納米材料在磁性方

1、主講人：ppt整理：材料收集：納米材料在磁性方面上的應用 磁記錄材料磁記錄材料 巨磁電阻材料巨磁電阻材料 磁性液體材料磁性液體材料 軟磁性材料軟磁性材料納米磁性材料 納米磁性材料的磁單疇尺寸、超順磁磁性臨界尺寸、交換作用長度等在1-100nm范圍內(nèi)，具有奇異的超順磁性和較高的矯頑力。20nm的純鐵微粒的矯頑力是大塊鐵的1000倍，當微粒在50-200nm之間時，矯頑力和飽和磁化強度均達到最大值，且具有單疇特性。因納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性使納米材料具有磁性。當磁性體的尺寸與這些特征物理長度相當時，就會呈現(xiàn)反常的磁學性質(zhì)。磁記錄材料 磁記錄材料（magnetic recor

2、ding material）是指：利用磁特性和磁效應輸入（寫入）、記錄、存儲和輸出（讀出）聲音、圖像、數(shù)字等信息的磁性材料。分為磁記錄介質(zhì)材料和磁頭材料。前者主要完成信息的記錄和存儲功能，后者主要完成信息的寫入和讀出功能。磁記錄材料的簡介 磁性納米粒子由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高，用它制作磁記錄材料，能使記錄密度大大提高，可比普通的磁性材料提高10倍以上；還可以提高聲噪比，改善圖象質(zhì)量。 20世紀80年代，高密度磁記錄用的磁粉的尺寸就已進入到納米尺寸，例如： （1） 性能優(yōu)良的CrO2磁粉尺寸給為200nm35nm， （2） 鐵或其合金磁粉的尺寸給為20nm，并制成高密度的金屬磁帶，

3、 （3） 90年代發(fā)展起來的摻Co、Ti的鋇鐵氧體（BaFe12O19）典型的顆粒尺寸為六角片形，直徑50nm，厚20nm， （4） 近年來，又研究氮化鐵、碳化鐵等類型的納米磁粉。制造工藝 將磁漿（主要成分是磁粉、粘合劑、各種添加劑和有機溶劑等）均勻涂布在聚酯或金屬支持體上，制成涂布型不連續(xù)材料，又稱涂布型薄膜材料。這是一類產(chǎn)量最大、用途最廣、技術(shù)最成熟的磁記錄材料，如錄音磁帶、錄像磁帶等。 將磁性材料用真空鍍膜技術(shù)直接蒸鍍在支持體上制成的薄膜連續(xù)材料，又稱連續(xù)薄膜材料，如80年代初出現(xiàn)的微型鍍膜磁帶巨磁電阻材料 磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，人們

4、把這種現(xiàn)象稱為磁電阻，所謂巨磁阻，是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值，約高10余倍。 巨磁電阻材料的用途 在巨磁電阻效應被發(fā)現(xiàn)后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達5Gbitin2，最近報道為11Gbitin2，從而在與光盤競爭中磁盤重新處于領先地位。 由于巨磁電阻效應大，易使器件小型化，廉價化，除讀出磁頭外同樣可應用于測量位移，角度等傳感器中，可廣泛地應用于數(shù)控機床，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中。 優(yōu)點：與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件

5、等優(yōu)點。 利用巨磁電阻效應在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點，可以制成隨機存儲器（MRAM），其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。 利用自旋極化效應的自旋晶體管設想亦被提出來了。鑒于巨磁電阻效應重要的基礎研究意義和重大的應用前景，對巨磁電阻效應作出重大開拓工作的弗特教授等人曾獲二次世界級大獎。 巨磁電阻效應在高技術(shù)領域應用的另一個重要方面是微弱磁場探測器。隨著納米電子學的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化，要求測量系統(tǒng)也要微型化。 21世紀超導量子相干器件(SQUIDS)和超微霍耳探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學中主要角色。其中以巨磁電阻效應為基礎，設計超微磁場傳感器要求能探測

