磁性材料进展概览_都有为

２０ 世 纪 ７０ 年 代 采 用 快 淬 工 艺 制 备 成 非 晶 态 材 料 ，其 中 包 含 磁 性 的 非 晶 材 料 ，经 合 适 的 退 火 处 理 后 可 转变为软磁性能 更 佳 的 纳 米 晶 材 料，在 纳 米 科 技 的 大 潮中，纳米磁性材料亦 成 为 主 角 之 一，早 在 ２０ 世 纪 ６０ 年代纳米磁性颗 粒 已 制 备 成 磁 性 液 体，用 于 动 态 的 真 空 密 封 等 领 域 ，也 许 这 是 最 先 进 入 商 品 化 的 纳 米 材 料 ， ７０年代纳米 磁 性 颗 粒 在 高 密 度 磁 盘 中 得 到 应 用。 因 此，磁性材料又增 加 一 种 按 维 度 分 类 的 方 式：零 维，一 维 ，二 维 ，非 晶 ，纳 米 晶 ，块 体 材 料 。
ｔｉｍｅ［１］ 由图１显见，作 为 永 磁 材 料，经 历 了 碳 钢－铝 镍 钴－ 锶 （钡 ）铁 氧 体－稀 土 永 磁 的 发 展 阶 段，Ｈｃ 可 高 于 １ ０００ｋＡ／ｍ，这意味着 材 料 磁 性 越 来 越 “硬”，而 软 磁 材料经历了 纯 铁－硅 铁－铁 镍－软 磁 铁 氧 体－非 晶－纳 米 微 晶 材 料 的 历 程 ，矫 顽 力 越 来 越 小 ，对 纳 米 晶 磁 性 材 料 可 低于０．１Ａ／ｍ。这意 味 着 材 料 磁 性 越 来 越 “软”，由 图 可见，大概 在 １８００ 年 永 磁 与 软 磁 矫 顽 力 二 者 相 差 约 １０２，但现在二者之差约１０８，科技的进步呈现非 线 性 地 迅速发展。 以下简单介绍永磁与软磁的进展
量子力学的能带理论合理地解释了金属磁性材料
磁矩非整数的问 题，不 同 的 磁 性 材 料 中 自 旋 间 的 耦 合 可以不同，交换 作 用 源 于 不 同 晶 位 自 旋 电 子 间 的 静 电 互作用，目前主要 的 交 换 作 用 有 ５ 类：直 接 交 换 作 用、 间接交换作用、超 交 换 作 用、巡 游 电 子 作 用、ＲＫＫＹ 作 用 ，分 别 应 用 于 金 属 、氧 化 物 等 材 料 ，从 电 性 上 考 虑 ，磁 性材料又可分类 为 金 属、氧 化 物、半 金 属，半 导 体 等 类 型。
２ Ａ 类磁性材料进展掠影
近千年来，Ａ 类材料的发展可用一句话来概况：永 磁与软磁二类材 料 的 矫 顽 力 二 极 分 化 显 著 加 剧，可 用 一 张 图 来 形 象 表 述 ，如 图 １ 所 示 。
图１ 磁性材料矫顽力 Ｈｃ 随年代的演变［１］ Ｆｉｇ １Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ
要性能应当达到或超过表中所表述的数据 NhomakorabeaＴａｂｌｅ １Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ．Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｃｈ ｏｒ ｓｕｒｐａｓｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔａｂｌｅ
＊ 收到初稿日期：２０１４－０３－０８
收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１４－０４－０８
通 讯 作 者 ：都 有 为 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｙｗ＠ｎｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
作 者 简 介 ： 都 有 为 ，男 ，南 京 大 学 物 理 系 教 授 ，博 士 生 导 师 ，中 国 科 学 院 院 士 ，从 事 磁 学 与 磁 性 材 料 的 教 学 和 研 究 工 作 。
