纳米材料的磁学性能【天津大学】
纳米材料的磁学性能
致超顺磁性。
精品课件
超顺磁性
微粒体积 足够小时
热运动能对微粒自发 磁化方向产生影响
超顺磁性
超顺磁性可定义为：当一任意场发生变化后， 磁性材料的磁化强度经过时间 t后达到平衡态的现象。
精品课件
当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化 场强H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B） 并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变 化滞后于H的变化。这种现象叫磁滞。
d:54nm
c:23nm
b:13nm
a:8nm
不同晶粒铁酸镍的磁化曲线
图中纵坐标为比饱和磁化强度，横坐标为比表面积。a、b、c、d 分别代表晶粒为8、13、23和54nm的样品。由图可知，样品的比饱和磁 化强度随着晶粒尺寸的减小而急剧下降。图中样品a、b、c、d的比表 面积分别为153.5、103.2、55.8和23.7 m2/g，因此，晶粒越小，比表 面积越大，减小得越多。因此庞大精品的课表件 面对磁化是非常不利的。
引起
材料电
阻率的 变化
磁电阻或
磁阻效应 （MR）
M RR (R 0)(H)( 0)(0)
精品课件
普通材料的磁阻效应很小。
如：工业上有使用价值的坡莫尔合金的各向异性 磁阻（AMR）效应最大值也末突破2.5％。
1988年，Baibich等人在由Fe、Cr交替沉积而形成 的纳米多层膜中发现了超过50％的MR，且为各向
V40kBTK
K:材料的各向异性常数， 对于典型的薄膜记
录介质，其有效各向异性常数Keff=0.2J/cm3。在室温
下，微粒的体积应大于828nm3，对于立方晶粒，其边 长应大于9nm。此外，超顺磁性是制备磁性液体的条
纳米材料的磁学性质及其应用
纳米材料及磁性纳米材料的性质与应用学院材料科学与工程姓名贺双学号班级指导老师迟悦纳米材料及磁性纳米材料的性质与应用前言：纳米材料是最早诞生的纳米科技领域的学科分支。
1990年7月在美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科技会议上就把纳米材料作为最有活力、发展最快的纳米科学分支写入大会的文件中。
1991年我国著名科学家钱学森就曾经有这样的预言：纳米和纳米以下的结构将是下一世纪发展的重点，会是一次技术革命。
正如其言，进入二十一世纪，纳米材料米迅速成为今世界最有前途的决定性技术。
文章简要地概述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命科学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。
摘要：本文主要讨论纳米材料的性质和应用，重点介绍纳米材料的磁性在医学，催化剂以及电子器件等的应用。
在其他方面的应用，仅供才考。
1.纳米材料的构成纳米是一个尺度的度量，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（小于100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。
它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处原子簇和宏观物体交界的过渡区域。
目前,国际上将处于1～100nm 尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体,以及由纳米微晶所构成材料,统称之为纳米材料,包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。
它们是由2～106 个原子、分子或者离子构成的相对稳定的集团,其物理和化学性质随着包含的粒子数目与种类而变化。
纳米材料的颗粒尺寸是肉眼和一般显微镜看不到的微小粒子,只能用高倍电子显微镜进行观察。
2.纳米材料的特性2.1.小尺寸效应，小尺寸效应，又称体积效应，当纳米粒子的尺寸与传导电子的波长及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性等于普通粒子相比有很大变化。
