磁性纳米材料
磁性纳米材料在生物医学领域的应用研究
磁性纳米材料在生物医学领域的应用研究磁性纳米材料是一种具有特殊磁性性质和微小尺寸的纳米粒子，其应用领域广泛，尤其在生物医学领域中具备巨大的潜力。
本文将重点探讨磁性纳米材料在生物医学领域中的应用研究进展，涉及其在诊断、治疗和生物分析等方面的应用。
一、磁性纳米材料在医学诊断中的应用1. 磁共振成像（MRI）磁性纳米材料具有优异的磁性性能，可作为MRI对比剂，提高诊断的准确性和敏感性。
通过将磁性纳米材料注射到患者体内，可以更清晰地展现组织和器官的结构，检测疾病的早期变化。
2. 磁性粒子法磁性纳米粒子可以与药物或抗体等生物标志物结合，通过外加磁场作用，将其靶向输送至病变部位，实现对疾病的定位和治疗。
这种磁性粒子法已广泛应用于肿瘤治疗、心脑血管疾病诊断与治疗以及传统药物的改良。
二、磁性纳米材料在医学治疗中的应用1. 靶向治疗利用磁性纳米材料的磁性效应，将其与药物结合，可以实现药物的靶向输送，减少对正常细胞的损害，提高治疗效果。
例如，通过将磁性纳米材料修饰在药物分子上，可以实现对肿瘤细胞的选择性杀伤。
2. 热疗磁性纳米材料在外加磁场的作用下产生剧烈的磁性加热效应，可用于局部热疗。
将磁性纳米材料注射到肿瘤组织中，通过对磁场加热，使肿瘤组织局部升温，达到杀灭肿瘤的目的。
这种热疗方法具有非侵入性、无辐射的特点，被广泛应用于肿瘤治疗领域。
三、磁性纳米材料在生物分析中的应用1. 生物标记磁性纳米材料可以作为生物标记物，通过与生物分子（如蛋白质、抗体等）结合，实现对生物分子的检测和定量分析。
磁性纳米材料的磁性效应可通过磁性检测方法进行分析，具备高灵敏度和快速反应的特点。
2. 磁性免疫分析磁性纳米材料结合传统的免疫分析方法，可以实现对生物样品中微量成分的快速检测。
通过对磁性纳米材料的修饰和功能化，可以提高检测的灵敏度和选择性，并且实现高通量、自动化的分析过程。
总结：磁性纳米材料在生物医学领域中的应用研究已取得了许多令人瞩目的进展。
纳米磁性材料的制备与性能优化方法
纳米磁性材料的制备与性能优化方法概述：纳米磁性材料是一种具有很高应用潜力的材料，其独特的磁性能使其在信息存储、生物医学、能源等领域展现出广泛的应用前景。
制备高质量的纳米磁性材料并优化其性能是实现这些应用的重要关键。
本文将介绍纳米磁性材料的制备方法，并探讨了性能优化的策略。
一、纳米磁性材料的制备方法1. 化学合成法：化学合成法是制备纳米磁性材料最常用的方法之一。
其中，共沉淀法、热分解法和溶胶凝胶法是常用的制备方法。
在共沉淀法中，通过溶液的共沉淀反应，将金属离子还原成金属粒子，形成纳米尺寸的磁性材料。
热分解法则通过高温下的化学反应使金属有机络合物分解，生成磁性纳米颗粒。
溶胶凝胶法则通过溶胶和凝胶中间相的相互转化，形成纳米尺寸的颗粒。
2. 物理制备法：物理制备方法主要包括溅射法、磁控溅射法、熔融法和机械合金化法。
溅射法利用高速离子轰击固体靶材产生的溅射粒子来形成纳米尺寸的磁性材料。
磁控溅射法则在溅射过程中加入磁场，以控制溅射和成膜过程中的离子行为，进一步优化纳米磁性材料的性能。
熔融法则利用高温使固相反应发生，形成纳米尺寸的磁性材料。
机械合金化法则通过高能球磨使原料粉末发生冶金反应，形成纳米尺寸的磁性材料。
二、纳米磁性材料的性能优化方法1. 形貌调控：通过调控纳米磁性材料的形貌，可以有效优化其性能。
例如，可以通过调控合成方法和条件，控制颗粒的大小、形状和分布，从而影响其磁性能。
此外，还可以利用表面修饰剂对纳米颗粒进行表面修饰，如包覆一层稳定剂或功能化分子，增强其磁性能、稳定性以及生物相容性等特性。
2. 结构调控：纳米磁性材料的晶体结构对其磁性能具有重要影响。
可以通过控制合成条件和添加适当的合金元素来调控晶格结构，从而优化其磁性能。
此外，还可以通过结构调控来调整纳米磁性材料的饱和磁化强度、居里温度和磁晶各项差等性能指标。
3. 磁场处理：磁场处理是一种常用且有效的优化纳米磁性材料性能的方法。
通过对纳米材料施加外加磁场，并在特定磁场条件下进行退火和磁化处理，可以有效地调控纳米磁性材料的结晶度、晶体尺寸和磁畴结构等参数，从而优化其磁性能。
纳米磁性材料
纳米磁性材料在大自然中，许多生物体内都存在着天然的纳米磁性粒子，例如：鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人类大脑中平均含有20微克（约500万粒）的磁性纳米粒子，这些存在的纳米磁性微粒能够起到引导方向的作用，但是是如何和神经系统所联系至今还是个谜。