6、10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在過去是沒有辦法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此弱的磁通密度時十分困難的，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件經(jīng)過定標可能完成上述目標。 瑞士蘇黎土高工在實驗室研制成功了納米尺寸的巨磁電阻絲，他們在具有納米孔洞的聚碳酸脂的襯底上通過交替蒸發(fā)Cu和Co并用電子束進行轟擊，在同心聚碳酸脂多層薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充形成幾微米長的納米絲，其巨磁電阻值達到15，這樣的巨磁電阻陣列體系飽和磁場很低，可以用來探測1011T的磁通密度。由上述可見，巨磁阻較有廣闊的應用情景。 巨磁電阻材料發(fā)展狀況 巨磁電阻效應是近十年來發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。 1986年德國的Grunberg

7、教授首先在Fe/Cr/Fe多層膜中觀察到反鐵磁層間耦合。 1988年法國巴黎大學的肯物教授研究組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應，這在國際上引起了很大的反響。 90年代，人們在Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應。 由于巨磁阻多層膜 在高密度讀出磁頭、磁存貯元件上有廣泛的應用前景，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電阻材料及其在高技術(shù)上的應用投入很大的力量。 1992年美國率先報道了Co-Ag、Co-Cu顆粒膜中存在巨磁電阻效應，這種顆粒膜是采用雙靶共濺射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基體上鑲嵌納米級的鐵

8、磁Co顆粒。這種人工復合體系具有各向同性的特點，顆粒膜中的巨磁電阻效應上前以Co-Ag體系為最高，在液氮溫度下可達55%，室溫可達20%，而目前實用的磁性合金僅為2%3%，但顆粒膜的飽和磁場 較高，降低顆粒膜磁電阻飽和磁場是顆粒膜研究的主要目標。顆粒膜制備工藝比較簡單，成本比較低，一旦在降低飽和磁場上有所突破將存在著很大的潛力。 最近在FeNiAg顆粒膜中發(fā)現(xiàn)最小的磁電阻飽和磁場約為32kA/m，這個指標已與具有實用化的多層膜比較接近，從而為顆粒膜在低磁場中應用展現(xiàn)了一線曙光。 在顆粒膜的研究中發(fā)現(xiàn)了磁電阻與磁場線性度甚佳的配方與熱處理條件，為發(fā)展新型的磁敏感元件提供了實驗的依據(jù)。磁性流體材料

9、 1. 磁性液體的定義 磁性液體是由納米磁性微粒包復一層長鏈的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。其中磁性微粒尺寸通常小于10nm，呈超順磁性。磁性液體的名稱的起源 1963年，美國國家航空與航天局的帕彭首先采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細的Fe3O4微顆粒上(直徑約為l0m)，并高度彌散于煤油(基液)中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體一起運動，好像整個液體具有磁性，于是，取名為磁性液體。生成磁性液體的必要條件 生成磁性液體的必要條件是強磁性顆粒要足夠小，在致可以削弱磁偶極矩之間的靜磁作用，能在基液中作無規(guī)則

10、的熱運動。 基液 水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。 磁性液體的特點 （1）在磁場作用下可以被磁化，可以在磁場作用下運動，但同時它又是液體，具有液體的流動性。 （2）在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿著外磁場方向形成一定有序排列的團鏈簇，從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。 a. 當光波、聲波在其中傳播時(如同在各向異性的晶體中傳播一樣)，會產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。 b. 磁性液體在靜磁場作用下，介電性質(zhì)亦會呈現(xiàn)各向異性。 這些有別于通常液體的奇異性質(zhì)，為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎。 磁流體 磁性液體的的用途 磁密封 旋轉(zhuǎn)軸

