纳米材料在磁性方

1、主讲人：ppt整理：材料收集：纳米材料在磁性方面上的应用 磁记录材料磁记录材料 巨磁电阻材料巨磁电阻材料 磁性液体材料磁性液体材料 软磁性材料软磁性材料纳米磁性材料 纳米磁性材料的磁单畴尺寸、超顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等在1-100nm范围内，具有奇异的超顺磁性和较高的矫顽力。20nm的纯铁微粒的矫顽力是大块铁的1000倍，当微粒在50-200nm之间时，矫顽力和饱和磁化强度均达到最大值，且具有单畴特性。因纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性使纳米材料具有磁性。当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。磁记录材料 磁记录材料（magnetic recor

2、ding material）是指：利用磁特性和磁效应输入（写入）、记录、存储和输出（读出）声音、图像、数字等信息的磁性材料。分为磁记录介质材料和磁头材料。前者主要完成信息的记录和存储功能，后者主要完成信息的写入和读出功能。磁记录材料的简介 磁性纳米粒子由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用它制作磁记录材料，能使记录密度大大提高，可比普通的磁性材料提高10倍以上；还可以提高声噪比，改善图象质量。 20世纪80年代，高密度磁记录用的磁粉的尺寸就已进入到纳米尺寸，例如： （1） 性能优良的CrO2磁粉尺寸给为200nm35nm， （2） 铁或其合金磁粉的尺寸给为20nm，并制成高密度的金属磁带，

3、 （3） 90年代发展起来的掺Co、Ti的钡铁氧体（BaFe12O19）典型的颗粒尺寸为六角片形，直径50nm，厚20nm， （4） 近年来，又研究氮化铁、碳化铁等类型的纳米磁粉。制造工艺 将磁浆（主要成分是磁粉、粘合剂、各种添加剂和有机溶剂等）均匀涂布在聚酯或金属支持体上，制成涂布型不连续材料，又称涂布型薄膜材料。这是一类产量最大、用途最广、技术最成熟的磁记录材料，如录音磁带、录像磁带等。 将磁性材料用真空镀膜技术直接蒸镀在支持体上制成的薄膜连续材料，又称连续薄膜材料，如80年代初出现的微型镀膜磁带巨磁电阻材料 磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们

4、把这种现象称为磁电阻，所谓巨磁阻，是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值，约高10余倍。 巨磁电阻材料的用途 在巨磁电阻效应被发现后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbitin2，最近报道为11Gbitin2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。 由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中。 优点：与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件

5、等优点。 利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。 利用自旋极化效应的自旋晶体管设想亦被提出来了。鉴于巨磁电阻效应重要的基础研究意义和重大的应用前景，对巨磁电阻效应作出重大开拓工作的弗特教授等人曾获二次世界级大奖。 巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化，要求测量系统也要微型化。 21世纪超导量子相干器件(SQUIDS)和超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中主要角色。其中以巨磁电阻效应为基础，设计超微磁场传感器要求能探测

6、10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在过去是没有办法测量的，特别是在超微系统测量如此弱的磁通密度时十分困难的，纳米结构的巨磁电阻器件经过定标可能完成上述目标。 瑞士苏黎土高工在实验室研制成功了纳米尺寸的巨磁电阻丝，他们在具有纳米孔洞的聚碳酸脂的衬底上通过交替蒸发Cu和Co并用电子束进行轰击，在同心聚碳酸脂多层薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充形成几微米长的纳米丝，其巨磁电阻值达到15，这样的巨磁电阻阵列体系饱和磁场很低，可以用来探测1011T的磁通密度。由上述可见，巨磁阻较有广阔的应用情景。 巨磁电阻材料发展状况 巨磁电阻效应是近十年来发现的新现象。 1986年德国的Grunberg

