模板-电沉积法制备磁性纳米线阵列

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1、中南大学硕士学位论文第一章绪论早在1959年，著名的理论物理学家理查德·费曼就预言了“纳米”世界的巨大创新空间【啦】。人类对世界的认识不断深入，上至宇宙天体、下至分子原子，处于宏观与微观之间的介观领域也终于引起了人们的关注。20世纪80年代末，随着扫描隧道显微镜、原子力显微镜等先进仪器的出现，小尺寸大世界的纳米科技终于得以实现【2l。纳米科技是研究尺寸在0．1'--100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术【l】。“纳米”，是从英文“Nanometer”翻译而来，lnm=10

2、‘9m，约为4．5个原子排列的长度。纳米材料则是纳米技术的一部分，是纳米技术的发展基础。纳米材料以其各种奇特的性能，吸引了无数科学工作者的眼球。发展至今，纳米科技已成为物理、化学、材料、生物等多种学科的交叉点，给各学科的发展提供了许多契机与挑战。与常规材料相比，纳米体系的光、电、热、磁等物理性质出现许多新奇特性，如超顺磁性、庞磁电阻效应、良好的吸波性等，大大丰富了凝聚态物理的研究范围。其中纳米磁性材料是应用最为广泛的一种纳米材料，它开辟了磁学研究的新领域，成为当代磁学研究的热点【l】。1．1磁性纳米材料简介纳米材料，广义地

3、说是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度(1．100nm)的材料【l】。按维数，纳米材料通常可以分为三类【1】：零维，空间的三维尺度均处于纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；一维，在空间上有两维处于纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管等；二维，在三维空间中只有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。纳米磁性材料是纳米材料家属中应用最为广泛的一员，纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，主要是由于与磁特性相关的物理长度恰好处于纳米量级，例如磁单畴尺寸、超顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等大致在1姗～100nm量级【3'4】。

4、当磁性材料结构尺寸与这个物理长度相当时，就会呈现出反常的磁学性质，人们称之为“介观磁性"。1．1．1磁性纳米材料的性质(一)量子尺寸效应我们由固体能带理论可知，块状金属传导电子的能谱为准连续的能带。但当中南大学硕士学位论文第一章绪论颗粒尺寸减小时，连续的能带将分裂为分立的能级。当能级的平均间距大于热能、磁能、静电能、光子能、超导态的凝聚能时，就会产生异于宏观的效应，即被称为量子尺寸效应【l】。对于磁性材料而言，一般块状体金属的磁化率为常数，即遵从泡利(Pauli)磁化定律(磁化率与温度之间无依赖关系)。但在低温低磁场情况下

5、，纳米粒子的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关，含奇数电子的纳米磁粉的磁化率都遵从居里．外斯定律(磁化率与温度密切相关)。而含偶数电子的纳米磁粉的磁化率都为零，这就称为磁性量子尺寸效应15J。(二)超顺磁性随着磁性粒子体积的减小，当小到微粒的各向异性能远小于热运动的能量时，微粒中的磁化矢量不再具有确定的方向，粒子的行为便类似于顺磁性，因此这种磁性被称之为超顺磁性【6J。具有超顺磁性的材料在外加磁场的作用下，不会出现磁滞回线现象，且不同温度下的磁化曲线可互相重合。(三)量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

6、由于量子力学的作用，一些宏观量例如磁化强度、磁通量等具有隧道效应化，这就是磁性的量子隧道效应。近年人们发现Fe-Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无关。于是，有人指出量子力学的零点振动可以在低温起着类似热起伏的效应，从而使得零温度附近微颗粒磁化矢量的重取向，保持有限的驰豫时间。即在绝对零度，仍然存在非零的磁化反转率。相似的观点可以解释高磁晶各向异性单晶体在低温产生阶梯式的反转磁化模式，以及量子干涉器件中的一些效剧¨。(四)磁有序颗粒的小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度

7、或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应fl】。强磁性材料的磁畴结构与强磁体的形状、尺寸紧密联系。对于块状材料，在零磁场和弱磁场中通常呈多畴状态以降低静磁能。当将块状细分为颗粒时，若颗粒尺寸小到某个临界尺寸、以致畴壁的增长大于静磁能的降低时，多畴状态不复存在，整个颗粒即成为一个单畴体，从而获得最低能量且稳定的结构。在单畴临界尺寸时，矫顽力(Hc)达到极大值。这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为

8、小尺寸效应。例如，强磁性颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，可制成磁性液体等。(五)表面磁性纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例IlJ。如果把微粒理想化为球形颗粒，它的表面积与直径的平方成正比。随着颗粒直径的变小中南大学硕士学位论文第一章绪论比表面积将会显著的增加。纳米磁性材