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整理纳米材料与技术纳米磁性材料
(2)评价方法的适当性;
每名环境影响评价工程师申请登记的类别不得超过2个。
(2)辨识和分析评价对象可能存在的各种危险、有害因素,分析危险、有害因素发生作用的途径及其变化规律。
(3)是否符合区域、流域规划和城市总体规划。
(四)建设项目环境影响评价的内容
1.建设项目环境影响报告书的内容
(3)是否符合区域、流域规划和城市总体规划。
以森林为例,木材、药品、休闲娱乐、植物基因、教育、人类住区等都是森林的直接使用价值。
2.辨识与分析危险、有害因素
2.环境影响评价工程师职业资格制度第十章纳米磁性材料
一、材料的磁性
二、纳米微粒的磁学性能
三、纳米固体材料的磁学性能
四、纳米磁性材料
一、材料的磁性
1.材料的磁现象
①天然磁石:
主要成分为Fe3O4,属于一种尖晶石结构的铁氧体,其显著特点是具有吸铁的能力,称为永磁材料,也称为硬磁或恒磁材料。
慈(磁)石的发现、磁石吸铁的发现、磁石指南和最早磁指南器(司南)的发明、指南针的发明和应用、地球磁偏角的发现、地球磁倾角的利用、磁在医药上的应用、北极光地球磁现象和太阳黑子、太阳磁现象的记载等,都是中国最早发现、发明、应用和记载的。
②1820年,奥斯特发现电流产生磁场:
距导线r米处的磁场强度H为:
H=I/2πr(A/m)
1A/m=4⨯103Oe(Oersted)
☞材料在外加磁场H(直流、交变或脉冲磁场)作用下,会在材料内部产生一定的磁通量密度,称其为磁感应强度B,单位为T(Tesla)或韦伯/米2(Wb/m2)。
1T=1Wb/m2
1T=104Gauss
μ:
磁导率,为材料的本征参数
μ0:
4⨯10-7亨利/米
③其他表征磁性材料的参数:
相对磁导率:
μr=μ/μ0
磁化率:
χ=μr–1
磁化强度:
M=χH
2.材料磁性的微观机理
①基本概念:
磁偶极子:
线度小至原子的小磁铁,可等效为环绕电路流动的电荷,如电子绕原子核的运动、电子的自旋、旋转的电子核等。
磁偶极矩Pm:
真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩。
磁矩m:
Pm与μ0的比值,单位为A·m2。
②材料的宏观磁性:
由组成材料的原子中电子的磁矩引起,产生磁矩的原因有二:
i)电子绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩mo。
ii)每个电子本身作自旋运动,产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩ms,它比mo大得多。
故每个电子可看成一个小磁体,具有永久的mo和ms。
Bohr磁子μB=eħ/2me
每个电子的ms≈μB,mo受不断变化方向的晶格场作用,不能形成联合磁矩。
☞原子是否具有m,取决于其具体的电子壳层结构。
若有未被填满的电子壳层,其电子的ms未被完全抵消,则原子具有永久m。
3.材料磁性的分类
材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应,具体可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性(均为弱磁性)、铁磁性和亚铁磁性(均为强磁性)。
①抗磁性(Diamagnetism):
在外加磁场存在时,外磁场会使材料中电子的轨道运动发生变化,感应出很小的磁矩,其方向与外磁场方向相反,故名抗磁性。
常见材料:
Bi、Zn、Ag、Mg等金属,Si、P、S等非金属,许多有机高聚物以及惰性气体。
②顺磁性(Paramagnetism):
有些材料(Al,Pt等)的ms和mo没有完全被抵消,每个原子都有一个永久m,但在无外磁场作用时,各个原子的m无序排列,材料表现不出宏观的磁性;而在有外磁场作用时,各个原子m会沿外磁场方向择优取向,使材料表现出宏观的磁性,称其为顺磁性。
常见材料:
稀土金属,Fe族元素的盐类,Mn、Cr、Pt、N2、O2等。
☞抗磁性和顺磁性材料一般看作是无磁性的,因为它们只有在外磁场存在时才被磁化,而磁化率又极小。
