磁性功能材料——纳米磁性材料的基本特征

二纳米磁性材料的基本特征,纳米材料是指三维空间中至少有一维的尺度在1-100纳米范围的材料，他们应表现出以下共同的基本特征之一：,1量子尺寸效应2小尺寸效应3表面效应4宏观量子隧道效应,材料的能级间距是和原子数N成反比的，因此，当颗粒尺度小到一定的程度，颗粒内含有的原子数N有限，纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，纳米半导体微粒则存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能隙变宽。当这能隙间距大于材料物性的热能，磁能，静电能，光子能等等时，就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同。,1量子尺寸效应,产生量子效应的器件尺度在1-20纳米范围,当粒子尺度小到可以与光波波长，磁交换长度，磁畴壁宽度，传导电子德布罗意波长，超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时，原有晶体周期性边界条件被破坏，物性也就表现出新的效应，如从磁有序变为磁无序，磁矫顽力变化，金属熔点下降等。,三个纳米的钴粒子，不是通常的六角密堆结构，而是立方结构,2小尺寸效应,当粒子尺寸变小时，位于表面的原子数相对于内部的原子数所占比例变大，例如对铜而言，100纳米的粒子，比表面积为6.6m2/g,而10纳米粒子的比表面积就为66m2/g,当粒子小到1纳米时，比表面积就高达660m2/g。表面能很大，极大提高了粒子的活性，造成表面原子输运和构型的变化，也引起原子自旋构象的变化。极端情况是碳纳米管，只有表面原子，没有内部原子。,3表面效应,微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中，发现宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也具有隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限。,4宏观量子隧道效应,作为磁性纳米粒子，还在磁畴结构等许多磁性方面表现出另一些特征,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,磁性纳米丝的漩涡状或横向畴壁,宽度和厚度增加时,横向畴壁,R.D.McMichaelandM.J.Donahue,IEEETrans.Magn.33,4167(1997),漩涡状畴壁,考虑形状各向异性静磁能下：磁矩沿丝轴方向，产生磁化方向头对头的畴壁。更大的丝会产生复杂的畴壁结构，如有双漩涡等等。,微磁学模拟结果。,width250nmthickness10nm,width140nmthickness5nm,纳米薄膜的磁畴,磁性薄膜的膜厚D较厚时，磁矩在畴壁平面内旋转，在畴壁内不产生磁荷，而表面磁荷的退磁场影响很小，称Bloch畴壁。但当膜厚很薄时，表面磁荷的退磁场就显重要，磁矩将在膜面内旋转，即在膜面不产生磁荷，而磁荷在畴壁中和两侧，称为Neel畴壁。对Fe-Ni膜，D100nm是Bloch畴壁,D30nm是Neel畴壁，其中间是过渡态的十字壁。理论上讲，D12nm时，薄膜就是单畴，但由于膜内退磁场很难均匀，因此总会有磁畴产生。,生物磁性粒子的天然单畴特性,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。超顺磁性也可由朗之万函数描述。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，热运动既可使粒子内磁化矢量克服磁各向异性能的位垒作旋转还可将粒子作整体运动。这就是磁性液体。,2超顺磁性,热运动能kT使体积为V的粒子磁矩Ms越过各向异性为K的势垒KV的几率为p=exp(-KV/kT),即原一致磁化的粒子集合体，经过足够长的时间可衰减到剩磁为零，其弛豫时间为=(1/f0)exp(KV/kT),频率因子f0=109s-1。如果要等一年(107秒)才会衰减为“顺磁”态，那就一定不能认为这材料是超顺磁性，因此这里有个的相对标准，譬如可用0,I0,S1,S2,电流诱导的磁化开关:自旋电流在铁磁矩上产生了一种动量矩。其反效应是：进动的磁矩矢量通过发射自旋电流又失去了动量矩。自旋泵将d电子的角动量从铁磁体转移到金属的s电子上。,ApplicationsManipulationofMagnetizationinnanodevicesinMRAM.STMSinMTJ.ShijiYuasa,AIST