11、動態(tài)磁密封 利用磁性液體可以被磁控的特性，人們利用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場分布，將磁性液體約束在磁場之中而形成磁性液體的“O”形環(huán)，可進行真空、加壓、封水、封油等情況下的動態(tài)密封，具有無泄露、無磨損、自潤滑、壽命長等特點。 防塵密封 在計算機中為防止塵埃進入硬盤中損壞磁頭與磁盤，在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。 氣流粉碎（分級）機等等。 真空密封 在精密儀器的轉(zhuǎn)動部分，如X射線衍射儀中的轉(zhuǎn)靶部分的真空密封，大功率激光器件的轉(zhuǎn)動部件，甚至機械人的活動部件亦采用磁性液體密封法。此外，單晶爐提拉部位、真空加熱爐等有關(guān)部件的密封等，磁性液體是較為理想動態(tài)密封方式之一。 氣體密

12、封 可用于多種氣體密封的場合（如煤氣風機轉(zhuǎn)軸部位） 磁性潤滑油 通常潤滑劑易損耗、易污染環(huán)境。磁性液體中的磁性顆粒尺寸僅為10nm，因此，不會損壞軸承，而基液亦可用潤滑油，只要采用合適的磁場就可以將磁性潤滑油約束在所需的部位。 增進揚聲器輸出功率 在音圈與磁鐵間隙處滴入磁性液體，由于液體的導熱系數(shù)比空氣高56倍，從而使得在相同條件下功率可以增加1倍。 作阻尼器件 磁性液體具有一定的粘滯性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系統(tǒng)中所產(chǎn)生的振蕩模式。 礦物分離 應用比重不同進行礦物分離。磁性液體被磁化后相當于增加磁壓力，以致在磁性液體中的物體將會浮起，好像磁性液體的視在密度隨著磁場增加而增大。 利用此原

13、理可以設計出磁性液體比重計，磁性液體對不同比重的物體進行比重分離，控制合適的磁場強度可以使低于某密度值的物體上浮，高于此密度的物體下沉，原則上可以用于礦物分離。 其他用途 磁性液體還有其他許多用途，如磁制冷材料、儀器儀表中的阻尼器、無聲快速的磁印刷、磁性液體發(fā)電機、醫(yī)療中的造影劑等等。 發(fā)展狀況 1934年就制成膠體Fe3O4溶液，用于磁疇觀察，20世紀6070年代已發(fā)展成為一類商用產(chǎn)品，用于高速旋轉(zhuǎn)軸密封等方面，美、日等國均有商品生產(chǎn)，我國雖已研制成功，但應用的領域尚未開拓， 近年來人們對磁性液體，或它與微米級微粒組合成的復合介質(zhì)的磁光、磁聲以及微波特性進行了研究，有可能開拓出一類新型的功能

14、器件。 例如，使高密度的金與低密度的砂石分離，亦可用于城市廢料中金屬與非金屬的分離軟磁性材料軟磁性材料 軟磁性材料的磁滯回線細長，磁導率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁；在通訊技術(shù)與電力技術(shù)中應用廣泛，可用來制造電感元件，如變壓器、繼電器、電磁鐵電機的鐵心等軟磁材料的分類 金屬軟磁材料 軟磁鐵氧體軟磁材料的用途軟磁材料的用途 軟磁材料廣泛地應用于： （1）電力電信（變壓器、發(fā)電機、電動機） （2）家用電器 （3）計算機等領域（如存儲器） 軟磁材料的性質(zhì) 軟磁材料一般的技術(shù)要求通常為高磁導率，低矯頑力，寬頻帶，低損耗，此外對變壓器開關(guān)電源磁頭等應用尚希望飽和磁化強度。 從磁疇理論出

