納米材料的磁學(xué)性能

1、 3.4納米材料的磁學(xué)性能3.4.1磁學(xué)性能的尺寸效應(yīng)3.4.2巨磁電阻效應(yīng)3.4.3納米磁性材料3.4.4磁性液體3.4.1 3.4.1 磁學(xué)性能的尺寸效應(yīng)磁學(xué)性能的尺寸效應(yīng)磁性是物質(zhì)的基本屬性 地球磁場(chǎng)地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近。 磁性材料是古老而年輕的功能材料磁性材料是古老而年輕的功能材料司南用天然磁石琢磨而成，重心位于底部正中，底盤光滑，四周刻有二十四向，使用時(shí)把長(zhǎng)勺放在底盤上，用手輕撥，停下后長(zhǎng)柄就指向南方地磁起源？ 沈括（10341094）夢(mèng)溪筆談“以磁石磨針?shù)h，則能指南，然常微偏東，不全南也” 吉爾伯特磁體（1600）地球本身就是一塊

2、巨大的磁石，磁子午線匯交于地球兩個(gè)相反的端點(diǎn)即磁極上各種假說(shuō)假說(shuō)一：地球內(nèi)部有一個(gè)巨大的磁鐵礦（鐵、鎳等） 無(wú)法解釋：鐵磁物質(zhì)在溫度升高到760以后，就會(huì)喪失磁性假說(shuō)二：地球的環(huán)形電流產(chǎn)生地球的磁場(chǎng)，地球的自轉(zhuǎn)-鐵鎳（熔融狀態(tài)）轉(zhuǎn)動(dòng)-內(nèi)部電子定向轉(zhuǎn)動(dòng)-環(huán)形電流-磁場(chǎng) 無(wú)法解釋：地球磁場(chǎng)在歷史上的幾次倒轉(zhuǎn)保護(hù)地球免受來(lái)自太空的宇宙射線的侵入宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的最早的重要應(yīng)用之一-磁性液體飛船和宇航員頭盔內(nèi)部的壓力艙外的壓力宇宙的溫度大氣壓力接近真空很低最好的橡膠密封壽命-幾小時(shí)磁性磁性液體理論上壽命是無(wú)限的液體理論上壽命是無(wú)限的許多生物體內(nèi)就有天然的納米磁性粒子例如：蜜蜂、海豚、鴿子

3、、石鱉、磁性細(xì)菌等物質(zhì)的磁性從何而來(lái)？電荷的運(yùn)動(dòng)電荷的運(yùn)動(dòng)來(lái)源于構(gòu)成物質(zhì)的原子-原子核和圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子電子的自轉(zhuǎn)會(huì)使電子本身具有磁性，成為一個(gè)小小的磁鐵，具有N極和S極。電子的自轉(zhuǎn)方向總共有上下兩種。在一些數(shù)物質(zhì)中，具有向上自轉(zhuǎn)和向下自轉(zhuǎn)的電子數(shù)目一樣多電子數(shù)目一樣多，它們產(chǎn)生的磁極會(huì)互相抵消，整個(gè)原子，以至于整個(gè)物體對(duì)外沒(méi)有磁性沒(méi)有磁性。少數(shù)物質(zhì)（例如鐵、鈷、鎳），它們的原子內(nèi)部電子在不同自轉(zhuǎn)方向上的數(shù)量不一樣數(shù)量不一樣，這樣，在自轉(zhuǎn)相反的電子磁矩互相抵消以后，還剩余一部分電子的磁矩沒(méi)有被抵消，這樣，整個(gè)原子具有總的磁矩具有總的磁矩。 同時(shí)，由于一種被稱為“交換作用交換作用”的機(jī)理，這

4、些原子磁矩之間被整齊地排列起來(lái)整齊地排列起來(lái)，整個(gè)物體也就有了磁性有了磁性。 磁學(xué)性能的尺寸效應(yīng)磁學(xué)性能的尺寸效應(yīng) 矯頑力矯頑力 超順磁性超順磁性 飽和磁化強(qiáng)度、居里溫度與磁化率飽和磁化強(qiáng)度、居里溫度與磁化率 磁學(xué)性能的尺寸效應(yīng)磁學(xué)性能的尺寸效應(yīng)晶粒尺寸進(jìn)入納米范圍磁性材料的磁學(xué)性能具有明顯尺寸效應(yīng)使得納米材料具有許多粗晶或微米晶材料所不具備的磁學(xué)特性。例如：納米絲 由于長(zhǎng)度和直徑比（ (L/d) ）很大，具有很強(qiáng)的形狀各向異性。 當(dāng)其直徑小于某一臨界值時(shí)，在零磁場(chǎng)下具有沿絲軸方向磁化的特性。 有限長(zhǎng)度的原子鏈在低溫條件下具有磁性。這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最小磁體。 美國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)納米金剛石具有磁

5、性.矯頑力、飽和磁化強(qiáng)度、居里溫度等磁學(xué)參數(shù)都與晶粒尺寸相關(guān)。磁性粒子通常總是以偶極子（南北兩極）的形式成對(duì)出現(xiàn)，把一根磁棒截成兩段，可以得到兩根新磁棒，它們都有南極和北極。事實(shí)上，不管你怎樣切割，新得到的每一段小磁鐵總有兩個(gè)磁極。磁和電有很多相似之處。例如，同種電荷互相推斥，異種電荷互相吸引；同名磁極也互相推斥，異名磁極也互相吸引。正、負(fù)電荷能夠單獨(dú)存在，單個(gè)磁極能不能單獨(dú)存在呢？磁單極存在嗎？磁單極存在嗎？什么是矯頑力？ 也稱為矯頑性或保磁力，是磁性材料的特性之一，是指在磁性材料已經(jīng)磁化到磁飽和后，要使其磁化強(qiáng)度減到零所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 矯頑力代表磁性材料抵抗退磁的能力。在磁學(xué)性能中，矯頑

