纳米材料的磁学性能

《纳米材料的磁学性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米材料的磁学性能（121页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、 3.4纳米材料的磁学性能3.4.1磁学性能的尺寸效应3.4.2巨磁电阻效应3.4.3纳米磁性材料3.4.4磁性液体3.4.1 3.4.1 磁学性能的尺寸效应磁学性能的尺寸效应磁性是物质的基本属性 地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近。 磁性材料是古老而年轻的功能材料磁性材料是古老而年轻的功能材料司南用天然磁石琢磨而成，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻有二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，停下后长柄就指向南方地磁起源？ 沈括（10341094）梦溪笔谈“以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也” 吉尔伯特磁体（1600）地球本身就是一块

2、巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上各种假说假说一：地球内部有一个巨大的磁铁矿（铁、镍等） 无法解释：铁磁物质在温度升高到760以后，就会丧失磁性假说二：地球的环形电流产生地球的磁场，地球的自转-铁镍（熔融状态）转动-内部电子定向转动-环形电流-磁场 无法解释：地球磁场在历史上的几次倒转保护地球免受来自太空的宇宙射线的侵入宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早的重要应用之一-磁性液体飞船和宇航员头盔内部的压力舱外的压力宇宙的温度大气压力接近真空很低最好的橡胶密封寿命-几小时磁性磁性液体理论上寿命是无限的液体理论上寿命是无限的许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子例如：蜜蜂、海豚、鸽子

3、、石鳖、磁性细菌等物质的磁性从何而来？电荷的运动电荷的运动来源于构成物质的原子-原子核和围绕原子核运动的电子电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有N极和S极。电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多电子数目一样多，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性没有磁性。少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样数量不一样，这样，在自转相反的电子磁矩互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，这样，整个原子具有总的磁矩具有总的磁矩。 同时，由于一种被称为“交换作用交换作用”的机理，这

4、些原子磁矩之间被整齐地排列起来整齐地排列起来，整个物体也就有了磁性有了磁性。 磁学性能的尺寸效应磁学性能的尺寸效应 矫顽力矫顽力 超顺磁性超顺磁性 饱和磁化强度、居里温度与磁化率饱和磁化强度、居里温度与磁化率 磁学性能的尺寸效应磁学性能的尺寸效应晶粒尺寸进入纳米范围磁性材料的磁学性能具有明显尺寸效应使得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（ (L/d) ）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。 有限长度的原子链在低温条件下具有磁性。这是迄今为止发现的最小磁体。 美国研究人员发现纳米金刚石具有磁

5、性.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。磁性粒子通常总是以偶极子（南北两极）的形式成对出现，把一根磁棒截成两段，可以得到两根新磁棒，它们都有南极和北极。事实上，不管你怎样切割，新得到的每一段小磁铁总有两个磁极。磁和电有很多相似之处。例如，同种电荷互相推斥，异种电荷互相吸引；同名磁极也互相推斥，异名磁极也互相吸引。正、负电荷能够单独存在，单个磁极能不能单独存在呢？磁单极存在吗？磁单极存在吗？什么是矫顽力？ 也称为矫顽性或保磁力，是磁性材料的特性之一，是指在磁性材料已经磁化到磁饱和后，要使其磁化强度减到零所需要的磁场强度。 矫顽力代表磁性材料抵抗退磁的能力。在磁学性能中，矫顽

6、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对于大致球形的晶粒晶粒尺寸的减小矫顽力增加Hc达到一最大值晶粒的进一步减小矫顽力反而下降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。当当晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力H HC C与平均晶粒尺与平均晶粒尺寸寸D D的关系为：的关系为：DCHc 式中式中C C是与材料有关的常数。纳米材料的晶粒尺寸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，大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加，符合符合上上式式。 6DCHc 当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，当

7、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：晶粒尺寸的关系为：式中式中C C”为为与材料有关的常数与材料有关的常数。该公式该公式关系关系与与实测数据符合很好。实测数据符合很好。 例如：例如：6 Fe基合金矫顽力HC与晶粒尺寸D的关系左图补充左图补充了了FeFe和和Fe-CoFe-Co合金微粒合金微粒在在1 11000 nm1000 nm范范围内矫顽力围内矫顽力HC与微粒平均尺寸与微粒平均尺寸D之间的关系，之间的关系，图中同时给出了图中同时给出了剩磁比剩磁比 与与D的关系。的关系。 Fe和Fe-Co微粒磁性的

8、尺寸效应（a）Fe （b）Fe-CosRMM微粒的矫顽力HC与直径D的关系(尺寸效应) 当 DDcrit时，粒子为多畴多畴，其反磁化为畴壁位移过程，HC相对较小； 当DDcrit 时，粒子为单畴单畴； 当dcritDDcrit 时，出现非均匀转动， HC 随D的减小而增大； 当dthDdcrit 时，出现均匀转动区， HC 达极大值；当D T Tc c时，由于原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。T T T Tc c时，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化。 T T T Tc c顺磁性，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体顺磁体之间改变的温度。纳米材料

9、通常具有较低的居里温度例如：70nmNi70nmNi的居里温度比粗晶NiNi的低4040。反例：反例：直径在225nm时MnFeO4微粒的居里温度升高。纳米材料中存在的庞大的表面或界面是引起 下降的主要原因。随着自发极化区域尺度的减小，表/界面所占的体积分数增加，活性增大，材料抵抗外场的能力下降，表现在居里温度的降低。 的下降对于纳米磁性材料的应用是不利的。cTcT图. 钆纳米晶体中居里温度改变值随平均晶粒尺寸的变化 图中纵坐标为居里温度下降值（TC纳米晶体- TC粗晶），由图可见随钆纳米晶体平均晶粒尺寸的减小，居里温度呈线性下降趋势。D. Michels et al. Journal of

10、Magnetism and Magnetic Materials.2002,250,203.什么是什么是磁化率磁化率？在宏观上，物体在磁场中被磁化的强度MM与磁场强度H H有关，MM= =H H，为为磁化率磁化率，是一个无量纲常数，是一个无量纲常数。顺磁性物质铁磁性物质与尺寸无关与尺寸无关每个微粒所含的电子数可为奇或偶。一价简单金属微粒，一半粒子的电子数为奇，另一半为偶；两价金属粒子的传导电子数为偶。纳米微粒的磁化率它所含的它所含的总总电子数的电子数的奇偶性奇偶性温温度度密切相关与电子数为奇或偶数的粒子的磁性有不同的温度特点温度特点和尺寸规律尺寸规律电子数为奇数奇数的粒子，磁化率服从居里- -

11、外斯定律： = =C C/( /(T T- -T Tc) c)磁化率与温度成反比量子尺寸效应使磁化率遵从 d d-3 -3规律。电子数为偶数的系统 kBT磁化率与温度成正比量子尺寸效应使磁化率遵从 d d2 2规律。xMgFe2O4颗粒的磁化率与温度和粒径的关系每一粒径的颗粒均有一每一粒径的颗粒均有一对应最大值对应最大值 值的温度，值的温度，称称“冻结或截至冻结或截至”温度温度 ，高于高于 ， 值开始下降。值开始下降。 对应于对应于热激活能热激活能的门槛值。的门槛值。温度高于温度高于 时，纳米颗粒时，纳米颗粒的的晶体各向异性晶体各向异性被被热激活热激活能能克服，显示出超顺磁特性。克服，显示出超