1热学性质 与粗晶材料相比,纳米材料比热较大与粗晶材料相比,纳米材料比热较大 纳米材料的热膨胀数,近乎是单晶的纳米材料的热膨胀数,近乎是单晶的2倍倍 第四节第四节 纳米粒子的特性纳米粒子的特性 优选文档1纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多度均比常规粉体低得多例如,平均粒径为例如,平均粒径为40nm的纳米铜粒子的熔的纳米铜粒子的熔点由点由l 053降到降到750,降低了,降低了300左右;左右;块状的金的熔点块状的金的熔点l 064,当颗粒尺度减到,当颗粒尺度减到10nm时,则降低为时,则降低为1037,降低了,降低了27,2nm时变为时变为327;大块大块Pb的熔点为的熔点为600K,而,而20nm球形球形Pb微粒微粒熔点降低为熔点降低为288K;纳米纳米Ag微粒在低于微粒在低于373K时开始熔化,常规时开始熔化,常规Ag的熔点为的熔点为1173K左右优选文档2这一特点使低温下将纳米金属烧结成合这一特点使低温下将纳米金属烧结成合金产品成为现实,且为不溶解的金属冶金产品成为现实,且为不溶解的金属冶炼成合金创造了条件炼成合金创造了条件。
纳米金属铜的超延展性纳米金属铜的超延展性纳米纳米ZrO2的烧结温度比微米级的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了的烧结温度降低了400优选文档3(1).(1).超顺磁性超顺磁性起源:在小尺寸下,当各向异性能减少到与热运动能可想起源:在小尺寸下,当各向异性能减少到与热运动能可想比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向,易磁化比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向,易磁化方向作无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现方向作无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现2).(2).矫顽力矫顽力纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力每个粒子是一个单磁畴每个粒子是一个单磁畴.2磁学姓质 优选文档4(3).(3).居里温度(铁磁体与顺磁体的转变温度)居里温度(铁磁体与顺磁体的转变温度)居里温度居里温度TcTc与交换积分与交换积分J J成正比,并与原子构形和间距有成正比,并与原子构形和间距有关纳米粒子的关纳米粒子的TcTc比固体相应的低比固体相应的低纳米粒子中原子间距随着颗粒尺寸减少而减小原子间距纳米粒子中原子间距随着颗粒尺寸减少而减小原子间距小将会导致小将会导致J J的减小,因而的减小,因而TcTc下降。
下降5nm Ni:5nm Ni:点阵参数缩小点阵参数缩小2.4%2.4%(4).(4).磁化率磁化率 纳米粒子的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关纳米粒子的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关量子尺寸效应使磁化率遵从量子尺寸效应使磁化率遵从d d-3-3规律规律(d(d平均颗粒直径平均颗粒直径)电子数为偶数的磁化率服从:电子数为偶数的磁化率服从:磁化率遵从磁化率遵从d d2 2规律规律电子数为奇数的磁化率服从:电子数为奇数的磁化率服从:优选文档5在纳米材料中,当粒径小于某一临界值时,在纳米材料中,当粒径小于某一临界值时,每个晶粒都呈现单磁畴结构,每个晶粒都呈现单磁畴结构,其磁化过其磁化过程完全由旋转磁化进行程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也即使不磁化也是永久性磁体是永久性磁体矫顽力显著增长矫顽力显著增长粗晶状态下为铁磁性的材料,当粒径小于粗晶状态下为铁磁性的材料,当粒径小于某一临界值时可以转变为超顺磁状态某一临界值时可以转变为超顺磁状态鸽子、蝴蝶、蜜蜂等生物体中存在超微磁鸽子、蝴蝶、蜜蜂等生物体中存在超微磁性颗粒,小尺寸超微粒子的磁性比大块材性颗粒,小尺寸超微粒子的磁性比大块材料强许多倍,料强许多倍,20nm20nm的纯铁粒子的矫顽力是的纯铁粒子的矫顽力是大块铁的大块铁的l000l000倍倍 优选文档6纳米多层中的巨磁电阻效应纳米多层中的巨磁电阻效应1986年德国科学家年德国科学家Grunberg小组有一重要的发现,就小组有一重要的发现,就是在是在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两个铁层之间通过铬层三层膜中观察到两个铁层之间通过铬层产生耦合。