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(1-10nm)。
磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱和基础,广泛应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域。
而现代社会信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向发展,因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。
所以纳米磁性材料的特殊磁性是属于纳米磁性，而纳米磁性材料和纳米磁性又分别是纳米科学和纳米物性的一个组成部分。
一、磁性纳米材料简介磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，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。
磁性纳米材料可以大体分为固体磁性材料和磁流体。
固体磁性材料中又包含铁磁材料。
具有铁磁性的纳米材料如纳米晶Ni，γ-Fe2O3等可作为磁性材料。
铁磁材料可分为软磁材料和硬磁材料。
软磁材料的主要特点是磁导率高饱和磁化啊强度大、电阻高、损耗低、稳定性好。
硬磁材料的主要特点是剩磁要大矫顽力也要大，不易去磁。
对温度、时间、振动等干扰的稳定性要好。
磁流体作为一种特殊的功能材料,是把纳米数量级(10纳米左右)的磁性粒子包裹一层长链的表面活性剂，均匀的分散在基液中形成的一种均匀稳定的胶体溶液。
磁流体由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成。
一般常用的有Fe3O4、Fe2O3、Ni、Co 等作为磁性颗粒，以水、有机溶剂、油等作为基液，以油酸等作为活性剂防止团聚。
二、磁性纳米材料的特点1. 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。
纳米磁性材料ppt课件
3. 1988年，法国巴黎大学教授研究组首先在Fe/Cr纳米结构的多 层膜中发现了巨磁电阻效应，引起国际上的反响。此后，美国、 日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术中的应用投入很 大的力量，兴起纳米磁性材料的开发应用热。1988年，由非晶态 FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒，获得了新型的纳米晶软磁材 料； 4. 1988年，人们发现了磁性多层膜的巨磁电阻效应，并由此产生 一门新兴学科：自旋电子学。 5. 1993年，人们通过理论研究发现，纳米级的软磁和硬磁颗粒复 合将综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点获得磁能积比现有最好NdFeB 高一倍的新型纳米硬磁材料。 6. 进人21世纪以来，利用模板生长一维磁性纳米丝的研究很活跃， 材料包括单一金属、合金、化合物、多层材料、复合材料等，应 用目标也从存储介质到细胞分离，多种多样。
（4）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 规则的热运动。基液包括：水基、煤油基、短基、二醋基、 聚苯基、硅油基、氟碳基等。
（5）磁性液体的特点
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。
二、纳米磁性材料的定义
纳米磁性材料是指材料尺寸限度 Nano Material
在纳米级，通常在1-100nm的准
0D
零维超细微粉，一维超细纤维
（丝）或二维超薄膜或由它们组
成的固态或液态磁性材料。当传
1D
统固体材料经过科技手段被细化
到纳米级时，其表面和量子隧道
等
4、 磁性液体
（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。
磁性纳米材料在生物医学中的应用