6、力的大小受晶粒尺寸變化的影響最為強(qiáng)烈。對(duì)于大致球形的晶粒對(duì)于大致球形的晶粒晶粒尺寸的減小矯頑力增加Hc達(dá)到一最大值晶粒的進(jìn)一步減小矯頑力反而下降晶粒尺寸相當(dāng)于單疇的尺寸對(duì)于不同的合金系統(tǒng)，其尺寸范圍在幾十至幾百納米。當(dāng)當(dāng)晶粒尺寸大于單疇尺寸時(shí)，矯頑力晶粒尺寸大于單疇尺寸時(shí)，矯頑力H HC C與平均晶粒尺與平均晶粒尺寸寸D D的關(guān)系為：的關(guān)系為：DCHc 式中式中C C是與材料有關(guān)的常數(shù)。納米材料的晶粒尺寸是與材料有關(guān)的常數(shù)。納米材料的晶粒尺寸大于單疇尺寸時(shí)矯頑力亦隨晶粒的減小而增加，大于單疇尺寸時(shí)矯頑力亦隨晶粒的減小而增加，符合符合上上式式。 6DCHc 當(dāng)納米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，當(dāng)

7、納米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，矯頑力隨晶粒的減小急劇降低。此時(shí)矯頑力與矯頑力隨晶粒的減小急劇降低。此時(shí)矯頑力與晶粒尺寸的關(guān)系為：晶粒尺寸的關(guān)系為：式中式中C C”為為與材料有關(guān)的常數(shù)與材料有關(guān)的常數(shù)。該公式該公式關(guān)系關(guān)系與與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合很好。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合很好。 例如：例如：6 Fe基合金矯頑力HC與晶粒尺寸D的關(guān)系左圖補(bǔ)充左圖補(bǔ)充了了FeFe和和Fe-CoFe-Co合金微粒合金微粒在在1 11000 nm1000 nm范范圍內(nèi)矯頑力圍內(nèi)矯頑力HC與微粒平均尺寸與微粒平均尺寸D之間的關(guān)系，之間的關(guān)系，圖中同時(shí)給出了圖中同時(shí)給出了剩磁比剩磁比 與與D的關(guān)系。的關(guān)系。 Fe和Fe-Co微粒磁性的

8、尺寸效應(yīng)（a）Fe （b）Fe-CosRMM微粒的矯頑力HC與直徑D的關(guān)系(尺寸效應(yīng)) 當(dāng) DDcrit時(shí)，粒子為多疇多疇，其反磁化為疇壁位移過(guò)程，HC相對(duì)較小； 當(dāng)DDcrit 時(shí)，粒子為單疇單疇； 當(dāng)dcritDDcrit 時(shí)，出現(xiàn)非均勻轉(zhuǎn)動(dòng)， HC 隨D的減小而增大； 當(dāng)dthDdcrit 時(shí)，出現(xiàn)均勻轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)， HC 達(dá)極大值；當(dāng)D T Tc c時(shí)，由于原子的劇烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的排列是混亂無(wú)序的。T T T Tc c時(shí)，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化。 T T T Tc c順磁性，磁體的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁場(chǎng)的改變而改變。居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體順磁體之間改變的溫度。納米材料

9、通常具有較低的居里溫度例如：70nmNi70nmNi的居里溫度比粗晶NiNi的低4040。反例：反例：直徑在225nm時(shí)MnFeO4微粒的居里溫度升高。納米材料中存在的龐大的表面或界面是引起 下降的主要原因。隨著自發(fā)極化區(qū)域尺度的減小，表/界面所占的體積分?jǐn)?shù)增加，活性增大，材料抵抗外場(chǎng)的能力下降，表現(xiàn)在居里溫度的降低。 的下降對(duì)于納米磁性材料的應(yīng)用是不利的。cTcT圖. 釓納米晶體中居里溫度改變值隨平均晶粒尺寸的變化 圖中縱坐標(biāo)為居里溫度下降值（TC納米晶體- TC粗晶），由圖可見(jiàn)隨釓納米晶體平均晶粒尺寸的減小，居里溫度呈線性下降趨勢(shì)。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？在宏觀上，物體在磁場(chǎng)中被磁化的強(qiáng)度MM與磁場(chǎng)強(qiáng)度H H有關(guān)，M=M=H H，為為磁化率磁化率，是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)。順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)與尺寸無(wú)關(guān)與尺寸無(wú)關(guān)每個(gè)微粒所含的電子數(shù)可為奇或偶。一價(jià)簡(jiǎn)單金屬微粒，一半粒子的電子數(shù)為奇，另一半為偶；兩價(jià)金屬粒子的傳導(dǎo)電子數(shù)為偶。納米微粒的磁化率它所含的它所含的總總電子數(shù)的電子數(shù)的奇偶性奇偶性溫溫度度密切相關(guān)與電子數(shù)為奇或偶數(shù)的粒子的磁性有不同的溫度特點(diǎn)溫度特點(diǎn)和尺寸規(guī)律尺寸規(guī)律電子數(shù)為奇數(shù)奇數(shù)的粒子，磁化率服從居里- -外

11、斯定律： = =C C/( /(T T- -T Tc) c)磁化率與溫度成反比量子尺寸效應(yīng)使磁化率遵從 d d-3 -3規(guī)律。電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng) kBT磁化率與溫度成正比量子尺寸效應(yīng)使磁化率遵從 d d2 2規(guī)律。xMgFe2O4顆粒的磁化率與溫度和粒徑的關(guān)系每一粒徑的顆粒均有一每一粒徑的顆粒均有一對(duì)應(yīng)最大值對(duì)應(yīng)最大值 值的溫度，值的溫度，稱稱“凍結(jié)或截至凍結(jié)或截至”溫度溫度 ，高于高于 ， 值開(kāi)始下降。值開(kāi)始下降。 對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于熱激活能熱激活能的門檻值。的門檻值。溫度高于溫度高于 時(shí)，納米顆粒時(shí)，納米顆粒的的晶體各向異性晶體各向異性被被熱激活熱激活能能克服，顯示出超順磁特性?？朔@示出超順