7、教授首先在Fe/Cr/Fe多层膜中观察到反铁磁层间耦合。 1988年法国巴黎大学的肯物教授研究组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，这在国际上引起了很大的反响。 90年代，人们在Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。 由于巨磁阻多层膜 在高密度读出磁头、磁存贮元件上有广泛的应用前景，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量。 1992年美国率先报道了Co-Ag、Co-Cu颗粒膜中存在巨磁电阻效应，这种颗粒膜是采用双靶共溅射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基体上镶嵌纳米级的铁

8、磁Co颗粒。这种人工复合体系具有各向同性的特点，颗粒膜中的巨磁电阻效应上前以Co-Ag体系为最高，在液氮温度下可达55%，室温可达20%，而目前实用的磁性合金仅为2%3%，但颗粒膜的饱和磁场 较高，降低颗粒膜磁电阻饱和磁场是颗粒膜研究的主要目标。颗粒膜制备工艺比较简单，成本比较低，一旦在降低饱和磁场上有所突破将存在着很大的潜力。 最近在FeNiAg颗粒膜中发现最小的磁电阻饱和磁场约为32kA/m，这个指标已与具有实用化的多层膜比较接近，从而为颗粒膜在低磁场中应用展现了一线曙光。 在颗粒膜的研究中发现了磁电阻与磁场线性度甚佳的配方与热处理条件，为发展新型的磁敏感元件提供了实验的依据。磁性流体材料

9、 1. 磁性液体的定义 磁性液体是由纳米磁性微粒包复一层长链的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。其中磁性微粒尺寸通常小于10nm，呈超顺磁性。磁性液体的名称的起源 1963年，美国国家航空与航天局的帕彭首先采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的Fe3O4微颗粒上(直径约为l0m)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体。生成磁性液体的必要条件 生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，在致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则

10、的热运动。 基液 水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。 磁性液体的特点 （1）在磁场作用下可以被磁化，可以在磁场作用下运动，但同时它又是液体，具有液体的流动性。 （2）在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。 a. 当光波、声波在其中传播时(如同在各向异性的晶体中传播一样)，会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性。 b. 磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性。 这些有别于通常液体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基础。 磁流体 磁性液体的的用途 磁密封 旋转轴

11、动态磁密封 利用磁性液体可以被磁控的特性，人们利用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，可进行真空、加压、封水、封油等情况下的动态密封，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。 防尘密封 在计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。 气流粉碎（分级）机等等。 真空密封 在精密仪器的转动部分，如X射线衍射仪中的转靶部分的真空密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。此外，单晶炉提拉部位、真空加热炉等有关部件的密封等，磁性液体是较为理想动态密封方式之一。 气体密

12、封 可用于多种气体密封的场合（如煤气风机转轴部位） 磁性润滑油 通常润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10nm，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用润滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。 增进扬声器输出功率 在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空气高56倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1倍。 作阻尼器件 磁性液体具有一定的粘滞性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系统中所产生的振荡模式。 矿物分离 应用比重不同进行矿物分离。磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，以致在磁性液体中的物体将会浮起，好像磁性液体的视在密度随着磁场增加而增大。 利用此原

13、理可以设计出磁性液体比重计，磁性液体对不同比重的物体进行比重分离，控制合适的磁场强度可以使低于某密度值的物体上浮，高于此密度的物体下沉，原则上可以用于矿物分离。 其他用途 磁性液体还有其他许多用途，如磁制冷材料、仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。 发展状况 1934年就制成胶体Fe3O4溶液，用于磁畴观察，20世纪6070年代已发展成为一类商用产品，用于高速旋转轴密封等方面，美、日等国均有商品生产，我国虽已研制成功，但应用的领域尚未开拓， 近年来人们对磁性液体，或它与微米级微粒组合成的复合介质的磁光、磁声以及微波特性进行了研究，有可能开拓出一类新型的功能

14、器件。 例如，使高密度的金与低密度的砂石分离，亦可用于城市废料中金属与非金属的分离软磁性材料软磁性材料 软磁性材料的磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁；在通讯技术与电力技术中应用广泛，可用来制造电感元件，如变压器、继电器、电磁铁电机的铁心等软磁材料的分类 金属软磁材料 软磁铁氧体软磁材料的用途软磁材料的用途 软磁材料广泛地应用于： （1）电力电信（变压器、发电机、电动机） （2）家用电器 （3）计算机等领域（如存储器） 软磁材料的性质 软磁材料一般的技术要求通常为高磁导率，低矫顽力，宽频带，低损耗，此外对变压器开关电源磁头等应用尚希望饱和磁化强度。 从磁畴理论出