磁性纳米材料在生物医学中的应用关键信息项：1、磁性纳米材料的种类2、应用的生物医学领域3、具体的应用方式和效果4、潜在的风险和安全性问题5、研究和开发的合作模式6、知识产权的归属和保护7、成果的推广和应用策略8、质量控制和标准制定9、监管和审批要求10、责任和义务的划分11 引言磁性纳米材料由于其独特的物理和化学性质，在生物医学领域展现出了巨大的应用潜力。
本协议旨在明确磁性纳米材料在生物医学中的应用相关事宜，促进其合理、安全、有效地发展和应用。
111 磁性纳米材料的种类1111 磁性氧化铁纳米颗粒，如超顺磁性氧化铁纳米颗粒，具有良好的生物相容性和磁响应性。
1112 磁性金纳米材料，结合了金的稳定性和磁性特性。
1113 磁性聚合物纳米复合材料，兼具高分子材料的性能和磁性。
112 应用的生物医学领域1121 医学成像，包括磁共振成像（MRI）增强，提高疾病诊断的准确性。
1122 药物输送，实现靶向给药，提高药物疗效并降低副作用。
1123 肿瘤治疗，如磁热疗，通过磁场作用加热纳米材料杀伤肿瘤细胞。
1124 生物分离和检测，用于分离和检测生物分子。
113 具体的应用方式和效果1131 在医学成像中，磁性纳米材料可作为对比剂，通过改变局部磁场增强图像对比度。
1132 药物输送方面，可通过表面修饰实现药物的负载和控释。
1133 磁热疗中，精确控制磁场强度和频率以达到最佳治疗效果。
114 潜在的风险和安全性问题1141 生物相容性问题，可能引发免疫反应或细胞毒性。
1142 长期体内滞留可能导致的潜在危害。
1143 纳米材料的团聚和聚集可能影响其性能和安全性。
115 研究和开发的合作模式1151 各方的分工和职责，包括材料合成、性能测试、生物实验等。
1152 信息共享和交流机制，确保及时沟通研究进展和问题。
1153 合作的时间节点和阶段性目标。
116 知识产权的归属和保护1161 明确在合作过程中产生的新发明、新技术的知识产权归属。
磁性纳米材料
磁性纳米材料磁性纳米材料是指具有纳米尺度的磁性特性的材料。
由于其特殊的结构和性质，磁性纳米材料在科学研究和工业应用中具有广泛的应用前景。
磁性纳米材料具有以下几个特点：首先，磁性纳米材料具有较大的比表面积。
纳米材料由于其尺寸较小，其比表面积较大，因此磁性纳米材料具有更高的活性。
其次，磁性纳米材料具有优异的磁性能。
磁性纳米材料具有较高的矫顽力和剩磁，因此具有较高的磁导率和饱和磁感应强度。
此外，磁性纳米材料还具有优异的磁畴特性和磁矩特性。
再次，磁性纳米材料可通过外界磁场进行控制。
磁性纳米材料中的磁矩会对外界磁场做出响应，因此可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的性质和行为。
磁性纳米材料在科学研究领域具有广泛的应用。
一方面，磁性纳米材料可以用于磁共振成像（MRI）、细胞分离、基因和药物传递、磁性流体和磁性流体密封等医学领域。
由于纳米材料具有较高的比表面积和强大的磁性能，因此可以提高MRI的分辨率和灵敏度，并且可以在细胞分离和基因药物传递等领域具有广泛的应用前景。
另一方面，磁性纳米材料也可以应用于磁记录和磁传感等信息技术领域。
磁性纳米材料可以用作磁性存储介质，由于其较大的磁畴特性和独特的磁矩特性，能够提高磁记录的存储密度和读写速度。
此外，磁性纳米材料还具有广泛的应用前景。
例如，磁性纳米材料可以应用于环境领域，用于水处理和废水处理。
由于纳米材料具有较大的比表面积，可以提高水中杂质的吸附和去除效果。
另外，磁性纳米材料还可以应用于能源领域，例如用于催化剂的支撑材料、锂离子电池和燃料电池的电极材料等。
总之，磁性纳米材料具有广泛的应用前景，可以在医学、信息技术、环境和能源等领域发挥重要作用。
随着纳米技术的不断发展和应用的扩大，磁性纳米材料的研究和应用将会进一步深入。
磁性纳米材料的合成与特性分析
磁性纳米材料的合成与特性分析在当今的科学研究领域中，磁性纳米材料因其独特的物理和化学性质，成为了材料科学中的一个热门研究方向。
磁性纳米材料具有超顺磁性、高矫顽力、低居里温度等特性，在生物医学、电子信息、环境保护等众多领域都展现出了广阔的应用前景。
本文将重点探讨磁性纳米材料的合成方法以及对其特性的分析。
一、磁性纳米材料的合成方法1、化学共沉淀法化学共沉淀法是制备磁性纳米材料最常用的方法之一。