12、磁特性。xBTxBTBT3.4.2 3.4.2 巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng) 多層膜的多層膜的GMR效應(yīng)效應(yīng) 自旋閥的自旋閥的GMR效應(yīng)效應(yīng) 納米顆粒膜的納米顆粒膜的GMR效應(yīng)效應(yīng) 隧道型隧道型TMR效應(yīng)效應(yīng) 超巨磁阻（超巨磁阻（CMR）效應(yīng)）效應(yīng) 巨磁阻效應(yīng)的應(yīng)用巨磁阻效應(yīng)的應(yīng)用 巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng) )0()0()()0(HRRMR外加磁場(chǎng)引起材料電阻率的變化磁電阻或磁阻效應(yīng)（MR）普通材料的磁阻效應(yīng)很小。如：工業(yè)上有使用價(jià)值的坡莫爾合金的各向異性磁阻（AMRAMR）效應(yīng)最大值也末突破2.52.5。19881988年，BaibichBaibich等人在由FeFe、C

13、rCr交替沉積而形成的納米多層膜中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)5050的MRMR，且為各向同性，負(fù)效應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱為巨磁電阻（GiantGiant MagnetoresistanceMagnetoresistance，GMRGMR）效應(yīng)。19921992年，年，BerkowitzBerkowitz等人在等人在Cu-CoCu-Co等顆粒膜中也觀察到等顆粒膜中也觀察到GMRGMR效應(yīng)。效應(yīng)。19931993年，HelmoltHelmolt等人在類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的稀土MnMn氧化物中觀察到R R/ /R R可達(dá)10103 310106 6的超巨磁阻效應(yīng)，又稱龐磁阻效（CMRCMR）。對(duì)GMR的研究工作，在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)取

14、得了令人矚目的研究成果，1995年美國(guó)物理學(xué)會(huì)已將GMR效應(yīng)列為當(dāng)年凝聚態(tài)物理中五個(gè)研究熱點(diǎn)的首位。 2007年諾貝爾物理獎(jiǎng)巨磁電阻。 “巨磁電阻”效應(yīng)，也就是指在一個(gè)巨磁電阻系統(tǒng)中，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大的電阻變化的特殊效應(yīng)。而我們知道，如果想要制造容量越來(lái)越大、體積越來(lái)越小的硬盤，必須解決如何將弱小的磁信號(hào)變化放大為清晰的電信號(hào)的棘手問(wèn)題。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們能夠制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，將越來(lái)越弱的磁信號(hào)讀出來(lái)后因?yàn)殡娮璧木薮笞兓D(zhuǎn)換成為明顯的電流變化，使得大容量的小硬盤成為可能。 2007年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)成果，離我們是如此之近。在我們背包中的筆記本電腦里，在我

15、們口袋中的音樂(lè)播放器里，我們都能分享到這一偉大成果所帶來(lái)的福祉。 法國(guó) Albert Fert 德國(guó) Peter Grnberg 目前，已發(fā)現(xiàn)具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜多層膜、自旋閥自旋閥、顆粒膜顆粒膜、非連續(xù)多層膜非連續(xù)多層膜、氧化物超巨磁電阻薄膜氧化物超巨磁電阻薄膜等五大類。GMR, CMR, TMR效應(yīng)將在小型化和微型化高密度磁記錄讀出頭、隨機(jī)存儲(chǔ)器和傳感器中獲得應(yīng)用。 多層膜的GMR效應(yīng) 3d3d過(guò)渡族金屬鐵磁性元素或其合金CuCu、CrCr、AgAg、AuAu等導(dǎo)體構(gòu)成的金屬超晶格多層膜滿足三個(gè)條件具有GMRGMR效應(yīng)1 1）鐵磁性導(dǎo)體/ /非鐵磁性導(dǎo)體超晶格中，鐵磁性導(dǎo)體層之

16、間構(gòu)成自發(fā)磁化矢量的反平行結(jié)構(gòu)（零磁場(chǎng)），相鄰磁層磁矩的相對(duì)取向能夠在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生改變。鐵磁性層鐵磁性層非磁性隔離層非磁性隔離層鐵磁性層鐵磁性層非磁性隔離層非磁性隔離層鐵磁性層鐵磁性層 GMR多層膜的結(jié)構(gòu)（a）零磁場(chǎng)時(shí) （b）超過(guò)飽和磁場(chǎng)時(shí)2 2）金屬超晶格的周期（每一重復(fù)的厚度，即調(diào)制波長(zhǎng)）應(yīng)比載流電子的平均自由程短平均自由程短。例如：CuCu中電子的平均自由程大致在34nm34nm左右。實(shí)際上，F(xiàn)e/CrFe/Cr及Cu/CoCu/Co等非磁性導(dǎo)體層/ /磁性導(dǎo)體的單元厚度一般都在幾納米以下。3 3）自旋取向不同的兩種電子（向上和向下），在磁性原子上的散射差別必須很大散射差別必須很大。

17、Fe/Cr多層膜的GMR（4.2K）效應(yīng)Baibich M N, Broto J M, Fert A. PRL. 1988. 61, 2473. Fe/Cr Fe/Cr金屬超晶格巨磁阻金屬超晶格巨磁阻效應(yīng)如圖所示。圖中縱軸效應(yīng)如圖所示。圖中縱軸是外加磁場(chǎng)為零時(shí)的電阻是外加磁場(chǎng)為零時(shí)的電阻R(HR(H0) 0)為基準(zhǔn)歸一化的相為基準(zhǔn)歸一化的相對(duì)阻值，對(duì)阻值，橫軸為外加磁場(chǎng)橫軸為外加磁場(chǎng)。FeFe膜厚膜厚3nm3nm，CrCr膜厚膜厚0.9nm0.9nm，積層周期為積層周期為6060，構(gòu)成超晶，構(gòu)成超晶格。通過(guò)外加磁場(chǎng)，其電格。通過(guò)外加磁場(chǎng)，其電阻值降低達(dá)大約阻值降低達(dá)大約5050。 GMRGMR

18、效應(yīng)對(duì)于效應(yīng)對(duì)于非磁性導(dǎo)體隔離層的厚度非磁性導(dǎo)體隔離層的厚度十分敏感。在十分敏感。在任意單位下，相對(duì)于隔離層厚度，最大任意單位下，相對(duì)于隔離層厚度，最大MRMR比呈現(xiàn)出振動(dòng)特比呈現(xiàn)出振動(dòng)特性。性。隨非磁導(dǎo)體隔離層厚度的增加，電阻變化趨緩隨非磁導(dǎo)體隔離層厚度的增加，電阻變化趨緩。對(duì)于。對(duì)于Co/CuCo/Cu系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，P1P1、P2P2、P3P3三個(gè)峰的位置分別在三個(gè)峰的位置分別在1nm1nm、2nm2nm、3nm3nm附近，顯示出較好的周期性。附近，顯示出較好的周期性。非磁性導(dǎo)體隔離層對(duì)非磁性導(dǎo)體隔離層對(duì)GMR的影響的影響用Mott關(guān)于鐵磁性金屬電導(dǎo)的理論（二流體模型）來(lái)解釋。在鐵磁

