纳米材料的磁学性能课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.4纳米材料的磁学性能,1,3.4.1,磁学性能的尺寸效应,2,磁性是物质的基本属性,地球磁场,地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近。,3,磁性材料是古老而年轻的功能材料,司南用天然磁石琢磨而成，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻有二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，停下后长柄就指向南方,4,地磁起源？,沈括（,10341094,）,梦溪笔谈,“以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”,吉尔伯特,磁体,（,1600,）地球本身就是一块巨大的磁石，磁,子午线,汇交于地球两个相反的端点即,磁极,上,5,各种假说,假说一：地球,内部有一个巨大的,磁铁矿（铁、镍等）,无法解释：,铁磁物质在温度升高到,760,以后，就会丧失,磁性,假说二：,地球的环形电流产生地球的,磁场，,地球的,自转,-,铁,镍,（,熔融状态,）转动,-,内部电子定向转动,-,环形电流,-,磁场,无法解释：,地球,磁场,在历史上的几次倒转,保护地球免受来自太空的宇宙射线的侵入,6,宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的,最早的重要应用之一,-,磁性液体,飞船和宇航,员头盔内部,的压力,舱外的压力,宇宙的温度,大气压力,接近真空,很低,最好的橡胶,密封寿命,-,几小时,磁性液体理论上寿命是无限的,7,许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子,例如：蜜蜂、海豚、鸽子、,石鳖、磁性细菌等,8,物质的磁性从何而来？,电荷的运动,来源于构成物质的原子,-,原子核和围绕原子核运动的电子,9,电子的自转会使电子本身具有磁性，,成为一个小小的磁铁，具有,N,极和,S,极。,电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的,电子数目一样多,，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外,没有磁性,。,10,少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的,数量不一样,，这样，在自转相反的电子磁矩,互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩,没有被抵消,，这样，整个原子,具有总的磁矩,。,同时，由于一种被称为“,交换作用,”的机理，这些原子磁矩之间被,整齐地排列起来,，整个物体也就,有了磁性,。,11,磁学性能的尺寸效应,矫顽力,超顺磁性,饱和磁化强度、居里温度与磁化率,12,磁学性能的尺寸效应,晶粒尺寸进入纳米范围,磁性材料的磁学性能具有明显尺寸效应,使得,纳米材料具有许多粗晶或微米晶材料所不具备的磁学特性。,13,例如：,纳米丝,由于长度和,直径比,（,(,L,/,d,),）,很大，,具有很强的形状各向异性,。,当其直径小于某一临界值时，,在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。,有限长度的原子链在低温条件下具有磁性。,这是迄今为止发现的,最小磁体,。