其基本原理是将含有二价和三价铁离子的盐溶液在一定条件下混合，通过加入碱液使金属离子沉淀，经过一系列的处理得到磁性纳米粒子。
这种方法操作简单、成本低，但所制备的纳米粒子尺寸分布较宽，且容易团聚。
2、水热合成法水热合成法是在高温高压的水热条件下，使反应物在水溶液中进行反应生成纳米材料。
该方法可以有效地控制纳米粒子的尺寸和形貌，所制备的磁性纳米粒子结晶度高、分散性好，但反应条件较为苛刻，对设备要求较高。
3、热分解法热分解法通常是在高沸点有机溶剂中，将金属有机前驱体在高温下分解，得到磁性纳米粒子。
这种方法能够制备出尺寸均匀、单分散性好的纳米粒子，但所用的前驱体往往较为昂贵，且反应过程中需要严格控制温度和气氛。
4、微乳液法微乳液法是利用微乳液体系中的微小“水池”作为反应场所，控制纳米粒子的成核和生长。
该方法可以制备出粒径小且分布均匀的磁性纳米粒子，但微乳液的制备和后续处理较为复杂。
二、磁性纳米材料的特性1、磁学特性磁性纳米材料的磁学特性是其最重要的性质之一。
当纳米粒子的尺寸小于一定值时，会出现超顺磁性现象，即在没有外加磁场时，纳米粒子的磁性消失，而在外加磁场作用下，表现出较强的磁性。
此外，磁性纳米材料的矫顽力、饱和磁化强度等参数也会随着粒子尺寸、形状和晶体结构的变化而改变。
2、表面特性由于纳米粒子的比表面积大，表面原子所占比例高，因此表面特性对磁性纳米材料的性能有着重要影响。
表面活性剂的修饰可以改善纳米粒子的分散性和稳定性，同时也可以赋予其特定的功能，如生物相容性、靶向性等。
纳米磁性材料
（2）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， 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， 在致可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用 ， 能在基液 中作无规则的热运动。 中作无规则的热运动。 （3） 基液 ） 水基、 煤油基 、 短基 、 二醋基 、 聚苯基 、 硅油基 、 水基 、 煤油基、 短基、 二醋基、 聚苯基、 硅油基、 氟碳基等。 氟碳基等。
5. 纳米磁记录材料
磁性纳米粒子由于尺寸小，具有单磁畴结构， 磁性纳米粒子由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很 用它制作磁记录材料，能使记录密度大大提高， 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， 倍以上； 通的磁性材料提高 倍以上； 还可以提高声噪比，改善图象 质量。 质量。 20世纪 年代，高密度磁记录用的磁粉的尺寸就已进入到纳 世纪80年代 世纪 年代， 米尺寸，例如： 米尺寸，例如： 磁粉尺寸给为200nm×35nm， （1） 性能优良的 ） 性能优良的CrO2磁粉尺寸给为 × ， （2） 铁或其合金磁粉的尺寸给为 ） 铁或其合金磁粉的尺寸给为20nm，并制成高密度的金 ， 属磁带， 属磁带， 年代发展起来的掺Co、 的钡铁氧体 的钡铁氧体（ （3） 90年代发展起来的掺 、Ti的钡铁氧体（BaFe12O19） ） 年代发展起来的掺 典型的颗粒尺寸为六角片形，直径50nm，厚20nm， 典型的颗粒尺寸为六角片形，直径 ， ， （4） 近年来，又研究氮化铁、碳化铁等类型的纳米磁粉。 ） 近年来，又研究氮化铁、碳化铁等类型的纳米磁粉。
1963年 ， 美国国家航空与航天局的帕彭首先 采用油酸为表 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)， 面活性剂，把它包覆在超细的Fe 微颗粒上(直径约为l m)， 并高度弥散于煤油(基液) 从而形成一种稳定的胶体体系。 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， 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 磁性液体。 一起运动，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体。
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• 尺寸K越大，退磁能越高。为降低能量，材料必然 分裂成磁畴.