19、金屬中，導(dǎo)電的s電子要受到磁性原子磁矩的散射散射作用，散射的幾率散射的幾率取決于：導(dǎo)電的s s電子自旋方向電子自旋方向與固體中磁性原子磁矩方向的相對(duì)取向磁矩方向的相對(duì)取向。自旋方向與磁矩方向一致一致的電子受到的散射作用很弱很弱，自旋方向與磁矩方向相反相反的電子則受到強(qiáng)烈強(qiáng)烈的散射作用，而傳導(dǎo)電子受到散射作用的強(qiáng)弱直接影響到材料電阻的大小。 GMRGMR的原理A A）沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，相鄰磁層存在）沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，相鄰磁層存在反平行磁矩反平行磁矩兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過(guò)磁矩取向與其兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過(guò)磁矩取向與其自旋方向相同的一個(gè)磁層自旋方向相同的一個(gè)磁層后，遇到另一個(gè)后，遇到另一

20、個(gè)磁矩取向與其磁矩取向與其自旋方向相反的磁層自旋方向相反的磁層，并在那里受到，并在那里受到強(qiáng)烈的散射強(qiáng)烈的散射作用，作用，也就是說(shuō)，沒(méi)有哪種自旋狀態(tài)的電子也就是說(shuō)，沒(méi)有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越兩個(gè)或兩個(gè)可以穿越兩個(gè)或兩個(gè)以上的磁層以上的磁層。在宏觀上，多層膜處于在宏觀上，多層膜處于高電阻狀態(tài)。高電阻狀態(tài)。B B）外加磁場(chǎng)足夠大，）外加磁場(chǎng)足夠大，反平行排列反平行排列的各層磁矩都的各層磁矩都沿外場(chǎng)方向排列一致沿外場(chǎng)方向排列一致。傳導(dǎo)電子中，自旋方向與磁矩傳導(dǎo)電子中，自旋方向與磁矩取向相同取向相同的那一半電子可以很容易的那一半電子可以很容易地穿過(guò)許多磁層而只受到地穿過(guò)許多磁層而只受到很弱的散射很

21、弱的散射，而另一半自旋方向與磁矩而另一半自旋方向與磁矩取向相反取向相反的電子則在每一磁層都受到的電子則在每一磁層都受到強(qiáng)烈的散射強(qiáng)烈的散射作用。作用。有一半傳導(dǎo)電子存在一低電阻通道。有一半傳導(dǎo)電子存在一低電阻通道。在宏觀上，多層膜處于在宏觀上，多層膜處于低電阻狀態(tài)低電阻狀態(tài)，這樣就產(chǎn)生了這樣就產(chǎn)生了GMR現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 上述模型的描述是上述模型的描述是非常粗略非常粗略的，而且只考慮了電子在磁的，而且只考慮了電子在磁層內(nèi)部的散射，即所謂的層內(nèi)部的散射，即所謂的體散射體散射。 實(shí)際上，在磁層與非磁層界面處的實(shí)際上，在磁層與非磁層界面處的自旋相關(guān)散射自旋相關(guān)散射有時(shí)更為有時(shí)更為重要，尤其是在一些重要，

22、尤其是在一些GMRGMR較大的多膜層系統(tǒng)中，較大的多膜層系統(tǒng)中，界面散射作界面散射作用占主導(dǎo)地位用占主導(dǎo)地位。雖然多膜層具有很高的。雖然多膜層具有很高的GMRGMR，但由于強(qiáng)反鐵，但由于強(qiáng)反鐵磁耦合使飽和磁場(chǎng)高（磁耦合使飽和磁場(chǎng)高（1T1T），其磁場(chǎng)傳感靈敏度），其磁場(chǎng)傳感靈敏度S=S= R/(RHR/(RHS S) ) 低于低于0.010.01/Oe/Oe，遠(yuǎn)小于玻莫爾合金的靈敏度，遠(yuǎn)小于玻莫爾合金的靈敏度0.30.3/Oe/Oe。 巨磁阻磁頭的核心部分是四層膜：自由膜、非磁性膜、引線膜和反鐵自由膜、非磁性膜、引線膜和反鐵磁膜磁膜。巨磁阻磁頭示意圖自由膜自由膜的作用是對(duì)盤片上的磁記錄信息作響

23、應(yīng)，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，它的磁化方向與引線膜引線膜垂直垂直，此時(shí)無(wú)論何種自旋方向的電子都很難穿過(guò)自由膜和引線膜，相當(dāng)于電阻值高相當(dāng)于電阻值高。 當(dāng)盤片上的磁記錄位的磁場(chǎng)方向和自由膜自由膜的磁化方向相反時(shí)，自由膜自由膜的磁化方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，與引線膜引線膜平行，此時(shí)自旋方向平行于它們的電子就很容易穿過(guò)這兩層，相當(dāng)于電阻值低相當(dāng)于電阻值低。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，電流持續(xù)流經(jīng)各膜，通過(guò)檢測(cè)電阻的變化就可以得到反映磁記錄位的磁場(chǎng)方向磁場(chǎng)方向和磁通強(qiáng)度磁通強(qiáng)度的函數(shù)。這種利用電子的自旋特性、像閥門一樣限制電子移動(dòng)的結(jié)構(gòu)就被稱為自旋閥自旋閥結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，也是當(dāng)今主流的磁頭結(jié)構(gòu)。IBM公司制造的巨磁阻磁頭示意圖納米顆粒膜