产生耦合1988年法国科学家年法国科学家Fert小组在小组在Fe/Cr周期性周期性多层膜中,观察多层膜中,观察 到当施加外磁场时,其电阻下降,到当施加外磁场时,其电阻下降,变化率高达变化率高达50因此称之为巨磁电阻效应因此称之为巨磁电阻效应(giant magnetoresistance,GMR)v 1995年,人们以绝缘层年,人们以绝缘层Al2O3代替导体代替导体Cr,观察到很大的隧道磁电阻观察到很大的隧道磁电阻(TMR)现象基于基于GMR和和TMR的发现,一个新的学科分支的发现,一个新的学科分支磁电子学的概念被提出了磁电子学的概念被提出了从那时起,科技人员从那时起,科技人员一直坚持不懈地努力,将上述创新性发现转化为信息一直坚持不懈地努力,将上述创新性发现转化为信息技术技术(IT)产业化优选文档719991999年以年以GMRGMR多层膜为磁头的硬盘驱动器多层膜为磁头的硬盘驱动器(HDD)(HDD)进入市场,其存储密度达到进入市场,其存储密度达到11Gbits/in11Gbits/in2 2,而,而19901990年年仅为仅为0.1Gbits/in0.1Gbits/in2 2,1010年中提高了年中提高了100100倍。
倍目前目前GMRGMR的研究开发工作正方兴未艾,而将的研究开发工作正方兴未艾,而将上述隧道磁电阻上述隧道磁电阻(TMR)(TMR)多层膜应用于新型随机存多层膜应用于新型随机存储器储器 (MRAM)(MRAM)的研究又已经展开的研究又已经展开在在Fe/Cr/FeFe/Cr/Fe系统中,相邻铁层间存在着耦合,系统中,相邻铁层间存在着耦合,它随铬层厚度的增加而呈正负交替的振荡衰它随铬层厚度的增加而呈正负交替的振荡衰 减形减形式使得相邻铁层磁矩从彼此反平行取向到平行式使得相邻铁层磁矩从彼此反平行取向到平行取向交替变化外磁场也可使多层膜中铁取向交替变化外磁场也可使多层膜中铁 磁层的磁层的反平行磁化状态发生变化当通以电流时,这种反平行磁化状态发生变化当通以电流时,这种磁化状态的变化就以电阻变化的形式反磁化状态的变化就以电阻变化的形式反 映出来这就是这就是GMRGMR现象的物理机制现象的物理机制优选文档8以以CrCr中电子为中介的铁层间的耦合,随着中电子为中介的铁层间的耦合,随着CrCr层厚度层厚度增加而振荡衰减其平均作用范围为增加而振荡衰减其平均作用范围为13nm13nm,这是,这是对对CrCr层厚度的一个限制。
在金属中,特别是在磁性层厚度的一个限制在金属中,特别是在磁性金属中,电子平均自由程金属中,电子平均自由程(1020nm)(1020nm)和自旋扩散长和自旋扩散长度度(3060nm)(3060nm)很短这是对多层膜各个亚层厚度的很短这是对多层膜各个亚层厚度的又一限制又一限制基于上述原因,可以说基于上述原因,可以说GMRGMR和和TMRTMR现象的研现象的研究完全取决于纳米材料科学的进步任何创新或究完全取决于纳米材料科学的进步任何创新或 转化都以此为基础但是,纳米尺度是如此之微小,转化都以此为基础但是,纳米尺度是如此之微小,这给多层膜的制备和微结构表征带来了挑这给多层膜的制备和微结构表征带来了挑 战优选文档9纳米磁性材料纳米磁性材料磁性是物质的基本属性,磁性材料是古老而用磁性是物质的基本属性,磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料,纳米磁性材料是途十分广泛的功能材料,纳米磁性材料是20世世纪纪70年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料美国政府大幅度追加纳米科技研究经费,其原美国政府大幅度追加纳米科技研究经费,其原因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带来的高利润,其中巨磁电阻效应高密度读出磁来的高利润,其中巨磁电阻效应高密度读出磁头的市场估计为头的市场估计为10亿美元,目前己进入大规模亿美元,目前己进入大规模的工业生产,磁随机存储器的市场估计为的工业生产,磁随机存储器的市场估计为1千千亿美元。
