纳米粒子的特性(完整版).ppt
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纳米粒子的特性ppt课件
（i）纳米金属和合金与常规材料金属与合金电
导（电阻）行为是否相同?
（ii）纳米材料电导（电阻）与温度的关系有什
么差别?
（iii）电子在纳米结构体系中的运动和散射有什
么新的特点?
精选ppt
27
纳米金属与合金的电阻
Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电 阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关 系进行了系统的研究表明：随颗粒尺寸减小， 电阻温度系数下降，与常规粗晶基本相似．其 差别在于纳米材料的电阻高于常规材料，电阻 温度系数强烈依赖于晶粒尺寸．当颗粒小于某 一临界尺寸（电子平均自由程）时，电阻温度 系数可能由正变负。
第四节 纳米粒子的特性．
1．热学性质
• 与粗晶材料相比，纳米材料比热较大 。 • 纳米材料的热膨胀数，近乎是单晶的2倍
精选ppt
1
• 纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温 度均比常规粉体低得多。
• 例如，平均粒径为40nm的纳米铜粒子的熔 点由l 053℃降到750℃，降低了300℃左右；
• 块状的金的熔点l 064℃，当颗粒尺度减到 10nm时，则降低为1037℃，降低了27℃， 2nm时变为327℃；
•
1988年法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层
膜中，观察 到当施加外磁场时，其电阻下降，变化
率高达50％。因此称之为巨磁电阻效应
(giant magnetoresistance, GMR)。
❖ 1995年，人们以绝缘层Al2O3代替导体Cr，观察 到很大的隧道磁电阻(TMR)现象。 基于GMR和TMR的发现，一个新的学科分支— —磁电子学的概念被提出了。 从那时起，科技人员 一直坚持不懈地努力，将上述创新性发现转化为信息 技术(IT)产业化。
纳米颗粒(课堂PPT)
27
白蛋白纳米球
28
(2)明胶纳米球
将W/ O 型乳状液中的明胶乳滴 冷却至胶凝点以下 用甲醛交联固化 可用于对热敏感的药物
29
明胶纳米球
将300 g/ L 的明胶溶液3 ml (含有1. 8mg 丝裂霉素) 在3 ml 芝麻油中乳化。
将形成的乳状液在冰浴中冷却,使明胶乳 滴完全胶凝,再用丙酮稀释,用50 nm 孔 径的滤膜滤过,弃去粒径较大的颗粒。
21
PACA纳米球
22
(2)聚甲基丙烯酸甲酯纳米球(囊)
聚合反应引发：γ射线辐射或化学引发剂(如过 硫酸钾)。 聚合物的平均分子量及纳米囊或纳米球的粒径 均随单体浓度的增大、引发剂浓度的降低及温 度的降低而增大。 制备PMMA纳米球时一般不加乳化剂，但加入 高分子保护胶体，如蛋白质可使粒径分布变窄。
(1)聚氰基丙烯酸烷基酯纳米球(囊)
聚合引发剂：水中OH-离子。 通常制得的聚合物平均分子量较低，纳米球软 且易粘连，需应用稳定剂，如右旋糖酐。 影响粒径的重要因素：溶液的pH值和单体的 浓度。 本法制得的纳米囊或纳米球中药物的收率在 15%~90%范围内，亲脂性药物收率较高。
16
PACA聚合反应
纳米球或纳米囊的粒径取决于溶剂蒸发 之前形成的乳滴的粒径
通过搅拌速率、分散剂的种类和用量、 有机相及水相的比例、粘度、容器及搅 拌器的形状和温度等因素可以调节纳米 球或纳米囊的粒径。
39
曲安奈德聚乳酸(PLA) 纳米粒
曲安奈德（皮肤抗炎用药）20 mg 与PLA 400 mg 溶于2 ml 氯仿中为油相,
30
明胶纳米球
用丙酮洗去纳米球( ≤50 nm) 上的油 加10 %甲醛的丙酮溶液30 ml 使纳米 球交联10 min 丙酮洗涤,干燥,即得单颗粒纳米球
白蛋白纳米球
28
(2)明胶纳米球
将W/ O 型乳状液中的明胶乳滴 冷却至胶凝点以下 用甲醛交联固化 可用于对热敏感的药物
29
明胶纳米球
将300 g/ L 的明胶溶液3 ml (含有1. 8mg 丝裂霉素) 在3 ml 芝麻油中乳化。
将形成的乳状液在冰浴中冷却,使明胶乳 滴完全胶凝,再用丙酮稀释,用50 nm 孔 径的滤膜滤过,弃去粒径较大的颗粒。
21
PACA纳米球
22
(2)聚甲基丙烯酸甲酯纳米球(囊)
