3介绍一些具体纳米磁性材料

(1)x(2),得到：
ω a
可见，对一确定的材料 对Ni-Zn铁氧体：
2γI s = 3 0
(3)
ω a ∝ I s 为一常数 I s = 0 .3 T f = 5600 MHz
只要存在立方各向异性，任何铁氧体不可能有高于snoek极限 的磁导率
f (MHz) μwk.baidu.com
1120 5
560 10
280 20
四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构：
1 磁性多层膜的GMR效应
GMR效应的机理在于 自旋极化电子在其相干长度范围内 在不同自旋取向膜层有不同的散射几率， 即不同的电阻。
2 自旋阀结构是GMR的实用化设计
3. 具有纳米氧化层的自旋阀结构已是读出磁头的 定型产品
硬盘结构图----其中用到的永磁电 机，读写磁头和存储磁盘等磁性 部件都是纳米材料的研究对象。
三 介绍一些具体纳米磁性材料
1 2 3 4 5 6
零维纳米磁性液体及磁性微球 一维磁性纳米丝及其列阵 二维磁性纳米薄膜及其应用 纳米晶软磁性材料及产业化 双相纳米复合硬磁性原理 高频，微波纳米材料的设想
Nano Material 0D 1D
2D 3D Nanosize: 1---100nm
零维------超顺磁性
由此产生一门新兴学科------自旋电子学
Architecture of MRAM Cell on Wafer (Solid View)
BL
MTJ
WWL GND RWL
MRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）
技术 容量密度 速度 单元尺寸 联接时间 写入时间 擦除时间 保持时间 循环使用次 工作电压(V) 数 开关电压 DRAM 256 GB 150 MHz 25 F2/bit 10 ns 10 ns <1 ns 2.4 s 无穷 0.5-0.6 V 0.2 V FLASH 256 GB 150 MHz 2 F2/bit 10 ns 10 s 10 s 10 years 105 5V 5V SRAM 180 MB/cm2 913 MHz 1.1 ns MRAM
实验证实，平面铁氧体自然共振 发生的频率确实高于snoek极限。
因此：
使用纳米量级的薄膜材料，可使Snoek极限 ω a 增 大 H a 2 H a1 倍，对于 I s = 1.16 T ，K1 = 2 × 10 2 J m 3 的 FeNi 合金薄膜，线度比： η = 2000 时， H a 2 H a1 = 63.345 。 （当膜厚为 10 nm时， 则圆形薄膜的直径应为 20 μm）
2 K1 Hk = Is
ω = γH k
2γK1 ω= Is
4γK1 ω= 3I s
Is 3 K1 0
2 s
( K1 > 0)
(1)
( K1 < 0)
Hk =
4 K1 3I s
同时，对于由磁化强度转动引起的磁导率，易轴无规分布时 表示为： 2
a =
( K1 > 0)
a =
I 2 K10
(2)
( K1 < 0)
一维磁性纳米丝是近 年来发展很快的研究内 容，材料可以是单一金 属，合金，化合物，复合 物，多层膜。利用一维纳 米丝制备纳米量子存储介 质，是高密度，低噪音硬 盘介质的发展方向之一。 用于细胞分离，纯度达 80%，产率达85%
NiFe纳米丝
Co单晶纳米丝
存储密度的变化趋势
二维纳米薄膜
二维磁性纳米薄膜是几十年来研究得最多的内容之一 60年代是研究NiFe薄膜的热潮，用于磁性内存， 后来被半导体所取代； 70年代是研究磁泡薄膜的热潮，用于磁存储，后 来因各种原因被淘汰； 80年代是研究磁光薄膜的高潮，目前市场的可擦 写光盘即基于此项研究成果； 90年代对磁性多层膜的研究导致巨磁电阻效应的 发现，并发展成新型学科---自旋电子学。
性能比较
纳米双相复合硬磁
理论表明，纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将 综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点获得磁能 级比现有最好NdFeB高一倍的新 型 纳 米 硬磁材料
磁能级的预期值几乎比现有值高一倍
其机理是在硬磁粒子和软磁粒子 界面产生交换弹性耦合
以直径为D的软磁球被硬磁介质包围做模型
以SmCo/Fe为例，计算了反磁化形核场与粒子直径的 关系,表明在粒径小于3纳米时，形核场可高达19.5T.