由于纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少。
因此,许多现象如与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将显著与大颗粒传统材料的特性不同,就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明,这种特殊的现象通常称之为体积效应。
纳米材料的磁学性质与应用
纳米材料的磁学性质与应用纳米材料是一种在纳米尺度下具有特殊性质的材料，由于其特殊的结构和尺寸效应，拥有许多独特的物理、化学和生物学性质。
其中，纳米材料的磁学性质备受研究者的关注，并且在各种应用领域中发挥着重要作用。
首先，纳米材料的磁学性质是指其在外加磁场下表现出的特殊行为。
相较于宏观材料，纳米材料由于尺寸效应的存在，磁矩与晶格的相互作用极大地增强，从而使得纳米材料表现出更强的磁性。
此外，纳米材料的磁性还与其晶体结构、晶粒尺寸、磁各向异性等因素密切相关。
通过对纳米材料的精确控制，可以调控其磁学性质，从而满足不同应用领域的需求。
其次，纳米材料的磁学性质在各种应用领域中具有重要意义。
一方面，在信息存储方面，纳米材料的磁性使得其成为制造高密度、高速度磁存储器件的理想材料。
通过在纳米材料表面掺杂适量的杂质，可以增强其磁性能，提高读写速度和存储容量。
另一方面，在生物医学领域，纳米材料的磁性能够通过外加磁场对生物体进行定位和控制，从而实现精准诊断和治疗。
例如，将具有磁性的纳米颗粒引导至肿瘤部位，并利用磁场控制其运动，可以实现靶向治疗，减少对健康组织的损伤。
此外，纳米材料的磁学性质还在能源、环境和催化等领域有重要应用。
在能源领域，纳米材料的磁性能够用于制造高效率的转换器件，例如磁性太阳能电池和磁性燃料电池，从而提高能源利用效率。
在环境领域，利用纳米材料的磁性能够有效地分离和去除水中的重金属离子和有害物质，实现水资源的净化和保护。
在催化领域，纳米材料的磁性使其成为高效的催化剂，能够加速化学反应速率，提高催化反应的选择性和稳定性。
然而，纳米材料的磁学性质与应用也面临一些挑战和问题。
首先，纳米材料的制备与表征技术仍然相对复杂和困难，需要高精度的设备和技术支持。
其次，纳米材料的合成方法和材料选择也需要进一步优化和研究。
此外，纳米材料的环境稳定性和生物相容性也是需要考虑的重要问题。
综上所述，纳米材料的磁学性质具有重要的应用价值，并在各个领域中发挥着关键作用。
纳米材料与磁场特性的研究分析
05
纳米材料在社会发展中的重要性： 推动科技进步、提高生活质量、
促进可持续发展等
THANK YOU
汇报人：
磁场辅助的纳米颗粒操控与组装
纳米颗粒在磁场 中的运动特性
磁场对纳米颗粒 的操控原理
磁场辅助的纳米 颗粒组装方法
磁场辅助的纳米 颗粒组装应用实
例
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
磁场在纳米电子器件中的应用
纳米材料在磁 场中的特性
磁场对纳米电 子器件的影响
纳米材料在磁 场中的应用实 例
磁场在纳米电 子器件中的作 用机制
磁场对纳米材料的影 响
磁化现象和磁畴结构
磁畴结构：磁场对纳米材 料的磁畴结构影响，包括 磁畴大小、磁畴分布等
磁化现象：磁场对纳米材 料的磁化效应，包括磁化 强度、磁化率等
磁化机理：磁场对纳米材 料的磁化机理，包括磁化
过程、磁化机制等
磁化效应的应用：磁场对 纳米材料的磁化效应在材 料科学、电子技术等领域
研究中存在的问题与挑战
纳米材料的制备工艺 复杂，成本高
纳米材料的稳定性和 可重复性较差
纳米材料的磁性机理 尚不明确
纳米材料的应用领域 尚待开发
纳米材料的安全性和 环境影响问题需要解
决
未来发展方向与趋势
纳米材料在磁场特性中的应用将更加广泛
纳米材料在磁场特性研究中将更加深入
纳米材料在磁场特性研究中将更加注重环 保和可持续发展
纳米材料在磁场特性研究中将更加注重与 实际应用的结合
纳米材料在磁场特性研究中将更加注重与 其他学科的交叉融合
应用前景与社会意义
01 纳米材料在医疗领域的应用：
如药物输送、生物传感器等
纳米磁性材料的制备与性能调控方法详解
纳米磁性材料的制备与性能调控方法详解1. 引言纳米磁性材料是一种具有特殊磁性性质的纳米尺度物质，具有广泛的应用潜力，如磁记录、磁传感器、生物医学等领域。
