纳米材料物理-磁光性能
纳米材料的磁学性能
致超顺磁性。
精品课件
超顺磁性
微粒体积 足够小时
热运动能对微粒自发 磁化方向产生影响
超顺磁性
超顺磁性可定义为：当一任意场发生变化后， 磁性材料的磁化强度经过时间 t后达到平衡态的现象。
精品课件
当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化 场强H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B） 并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变 化滞后于H的变化。这种现象叫磁滞。
d:54nm
c:23nm
b:13nm
a:8nm
不同晶粒铁酸镍的磁化曲线
图中纵坐标为比饱和磁化强度，横坐标为比表面积。a、b、c、d 分别代表晶粒为8、13、23和54nm的样品。由图可知，样品的比饱和磁 化强度随着晶粒尺寸的减小而急剧下降。图中样品a、b、c、d的比表 面积分别为153.5、103.2、55.8和23.7 m2/g，因此，晶粒越小，比表 面积越大，减小得越多。因此庞大精品的课表件 面对磁化是非常不利的。
引起
材料电
阻率的 变化
磁电阻或
磁阻效应 （MR）
M RR (R 0)(H)( 0)(0)
精品课件
普通材料的磁阻效应很小。
如：工业上有使用价值的坡莫尔合金的各向异性 磁阻（AMR）效应最大值也末突破2.5％。
1988年，Baibich等人在由Fe、Cr交替沉积而形成 的纳米多层膜中发现了超过50％的MR，且为各向
V40kBTK
K:材料的各向异性常数， 对于典型的薄膜记
录介质，其有效各向异性常数Keff=0.2J/cm3。在室温
下，微粒的体积应大于828nm3，对于立方晶粒，其边 长应大于9nm。此外，超顺磁性是制备磁性液体的条
纳米材料与技术-纳米磁性材料
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Fe 3O 4，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。
② 1820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 = I / 2π r (A/m)1 A/m = 4 ⨯ 103 Oe (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/m 2)。
1T = 1 Wb/m 21T = 104 Gaussμ：磁导率，为材料的本征参数 μ0：4 ⨯ 10-7 亨利/米③ 其他表征磁性材料的参数：相对磁导率：μr = μ / μ0 磁化率：χ = μr – 1 磁化强度：M = χH2. 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P m ：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 ：P m 与μ0的比值，单位为A·m 2。
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m o 。
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m s ，它比m o 大得多。
故每个电子可看成一个小磁体，具有永久的m o 和m s 。
纳米材料的磁学性质及其应用
纳米材料及磁性纳米材料的性质与应用学院材料科学与工程姓名贺双学号班级指导老师迟悦纳米材料及磁性纳米材料的性质与应用前言：纳米材料是最早诞生的纳米科技领域的学科分支。
1990年7月在美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科技会议上就把纳米材料作为最有活力、发展最快的纳米科学分支写入大会的文件中。
1991年我国著名科学家钱学森就曾经有这样的预言：纳米和纳米以下的结构将是下一世纪发展的重点，会是一次技术革命。
正如其言，进入二十一世纪，纳米材料米迅速成为今世界最有前途的决定性技术。
文章简要地概述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命科学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。
摘要：本文主要讨论纳米材料的性质和应用，重点介绍纳米材料的磁性在医学，催化剂以及电子器件等的应用。
在其他方面的应用，仅供才考。
1.纳米材料的构成纳米是一个尺度的度量，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（小于100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。
它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处原子簇和宏观物体交界的过渡区域。
目前,国际上将处于1～100nm 尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体,以及由纳米微晶所构成材料,统称之为纳米材料,包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。
它们是由2～106 个原子、分子或者离子构成的相对稳定的集团,其物理和化学性质随着包含的粒子数目与种类而变化。
纳米材料的颗粒尺寸是肉眼和一般显微镜看不到的微小粒子,只能用高倍电子显微镜进行观察。
2.纳米材料的特性2.1.小尺寸效应，小尺寸效应，又称体积效应，当纳米粒子的尺寸与传导电子的波长及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性等于普通粒子相比有很大变化。
由于纳米粒子体积极小,所包含的原子数很少。
因此,许多现象如与界面状态有关的吸附、催化、扩散、烧结等物理、化学性质将显著与大颗粒传统材料的特性不同,就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明,这种特殊的现象通常称之为体积效应。
纳米材料的物理性能.