临界尺寸
• 两个畴之间 的畴壁过渡区，磁矩必然偏离易轴，相邻 磁矩也不再平行，由此产生的畴壁能将介人总能量 的 平衡。180°畴壁的畴壁能密度
K1是各向异性常数，A,表示约化后的交换积分 • 令单畴的退磁能与分成两个磁畴的畴壁能、退磁能之和 相等，可得单畴临界尺寸Rc
• 粒子要表现出超顺磁性的临界尺寸V。 • 对于T =100 K时K = 107J/m3的材料，当尺寸为6. 3 nm 时粒子的弛豫时间t=10-1s， 而尺寸为6. 8 nm时，r=10 s；尺寸到7. 6 nm时r= 105s(即一天！）。由此可见，表 现出超顺 磁性的尺度范围是很窄的。 • 室温下呈现出超顺磁性的材料尺寸是：球形铁12 nm， 椭球铁3 nm,六角密积钴4 nm, 面心立方钴14 nm。 • 如果测量采 集数据的时间tm<t,就观察不到热起伏效果， 表现为通常的单畴，只有当tm>t时才可能观 察到超顺 磁性. • 对于直流磁测量，tm约为100 s，由tm=t得发生超顺磁 性的条件为 KV/kBTb = 25,Tb即截止温度。 • 对于穆斯堡尔谱测量tm约为10 -8s，相应的截止温度由式 决定。
2.3交换作用
• 交换作用（exchange interaction)是全同微观 多粒子系统里粒子间的一种等效相互作 用。 它 • 反映了全同粒子的不可分辨性，纯属量子效应， 没有与之对应的经典概念。 • 两种不同的磁性材料密切接触或被一个足够薄 的层隔开时，两种材料中的磁矩由于交 换作 用互相影响，造成磁矩的特殊方向的取向。这 种现象称作交换耦合（exchange coupling)。
• 对于超顺磁性粒子的胶体悬浊液，粒子间只有弱的静磁作 用和范德瓦尔斯力，热运动既可使粒子内磁化矢量克服磁 各向异性能的位垒而旋转，还可使粒子作整体运动，这就 是磁性液体。 • 热运动能kT使体积为V的粒子磁矩Ms越过各向异性常数为K 的势垒的几率为 p=exp(-KV/kBT)，即原来一致磁化的粒子 集合体，经过足够长的时间可衰减到剩磁为零，其弛豫时 间为t= (1/f0)exp( KV/kBT)，频率因子f0= 109S-1。 • 当粒子尺寸V固定时，粒子只有在某个临界温度Tb 之上才能 表现为超顺磁性，称为截止温度（blockmg temperature) 。 • 当测量所需要时间 tm大于颗粒磁矩弛豫时间时，测量所得 磁矩的时间平均值为零，系统表现出超顺磁性。
磁性液体
• 磁性液体（ferro fluid)由磁性微粒（<10 nm) +表面活性剂+基液组成; • 主要产品是20 世纪60年代就已经比较成熟的 磁性微粒：Fe3O4(10 nm),Co, Ni «(<6 nm)及 其合金或氮化 物。 • 常用基液为：水基、煤油基、烷基、二酯基、 聚苯基、硅油基、氟碳基。 • 磁性液体的特性是 磁性微粒在磁场作用下可 被磁化而且可运动。 • 所以主要应用在高速旋转轴密封、润滑剂、扬 声器、阻尼器件、密度分离永磁材料（permanent magnetic)的 代表性产品有： • Nd2Fe14 B • ThMn12 • Sm2Fe17Nx • Sm2 Fe1 7 C • Sm-Co-B（热稳定性、耐腐蚀性俱佳） 这些材料主要应用在电机和选矿机 械中
纳米磁记录材料
• 磁记录材料按形态分为颗粒状和连续薄膜 两类，按性质又分为金属和非金属材料。 • 代 表性产品有20世纪80年代的CrO2、铁合 金， • 20世纪90年代的掺Co的BaFe12019 • 21 世纪初的 FeN,FeC,g-Fe203 ,Cr02,Co-gFe203, Fe, BaFeO,等。
