纳米磁性材料

无机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。

2.2.表面效应

纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化表面效应。对球体来说，其表面积和直径的平方成正比，体积与直径的三次方成反比，故球体体积比便面积和直径成反比，即球体的比表面积随直径的增大而减小，即便面积显著增大。如当粒径降至10 nm时，表面原子所占的比例为20%，而粒径为1 nm时，几乎全部原子都集中在粒子的表面，纳米晶粒的减小结果导致其表面积、表面能及表面结合能的增大，并具有不饱和性质，表现出很高的化学活性。如金属纳米粒子熔点大大降低，在空气中易自燃。无机材料的纳米粒子在大气中会吸咐气体并与之反应。

2.3.量子尺寸效应

量子尺寸效应，该效应指微粒尺寸下降到或小于某一值（如波尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。纳米微粒存在不连续的被占据的高能级分子轨道，同时也存在未被占据的最低的分子轨道，能级间隙随着颗粒尺寸的减小而增大。能级间距符合下边的久保理论给出：

δ=1/3（EF/N）

δ为能级间距，EF为费米能级，N为总电子数。对于宏观物体电子数可视为无穷，能级按时连续的，当两字尺寸减小，N减小，δ才显现出来。δ较小时，微米颗粒可能是半导体，当δ较大时，微粒可乐可能就是绝缘体了。能级简并发生分裂。当热能、电场能或磁能比平

均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体戳然不同的反常特性,即量子尺寸效应。纳米材料中处于离散的量子化能级中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质，如特异性催化，强氧化性和还原性，颜色转变等等，如CdS微粒由黄色变成浅黄色。

2.4宏观量子隧道效应

宏观量子隧道效应，由于微观粒子的波动性，微观粒子具有贯穿势垒的能力成为隧道效应。磁化的纳米粒子具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化（即宏观量子隧道效应）。近年来人们发现，一些宏观物理量如磁化强度，量子相干器件的磁通显现出隧道效应。量子尺寸效应和量子隧道效是微电子，光电子器件的理论基础。

2.5.其他特性

纳米材料处理上述特性外，还有其他特性。催化性质，纳米粒子晶粒体积小，比表面积大，表面活性中心多，其催化活性和选择性大大高于传统催化剂；化学反应性质，纳米材料表面原子数多，吸附能力强，表面反应活性高；之外，纳米材料还具有硬度高、可塑性强、高比热和热膨胀、高电率、高扩散性、烧结温度低、烧结收缩比大等性质。这些性质为其应用奠定了广阔前景。

3.纳米材料的磁学特性

纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应，表面效应等使他具有常规材料无法具的特异性：3.1.超顺磁性：纳米材料的尺寸达到某一临界值时进入超顺磁状态。如Fe3O4和α-Fe2O的临界值分别为16nm、20nm。此时磁化率不在服从居里定律

χ=C/(T-TC)

C时常数。TC是居里温度。磁化强度可用万郎公式描述。

造成这种超顺磁性的原因为：在小尺寸条件下，当各项性能减小到于热运动可比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上，易磁化方向无规律的变化，结果导致超顺磁的出现。

3.2．矫顽力：纳米微粒的尺寸高于超顺磁临界尺度时，通常出现高的矫顽力Hc。例如：尺寸为16nm的铁微粒，在5K时矫顽力达到127000A/m，即使在室温下也能够达到79600A/m。而常规铁块的矫顽力仅为79.62A/m。

对于纳米微粒的高矫顽力目前有比较合理的两种解释：一致转动模式和球连发转模式。一致转动模式认为当纳米微粒笑道一定尺寸时可认为是一个单磁畴，每个单磁畴实际上是一个永久磁铁，要是偶这个磁铁去掉磁性，必须使整个磁矩反转，这需要很大的磁场，因此具有很高的矫顽力。

3.3．居里温度：居里温度是磁性材料的重要参数，实验表明，随着磁性薄膜厚度的减小，居里温度在不断下降。对于纳米微粒而言，由于小尺寸效应和表面效应导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低居里温度。

3.4．磁化率特性：纳米威力的磁性和算韩的总电子数有密切关系。电子数的奇偶就对磁化率影响各部相同。在电子数为奇数的粒子集合体的磁化率服从居里定律，而偶是情况下服从如下式子

χ∝kBT

并遵从d²的规律，此外，纳米材料的磁性比普通材料要大一到两个数量级。例如在高场下为包利顺磁性，纳米磁性的磁化率是常规金的20倍。

4.磁学性质的应用

纳米磁性材料始发现于上世纪七十年代的巨磁电阻效应的发现，随后得到迅速发展。目前磁性纳米材料可非为三类：纳米微粒，纳米微晶和纳米结构材料等，他们的应用相当广泛。4.1．磁性纳米材料在电子器件的应用

纳米材料可作为数据记录采集材料，由于磁性纳米微粒尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它可以做记录数据的器件，如录像磁带的磁体就是用磁性材料做成它不仅记录