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)中很容易實(shí)現(xiàn)自旋控制。這種性質(zhì)可以促進(jìn)新的固體量子信息處理器件的發(fā)展，如太赫茲光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、加密/解碼器以及量子比特等等。從這個(gè)意義上看，半導(dǎo)體中的自旋正在預(yù)示著一個(gè)經(jīng)典物理、量子物理和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的新領(lǐng)域。自旋電子器件可以分為電子自旋器件、光子自旋器件和量子自旋器件三類(lèi)。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件相比，自旋電子器件具有穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)處理速度快、功率損耗低以及集成密度高等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展依賴(lài)于對(duì)固體材料與自旋的基本相互作用，以及半導(dǎo)體維度、缺陷和能帶結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)影響的深刻理解。對(duì)于目前的自旋電子學(xué)，令人感興趣的有兩個(gè)重要的物理學(xué)原理：i） 自旋作為一個(gè)動(dòng)力學(xué)變數(shù)，它有量子力學(xué)固有的量子特性，這些特性將導(dǎo)致新的自旋電子學(xué)量子器件而不是傳統(tǒng)的以電子電荷為基礎(chǔ)的電子學(xué)。ii） 是與自旋態(tài)有關(guān)的長(zhǎng)馳豫時(shí)間或相干時(shí)間。在磁性半導(dǎo)體中，自旋朝上的載流子濃度往往多于自旋朝下的載流子，這些載流子運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生所謂自旋極化電流。自旋極化電流的大小、存在的時(shí)間長(zhǎng)短取決于許多因素，可通過(guò)局域磁場(chǎng)、外加電場(chǎng)、甚至通過(guò)偏振光進(jìn)行操作。這是開(kāi)發(fā)自旋電子學(xué)應(yīng)用的一個(gè)重要的物理基礎(chǔ)。盡管對(duì)自旋電子學(xué)的基本原理和概念的研究非常吸引人，但在人們能夠制造出自旋電子學(xué)應(yīng)用器件之前，還有許多障礙需要克服。例如，自旋電子學(xué)的一個(gè)基本要求是在電子材料中產(chǎn)生和長(zhǎng)時(shí)間保持大的自旋極化電流。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)尚需繼續(xù)努力。事實(shí)上，把足夠大的自旋極化電流引入半導(dǎo)體材料也是一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于量子計(jì)算，人們要求精密的自旋糾纏控制及利用局域磁場(chǎng)操縱單一自旋。對(duì)此至今尚沒(méi)有特別好的想法。在自旋電子學(xué)的應(yīng)用變成現(xiàn)實(shí)之前，還有大量的基本物理問(wèn)題需要研究。自旋電子學(xué)領(lǐng)域雖然發(fā)展非?？?，但是距離真正利用自旋自由度還有很長(zhǎng)的路要走。如果我們能夠了解和控制半導(dǎo)體、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)以及鐵磁體中的自旋自由度，發(fā)展高品質(zhì)的自旋電子器件將具有巨大的潛力，甚至將可能發(fā)明出人們現(xiàn)今無(wú)法預(yù)期的新器件。四、納米磁性材料磁性材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防工業(yè)的重要支柱和基礎(chǔ)，應(yīng)用十分廣泛，尤其在信息存儲(chǔ)、處理與傳輸中正成為不可或缺的組成部分，廣泛用于電信、自動(dòng)控制、通訊、家用電器等領(lǐng)域，在微機(jī)、大型計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用具有重要地位。