《材料科学前沿》学号：S1*******流水号：S2*******姓名：张东杰指导老师：郝耀武纳米晶材料的物理性能摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。
纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。
本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。
关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能1、引言纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。
因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。
实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。
对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。
纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。
纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。
纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。
当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。
又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。
我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。
纳米材料的物理性质与应用
纳米材料的物理性质与应用近年来，随着纳米技术的不断发展和应用，纳米材料在各个领域都有着广泛的应用。
其独特的物理性质不仅有助于改善材料的力学、热学、光学等性能，而且还可以为纳米材料的制备、储存、传输等方面提供更为完善的技术手段。
本文将以纳米材料的物理性质为突破口，详细论述其各方面的应用。
一、量子效应纳米材料的至关重要的特点之一就是其具有量子效应。
在具有纳米级别的粒径和尺度下，纳米材料的一些物理性质与普通物质不同，如金属性增强、磁性等。
这些性质与材料粒子之间的相互作用、电场强度、禁带宽度等有着密切的关联。
纳米材料的量子效应主要体现在电子结构和光学性质上。
在纳米尺度下，由于金属、半导体等材料表面出现的离域电子，其禁带宽度发生了变化，从而使其电学性质发生了改变，例如电导率和电阻率等。
此外，量子限制也会对一些量子态能级的形成以及能量势阱的形成起到一定的作用。
此外，纳米材料的光学性质也与量子效应密切相关。
激发外界电场可以在纳米材料中诱导各种表面等离子体共振等，从而产生或改变纳米颗粒的吸收谱、发射谱等。
对于这些量子效应的研究为纳米材料的制备和应用用提供了新的思路。
二、电学性质纳米材料在电学性质上也有许多独特的特点。
因为其尺寸较小，表面积比体积大，材料体内的晶体缺陷和表面缺陷较多，从而表面电荷密度较大，更易受到外界电场的作用。
这为纳米材料的制备和性质调控打下了坚实的基础。
针对纳米材料的电学性质具体研究的话，主要从材料的禁带宽度、离子束辐照效应、金属-半导体等接触电学性质等方面进行研究。
并且还可以通过毛细管电泳、电纺甩、层层自组装等手段进行制备，通过调节载流子的移动速度、电子-空穴对的制动、表面电势等参数，实现对纳米材料电学性质的精准调节。
三、热学性质除了电学性质之外，纳米材料的热学性质也非常重要。
在纳米级别下，材料的热传输比表面扩散更为显著，这与其尺寸和表面积以及能带结构有着密切关系。
利用这种特点可以制备出具有良好热学性能的材料，如耗散型纳米材料、热障涂层等。
材料磁学性能-磁学性能(第四节)
50Cu 34Fe7Al 15Ni35Co 4Cu5Ti
0.95
5900
2600
0.54
44000
12000
0.34
54000
6400
0.76
123000 36000
BaO-6Fe2O3
0.32
240000 20000
TC （oC）
⎯ 760 410 860
860
450
电阻率 ρ ( Ω·m )
部分磁粉的性能
γ-Fe2O3 CrO2 CoFe 金属颗粒 钡铁氧体
比表面积 （m2/g）
15∼50
15∼40
20∼50
30∼60
25∼70
颗粒尺寸 （nm） 270∼500 190∼400 150∼400 120∼300 500∼200
颗粒体积 （10-5μm3） 30∼200 10∼100 5∼100
14
理想的磁光存储材料应具备以下基本性能：
材料的饱和磁化强度MS应偏小，以使磁光存储薄膜的磁化矢量垂直于膜面 薄膜的磁滞回线必须是矩形，即剩磁比为1，从而确保良好的记录开关特性 适中的居里温度，否则记录用半导体激光器的功率要增大 稳定的记录位尺寸d可以粗略地用d ∝1/HC表示，因此材料的矫顽力要足够大 记录材料要有高的热传导率，当激光作用时，记录介质能快速升温和冷却 热稳定性好，在记录/擦除激光光束反复作用下，材料的结构不发生变化 优良的抗氧化、抗腐蚀性能，要求存储介质经长期存放后性能不变 大面积成膜容易
易去磁，即磁滞回线很窄
高的磁导率和小的矫顽力要求材料的结构尽 量均匀，没有缺陷，在磁学上各向同性
若要在交变磁场中用作软磁材料，铁磁体应 有较大的电阻率，这可以通过材料的合金化 来做到，如铁-硅合金、铁-镍合金等
11.1 磁性纳米材料
磁性纳米材料磁性纳米材料具有广泛的应用，已成为当今材料科学领域的研究热点之一。
磁性纳米材料与常规的磁性材料不同，主要原因是其与磁性相关的特征物理量也是处于纳米量级，如超顺磁性临界尺寸、磁交换作用长度等大致处于1-100 nm量级。
近年来，磁性纳米材料在催化、环境保护、航空航天、生物工程/生物医药、核磁成像等领域引起了科研工作者的广泛兴趣。
纳米材料因其小尺寸效应和表面效应，使得磁性纳米材料表现出不同于常规磁性材料的性质。
这是因为与磁性相关的特征物理参数恰好处于纳米量级，例如，磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸等大致都处于纳米量级。
1 磁性纳米材料分类常用的磁性材料可分为三类：第一类为单体，如单纯的铁、钴、镍等；第二类为合金，如铁镍合金、铁铝合金等；第三类为氧化物，如氧化钴、四氧化三铁等。