２１世纪磁性材料 发 展 的 展 望，对 Ａ 类 材 料，目 前 尚 未 看 到 新 突 破 的 苗 头 ，扩 大 应 用 ，针 对 应 用 进 一 步 改 善 材 料 性 能 ，精 益 求 精 改 进 制 备 工 艺 与 设 备 ，将 会 取 得 进 展 ，对 新 材 料 的 探 索 应 当 锲 而 不 舍 ，尤 其 对 新 一 代 永 磁、软磁材料的探索。对 Ｂ 类材料，尤其自旋电子学新 材 料 与 新 纳 米 微 结 构 的 构 筑 ，调 控 自 旋 新 模 式 的 探 索 ， 自 旋 芯 片 的 产 业 化 ，新 颖 自 旋 器 件 的 研 发 ，将 会 渐 入 佳 境 ，形 成 高 科 技 的 产 业 群 ，以 往 ，材 料 与 器 件 是 分 离 的 ， 而 在 纳 米 、微 米 等 人 工 微 结 构 中 ，材 料 与 器 件 是 一 体 化 无 法 分 离 的 ，如 自 旋 电 子 学 材 料 与 器 件 ；超 （构 ）材 料 与 器件等。
都 有 为 ：磁 性 材 料 进 展 概 览
文 章 编 号 ：１００１－９７３１（２０１４）１０－１０００１－０４
磁性材料进展概览＊
１０００１
都有为
（南京大学 物理系，南京 ２１００９３）
摘 要 ： 简 要 地 介 绍 了 磁 性 材 料 的 进 展 ，同 时 对 磁 性
材料的分类提出了除按磁滞回线分类外还可以按交叉
２．１ 永 磁
图２大体上反映了永磁材料的演变与进展。
２０１４ 年 第 １０ 期 （４５）卷
图 ２ 永 磁 材 料 磁 能 积 的 历 史 演 变 ［２］ Ｆｉｇ ２ Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ
ｐｒｏｄｕｃｔ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ 永磁材 料 经 历 了 碳 钢－鋁 镍 钴－（钡、锶 ）铁 氧 体－ ＳｍＣｏ５ －Ｓｍ２Ｃｏ１７－ＮｄＦｅＢ 几 个 主 要 的 发 展 阶 段，（永 磁／软磁）纳米复 合 的 交 换 耦 合 永 磁 体 由 于 性 能 不 高， 目前尚 未 进 入 主 流 产 品。 至 于 第 四 代 永 磁 出 现 的 条 件，从（ＢＨ ）ｍ 理 论 ＝μｏＭＳ２／４ 进 行 估 算，三 代 稀 土 永 磁性能对比，预 言 第 四 代 永 磁 体 主 要 性 能 应 当 达 到 或 超过表 １ 中 所 表 述 的 数 据，见 表 １，其 ＪＳ 至 少 应 大 于 １．８Ｔ，应当具有低对称性 的 晶 体 结 构，才 有 可 能 高 于 钕 铁 硼 的 磁 晶 各 向 异 性，此 外 居 里 温 度 应 高 于 室 温。 在稀土化合物系 统 中 存 在 较 高 的 几 率，但 也 不 排 斥 磁 性复合系统中的探索。 表１ 三代 稀 土 永 磁 性 能 对 比，预 言 第 四 代 永 磁 体 主
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现代与先进呢？因 此，笔 者 建 议 分 为 二 大 类：Ａ 类：以 磁滞回线为特性的磁 性 材 料，如 永 磁、软 磁、矩 磁 等；Ｂ 类 ：以 交 叉 耦 合 效 应 为 特 性 的 磁 性 材 料 ，如 磁 致 伸 缩 材 料、磁光材料；旋磁、吸 波 材 料、磁 热 材 料、自 旋 电 子 学 材 料 、多 铁 性 材 料 等 。 如 按 应 用 来 分 类 ，会 五 花 八 门 难 以显示出材料的特性。