信息化的發(fā)展n小、輕、薄、多功能化，要求磁性材料有高性能、新功能。納米技術(shù)使古老的磁學(xué)變得年輕活躍，磁性材料巳進(jìn)入了納米磁性材料的新紀(jì)元。精品文檔納米磁性材料是納米材料中最早進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)、應(yīng)用十分廣泛的一類(lèi)功能材料。納米磁性材料的特性不同于常規(guī)磁性材料，其原因在于與磁性相關(guān)聯(lián)的物理特征長(zhǎng)度恰好處于納米量級(jí)，如磁單疇尺寸、超順磁性臨界尺寸、交換作用長(zhǎng)度、電子平均自由程等，大致處于1-100nm量級(jí)。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)與電學(xué)性質(zhì)。利用這些新特性，巳涌現(xiàn)出一系列新材料與眾多應(yīng)用。磁性材料巳經(jīng)經(jīng)歷了晶態(tài)、非晶態(tài)、納米微晶態(tài)、納米微粒與納米結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展階段。納米磁性微晶材料納米微晶永磁材料、納米微晶軟磁材料納米磁性微粒材料磁記錄材料、磁性液體、磁性藥物、吸波材料納米磁性有序陣列納米磁性結(jié)構(gòu)材料人工納米磁性結(jié)構(gòu)材料、天然納米磁性結(jié)構(gòu)材料1.納米磁性微晶材料大致分為納米微晶永磁材料和納米微晶軟磁材料。納米微晶永磁材料燒結(jié)NdFeB雖性能超群，但難以加工成異型永磁體，Tc偏低（593K），最高工作溫度約為450K，化學(xué)穩(wěn)定性較差，易被腐蝕和氧化，價(jià)格高于鐵氧體。而納米微晶的快淬NdFeB磁粉和納米復(fù)合（雙相）稀土永磁材料以及新型稀土永磁材料恰好適于制備微型、異型粘結(jié)永磁體。＞納米微晶粉體主要作為粘結(jié)永磁體的原材料，具有較好的熱穩(wěn)定性（化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化）和耐腐蝕性，適用于微電機(jī)等小型、異型、尺寸精度要求高的永磁器件。＞快淬NdFeB磁粉除制作粘結(jié)永磁體外，還可作為制備高性能燒結(jié)NdFeB永磁體的添加劑。＞除各向同性的快淬NdFeB磁粉外，各向異性的HDD（氫化一歧化一脫氫）工藝制備的磁粉最高性能巳達(dá)（BH）m=208kJ/m3。該值雖低于NdFeB塊體，但高于鐵氧體5-8倍，且稀土含量減少了2/3,生產(chǎn)成本得以降低。n提高性能是研究熱點(diǎn)。＞快淬NdFeB合金薄帶中，鐵磁相Nd2Fe14B呈等軸型納米微晶，平均晶粒尺寸約為30nm，晶粒外包裹一層厚約1-2nm的高Nd缺B的非晶相。納米微晶軟磁材料軟磁材料經(jīng)歷了晶態(tài)（金屬磁性材料）、非晶態(tài)（鐵氧體）、納米微晶態(tài)的歷程。納米微晶金屬軟磁材料性能優(yōu)異：高磁導(dǎo)率、低矯頑力、寬頻帶、低損耗、高飽和磁化強(qiáng)度等，遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體。從磁疇理論出發(fā)，軟磁材料在配方尚需注意兩點(diǎn)：磁各向異性和晶粒粗化（減小顆粒尺寸）。一般納米軟磁材料采用非晶晶化法，即在非晶的基體上有相當(dāng)大體積百分?jǐn)?shù)的納米微晶存在。非晶材料通常采用熔融快淬的工藝，F(xiàn)e-Si-B是一類(lèi)重要的非晶態(tài)軟磁材料，如果直接將非晶材料在晶化溫度進(jìn)行退火，所獲得的晶粒分布往往是非均勻的，為了獲得均勻的納米微晶材料，日本首先在Fe-Si-B合金中再添加Nb、Cu元素，Cu、Nb均不回溶于FeSi合金，添加Cu有利于生成鐵微晶的成核中心，而Nb有利于細(xì)化晶粒。FeSiB合金中加入Cu、Nb快淬成非晶態(tài)后，再在晶化溫度以上進(jìn)行退火處理使非晶材料轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒕Р牧希涞湫统煞譃镕e735CuNb3Sii35B9。