聚合反应引发：γ射线辐射或化学引发剂(如过 硫酸钾)。 聚合物的平均分子量及纳米囊或纳米球的粒径 均随单体浓度的增大、引发剂浓度的降低及温 度的降低而增大。 制备PMMA纳米球时一般不加乳化剂，但加入 高分子保护胶体，如蛋白质可使粒径分布变窄。
(1)聚氰基丙烯酸烷基酯纳米球(囊)
聚合引发剂：水中OH-离子。 通常制得的聚合物平均分子量较低，纳米球软 且易粘连，需应用稳定剂，如右旋糖酐。 影响粒径的重要因素：溶液的pH值和单体的 浓度。 本法制得的纳米囊或纳米球中药物的收率在 15%~90%范围内，亲脂性药物收率较高。
16
PACA聚合反应
纳米球或纳米囊的粒径取决于溶剂蒸发 之前形成的乳滴的粒径
通过搅拌速率、分散剂的种类和用量、 有机相及水相的比例、粘度、容器及搅 拌器的形状和温度等因素可以调节纳米 球或纳米囊的粒径。
39
曲安奈德聚乳酸(PLA) 纳米粒
曲安奈德（皮肤抗炎用药）20 mg 与PLA 400 mg 溶于2 ml 氯仿中为油相,
30
明胶纳米球
用丙酮洗去纳米球( ≤50 nm) 上的油 加10 %甲醛的丙酮溶液30 ml 使纳米 球交联10 min 丙酮洗涤,干燥,即得单颗粒纳米球
纳米微粒的特性-
非牛顿流体：包括假塑性流体、塑性流体和胀流体。假塑性
流体和塑性流体都属于剪切变稀的流体，但塑性流体具有屈 服值。胀流体 属于剪切变稠的流体。 黏度η：是流体内部抵抗流动的阻力，用对流体的剪切应力 与剪切速率之比表示。
ηred为胶乳浓度(体积分数) ，Φ为粒子的形状因子，等 于2.5，Ｋ为静电引力常数(约1.35)。随胶乳粒径减小黏度的增加 是由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大， Mooney式中的Ｋ变大所致。
三、流变学
流体
牛顿流体
非牛顿流体
假塑性流体
塑性流体
胀流体
1.基本概念
流体：流体是由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位
置的分子构 成的,它的基本特征是没有一定的形状和具有流动 性。流体都有一定的可压缩性,液体可压缩性很小,而气体的可 压缩性较大。流体的流变形态分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体：剪切应力τ与剪切速率 成正比的流体。
② 作新的润滑剂。
通常润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性
颗粒尺寸仅为10单位，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用润 滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的 部位。
③ 增进扬声器功率。
在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数 比空气高5~6倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1倍。磁性 液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据扬声器的 结构，选用合适粘滞性的磁性液体，可使扬声器具有较佳的频响 曲线。
例如，纳米尺寸的黏土小颗粒在碱或碱土类金属的电解 液中的吸附（这是一种物理吸附过程，它是有层次）。吸 附层的电学性质也有很大的差别． 紧密层：靠近纳米微粒表面的一层属于强物理吸附，称为 紧密层，它的作用是平衡了超微粒子表面的电性 分散层：离超微粒子稍远的离子形成较弱吸附层，称为 分散层。
纳米粒子PowerPoint 幻灯片 (2)
液晶显示材料
纳米材料的应用——储氢材料
• 氢能是人类未来最理想的能源， 其热值高，资源丰富，无毒无污 染，并可再生。氢-氧燃料电池 可做汽车发动机的动力，达到零 排放。纳米材料可以作为储氢材 料，反复循环使用。研究表明许 多合金可作为储氢材料，如 LaNi5,FeTi的纳米颗粒可作为储 氢材料，若包覆V，Pd后，其储 氢性能将更大提高。
纳米复合膜陶瓷过滤机图
纳米材料的应用——光学材料
液晶显示材料
• 从光学角度来说，石墨烯是一种 “透明”的导体，可以用来替代现在 的液晶显示材料。目前的液晶显示器 利用的是以铟为基础的金属氧化物薄 膜，而铟这种金属十分稀有，预计在 未来十年内就可能出现供应短缺。另 外，与目前电脑、手机等电子产品的 重要原材料硅相比，石墨烯也具有诸 多优势，因此它将来有望取代硅，在 电子产品生产中得到广泛应用。