这其中，用的最多的是四氧化三铁(Fe304)，因为它具有粒径小、灵敏度高、毒性低、性能稳定、原材料易得等优势。
随着纳米材料科学与技术的发展，磁性Fe304纳米材料的应用开发越发引起人们的关注，特别是在生物医学领域的应用潜力巨大。
2 磁性纳米材料的特性当磁性材料粒径小到一定值时，它的磁学性质会发生很大变化。
磁性纳米材料通常包括纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料，室温下即可呈现为超顺磁性的磁性纳米粒子。
纳米晶软磁材料主要应用于变压器和电磁屏蔽等领域；纳米晶永磁材料主要用于信息记录、磁致冷、微电动机等领域；具有超顺磁性的磁性纳米粒子应用较为广泛，例如，环境保护、生物医学、磁性分离、锂离子电池、磁流体及磁光晶体等领域。
与磁性相关的单畴临界尺寸和超顺磁临界尺寸等特征物理长度均处于纳米数量级，而通过合成磁性纳米粒子的尺寸与这些特征的临界尺寸相当，因此磁性纳米粒子可以表现出不同于其它磁性材料的磁学性质。
2.1 单磁畴在强磁性材料中，由于材料体相的交换能、反磁场能、磁弹性能等各种能量的相互作用，使得材料体相被分成许多磁矩规则排列的小室(约10-14m3)，这些小室就被称为磁畴。
纳米磁性(1)
纳米磁性1.磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱与基础，广泛地应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。
信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向进展，因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。
纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级，通常在1～100nm的准零维超细微粉，一维超薄膜或二维超细纤维（丝）或由它们组成的固态或液态磁性材料。
当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时，其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化，产生了很多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能，有着极高的活性，潜在极大的原能能量，这就是“量变到质变”。
纳米磁性材料的特殊磁性能主要有：量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。
2纳米磁性材料的研究概况纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。
2.1纳米颗粒型磁存储介质材料：近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。
高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。
若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提升。
纳米磁性微粒因为尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提升信噪比，改善图像质量。
纳米磁记录介质：如合金磁粉的尺寸在80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm，今后进一步提升密度向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/in2，相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说。
磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成。
利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。
这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。
此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。
纳米材料导论第五章纳米材料的磁学性能
第五章纳米材料的磁学性能第一节磁学性能的尺寸效应当磁性物质的粒度或晶粒进入纳米范围时，其磁学性能具有明显的尺寸效应。
因此，纳米材料具有许多粗晶或微米晶材料所不具备的磁学特性。
例如纳米丝，由于长度和直径比很大，具有很强的形状各向异性，当其直径小于某一临界值时，在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。
此外，矫顽力、饱和磁化强度、居里温度等磁学参数都与晶粒尺寸相关。
一、矫顽力在磁学性能中，矫顽力的大小受晶粒尺寸变化的影响最为强烈。
对于大致球形的晶粒，矫顽力随晶粒尺寸的减小而增加，达到一最大值后，随着晶粒的进一步减小，矫顽力反而下降。
对应于最大矫顽力的晶粒尺寸相当于单畴的尺寸，对于不同的合金系统，其尺寸范围在几十至几百纳米。
当晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力cH 与平均晶粒尺寸D 的关系为：D C H c（5-1）式中C 是与材料有关的常数。
纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加，符合（5-1）式。
当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，矫顽力随晶粒的减小急剧降低。
此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为：6'D C H c（5-2）式中'C 为与材料有关的常数。
这种6D 关系与实测数据符合很好。
图5-1显示了一些Fe 基合金的cH 与晶粒度的关系。
图5-2补充了Fe 和Fe-Co 合金微粒在1～1000nm 范围内矫顽力cH 与微粒平均尺寸D 之间的关系，图中同时给出了剩磁比s R M M 与D 的关系。
图5-1 矫顽力c H 与晶粒尺寸D 的关系图5-2 Fe 和Fe-Co 微粒磁性的尺寸效应（a ）Fe （b ）Fe-Co矫顽力的尺寸效应可用图5-3来定性解释。