除上述的非晶、纳米晶外，２０ 世纪 ６０ 年代 第 一 代 稀土－３ｄ过 渡 元 素 合 金 ＳｍＣｏ５ 问 世，７０ 年 代 第 二 代 稀 土永磁 Ｓｍ２Ｃｏ１ ７，８０ 年 代 第 三 代 稀 土 永 磁 Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ 相继研发成功，尤 其 是 钕 铁 硼 永 磁 体 其 磁 能 积 为 铁 氧 体永磁体的 １０ 倍，高 居 永 磁 之 王 的 宝 座。８０ 年 代 在 稀土－３ｄ过渡化合物中又 发 现 （ＴｂＤｙ）Ｆｅ２ 超 磁 致 伸 缩 效应材料，８０年代法国 Ａ．Ｆｅｒｔ与德国 Ｐ．Ｇｒüｎｂｅｒｇ二 位科学家在研 究 （Ｆｅ／Ｃｒ／Ｆｅ）ｎ 多 层 膜 层 间 耦 合 时，独 立发现巨磁电阻 效 应，从 而 拉 开 了 自 旋 电 子 学 新 学 科 的序幕，这是人 类 第 一 次 在 电 输 运 过 程 中 利 用 电 子 自 旋的特性，鉴于其 重 要 性，二 位 科 学 家 荣 获 ２００７ 年 度 诺贝尔物理学奖，其 基 础 研 究 与 丰 富 多 彩 的 应 用 正 方 兴 未 艾 。 除 此 以 外 ，在 ２０ 世 纪 还 发 现 室 温 附 近 具 有 巨 磁热效应的磁性 材 料；同 时 具 有 铁 电 与 铁 磁 性 能 的 多 铁性材料等。
第一代 第二代 第三代 第四代
稀土永磁 晶体结构
ＳｍＣｏ５ Ｓｍ２Ｃｏ１７ Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ ＣａＣｕ５ 型 六角或 四方晶系 六角晶系 菱方结构
效应进行分类的观点。调控自旋将成为新世纪重要的
研究领域。
关 键 词 ： 磁 性 材 料 ；分 类 ；自 旋
中 图 分 类 号 ： ＴＭ２７
文 献 标 识 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１４．１０．００１
１ 磁 性 材 料 进 展 掠 影 与 分 类
中 国 古 代 就 有 “慈 石 吸 铁 ，母 子 相 恋 ”的 记 载 ，生 动 地描述了磁性物 质 之 间 的 相 互 作 用，并 利 用 磁 性 体 在 地球磁场的作用下的南北趋向性制成司南与指南针。 磁是自然界中普 遍 存 在 的 物 质 的 基 本 属 性，人 类 对 自 然界磁性 的 宏 观 认 识 与 利 用 已 逾 千 年，１７ 世 纪 英 国 Ｗ．Ｇｉｌｂｅｒｔ（论 磁 体 ）对 静 磁 现 象 进 行 了 概 括 与 归 纳， １９０７年 Ｐ．Ｗｅｉｓｓ提 出 了 分 子 场 理 论、磁 畴 理 论，１９４０ 年 Ｂｒｏｗｎ 的 微 磁 学 理 论，因 此 １７－２０ 世 纪 初 的 磁 性 研 究工作基本上奠定了描述磁性材料静态特性的宏观理 论 ，磁 性 材 料 主 要 的 特 性 是 具 有 磁 滞 回 线 ，因 此 早 期 采 用磁滞回线的特 性 对 磁 性 材 料 进 行 分 类：永 磁、软 磁、 矩磁等。２０世 纪 量 子 力 学 的 呈 现 使 人 类 对 客 观 世 界 的认识从宏观进 入 到 微 观 的 层 次，电 子 绕 原 子 核 循 轨 运动必然导致 电 子 的 轨 道 磁 矩，１９２８ 年 Ｄｉｒａｃ的 量 子 电动力学理论引 入 了 电 子 具 有 自 旋 磁 矩，合 理 地 解 释 了原子光谱中的精细结构以及银原子束在非均匀磁场 中分裂为双线的 现 象，因 此 电 荷 与 自 旋 成 为 电 子 所 具 有的本 征 特 性，同 年 Ｗ．Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ 交 换 作 用 理 论 为 铁磁性奠定了微 观 理 论 基 础，从 量 子 理 论 出 发 阐 明 了 铁磁性来源，表 明 了 Ｗｅｉｓｓ假 定 的 分 子 场 实 质 上 是 源 于交换作用，１９３２年 Ｎ＇ｅｅｌ提 出 了 反 铁 磁 性 理 论，后 经 中子衍射实验证 实，显 然，亚 铁 磁 是 反 铁 磁 性 的 特 例， １９４８年被用来解释铁 氧 体 的 磁 有 序 结 构，磁 性 材 料 可 定义为磁有序材 料：铁 磁、反 铁 磁、亚 铁 磁、螺 旋 磁 性、 超 顺 磁 性 等 ，这 也 是 磁 性 材 料 另 一 种 分 类 方 式 ，从 广 义 的 材 料 磁 性 出 发 ，除 磁 有 序 材 料 外 ，大 部 分 材 料 又 可 归 纳为磁无序的顺磁性与抗磁性材料。通常磁性材料限 于具有强磁性的磁有序材料。