为了满足不同应用的需求，研究者们致力于开发制备方法和调控手段，以获得具有优异性能的纳米磁性材料。
2. 纳米磁性材料的制备方法2.1 化学方法化学合成是制备纳米磁性材料的常见方法之一。
通过溶液中的化学反应，可以控制合成物的尺寸、形状和组成，从而调控材料的磁性能。
常见的化学合成方法包括溶剂热法、沉淀法、水热合成等。
例如，可以通过溶剂热法合成铁氧体纳米颗粒，通过控制反应温度和反应时间来调节颗粒的尺寸。
2.2 物理方法除了化学方法外，物理方法也可用于制备纳米磁性材料。
物理气相沉积、溅射、磁控溅射等方法可用于制备具有不同形貌和组成的纳米磁性薄膜。
其中，物理气相沉积是一种常用的方法，可以通过控制沉积条件和底片的取向来调控纳米薄膜的磁性能。
3. 纳米磁性材料的性能调控方法3.1 外界磁场调控外界磁场是一种常用的调控手段，可以通过调整外界磁场的强度和方向来改变纳米磁性材料的磁性能。
外界磁场可以引起纳米磁性材料中的磁畴重排，从而改变材料的磁滞回线、磁化曲线等磁性特性。
研究表明，外界磁场调控还可以增强磁性材料的磁滞、矫顽力等性能。
3.2 尺寸调控纳米磁性材料的尺寸对其磁性能有很大影响。
调控纳米颗粒的尺寸可以通过合成方法中的控制参数来实现，如控制反应温度、反应时间等。
研究发现，随着颗粒尺寸的减小，磁性材料的剩余磁化强度和饱和磁化强度呈现增加的趋势。
这是由于纳米尺度的颗粒具有较高的自旋磁矩密度和较强的交换耦合效应。
3.3 化学组成调控化学组成是另一个重要的调控因素。
通过改变纳米磁性材料的成分，可以调控材料的晶体结构、晶粒尺寸和磁性能。
例如，合金化可以引入不同的元素，从而改变纳米磁性材料的晶体结构和有效自旋数，进而调控其磁性。
此外，通过调控合金成分的比例，还可以实现磁性材料的磁畴工程和自旋结构调控。
纳米材料的磁学特性
悬浮在汞中的半径为2.2nm 的Fe粒子磁化曲线
纳米材料的磁学特性
二、高矫顽力
纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时，通常呈现高的 矫顽力。
Fe纳米微粒矫顽力与 颗粒粒径和温度的关系
起源有两种模型：(1) 一致转动模型；(2) 球链反 转磁化模型。前者的解释是：当粒子尺寸小到某一 尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴。例如Fe的单磁 畴临界尺寸为12nm，Fe3O4 为40nm。每个单磁畴的纳 米粒子实际上成为一个永久磁铁，要使该磁铁去磁， 必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反 向磁场，因此具有较高的矫顽力。该模型预测值通 常偏高。球链模型认为，由于净磁作用球形纳米Ni 粒子形成链状，以此作为理论推导的前提。
纳米材料的磁学特性
三、高磁化率
纳米粒子的磁性与其所含的总电子数的奇偶性 密切相关，每个微粒的电子可以看成一个体系， 电子数的宇称可为奇或偶。电子数为奇数的粒 子集合体的磁化率服从居里－外斯定律，量子 尺寸效应使磁化率遵从d -3规律；电子数为偶数 的系统，∝ kBT，并遵从d 2规律。
纳米材料的磁学特性
纳米材料的磁学特性
一、超顺磁性
铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到一定临界值时，进入 超顺磁状态。其原因是：在小尺寸下，当各向异性 能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不再固 定在一个易磁化方向上，易磁化方向做无规律的变 化,结果导致超顺磁性的出现。
Ni颗粒的矫顽力Hc 与颗粒直径d的关系
纳米材料的磁学特性
纳米材料的磁学特性
汇报人： 学号：
content
纳米材料的特异效应 纳米材料的磁学特性
纳米材料导论第五章纳米材料的磁学性能
第五章纳米材料的磁学性能第一节磁学性能的尺寸效应当磁性物质的粒度或晶粒进入纳米范围时，其磁学性能具有明显的尺寸效应。
因此，纳米材料具有许多粗晶或微米晶材料所不具备的磁学特性。
例如纳米丝，由于长度和直径比很大，具有很强的形状各向异性，当其直径小于某一临界值时，在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。