图中横坐标上直径D 有三个临界尺寸。
当critD D >时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程，c H 相对较小；当critD D <时，粒子为单畴，但在crit crit D D d<<时，出现非均匀转动，c H 随D 的减小而增大；当crit th d D d<<时，为均匀转动区，c H 达极大值。
纳米材料的磁光性能研究
纳米材料的磁光性能研究随着现代科技的不断进步，纳米材料在各个领域中发挥着重要作用。
而在纳米材料中，磁光性能的研究备受关注。
磁光性能是指材料在磁场作用下对光的吸收、散射和旋光等行为。
本文将从磁光性能的意义、研究方法以及应用前景等方面探讨纳米材料的磁光性能研究。
首先，磁光性能的研究具有重要的理论意义。
纳米材料在磁场作用下展现出的独特性质引发了科学家们的浓厚兴趣。
通过研究纳米材料的磁光性能，可以揭示材料的电磁相互作用规律，为进一步深化对纳米材料的了解奠定基础。
此外，磁光性能的研究还可以帮助科学家们发展新的材料理论模型，为更好地理解纳米材料的性质提供理论支持。
其次，磁光性能的研究方法多种多样。
其中，光学光谱技术是研究纳米材料磁光性能的重要手段之一。
通过测量材料在磁场作用下的吸收、散射和旋光等光学特性，可以得到与磁光性能相关的数据。
此外，磁光性能的研究还可通过电子显微镜、X射线衍射等表征手段来获得纳米材料结构和形态等相关信息。
通过综合运用各种研究方法，科学家们可以全面地了解纳米材料的磁光性能。
进一步探讨纳米材料的磁光性能研究，它在许多领域中有着广阔的应用前景。
首先，在信息存储领域，纳米材料的磁光性能研究为磁存储技术的发展提供了新的思路。
研究表明，纳米材料的磁光性能可以被调控，从而实现对光的读写操作，进一步提升信息存储介质的读写速度和密度。
其次，在生物医学领域，纳米材料的磁光性能有望在磁共振成像和磁热疗法等方面得到应用。
通过控制纳米材料对光的吸收和散射行为，可以实现对生物体内部组织的显影和精确治疗，为临床医学提供更准确的诊断和治疗手段。
当然，纳米材料的磁光性能研究也面临一些挑战。
首先，纳米材料的制备和表征技术仍然存在不足之处，限制了对纳米材料磁光性能的准确研究。
其次，纳米材料的磁光性能研究涉及多个学科领域的交叉，需要科学家们之间的合作与交流，以充分发挥各学科的优势。
此外，纳米材料的应用前景也需要进一步验证和探索，才能实现真正的商业化应用。
纳米材料的磁学特性研究
纳米材料的磁学特性研究随着科技的不断进步，纳米材料的应用越来越广泛，其中纳米材料的磁学特性备受研究者和工业界的关注。
磁学特性是纳米材料中最重要的物理属性之一，其研究的深入将会为纳米材料的应用提供更广阔的空间。
本文将会深入探讨纳米材料的磁学特性，包括其定义、分类、磁性来源以及实际应用。
一、磁学特性的定义磁学特性是指一种物质在外磁场作用下表现出来的特殊性质。
具体来说，磁学特性包括磁矩、剩余磁化、饱和磁化、矫顽力等。
其中磁矩是指物质分子中的电子磁矩，是一个物质的介磁性质的基础。
剩余磁化是物质在去除外磁场作用后仍具有残留磁化，而饱和磁化则是物质在外磁场作用下磁化强度趋近于最大值的极限状态。
矫顽力则是物质在外界应力作用下耗散能量的最大值。
二、磁学特性的分类磁学特性可以根据不同的分类标准进行分类，如基于磁性来源的分类、基于磁性状况的分类等。
基于磁性来源的分类：根据磁性来源的不同，磁学特性可以分为重元素的反铁磁性、稀土元素的铁磁性、自旋玻璃性、亚铁磁性、铁电性、超导等几种类型。
这些类型的磁性来源有所不同，或者是由于自旋相互作用所导致的，或者是由于自旋轨道耦合所导致的，或者是由于电子孤对所导致的等等。
基于磁性状况的分类：另一个基于磁性状况的分类方法则分为顺磁性、铁磁性、反磁性、亚铁磁性。
其中，顺磁性是指物质中存在高自旋和低自旋状态的电子，外磁场作用下将导致物质磁化；铁磁性是指物质中所有电子都处于同一自旋状态，外磁场作用下将导致物质磁化；反磁性则是指磁性材料在外磁场作用下呈现出磁学磷磁饱和，而亚铁磁性则是指物质以局部亚铁磁性为主，但在外磁场的作用下，物质依然呈现铁磁性。
三、磁性来源的探讨在磁性材料中，磁性来源可以分为离子磁矩、电子磁矩、自旋玻璃性、亚铁磁性、铁电性以及超导等几类来源。
离子磁矩：在离子磁矩中，锰、铁、镍等过渡金属在物质中各具一定的离子磁矩。
这种磁性来源的物质呈现高磁滞、矫顽力大等特点。
电子磁矩：另一种磁性来源则是由于物质中电子磁矩的顺逆向性导致的。
纳米材料的磁学性能
V 40k BT K
K:材料的各向异性常数， 对于典型的薄膜记录介
质，其有效各向异性常数Keff=0.2J/cm3。在室温下，
微粒的体积应大于828nm3，对于立方晶粒，其边长应
大于9nm。此外，超顺磁性是制备磁性液体的条件。
饱和磁化强度、居里温度质的磁化就达到 饱和状态。 饱和磁化强度Ms等于每个磁畴中原来的磁化强度。
磁学性能的尺寸效应
矫顽力
超顺磁性
饱和磁化强度、居里温度与磁化率
磁学性能的尺寸效应
晶粒尺寸 进入纳米 范围
磁性材料的磁学 性能具有明显尺 寸效应
使 得
纳米材料具有许多粗晶或微米 晶材料所不具备的磁学特性。
例如：纳米丝
由于长度和直径比（ (L/d) ）很大， 具有很强的形状各向异性。 当其直径小于某一临界值时， 在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。
成果，1995年美国物理学会已将GMR效应列为当年凝聚态物 理中五个研究热点的首位。
法国 Albert Fert
德国 Peter Grünberg
2007年诺贝尔物理奖——巨磁电阻。 “巨磁电阻”效应，也就是指在一个 巨磁电阻系统中，非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应。而 我们知道，如果想要制造容量越来越大、体积越来越小的硬盘，必须解决如何将 弱小的磁信号变化放大为清晰的电信号的棘手问题。借助“巨磁电阻”效应，人 们能够制造出更加灵敏的数据读出头，将越来越弱的磁信号读出来后因为电阻的 巨大变化而转换成为明显的电流变化，使得大容量的小硬盘成为可能。 2007年 诺贝尔物理奖得主的获奖成果，离我们是如此之近。在我们背包中的笔记本电脑 里，在我们口袋中的音乐播放器里，我们都能分享到这一伟大成果所带来的福祉。
纳米材料的磁性性质研究
纳米材料的磁性性质研究随着科技的不断进步，纳米材料已经成为了研究的热点之一。
这种材料因其在量子层面上的特性而具有独特的性质和应用前景。
