3介绍一些具体纳米磁性材料

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。
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
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）
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
>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：
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
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
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。
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.
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。
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。
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。
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)
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
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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
(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) μ
1120 5
560 10
280 20