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1、第三章 磁性材料,3.1 磁学基础,两磁极作用力大小,磁极在磁场H中受到的磁场力,几个重要的磁学参数,B-磁感应强度 M-磁化强度 H-磁场强度 u-磁导率,真空条件下： B0=u0H u0为真空的的磁导率，为4X10-7Tm/A,外场中放入磁介质： B=u0（H+M） u0为真空的的磁导率，为4X10-7Tm/A,电流方向和磁力线方向关系,3.2.2 软磁材料,容易磁化和去磁的材料，或者说矫顽力较小（低于102A/m），专业上讲导磁率高。,（1） 硅钢片：含硅不高于4%的钢，被用作铁芯，导磁系数大，反复磁化损失小。 （2） 软磁铁氧体：是一种复合氧化物，铁氧体本身也存在软硬之分，软磁铁氧体具
2、有立方晶系的结构，主要用于射频变压器、磁头和其他电子学方面,3.2.3 磁铁氧体,结构类型： 尖晶石型立方晶系结构 AB2O4（MgAl2O4） 石榴石型立方晶系结构 X3Y2Z3O12 磁铅石型六方晶系结构 Pb（Fe3+,Mn2+)12O19,软磁,软磁,硬磁,3.2.2 磁铁氧体,硬磁要求：Hc103A/m, Br 10-1T,硬磁 钡铁氧体的性能实例,两种软磁铁氧体的性质,3.2.4 软磁合金,电工硅钢（矽钢） 铁镍合金：磁导率高，饱和磁化强度低，矫顽力低损耗低。如著名“玻莫合金”，磁导率150000以上、矫顽力0.4A/m，反复磁化损失小。用于制交流互感器和中频变压器。 非晶合金和纳
3、米合金：非晶合金以Fe、Co、Ni为基础，用作高频变压器；纳米合金为细粒度磁晶，磁导率高，饱和磁感应强度低，矫顽力低，用于制备传感器。,3.2.4 硬磁合金-是硬磁材料的主力军,马氏体：最早的硬磁材料，性能差；添加合金元素如Cr、Co、Ni等能改善磁性能，如Fe-Co-V； AlNiCo(BH)max达到100kJ/M3,优点：磁性稳定。不受温度影响，有较高的Hc，可以在500高温下使用，且能制成体积小、精度高的零部件。缺点：加工性差，只能铸造或烧结成型。 含有稀土元素的用此材料：BH最高，Br高，矫顽力高。如NdFeB系列磁体。,3.3 物质的磁性和电子行为,磁和电的关系： 物质的磁性来源于
4、电子在原子中的轨道运动，自旋运动和电子与电子之间的相互作用。,抗磁性物质 顺磁性物质 铁磁性物质 亚铁磁性物质 反磁性物质,物质按磁性分类,3.3.1 抗磁性,抗磁性是所有物质的共同性质，通常抗磁性非常小。将抗磁性物质放入磁场中，磁感应强度为负值，因B=uH，u0，而且是一个和温度无关的量。,抗磁性物质均有磁距为0的原子组成，即原子的所有电子都已配对。,温度,抗磁性物质在磁场中的表现,3.3.1 抗磁性,3.3.2 顺磁性,在常态下，没有磁性的相互作用，不显出磁性。外加磁场时，原子磁距部分整齐的排列起来，表现出净磁场，磁化率为正。温度对物质的磁性产生一定的影响。温度升高，磁距不容易整齐排列，显
5、出的磁性越弱，这种规律为“居里定律”,顺磁性物质内部，有些原子有净磁距，即磁距不为0.净磁距的存在是因为原子轨道上存在未成对电子。,温度,顺磁性物质在磁场中的表现,常温和中等强度的磁场中，磁化率较小； 温度不太低，磁场不太强，其磁化率和磁场强度无关，只同物质中铁的含量成正比； 只有在较强磁场和较低温度下，其磁感应强度才能达到饱和。,顺磁性物质的磁性特点,3.3.2 铁磁性,铁磁性物质一放入磁场就容易磁化，表现出相当强的磁感应强度。与顺磁性物质比较，磁化率要高1-2个数量级。常见的Fe、Co、Ni等均属于铁磁性物质。,原子磁距排列整齐，归结为:自发磁化(磁畴)有磁性有序的温度限制(居里温度)。,