• 以上计算适用于180°畴壁且磁晶各向异性较强的情形。 • 由于直接把大块铁磁晶体中 关于磁畴和畴壁的概念推 广到铁磁颗粒，所以结果只能是定性的。关于颗粒单畴 临界尺寸 的计算已经有许多严格的理论。
纳米薄膜和纳米线
• 如果磁性薄膜的膜厚D较厚，磁矩在畴壁平面内旋 转，在畴壁内不产 生磁荷，而表面磁荷的退磁场影 响很小，称Bloch畴壁。 • 但当膜厚很薄时，表面磁荷的退磁 场就显重要，磁 矩将在膜面内旋转，即在膜面不产生磁荷，而磁荷 在畴壁中和两侧，称为 Neel畴壁。 • 对Fe-Ni膜，D>100 nm是Bloch畴壁，D<30 nm是 Neel畴壁，其中间是过渡态的十 字壁。 • 理论上讲，D<12mn时，薄膜就是单畴，但由于膜 内退磁场很难均勻，因此总会有磁畴产生。 • 至于纳米线中磁畴的特征，目前还在研究当中，这 里不再详述
• 一般两种材料一种为软磁，另一种为硬磁，也 可以一种为铁磁，另一种为反铁 磁。 • 铁磁（FM) /反铁磁（AFM)体系（如双层膜） 在外磁场中从高于反铁磁奈尔温度 冷却到低 温后，铁磁层的磁滞回线将沿磁场方向偏离原 点，其偏离量被称为交换偏臵场，通 常记作 HE,同时伴随着矫顽力的增加，这一现象被称 之为交换偏臵（exchange bias)。 • 交换 偏臵现象是Meikleijohn和Bean于1956年 在CoO外壳覆盖的Co颗粒中首先发现的。
2.2超顺磁性
• 体积为V的单畴磁性粒子的各向异性能近似为可KV，（K为各 向异性常 数）。 • 当磁性粒子的体积继续减小，各向异性能势垒也随之减小，这 样热运动能量kBT ，可能会超过各向异性能势垒KV而造成磁矩 取向翻转，使粒 子的磁化方向表现为磁的‚布朗运动‛，粒子 集合体的总磁化强度为零，这种现象称为超顺磁性。 • 超顺磁性的特征是矫顽力Hc0，磁化强度为 • m为粒子磁矩。 • 超顺磁性是磁有序纳米材料小尺寸效应的典型表现。超顺磁性 也可由朗之万函数描述，只 是粒子内不是单个原子或分子的磁 矩，而是磁有序的集合体，集合体之间的磁取向混乱排 列，其 宏观表现为‚顺磁性‛。
2.纳米磁性材料的基本特征
• • • • • • 磁畴 超顺磁性 交换作用 矫顽力 居里温度 磁化率
2.1磁畴
• 在纳米尺度下，纳米粒子将变成单畴粒子。当粒子 尺寸R很小时，畴壁能相对 于退磁能更严重，没有 必要再分磁畴，这样就形成了单畴粒子。 • 对于纳米颗粒，接把大块 铁磁晶体中关于磁畴和畴 壁的概念推广到铁磁颗粒。 • 块状磁性材料因交换作用能、磁各向异性能而使磁 矩平行排列在其易轴方向，从而将导致很强的退磁 能。
• 随后被IBM公司和富士通公司用于磁记录材料， 这就是IBM的AFC(antiferromagnetically coupled,反铁磁耦合）和富士通的 SFM(synthetic ferro media,合成铁介质）技术, 通过使用多层磁体结构来稳定磁记录信息的技 术。 • 虽然交换耦合的机制问题目前还没有完全清楚， 交换耦合原理的应用研究方兴未艾。 比如两 种新型的磁记录材料，即交换耦合复合介质 （exchange coupled composite ( ECO media) 和交换耦合弹性介质（exchange spring media, ESM)目前被很多人看好。