,美国研究人员发现,纳米金刚石,具有磁性,.,矫顽力、饱和磁化强度、居里温度,等,磁学参数都与晶粒尺寸相关。,14,磁性粒子通常总是以,偶极子,（南北两极）的形式成对出现，把一根磁棒截成两段，可以得到两根新磁棒，它们都有,南极,和,北极,。事实上，不管你怎样切割，新得到的每一段小磁铁总有两个,磁极,。,磁和电有很多相似之处。例如，同种,电荷,互相推斥，异种电荷互相吸引；同名,磁极,也互相推斥，异名磁极也互相吸引。正、负电荷能够,单独存在,，单个,磁极,能不能单独存在呢？,磁单极存在吗？,15,什么是矫顽力？,也称为,矫顽性,或,保磁力,，是,磁性,材料的特性之一，是指在磁性材料已经磁化到,磁饱和,后，要使其,磁化强度,减到零所需要的,磁场强度,。,矫顽力代表磁性材料抵抗,退磁,的能力。,16,对于大致球形的晶粒,晶粒尺寸的减小,矫顽力,增加,Hc,达到一最大值,晶粒的进一步减小,矫顽力反而下降,晶粒尺寸相当于单畴的尺寸,对于不同的合金系统，其尺寸范围在几十至几百纳米。,17,当晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力,H,C,与平均晶粒尺寸,D,的关系为：,式中,C,是与材料有关的常数。纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加，符合,上,式。,18,当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，矫顽力随晶粒的减小急剧降低。此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为：,式中,C,”,为与材料有关的常数。,该公式,关系与实测数据符合很好。,例如：,19,Fe,基合金矫顽力,H,C,与晶粒尺寸,D,的关系,20,左图补充了,Fe,和,Fe-Co,合金微粒在,1,1000 nm,范围内矫顽力,H,C,与微粒平均尺寸,D,之间的关系，图中同时给出了剩磁比 与,D,的关系。,Fe,和,Fe-Co,微粒磁性的尺寸效应,（,a,）,Fe,（,b,）,Fe-Co,21,微粒的矫顽力,H,C,与直径,D,的关系,(,尺寸效应,),当,DD,crit,时，粒子为,多畴,，其反磁化为畴壁位移过程，,H,C,相对较小；当,DD,crit,时，粒子为,单畴,；,当,d,crit,DD,crit,时，出现非均匀转动，,H,C,随,D,的减小而增大；,当,d,th,Dd,crit,时，出现均匀转动区，,H,C,达极大值；,当,D,T,c,时，由于原子的剧烈热运动，原子磁矩的,排列是混乱无序的。,T,T,c,时，原子磁矩,排列整齐,，产生,自发磁化,。,33,T,T,c,顺磁性，磁体的磁,场,很容易,随周围磁,场的改变而改变。,居里温度,是指材料可以在,铁磁体,和,顺磁体,之间,改变的温度。,34,纳米材料通常具有较低的居里温度,例如：,70nmNi,的居里温度比粗晶,Ni,的低,40,。,反例：,直径在,2,25nm,时,MnFeO4,微粒的居里温度升高。,纳米材料中存在的庞大的,表面或界面,是引起 下降的,主要原因。,随着自发极化区域尺度的减小，表/界面所,占的,体积分数增加，活性增大,，材料抵抗外场的能力下,降，表现在居里温度的降低。,的下降对于纳米磁性材料的应用是,不利,的。,35,图,.,钆纳米晶体中居里温度改变值随平均晶粒尺寸的变化,图中纵坐标为,居里温度下降值,（,T,C,纳米晶体,-T,C,粗晶），由图可见随钆纳米晶体平均晶粒尺寸的减小，居里温度呈线性下降趋势,。