24、的納米顆粒膜的GMRGMR效應(yīng)效應(yīng) 納米顆粒膜納米顆粒膜是指納米量級(jí)的鐵磁性相與非鐵磁性導(dǎo)體相非均勻析出構(gòu)成的合金膜。在鐵磁顆粒的尺寸及其間距小于電子平均自由程的條件下，顆粒膜就有可能呈現(xiàn)GMRGMR效應(yīng)。效應(yīng)。 除顆粒尺寸外，巨磁電阻效應(yīng)還與顆粒形態(tài)相關(guān)，對(duì)合金進(jìn)行退火處理可以促使進(jìn)一步相分離，從而影響巨磁電阻效應(yīng)。 納米顆粒合金中的納米顆粒合金中的GMRGMR效應(yīng)最早是在濺射效應(yīng)最早是在濺射Cu-CoCu-Co合金單層膜合金單層膜（膜厚數(shù)百納米）中發(fā)現(xiàn)的，它表現(xiàn)出比較大的負(fù)效應(yīng)，（膜厚數(shù)百納米）中發(fā)現(xiàn)的，它表現(xiàn)出比較大的負(fù)效應(yīng)，室溫下，在室溫下，在160kA/m160kA/m的磁場(chǎng)下，的磁

25、場(chǎng)下，MRMR比最大達(dá)比最大達(dá)7 7。Cu-CoCu-Co合金單層膜系統(tǒng)中的母相為合金單層膜系統(tǒng)中的母相為CuCu，在母相中彌散分布著在母相中彌散分布著CoCo納米顆粒相，后者具有磁矩。納米顆粒相，后者具有磁矩。當(dāng)傳導(dǎo)電子在當(dāng)傳導(dǎo)電子在CuCu母相中流過(guò)時(shí)，母相中流過(guò)時(shí)，出現(xiàn)出現(xiàn)GMRGMR效應(yīng)效應(yīng)。 納米顆粒膜中的巨磁阻效應(yīng)納米顆粒膜中的巨磁阻效應(yīng) 是如何產(chǎn)生的呢？是如何產(chǎn)生的呢？主要源于：主要源于：電子在磁性顆粒電子在磁性顆粒表面表面或或界面界面的散射。的散射。它與顆粒直徑成反比，或者說(shuō)與顆粒的比表面積它與顆粒直徑成反比，或者說(shuō)與顆粒的比表面積成正比關(guān)系。成正比關(guān)系。顆粒粒徑越小、表面積越

26、大，界面所起的散射作顆粒粒徑越小、表面積越大，界面所起的散射作用越大。用越大。CoCo2020AgAg8080納米顆粒膜的納米顆粒膜的GMRGMR效應(yīng)與效應(yīng)與CoCo顆粒半徑顆粒半徑的關(guān)系的關(guān)系1 1）GMRGMR效應(yīng)與顆粒半徑成線性關(guān)系效應(yīng)與顆粒半徑成線性關(guān)系2 2）顆粒半徑越小，）顆粒半徑越小，GMRGMR效應(yīng)越顯著效應(yīng)越顯著 CoxAg1-x顆粒膜的GMR效應(yīng)與Co含量（x）之間的關(guān)系 Co Co含量（含量（x x）=22%=22%時(shí)時(shí)GMRGMR效應(yīng)最顯著效應(yīng)最顯著隧道結(jié)磁電阻（隧道結(jié)磁電阻（TMRTMR）效應(yīng)）效應(yīng) 在金屬膜之間夾有數(shù)納米厚的在金屬膜之間夾有數(shù)納米厚的絕緣層絕緣層，構(gòu)

27、成三明治結(jié)構(gòu)。在兩金屬之間加低電構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)。在兩金屬之間加低電壓，電子不是越過(guò)勢(shì)壘，而是在能壘中壓，電子不是越過(guò)勢(shì)壘，而是在能壘中穿過(guò)，這便是穿過(guò)，這便是隧道貫穿現(xiàn)象隧道貫穿現(xiàn)象。絕緣層為非鐵磁性時(shí)，電子貫穿前后自絕緣層為非鐵磁性時(shí)，電子貫穿前后自旋方向不改變。旋方向不改變。如果三明治結(jié)構(gòu)為如果三明治結(jié)構(gòu)為鐵磁性鐵磁性A A/ /非鐵磁性絕緣非鐵磁性絕緣層層/ /鐵磁鐵磁性性B B，傳導(dǎo)電子在貫穿三明治結(jié)構(gòu)，傳導(dǎo)電子在貫穿三明治結(jié)構(gòu)時(shí)，時(shí)，會(huì)怎樣會(huì)怎樣？電子不受絕緣層的影響，但要受到鐵磁性A A層、鐵磁性B B層自發(fā)磁化MsMs的影響。自旋方向不同的電子穿過(guò)隧道的幾率不同，所產(chǎn)生的巨磁電阻

28、效應(yīng)稱為隧道磁電阻（TMRTMR）效應(yīng)。 關(guān)于隧道效應(yīng)的研究一直在進(jìn)行中，自發(fā)現(xiàn)關(guān)于隧道效應(yīng)的研究一直在進(jìn)行中，自發(fā)現(xiàn)金屬超晶格金屬超晶格GMRGMR之后，它再一次引起人們的注之后，它再一次引起人們的注目。有人采用目。有人采用Fe/AlFe/Al2 2O O3 3/Fe/Fe磁性三明治結(jié)構(gòu)研究磁性三明治結(jié)構(gòu)研究隧道型隧道型GMRGMR效應(yīng)，室溫的效應(yīng)，室溫的GMRGMR達(dá)到達(dá)到1818。由于。由于這種器件膜層較厚，制作容易，對(duì)于實(shí)用器件，這種器件膜層較厚，制作容易，對(duì)于實(shí)用器件，意義很大。其缺點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)的意義很大。其缺點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)的電阻較大電阻較大。 材料材料磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)（）（）飽和磁化強(qiáng)飽

29、和磁化強(qiáng)度（度（Oe）磁場(chǎng)敏感度磁場(chǎng)敏感度（/Oe）注釋注釋多層膜多層膜1010010020000.1有磁滯現(xiàn)象有磁滯現(xiàn)象自旋閥自旋閥5105501.0熱穩(wěn)定性差熱穩(wěn)定性差顆粒膜顆粒膜62080080000.01有磁滯現(xiàn)象有磁滯現(xiàn)象隧道結(jié)隧道結(jié)10255252.0高電阻高電阻AMR25200.4低磁場(chǎng)低磁場(chǎng)GMRGMR性能的比較性能的比較超巨磁阻（超巨磁阻（CMR）效應(yīng)）效應(yīng) 1993年，Helmolt等人在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到巨磁電阻效應(yīng)。 由于它比金屬材料中的磁阻效應(yīng)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且產(chǎn)生的機(jī)制不同，因而將其稱為CMRCMR效應(yīng)效應(yīng)， 國(guó)內(nèi)也有人稱其為宏磁電阻、