6、典型的磁畴结构示意图,3.3.2 亚铁磁性,尖晶石立方堆积的铁氧体：正尖晶石型和反尖晶石型。,原子磁距反方向排列，但磁距不能相互抵消，余下的磁距表现为亚铁磁性。,3.3.2 反亚铁磁性,磁化率存在一个物理上的判断温度，称为尼尔温度TN。,原子磁距反方向排列，但磁距正好数量相等、方向相反、净磁距为零。,3.4 磁性记录材料,（1）几种重要的氧化物磁性材料-Fe2O3,3.4 磁性记录材料,（1）几种重要的氧化物磁性材料-掺钴的氧化铁,Co离子掺杂的 -Fe2O3中加入，其矫顽力较高。,离子掺杂的方法对颗粒的大小和形状产生一定的影响。如在进行Co掺杂时，具体可采取两种方式： 一是在沉淀出FeO(O
7、H)之前就吧钴盐加入溶液中； 二是用氢氧化钴包围针状FeO(OH)，再做下面的处理。,3.4 磁性记录材料,（1）几种重要的氧化物磁性材料-CrO2,CrO2为针状磁性材料，可还原CrO3或氧化Cr2O3而制得，对离子形状的控制方法是在处理过程中溶液中加铁或锑离子。特点是居里温度低，使用于视频录像或其他短波长记录场合；且硬度大、但稳定性低与Fe2O3；同等条件下，输出功率高于 -Fe2O3。,几种的磁性材料的性质,3.4 磁性记录材料,（2）合金薄膜磁记录材料,薄膜材料的特点： 连续 高矫顽力 高饱和磁化强度,高密度磁记录介质的要求： 存储的膜要薄 高矫顽力 磁性介质的粒子要细 各向异性要大
8、晶粒间的交换作用弱,Co合金薄膜-高密度磁存储记录的主要材料品种,Co基合金薄膜材料,Co-Cr，Co-Pt合金薄膜磁记录性能较好； 合金中加入Cr能提高材料的耐蚀性和耐磨性； 掺杂钽能使晶粒细化； 在Co-Cr-Pt合金中加硼可进一步提高矫顽力，并有利于降低成本；,Co基合金薄膜材料性能比较,以CoCrPt/Cr或CoCrPtB/Cr品种较优,Co基合金薄膜材料,多层的这类合金薄膜质量更优,薄膜合金磁存储介质： 纵向磁化：磁化方向和介质运动方向平行的记录方式。 垂直磁化：磁化方向和介质的半径相垂直的几率方式。,3.5 磁性薄膜材料,磁性薄膜材料的优点： 薄膜材料的磁畴畴壁过渡区域，磁距在膜内
9、转向； 薄膜中有自发磁化现象，但是在膜很薄时，自发磁化将为零； 居里温度Tc也和厚度有关，厚度下降，Tc也有下降 磁性薄膜有各向异性，有的和制备的方法有关系。,制备方法：,（1） 通过化学反应或电化学反应沉积： 化学镀:通过化学反应在基底上沉积出薄膜 电镀：通过电极上的电化学沉积在基底上形成薄膜。,电镀形成薄膜示意图,在制膜过程中，常添加VA(如磷)和VI族(如铬、钨等)以控制调节膜的矫玩性质,制备方法：,（2）蒸镀：是一类通用的方法 经历蒸发预热，降温回复真空，升温加大蒸发量，组份的合金原子沉积到基地上，必要时在膜的表面镀一层抗氧化膜。 非晶态稀土-过渡金属合金采用“双源蒸镀”，真空蒸镀室中
10、采用两个源金属的坩埚，蒸发条件分别控制，还可通过让基片转动，使合金成分在基片上均匀沉积。 快速蒸镀法，基片的温度控制的很低，使金属原子一沉积就定位。可回火降低应力，增强磁性能。,制备方法：,（3）电子束蒸发沉积： 在真空中采用电子束照射使材料气化，然后沉积。此方法的特点是可以形成一定组成的合金层。,制备方法：,（4）直流/射频溅射 在真空下，利用惰性气体产生一个等离子体，让等离子体轰击靶材料，把金属原子击出，然后沉积在基质上。等离子体是由直流或射频电流产生。,制备方法：,（5）外延法 气相高真空分子束外延：在很高的真空条件下，分子束中原子或分子落在清洁的基地上，层层成膜，且可用原位装置直接对膜
11、进行检查。分子束外延技术可制备几层到几十层分子厚的超薄膜。 液相外延使材料熔融为液态，在温度略降至物种达到过饱和条件下，将清洁基片浸入使材料外延生长于基片上，可制备铁氧体薄膜。,3.6 特殊磁性材料和他们的应用,（1） 压磁材料-也叫磁致伸缩 材料，它是一种能完成磁能和机械能转换的材料。,特点： 室温下应变值大； 能量密度高； 响应快（us级）； 输出力大。,用途：,液流控制元件 控制液体的流动常用阀门、泵等设备。由于磁致伸缩材料在磁场中能够伸缩，因此可以做成阀芯来启闭阀门。,用途：,微型行走装置 采用物理溅射法在非磁性基片上制得稀土-铁合金的非晶态薄膜时发现其具有软磁材料性质。在常温下较低的