,D.Michels et al.Journal of Magnetism and Magnetic Materials.2002,250,203.,36,什么是,磁化率,？,在宏观上，物体在磁场中被磁化的强度,M,与磁场,强度,H,有关，,M=,H,，,为,磁化率,，是一个无量纲常数,。,顺磁性物质,铁磁性物质,与尺寸无关,37,每个微粒所含的电子数可为奇或偶。,一价,简单,金属,微粒,，一半粒子的电子数为奇，另一半,为偶；,两价金属粒子的,传导,电子数为偶。,纳米微粒,的,磁化率,它所含的,总,电子数的,奇偶性,温,度,密,切,相,关,与,38,电子数为奇或偶数的粒子的磁性有不同的,温度特点,和,尺寸规律,电子数为,奇数,的粒子，,磁化率服从居里,-,外斯定律：,=,C,/(,T,-,T,c),磁化率与温度成反比,量子尺寸效应使磁化率遵从,d,-3,规律。,电子数为,偶数,的系统,k,B,T,磁化率与温度成正比,量子尺寸效应使磁化率遵从,d,2,规律。,39,MgFe,2,O,4,颗粒的磁化率与温度和粒径的关系,每一粒径的颗粒均有一,对应最大值,值的温度，,称“冻结或截至”温度,，,高于,，,值开始下降。,对应于,热激活能,的门槛值。,温度高于,时，纳米颗粒,的,晶体各向异性,被,热激活,能,克服，显示出超顺磁特性。,40,3.4.2,巨磁电阻效应,41,巨磁电阻效应,多层膜的,GMR,效应,自旋阀的,GMR,效应,纳米颗粒膜的,GMR,效应,隧道型,TMR,效应,超巨磁阻（,CMR,）效应,巨磁阻效应的应用,42,巨磁电阻效应,外加磁场,引起,材料电阻率的变化,磁电阻或,磁阻效应（,MR,）,43,普通材料的磁阻效应很小。,如：,工业上有使用价值的坡莫尔合金的各向异性,磁阻（,AMR,）效应最大值也末突破,2.5,。,1988,年，,Baibich,等人在由,Fe,、,Cr,交替沉积而形成,的纳米多层膜中发现了超过,50,的,MR,，且为各向,同性，负效应，这种现象被称为,巨磁电阻,（,Giant,Magnetoresistance,，,GMR,）效应,。,44,1992,年，,Berkowitz,等人在,Cu-Co,等颗粒膜中也观察到,GMR,效应。,1993,年，,Helmolt,等人在类钙钛矿结构的稀土,Mn,氧化物中观察到,R,/,R,可达,10,3,10,6,的超巨磁阻效应，又称,庞磁阻效,（,CMR,）。,对,GMR,的研究工作，在不长的时间内取得了令人瞩目的研究成果，,1995,年美国物理学会已将,GMR,效应列为当年凝聚态物理中,五个研究热点的首位,。,45,2007,年诺贝尔物理奖,巨磁电阻。“巨磁电阻”效应，也就是指在一个巨磁电阻系统中，,非常弱小的磁性变化,就能,导致巨大的电阻变化,的特殊效应。而我们知道，如果想要制造容量越来越大、体积越来越小的硬盘，必须解决如何将弱小的磁信号变化放大为清晰的电信号的棘手问题。借助“巨磁电阻”效应，人们能够制造出更加灵敏的数据读出头，将,越来越弱的磁信号读出来后因为电阻的巨大变化而转换成为明显的电流变化,，使得大容量的小硬盘成为可能。,2007,年诺贝尔物理奖得主的获奖成果，离我们是如此之近。在我们背包中的笔记本电脑里，在我们口袋中的音乐播放器里，我们都能分享到这一伟大成果所带来的福祉。,法国,AlbertFert,德国,PeterGrnberg,46,目前，已发现具有,GMR,效应的材料主要有,多层膜,、,自旋阀,、,颗粒膜,、,非连续多层膜,、,氧化物超巨磁电阻薄膜,等五大类。,GMR,CMR,TMR,效应将在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器中获得应用。