此外，矫顽力、饱和磁化强度、居里温度等磁学参数都与晶粒尺寸相关。
一、矫顽力在磁学性能中，矫顽力的大小受晶粒尺寸变化的影响最为强烈。
对于大致球形的晶粒，矫顽力随晶粒尺寸的减小而增加，达到一最大值后，随着晶粒的进一步减小，矫顽力反而下降。
对应于最大矫顽力的晶粒尺寸相当于单畴的尺寸，对于不同的合金系统，其尺寸范围在几十至几百纳米。
当晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力cH 与平均晶粒尺寸D 的关系为：D C H c（5-1）式中C 是与材料有关的常数。
纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加，符合（5-1）式。
当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，矫顽力随晶粒的减小急剧降低。
此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为：6'D C H c（5-2）式中'C 为与材料有关的常数。
这种6D 关系与实测数据符合很好。
图5-1显示了一些Fe 基合金的cH 与晶粒度的关系。
图5-2补充了Fe 和Fe-Co 合金微粒在1～1000nm 范围内矫顽力cH 与微粒平均尺寸D 之间的关系，图中同时给出了剩磁比s R M M 与D 的关系。
图5-1 矫顽力c H 与晶粒尺寸D 的关系图5-2 Fe 和Fe-Co 微粒磁性的尺寸效应（a ）Fe （b ）Fe-Co矫顽力的尺寸效应可用图5-3来定性解释。
图中横坐标上直径D 有三个临界尺寸。
当critD D >时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程，c H 相对较小；当critD D <时，粒子为单畴，但在crit crit D D d<<时，出现非均匀转动，c H 随D 的减小而增大；当crit th d D d<<时，为均匀转动区，c H 达极大值。
纳米材料与技术-纳米磁性材料doc
第十章 纳米磁性材料一、材料的磁性二、纳米微粒的磁学性能 三、纳米固体材料的磁学性能 四、纳米磁性材料一、材料的磁性1. 材料的磁现象① 天然磁石：主要成分为Fe 3O 4，属于一种尖晶石结构的铁氧体，其显著特点是具有吸铁的能力，称为永磁材料，也称为硬磁或恒磁材料。
慈(磁)石的发现、磁石吸铁的发现、磁石指南和最早磁指南器(司南)的发明、指南针的发明和应用、地球磁偏角的发现、地球磁倾角的利用、磁在医药上的应用、北极光地球磁现象和太阳黑子、太阳磁现象的记载等，都是中国最早发现、发明、应用和记载的。
② 1820年，奥斯特发现电流产生磁场：距导线r 米处的磁场强度H 为： H = I / 2 r (A/m)1 A/m = 4103Oe (Oersted)材料在外加磁场 H （直流、交变或脉冲磁场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度B ，单位为T(Tesla)或韦伯/米2(Wb/m 2)。
1T = 1 Wb/m 21T = 104Gauss：磁导率，为材料的本征参数： 4 10-7亨利/米③ 其他表征磁性材料的参数：相对磁导率：r=/磁化率： = r– 1磁化强度：M = H2. 材料磁性的微观机理 ① 基本概念：磁偶极子：线度小至原子的小磁铁，可等效为环绕电路流动的电荷，如电子绕原子核的运动、电子的自旋、旋转的电子核等。
磁偶极矩P m ：真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩。
磁矩m ：P m 与0的比值，单位为A·m 2。
② 材料的宏观磁性：由组成材料的原子中电子的磁矩引起，产生磁矩的原因有二：i ）电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩m o 。
ii ）每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩m s ，它比m o 大得多。
故每个电子可看成一个小磁体，具有永久的m o 和m s 。
Bohr 磁子B= e ħ/2m e每个电子的m s B， m o 受不断变化方向的晶格场作用，不能形成联合磁矩。