其中，磁性性质是纳米材料的一个重要的物理特性，也是其广泛应用的关键因素之一。
纳米材料的磁性产生原因纳米材料之所以能够具有磁性，是因为其结构中存在着磁矩。
磁矩是指在外加磁场作用下，物质内部各自的电子会产生各自的自旋磁矩，这些自旋磁矩在统计上能够得到一个总的磁矩。
这个磁矩是由相邻的原子之间的磁场相互作用而形成的。
当这些原子被组装成为一个宏观的物体时，这种磁场作用也会表现在它的微观结构上，从而产生了磁性。
纳米材料的磁性性质研究针对纳米材料的磁性性质研究，目前主要集中在以下几个方面。
一、纳米磁性材料的制备技术纳米磁性材料的制备技术是纳米材料磁性研究的基础。
其中最常用的方法是溶胶凝胶法、溶液法、气相沉积法、机械合成法等。
通过这些方法可以制备出不同形状、尺寸和成分的纳米磁性材料，从而探究其在不同条件下的磁性行为。
二、纳米磁性材料的磁学研究磁学研究是研究纳米材料磁性性质的重要方法。
这些研究包括磁矩测量、磁滞回线测量、磁化曲线测量、X射线磁光圈等。
通过这些研究可以得到纳米材料的磁化强度、磁容量、磁滞回线等磁性参数。
三、纳米材料的自旋电子学研究自旋电子学是一种在纳米尺度下研究自旋相关的量子效应的新兴领域。
在这个领域中，纳米尺寸的材料表现出了一些令人难以置信的行为。
通过研究纳米材料的自旋电子学，可以深入了解纳米材料的磁性机制，揭示磁性材料的物理本质。
四、纳米磁性材料的应用研究由于纳米材料独特的结构和性质，使其在许多领域都有广泛的应用前景。
其中，纳米磁性材料的应用研究已经涉及到了信息存储、生物医学、催化剂、磁性流体等多个领域。
纳米磁性材料的制备、磁性测量和磁学理论研究为其应用提供了理论和实验基础，推动了这一领域的发展。
结语纳米材料具有磁性是一个重要的物理特性，在纳米科技和材料科学中具有重要的应用价值。
纳米材料的磁学特性研究
纳米材料的磁学特性研究纳米材料在科学研究和工业生产中扮演着越来越重要的角色。
作为一种独特的材料，纳米材料拥有特殊的物理和化学性质，而其中的磁学特性受到了广泛的研究。
本文将着重探讨纳米材料的磁学特性，并展示其在磁性材料和磁存储器件中的应用前景。
纳米材料的尺寸效应，即其尺寸相对于传统材料来说较小，导致了其特殊的磁学特性。
通常情况下，材料的磁性是由其中的磁性原子或离子产生的，而纳米材料的尺寸效应使得其表面具有更高的活性。
这就意味着纳米材料的磁性不仅取决于其组成元素，还受到尺寸、形状和结构等因素的影响。
纳米粒子是纳米材料中常见的一种形态，其磁学特性研究受到了广泛的关注。
通过调控纳米粒子的尺寸和形状，人们发现了一系列有趣的现象。
以铁磁性纳米粒子为例，当其尺寸小于一个临界尺寸时，其磁性会发生剧烈的变化。
这是由于纳米粒子表面原子的非均匀性引起的。
当尺寸减小到一定程度时，纳米粒子表面的原子会更倾向于呈现无磁性状态，从而使整个纳米粒子的磁性发生变化。
这一现象被称为“superparamagnetism”，并已被广泛应用于磁性材料的研究和应用中。
除了纳米粒子，磁性纳米线也是研究的热点之一。
相比于纳米粒子，纳米线具有更高的磁化率和更好的磁导率。
这使得纳米线在磁性储存器件和传感器等领域中得到了广泛的应用。
此外，纳米线的高比表面积也为其表面修饰提供了便利，可以通过表面的功能化修饰来进一步增强或调控其磁性。
不仅如此，纳米多层膜也是研究的重点领域之一。
通过在不同材料之间交替沉积膜层，形成纳米多层膜，可以实现磁性的交换耦合效应。
这种交换耦合效应可以在不同材料之间传递磁矩，并调控磁性的强度和方向。
这使得纳米多层膜在磁存储器件和磁传感器等领域中具有巨大的应用潜力。
除了磁性材料中的研究，纳米材料的磁学特性也在纳米医学和生物应用中得到了广泛的应用。
例如，超磁性纳米粒子作为一种有希望应用于生物医学领域的纳米材料，已经在生物标记、生物成像和靶向治疗等方面展示出巨大的潜力。
纳米材料的磁学特性
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纳米材料的磁学特性
一、超顺磁性
铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到一定临界值时，进入 超顺磁状态。其原因是：在小尺寸下，当各向异性 能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不再固 定在一个易磁化方向上，易磁化方向做无规律的变 化,结果导致超顺磁性的出现。
Ni颗粒的矫顽力Hc 与颗粒直径d的关系
纳米材料的磁学特性
纳米材料的磁学特性起源于多种效应。如：磁有 序态向磁无序态的转变(超顺磁性)源于小尺寸效 应(各向异性能)；高矫顽力也源于小尺寸效应 (单畴临界尺寸)；而量子尺寸效应则是纳米材料 磁化率增大的主要原因；铁磁质居里温度降低则 来源于界面效应。 学特性,延安大学学报,2000,19(4) 朱世东等.纳米材料国内外研究进展Ⅰ,热处理技术与装 备,2010,31(3) 翟庆洲等.纳米材料研究进展Ⅰ,化学研究与应用,1998,10(3)
纳米材料的磁学特性
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纳米材料的特异效应 纳米材料的磁学特性
纳米材料的特异效应
量子尺寸效应
纳
米
材
小尺寸效应
料
的
特
表面与界面效应
异
效 应
宏观量子隧道效应
介电限域效应
纳米材料的磁学特性
当组成材料的尺寸达到纳米量级时,纳米材料表现出 的性质与体材料有很大的不同，也不同于微观的原子 和分子。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用, 强烈地影响物质的宏观性质。
四、低居里温度
居里温度是物质磁性的重要参数，通常与交换积 分Jc成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄 膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的 减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺 寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀 的磁性变化，因此具有较低的居里温度。
磁性功能材料——纳米磁性材料的基本特征
From ppt files of A. Fert & J. Grolliere
F1
e-
F2
dm dt injec.
e-
I>0
Heff
dm dt
dm dt Heff
S1
横向分量
S2
dm dt injec .