,47,多层膜的,GMR,效应3d,过渡族金属,铁磁性元素或,其合金,Cu,、,Cr,、,Ag,、,Au,等,导体,构成的金,属超晶格,多层膜,满足三个条件,具有,GMR,效应,48,1,）,铁磁性导体,/,非铁磁性导体,超晶格中，铁磁性导,体层之间构成自发磁化矢量的,反平行结构,（,零磁场,），,相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变,。,铁磁性层,铁磁性层,非磁性隔离层,非磁性隔离层,铁磁性层,铁磁性层,非磁性隔离层,非磁性隔离层,铁磁性层,铁磁性层,GMR,多层膜的结构,（,a,）零磁场时 （,b,）超过饱和磁场时,49,2,）金属超晶格的周期（每一重复的厚度，即,调制,波长,）应比载流电子的,平均自由程短,。,例如：,Cu,中电子的平均自由程大致在,34nm,左右。,实际上，,Fe/Cr,及,Cu/Co,等非磁性导体层,/,磁性导,体的单元厚度一般都在几纳米以下。,3,）自旋取向不同的两种电子（向上和向下），,在磁性原子上的,散射差别必须很大,。,50,Fe/Cr,多层膜的,GMR,（,4.2K,）效应,Baibich M N,Broto J M,Fert A.PRL.1988.61,2473.,Fe/Cr,金属超晶格巨磁阻效应如图所示。图中纵轴是外加磁场为零时的电阻,R(H,0),为基准归一化的相对阻值，,横轴为外加磁场,。,Fe,膜厚,3nm,，,Cr,膜厚,0.9nm,，积层周期为,60,，构成超晶格。通过外加磁场，其电,阻值降低达大约,50,。,51,GMR,效应对于,非磁性导体隔离层的厚度,十分敏感。在任意单位下，相对于隔离层厚度，最大,MR,比呈现出振动特性。,随非磁导体隔离层厚度的增加，电阻变化趋缓,。对于,Co/Cu,系统来说，,P1,、,P2,、,P3,三个峰的位置分别在,1nm,、,2nm,、,3nm,附近，显示出较好的周期性。,非磁性导体隔离层对,GMR,的影响,52,用,Mott,关于铁磁性金属电导的理论（,二流体模型,）来解释。,在铁磁金属中，导电的,s,电子要受到磁性原子磁矩的,散射,作用，,散射的几率,取决于：导电的,s,电子自旋方向,与固体中磁性原子,磁矩方向的相对取向,。,自旋方向与磁矩方向,一致,的电子受到的散射作用,很弱,，,自旋方向与磁矩方向,相反,的电子则受到,强烈,的散射作用，而传导电子受到散射作用的强弱直接影响到材料电阻的大小。,GMR,的原理,53,A,）没有外加磁场时，相邻磁层存在,反平行磁矩,两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其,自旋方向相同的一个磁层,后，遇到另一个,磁矩取向与其,自旋方向相反的磁层,，并在那里受到,强烈的散射,作用，,也就是说，没有哪种自旋状态的电子,可以穿越两个或两个,以上的磁层,。,在宏观上，多层膜处于,高电阻状态。,54,B,）外加磁场足够大，,反平行排列,的各层磁矩都,沿外场方向排列一致,。,传导电子中，自旋方向与磁矩,取向相同,的那一半电子可以很容易,地穿过许多磁层而只受到,很弱的散射,，,而另一半自旋方向与磁矩,取向相反,的电子则在每一磁层都受到,强烈的散射,作用。,有一半传导电子存在一低电阻通道。,在宏观上，多层膜处于,低电阻状态,，,这样就产生了,GMR,现象。,55,上述模型的描述是,非常粗略,的，而且只考虑了电子在磁层内部的散射，即所谓的,体散射,。,实际上，在磁层与非磁层界面处的,自旋相关散射,有时更为重要，尤其是在一些,GMR,较大的多膜层系统中，,界面散射作用占主导地位,。虽然多膜层具有很高的,GMR,，但由于强反铁磁耦合使饱和磁场高（,1T,），其磁场传感灵敏度,S=,R/(RH,S,),低于,0.01,/Oe,，远小于玻莫尔合金的灵敏度,0.3,/Oe,。