纳米材料基础-第二章第二节.pptx

纳米材料基础,第二章纳米材料的基本理论,2.1.2小尺寸效应,小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长（100nm）、德布罗意波长、激子玻尔半径（1-10nm）、超导相干长度（10nm）等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等物性发生变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应，又称体积效应。,CooperPairs,纳米晶,（5）纳米晶非晶软磁材料的磁交换长度,在一个铁磁系统中，量子力学的铁磁交换长度为：,一般与铁磁畴壁宽度相当，约为20-30nm.,磁畴-MagneticDomain,块状磁性材料因交换作用能，磁各向异性能而导致磁矩平行排列在其易轴方向，但这将导致很强的退磁能.对于半径为R的球形体，退磁能为Ed=(4/3)0R3Ms2/6尺寸R越大，退磁能越高，为降低能量，材料必然分裂成磁畴，但在两个畴之间的畴壁过渡区，磁矩必然偏离易轴，相邻磁矩也不再平行，由此产生的畴壁能将介入总能量的平衡。比如180度畴壁的畴壁能密度就是:180=2(A1K1)1/2,磁畴,当粒子尺寸R很小时，畴壁能相对于退磁能更严重，没有必要再分磁畴，就形成了单畴粒子，可如下估计单畴粒子的临界尺寸：将单畴的退磁能与分成两个磁畴的畴壁能，退磁能之和相等：(4/3)0R3Ms2/6=4/3)0R3Ms2/3+R22(A1K1)1/2可得单畴临界尺寸R0比例于(A1K1)1/2/Ms2,纳米尺度的磁畴,超顺磁性是磁有序纳米材料小尺寸效应的典型表现。当体积为V的单畴磁性粒子继续减小，磁矩取向会因热运动能量kT比相应的磁能还大，可越过各向异性能势垒K1V，使粒子的磁化方向表现为磁的“布朗运动”，粒子集合体的总磁化强度为零。称为超顺磁性。只是粒子内不是单个原子或分子的磁矩，而是磁有序的集合体，集合体之间的磁取向混乱排列，其宏观表现为“顺磁性”。对超顺磁性粒子的胶体悬浊液，粒子间只有弱的静磁作用和范德瓦尔斯力。这就是磁性液体。,超顺磁性,Stoner-WohlfarthParticle,Magneticanisotropyenergyfavoursmagnetizationalongcertainaxesrelativetothecrystallattice,Easyaxisofmagnetization,Stoner-WohlfarthParticle,UniaxialsingledomainparticleMagnetocrystallinemagneticanisotropyenergygivenbyKisaconstantforthematerial,Particlevolume,V,Stoner-WohlfarthParticle,KV,Thermalactivation,AtlowtemperaturemagneticmomentofparticletrappedinoneofthewellsParticlemagneticmomentis“blocked”,Heat,Thermalactivation,AthigherT,thermalenergycanbuffetmagneticmomentbetweenthewellsResultsinrapidfluctuationofmomentParticlemomentbecomes“unblocked”,Heat,Magneticblockingtemperature,ThemagneticblockingT,Tb,istheTbelowwhichmomentisblocked.Blockingtemperaturedependsonparticlesize.Largerparticleshavehigherblockingtemperatures.,Superparamagnetism,Unblockedparticlesthatrespondtoafieldareknownassuperparamagnetic,Superparamagnetism,ResponseofsuperparamagnetstoappliedfielddescribedbyLangevinmodelAtroomtemperaturesuperparamagneticmaterialshaveamuchgreatermagneticsusceptibilityperatomthanparamagneticmaterials,Roomtemp,举几个超顺磁性的实际数据：对K=107J/m3而T=100K的条件，尺寸6.3nm的粒子的弛豫时间=10-1s,而6.8nm时,=101s;到7.6nm时=10+5s(即一天!)。室温下呈现出超顺磁性的尺寸是：球形铁12nm，椭球铁3nm，六角密积钴4nm，面心立方钴14nm。,（6）PbTiO3、BaTiO3等典型铁电体纳米（小于临界尺寸