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。　　慈(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)象和太陽黑子、太陽磁現(xiàn)象的記載等，都是中國最早發(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

2、場：距導(dǎo)線r米處的磁場強(qiáng)度H為：　　　H=I/2pr(A/m)1A/m=4′103Oe(Oersted)?材料在外加磁場H（直流、交變或脈沖磁場）作用下，會在材料內(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(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)

3、繞電路流動的電荷，如電子繞原子核的運(yùn)動、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作用在磁偶極子上的最大力矩。磁矩m：Pm與m0的比值，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，產(chǎn)生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的軌道磁矩mo。ii）每個電子本身作自旋運(yùn)動，產(chǎn)生一個沿自旋軸方向的自旋磁矩ms，它比mo大得多。故每個電子可看成一個小磁體，具有永久的mo和ms?！　ohr磁子mB=e?/2me　　每個電子的ms?mB，

4、mo受不斷變化方向的晶格場作用，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.材料磁性的分類材料的磁性取決于材料中原子和電子磁矩對外加磁場的響應(yīng)，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）：在外加磁場存在時，外磁場會使材料中電子的軌道運(yùn)動發(fā)生變化，感應(yīng)出很小的磁矩，其方向與外磁場方向相反，故名抗磁性。常見材料：Bi、Zn、Ag、Mg等金屬，Si、P、S等

5、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沒有完全被抵消，每個原子都有一個永久m，但在無外磁場作用時，各個原子的m無序排列，材料表現(xiàn)不出宏觀的磁性；而在有外磁場作用時，各個原子m會沿外磁場方向擇優(yōu)取向，使材料表現(xiàn)出宏觀的磁性，稱其為順磁性。常見材料：稀土金屬，F(xiàn)e族元素的鹽類，Mn、Cr、Pt、N2、O2等。?抗磁性和順磁性材料一般看作是無磁性的，因?yàn)樗鼈冎挥性谕獯艌龃嬖跁r才被磁化，而磁化率又極小。③鐵磁性（Ferromagnetism）：26Fe

6、、27Co、28Ni、39Y、66Dy等材料在外磁場作用下，會產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，外磁場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（Ferrimagnetism）：對于含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，即鐵氧體（Ferrite），其宏觀磁性類似于鐵磁性，但是其磁化率和飽和磁化強(qiáng)度比鐵磁性

7、材料低一些，稱為亞鐵磁性。這類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）。?鐵磁材料具有一個磁性轉(zhuǎn)變溫度：居里溫度TCTTC時，鐵磁性消失而呈現(xiàn)順磁性。?磁疇（magneticdomain）假說：鐵磁材料的自發(fā)磁化是按區(qū)域分布的，各個自發(fā)磁化區(qū)域稱為磁疇。鐵磁材料在一定溫度范圍內(nèi)（0K到TC）存在與外加磁

8、場無關(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，原子磁矩在分子場作用下克服熱運(yùn)動的無序效應(yīng)，自發(fā)地平行一致取向—分子場假說（Heisenberg證明了分子場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)?？梢婅F磁性自發(fā)磁化起源于電子間的靜電交換相互作用）。該假說已被隨后的理論和實(shí)驗(yàn)所證明：每個磁疇的線度為1-100mm，約含1