热运动能 kT 使体积为V的粒子磁矩Ms越过各向异性为K的 势垒KV的几率为
p=exp (-KV/kT),
即原一致磁化的粒子集合体，经过足够长的时间可衰减到剩 磁为零，其弛豫时间 τ 为
τ =(1/f0) exp (KV/kT), 频率因子f0=109 s-1 。
如果要等一年(107秒)才会衰减为“顺磁”态，那就一定不能 认为这材料是超顺磁性，因此这里有个 τ 的相对标准，譬如可 用τ<10-1秒为超顺磁性的标准。显然 τ 和材料的各向异性K， 温度T，粒子的直径D=V-3都有关。
没有内部原子。
4 宏观量子隧道效应
微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子 隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研 究中，发现宏观磁学量如磁化强度，磁通量 等也具有隧道效应，这就是宏观量子隧道效 应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电
子器件的尺寸极限。
作为磁性纳米粒子，还在 磁畴结构等许多磁性方面表 现出另一些特征
几种具体材料的矫顽力关系
5 居里温度
居里温度是磁性材料的重要参数，通常与交换积分
成正比，还与材料的原子构型和间距有关。在纳米材 料研究中，发现居里温度Tc随纳米粒子或薄膜尺度的 减小而下降。这缘于小尺寸效应和表面效应，因为表 面原子缺乏交换作用，尺度小还可能导致原子间距变 小，这都使交换积分下降，从而居里温度Tc的下降。
纳米材料的磁学性能及应用研究
纳米材料的磁学性能及应用研究近年来，纳米材料作为一种应用前景极为广阔的新兴材料备受研究者的关注。
纳米材料具有独特的物理、化学和生物学性质，其中磁学性能尤为引人注目。
本文将探讨纳米材料的磁学性能及其在实际应用中的潜力。
首先，让我们来了解一下纳米材料的基本概念。
纳米材料是一种尺寸在纳米尺度范围内的材料，通常为一维、二维或三维结构。
其特殊之处在于相对较大的比表面积和较小的晶粒尺寸，使其表现出与宏观材料截然不同的性质。
对于磁学性能而言，纳米材料的特殊结构为其赋予了独特的磁学特性。
纳米材料的磁学性能主要体现在两个方面：磁性和磁响应。
磁性是指材料表现出的磁化行为，即对外加磁场的响应。
纳米材料常常显示出超顺磁性或铁磁性，即在外加磁场下磁化强度较大，且随着粒子尺寸的减小而增强。
这种超顺磁性和铁磁性使得纳米材料在磁学领域有着广泛的应用潜力。
而磁响应则是指材料在外加磁场下对其他物理量的响应。
纳米材料的磁响应主要表现在电磁学和声学等领域。
以电磁学为例，纳米材料的磁测向和磁导率等磁响应特性在电磁波谱分析、磁共振成像等领域有着广泛的应用。
同时，纳米材料的磁响应特性还使其在声学传感和磁性储能等领域有着重要的应用价值。
除了磁学性能，纳米材料在实际应用中还可以通过调控其结构和组成来实现多种功能。
例如，在磁性材料中引入其他元素或化合物，可以实现多功能调控。
通过调节纳米材料的形貌、尺寸和晶界等相浓度，可以改变其磁学性能，从而满足特定的应用需求。
此外，通过将纳米材料与其他功能材料进行复合，可以实现多种功能的集成，进一步拓展了纳米材料的应用领域。
纳米材料的磁学性能及其应用研究已经在多个领域取得了重要的突破。
在信息存储领域，纳米材料通过调控其磁性特性，实现了高密度磁存储器件的开发，并在硬盘硬件制造中得到了广泛应用。
在生物医学领域，纳米材料的磁响应特性使其成为靶向药物传递、肿瘤治疗和生物传感等领域的研究热点。
此外，纳米材料在能源储存、催化和环境治理等领域也具备广泛的应用潜力。
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纳米材料的磁光性能磁光效应磁光效应就是指极化光与磁性物质交互作用后所产生的一种效应。
它分为Faraday效应和Kerr效应。
1846年，Faraday发现在玻璃样品上加上磁场时，透射光的极化面发生旋转，这就是Faraday效应。
如图1(a)所示，红色表示加在物质上的磁场或磁化作用，黄线表示极化光，极化光通过被磁化的物质后产生Faraday效应。
注意，所加磁场的方向与光束行进的方向平行。
1877年Kerr在观察极化光束从磁性物质反射后，光束的极化以及强度有了改变，这就是磁光科尔效应(magneto-ptical Kerr effect, MOKE)。
如图1(b)所示。
图 1随着铁磁物质磁化强度矢量M的方向相对于材料的表面和人射光束的人射平面的取向，MOKE实际上分为3种效应:纵向MOKE、极性MOKE(Polar MOKE)和横向MOKE。
可以用图形清晰地分别表示如下。
纵向MOKE是由于磁化强度矢量处于材料的表面内并平行于入射平面，如图2(a)所示。