,56,巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：,自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁膜,。,其中，,自由膜,和,引线膜,采用的是磁性材料，,自由膜,属于,软磁材料,，,引线膜,使用,硬磁材料,，它们之间是一层,非磁性膜,，其采用,非磁性金属材料,，对自由膜和引线膜进行磁隔离，但不进行电隔离。,引线膜,的背面是,反铁磁膜,，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场会将,引线膜,的磁化方向固定。,巨磁阻磁头示意图,57,自由膜,的作用是对盘片上的磁记录信息作响应，在没有外加磁场的情况下，它的磁化方向与,引线膜,垂直,，此时无论何种自旋方向的电子都很难穿过自由膜和引线膜，,相当于电阻值高,。,当盘片上的磁记录位的磁场方向和,自由膜,的磁化方向相反时，,自由膜,的磁化方向发生偏转，与,引线膜,平行,，此时自旋方向平行于它们的电子就很容易穿过这两层，,相当于电阻值低,。,读取数据时，电流持续流经各膜，通过检测,电阻的变化,就可以得到反映磁记录位的,磁场方向,和,磁通强度,的函数。这种利用电子的自旋特性、像阀门一样限制电子移动的结构就被称为,自旋阀结构,，也是当今主流的磁头结构。,58,IBM,公司制造的巨磁阻磁头示意图,59,纳米颗粒膜的,GMR,效应,纳米颗粒膜,是指纳米量级的铁磁性相与非铁磁性导体相非均匀析出构成的合金膜。在铁磁颗粒的尺寸及其间距小于电子平均自由程的条件下，颗粒膜就有可能呈现,GMR,效应。,除颗粒尺寸外，巨磁电阻效应还与,颗粒形态,相关，对合金进行,退火处理可以促使进一步相分离，从而影响巨磁电阻效应。,60,纳米颗粒合金中的,GMR,效应最早是在溅射,Cu-Co,合金单层膜,（膜厚数百纳米）中发现的，它表现出比较大的负效应，,室温下，在,160kA/m,的磁场下，,MR,比最大达,7,。,Cu-Co,合金单层膜系统中的母相为,Cu,，,在母相中弥散分布着,Co,纳米颗粒相，后者具有磁矩。,当传导电子在,Cu,母相中流过时，,出现,GMR,效应,。,61,纳米颗粒膜中的巨磁阻效应,是如何产生的呢？,主要源于：,电子在磁性颗粒,表面,或,界面,的散射。,它与颗粒直径成反比，或者说与颗粒的比表面积,成正比关系。,颗粒粒径越小、表面积越大，界面所起的散射作,用越大。,62,Co,20,Ag,80,纳米颗粒膜的,GMR,效应与,Co,颗粒半径,的关系,1,）,GMR,效应与颗粒半径成线性关系,2,）颗粒半径越小，,GMR,效应越显著,63,Co,x,Ag,1-x,颗粒膜的,GMR,效应与,Co,含量（,x,）之间的关系,Co,含量（,x,）,=22%,时,GMR,效应最显著,64,隧道结磁电阻（,TMR,）效应,在金属膜之间夹有数纳米厚的,绝缘层构成三明治结构。在两金属之间加低电压，电子不是越过势垒，而是在能垒中穿过，这便是,隧道贯穿现象,。,绝缘层为非铁磁性时，电子贯穿前后自旋方向不改变。,如果三明治结构为,铁磁性A,/,非铁磁性绝缘层,/,铁磁性B,，传导电子在贯穿三明治结构时，,会怎样？,电子不受绝缘层的影响，,但要受到铁磁性,A,层、铁,磁性,B,层,自发磁化,Ms,的影响。,自旋方向不同的电子穿过隧道的几率不同，所产生,的巨磁电阻效应称为,隧道磁电阻（,TMR,）效应,。,65,关于隧道效应的研究一直在进行中，自发现金属超晶格,GMR,之后，它再一次引起人们的注目。