③铁磁性(Ferromagnetism):
26Fe、27Co、28Ni、39Y、66Dy等材料在外磁场作用下,会产生很大的磁化强度,外磁场去除后仍能保持相当大的永久磁性,故而得名。
具有铁磁性的材料的磁化率可高达106,使得磁化强度M(M=χH)远大于磁场强度H。
④反铁磁性(Antiferromagnetism):
MnO,Cr2O3,CoO,ZnFeO4等材料,其相邻原子或离子的磁矩作反方向平行排列,总磁矩为零。
⑤亚铁磁性(Ferrimagnetism):
对于含铁酸盐的陶瓷磁性材料,即铁氧体(Ferrite),其宏观磁性类似于铁磁性,但是其磁化率和饱和磁化强度比铁磁性材料低一些,称为亚铁磁性。
这类铁氧体的电阻率较高,适于制作电导率低的磁性元件。
材料的铁磁理论
Ø一般铁磁性材料的磁化率χ和磁导率μ很大,其磁化强度M(=χH)和磁感应强度B(=μH)与磁场强度H之间不是单值函数关系,而显示磁滞现象(HysteresisLoop)。
Ø铁磁材料具有一个磁性转变温度:
居里温度TC
T T>TC时,铁磁性消失而呈现顺磁性。 Ø磁畴(magneticdomain)假说: 铁磁材料的自发磁化是按区域分布的,各个自发磁化区域称为磁畴。 铁磁材料在一定温度范围内(0K到TC)存在与外加磁场无关的自发磁化,导致自发磁化的相互作用力为材料内部的分子场,原子磁矩在分子场作用下克服热运动的无序效应,自发地平行一致取向 —分子场假说(Heisenberg证明了分子场是量子交换相互作用的结果,这种交换作用纯属量子效应。 可见铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用)。 该假说已被随后的理论和实验所证明: 每个磁畴的线度为1-100μm,约含1015个原子,每一磁畴内原子的磁矩沿同一方向排列。 由于铁磁材料在温度高于TC时铁磁性消失,这表明热运动能破坏了分子场对原子磁矩有序取向的作用能,在TC处两种作用能相等。 Ø铁磁材料的居里温度TC正比于交换积分,居里温度的本质是铁磁材料内静电交换作用强弱在宏观上的表现,交换作用越强,就需要越大的热能才能破坏这种作用,宏观上就表现出越高的居里温度。 Ø材料具有铁磁性的条件为: 必要条件: 材料原子中具有未充满的电子壳层,即有原子磁矩。 充分条件: 交换积分大于零。 4.铁氧体磁性材料 ①含义: 铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料,它的磁性与铁磁性有相同点,都具有自发磁化强度和磁畴;不同之处在于,铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成,因此铁氧体磁性来自两种不同的磁矩: 一种磁矩在一个方向相互整齐排列,另一种磁矩在相反的方向排列。 这两种磁矩方向相反,大小不等,两种磁矩之差不等于零,就产生了自发磁化现象,故铁氧体磁性又称亚铁磁性。 ②按结构分类 铁氧体材料有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钙铁矿型和钨青铜型等6种,前三种最为重要。 i)尖晶石型铁氧体(面心立方结构)的通式为Me2+Fe23+O42-,其中Me2+为Fe、Ni、Mn、Zn、Ba、Pb、Mg等二价金属离子,也可以是几种离子的混合物,如Mg1-xMnx等,因此其组成和磁性能宽广。 ii)石榴石型(立方晶系)的通式为R33+Fe53+O122-,式中的R3+为三价的稀土离子等。 iii)磁铅石型的通式为Me2+Fe123+O192-,其中的Me2+为Ba2+、Sr2+、Pb2+等二价金属离子,此种六角晶系铁氧体具有高的磁晶各向异性,矫顽力高,适宜制备永磁材料。 其片层结构具有很好的吸波性能。 ③按磁滞回线特征分类 i)软磁材料 ii)硬磁材料(永磁材料) iii)矩磁材料 这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软,而是指磁学性能上的硬和软。 磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性,其特征是具有4种主要磁特性: (1)高的矫顽力(矫顽磁场)Hc。 矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使其剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度,它是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度; (2)高的最大磁能积(BH)m。 最大磁能积是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度;(3)高的剩余磁通密度Br和高的剩余磁化强度Mr。 它们是具有空气隙的永磁材料在气隙中磁场强度的量度;(4)高的稳定性,即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。 软磁材料: 矫顽力Hc小,磁导率μ高,磁损耗低,饱和磁感应强度大,电阻率高。 主要用于电感线圈、变压器的磁芯、录音磁头、磁放大器等。 硬磁材料(永磁材料): 剩磁Br大,矫顽力Hc大,最大磁能积(BH)max大等。 最重要的铁氧体硬磁材料为钡恒磁BaFe12O19,它比金属硬磁材料的优点是电阻大、涡流损失小、成本低,主要用于扬声器、拾音器、助听器、示波器等。 矩磁材料: 其磁滞回线近似为矩形,矫顽力Hc小,磁损耗小等,可用作记忆元件、开关元件或逻辑元件(利用其两个剩磁态+Br和-Br表示计算机中的“1”和“0”状态)。 铁氧体永磁材料是以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料,其特点是电阻率高,特别有利于在高频和微波中应用。 如钡铁氧体(BaFe12O19)和锶铁氧体(SrFe12O19)等,以Fe2O3及SrO或BaO为原料,通过陶瓷工艺方法制造而成,外形有圆形、圆柱形、方形、瓦形等。 5.稀土永磁材料 永磁材料是在一指定空间可产生恒定磁场的材料。 永磁体既可以单独使用,也可以与其他铁磁性或非铁磁性材料组成磁路,进而成为磁器件。 永磁材料性能的提高,可使器件尺寸变小。 稀土永磁材料是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料--是以钐、钕等稀土族元素和钴、铁等铁族元素为主要成分组成的合金,用粉末冶金方法压型烧结,经磁场充磁后制得的一种磁性材料。 1983年,钕—铁—硼(Nd-Fe-B)稀土永磁材料问世,是永磁材料领域中的一个巨大进步,其高性能可能带来高新技术产业中的磁器件高效化、小型化和轻型化。 Ø1967年,SmCo5——第一代稀土永磁材料 Ø1972年,Sm2Co17——第二代稀土永磁材料 Ø1983年,高性能、低成本的第三代稀土永磁材料Nd2Fe14B3问世,奠定了稀土永磁材料在永磁材料领域的霸主地位。 Ø1993年,日本稀土永磁材料产值首次超过永磁铁氧体。 Ø2000年,全球烧结NdFeB的产值达30亿美圆,超过永磁铁氧体。 ☞永磁体最基本的作用是在某一特定的空间中产生一恒定的磁场,维持此磁场并不需要任何外部电源。 标志永磁材料好坏的参数有许多,最重要的是最大磁能积(BH)max,磁能积越大,材料每单位体积所产生外磁场的能量就越大。 目前商品NdFeB永磁材料的最大磁能积(BH)max达440kJ/m3,比碳钢的2kJ/m3提高几百倍,是永磁铁氧体的12倍,比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。 由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异的特性,从而在特定空间中产生同样磁通量所需的磁体体积明显减小,已给永磁应用带来革命性的变化。 第三代稀土永磁钕铁硼(NdFeB)是当代磁体中性能最强的永磁体,它不仅具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积、高性能价格比等特性,而且容易加工成各种尺寸。 现已广泛应用于航空、航天、电子、电声、机电、仪器、仪表、医疗技术及其它需用永磁场的装置的设备中,特别适用于研制高性能、小型化、轻型化的各种换代产品,在各国的极大重视下发展极为迅速。 二、纳米微粒的磁学性能 1.