15、發(fā)，傳統(tǒng)的軟磁材料在配方上有兩點值得注意：一是磁各向異性；二是晶粒粗化。 一般納米軟磁材料采取非晶晶化法，即在非晶的基體上有相當大的體積百分數(shù)納米微晶存在，這種納米晶軟磁材料已在實際中得到了應用。 1998年日本首先在FeSiB合金中加入Cu，Nb成分，制成的納米微晶磁性材料，其典型成分為Fe73.5Cu1NbSi13.5B9(商品牌號為Finenet)，它具有鐵基非晶材料的高飽和磁化強度以及Co基非晶材料優(yōu)良的高頻特性，而價格約為Co基非晶材料的1/41/5，其晶粒尺寸約為10nm。除Fe-Si系列外， Fe-M-B系列納米微晶材料（M為Zr，Ta，Mo，Hf等），F(xiàn)e-M-C系列（M為Zr

16、，Hf，Nb，Ti，V，Ta等）商品牌號為Nanomax，作為高密度磁頭的輸出比Co-Ta-Hf系非晶膜磁頭約高5dB。20世紀80年代末期起已進入工業(yè)化生產(chǎn)，如日立金屬公司等。我國亦于90年代投入生產(chǎn)，總體水平處于世界第三位。 納米微晶軟磁材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展，其應用領域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎玫母鞣矫?，如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開關(guān)、傳感器等，它將成為鐵氧體的有力競爭者。制備方法 磁性微粒的制備 磁流體的制備磁性微粒的制備 磁性微粒的制備方法主要有包埋法和單體聚合法等。包埋法 包埋法是將磁流體分散在高分子溶液中，通過霧化、絮凝、沉積、

17、蒸發(fā)、乳化等復合技術(shù)，制得磁性微粒該法制備的磁性微粒、磁流體與高分子間通過范德華力、氫鍵和螯合作用以及功能基間的共價鍵結(jié)合，得到的微粒粒徑分布寬、粒徑不易控制、殼層中難免混有雜質(zhì)。單體聚合法 單體聚合法是指在磁性微粒和單體存在下，加入引發(fā)劑、穩(wěn)定劑等聚合而成的核殼式磁性微粒單體聚合法得到的載體粒徑較大，固載量小，但作為固定化酶的載體，有利于保持酶的活性，而且磁性也較強磁流體的制備 磁流體的制備方法有物理法和化學法。物理法。又可分為研磨法、熱分解法、超聲波法、機械合成法、等離子cVD法等；化學法又可分為氣相沉積法、水熱合成法、溶膠凝膠法、溶劑蒸發(fā)法、熱分解法、微乳 液法及化學沉降法等超聲波法 在

18、此體系中，加入了高分子物質(zhì)律穩(wěn)定劑，將易揮發(fā)的金屬有機物Fe(cO)，在純氧的條件下超聲處理，制得粒徑分布均一的磁流體。研磨法 研磨法一般是在表面活性劑存在下，研磨幾周制得，此法耗能高，制備的微粒粒徑分布不均一。其原理是將粉碎的磁性微粒和表面活性劑添加到載液中，在球磨機中經(jīng)過長時間球磨，其中部分微粒穩(wěn)定地分散在載液中，再在高速離心機中除去直徑大的粒子。生物醫(yī)學應用 納米生物技術(shù)是納米技術(shù)與分子生物學相結(jié)合發(fā)展出來的一個新的研究領域。 磁性納米顆粒是一類具有可控尺寸、能夠外部操控并可用于核磁共振成像(MRI)造影的材料。包括蛋白質(zhì)的提純和醫(yī)學影像等方面。 當納米顆粒與靶向試劑耦合,通過特定的生物作用與生物分子反應,功能化的納米顆粒即可與靶向生物組織耦合,實現(xiàn)疾病診斷或者生物分離。在核磁共振成像的正常磁場強度下(通常高于1T) ,這些靶向區(qū)域的超順磁納米顆粒可以達到磁飽和,建立有序的區(qū)域擾動偶極場,縮短MR I中質(zhì)子弛豫時間,使得靶向區(qū)域相對于生物環(huán)境有更暗的對比度。 此外,在