•
1959年，美国著名理论物理学R.Feynma曾说过： “我深信，当人们能操纵细微物体排列时，将可获得 极其丰富的新的物质的质”。如今，这一梦想终于能 在纳米材料得以实现。人们对纳米粒子的物理化学性 质的研究逐步深入，到了20世纪90年代，人工制备 的纳米材料已达百种以上。1990年7月在美国巴尔的 摩召开的第一届NST会议，标志着这一全新的技术— —纳米科技正式诞生。
氧化锌纳米粒子
纳米材料制备方法分类 纳米材料的类别
纳米粉体
化学法
沉淀法（共沉淀、均相 沉淀） 化学气相凝聚 （CVC ),水热法 相转移 法 溶胶-凝胶法 溶胶--凝胶法 电沉淀பைடு நூலகம் 还原法 非晶晶化法 原位聚合法 抽层法 乳液法 超微乳法 悬浮法 高分子包覆法 乳液法
物理法
综合法
惰性气体沉淀法 蒸发法 激光 辐射化学合成法 溅射法 真空蒸镀法 球磨法 爆炸法 喷雾法 溶剂挥发法 惰性气体蒸发法 高速粒子沉 淀法 激光溅射法 超声沉淀法
纳米粒子PPT资料(正式版)
但是没有规矩就不成方圆。毕竟1~100nm的粒子是介 于原子、分子的微观体系与肉眼可见的宏观体系之间 的介观体系的固体颗粒，大多物质的这类粒子的物理、 化学性质不同于宏观物体和微观世界的
三、纳米粒子的制备
1、纳米粒子制备方法的分类
纳米粒子的制备方法早期分为物理方法和化学 方法两大类，这是由于当时只有物理学家和化 学家才对纳米粒子感兴趣。这种分类法基本与 溶胶制备是一致的。
常用的液相法有沉淀法、水解法、水热合成法、氧化 还原法、乳状液法、微乳液法、溶胶-凝胶法、螯合物 分解法、模板法等。
（三）固相法
将块状固体通过机械粉碎、固-固相间的化学反 应、热分解等方法形成粉体的方法称为固相法。 固相法所得粒子可能与原块状固体化学组成相 同，也可能不相同。
多数固相法所得粒子较粗。在气相法和液相法 中常先得到的前驱体都要经过后处理才能获得 纳米级粉体，这一过程实际上也是固相法的范 畴。
物理方法主要包括粉碎法和凝聚法两类，物理 方法不涉及物质的化学变化。
近年来，将纳米粒子的制备方法分为气相法、 液相法和固相法。
Hale Waihona Puke （一）气相法主要包括物理气相沉积与凝聚法(PVD法)和化 学气相沉积与凝聚法(CVD法)。
PVD法在制备过程中无化学变化，仅用物理手 段使块状物体分散成气态并凝聚成纳米尺度粒 子。主要用于制造金属、金属合金、个别金属 氧化物的纳米粒子。
CVD法用发生化学反应的方法形成纳米粒子， 此方法中是在一定条件下使化合物分解或同其 他物质反应形成构成纳米粒子原料的原子、分 子或离子，再经化学反应成核并长大成纳米粒 子。
（二）液相法
液相法制备纳米粒子的基本原则是 使均相溶液中的某种或几种组分用 物理方法或化学方法以固体小粒子 的形式析出，并能与溶剂分离，这 些作为前驱体的固体粒子经过后处 理可得纳米粒子。
三、纳米粒子的制备
1、纳米粒子制备方法的分类
纳米粒子的制备方法早期分为物理方法和化学 方法两大类，这是由于当时只有物理学家和化 学家才对纳米粒子感兴趣。这种分类法基本与 溶胶制备是一致的。
常用的液相法有沉淀法、水解法、水热合成法、氧化 还原法、乳状液法、微乳液法、溶胶-凝胶法、螯合物 分解法、模板法等。
（三）固相法
将块状固体通过机械粉碎、固-固相间的化学反 应、热分解等方法形成粉体的方法称为固相法。 固相法所得粒子可能与原块状固体化学组成相 同，也可能不相同。
多数固相法所得粒子较粗。在气相法和液相法 中常先得到的前驱体都要经过后处理才能获得 纳米级粉体，这一过程实际上也是固相法的范 畴。
物理方法主要包括粉碎法和凝聚法两类，物理 方法不涉及物质的化学变化。
近年来，将纳米粒子的制备方法分为气相法、 液相法和固相法。
Hale Waihona Puke （一）气相法主要包括物理气相沉积与凝聚法(PVD法)和化 学气相沉积与凝聚法(CVD法)。
PVD法在制备过程中无化学变化，仅用物理手 段使块状物体分散成气态并凝聚成纳米尺度粒 子。主要用于制造金属、金属合金、个别金属 氧化物的纳米粒子。
CVD法用发生化学反应的方法形成纳米粒子， 此方法中是在一定条件下使化合物分解或同其 他物质反应形成构成纳米粒子原料的原子、分 子或离子，再经化学反应成核并长大成纳米粒 子。
（二）液相法
液相法制备纳米粒子的基本原则是 使均相溶液中的某种或几种组分用 物理方法或化学方法以固体小粒子 的形式析出，并能与溶剂分离，这 些作为前驱体的固体粒子经过后处 理可得纳米粒子。
