“磁性材料的现状与未来---2013.ppt

磁性材料的现状与未来 都有为南京大学 报告提纲一 磁性材料的基本概念二 磁滞回线表征的磁性材料三 交叉耦合效应的磁性材料 一 磁性材料的基本概念 基本磁学量 饱和磁化强度 Bm Ms剩磁Br矫顽力Hc磁导率 损耗Pw磁能积 BH m矩磁比Br BmK Tc 金属颗粒与铁氧体颗粒制备成磁带的磁滞回线 Br Hc Bm 磁滞回线 电性 金属与非金属磁性材料二大类 矫顽力随颗粒直径的变化 材料磁性分二类 1 结构非灵敏性量 主要由组成所决定 Tc Ms K 2 结构灵敏性量 与微结构关系密切 Hc Br Pw Bethe Slater曲线 1930 1933 Eex 2JexSiSj Jex交换积分 ra 原子间距 rd d壳层半径 Fe 纯金属 反铁磁序 铁磁序 J M D Coey P A I Smith JMMM200 1999 405 Magneticnitrides Bethe Slater Neelcurve Slater Pauling曲线 巡游电子理论 3d过渡族元素合金的磁矩随3d电子数的变化 Heuslers A2MnB Co2MnSi AMnB NiMnSb 磁性合金3d3d 4f 氧化物磁性材料 1 铁氧体 亚铁磁序尖晶石型 MnZn NiZn MgZn 石榴石型 Y3Fe5O12 六角晶型 M型 Sr Ba Fe12O9 W Y Z X型 2 CrO2 铁磁性3 钙钛矿型 双交换耦合型ABO3 LaMnO3 A3B2O7 A2B B O6 4 硫族化合物 FeCr2S4 自旋系统中五种类型的交换作用 磁性材料发展进程 铁磁 亚铁磁 3d 4f低维FM AFM耦合交叉 磁性材料的分类与演变 从磁特性来分类 主要可分二大类 一 以磁滞回线为主要特性表征的磁性材料 永磁 软磁 矩磁 磁记录 二 以交叉效应为基础的磁性材料 磁致收缩材料 磁光材料 旋磁材料 磁制冷材料 多铁性材料 超构材料与器件 自旋电子学材料与器件 材料 结构与器件完美的结合成为新材料特色磁性材料的内涵在不断的发展中 新的磁性材料体系探索有机磁性材料 CoeyJ M D J Alloysandcompounds326 2001 2 全球每年人平均磁性材料消耗量如下 常用的磁性材料硅钢MnZn NiZn铁氧体非晶态NiFe FeCo CoCr薄膜Co Fe2O3粉体CrO2粉体AlNiCoSmCo NbFeB Sr Ba 铁氧体 J M D Coey J AlloysandCompounds326 2001 2 6 二 磁滞回线表征的磁性材料 永磁 软磁 磁记录 1 永磁材料碳钢AlNiCo MnAl FeCrCo FePt CoPt铁氧体 Sr Ba Fe12O19稀土永磁SmCo5 Sm2Co17 Sm Fe NNd2Fe14B 磁性材料的矫顽力 Hc 随时代的演化 产量 T 2010年永磁材料产值对比 全世界主要永磁材料的产量与产值 NdFeB Ferrite 第一代SmCo5 60年代 第二代Sm2Co17 70年代 第三代Nd2Fe14B 80年代 第四代稀土永磁 BH m理论值 SmFeN SmFeC 1 12 3 29 纳米复合稀土永磁 BH m 理论 800 kJ m3 1988年 工艺 速凝 氢爆 双合金 永磁材料在小轿车中的应用 永磁电机与软磁芯感应电机性能对比 效率 6 8 体积 70 重量 40 OliverG etal Adv Mater 2011 23 821 近10年世界风力发电量与2009年各国所占份额 美国 德国 中国 西班牙 其他 近10年中 每3年风电量增加1倍 2009年为159213MW 2020年估计全球为1900GW3MW的风力发电机需1 5T的稀土永磁 OliverG etal Adv Mater 2011 23 821 稀土永磁薄膜 MEMS 传感器等应用中要求微米级膜厚的永磁薄膜 薄膜永磁材料 永磁铁氧体 MnBi MnAlC R Co NdFeB Pt Co Fe 通常采用磁控溅射 激光沉积等工艺制备 SmCo5 160kJ m3 Sm2Co17 136kJ m3 NdFeB 240kJ m3 Pt Fe n 320kJ m3 NdFeB 2 软磁1 Fe FeSi FeAl FeSiAl FeCoFeNi 78Ni22Fe 79Ni16Fe5Mo2 非晶态合金 纳米微晶态合金3 软磁铁氧体 立方晶系 MnZn NiZn MgZn六角晶系 W Y Z平面六角4 铁粉芯 Fe FeSi FeSiAl颗粒表面包覆有机 无机粘接剂5 颗粒膜 Co Fe Hf O 软磁材料是应用最广 品种丰富的一类磁性功能材料 主要产品分三类1 高磁导率材料 i 10000 电感元件 抗电磁干扰 EMI 滤波器 宽带脉冲变压器2 低功耗材料 高饱和磁通密度 宽频 宽温 低损耗开关电源变压器 变压器3 电力工业用的软磁材料 发展趋势 高频 低损耗 宽温 功率铁氧体 金属纳米微晶软磁材料 非晶磁性合金分三类 1 过渡金属 类金属 B C Si P 合金 如 FeSiB2 稀土 过渡族 合金 如 NdFeB3 过渡族 过渡族 合金 如FeZr B CoZr B 纳米微晶软磁材料系列 PetzoldJ JMMM242 2002084 磁导率 饱和磁化强度 