有人采用,Fe/Al,2,O,3,/Fe,磁性三明治结构研究隧道型,GMR,效应，室温的,GMR,达到,18,。由于这种器件膜层较厚，制作容易，对于实用器件，意义很大。其缺点是该结构的,电阻较大,。,66,材料,磁阻效应,（）,饱和磁化强度（,Oe,）,磁场敏感度,（,/Oe,）,注释,多层膜,10,100,100,2000,0.1,有磁滞现象,自旋阀,5,10,5,50,1.0,热稳定性差,颗粒膜,6,20,800,8000,0.01,有磁滞现象,隧道结,10,25,5,25,2.0,高电阻,AMR,2,5,20,0.4,低磁场,GMR,性能的比较,67,超巨磁阻（,CMR,）效应,1993,年，,Helmolt,等人在,La,2/3,Ba,1/3,MnO,3,薄膜中观察到,巨磁电阻效应,。,由于它比金属材料中的磁阻效应大,几个数量级,，且产生的机制不同，因而将其称为,CMR,效应,，,国内也有人称其为宏磁电阻、庞磁电阻、超大磁电阻、极大磁电阻等。,CMR,效应产生的机理至今仍不十分清楚。,68,巨磁阻效应的应用,在巨磁阻效应发现后的不长时间内，不断开发出一系列崭新的磁电子学器件。,使计算机,外存储器,的容量获得了突破性进展，,并使家用电器、自动化技术和汽车工业中应用的,传感器,得以更新。,69,例如，,IBM,公司从,1994,年起利用,GMR,效应制做出了硬盘驱动器（,HDD,）读出磁头，使,HDD,的面密度达到,每平方英寸,10亿位（,1Gbt/in,2,）,，,至,1996,年已达到,5Gbt/in2,，将磁盘记录密度一下提高了,17,倍,，其市场产值再,1998,年已达到,340,亿美元。,在此基础上,1995,年又发现了室温下工作的隧道结（,TMR,）材料，其存储性能指标又有数量级的提高，对网络技术的影响将进一步增大。,70,3.4.3,纳米磁性材料,71,纳米磁性材料,纳米软磁材料,纳米复合永磁材料,巨磁化强度材料,72,纳米磁性材料,软磁材料：,又称为高磁导率材料,具有高的,磁导率,，其基本功能是迅速响应外磁场的变化，,低损耗,地获得高的,磁通密度,或,高磁化强度。,磁导率？,磁介质中,磁感应强度,B,与磁场强度,H,之比,通俗讲：磁化和去磁化都很容易,73,软磁材料典型的磁滞迴曲线,为了：迅速响应外磁场的变化，要求,低的矫顽力,。,为了：实现低损耗，要求具有,高的电阻率,。,小的矫顽力，一般不大于,1000A/m,高的饱和磁化强度,74,计算和实践都表明,，,磁化率,正比于,饱和磁化强度,的平方，反比于磁性晶体的,各向异性常数,K,1,，或磁致伸缩常数,s,。,因此，软磁材料还应具有,高的,Ms,低的,K1,常用的软磁材料：电工软铁、硅钢、坡莫尔合金、磁性非晶等。,被广泛用于：制造发动机、发电机、变压器。,在磁性材料中所占的,比例最大。,75,20,世纪,60,年代末，美国研究出用,快速凝固技术,制,造,非晶合金软磁材料,；,引发了,近年来,纳米晶软磁材料,和,纳米薄膜软磁材料,的研究热潮，将会使高频领域的电磁器件发生,革命,性的变化。,80,年代后期，日本研究出在非晶合金基础上利用,再退火晶化技术,制造,微晶合金软磁材料,。,软磁材料应用的,两大重要进展,76,80年代，非晶合金软磁材料的品种已经基本定型,主要类型有三种：,（,1,）铁基非晶合金，主要成分为,铁硅硼,。,饱和磁通,密度高,，工频和中频下,损耗低,，价格便宜。主要用于,工频和中频电磁器件。,（,2,）钴基非晶合金，主要成分为,钴铁硅硼,。,磁导率,高，饱和磁通密度低，损耗低,，,价格贵,。主要用于中,高频电磁器件。,（,3,）铁镍基非晶合金，主要成分为,铁镍硅硼,。