通常用s极化和P极化分别表示垂直和平行于入射平面光的极化。
纵向MOKE简单，其人射光束或者只在s平面或者只在P平面极化，因此其反射光就转变为椭圆极化光。
椭圆的主轴常常围绕着主平面有些微的旋转，称之为Kerr旋转。
这种椭圆率称为Kerr椭圆率。
透射中也存在着同样的效应，当然通常这只能在薄膜中才看得到，因为绝大多数磁物质在磁光活跃的区域是不透明的。
这些效应的符号和数量比例于M和它的方向。
在垂直人射方向没有观察到什么效应。
图(b)所示的为横向MOKE梗概图，此时磁化强度垂直于外加磁场和人射平面。
与纵向MOKE 不同，第一，它只是在P 平面内极化；第二，反射光仍然保持线性极化，只有反射振幅的变化，即M 的变化只是从+M 变为-M ，反射率从R+∆R 变为R-∆R 。
在垂直人射上没有什么效应。
图(c)所示的是极化MOKE 梗概图，此时磁化矢量垂直于样品表面。
像纵向MOKE 一样，它只是在p 平面或s 平面内发生。
这种效应中的人射光处于这些线性极化态的一种，反射时转化为椭圆极化光。
在垂直人射方向可观察到效应。
金属纳米粒子和纳米粒子薄膜的磁光效应Menendez 等制备了嵌人于非晶态Al 2O 3层中的Fe 纳米粒子A ，B 和C 三种样品，它们的粒径分别为2.4nm ，4nm 和8nm ，含量分别为10%，30%和40% ， Al 2O 3层的厚度分别17nm ，18nm 和18.5nm ，测定了它们的MOKE 。
图3是这三个样品的Kerr 椭圆率和旋转角与能量关系的测定结果。
最明显的特点是在所有的样品中，不论是椭圆率还是旋转角谱，由于干涉的作用，都在4--4.5 e V 附近出现峰值。
作者应用不同的有效媒介近似的广义方法描述了实验结果，从理论与实验符合程度发现，在纳米平均粒径大于4 nm 时，两则符合得较好，而在粒径为约2nm 时，两者的偏差大。
这就说明，在粒径小于4nm 时，纳米粒子的磁光性能，因为其电子结构与体材的不同。
图 2Sepulveda等在MgO(001)衬底上高真空溅射和激光法淀积10nm厚的MgO缓冲层，在其上镀制0.5--50nm的Fe膜，然后再镀3nm厚的MgO覆盖层。
用Xe灯所发射的P极化光经样品反射后，通过一单色器，所产生的单色光由光二极管检测，并由锁相放大器处理。
在频率置时，锁相放大器就检测其反射率的变化，这与磁化强度成线性依赖关系，而二次依赖关系由二级谐振给出。
图4表示了所测定的不同Fe 厚度样品的P-P 极化光反射率随磁化强度线性变化(linear magnetization variations of reflectivity, LMVR)与光能量的关系。
反射谱是在人射角为45度时得到的。
可以看到，在约2eV 处出现峰值，且随着样品Fe 厚度的减小。
峰值强度和形状减少和变宽。
图中的实线，虚线和点线理论计算结果。
图3 三种Fe 纳米粒子样品的极性Kerr 椭圆率(a)和旋转角(b), A 为空心圆圈，B 为实心三角，C 为实心方块图4 MgO 衬底上Fe 纳米膜的LMVR 测定结果。
图(a)中□，○和△分别表示对50, 5和2. 5nm膜的测定值，实线，虚线和点线则是3种膜的计算值；(b)中○和□表示对1和0. 5nm Fe 膜的实测值，实线和虚线是它们的计算值，-+-+-+-和-|-|-|- 线是自恰媒介方法对纳米粒子的计算结果模拟计算中使用了4*4转变矩阵，并假定Fe膜连续，具有Fe体材的光学和磁光常数。
显然，对于较厚的样品(厚于1nm)，理论与实验测定符合得很好，不仅没有改变样品绕z轴旋转反射谱的形状，而且数值也相合。
但是在样品Fe膜厚度小至 1 nm和0.5nm后，图b中实线和虚线所表示的模拟结果与实验测定的明显不合。
这种差别可能来源于Fe的量子限制效应所引起的电子结构的变化，但也可能来源于这些极薄膜的不同形貌。
实验已经清楚的是，对于较小的覆盖，室温下生长随后退火会导致与连续纳米晶厚膜具有同样晶体取向的晶体岛形成，而且，这种超薄膜的饱和磁场比厚膜的为高。
因此，磁行为与这种膜的形貌变化一致。
作者们于是使用自恰有效媒介方法所导出的公式研究了形貌对于磁光性能的影响。
他们仍然采用Fe体材的有关光学和磁光常数，但计算的是纳米粒子而不是连续的纳米薄膜，结果如图4 (b）中的，-+-+-+-和-|-|-|-线所表示的，粒度不论是1 nm还是小至0.5nm，都与实验结果符合很好了。
这些作者还对上述同样样品测定了反射率二次磁化强度变化(quadratic magnetization variations of reflectivity, QMVR)，测试中样品的放置一是[100]轴垂直于人射平面，二是[110]轴垂直于人射平面两种情况。
结果表明，两者的QMVR谱明显不同，说明在这种立方晶系样品中QMVR存在着很强的磁光各向异性。