各类软磁材料性能的对比 纳米晶Fe M B Cu合金 NANOPERM 纳米晶 Fe Co M B Cu合金 HITPERM Co 基非晶合金 Mn Zn铁氧体 MakinoA etal Mat Trans JM 36 1995 924 FeCo合金 硅钢 Fe 基非晶合金 e f 1kHz 纳米晶Fe Si Nb Cu合金 FINEMET 商品牌号 据随机各向异性模型 交换相关长度Lex A K1 N1 2 N 交换作用范围内的晶粒数 Herzer G IEEEMAG26 2001 1397 薄膜传感器 1 2GHz Q 10 软磁颗粒膜 非晶 纳米晶软磁材料因低电阻率的禀性只能应用在低频段 为了增加电阻率以利于高频段的应用 可采用磁性颗粒镶嵌在绝缘的薄膜 氧 氮 碳等化物 中而构成软磁颗粒膜 例如 Co Fe Al Zr O Co Pd Al O CoFeB SiO2 Fe Co M O其工作频率可高达兆赫频段软磁颗粒膜可应用于 射频电感器 超高密度磁记录磁头 微型高频滤波器 变压器 MakinoA etal Nano StructuredMat 12 1999 825 3 磁记录材料 纵向模式 垂直模式全息模式 磁记录进展 读出磁头 环型磁头 AMR各向异性薄膜磁头 GMR磁头 TMR磁头记录密度提高千倍 每兆位磁盘价格下降千倍记录介质 颗粒型 薄膜型 分立型记录方式 纵向 垂直 全息 写入与读出磁头 感应式读写磁头 磁电阻式读出磁头 录音 录像 录码 音频 视频 脉冲高Ms 高 低Hc 铁氧体 金属各向异性磁电阻效应 GMR TMR 纵向磁记录 垂直磁记录 自组装nm 颗粒介质 图案型介质 图7 磁记录密度与记录模式 介质的关系以及发展趋势 OsakaT etal ElectrochimicaActa 50 2005 4576 由于超顺磁性尺寸的限制 KV kT 纵向磁记录密度已接近极 2005年希捷公司已推出110Gbit in2的硬盘 另一个方式是采用垂直记录的模式 已推出200Gbit in2的记录密度 近期可望达到400Gbit in2 远期目标为 1TB in2 现研究采用热辅助磁记录 TAR 方式 用高矫顽力磁记录材料 来提高记录密度 如FePt FeRh交换耦合薄膜等 采用垂直记录模式可望达到10Tbit in2 10GB微型硬盘 日立2005 Ifoneparticleisonebitandthegapisalso4nm numberofbitspersquareinchwillbe 2 54X107 2 82 1 0X1013 10TbitIf8nmparticlesarechosen thedensitywillbe2 5Tbit 4nmmonodisperseFePtparticles Sunetal Science 287 2000 1889 LongitudinaltoPerpendicularMagneticRecordingmodel S Y ChouProceedingsoftheIEEE85 1997 652R F PeaseandS Y Chou ProceedingsoftheIEEE96 2008 248 Schematicofnanoimprintlithographyconsistingof1 imprintand2 patterntransferFormassproduction Bit Patternedmedia Quantizedmagneticdisk Patternedmagneticnanostructuresgiveusnewfreedomincontrollingmagneticmaterialproperties 量子磁盘 SUL Softmagneticunderlayer J P Wang NatureMaterials4 2005 191 Tiltedmagneticmedia 2005Year100Gb in2 1 Mbyte 1c Mbyte 三 交叉耦合效应的磁性材料 1 超 构 材料2 Magpol3 高温磁制冷材料4 自旋电子学 磁 光 电 热 力 磁 光 力 电 热 铁电 声 生物 医学 催化 自旋电子学 磁致收缩 磁热效应 磁光效应 光磁效应 多铁性 光 微波 旋磁效应 化学 生物 1 超 构 材料 能带结构 光子晶体 声子晶体 超 构 材料 Metamaterial 光频段超构材料各种设计 VeselagoV G NarimanovE E Naturematerials5 2006 759 各种电感的图案 OlivierAcher JMMM 321 2009 2093 OlivierAcher JMMM 321 2009 2093 超构材料可产生 0 0n2 n Au Ag Metamaterial TNIM TunableNegativeIndexMaterial P Heetal APL 93 2008 193505 CRLH SIW型超构天线 CRLH SIW Compositeright left handedsubstrateIntegratedwaveguide YuandanDongetal Proc IEEE 100 2012 2271 共振型的天线 YuandanDongetal Proc IEEE 