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纳米磁性材料及器件的发展与应用

纳米磁性材料及器件的发展与应用 2011年12月09日 来源： 1前言　　纳米是一个长度单位，即10－9米，英文缩写为nm。纳米磁性材料技术早在20世纪70年代就被应用于共沉制造磁性液体材料，1988年，法国巴黎大学教授研究组首先在Fe/Cr纳米结构的多层膜中发现了巨磁电阻效应，引起国际上的反响。此后，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术中的应用投入很大的力量，兴起纳米磁性材料的开发应用热。纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，主要是与磁特性相关的物理长度恰好处于纳米量级，例如磁单畴尺寸、超顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等大致在1nm～100nm量级，当磁性材料结构尺寸与这个物理长度相当时，就会呈现出反常的磁学性质。从纳米材料的结构特征我们可将其分为3大类：1.纳米颗粒型，如磁记录介质、共沉磁性液体、电波吸收材料；2.纳米微晶型，如纳米微晶永磁材料、纳米微晶软磁材料；3.磁微电子结构材料，如薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道结等。 2纳米颗粒型 2.1磁存储介质材料 　　近年来，随着信息量的飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有着密切的关系，例如，要求每1cm2可记录1000万条以上的信息，那么，一条信息要记录在1mm2～10mm2中，至少具有300阶段分层次的记录，在1mm2～10mm2中至少必须有300个记录单位。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒的尺寸极小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。作为磁记录单位的磁性粒子的大小必须满足以下要求：颗粒的长度应远小于记录波长；粒子的宽度（如可能，长度也包括在内）应该远小于记录深度；一个单位的记录体积中，应尽可能有更多的磁性粒子。 　　纳米磁记录介质的尺寸极小，如合金磁粉的尺寸为80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸为40nm，今后将进一步提高密度，向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/英寸2，相当于每平方英寸可存储20万部《红楼梦》。 2.2磁性液体 　　这是十分典型的纳米颗粒，是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成的。例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为10nm；对金属微颗粒，尺寸通常大于6nm。要求生成磁性液体的强磁性颗粒要足够小，削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。在纳米尺寸下，强磁性颗粒失去了大块材料的铁磁或亚铁磁性能，呈现没有磁滞现象的超顺磁状态。为了防止颗粒聚团，产生沉积，需吸附表面活性剂。活性剂的高分子链要足够长，排斥力大于吸引力；另外，链的一端与磁性颗粒吸附，另一端与基液亲和。　　利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中，为了防止尘埃进入硬盘，损坏磁头与磁盘，普遍在转轴处采用磁性液体的防尘密封。在精密仪器的转动部分，如X射线衍射仪中的转靶部分的真空密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。此外，在单晶炉的提拉部位、真空加热炉等有关部件的密封处等，磁性液体是较为理想的动态密封材料。通常的润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10nm，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用作润滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空气高5倍～6倍，从而使得在相同条件下的功率可以增加1倍。磁性液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据扬声器的结构，选用合适粘滞性的磁性液体，可使扬声器具有较佳的频响曲线。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等，不再一一列举，今后还可能开拓更多的应用领域。2.3纳米磁性药物　　磁性治疗技术，国内外正在加紧研究，如治疗癌症，用纳米金属性磁粉液体注射到人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞附近，再用微波辐射金属加热法升到一定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外，还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶附近，能加强药物治疗作用，一般的肌肉注射药物扩散面积大，病细胞接收的药量有限。2.4电波吸收（隐身）材料　　纳米粒子对红外和电磁波有很好的吸收（隐身）作用，一方面，由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米颗粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射率，使红外控测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的表面积比常规粗粉大3个～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大

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