而且与上述LMVR的情况相反，50nm Fe膜的QMVR，不论是[100]还是[110]方向都比5和2. 5nm的弱些。
这种行为是由于磁层与衬底和覆盖层之间介电常数明显不同所引起的光学效应所致。
还发现，这两种晶体取向QMVR谱的图5 (a)和(b)分别是Fe膜为1和0. 5 nm时的QMVR谱的实验测定和理论模拟结果差别5和2. 5nm Fe的比50nm膜的大一些。
对这些较厚Fe纳米膜理论模拟结果与测定的符合。
有意思的是对于两种很薄膜的测定结果和模拟计算结果，如图 5 1nm(a)与0.5nm(b) Fe纳米膜的[100]和[110]方向QMRV的测量结果分别用■和□表示，实线和虚线则是连续膜的计算值，显然，与实验结果明显不合，这比上述LMVR 不符合的情况还要严重得多。
有可能是QMVR对形貌远比LMVR更为敏感的缘故。
也像LMVR一样，如果使用自恰有效媒介对纳米粒子进行模拟，得到的-+-+-+-和-|-|-|-线(分别代表[100]和[110]方向样品的)则与实验结果一致了。
这证明了形貌在QMVR谱中起着重要的作用。
因此，这里的实验和理论结果表明，Fe 纳米岛的电子结构与体材的电子结构是一样的，有关磁光系数的修改是由于样品的形貌所致。
这与上面Menendez等Fe纳米粒子在粒度小于4nm后的电子结构与体材的不同的结论刚好相反。
Kalska等在Si和AI衬底上淀积了粒度为8nm，10nm和12nm的Co粒子，并在室温下于0.8--4.8eV的光能量范围内测定了MOKE，结果如图6所示。
可以看出，MOKE与粒度相关，8nm粒子的Kerr旋转很小，在所测定的光能量范围内小于0.03度。
结构和化学分析表明，这种膜上有1--2ML的CoO，减小了芯部磁性Co粒子的尺度，即小于8nm，因此，整个粒子基本上没有显示出磁性。
10nm图6(a) Co纳米粒子粒度为8nm,10nm和12 nm膜的MOKE，(b) Co参考膜的MOKE，(c)膜中粒子浓度对MOKE的影响粒子的在约1eV 处有一负的峰，在约3eV 处正Kerr 旋转角达到极大，约为0.20度，这些作者通过分析指出，10nm 粒子的有效磁芯粒径为(4.5±0. 1)nm ，表现出超顺磁性。
12nm 粒子MOKE 的与在超高真空中生长的100nm 的Co 。
参考膜(图b)的形状类似，符号则相反。
它的正Kerr 旋转角最大约为0. 25度，比10nm 粒度的为大。
此时显示出铁磁性。
图(c)表示了粒子粒径相同但膜中粒子浓度不同(相差5倍)对MOKE 的影响，与想象的MOKE 旋转应当与衬底中的Co 粒子数成比例相反，实验结果表明，两种Kerr 谱的形状相似，在低光能量几乎重合，在高光能量峰值向下平移。
Al 衬底吸收了Co 粒子后形成了复杂的光学系统，光学性质不仅由反射也由散射来决定。
但到底怎样解释，仍然是个问题。
Huttel 等在2004年也研究了淀积在5 nm 厚的氮化铝(Aluminium nitride, A1N)/蓝宝石衬底上和嵌人在AlN 基体中Co 纳米粒子的磁光性能，发现AlN 对于磁光性能有着强烈的影响。
Melle 等用AAO 模板制备了两种六角形排列的Ni 纳米丝，第一种(样品A)的纳米丝直径d=35nm ，长L=1. 4um 和丝间距a=105nm 。
这种样品显示出长度约2. 5um 的长程有序的多区域。
第二种(样品B)的d=180nm, L=4um 和a=500nm。
图7 Ni 纳米丝极性(a)和横向(b) MOKE 的实验测定结果、模拟值和体材Ni 的测定结果这种样品显示出大小约为1. 25um六角有序区域。
Kerr效应测量中，AAO固定在Si衬底上。
图8. 30是这两个样品极性MOKE效应(Kerr旋转角)(a)和横向Kerr 效应(反射率的相对变化)(b)的测定结果，分别用●和■表示A和B样品的。
图中虚线是体Ni膜的谱。
可以看出，小直径纳米丝的极性旋转角谱在3. 1eV附近有强烈的峰值出现，与体Ni的峰值重合，具有同样的数值，虽然纳米丝样品中所含Ni的数量只有约15000因此，是由于纳米丝中几何上对Ni的限制，提高了围绕着峰值位置的数值。
Ni纳米丝Kerr旋转角的绝对数值小于0. 20，比上述Fe, C。
的都要小些。
至于△R/R，虽然A样品的峰值数值与体Ni的相同，但是，曲线形状根本不同。
从图还可清楚地看出，大直径纳米丝样品B，无论是Kerr旋转谱还是相对反射率，都与样品A的明显不同，虽然两种样品都含有约15%的Ni。
样品B 的旋转谱变宽，向低能量移动，并增加了在红外区的旋转。
同样B样品的相对反射率谱也强烈地变宽，并减小了数值。
作者们也应用Menendez的自恰有效媒介方法进行了模拟，计算的结果对A和B样品，分别都用粗黑和细灰色实线表示。