超顺磁性 铁磁性的特点在于一个磁化了的物体会强烈地吸引另一个磁化了的物体,即铁磁性物质对磁场有很强的磁响应,在磁场撤去后仍然保留磁性;而顺磁性则是当把物质放到磁场中时,物质在平行于磁场的方向被磁化,而且磁化强度与磁场成正比(极低温、极强磁场除外),也就是说顺磁性物质只有很弱的磁响应,并且当撤去磁场后,磁性会很快消失。 超顺磁性则兼具前两者的特点,超顺磁性物质在磁场中具有较强的磁性(磁响应),当磁场撤去后其磁性也随之消失。 ☞纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态,这时磁化率χ不再服从常规的居里-外斯定律。 例如: α-Fe、Fe3O4和α-Fe2O3粒径分别为5nm、16nm和20nm时变成顺磁体。 Ni粒径小于15nm时,矫顽力Hc→0,说明进入了超顺磁状态。 不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。 ☞超顺磁状态的原因: 由于小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时,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。 2.矫顽力: 纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力Hc。 如用惰性气体蒸发冷凝的方法制备的纳米Fe微粒,随着颗粒变小,饱和磁化强度Ms有所下降,但矫顽力却显著地增加。 大块的纯铁矫顽力约为80安/米,而当颗粒尺寸减小到20nm以下时,其矫顽力可增加1000倍;但若进一步减小其尺寸到约小于6nm时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。 高矫顽力的解释: Ø一致转动模式: 当粒子尺寸小到某一尺寸时,每个粒子就是一个单磁畴,每个单磁畴纳米微粒成为一个永久磁铁,要使这个磁铁去掉磁性,必须使每个粒子整体的磁矩反转,这需要很大的反向磁场,即超顺磁状态的纳米微粒具有较高的矫顽力。 Ø球链反转磁化模式: 球链使磁性增强(球面缺陷将削弱磁性)。 ☺利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已作成高贮存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。 而利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。 3.居里温度: 由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化,因此具有较低的居里温度。 可证明随粒径的下降,纳米Ni微粒的距离温度有所下降。 纳米微粒内原子间距随粒径下降而减小,原子间距减小将导致交换积分的减小,从而使反映交换作用强弱的居里温度随粒径减小而降低。 4.磁化率: 纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关。 偶数电子数—颗粒具有抗磁性; 奇数电子数—颗粒具有顺磁性。 电子数为奇或偶数的粒子的磁性随温度变化还有不同的变化规律。 三、纳米固体材料的磁学性能 1.材料磁性与材料结构的关系 磁化强度M(=χH)、磁化率χ(=μr–1)等磁性参量与物质的晶粒大小、形状及缺陷等密切相关;居里温度Tc等与物质中的相分布(组成、数量)有关系。 纳米固体材料较之常规多晶、非晶材料,有独特的结构。 ①磁结构 ⇒(磁化特点)⇒ 独特的磁性 如纳米晶Fe: 每个纳米Fe粒为一个单的铁磁畴,相邻晶粒的磁化受晶粒的各向异性和磁交互作用的共同影响,由于晶粒的取向很混乱,使材料中磁化交互作用仅限于几个晶粒的范围,没有长程的交互作用。 不象常规Fe晶体中可通过磁畴壁的运动来实现磁化。 ②组成结构⇒新的磁特性 i)颗粒组元: 纳米级颗粒有高的矫顽力Hc和低的Tc;尺寸d小于某临界值时出现超顺磁性;χ与d的关系取决于颗粒中电子数的奇偶性,等等。 ii)界面组元: 结构与粗晶粒差别很大,其本身的磁性独特: 磁各向异性能小于晶粒内部,Tc比大块多晶的低,等等。 故: 纳米微晶+庞大界面⇒纳米材料独特的磁性 2.