介绍一些具体纳米磁性材料.ppt

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1、 三三 介绍一些具体纳米磁性材料介绍一些具体纳米磁性材料1零维纳米磁性液体及磁性微球零维纳米磁性液体及磁性微球2一维磁性纳米丝及其列阵一维磁性纳米丝及其列阵3 二维磁性纳米薄膜及其应用二维磁性纳米薄膜及其应用4 纳米晶软磁性材料及产业化纳米晶软磁性材料及产业化5 双相纳米复合硬磁性原理双相纳米复合硬磁性原理6 高频，微波纳米材料的设想高频，微波纳米材料的设想Nanosize:1-100nm3D1D2D0DNanoMaterial零维零维-超顺磁性超顺磁性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性能与组

2、成磁性液体应用磁性液体应用 集聚的磁性液体粒子可起到密封，润滑等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，环作用，又可相对运动自由，因而在真空，环保等方面应用广泛。保等方面应用广泛。起散热，润滑等作用，极大缩小了扬声器体起散热，润滑等作用，极大缩小了扬声器体积，增加了功率，改善了音质积，增加了功率，改善了音质。磁性液体广泛用于扬声器磁性液体广泛用于扬声器磁性液体广泛用于扬声器磁性液体广泛用于扬声器在在在在ITIT行业常需要的激光扫描器，转靶行业常需要的激光扫描器，转靶行业常需要的激光扫描器，转靶行业常需要的激光扫描器，转靶X X光光光光机，大型单晶生长设备等的转动

3、密封部分机，大型单晶生长设备等的转动密封部分机，大型单晶生长设备等的转动密封部分机，大型单晶生长设备等的转动密封部分磁性微球磁性微球 纳米磁性粒子通过表面活化剂与单克隆抗体，酶，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，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。是治疗癌症的有效方法。一维纳米丝一维纳米丝一维磁性纳米丝是近一维磁性纳米丝是近年来发展很快的

4、研究内容，年来发展很快的研究内容，材料可以是单一金属，合材料可以是单一金属，合金，化合物，复合物，多金，化合物，复合物，多层膜。层膜。利用一维纳米丝制利用一维纳米丝制备纳米量子存储介质，是备纳米量子存储介质，是高密度，低噪音硬盘介质高密度，低噪音硬盘介质的发展方向之一。用于细的发展方向之一。用于细胞分离，纯度达胞分离，纯度达80%，产，产率达率达85%NiFe纳米丝Co单晶纳米丝存储密度的变化趋势存储密度的变化趋势存储密度的变化趋势存储密度的变化趋势二维纳米薄膜二维纳米薄膜二维磁性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

5、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。四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构：四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构：四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构：四类具有巨磁电阻效应的多层膜结构：1 磁性多层膜的磁性多层膜的磁性多层膜的磁性多层膜的GMRGMR效应效应效应效应GMR效应的机理在于效应的机理在于自旋极化电子在其相干长度范围内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，在不同自旋取向膜层有不同的散射几

6、率，即不同的电阻。即不同的电阻。2 2 自旋阀结构是自旋阀结构是自旋阀结构是自旋阀结构是GMRGMR的实用化设计的实用化设计的实用化设计的实用化设计3.3.具有纳米氧化层的自旋阀结构已是读出磁头的具有纳米氧化层的自旋阀结构已是读出磁头的具有纳米氧化层的自旋阀结构已是读出磁头的具有纳米氧化层的自旋阀结构已是读出磁头的定型产品定型产品定型产品定型产品硬盘结构图硬盘结构图-其中用到的永磁其中用到的永磁电机，读写磁头和存储磁盘等磁电机，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。性部件都是纳米材料的研究对象。薄薄 膜膜 读读 出出 磁磁 头头自旋二极管自旋二极管半导体的小型化极限：对称性破坏导

7、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！4.4.磁性隧道结是目前的研究热点磁性隧道结是目前的研究热点磁性隧道结是目前的研究热点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其一个重要应用前景是磁性随机存储器其一个重要应用前景是磁性随机存储器其一个重要应用前景是磁性随机存储器由此产生一门新兴学科由此产生一门新兴学科-自旋电子自旋电子学学 Architecture of MRAM Cell on Wafer(Solid View)WWLRWLGNDBLMTJ

8、MRAM与现行各存储器的比较（与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）为特征尺寸）技术DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256GB256GB180MB/cm2256 GB速度150MHz150MHz913MHz500 MHz单元尺寸25F2/bit2F2/bit2F2/bit联接时间10ns10ns1.1ns2ns写入时间10ns10s10ns擦除时间1ns10s10ns保持时间2.4s10years无穷无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6V5V0.6-0.5V1V开关电压0.2V5V50 mVMRAMDRAM磁性半导体材料是自旋电子学是另一大类磁性半导体材料是自