纳米粒子的特性 ppt课件
2．磁学姓质
(1).超顺磁性
居里－外斯定律：＝ C
T Tc
超顺磁性：矫顽力H c
0，对于 H
kBT
1时：
磁化强度：M P
2 H ，为粒子磁距
3k BT
起源：在小尺寸下，当各向异性能减少到与热运动能可想
比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化
方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
• 美国政府大幅度追加纳米科技研究经费，其原 因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带 来的高利润，其中巨磁电阻效应高密度读出磁 头的市场估计为10亿美元，目前己进入大规模 的工业生产，磁随机存储器的市场估计为1千 亿美元。磁电子传感器件的应用市场亦十分宽 广
纳米磁极
6极
8极
4极
磁性液体
• 纳米粒子粒径小于临界半径(一般为5～10ｎｍ) 时变得有超顺磁性,如把此强磁性纳米粒子包裹一 层表面活性剂后均匀地分散到溶液中,可制得一类 新型液态胶状磁流体材料--磁性液体。
• 1999年以GMR多层膜为磁头的硬盘驱动器(HDD) 进入市场，其存储密度达到11Gbits/in2，而1990年 仅为0.1Gbits/in2，10年中提高了100倍。
• 目前GMR的研究开发工作正方兴未艾，而将
上述隧道磁电阻(TMR)多层膜应用于新型随机存 储器 (MRAM)的研究又已经展开。
• 大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒 熔点降低为288K；
• 纳米Ag微粒在低于373K时开始熔化，常规 Ag的熔点为1173K左右。
• 这一特点使低温下将纳米金属烧结成合 金产品成为现实，且为不溶解的金属冶 炼成合金创造了条件。
纳米金属铜的超延展性
•纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了400℃
纳米材料学(二)——纳米微粒的特性
纳米粒子的光催化活性优于相应的体相 材料，原因有如下几方面： 粒径小，量子形为明显，价带电位更正， 导带电位更负； 光生载流子的从体内扩散到表面变得更 容易，光生电荷分离效果更好； 表面积大，吸附能力变强，相应的催化 能力变强。
纳米微粒的物理特性
热学性能 磁学性能 光学性能 电学性能
热学性能
纳米微粒熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉 体低很多。 由于颗粒小、表面能高、比表面原子数多、表面原子 近邻配位不全、活性大，纳米粒子熔化时所需增加的 内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降； 纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具 有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动 力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此， 在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结 温度降低。
蓝移和红移现象：与大块材料相比，纳 米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象， 即吸收带移向短波长方向。对纳米微粒 吸收带“蓝移”的一种解释是基于纳米 微粒的量子尺寸效应。由于颗粒的尺寸 减小、能隙变宽，即已被电子占据分子 轨道能级与未被占据分子轨道能级之间 的宽度（能隙）随颗粒直径减小而增大， 这是产生蓝移的根本原因。
宽频带强吸收：Au的颜色是金黄色的， Ag是银白色，但当以纳米微粒形式存在 时，它们都呈现相同的深灰色，这是由 于纳米微粒的光吸收系数大，而光反射 系数小的缘故；纳米Si3N4、SiC及Al2O3 粉在红外有一个宽频带强吸收谱；许多 纳米微粒，如ZnO、Fe2O3和TiO2等在紫 外光有强吸收作用，而亚微米级TiO2对 紫外光几乎不吸收。
磁学性能