15、发，传统的软磁材料在配方上有两点值得注意：一是磁各向异性；二是晶粒粗化。 一般纳米软磁材料采取非晶晶化法，即在非晶的基体上有相当大的体积百分数纳米微晶存在，这种纳米晶软磁材料已在实际中得到了应用。 1998年日本首先在FeSiB合金中加入Cu，Nb成分，制成的纳米微晶磁性材料，其典型成分为Fe73.5Cu1NbSi13.5B9(商品牌号为Finenet)，它具有铁基非晶材料的高饱和磁化强度以及Co基非晶材料优良的高频特性，而价格约为Co基非晶材料的1/41/5，其晶粒尺寸约为10nm。除Fe-Si系列外， Fe-M-B系列纳米微晶材料（M为Zr，Ta，Mo，Hf等），Fe-M-C系列（M为Zr

16、，Hf，Nb，Ti，V，Ta等）商品牌号为Nanomax，作为高密度磁头的输出比Co-Ta-Hf系非晶膜磁头约高5dB。20世纪80年代末期起已进入工业化生产，如日立金属公司等。我国亦于90年代投入生产，总体水平处于世界第三位。 纳米微晶软磁材料目前沿着高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频高压器、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等，它将成为铁氧体的有力竞争者。制备方法 磁性微粒的制备 磁流体的制备磁性微粒的制备 磁性微粒的制备方法主要有包埋法和单体聚合法等。包埋法 包埋法是将磁流体分散在高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、

17、蒸发、乳化等复合技术，制得磁性微粒该法制备的磁性微粒、磁流体与高分子间通过范德华力、氢键和螯合作用以及功能基间的共价键结合，得到的微粒粒径分布宽、粒径不易控制、壳层中难免混有杂质。单体聚合法 单体聚合法是指在磁性微粒和单体存在下，加入引发剂、稳定剂等聚合而成的核壳式磁性微粒单体聚合法得到的载体粒径较大，固载量小，但作为固定化酶的载体，有利于保持酶的活性，而且磁性也较强磁流体的制备 磁流体的制备方法有物理法和化学法。物理法。又可分为研磨法、热分解法、超声波法、机械合成法、等离子cVD法等；化学法又可分为气相沉积法、水热合成法、溶胶凝胶法、溶剂蒸发法、热分解法、微乳 液法及化学沉降法等超声波法 在

18、此体系中，加入了高分子物质律稳定剂，将易挥发的金属有机物Fe(cO)，在纯氧的条件下超声处理，制得粒径分布均一的磁流体。研磨法 研磨法一般是在表面活性剂存在下，研磨几周制得，此法耗能高，制备的微粒粒径分布不均一。其原理是将粉碎的磁性微粒和表面活性剂添加到载液中，在球磨机中经过长时间球磨，其中部分微粒稳定地分散在载液中，再在高速离心机中除去直径大的粒子。生物医学应用 纳米生物技术是纳米技术与分子生物学相结合发展出来的一个新的研究领域。 磁性纳米颗粒是一类具有可控尺寸、能够外部操控并可用于核磁共振成像(MRI)造影的材料。包括蛋白质的提纯和医学影像等方面。 当纳米颗粒与靶向试剂耦合,通过特定的生物作用与生物分子反应,功能化的纳米颗粒即可与靶向生物组织耦合,实现疾病诊断或者生物分离。在核磁共振成像的正常磁场强度下(通常高于1T) ,这些靶向区域的超顺磁纳米颗粒可以达到磁饱和,建立有序的区域扰动偶极场,缩短MR I中质子弛豫时间,使得靶向区域相对于生物环境有更暗的对比度。 此外,在