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1、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
2、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
3、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 Magneticanisotropyenergyfavoursm
4、agnetizationalongcertainaxesrelativetothecrystallattice Easyaxisofmagnetization Stoner WohlfarthParticle UniaxialsingledomainparticleMagnetocrystallinemagneticanisotropyenergygivenbyKisaconstantforthematerial Particlevolume V Stoner WohlfarthParticle KV Thermalactivation Atlowtemperaturemagneticmome
5、ntofparticletrappedinoneofthewellsParticlemagneticmomentis blocked Heat Thermalactivation AthigherT thermalenergycanbuffetmagneticmomentbetweenthewellsResultsinrapidfluctuationofmomentParticlemomentbecomes unblocked Heat Magneticblockingtemperature ThemagneticblockingT Tb istheTbelowwhichmomentisblo
6、cked Blockingtemperaturedependsonparticlesize Largerparticleshavehigherblockingtemperatures Superparamagnetism Unblockedparticlesthatrespondtoafieldareknownassuperparamagnetic Superparamagnetism ResponseofsuperparamagnetstoappliedfielddescribedbyLangevinmodelAtroomtemperaturesuperparamagneticmateria
7、lshaveamuchgreatermagneticsusceptibilityperatomthanparamagneticmaterials 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 化后变为顺电体 7 超导性 TC 随着颗粒尺寸减小 表面原子百分比将显著增加 表面原子的近邻配位数减少 表面声子谱频率变低 软化 电子 声子耦合强度 增加 当颗粒减小 低频的晶格振动受到颗粒尺寸的限制而被截至 Tc增加