30、龐磁電阻、超大磁電阻、極大磁電阻等。 CMR CMR效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理至今仍不十分清楚。效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理至今仍不十分清楚。 巨磁阻效應(yīng)的應(yīng)用巨磁阻效應(yīng)的應(yīng)用 在巨磁阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后的不長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，不斷開(kāi)發(fā)出一系列嶄新的磁電子學(xué)器件。 使計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器的容量獲得了突破性進(jìn)展， 并使家用電器、自動(dòng)化技術(shù)和汽車工業(yè)中應(yīng)用的傳感器傳感器得以更新。 例如，IBM公司從1994年起利用GMR效應(yīng)制做出了硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）讀出磁頭，使HDD的面密度達(dá)到每平方英寸每平方英寸1010億位億位（1Gbt/in1Gbt/in2 2）， 至1996年已達(dá)到5Gbt/in25Gbt/in2，將磁盤記錄密度一下提高了171

31、7倍倍，其市場(chǎng)產(chǎn)值再1998年已達(dá)到340億美元。 在此基礎(chǔ)上1995年又發(fā)現(xiàn)了室溫下工作的隧道結(jié)（TMR）材料，其存儲(chǔ)性能指標(biāo)又有數(shù)量級(jí)的提高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響將進(jìn)一步增大。3.4.3 3.4.3 納米磁性材料納米磁性材料納米磁性材料納米磁性材料 納米軟磁材料納米軟磁材料 納米復(fù)合永磁材料納米復(fù)合永磁材料 巨磁化強(qiáng)度材料巨磁化強(qiáng)度材料 納米磁性材料納米磁性材料 軟磁材料：軟磁材料：又稱為高磁導(dǎo)率材料,具有高的磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率，其基本功能是迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，低損耗低損耗地獲得高的磁通密度或高磁化強(qiáng)度。磁導(dǎo)率？磁導(dǎo)率？磁介質(zhì)中磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B與與磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度H H之比之比通

32、俗講：磁化和去磁化都很容易通俗講：磁化和去磁化都很容易軟磁材料典型的磁滯迴曲線軟磁材料典型的磁滯迴曲線為了：迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，要求為了：迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，要求低的矯頑力低的矯頑力。為了：實(shí)現(xiàn)低損耗，要求具有為了：實(shí)現(xiàn)低損耗，要求具有高的電阻率高的電阻率。小的矯頑力，小的矯頑力，一般不大于一般不大于1000A/m1000A/m高的飽和磁化強(qiáng)度計(jì)算和實(shí)踐都表明計(jì)算和實(shí)踐都表明，磁化率磁化率正比于飽和磁飽和磁化強(qiáng)度化強(qiáng)度的平方，反比于磁性晶體的各向異各向異性常數(shù)性常數(shù)K1，或磁致伸縮常數(shù)s 。因此，軟磁材料還應(yīng)具有高的高的 MsMs 低的低的 K1K1常用的軟磁材料：電工軟鐵、硅鋼、坡莫爾合

33、金、磁性非晶等。被廣泛用于：制造發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器。在磁性材料中所占的比例最大。比例最大。2020 世紀(jì) 6060 年代末，美國(guó)研究出用快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù)制造非晶合金軟磁材料非晶合金軟磁材料；引發(fā)了近年來(lái)納米晶軟磁材料納米晶軟磁材料和納米薄膜軟磁材料納米薄膜軟磁材料的研究熱潮，將會(huì)使高頻領(lǐng)域的電磁器件發(fā)生革命性的變化。8080 年代后期，日本研究出在非晶合金基礎(chǔ)上利用再退火再退火晶化技術(shù)晶化技術(shù)制造微晶合金軟磁微晶合金軟磁材料材料。軟磁材料應(yīng)用的軟磁材料應(yīng)用的兩大重要進(jìn)展兩大重要進(jìn)展 80年代，非晶合金軟磁材料的品種已經(jīng)基本定型主要類型有三種：（ 1 1 ）鐵基非晶合金，主要成分為鐵

34、硅硼。飽和磁通密度高，工頻和中頻下?lián)p耗低，價(jià)格便宜。主要用于工頻和中頻電磁器件。（ 2 2 ）鈷基非晶合金，主要成分為鈷鐵硅硼。磁導(dǎo)率高，飽和磁通密度低，損耗低，價(jià)格貴。主要用于中高頻電磁器件。（ 3 3 ）鐵鎳基非晶合金，主要成分為鐵鎳硅硼。初始磁導(dǎo)率高，低頻下?lián)p耗低。主要用于檢測(cè)電磁器件和漏電開(kāi)關(guān)用互感器等。為了克服鈷基非晶合金鈷基非晶合金飽和磁通密度低，價(jià)格貴的缺點(diǎn)。19881988 年日本開(kāi)發(fā)出微晶合金，商品名叫 FinementFinement。它是在鐵基非晶合金鐵基非晶合金中加微量的銅銅和鈮鈮，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蛊洳糠志Щ?，而得到晶粒大小為微米至納米范圍的微晶合金。晶粒大小為納

35、米范圍的又稱為納米晶合金。圖幾種納米軟磁材料的 e-Bs 關(guān)系鐵基非晶合金，鐵基非晶合金，飽和磁化強(qiáng)度較高飽和磁化強(qiáng)度較高鈷基非晶合金，磁化率較鈷基非晶合金，磁化率較高，但是飽和磁化強(qiáng)度低高，但是飽和磁化強(qiáng)度低目標(biāo)！目標(biāo)！max軟磁材料的性能軟磁材料的性能 各種軟磁材料都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，即使將來(lái)人們可以通過(guò)原子和分子結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)和制造軟磁材料，理想的軟磁材料也只是追求的目標(biāo)。因?yàn)椋汗ぷ鞔磐芏炔豢赡軣o(wú)限制的高，允許的工作頻率不可能無(wú)限制的高，損耗不可能為零，成本也不可能為零。永磁材料：永磁材料：亦稱硬磁材料或高矯頑力材料，用于存貯靜磁能，其性能用最大磁能積來(lái)表示。磁能積？退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和