9、旋电子学是另一大类磁性半导体材料是自旋电子学是另一大类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磁性纳米复合物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：是非常有实用价值的研究方向是非常有实用价值的研究方向由非晶态由非晶态FeSiBFeSiB退火，通过掺杂退火，通过掺杂CuCu和和NbNb控控制晶粒尺度，成为新型的纳米晶软磁材料制晶粒尺度，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纳米晶软磁的变化规律完全不同于常规纳米

10、晶软磁的变化规律完全不同于常规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。软磁材料：矫顽力很小，磁导率很高。软磁材料：矫顽力很小，磁导率很高。软磁材料：矫顽力很小，磁导率很高。软磁纳米晶机制在于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，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无规的各向异性，平均各向异性能密度：因为因为 =K =K1 1/N/N ,此交换长度范围内含有晶粒数此交换长度范围内含有晶粒数N=(Lex/D)N=(Lex/D)3 3，故有，故有 =K=K1 1(D/Lex)(D/Lex)3/23/2,而铁磁

11、交换长度又有关系而铁磁交换长度又有关系 L Lexex=(A/=(A/K K)1/21/2，当晶粒尺度当晶粒尺度D D小于小于L Lexex时，其无规各向异性可示为时，其无规各向异性可示为=K=K1 1 4 4 D D 6 6/A/A 3 3,即即与与D D是六次方的关是六次方的关系，相应磁导率系，相应磁导率 随纳米粒子随纳米粒子D D的减小，也以六次的减小，也以六次方关系增加。方关系增加。性能比较性能比较纳米双相复合硬磁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理论表明，纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁综合软磁MMs s高，硬磁高，硬磁H Hc c高的优点获得磁能高的优点获得

12、磁能级比现有最好级比现有最好NdFeBNdFeB高一倍的新高一倍的新 型型 纳纳 米米 硬硬 磁磁 材材 料料磁能级的预期值几乎比现有值高一倍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其机理是在硬磁粒子和软磁粒子其机理是在硬磁粒子和软磁粒子其机理是在硬磁粒子和软磁粒子界面产生交换弹性耦合界面产生交换弹性耦合界面产生交换弹性耦合界面产生交换弹性耦合以直径为以直径为以直径为以直径为D D的软磁球被硬磁介质包围做模型的软磁球被硬磁介质包围做模型的软磁球被硬磁介质包围做模型的软磁球被硬磁介质包围做模型以以SmCo/Fe为例，计算了反磁化形核场与粒子直径的为例，计算了反磁化形核场与粒子

13、直径的关系关系,表明在粒径小于表明在粒径小于3纳米时，形核场可高达纳米时，形核场可高达19.5T.可以用多种模型作类似计算，可以用多种模型作类似计算，可以用多种模型作类似计算，可以用多种模型作类似计算，高频，微波纳米磁性材料高频，微波纳米磁性材料高频，微波纳米磁性材料高频，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。除要求磁导率高外，如也高，则可为隐身吸波材料，如低，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大块材料使用频率与磁导率的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(1)

14、同时，对于由磁化强度转动引起的磁导率，易轴无规分布时同时，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：表示为：(2)SnoekSnoekSnoekSnoek极限极限极限极限(1)x(2),得到得到：(3)可见，对一确定的材料可见，对一确定的材料为一常数为一常数对对Ni-Zn铁氧体：铁氧体：只要存在立方各向异性，任何铁氧体不可能有高于只要存在立方各向异性，任何铁氧体不可能有高于snoek极限极限的磁导率的磁导率f(MHz)11205602801405102040纳米薄膜的平面各向异性可以突破这个极限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

15、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)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：(5)(4)x(5),得到：(6)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。因因 此此：使用纳米量级的薄膜材料，可使使用纳米量级的薄膜材料，可使Snoek极限极限 增增大大 倍，对于倍，对于 ，的的FeNi 合金薄膜，线度比：合金薄膜，线度比：=2000 时，时，=63.345。（当膜厚为（当膜厚为 10 nm时，时，则圆形薄膜的直径应为则圆形薄膜的直径应为 20 m）当粒子尺度及间距均小于交换耦合

16、长度时，粒子间的交换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，使整个薄膜的大大减小，在一起，使整个薄膜的大大减小，大大提高。大大提高。采用高饱和磁化强度的材料可使采用高饱和磁化强度的材料可使进一步提高进一步提高(FeCo)-Zr(FeCo)-Zr2 2O O5 5 纳米颗粒膜，纳米颗粒膜，在在1 1，260260，320320，比常规预想提高了二个量级。比常规预想提高了二个量级。举举举举 例例例例高频薄膜电感高频薄膜电感当纳米粒子或薄膜的高频磁导率高而低，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：fr=/2(4MsHk)1/2,为旋磁比。因此就要选择合适的Ms,Hk和。