超顺磁性和其他超磁性：当稀释磁材料中的磁团体积 和序磁材料中的磁畴体积小到可受热扰动影响而呈现 混乱排列时，其磁性与具有磁矩的原子系统的顺磁性 相似，一旦受到外加磁场磁化时，其磁化曲线表现出 可逆的顺磁和矫顽力为零的特点，并呈现普适磁化曲 线，其磁化率也远高于一般顺磁物质的磁化率。这种 磁性称为超顺磁性。其起因为：在小尺寸下，当各向 异性能减少到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不 再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规则的变 化，结果导致超顺磁性的出现。不同的纳米微粒进入 超顺磁状态时的临界尺寸各不相同。
纳米粒子的特性52页PPT
纳米粒子的特性
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知ห้องสมุดไป่ตู้。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
纳米微粒的化学特性
B方法 通常用超声波将分散剂(水或有机试剂)中的团聚体
打碎。
C原理 其原理是由于超声频振荡破坏了团聚体中小微粒之间
的库仑力或范德瓦耳斯力，从而使小颗粒分散于分散剂中。
第13页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
2防止小颗粒团聚采用的方法：
A、加入反絮凝剂形成双电层 反絮凝剂的选择可依纳 米微粒的性质、带电类型等来定。即：选择适当的电 解质作分散剂，使纳米粒子表面吸引异电离子形成双 电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生 团聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目的。
例子 如，纳米氧化物SiO2，Al2O3和TiO2等在水中的 pH高低不同(带正电或负电)，因此可选Na+，NH4+或Cl-
，NO3-异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电层， 从而达到分散的目的。
第14页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
B、加表(界)面活性剂包裹微粒 为了防止分散的纳米粒子团聚也
第17页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
图中：VR为立体障碍所致的 排斥电位；VA为范德瓦耳
斯力所致引力；VN为磁引力
由图看出，粒子之间存在位垒，粒
子间若要发生团聚，必须有足够大的引 力才可能使粒子越过势垒，由于磁引力 和范德瓦耳斯引力很难使粒子越过势垒 ，因此磁性粒子不会团聚。
第27页，共46页。
§4.3流变学
4.3.2纳米Al2O3悬浮液的黏度
下图所示为不同粒径下，不同浓度Ａl２Ｏ３微粒水 悬浮液的黏度随剪切速率变化曲线。可以看出，该 种悬浮液呈现出黏度随剪切速度增加而减小的剪切 减薄行为。
图4.7 不同浓度Al2O3微粒的悬浮液的黏 度与剪切速度的关系
打碎。
C原理 其原理是由于超声频振荡破坏了团聚体中小微粒之间
的库仑力或范德瓦耳斯力，从而使小颗粒分散于分散剂中。
第13页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
2防止小颗粒团聚采用的方法：
A、加入反絮凝剂形成双电层 反絮凝剂的选择可依纳 米微粒的性质、带电类型等来定。即：选择适当的电 解质作分散剂，使纳米粒子表面吸引异电离子形成双 电层，通过双电层之间库仑排斥作用使粒子之间发生 团聚的引力大大降低，实现纳米微粒分散的目的。
例子 如，纳米氧化物SiO2，Al2O3和TiO2等在水中的 pH高低不同(带正电或负电)，因此可选Na+，NH4+或Cl-
，NO3-异电离子作反絮凝剂，使微粒表面形成双电层， 从而达到分散的目的。
第14页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
B、加表(界)面活性剂包裹微粒 为了防止分散的纳米粒子团聚也
第17页，共46页。
§4.2纳米微粒的分散和团聚
4.2.1分散
图中：VR为立体障碍所致的 排斥电位；VA为范德瓦耳
斯力所致引力；VN为磁引力
由图看出，粒子之间存在位垒，粒
子间若要发生团聚，必须有足够大的引 力才可能使粒子越过势垒，由于磁引力 和范德瓦耳斯引力很难使粒子越过势垒 ，因此磁性粒子不会团聚。
第27页，共46页。
§4.3流变学