12、磁场中就能产生相当大的磁致伸缩效应，被称之为超磁致伸缩材料。,3.6 特殊磁性材料和他们的应用,（2） 距磁材料-由它的磁滞回线得名，看起来几乎是个距形。BrBs， Br/ Bs=0.8,它是磁存储材料。,特点： Br高，接近饱和磁感应强度，磁能积高，这样可以获得强的信号和弱的噪音； 矫顽力低，可以降低存储的功率； 对环境和温度稳定；有铁氧体和合金两类：过渡金属铁氧体(Mg, Mn)Fe2O4以及(Li, Mg, Fe) Fe2O4;合金有Fe-Ni磁性薄膜和Fe-Ni-Co-Mn等。,3.6 特殊磁性材料和他们的应用,（3） 旋磁材料及其在微波中的应用-电磁波在其中可以传播，但偏振面会旋转。
13、可制成微波器件，用于雷达、通讯、导航、遥测等电子设备中。,特点： 共振线宽度要窄以降低磁损耗； 饱和磁化强度要适当，以适应各波段的需要； 居里温度高，这样对温度稳定性好，能在较高的温度下工作 电阻高，降低涡流损失。尖晶石型(Mg, Mn)Fe2O4，Ni铁氧体，石榴石型的含稀土的铁氧体(Y3Fe5O12)。,3.6 特殊磁性材料和他们的应用,（4） 磁流体发电-将高温等离子体喷入磁场，在洛仑兹力的作用下，带正负电荷的粒子分别反向运动，各自聚集到电极上，将电极外接负载，就能输出电能。,3.6 特殊磁性材料和他们的应用,（5） 磁流体潜艇-设置为一个电场和一个磁场，当水流过电场时，海水被电离，带电
14、荷的海水经过磁场，在强磁场的作用下，受洛仑兹力的作用，加速从艇尾的管子流出，用反作用力推动潜艇前行。,缺点：海水在电离时产生氢气，显出航迹；磁场强，需要屏蔽。,第四章 分子电子学材料,4.1 分子电子学兴起,半导体电子学在微处理器方面的局限性？ 分子电子学的优势？,分子电子学的特点,与目前的微电子线路加工技术不同，分子电子学以分子为基础，制作方法为化学合成，能实现完全相同的分子合成。 分子电子学是由小到大、又下到上组装能逻辑电路，采用特殊的方法来构筑新型的集成电路乃至芯片，完全不同与半导体电路在硅片上做各种处理的方法。 大小的问题。分子小到1-10nm，而现在研究中的电子分子开关越10-100
15、nm。所以分子芯片比硅制的芯片要紧凑的多，能实现更大规模的集成。,4.2 分子电子学的诞生过程,Air Aviram和Mark Ratner首先提出关于单分子可能有电子器件的类似行为。 1998年，合成第一个具有电子器件开关行为的分子合成出来 1999年，正式在SCIENCE上报道第一个可逆的分子开关，分子电子学技术进入一个时间和发展的阶段。,4.3 分子开关,手性 烯 开关 Chiro optic ene,手性分子结构,胺类分子结构-NR3,左向偶极,过渡态镜面,右向偶极,胺类分子结构-NRST,左向偶极,过渡态镜面,右向偶极,简化后分子的两种偶极方向和中间过渡态,左向偶极,过渡态镜面,右向
16、偶极,分子开关的两种状态,左手状态,右手状态,分子的势能曲线示意图,4.4 设计中的手性烯分子开关,单摆运动？,手性分子的势能曲线？,or,手性分子开关举例,基于噻吨基团的烯烃衍生物的分子开关功能,分子手性是由于分子中基团的不对称排列而形成的特定空间构象所表现出来的手性层次,即一个分子的镜像结构不能与该分子本身重合,通常在分子中不具有对称面、对称中心等对称元素。 超分子手性则是由于手性分子或非手性分子之间通过分子间非共价相互作用而形成的手性空间结构所表现出来的比分子手性更高层次的手性现象。,配体的结构和配体与Cu() 形成的配合物在氧化 和还原过程中的空间构象变化示意图,5-十八烷氧基-2-噻唑偶氮基苯酚( TARC18) ,进行气、液界面组装发现, TARC18分子在水面上可能通过-相互作用等分子间作用形成两种不同的手性超分子组装体。,其他类型的分子开关类型-以杯芳烃为例,杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟 基的邻位连接而成的一类环状低聚物,被誉为继冠