纳米材料的磁特性 ①饱和磁化强度Ms ②磁性的转变 ③超顺磁性 ④磁相变 ⑤居里温度Tc ⑥巨磁电阻效应 ①饱和磁化强度Ms 纳米晶Fe也有铁磁性,但其Ms比常规Fe材料低。 铁的Ms取决于短程结构,纳米晶Fe的界面的短程序与常规Fe材不同,如原子间距较大等,使其Ms降低。 故Ms的下降表明庞大的界面对材料的磁化不利(畴壁运动受阻)。 ②磁性的转变 i)抗磁性⇒顺磁性(随粒径的下降) 金属Sb(χ<0)⇒纳米晶Sb(χ>0) ii)顺磁性⇒反铁磁性(随温度的下降) 纳米晶顺磁体⇒反铁磁体 (χ与外场H无关,与T成正比) 对纳米晶FeF2,界面中原子配位小,原子间距大,导致其晶界的TN降低,使纳米晶FeF2块体的TN有个分布。 ③超顺磁性 纳米结构材料的界面体积分数很大,界面的磁各向异性常数小于晶粒内部,使得磁有序较易实现,超顺磁性易出现。 如: α-Fe2O3纳米粉体,在室温下有明显的超顺磁性。 ④磁相变 传统粗晶Er为hcp结构,在100K以下由于电子间的静电交换作用和晶粒磁各向异性共同作用,产生三类不同的磁相变。 Ta=85K时,出现纵向正弦磁结构, Tb=52K时,成为基面调制结构, Tc=19K时,为沿C轴有净磁矩的螺旋铁磁结构。 (超顺磁性) ☞该磁相变的情况在纳米微晶Er材料(晶粒12-70nm,密度50%-75%)中有所改变: i)通过缓慢蒸发制备的纳米微晶Er,很难找到温度较高的两个相变点,但超顺磁性可观察到。 ii)经快速蒸发过程制备的纳米微晶Er材料,3个相变点仍然存在,但对应的温度有变化,超顺磁性也可观察到。 解释: a.超顺磁性: 可用稀土族元素的无相互作用粒子模型,在温度Tc以下(热扰动小)出现磁有序,有宏观净磁矩。 b.较高温度相变点的移动、消失: 可能与纳米晶粒的有效各向异性和交换相互作用有关。 Er的相变对磁各向异性与交换相互作用项之间的细微平衡很敏感,在纳米微晶中,由于晶界和微晶粒内部局域环境的畸变,将使上述平衡发生移动,从而影响Er的磁相变。 纳米微晶材料的磁性与晶粒尺度、界面原子分数以及界面原子结构之间的关系仍需进一步阐明。 ⑤居里温度Tc 纳米晶材料具有较低的Tc(磁畴小,静电交换作用弱): 如: 85nm的Ni的Tc比常规粗晶的低8℃; 70nm的Ni的Tc比常规粗晶的低40℃。 Tc的降低不单纯是由于大量界面引起时,晶粒组元也会有所贡献。 ⑥巨磁电阻效应 I.磁电阻: 具有各向异性的磁性金属材料,在磁场下电阻下降的现象称为磁阻效应。 ∆R一般约为百分之几。 磁电阻效应具有各向异性: 来自各向异性的散射,如自旋-轨道耦合和低对称性的势散射中心。 各向异性磁电阻: 坡莫合金(Ni81Fe19)的磁电阻在5K时为15%,RT时仍有2.5%。 磁电阻效应主要用于读出磁头、传感器和磁电阻型随机存取存储器(MRAM)。 II.巨磁电阻效应(GMR) 磁性金属和合金一般都有磁电阻现象(在一定磁场下电阻改变的现象)。 而巨磁电阻是指在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。 巨磁电阻效应是近20年来发现的新现象。 1986年,德国的Crunberg教授首光在Fe/Cr/Fe多层膜中观察到反铁磁层间耦合。 1988年,法国巴黎大学的AlbertFert教授研究组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应: ∆R=-50%,比一般磁电阻效应大一个数量级,且为负值,各向同性。 这在国际上引起了很大的反响。 20世纪90年代,人们在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Ag,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应,由于巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景,美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量。 ☞是在纳米材料体系(人工纳米结构磁性金属膜)中发现的! i)人工超晶格、多层膜的GMR ☞(100)GaAs基片上用MBE生长单晶(100)Fe/Cr/Fe三层膜和(Fe/Cr)超晶格薄膜,发现当Cr层为9Å厚时,在4.2K下当所加外场为20kOe(相邻Fe层磁矩平行排列)及不加外场(相邻Fe层磁矩反平行排列)时,前者的电阻只有前者的一半(∆R=-50%)。 (1988年) 后有研究表明(Fe/Cr)超晶格在1.5K时,∆R达-220%。 在铁磁层(Fe、Co、Ni及合金)和非磁层(3d、4d及5d非磁层金属)的多层膜中,许多具有GMR效应。 解释: 磁性金属多层膜GMR效应依赖相邻铁磁层的相对取向,而外磁场的作用不过是改变相邻铁磁层的相对取向,这说明电子的输运与电子的自旋散射相关。 在与自旋有关的s-d散射中,当电子的自旋与铁磁金属的自旋向上3d子带(多数自旋)平行时,其平均自由程长,相应的电阻率低;而当电子的自旋与自旋向下的3d子带平行(即与多数自旋反平行)时,其平均自由程短,相应的电阻率高。 因此,当相邻铁磁层的磁矩反铁磁耦合时,在一个铁磁层受散射较弱的电子(即其自旋方向平行于多数子带电子的自旋方向)进入另一铁磁层后必受较强的散射(其自旋方向仅与少数子带电子的自旋方向平行),故对所有传导电子而言均受到较强的散射;而当相邻铁磁层的磁矩在磁场的作用下趋于平行时,自旋向上的电子在所有铁磁层中均受到较弱的散射,相当于短路状态。 此即基于Mott模型对GMR效应的简单解释。 自旋阀(SpinValve)结构: 在通常的磁性多层膜中存在较强的层间反铁磁耦合作用,GMR必须在非常高的饱和外磁场(10到20kOe)下才能达到,所以MR的灵敏度很小。 人们就通过各种人为的方式使不存在(或很小)交换耦合的相邻铁磁层的磁矩在一定磁场下从平行排列变到反平行排列到相反变化,此即自旋阀结构。 Spin阀通常分为两种基本方式: 一种是被非磁层分开的两软磁层之一用反铁磁层(FeMn,NiO)通过交换作用钉扎;另一种是具有不同矫顽力Hc的两铁磁层(一软一硬)用非磁层分开。 在Spin阀中.未被钉扎的软磁层或低Hc的磁铁层在较小的磁场的作用下,其磁矩能较自由的反转,因此在较小磁场下能使系统的电阻率变化很大,从而使其MR的灵敏度很高。 目前应用开发大都采用Spin阀结构。 ii)颗粒膜的GMR 在人工纳米结构磁性金属膜中,除超晶格和多层膜之外,还有一类重要的颗粒膜: 将纳米微粒镶嵌在互不固溶的薄膜中所形成的复合薄膜。 其具有微粒和薄膜的双重特性及其交互作用。 ☞最近的研究集中在Cu、Ag为基体,与Fe、Co、Ni金属和合金所构成的两大颗粒膜系列。 在颗粒膜中,铁族元素新占的体积百分比约为15-25%,低于形成网络状结构的逾渗阀值,即保持Fe以微粒形式嵌于薄膜之中。 微粒的最佳尺寸为几个到几十个纳米,如此尺寸的铁磁颗粒在RT下处于超顺磁态,在膜内一般呈无规分布的。 对颗粒膜的GMR也可用自旋相关的散射来解释,并以界面散射为主。 理论表明颗粒膜的GMR与磁性颗粒的直径成反比,即与颗粒的表面积成反比。 问题: 由于铁磁颗粒RT下处在超顺磁态,获得GMR效应需非常高的饱和外场。 ☞颗粒小,顺磁态;颗粒大,大于电子平均自由程,散射中心减少,使GMR效应下降。 须获得最佳的颗粒尺寸和体积百分数,提高工作温度,降低外加磁场等。 颗粒膜中的巨磁电阻效应目前以Co-Ag体系为最高,在液氮温度可达55%,室温可达20%,而目前实用的磁性合金仅为2%-3%,但颗粒膜的饱和磁场较高,降低颗粒膜磁电阻饱和磁场是颗粒膜研究的主要目标。 颗粒膜制备工艺比较简单,成本比较低,一旦在降低饱和磁场上有所突破将存在着很大的潜力。 已在FeNiAg颗粒膜中发现最小的磁电阻饱和磁场约为30A/m,这个指标已和实用化的多层膜比较接近,从而为颗粒膜在低磁场中应用展现了一线曙光。 iii)氧化物的庞磁阻效应(CMR) 过渡金属阳离子都有未满的d壳层,具有磁矩m。 在其氧化物中,阳离子因被氧离子隔离而无直接的交换作用,但可通过阳离子的激发电子态发生超交换作用,形成磁有序结构。 由于电子局域,这类磁有序氧化物具有很高的电阻率。 1994年,在钙钛矿结构Mn系氧化物中,如Nd0.7Sr0.3MnO3,在60K下,H为80kOe时,∆R
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