4.3.2纳米Al2O3悬浮液的黏度
下图所示为不同粒径下，不同浓度Ａl２Ｏ３微粒水 悬浮液的黏度随剪切速率变化曲线。可以看出，该 种悬浮液呈现出黏度随剪切速度增加而减小的剪切 减薄行为。
图4.7 不同浓度Al2O3微粒的悬浮液的黏 度与剪切速度的关系
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12
其它磁性材料
• 软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米微 晶态的历程。纳米做晶金属软磁材料具有十分 优异的性能，高磁导率，低损耗、高饱和磁化 强度，己应用于开关电源、变压器。传感器等， 可实现器件小型化、轻型化、高频化以及多功 能化，近年来发展十分迅速。
• 磁电子纳米结构器件是20世纪末最具有影响力 的重大成果。除巨磁电阻效应读出磁头、 MRAM、磁传感器外，全金属晶体管等新型器 件的研究正方兴未艾。磁电子学已成为一门颇 受青睐的新学科。
(2).矫顽力 纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力 每个粒子是一个单磁畴.
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4
(3).居里温度（铁磁体与顺磁体的转变温度） 居里温度Tc与交换积分J成正比，并与原子构形和间距有
关纳米粒子的Tc比固体相应的低。 纳米粒子中原子间距随着颗粒尺寸减少而减小。原子间距
小将会导致J的减小，因而Tc下降。 5nm Ni:点阵参数缩小2.4%
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3
2．磁学姓质
(1).超顺磁性
居里－外斯定律：＝ C
T Tc
超顺磁性：矫顽力H c
0，对于 H
kBT
1时：
磁化强度：M P
2 H ，为粒子磁距
3k BT
起源：在小尺寸下，当各向异性能减少到与热易磁化方向，易磁化
方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
8
• 以Cr中电子为中介的铁层间的耦合，随着Cr层厚度 增加而振荡衰减。其平均作用范围为1~3nm，这是 对Cr层厚度的一个限制。在金属中，特别是在磁性 金属中，电子平均自由程(10~20nm)和自旋扩散长 度(30~60nm)很短。这是对多层膜各个亚层厚度的 又一限制。
•
基于上述原因，可以说GMR和TMR现象的研
•
在Fe/Cr/Fe系统中，相邻铁层间存在着耦合，
它随铬层厚度的增加而呈正负交替的振荡衰 减形
式。使得相邻铁层磁矩从彼此反平行取向到平行
取向交替变化。外磁场也可使多层膜中铁 磁层的
反平行磁化状态发生变化。当通以电流时，这种
磁化状态的变化就以电阻变化的形式反 映出来。
这就是GMR现象的物理机制。
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11
磁性液体
• 纳米粒子粒径小于临界半径(一般为5～10ｎｍ) 时变得有超顺磁性,如把此强磁性纳米粒子包裹一 层表面活性剂后均匀地分散到溶液中,可制得一类 新型液态胶状磁流体材料--磁性液体。
• 磁性液体最先用于宇航工业，后应用于民用工业， 这是十分典型的纳米颗粒的应用，它是由超顺磁 性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥散在基 液中而构成。目前美、英、日、俄等国都有磁性 液体公司，磁性液体广泛地应用于旋转密封，如 磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等，以 及扬声器、阻尼器件、磁印刷等应用。
• 美国政府大幅度追加纳米科技研究经费，其原 因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带 来的高利润，其中巨磁电阻效应高密度读出磁 头的市场估计为10亿美元，目前己进入大规模 的工业生产，磁随机存储器的市场估计为1千 亿美元。磁电子传感器件的应用市场亦十分宽 广
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纳米磁极
6极
4极
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8极
•