1988年牌號(hào)為Finemet的著名納米微晶軟磁材料問(wèn)世了：其晶粒尺寸約10nm，具有優(yōu)異的軟磁特性：磁導(dǎo)率高達(dá)105H/m（亨利/米），既有Fe基非晶材料的高飽和磁化強(qiáng)度（為1.30T），又有Co基非晶材料優(yōu)良的高頻特性（作為工作頻率為30KHz的2KW開(kāi)關(guān)電源變壓器，重量?jī)H為300g，體積僅為鐵氧體的1/5，效率高達(dá)96%），而價(jià)格僅為Co基非晶材料的1/4?1/5。繼Fe-Si-B納米微晶軟磁材料后，20世紀(jì)90年代Fe-M-B、Fe-M-C、Fe-M-N、Fe-M-O等系列納米微晶軟磁材料如雨后春筍破土而出，其中M為Zr、Hf、Nb、Ta、V等元素，例如組成為FeNbZrCu的納85.6 3.3 3.36.8 13米坡莫材料。繼Finemet之后，90年代初又發(fā)展了新一族納米晶軟磁合金Fe-Zr-（Cu）-B-（Si）系列（稱(chēng)為"Nanoperm"）。退火后，這類(lèi)合金形成的bcc相，晶粒尺寸為10?20nm，飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)1.5?1.7T，磁導(dǎo)率達(dá)到48000（lkHz）o日本的AlpsElectricCo.一直在開(kāi)發(fā)Nanoperm族合金，不斷擴(kuò)展納米晶Fe-Zr-B合金的應(yīng)用領(lǐng)域。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。新近發(fā)現(xiàn)的納米微晶軟磁材料在高頻場(chǎng)中具有巨磁阻抗效應(yīng)，又為它作為磁敏感元件的應(yīng)用增添了多彩的一筆。納米磁性微粒材料是最早進(jìn)入應(yīng)用的納米磁性材料，從應(yīng)用的角度大體可分為磁記錄材料、磁性液體、磁性藥物和吸波材料四類(lèi)。①納米磁記錄材料精品文檔磁記錄發(fā)展的總趨勢(shì)是大容量、小尺寸、高密度、高速度、低價(jià)格。為提高磁記錄密度，磁記錄介質(zhì)中的磁性顆粒尺寸巳由微米、亞微米進(jìn)入到納米尺寸。磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性，用它制作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿足以下要求：顆粒的長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)小于記錄波長(zhǎng)；粒子的寬度（如可能，長(zhǎng)度也包括在內(nèi)）應(yīng)該遠(yuǎn)小于記錄深度；一個(gè)單位的記錄體積中，應(yīng)盡可能有更多的磁性粒子。＞性能優(yōu)良的CrO2磁粉尺寸約為20035nm（須為單磁疇針狀微粒，體積盡量小，但不得小于變成超順磁性的臨界尺寸：約10nm）o高密度金屬磁帶的鐵或其合金磁粉的尺寸約20nm；鋇鐵氧體（摻Co、Ti的BaFe12O19）磁粉的尺寸約40nm。＞近年來(lái)，氮化鐵、碳化鐵等納米磁粉。②磁性液體磁性液體，又稱(chēng)鐵磁流體（ferrofluid），既有一般磁體的磁性，又具有液體的流動(dòng)性，是由納米級(jí)的磁性顆粒通過(guò)表面活性劑均勻地分散在載液中形成的穩(wěn)定膠體體系。常用的磁性液體采用納米鐵氧體顆粒制成，磁性液體是一種穩(wěn)定的膠體體系，因此即使在重力、離心力或強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，磁性液體也不產(chǎn)生分離現(xiàn)象，磁性顆粒不析出、不團(tuán)聚。納米磁性液體是由納米顆粒包覆一層長(zhǎng)鏈的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中而構(gòu)成的穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場(chǎng)作用下整體地運(yùn)動(dòng)，因此具有其他液體所沒(méi)有的磁控特性。