纳米材料与技术-纳米磁性材料

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1、第十章纳米磁性材料一、材料的磁性二、纳米微粒的磁学性能三、纳米固体材料的磁学性能四、纳米磁性材料一、材料的磁性1.材料的磁现象①天然磁石：主要成分为Fe3O4，属于一种尖晶石结构的铁氧体，其显著特点是具有吸铁的能力，称为永磁材料，也称为硬磁或恒磁材料。　　慈(磁)石的发现、磁石吸铁的发现、磁石指南和最早磁指南器(司南)的发明、指南针的发明和应用、地球磁偏角的发现、地球磁倾角的利用、磁在医药上的应用、北极光地球磁现象和太阳黑子、太阳磁现象的记载等，都是中国最早发现、发明、应用和记载的。②1820年，奥斯特发现电流产生磁场：距导线r米处的磁场强度H为：　　　H

2、=I/2pr(A/m)1A/m=4´103Oe(Oersted)?材料在外加磁场H（直流、交变或脉冲磁场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度B，单位为T(Tesla)或韦伯/米2(Wb/m2)。1T=1Wb/m21T=104Gaussmm：磁导率，为材料的本征参数mm0：4´10-7亨利/米③其他表征磁性材料的参数：相对磁导率：mr=m/m0磁化率：c=mr–1磁化强度：M=cH2.材料磁性的微观机理①基本概念：磁偶极子：线度小至原子的小磁铁，可等效为环绕电路流动的电荷，如电子绕原子核的运动、电子的自旋、旋转的电子核等。磁偶极矩Pm

3、：真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩。磁矩m：Pm与m0的比值，单位为A·m2。②材料的宏观磁性：由组成材料的原子中电子的磁矩引起，产生磁矩的原因有二：i）电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩mo。ii）每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩ms，它比mo大得多。故每个电子可看成一个小磁体，具有永久的mo和ms。　　Bohr磁子mB=eħ/2me　　每个电子的ms»mB，mo受不断变化方向的晶格场作用，不能形成联合磁矩。?原子是否具有m，取决于其具体的电子壳层结构。若有未被填满的电子壳层，

4、其电子的ms未被完全抵消，则原子具有永久m。3.材料磁性的分类材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应，具体可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性（均为弱磁性）、铁磁性和亚铁磁性（均为强磁性）。①抗磁性（Diamagnetism）：在外加磁场存在时，外磁场会使材料中电子的轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩，其方向与外磁场方向相反，故名抗磁性。常见材料：Bi、Zn、Ag、Mg等金属，Si、P、S等非金属，许多有机高聚物以及惰性气体。②顺磁性（Paramagnetism）：有些材料（Al，Pt等）的ms和mo没有完全被抵消，每个原子都有一个永久m，但在无外

5、磁场作用时，各个原子的m无序排列，材料表现不出宏观的磁性；而在有外磁场作用时，各个原子m会沿外磁场方向择优取向，使材料表现出宏观的磁性，称其为顺磁性。常见材料：稀土金属，Fe族元素的盐类，Mn、Cr、Pt、N2、O2等。?抗磁性和顺磁性材料一般看作是无磁性的，因为它们只有在外磁场存在时才被磁化，而磁化率又极小。③铁磁性（Ferromagnetism）：26Fe、27Co、28Ni、39Y、66Dy等材料在外磁场作用下，会产生很大的磁化强度，外磁场去除后仍能保持相当大的永久磁性，故而得名。具有铁磁性的材料的磁化率可高达106，使得磁化强度M(M=cH)远大于

6、磁场强度H。④反铁磁性（Antiferromagnetism）：MnO，Cr2O3，CoO，ZnFeO4等材料，其相邻原子或离子的磁矩作反方向平行排列，总磁矩为零。⑤亚铁磁性（Ferrimagnetism）：对于含铁酸盐的陶瓷磁性材料，即铁氧体（Ferrite），其宏观磁性类似于铁磁性，但是其磁化率和饱和磁化强度比铁磁性材料低一些，称为亚铁磁性。这类铁氧体的电阻率较高，适于制作电导率低的磁性元件。材料的铁磁理论Ø一般铁磁性材料的磁化率c和磁导率m很大，其磁化强度M(=cH)和磁感应强度B(=mH)与磁场强度H之间不是单值函数关系，而显示磁滞现象（Hyste

7、resisLoop）。Ø铁磁材料具有一个磁性转变温度：居里温度TCTTC时，铁磁性消失而呈现顺磁性。Ø磁畴（magneticdomain）假说：铁磁材料的自发磁化是按区域分布的，各个自发磁化区域称为磁畴。铁磁材料在一定温度范围内（0K到TC）存在与外加磁场无关的自发磁化，导致自发磁化的相互作用力为材料内部的分子场，原子磁矩在分子场作用下克服热运动的无序效应，自发地平行一致取向—分子场假说（Heisenberg证明了分子场是量子交换相互作用的结果，这种交换作用纯属量子效应。可见铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用）。该假说

8、已被随后的理论和实验所证明：每个磁畴的线度为1-100mm，约含1