100 2012 2271 2 Magpol Magpol Magnetfiller polymermatrixcomposites 聚合物磁性复合材料 Morphingsoftmagneticcomposites 在外电 磁 光 热 化学等作用下可以变形 在医学器件 机械人 遥控 航空航天等领域应用广泛 VinhQuangNguyenetal Adv Mater 24 2012 4041 Smartmaterials Magnetostrictivematerials Piezoceramics Shapememoryalloys SMAs VinhQuangNguyenetal Adv Mater 24 2012 4041 VinhQuangNguyenetal Adv Mater 24 2012 4041 3 高温磁制冷材料 从相变的角度高温磁制冷材料大致上分二类1 利用一级相变的磁性材料铁磁 反铁磁相变 FeRh Pr1 2Sr1 2O3结构相变导致的磁熵变 Gd5 SiGe 4 MnFePAs La Fe Si 13 Gd5Ge1 9Si2Fe 1 钙钛矿磁性化合物磁熵变大 但存在磁滞与热滞 2 利用二级相变的磁性材料铁磁 顺磁相变 Gd RAl 部分钙钛矿化合物可逆 但磁熵变较低 Magnetocaloriceffect magneticentropychange Schematicdiagramofmagneticrefrigerator PrototypeofMagneto refrigerator June23 2004 4 自旋电子学 1988年巨磁电阻效应2007年度诺贝尔物理奖磁电子学半导体自旋电子学自旋转矩STT MRAM RF振荡器 自旋霍尔效应 2007年度诺贝尔物理学奖 巨磁电阻效应 AlbertFert 法国 1938 3 7 PeterGr nberg 德国 1939 5 18 GMR GiantMagnetoresistance GaAs 001Fe 001Cr nMBE法Fe 磁性金属Cr 非磁性金属 Fe Cr n多层膜的巨磁电阻效应Baibich A Fertetal Phys Rev Lett 61 1988 2472 RKKY Thethicknessofnon magneticspacerlayer J Theinterlayerexchangecouplingparameter H Zabel SuperlatticesandMicrostructures 46 2009 541 equivalentcircuit Mott stwocurrentmodelforbulkmaterials magneticmetal M R 巨磁电阻的物理本质是自旋极化电子流的输运性质 从而发展出以调控自旋为核心的自旋电子学 自旋阀 Spinvalve 多层膜的饱和磁场太高 磁场灵敏度低 为此采用自旋閥结构 自由层 低矫顽力磁性薄膜 如 Ni80Fe20合金 非磁层 如铜等非磁层薄膜 铁磁层 磁性薄膜 NiFe FeCo 钉扎层 反铁磁层 如 FeMn MnIr 隧道磁电阻效应TMR Tunnelingmagneto resistance FM I FM TMR 2P1P2 1 P1P2 P 自旋极化率 Lee Y M etal A P L 90 2007 212507 CoFeB MgO CoFeBTMRRT 500 5K 1010 磁电子学 与自旋相关的输运性质磁致电阻效应AMR GMR TMR CMR 应用读出磁头MRAM磁传感器 自旋电子学 GMR TMR CMR 磁电子学半导体自旋电子学磁电阻效应传感器自旋 FET高密度磁头自旋 LEDMRAM逻辑元件自旋晶体管量子计算机分子自旋电子学 e TMR芯片的应用 TMR芯片 每年200亿人民币磁性传感器市场 MRAM SpinTransistor Nonvolatility increaseddataprocessingspeed decreasedelectricpowerconsumption increasedintegrationdensities andanti irradiation emitter base collector Spintransistor three terminal bipolardevice Spin TransferTorqueMRAM STT MRAM YimingHuai AAPPSBulletinDec 18 2008 33 最近报道采用电压调控自旋的MeRAM 具有低能耗 高密度的优点 可望成为全新的芯片 将现在的微机磁盘与芯片合二为一 MRAM 磁动态随机储存器优点 非易失性 抗辐射性 高集成度 高运算速度 低功耗 长寿命与DRAM比 非易失性 抗辐射性 高运算速度 与Flash比 低功耗 长寿命 存取速度比Flash快千倍 因此 MRAM除做内存外 尚可做外存 MgO绝缘层隧道结的研究成功 自旋转矩 Spin transfertorque 的实际应用 显著加快MRAM的实用化 2 4GHz Spin torqueoscillator RFDevice D Houssameddineetal Naturematerials6 2007 447 半导体自旋电子学自旋注入