纳米粒子的特性(完整版).ppt

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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。
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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。
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• 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。
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基于上述原因，可以说GMR和TMR现象的研
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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。
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。
(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
Fra Baidu bibliotekT 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。
• 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。
• 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
(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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(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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• 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。
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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。
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℃；
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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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• 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℃