纳米材料的新颖磁性与应用

纳米材料的新颖磁性与应用第1页，共22页，2023年，2月20日，星期四

纳米材料即三维空间尺寸中至少有一维处于1—100nm的材料。单磁畴超顺磁性高矫顽力计算实验模型第2页，共22页，2023年，2月20日，星期四纳米材料一些特殊的磁学性质及可能的理论解释我们通过理论计算来论证(1)单磁畴结构第3页，共22页，2023年，2月20日，星期四下图是铁磁体未分畴与分畴后的自发磁化矢量分布简单图示：

(a)未分畴(b)分畴第4页，共22页，2023年，2月20日，星期四表面退磁场能对于铁，Mδ=1.71×106A·m-1,所以=1.8×106J·m-3设L=0.01m，则晶体表面单位面积的退磁场能为:=×（L×1）=1.8×1046J·m-2分畴后，（b）图知，片状磁畴表面仍然有交替变化磁极出现，设磁畴宽度为D,则此时表面退磁场能为：=2=2×0.8521×10-7D=1.7×10-7

D第5页，共22页，2023年，2月20日，星期四磁畴壁能分畴后出现畴壁能，设晶体表面单位面积长宽均为一个单位长度，其大小等于1，厚为L,则沿长度方向可分为1/D个磁畴，并有1/D个畴壁，每个畴壁面积为L，则晶体中畴壁总面积为L×1/D=L/D,则单位面积中的畴壁能量代入公式=为单位面积磁畴壁能量=1.7×10-7

D+求其最小值得所以第6页，共22页，2023年，2月20日，星期四对于铁，=1.71×106A·m-1

=1.59×10-3J·m-2

L=0.01m，所以分畴后E=5.6J·m-2比较知，分畴前后，纳米磁性材料与宏观材料有许许多多的独特性质，很多也是单磁畴结构的原因所致。第7页，共22页，2023年，2月20日，星期四(2)奇异的超顺磁性与较高的矫顽力单磁畴时，材料自发磁化，磁矩都排列在易磁化方向材料内部的各向异性能与热运动能相比拟时易磁化方向就会作无规律变化即宏观上显示超顺磁性(a)铁磁性(b)顺磁性第8页，共22页，2023年，2月20日，星期四以直径为9nm的镍为例磁有序的弛豫时间

k为各项异性常数约为10-11sV为晶粒的体积。对于9纳米的镍在T=631K时，各向异性常数K为5.8×10-2J。由此可得=4.18×10-17s由麦克斯韦平均自由程公式和平均热速率公式

n为分子数密度为有效直径=710-17s

第9页，共22页，2023年，2月20日，星期四可见磁有序的弛豫时间与热运动近似处于同一数量级，从而从另一个角度证明了此时的各向异性能与热运动能可以相比拟，显示超顺磁性。颗粒直径Dnm1018385880矫顽力HC×103/4πA*m-1

078195240200第10页，共22页，2023年，2月20日，星期四用Origin作图得曲线第11页，共22页，2023年，2月20日，星期四实验论证不同尺度和形貌的普鲁士蓝近似物晶体如图第12页，共22页，2023年，2月20日，星期四磁滞曲线第13页，共22页，2023年，2月20日，星期四磁性纳米材料的应用利用磁场与磁性纳米材料相互作用合成新颖的纳米材料第14页，共22页，2023年，2月20日，星期四磁性纳米材料的应用以合成四氧化三铁单晶为例图号外加磁场强度（T）产物形貌图-A0全部是块状晶体图-B0.15产物中出现了少量纳米带图-C0.25产物中纳米带增多图图-D0.35产物为均匀的纳米带第15页，共22页，2023年，2月20日，星期四简单的模型纳米磁性材料拥有易磁化轴，外有磁场的介入，就有可能使粒子沿着易磁化轴的方向聚集、融合、生长第16页，共22页，2023年，2月20日，星期四同时，在溶液中，离子定向移动产生电流，当磁场在垂直于电流方向有分量时，会产生洛仑兹力——Q*V*B，在磁场的作用下，反应体系中带电荷的基团（表面活性剂、无机离子、带电荷的胶团）可能受到洛仑兹力(Q*V*B)的扰动，呈现出与无磁场是不一样的分布情况，从而产生不同的吸附如下图第17页，共22页，2023年，2月20日，星期四应用强磁场下在砷化镓衬底下自组装四氧化三铁纳米颗粒，并观测到沿磁力线方向上磁性颗粒的长程有序；利用1T磁场把磁性铁微球排列成整齐的六方堆积；利用磁场成功合成很多纳米磁性颗粒和指引碳纳米管的定向排列；在磁场辅助下通过简单的水热一步合成制备出结构复杂的珍珠链状磁铁矿和白铁矿微米线/棒。第18页，共22页，2023年，2月20日，星期四近期science上发表的重要文章报道了利用不同尺寸纳米材料磁学性能不同进行污水治理和复杂混合物分离的新技术。第19页，共22页，2023年，2月20日，星期四自下而上(bottom-up)介观晶体(mesocrystal)自组装(self-assemble)（A）颗粒（B）介观晶体第20页，共22页，2023年，2月20日，星期四引用文献1]H.Zeng,J.Li,J.P.Liu.“Exchange-couplednanocompositemagnetsbynanoparticleself-assembly”[J]Nature,2002.420:395-398.[2]H.L.Sun,H.T.Shi,F.Zhao,L.M.Qi.“Shape-dependentmagneticpropertiesoflow-dimensionalnanoscalePrussianblueagalogueSmFe(CN)6·4H2O”[J]Chem.Commun.,2005.(DOI:10.1039/b507240a)[3]C.B.Rong,D.R.Li,V.Nandwana.“Size-dependentChemicalandMagneticOrderinginL10-FePtNanoparticles”[J]Adv.Mater.,2006,18:2984-2988.(DOI:10.1002/adma.200601904)[4]D.B.Yu,X.Q.Sun,J.W.Zou.“OrientedAssemblyofFe3O4NanoparticlesintoMonodisperseHollowSingle-CrystallMicrospheres”[J]J.Phys.Chem.B.,2006,110(43):21667-21671.(DOI:10.