>256 GB
>500 MHz 2 F2/bit <2 ns <10 ns <10 ns 无穷 无穷 <1 V
无穷 0.6-0.5 V
<50 mV
MRAM
DRAM
磁性半导体材料是自旋电子学是另一大类
磁性纳米复合物
是非常有实用价值的研究方向
由于其材料的选择剪裁，性能调节余地很大，可以 在各不同的领域找到合适的材料配方。因此对纳米隐身材 料同样应是研究重点，比如，纳米磁性复合颗粒薄膜研 究，纳米磁性多层膜的研究。 现仅举其他磁性材料的几个例子：
采用高饱和磁化强度的材料可使 ω a 进一步提高 当粒子尺度及间距均小于交换耦合长度时，粒子间的交换 作用将使粒子的各向异性平均掉，且将粒子磁化强度耦合 在一起，使整个薄膜的Ｈｃ大大减小，μ大大提高。
举 例
(FeCo)-Zr2O5 纳米颗粒膜， 在1ＧＨｚ，μ′~260，μ″~320， 比常规预想提高了二个量级。
在IT行业常需要的激光扫描器，转靶X光 机，大型单晶生长设备等的转动密封部分
磁性微球
纳米磁性粒子通过表面活化剂与单克隆抗体， 酶，药物，基因结合，称为磁性微球，在生物工 程，生物芯片，生物分子标签等方面有重要应用前 景。还可以在生物体内使药物定向起作用，即生物 导弹，是治疗癌症的有效方法。
一维纳米丝
同一材料是否表现出超顺磁性，除与材料尺寸 有关外，与测量温度，粒子周围环境，测量方法 的数据采集时间等都有关系。
磁性液体性能与组成
磁性液体应用
集聚的磁性液体粒子可起到密封，润滑等 作用，又可相对运动自由，因而在真空，环 保等方面应用广泛。
磁性液体广泛用于扬声器 起散热，润滑等作用，极大缩小了扬声器体 积，增加了功率，改善了音质。
可以用多种模型作类似计算，
高频，微波纳米磁性材料
由于纳米粒子或薄膜尺度小于电的趋肤厚度，非 常有利于在高频应用。除要求磁导率 μ 高外，如 μ 也高，则可为隐身吸波材料，如 μ 低，损 耗小，则可为高频软磁，电感材料。
大块材料使用频率与磁导率的 Snoek极限
假设其共振机制是由材料的磁晶各向异性场决定的自然共振
140 40
纳米薄膜的平面各向异性可以突破这个极限
设平面各向异性的易平面与c轴垂直 设磁化强度在平面内转动的各向异性场为Ha1 ； 场为磁化强度转出这个平面的各向异性Ha2 ； 则这种平面各向异性的大块材料的自然共振频率 为： (4) ω =γ H H
a1 a2
对于易轴在面内无规分布的多晶材料，在面内的转动磁化率： I s2 2Is (5) a = = 3 K 1 0 3 0 H a1 H a2 (4)x(5),得到： ω a = 2 γ I s (6) 30 H a1
由非晶态FeSiB退火，通过掺杂Cu和Nb控 制晶粒尺度，成为新型的纳米晶软磁材料
纳米晶软磁的变化规律完全不同于常规 软磁材料：矫顽力很小，磁导率很高。
软磁纳米晶机制在于
纳米晶粒间的交换耦合作用将有效抵消局部的， 无规的各向异性，平均各向异性能密度<K>： 因为 <K>=K1 / N , 此交换长度范围内含有晶粒数N=(Lex /D)3，故有 <K>=K1(D/Lex)3/2, 而铁磁交换长度又有关系 Lex=(A /〈K〉)1/2， 当晶粒尺度D小于Lex时，其无规各向异性可示为 即<K>与D是六次方的关 <K>=K1 4 D 6 /A 3, 系，相应磁导率μ随纳米粒子D的减小，也以六 次方关系增加。
高频薄膜电感
当纳米粒子或薄膜的高频磁导 率 μ高而μ 低，损耗小 时，这对解决电感器的小型 化，集成化很重要。对材料的 具体要求是，电阻率ρ高，在 2000MHz以上仍有高的磁导率 和低的损耗，至200度仍有好 的温度稳定性。这就要求材料 的磁共振频率 fr 高于2GHz ： f r = γ/2π(4πMsHk)1/2 , γ为 旋磁比。因此就要选择合适的 Ms,Hk和ρ。
薄膜读出磁头
自旋二极管
半导体的小型化极限：对称性破坏导致的能带隙破 坏，不再是好的半导体；载流子数不足；特征长度 大也不利于小型化。载流子运动的功耗较大。
约100年前进入真空管时代，50年前进入晶体管时代，
现在进入自旋管时代！
4. 磁性隧道结是目前的研究热点 其一个重要应用前景是磁性随机存储器