磁性纳米材料论文

1 磁性纳米材料的定义和进展

纳米材料又称纳米结构材料,是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料(1 - 100nm) ,或由它们作为基本单元构成的材料,是尺寸介于原子、分子与宏观物体之间的介观体系,因此,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性。而纳米磁性材料和纳米磁性又分别是纳米科学技术和纳米物性的一个组成部分。

颗粒的磁性,理论上始于20 世纪初期发展起来的磁畴理论,理论与实验表明:当磁性微粒处于单畴尺寸时,矫顽力将呈现极大值。铁磁材料,如铁、镍、钻等磁性单畴临界尺寸大约处于l0 nm 量级,在应用上,可以作为高矫顽力的永磁材料和磁记录材料。由于颗粒磁性与其尺寸有关,若尺寸进一步减小,颗粒将在一定的温度范围内将呈现出超顺磁性。利用微粒的超顺磁性,人们在50 年代开始对镍纳米微粒的低温磁性进行了研究,提出了磁宏观量子隧道效应的概念,并在60 年代末期研制成了磁性液体。60 年代非晶态磁性材料的诞生为磁性材料增添了新的一页,也为80 年代纳米微晶磁性材料(纳米微晶软磁材料、纳米复合永磁材料) 的问世铺平了道路。80 年代以后,在理论与实验二方面,开始对纳米磁性微粒的磁宏观量子隧道效应进行研究,现已成为基础研究的重要课题之一。如1988 年首先在Fe/ Cr 多层膜中发现了巨磁电阻效应,叩开了新兴的磁电子学的大门,为纳米磁性材料的研究开拓了新的领域[2 - 4 ] 。

2 磁性纳米材料的特点

量子尺寸效应: 材料的能级间距是和原子数N 成反比的,因此,

当颗粒尺度小到一定的程度,颗粒内含有的原子数N 有限,纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散,纳米半导体微粒则存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道,能隙变宽。当这能隙间距大于材料物性的热能,磁能,静电能,光子能等等时,就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。

小尺寸效应:当粒子尺度小到可以与光波波长,磁交换长度,磁畴壁宽度,传导电子德布罗意波长,超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时,原有晶体周期性边界条件破坏,物性也就表现出新的效应,如从磁有序变成磁无序,磁矫顽力变化,金属熔点下降等。

宏观量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力,称为量子隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中,发现宏观磁学量如磁化强度,磁通量等也具有隧道效应,这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限。

3 磁性纳米材料的应用

由于纳米磁性材料具有多种特别的纳米磁特性,可制成纳米磁膜(包括磁多层膜) 、纳米磁线、纳米磁粉(包括磁粉块体) 和磁性液体等多种形态的磁性材料,因而已在传统技术和高新技术、工农业生产和国防科研以及社会生活中获得了多方面的广泛而重要的应用

[19 ] 。

3. 1 在磁记录方面的应用

在当代信息社会中,磁信息材料和技术的应用占有很大的比例,而纳米磁性材料更开创了重要的新应用,例如,电子计算机中的磁自旋随机存储器,磁电子学中的自旋阀磁读出头和自旋阀三极管等都是应用多层纳米磁膜研制成的[20 ] 。最近国际上在Co 铁氧体和磁性金属的复合磁记录材料的研究中取得了高饱和磁化强度(Ms) 和高矫顽力( HO) 同时兼备的良好效果[21 ] 。

3. 2 在纳米永磁材料方面的应用

对于永磁材料,要求磁性强,保持磁性的能力强,磁性稳定,即要求永磁材料具有高的最大磁能积[ (BH) max ] 、高的剩余磁通密度(Br) 和高的矫顽力( HO) ,同时要求这三个磁学量对温度等环境条件具有较高的的稳定性。在实际情况中,要求(BH) max ,Br 和He 三者都较高是困难的,所以只能根据不同的需要来选择适当的永磁材料。目前永磁材料研究较多的是稀土永磁材料,一些稀土元素具有高的原子磁矩、高的磁晶各向异性、高的磁致伸缩系数、高的磁光效应及低的磁转变点(居里点) 。由高的原子磁矩可以得到高的剩磁,由高的磁晶各向异性可以得到高的矫顽力。钴和铁的居里点很高,分别为1 131 ℃和770 ℃,选取适当的稀土元素和Co 或Fe 的金属间化合物,可制得永磁性能良好的永磁材料。纳米磁性材料的特点之一是在一定条件下可得到单磁畴结构,因而可显著提高永磁材料的矫顽力和永磁性能。纳米级的永磁材料磁性能更优越,其永磁性能可以随合金的组

元、含量和制造工艺等不同而有显著的变化。

3. 3 在纳米软磁材料方面的应用

对于软磁材料,一般要求有高的起始磁导率和饱和磁化强度,低

的矫顽力和磁损耗,宽频带等。研究表明,只要选择适当的化学组分和工艺条件,便可以分别制成性能优越的纳米永磁材料和纳米软磁材料。例如采用射频溅射法制成的纳米晶磁膜,己被制成高起始磁导率、高饱和磁通密度、高居里温度的“三高”纳米软磁材料。近年来开发的纳米磁性材料正沿着高频、多功能的方向发展,其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面,如功率变压器、高频变压器、扼流圈、可饱和电流器、互感器、磁屏蔽磁头等[22 ] 。新近发现的纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应,又为它作为磁敏感元件的应用增添了多彩的一笔。

3. 4 在纳米吸波材料领域的应用

随着雷达、微波通信、电子对抗和环保等军用、民用科学技术的发展,微波吸收材料的应用日趋广泛,磁性纳米吸波材料的研究受到

人们的关注。纳米铁氧体具有复介质吸收特性,是微波吸收材料中较好的一种。其基本原理是当微波信号通过铁氧体材料时,将电磁波能量转化为其它形式能量(主要是热能) 而被消耗掉。这种损耗主要是铁氧体的磁致损耗和介质电损耗所致。纳米磁性材料,特别是类似铁氧体的纳米磁性材料放入涂料中,既有优良的吸波特性,又有良好的

吸收和耗散红外线的性能加之密度小,在隐身方面的应用上有明显的优越性。

3. 5 在生物医学领域的应用

运用于生物医学领域的纳米材料也叫纳米生物材料,具有

小尺寸效应、良好的磁向导性、生物相容性、生物降解性和活性

功能基团等特点[ 15 ] 。医学实验研究表明磁流体能逃逸网状内皮细胞系统的吞噬,具有优良的导向性,是对生物体最有应用前景

的导向材料之一[ 16 ] 。此外,将纳米磁性粒子制成药物载体,通过静脉注射到动物体内,在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性

导航,使其移动到病变部位达到定向治疗的目的,该方法局部治

疗效果好而且副作用少。

[ 15 ] 赵强,庞小峰. 纳米磁性生物材料研究进展及其应用[ J ]. 原子与分

子物理学报, 2005, 22 (2) : 222 - 225.

[ 16 ] 陈晓青,张俊山. 双层表面活性剂分散制备水基磁流体[ J ]. 无机化

学学报, 2003, 19 (5) : 548 - 551.__

3. 6 在金属有机高分子磁性材料方面的应用

自80 年代末,国际上出现了以有机高分子化学和物理学为主的

交叉学科:有机高分子磁学,打破了磁体只有与3d 和4f 电子金属有关,而与有机高分子无关的传统看法。有机金属高分子磁性材料分为复合型和结构型两大类:前者是在合成树脂中添加铁氧体或稀土类磁粉,经成型,磁化成塑料磁性材料。后者是在不加磁粉的情况下,其自