磁性液體是1965年美國(guó)航空與航天局為解決太空服頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)密封問(wèn)題而率先研究成功的。當(dāng)時(shí)帕彭首先采用油酸為表面活性劑，把它包覆在用球磨法制備的超細(xì)Fe3O4微粒上（直徑約為10nm），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)，因此，好像整個(gè)液體具有磁性，于是，取名為磁性液體。磁性液體的問(wèn)世引起了國(guó)際磁學(xué)界的密切關(guān)注，各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展深人研究?，F(xiàn)在，無(wú)論在基礎(chǔ)研究還是在實(shí)際應(yīng)用上都取得了令人矚目的進(jìn)展。國(guó)外在20世紀(jì)70年代磁性液體材料巳商品化，在航天航空、冶金機(jī)械、化工環(huán)保、儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防軍工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在各國(guó)每年應(yīng)用這種功能材料的元器件數(shù)量巳達(dá)數(shù)千萬(wàn)件。-磁性液體是由納米級(jí)（10nm以下）的強(qiáng)磁性微粒高度彌散于某種液體之中所形成的穩(wěn)定的膠體體系，由強(qiáng)磁性微粒、基液以及表面活性劑三部分組成。生成磁性液體的必要條件是強(qiáng)磁性顆粒要足夠小，以致在基液中作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，這種熱運(yùn)動(dòng)足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子間電、磁的相互凝聚作用，在重力和電、磁場(chǎng)的作用下能穩(wěn)定存在，不產(chǎn)生沉淀和凝聚。例如對(duì)鐵氧體類(lèi)型的微顆粒，大致尺寸為10nm，對(duì)金屬微顆粒，通常大于6nm。在這樣小的尺寸下，強(qiáng)磁性顆粒巳喪失了大塊材料的鐵磁或亞鐵磁性能，呈現(xiàn)沒(méi)有磁滯現(xiàn)象的超順磁狀態(tài)，其磁化曲線是可逆的。選擇合適的表面活性劑（具有長(zhǎng)鏈的高分子）是制備磁性液體的關(guān)鍵。表面活性劑包覆在微粒表面，具有以下作用：1.防止磁性顆粒的氧化；2.克服范德瓦爾斯力所造成的顆粒凝聚；3.削弱靜磁吸引力；4.改變磁性顆粒表面的性質(zhì)，使顆粒和基液渾成一體。對(duì)表面活性劑總的要求是，活性劑的一端應(yīng)和磁性顆粒產(chǎn)生化學(xué)吸附，形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵，另一端應(yīng)和基液親和、能與基液溶劑化。由于基液不同，可生成不同性能、不同應(yīng)用領(lǐng)域的磁性液體，如水基、煤油基、二酯基、聚苯基、硅油基、氟碳基等磁性液體。不同基液的磁性液體要選擇不同的表面活性劑，有時(shí)甚至需要兩種以上的表面活性劑。磁性液體的主要應(yīng)用i）旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)態(tài)密封一直是工程界較為困難的課題。磁性液體用于旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)密封是較為理想的一種方式。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)生環(huán)狀的靜磁場(chǎng)分布，從而可將磁性液體約束在磁場(chǎng)中形成磁性液體的“O”形環(huán)，可以進(jìn)行真空、加壓、封水、封油等情況下的動(dòng)態(tài)密封。精品文檔這種磁性液體的“O”形環(huán)沒(méi)有磨損，可做長(zhǎng)壽命的動(dòng)態(tài)密封，目前巳廣泛用于機(jī)械、電子、儀器、宇航、化工、船舶等領(lǐng)域，這也是磁性液體較早、較廣泛的應(yīng)用之一。