初始,磁导率高,，低频下,损耗低,。主要用于检测电磁器件和,漏电开关用互感器等。,77,为了克服,钴基非晶合金,饱和磁通密度低，价格贵的缺,点。,1988,年日本开发出微晶合金，商品名叫,Finement,。,它是在,铁基非晶合金,中加微量的,铜,和,铌,，再经过适当,的热处理，使其部分晶化，而得到晶粒大小为微米至,纳米范围的微晶合金。,晶粒大小为纳米范围的又称为纳米晶合金。,78,图几种纳米软磁材料的,e,-B,s,关系,铁基非晶合金，,饱和磁化强度较高,钴基非晶合金，磁化率较高，但是饱和磁化强度低,目标！,79,材料,成分,最大磁导率max,矫顽力,H,C,(Am,1,),最大磁通密度,B,max,(T),电阻率,(,m),居里温度,(K),低碳钢,99.5,Fe,4000,100,2.14,1.12,770,硅钢,（有位向）,Fe-3,Si,50000,7,2.01,0.5,720,坡莫合金,Fe-4,Mo-79,Ni,200000,1,0.8,0.58,400,Supermender,Fe-2,V-49,Co,100000,16,2.3,0.4,980,金属玻璃,（,2605sc,）,Fe,81,B,13.5,Si,13.5,C,2,300000,3,1.61,1.35,290,纳米合金,Fe-1,Cu-3,Nb-13.5,Si-9,B,100000,0.1T,）及较低的粘度,。,但金属型磁性颗粒极,易氧化,。用一层非晶态,SiO,2,包覆,Fe,等超细颗粒可使金属型磁性颗粒具有很好的抗氧化性。,101,Fe-N,化合物：,主要有,FeN,、,Fe,2,N,、,-Fe,3,N,、,Fe,16,N,2,等。,Fe-N,系化合物在常温下为稳定相，同时具有,高饱和磁化强度,，其中薄膜中生成的,Fe,16,N,2,相可具有,2.83T,的巨磁化强度。,-Fe,3,N,磁液的饱和磁化强度可达,0.223T,。因此用,Fe-N,化合物颗粒制备的磁性液体不仅,具有稳定的化学特性,，而且还具有,优良的磁性能,。,102,各种形貌的磁性纳米颗粒,103,2,）,表面活性剂,的作用,：是使磁性颗粒表面活性化，使微粒以理想的单颗粒形态分散在基液中并能在范德瓦尔斯等各种吸引能量作用下也不会发生凝聚。,表面活性剂,的机理：,是其官能团的一端与颗粒表面通过,化学键,或,静电力,产生很强的吸附作用，而另一端与溶剂分子保持较强的亲和性，如图所示。,磁性颗粒表面的活性剂层,104,这样，,被活化的微粒在相互靠近时能产生,排斥力,以防止团聚,虚线代表,排斥力和范德瓦尔斯,吸引力,联合作用的能量。,虚线上最高点为颗粒发生,团聚必须克服的,势垒,。,磁性颗粒之间的相互作用,表面活性剂,要与,基液,相适应，其分子的烃基尾端必须和基液相溶。,表面活性剂产生的排斥力,颗粒间的范德瓦尔斯吸引力,105,3,）,基液：,可以是水、各种油和碳氢化合物、酯及二酯等，此外，水银也可做基液制备成金属型磁液。,将水和各种燃料混合配制，可制备成具有红、黄、绿等颜色的彩色液体。,对于基液的要求是：,低蒸发率、低粘度、高化学稳定性、耐高温和抗辐照,。,106,载液名称,适用的表面活性剂,水,油酸、亚油酸、亚麻酸以及它们的衍生物、盐类及皂类,酯及二酯,油酸、亚油酸、亚麻酸、磷酸二酯及其它非离子界面活性剂,碳氢基,油酸、亚油酸、亚麻酸、磷酸二酯及其它非离子界面活性剂,氟碳基,氟醚酸、氟醚磺酸以及它们的衍生物、全氟聚异丙醚,硅油基,硅熔偶连剂、羧基聚二甲基硅氧烷、羟基聚二甲基硅氧烷、胺基聚二甲基硅氧烷、羧基聚二甲基硅氧烷、胺基聚苯甲基硅氧烷,聚苯基醚,苯氧基十二烷酸、磷苯氧基甲酸,常用的表面活性剂及载液,107,磁性液体的稳定性,磁性液体的稳定性取决于：磁液中颗粒在磁场中的,势能,和,热能,k,B,T,。