36、H的乘積。意義：是磁能積越大，產(chǎn)生同樣效果時(shí)所需磁材料越少。為了：獲得最大磁能積，永磁材料必須具有高的高的剩磁剩磁 高的矯高的矯頑力頑力 420sM但是但是磁能積的最大理論值：磁能積的最大理論值：如果只考慮如果只考慮磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度：則：則-Fe-Fe的的 2.15T2.15T，最大磁能積可達(dá)最大磁能積可達(dá)920kJ/m920kJ/m3 3。實(shí)際上：實(shí)際上：-Fe-Fe的的 很小，導(dǎo)致其最大磁能積僅很小，導(dǎo)致其最大磁能積僅為為1kJ/m1kJ/m3 3的量級(jí)。的量級(jí)。Ms0cH目前，廣泛使用的磁能積最高的是第三代稀土NdFeBNdFeB（釹鐵硼）永磁體，其主相為Nd2Fel4BNd2Fel4B

37、，( (BHBH)max)max =516kJ/m=516kJ/m3 3。由于受MsMs上限的限制，進(jìn)一步提高單相永磁體的磁能積是十分困難的。 將具有很高的 軟磁材料軟磁材料 具有很高的 硬磁材料硬磁材料可以設(shè)想可以設(shè)想sMcH復(fù)合通過(guò)交換通過(guò)交換耦合作用耦合作用得到得到極高磁能積的極高磁能積的納米復(fù)合永磁材料納米復(fù)合永磁材料晶粒交換耦合相互作用晶粒交換耦合相互作用兩個(gè)相鄰晶粒直接接觸時(shí)，晶界處取向不同的磁矩產(chǎn)生相互作用，阻止其磁矩沿各自易磁化方向取向阻止其磁矩沿各自易磁化方向取向，使界面處的磁矩取向從一個(gè)晶粒的易磁化方向連續(xù)改變?yōu)榱硪粋€(gè)晶粒的易磁化方向。使混亂取向的晶粒磁矩趨向于平行排列，磁

38、矩沿外磁場(chǎng)方向的分量增加，產(chǎn)生剩磁增強(qiáng)效應(yīng)。交換耦合作用削弱了每個(gè)晶粒磁晶各向異性的影響，使晶粒界面處的有效各向異性減小各向異性減小。交換耦合磁體的磁滯迴線 高飽和磁化強(qiáng)度，低矯頑力的軟磁材料高矯頑力，低飽和磁化強(qiáng)度的硬磁材料耦合耦合極高磁能積的極高磁能積的納米復(fù)合永磁材料納米復(fù)合永磁材料 -Fe -Fe：飽和磁化強(qiáng)度高，矯頑力低。：飽和磁化強(qiáng)度高，矯頑力低。NdFeBNdFeB（釹鐵硼），飽和磁化強(qiáng)度相對(duì)較低。），飽和磁化強(qiáng)度相對(duì)較低。復(fù)復(fù)合合納米復(fù)合永磁材料，納米復(fù)合永磁材料，磁能積提高磁能積提高 多層膜中多層膜中軟磁相軟磁相的的厚度厚度或或體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)對(duì)對(duì)矯頑力和磁矯頑力和磁能積能積

39、有較大的影響。有較大的影響。由圖可知，隨著由圖可知，隨著CoCo層厚度層厚度的減小，多層膜的矯頑力的減小，多層膜的矯頑力和磁能積迅速增加。此外，和磁能積迅速增加。此外，多層膜退火時(shí)層間的擴(kuò)散多層膜退火時(shí)層間的擴(kuò)散或非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫嘁材芑蚍蔷噢D(zhuǎn)變?yōu)榫嘁材軐?dǎo)致磁能積的增加。導(dǎo)致磁能積的增加。 制備高剩磁硬、軟相納米復(fù)合永磁體合金的方法主要有三種，一是薄膜制備，二是快淬甩帶，三是機(jī)械合金化。 目前，用上述方法制備的納米復(fù)合永磁體的最大磁能積一般不超過(guò)200 kJ/m3。其主要原因有： 1）晶粒大于軟、硬磁晶粒交互耦合的臨界尺寸。當(dāng)軟磁相的尺寸大于10 nm時(shí)將損害 ，而目前制備的磁體的晶粒尺寸一

40、般大于20 nm，且范圍波動(dòng)大，降低了晶粒間的交換耦合作用，使磁能積下降。2）軟、硬磁兩相的晶粒相互接觸不好，分布不均勻。3）所有樣品都是各相同性的，無(wú)織構(gòu)存在，不符合Skomski模型所要求的各向異性。cH4）Skomski模型本身有問(wèn)題。Skomski模型是1994年提出的，經(jīng)過(guò)近20年的努力，實(shí)驗(yàn)值仍不到理論值的五分之一，就應(yīng)當(dāng)考慮Skomski模型是否正確。 因此，要使巨磁能積永磁體具有實(shí)用價(jià)值，還需要做大量的研究工作。同時(shí)，由于目前納米復(fù)合永磁材料的磁能積與理論相比有很大的差距，從而使復(fù)合永磁材料的研究更富有挑戰(zhàn)性。 3.4.4 3.4.4 磁性液體磁性液體磁性液體磁性液體 磁性液體

41、的組成磁性液體的組成 磁性液體的穩(wěn)定性磁性液體的穩(wěn)定性 磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度 磁性液體的粘度磁性液體的粘度 磁性液體的組成磁性液體的組成 磁性液體磁性液體: :經(jīng)過(guò)表面活性劑處理的超細(xì)磁性顆粒超細(xì)磁性顆粒高度分散在某種液體中而形成的一種磁磁性膠體溶液性膠體溶液。這種膠體溶液在重力和磁場(chǎng)力的作用下不會(huì)出現(xiàn)凝聚和沉淀現(xiàn)象。 Fe3O4磁性液體磁性液體中的磁性顆粒的尺寸一般為10nm或更小，具有自發(fā)磁化自發(fā)磁化的特性。顆粒在液體中處于布朗運(yùn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)磁矩是混亂無(wú)序的，處于超順磁狀態(tài)超順磁狀態(tài)既有固體磁性材料的磁性磁性又具有液體的流動(dòng)性流動(dòng)性(a)(b)磁性液體中有無(wú)外加磁