1988年法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层
膜中，观察 到当施加外磁场时，其电阻下降，变化
率高达50％。因此称之为巨磁电阻效应
(giant magnetoresistance, GMR)。
❖ 1995年，人们以绝缘层Al2O3代替导体Cr，观察 到很大的隧道磁电阻(TMR)现象。 基于GMR和TMR的发现，一个新的学科分支— —磁电子学的概念被提出了。 从那时起，科技人员 一直坚持不懈地努力，将上述创新性发现转化为信息 技术(IT)产业化。
(4).磁化率 纳米粒子的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关。
电子数为奇数的磁化率服从： 居里－外斯定律：＝ C
T Tc
量子尺寸效应使磁化率遵从d-3规律(d平均颗粒直径)
电子数为偶数的磁化率服从： kBT
磁化率遵从d2规律
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• 在纳米材料中，当粒径小于某一临界值时，
每个晶粒都呈现单磁畴结构，其磁化过 程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也 是永久性磁体。
• 大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒 熔点降低为288K；
• 纳米Ag微粒在低于373K时开始熔化，常规 Ag的熔点为1173K左右。
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• 这一特点使低温下将纳米金属烧结成合 金产品成为现实，且为不溶解的金属冶 炼成合金创造了条件。
纳米金属铜的超延展性
•纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了400℃
• 矫顽力显著增长。
• 粗晶状态下为铁磁性的材料，当粒径小于 某一临界值时可以转变为超顺磁状态。
• 鸽子、蝴蝶、蜜蜂等生物体中存在超微磁 性颗粒，小尺寸超微粒子的磁性比大块材 料强许多倍，20nm的纯铁粒子的矫顽力是 大块铁的l000倍
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纳米多层中的巨磁电阻效应
• 1986年德国科学家Grunberg小组有一重要的发现，就 是在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两个铁层之间通过铬层 产生耦合。
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• 1999年以GMR多层膜为磁头的硬盘驱动器(HDD) 进入市场，其存储密度达到11Gbits/in2，而1990年 仅为0.1Gbits/in2，10年中提高了100倍。
• 目前GMR的研究开发工作正方兴未艾，而将
上述隧道磁电阻(TMR)多层膜应用于新型随机存 储器 (MRAM)的研究又已经展开。
第四节 纳米粒子的特性．
1．热学性质
• 与粗晶材料相比，纳米材料比热较大 。 • 纳米材料的热膨胀数，近乎是单晶的2倍
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• 纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温 度均比常规粉体低得多。
• 例如，平均粒径为40nm的纳米铜粒子的熔 点由l 053℃降到750℃，降低了300℃左右；
• 块状的金的熔点l 064℃，当颗粒尺度减到 10nm时，则降低为1037℃，降低了27℃， 2nm时变为327℃；
究完全取决于纳米材料科学的进步。任何创新或
转化都以此为基础。但是，纳米尺度是如此之微小，
这给多层膜的制备和微结构表征带来了挑 战。
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纳米磁性材料
• 磁性是物质的基本属性，磁性材料是古老而用 途十分广泛的功能材料，纳米磁性材料是20世 纪70年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富 有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料。