納米材料與技術(shù)-納米磁性材料

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1、第十章納米磁性材料一、材料的磁性二、納米微粒的磁學(xué)性能三、納米固體材料的磁學(xué)性能四、納米磁性材料一、材料的磁性1.材料的磁現(xiàn)象①天然磁石：主要成分為Fe3O4，屬于一種尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵氧體，其顯著特點(diǎn)是具有吸鐵的能力，稱為永磁材料，也稱為硬磁或恒磁材料?！　〈?磁)石的發(fā)現(xiàn)、磁石吸鐵的發(fā)現(xiàn)、磁石指南和最早磁指南器(司南)的發(fā)明、指南針的發(fā)明和應(yīng)用、地球磁偏角的發(fā)現(xiàn)、地球磁傾角的利用、磁在醫(yī)藥上的應(yīng)用、北極光地球磁現(xiàn)象和太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)磁現(xiàn)象的記載等，都是中國(guó)最早發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、應(yīng)用和記載的。②1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)：距導(dǎo)線r米處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：　　　H=I/2pr(A/m)1A/m=4′1

2、03Oe(Oersted)?材料在外加磁場(chǎng)H（直流、交變或脈沖磁場(chǎng)）作用下，會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的磁通量密度，稱其為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，單位為T(mén)(Tesla)或韋伯/米2(Wb/m2)。1T=1Wb/m21T=104Gaussmm：磁導(dǎo)率，為材料的本征參數(shù)mm0：4′10-7亨利/米③其他表征磁性材料的參數(shù)：相對(duì)磁導(dǎo)率：mr=m/m0磁化率：c=mr–1磁化強(qiáng)度：M=cH2.材料磁性的微觀機(jī)理①基本概念：磁偶極子：線度小至原子的小磁鐵，可等效為環(huán)繞電路流動(dòng)的電荷，如電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)、電子的自旋、旋轉(zhuǎn)的電子核等。磁偶極矩Pm：真空中每單位外加磁場(chǎng)作用在磁偶極子上的最大力矩。磁矩m：Pm與m0的比值，

3、單位為A·m2。②材料的宏觀磁性：由組成材料的原子中電子的磁矩引起，產(chǎn)生磁矩的原因有二：i）電子繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)非常小的磁場(chǎng)，形成一個(gè)沿旋轉(zhuǎn)軸方向的軌道磁矩mo。ii）每個(gè)電子本身作自旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)沿自旋軸方向的自旋磁矩ms，它比mo大得多。故每個(gè)電子可看成一個(gè)小磁體，具有永久的mo和ms?！　ohr磁子mB=e?/2me　　每個(gè)電子的ms?mB，mo受不斷變化方向的晶格場(chǎng)作用，不能形成聯(lián)合磁矩。?原子是否具有m，取決于其具體的電子殼層結(jié)構(gòu)。若有未被填滿的電子殼層，其電子的ms未被完全抵消，則原子具有永久m。3.材料磁性的分類(lèi)材料的磁性取決于材料中原子和電子磁矩對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)

4、，具體可分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性（均為弱磁性）、鐵磁性和亞鐵磁性（均為強(qiáng)磁性）。①抗磁性（Diamagnetism）：在外加磁場(chǎng)存在時(shí)，外磁場(chǎng)會(huì)使材料中電子的軌道運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，感應(yīng)出很小的磁矩，其方向與外磁場(chǎng)方向相反，故名抗磁性。常見(jiàn)材料：Bi、Zn、Ag、Mg等金屬，Si、P、S等非金屬，許多有機(jī)高聚物以及惰性氣體。②順磁性（Paramagnetism）：有些材料（Al，Pt等）的ms和mo沒(méi)有完全被抵消，每個(gè)原子都有一個(gè)永久m，但在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)原子的m無(wú)序排列，材料表現(xiàn)不出宏觀的磁性；而在有外磁場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)原子m會(huì)沿外磁場(chǎng)方向擇優(yōu)取向，使材料表現(xiàn)出宏觀的磁性，稱其為順磁性。常

5、見(jiàn)材料：稀土金屬，F(xiàn)e族元素的鹽類(lèi)，Mn、Cr、Pt、N2、O2等。?抗磁性和順磁性材料一般看作是無(wú)磁性的，因?yàn)樗鼈冎挥性谕獯艌?chǎng)存在時(shí)才被磁化，而磁化率又極小。③鐵磁性（Ferromagnetism）：26Fe、27Co、28Ni、39Y、66Dy等材料在外磁場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，外磁場(chǎng)去除后仍能保持相當(dāng)大的永久磁性，故而得名。具有鐵磁性的材料的磁化率可高達(dá)106，使得磁化強(qiáng)度M(M=cH)遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。④反鐵磁性（Antiferromagnetism）：MnO，Cr2O3，CoO，ZnFeO4等材料，其相鄰原子或離子的磁矩作反方向平行排列，總磁矩為零。⑤亞鐵磁性（Ferrima

6、gnetism）：對(duì)于含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，即鐵氧體（Ferrite），其宏觀磁性類(lèi)似于鐵磁性，但是其磁化率和飽和磁化強(qiáng)度比鐵磁性材料低一些，稱為亞鐵磁性。這類(lèi)鐵氧體的電阻率較高，適于制作電導(dǎo)率低的磁性元件。材料的鐵磁理論?一般鐵磁性材料的磁化率c和磁導(dǎo)率m很大，其磁化強(qiáng)度M(=cH)和磁感應(yīng)強(qiáng)度B(=mH)與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間不是單值函數(shù)關(guān)系，而顯示磁滯現(xiàn)象（HysteresisLoop）。?鐵磁材料具有一個(gè)磁性轉(zhuǎn)變溫度：居里溫度TCTTC時(shí)，鐵磁性消失而呈現(xiàn)順磁性。?磁疇（magneticdomain）假說(shuō)：鐵磁材料的自發(fā)磁化是按區(qū)域分布的，各個(gè)自發(fā)磁化區(qū)域稱為磁

7、疇。鐵磁材料在一定溫度范圍內(nèi)（0K到TC）存在與外加磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的自發(fā)磁化，導(dǎo)致自發(fā)磁化的相互作用力為材料內(nèi)部的分子場(chǎng)，原子磁矩在分子場(chǎng)作用下克服熱運(yùn)動(dòng)的無(wú)序效應(yīng)，自發(fā)地平行一致取向—分子場(chǎng)假說(shuō)（Heisenberg證明了分子場(chǎng)是量子交換相互作用的結(jié)果，這種交換作用純屬量子效應(yīng)?？梢?jiàn)鐵磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用）。該假說(shuō)已被隨后的理論和實(shí)驗(yàn)所證明：每個(gè)磁疇的線度為1-100mm，約含1