在電子計(jì)算機(jī)中，為防止塵埃進(jìn)入硬盤(pán)損壞磁頭與磁盤(pán)，在轉(zhuǎn)軸處也巳普遍采用磁性液體的防塵密封。在精密儀器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，如X射線衍射儀中轉(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。ii） 新潤(rùn)滑劑通常潤(rùn)滑劑易損耗、易污染環(huán)境。磁性液體中的磁性顆粒尺寸很小，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5-6倍，從而使得在相同條件下功率可以增加1倍。磁性液體的添加對(duì)頻響曲線的低頻部分影響較大，通常根據(jù)揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)，選用合適黏滯性的磁性液體，可使揚(yáng)聲器具有較佳的頻響曲線，它還可使高功放揚(yáng)聲器的體積大大縮小。iii） 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系統(tǒng)中產(chǎn)生的振蕩模式。例如，步進(jìn)電機(jī)是用來(lái)將電脈沖轉(zhuǎn)換為精確的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是迅速地被加速與減速，因此，常導(dǎo)致系統(tǒng)呈振蕩狀態(tài)。為了消除振蕩而變?yōu)槠交倪\(yùn)動(dòng)，僅需將少量磁性液體注入磁極的間隙中，在磁場(chǎng)作用下磁性液體自然地定位于轉(zhuǎn)動(dòng)部位，就可阻尼步進(jìn)電機(jī)的余振，使步進(jìn)電機(jī)平滑地轉(zhuǎn)動(dòng)、精確地定位。用磁性液體所構(gòu)成的減震器可消除極低頻率的振動(dòng)，可消除外界振動(dòng)噪音的干擾，以確保精密儀器（天平，光學(xué)設(shè)備等）正常工作。iv） 礦物分離利用磁性液體的表觀比重隨外磁場(chǎng)的變化而改變的特點(diǎn)，可用來(lái)篩選比重不同的非磁性礦物。物體在磁性液體中的浮力是隨著磁性液體的磁化狀態(tài)而改變的，因此可采用梯度磁場(chǎng)，控制磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就可分離不同比重的非磁性金屬與礦物。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，利用此原理可設(shè)計(jì)出磁性液體密度計(jì)。磁性液體對(duì)不同密度的物體進(jìn)行密度分離，控制合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度可使低于某密度值的物體上浮，高于此密度的物體下沉，原則上可用于礦物分離。比重差別在10%左右的礦物可用此技術(shù)較好地分離，一般采用水基磁性液體，可重復(fù)使用。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。-磁性液體還有許多其他用途，如儀器儀表中的阻尼器、磁控閥門(mén)、磁性液體研磨、定位潤(rùn)滑劑、磁性液體的光學(xué)與微波器件、磁件顯示器、火箭和飛行器用的加速計(jì)、磁性液體發(fā)電機(jī)、射流印刷用的磁性墨水，無(wú)聲快速的磁印刷、醫(yī)療中的造影劑等等，今后還可開(kāi)拓出更多的用途。淤磁性藥物方面：磁性納米顆粒作為抗癌藥物磁性載體（靶向藥物）、細(xì)胞磁分離介質(zhì)材料（細(xì)胞分離）、磁控造影劑、激光磁艾滋病毒檢測(cè)儀等醫(yī)療應(yīng)用也是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)的熱門(mén)課題，有的巳進(jìn)入臨床試驗(yàn)。淤磁性納米顆粒的磁光、磁聲及微波（吸波）特性的研究，也可開(kāi)拓出新型的功能器件。磁性納米微粒除了上述應(yīng)用外，還可作光快門(mén)、光調(diào)節(jié)器（改變外磁場(chǎng)、控制透光量）、復(fù)印機(jī)墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等。