• 19 8 8年，由非晶态F e S i B退火通过掺杂C u和N b 控制晶粒，获得了新型的纳米晶软磁 材料； • 1988年，人们发现了磁性多层膜的巨磁电阻效应， 并由牝产生一门新兴学科：自旋电 子学。 • 1993年，人们通过理论研究发现，纳米级的软磁和 硬磁颗粒复合将综合软磁Ms高，硬 磁Hc高的优点 获得磁能积比现有最好NdFeB高一倍的新型纳米硬 磁材料。 • 进人21世纪 以来，利用模板生长一维磁性纳米丝的 研究很活跃，材料包括单一金属、合金、化合物、 多层 材料、复合材料等，应用目标也从存储介质到 细胞分离，多种多样。
• 许多生物体内有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌、 鸽子、海豚、石鳖、蜜蜂、人的大脑等。 • 石鳖齿舌中含有大量一维纳米磁性丝。这些一维纳米 丝由许多磁性柱构成，柱内是单 畴粒子的集合。 • 生物矿化的牙齿内部有机纤维组织网络成为纳米丝天 然生长模板。
模板截面及磁性材料在模板内形成过程
1磁性纳米材料的分类
纳米微晶软磁材料 纳米微晶永磁材料 纳米磁记录材料 磁性液体 纳米磁性颗粒膜材料 纳米磁致冷工质 巨磁电阻材料
纳米微晶软磁材料
• 纳米微晶软磁材料（soft magnetic)生产量大， 品种多，用于电力、电信及家电。 • 代表性 产品有高饱和磁化强度的 Fe73.5CuNbSi13.5B8 (Finement)以及纳米微晶 Fe-M-B,Fe-M-C, Fe-M-N，Fe-M-O等系列纳 米微晶软磁材料，其中M为Zr、Hf、Nb、Ta、 V等元素。 • 这些材 料主要应用在高密度磁头、各式变压 器、磁开关、感应器、高频微型电源开关、噪 声滤波器等产品上。
纳米磁性颗粒膜材料
• 纳米磁性颗粒膜材料（granular perpendicular medium, GPM)目前尚属研发阶段，可能 应用 在高密度磁记录及磁感应器。 • 目前商业化硬盘主要是以CoCrPt-SiO2材料为 记录层。 CoCrPt既可用作水平记录介质，又 可用作垂直记录介质。 • 用作垂直记录介质时，记录层以 Ku为底层通 过外延生长形成，所形成的磁性膜为颗粒膜。 • 非磁性SiO2的作用是 将磁性颗粒隔离开来,使 磁性颗粒间无磁耦合交换作用力，从而降低噪 声。
纳米磁致冷工质
• 与通常的压缩气体式制冷相比，磁制冷机 具有效率高、功耗低、噪声小、体积小、 无污染 等优点，这为食品冷冻和冷藏设备 开辟了新的途径。 • 磁制冷发展的趋势是由低温向高温发 展， 目前研究中的磁致冷工质典型代表有Gd， La-Ca-Mn-O，Gd5Si2Ge2 ,MnFePAs等材 料。
巨磁电阻材料
• 在一定磁场下电阻急剧减小，为一般磁性物质之十余倍， 这种现象称为R磁电阻现象 (giant magnetoresistance， GMR。 • 巨磁电阻材料有十分重要的应用，如磁感应 器件、高密 度读出磁头、磁储存器件、数控机床、非接触开关（即 磁敏开关，用于向动控制速度 与位臵测定、防盗警报系 统、汽车导航、点火装臵）、旋转编码器、MRAM(无电 源下可继续保 留信息）、磁盘、微弱磁场探测器（10-6 〜10-2 T)等。 • 特别值得一提的是其在高密度读 出磁头方面的应用。早 期的磁头都是感应式磁头，这种磁头不适合垂直磁记录 材料。GMR 效应发现后，很快用于磁阻式磁头的改进， 并发挥了非常大的作用。