42、場(chǎng)時(shí)磁性顆粒的分布磁性液體中有無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)磁性顆粒的分布（a a）無(wú)外加磁場(chǎng)）無(wú)外加磁場(chǎng) （b b）有外加磁場(chǎng)）有外加磁場(chǎng)磁性顆磁性顆粒隨機(jī)粒隨機(jī)分布分布磁性顆粒沿磁性顆粒沿磁場(chǎng)方向定磁場(chǎng)方向定向排列，磁向排列，磁性液體具有性液體具有磁性磁性磁場(chǎng)對(duì)磁性液體的作用磁性液體由三種成分組成：磁性液體由三種成分組成：1 1）磁性顆粒磁性顆粒，2 2）包覆在磁性顆粒表面的）包覆在磁性顆粒表面的表面活性劑表面活性劑或分散劑，或分散劑，3 3）基液基液或載液。或載液。1）磁性顆粒磁性顆粒有三種類型，即20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的第一代鐵氧體顆粒，80年代出現(xiàn)的金屬型顆粒和90年代出現(xiàn)的氮化鐵顆粒。 鐵氧體磁性顆粒

43、：主要有-Fe2O3、MeFe2O4（MeCo，Ni，Mn）和Fe3O4顆粒等。 早期的磁性液體多使用Fe3O4。Fe3O4極易氧化，即使被活性劑包覆使用，也因被氧化而使磁液逐漸變黑。同時(shí)，當(dāng)Fe3O4被氧化成-Fe2O3時(shí)又將導(dǎo)致磁液的飽和磁化強(qiáng)度明顯下降和磁性液體膠體體系的破壞。因此，顆粒的抗氧化性抗氧化性是磁性液體穩(wěn)定性的關(guān)鍵問(wèn)題，也是磁性液體研究和應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 金屬型磁性液體顆粒：主要有Fe、Co、Ni及其合金顆粒。 由于金屬鐵磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鐵氧體，因此使用金屬型磁性顆粒的磁性液體具有較高的飽和磁飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（感應(yīng)強(qiáng)度（0.1T0.1T）及較低的粘度）及較低的粘

44、度。 但金屬型磁性顆粒極易氧化。用一層非晶態(tài)SiO2包覆Fe等超細(xì)顆粒可使金屬型磁性顆粒具有很好的抗氧化性。 Fe-N化合物：主要有FeN、Fe2N、-Fe3N、Fe16N2等。Fe-N系化合物在常溫下為穩(wěn)定相，同時(shí)具有高飽和磁高飽和磁化強(qiáng)度化強(qiáng)度，其中薄膜中生成的Fe16N2相可具有2.83T的巨磁化強(qiáng)度。-Fe3N磁液的飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)0.223T。因此用Fe-N化合物顆粒制備的磁性液體不僅具有穩(wěn)定具有穩(wěn)定的化學(xué)特性的化學(xué)特性，而且還具有優(yōu)良的磁性能優(yōu)良的磁性能。 各種形貌的磁性納米顆粒2）表面活性劑表面活性劑的作用的作用：是使磁性顆粒表面活性化，使微粒以理想的單顆粒形態(tài)分散在基液中并能在

45、范德瓦爾斯等各種吸引能量作用下也不會(huì)發(fā)生凝聚。表面活性劑表面活性劑的機(jī)理：的機(jī)理：是其官能團(tuán)的一端與顆粒表面通過(guò)化學(xué)鍵或靜電力產(chǎn)生很強(qiáng)的吸附作用，而另一端與溶劑分子保持較強(qiáng)的親和性，如圖所示。 磁性顆粒表面的活性劑層這樣，被活化的微粒在相互靠近時(shí)能產(chǎn)生排斥力排斥力以防止團(tuán)聚虛線代表排斥力和范德瓦爾斯排斥力和范德瓦爾斯吸引力吸引力聯(lián)合作用的能量。虛線上最高點(diǎn)為顆粒發(fā)生團(tuán)聚必須克服的勢(shì)壘勢(shì)壘。磁性顆粒之間的相互作用磁性顆粒之間的相互作用表面活性劑表面活性劑要與基液基液相適應(yīng)，其分子的烴基尾端必須和基液相溶。表面活性劑產(chǎn)生的排斥力表面活性劑產(chǎn)生的排斥力顆粒間的范德瓦爾斯吸引力顆粒間的范德瓦爾斯吸引力

46、3）基液：基液：可以是水、各種油和碳?xì)浠衔?、酯及二酯等，此外，水銀也可做基液制備成金屬型磁液。將水和各種燃料混合配制，可制備成具有紅、黃、綠等顏色的彩色液體。對(duì)于基液的要求是：低蒸發(fā)率、低粘度、高低蒸發(fā)率、低粘度、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫和抗輻照化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫和抗輻照。載液名稱適用的表面活性劑水油酸、亞油酸、亞麻酸以及它們的衍生物、鹽類及皂類酯及二酯油酸、亞油酸、亞麻酸、磷酸二酯及其它非離子界面活性劑碳?xì)浠退帷営退?、亞麻酸、磷酸二酯及其它非離子界面活性劑氟碳基氟醚酸、氟醚磺酸以及它們的衍生物、全氟聚異丙醚硅油基硅熔偶連劑、羧基聚二甲基硅氧烷、羥基聚二甲基硅氧烷、胺基聚二甲基硅氧烷、羧基聚二甲基硅氧烷、胺基聚苯甲基硅氧烷聚苯基醚苯氧基十二烷酸、磷苯氧基甲酸常用的表面活性劑及載液磁性液體的穩(wěn)定性磁性液體的穩(wěn)定性 磁性液體的穩(wěn)定性取決于：磁液中顆粒在磁場(chǎng)中的勢(shì)能勢(shì)能和熱能熱能k kB BT T 。為保證磁性液體的穩(wěn)定性，磁液中顆粒