磁电子传感器件的应用市场亦十分宽亿美元磁电子传感器件的应用市场亦十分宽广广优选文档10纳米磁极纳米磁极6极4极8极优选文档11纳米粒子粒径小于临界半径纳米粒子粒径小于临界半径(一般为一般为5 51010)时时变得有超顺磁性变得有超顺磁性,如把此强磁性纳米粒子包裹一层如把此强磁性纳米粒子包裹一层表面活性剂后均匀地分散到溶液中表面活性剂后均匀地分散到溶液中,可制得一类新可制得一类新型液态胶状磁流体材料型液态胶状磁流体材料-磁性液体磁性液体磁性液体最先用于宇航工业,后应用于民用工业,磁性液体最先用于宇航工业,后应用于民用工业,这是十分典型的纳米颗粒的应用,它是由超顺磁这是十分典型的纳米颗粒的应用,它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂,然后弥散在基性的纳米微粒包覆了表面活性剂,然后弥散在基液中而构成目前美、英、日、俄等国都有磁性液中而构成目前美、英、日、俄等国都有磁性液体公司,磁性液体广泛地应用于旋转密封,如液体公司,磁性液体广泛地应用于旋转密封,如磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等,以磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等,以及扬声器、阻尼器件、磁印刷等应用及扬声器、阻尼器件、磁印刷等应用。
磁性液体磁性液体优选文档12其它磁性材料其它磁性材料软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米微软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米微晶态的历程纳米做晶金属软磁材料具有十分晶态的历程纳米做晶金属软磁材料具有十分优异的性能,高磁导率,低损耗、高饱和磁化优异的性能,高磁导率,低损耗、高饱和磁化强度,己应用于开关电源、变压器传感器等,强度,己应用于开关电源、变压器传感器等,可实现器件小型化、轻型化、高频化以及多功可实现器件小型化、轻型化、高频化以及多功能化,近年来发展十分迅速能化,近年来发展十分迅速磁电子纳米结构器件是磁电子纳米结构器件是20世纪末最具有影响力世纪末最具有影响力的重大成果除巨磁电阻效应读出磁头、的重大成果除巨磁电阻效应读出磁头、MRAM、磁传感器外,全金属晶体管等新型器、磁传感器外,全金属晶体管等新型器件的研究正方兴未艾磁电子学已成为一门颇件的研究正方兴未艾磁电子学已成为一门颇受青睐的新学科受青睐的新学科优选文档13 3光学性质 (1)宽频带强吸收宽频带强吸收 而当尺寸减小到纳米级时,各种而当尺寸减小到纳米级时,各种金属纳米微粒几乎都呈黑色金属纳米微粒几乎都呈黑色利用此特性可制作高效光热、光利用此特性可制作高效光热、光电转换材料,可高效地将太阳能电转换材料,可高效地将太阳能转化为热电能。
此还可作为红外转化为热电能此还可作为红外敏感元件、红外隐身材料等敏感元件、红外隐身材料等优选文档14(2)蓝移和红移现象 与大块材料相比,纳米微粒的吸收带普遍存与大块材料相比,纳米微粒的吸收带普遍存在在“蓝移蓝移”现象,即吸收带移向短波长方向现象,即吸收带移向短波长方向在一些情况下,可以观察到光吸收带相对粗在一些情况下,可以观察到光吸收带相对粗晶材料呈现晶材料呈现“红移红移”现象,即吸收带移向长现象,即吸收带移向长波长此外,纳米固体有时会呈现一些比常规粗晶此外,纳米固体有时会呈现一些比常规粗晶强的,甚至新的光吸收带强的,甚至新的光吸收带纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线纳米材料光学性能研究的另一个方面为非线性光学效应性光学效应优选文档15发光现象纳米二氧化钛的光致发光现象优选文档16纳米激光通讯技术的应用优选文档17红外反射材料红外反射材料高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求高压钠灯以及各种用于拍照、。