,为保证磁性液体的稳定性，磁液中颗粒的尺寸应小于,某一临界尺寸,以保证被磁化颗粒之间：,相互吸引能量,布朗运动的能量,108,式中,r,为两颗粒中心之间的距离，由于颗粒表面包覆了活性剂，故,r,大于颗粒直径,d,，,M,s,为饱和磁化强度。,两个磁性的颗粒相接触且磁矩在一条直线上时，它们之间的,势能,：,令,E,d,=,k,B,T,，则可计算出临界尺寸。,109,如在,20,时，,Fe,颗粒,（,Ms,1707 kA/m,），临界尺寸为,3 nm,，,Fe,3,O,4,颗粒,（,Ms,477 kA/m,），临界尺寸为,10 nm,。,在均匀磁场中，小于颗粒临界尺寸时，磁液是稳定的，此时可不考虑重力的作用。,110,当磁性液体中存在磁场梯度,H,时，粒度为,d,，饱和磁化强度为,Ms,的颗粒受到磁场的作用力：,在磁场力,f,m,的作用下，颗粒将在基液中运动从而产生一定的,颗粒流动通量,。,111,但颗粒的反向扩散将部分抵消颗粒的流动，以至达到平衡。此时，磁性液体中颗粒的浓度梯度,n,也达到平衡。这样，,式中,n,为磁性液体中颗粒的浓度。该式可用于计算磁性液体稳定性的,颗粒尺寸,、可允许的,浓度梯度,、颗粒材料的,Ms,与磁场梯度,H,的关系。这样，可将颗粒浓度的变化限制在一定的范围内，以保证磁性液体的稳定性。,112,磁性液体的饱和磁化强度,由于磁液处于,超顺磁,状态，故它的磁学性能呈现典型的超顺磁性，即磁化时,无磁滞迴线,，,矫顽力为零,。图为,Fe,3,O,4,磁液在,293K,时的磁化曲线（标准离差,0.05,），显示出超顺磁特性。图中的曲线形状取决于磁性颗粒的直径。,Fe,3,O,4,磁性液体的磁化曲线（,0.05,）,113,磁性粒子对外加磁场的响应有两种机制：,1,）,布朗驰豫,为粒子的,动态体积,，包括表面活性剂的厚度，,为载液的,粘度,。,114,2,）,Neel,驰豫,，即粒子内部磁矩的旋转。,通常为,10,-9,为磁矩转动需克服的,能垒,。,115,究竟哪种机制起作用取决于该机制是否有最小的,驰豫时间,。可以计算出根据这两种机制达到平衡时颗粒的临界尺寸，而临界尺寸取决于基液的粘度、温度和各向异性常数。,在,290,时，对于,Fe,，临界尺寸为,8.5nm,；,对于,hcp-Co,临界尺寸为,4nm,。,临界尺寸,布朗驰豫,内部磁矩转动,116,磁性液体的粘度,无外加磁场时,:,浓度较低的磁性液体呈现,牛顿流动特性,。,牛顿流体：不论流体所受的力如何，流体都能继续流动，例如，水、空气就是牛顿流体，粘度很低。,施加静态强磁场时,:,磁性液体的粘度一般会增加，并呈现,非牛顿流动特性，,粘度增加的程度因磁液的不同而异。,117,外加磁场的方向对粘度有明显的影响,当外加磁场平行于磁液的流变方向时,:,磁液的粘度迅速增加；,当外加磁场垂直于磁液的流变方向时,:,磁液的粘度增加不如前者明显,;,这种现象称为,磁粘度,。,118,磁场方向对含,Co,磁性液体粘度的影响,磁场方向与磁液流动方向一致时，粘度迅速增加,119,磁粘度产生原因,：是由于颗粒磁化后的各向异性沿磁场方向被固定。,导致 磁液的流变沿磁场方向,困难,，,沿与磁场垂直的方向,容易,。,此外，颗粒的团聚形成颗粒团（,Cluster,）也可造成磁液的粘度在平行磁场方向与垂直磁场方向上的差别。,120,利用磁液的粘度随磁场的变化性质，可以制成各种阻尼装置。,许多名牌赛车或者高级轿车，车的,震动吸收器,里就有“磁性液体”。电子设备能使“磁性液体”产生每秒数千次“僵硬”、“还原”过程，从而能有效地减轻车身震动，乘坐这种车，比乘坐其他车要平稳舒适许多。,121,