納米磁性有序陣列磁記錄材料進(jìn)一步發(fā)展的方向是所謂“量子磁盤(pán)”，采用電子刻蝕、化學(xué)電鍍等工藝將磁性納米線進(jìn)行有序排列，構(gòu)成納米有序陣列，利用磁納米線形狀各向異性的存儲(chǔ)特性，當(dāng)線間距為10nm時(shí)，記錄密度預(yù)計(jì)可達(dá)400Gb/in2，相當(dāng)于每平方英寸可存儲(chǔ)20萬(wàn)部《紅樓夢(mèng)》?，F(xiàn)正向商品化方向發(fā)展，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值可達(dá)400億美元。-納米有序陣列在傳感器、場(chǎng)致發(fā)光等方面也有前途。巨磁阻絲：在聚碳酸脂膜上腐蝕出規(guī)則排列的納米孔洞，用電沉積方法將納米Co粒子填充進(jìn)去，再在其上鍍一層Cu膜。重復(fù)形成多層膜，在膜垂直方向、聚碳酸脂同心孔洞中形成由Co/Cu粒子交替排列的幾微米長(zhǎng)的納米絲。此絲在RT下有明顯的GMR效應(yīng)， 川H可達(dá)15-20%，可作為微弱磁場(chǎng)探測(cè)器等（可探測(cè)10-11T的磁通密度）。納米磁性結(jié)構(gòu)材料納米結(jié)構(gòu)材料可歸納為二大類(lèi)：（1）人工納米結(jié)構(gòu)材料精品文檔薄膜、顆粒膜、多層膜、隧道結(jié)等（2）天然納米結(jié)構(gòu)材料如鈣鈦礦型化合物等-磁性顆粒膜是由強(qiáng)磁性的顆粒鑲嵌在不相固溶的介質(zhì)中而生成，主要有二類(lèi)：i） 金屬一絕緣體型，如Fe-SiO2等高Hc，可作為高密度磁記錄介質(zhì)；磁光效應(yīng)中，比連續(xù)膜更高的磁光優(yōu)值；還具有隧道效應(yīng)帶來(lái)的磁電阻效應(yīng)。ii） 金屬一金屬型，如Co-Cu，Co-Ag等（Ag或Cu非磁性薄膜基體上鑲嵌納米級(jí)的鐵磁Co顆粒）>GMR效應(yīng)n磁傳感器中應(yīng)用（磁電阻對(duì)外磁場(chǎng)的線性敏感度）>與自旋有關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象n開(kāi)拓磁電子學(xué)的新領(lǐng)域GMR效應(yīng)基于電子在磁性納米結(jié)構(gòu)中與自旋相關(guān)的輸運(yùn)特性，開(kāi)創(chuàng)自旋電子學(xué)的新學(xué)科，開(kāi)拓了新應(yīng)用領(lǐng)域。-鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)是ABO3化合物中數(shù)量最多、研究最廣的。理想的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)屬立方晶系，但許多屬于這類(lèi)結(jié)構(gòu)的晶體卻變型為四方、正交晶系，這種變型與晶體的壓電、熱釋電和非線性光學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系，巳成為一類(lèi)十分重要的技術(shù)晶體。以CaTiO3為例說(shuō)明，它屬正交晶系，每個(gè)晶胞中Ca處于體心位置，Ti處于頂點(diǎn)位置，O原子位于每條棱的中心位置，O原子和Ca原子聯(lián)合起來(lái)形成面心正交點(diǎn)陣，Ti原子處在氧原子的八面體空隙中，配位數(shù)為6，Ca原子配位數(shù)為12。-從基礎(chǔ)研究角度看，鈦鈣礦型化合物屬?gòu)?qiáng)關(guān)聯(lián)體系，一系列基本問(wèn)題尚未弄清；-從應(yīng)用研究角度看，鈦鈣礦型化合物是一類(lèi)重要的高溫超導(dǎo)氧化物、鐵電、壓電材料，它的磁學(xué)與輸運(yùn)性質(zhì)同樣引人注目。1993年，在鈣鈦礦型化合物等天然納米結(jié)構(gòu)材料中發(fā)現(xiàn)了CMR效應(yīng)，繼而又發(fā)現(xiàn)了巨磁熵變、巨磁致伸縮效應(yīng)等。>磁致冷：首先給磁體加磁場(chǎng)，使磁矩按磁場(chǎng)方向齊排列(磁熵變小)，然后再撤去磁場(chǎng)，使磁矩的方