《介绍一些具体纳米磁性材料.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《介绍一些具体纳米磁性材料.pptx（40页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、会计学1介绍一些具体纳米介绍一些具体纳米(n m)磁性材料磁性材料第一页，共40页。零维零维零维零维-超顺磁性超顺磁性超顺磁性超顺磁性同一材料是否表现出超顺磁性，除与材料尺寸有关外，与测量温度(wnd)，粒子周围环境，测量方法的数据采集时间等都有关系。第1页/共40页第二页，共40页。磁性液体磁性液体磁性液体磁性液体(yt(yt)性能与组性能与组性能与组性能与组成成成成第2页/共40页第三页，共40页。磁性液体磁性液体磁性液体磁性液体(yt(yt)应应应应用用用用第3页/共40页第四页，共40页。集聚的磁性液体粒子可起到密封，润滑集聚的磁性液体粒子可起到密封，润滑(rnhu)等作用，又可相对运
2、动自由，因而在真空，环保等等作用，又可相对运动自由，因而在真空，环保等方面应用广泛。方面应用广泛。第4页/共40页第五页，共40页。起散热，润滑等作用，极大缩小了扬声器起散热，润滑等作用，极大缩小了扬声器体积，增加体积，增加(zngji)了功率，改善了音质。了功率，改善了音质。磁性液体磁性液体(yt)广泛用于扬声器广泛用于扬声器第5页/共40页第六页，共40页。在在在在ITIT行业常需要行业常需要行业常需要行业常需要(xyo)(xyo)的激光扫描器，转靶的激光扫描器，转靶的激光扫描器，转靶的激光扫描器，转靶X X光机，大型单晶生长设备等的转动密封部分光机，大型单晶生长设备等的转动密封部分光机，
3、大型单晶生长设备等的转动密封部分光机，大型单晶生长设备等的转动密封部分第6页/共40页第七页，共40页。磁性磁性磁性磁性(cxng)(cxng)微微微微球球球球纳米磁性粒子通过表面活化剂与单克隆抗体，酶，药物，基因纳米磁性粒子通过表面活化剂与单克隆抗体，酶，药物，基因(jyn)(jyn)结合，称为磁性微球，在生物工程，生物芯片，生物分子标签等方面有重要应用前景。还可以在生物体内使药物定向起作用，即生物导弹，是治疗癌症的有效方法。结合，称为磁性微球，在生物工程，生物芯片，生物分子标签等方面有重要应用前景。还可以在生物体内使药物定向起作用，即生物导弹，是治疗癌症的有效方法。第7页/共40页第八页，
4、共40页。一维纳米一维纳米一维纳米一维纳米(n(n mm)丝丝丝丝一维磁性纳米丝是近年来发展很快的研究内容(nirng)，材料可以是单一金属，合金，化合物，复合物，多层膜。利用一维纳米丝制备纳米量子存储介质，是高密度，低噪音硬盘介质的发展方向之一。用于细胞分离，纯度达80%，产率达85%NiFe纳米(nm)丝Co单晶纳米丝第8页/共40页第九页，共40页。存储密度的变化趋势存储密度的变化趋势存储密度的变化趋势存储密度的变化趋势第9页/共40页第十页，共40页。二维纳米二维纳米二维纳米二维纳米(n m(n m)薄膜薄膜薄膜薄膜二维磁性纳米薄膜是几十年来研究得最多的内容之一二维磁性纳米薄膜是几十年
5、来研究得最多的内容之一 60年代是研究年代是研究NiFe薄膜的热潮，用于磁性内存，后来被半导体所取代；薄膜的热潮，用于磁性内存，后来被半导体所取代；70年代是研究磁泡薄膜的热潮，用于磁存储，后来因各种原因年代是研究磁泡薄膜的热潮，用于磁存储，后来因各种原因(yunyn)被淘汰；被淘汰；80年代是研究磁光薄膜的高潮，目前市场的可擦写光盘即基于此项研究成果；年代是研究磁光薄膜的高潮，目前市场的可擦写光盘即基于此项研究成果；90年代对磁性多层膜的研究导致巨磁电阻效应的发现，并发展成新型学科年代对磁性多层膜的研究导致巨磁电阻效应的发现，并发展成新型学科-自旋电子学。自旋电子学。第10页/共40页第十一
6、页，共40页。四类四类四类四类(s li)(s li)具有巨磁电阻效应的多层膜结构：具有巨磁电阻效应的多层膜结构：具有巨磁电阻效应的多层膜结构：具有巨磁电阻效应的多层膜结构：1 磁性磁性(cxng)多层膜的多层膜的GMR效应效应 第11页/共40页第十二页，共40页。GMR效应的机理在于效应的机理在于自旋极化自旋极化(j hu)电子在其相干长度范围内电子在其相干长度范围内在不同自旋取向膜层有不同的散射几率，在不同自旋取向膜层有不同的散射几率，即不同的电阻。即不同的电阻。第12页/共40页第十三页，共40页。2 自旋自旋(z xun)阀结构是阀结构是GMR的实用化设计的实用化设计第13页/共40
7、页第十四页，共40页。3.具有纳米氧化具有纳米氧化(ynghu)层的自旋阀结构已是读出磁头层的自旋阀结构已是读出磁头的定型产品的定型产品第14页/共40页第十五页，共40页。硬盘结构图硬盘结构图硬盘结构图硬盘结构图-其中用到的永磁电其中用到的永磁电其中用到的永磁电其中用到的永磁电机，读写磁头和存储磁盘等磁性部机，读写磁头和存储磁盘等磁性部机，读写磁头和存储磁盘等磁性部机，读写磁头和存储磁盘等磁性部件都是纳米材料件都是纳米材料件都是纳米材料件都是纳米材料(n m(n m ci lio)ci lio)的的的的研究对象。研究对象。研究对象。研究对象。第15页/共40页第十六页，共40页。薄薄薄薄 膜
8、膜膜膜 读读读读 出出出出 磁磁磁磁 头头头头第16页/共40页第十七页，共40页。自旋自旋自旋自旋(z(z xun)xun)二极二极二极二极管管管管半导体的小型化极限：对称性破坏导致的能带隙破坏，不再是好的半导体；载流子数不足；特征(tzhng)长度大也不利于小型化。载流子运动的功耗较大。约100年前进入真空管时代(shdi)，50年前进入晶体管时代(shdi)，现在进入自旋管时代(shdi)！第17页/共40页第十八页，共40页。4.磁性隧道磁性隧道(sudo)结是目前的研究热点结是目前的研究热点其一个重要应用前景是磁性随机存储器其一个重要应用前景是磁性随机存储器第18页/共40页第十九页
9、，共40页。由此产生一门由此产生一门由此产生一门由此产生一门(y mn)(y mn)新兴学科新兴学科新兴学科新兴学科-自旋自旋自旋自旋电子学电子学电子学电子学 第19页/共40页第二十页，共40页。Architecture of MRAM Cell on Wafer Architecture of MRAM Cell on Wafer(Solid View)(Solid View)WWLRWLGNDBLMTJ第20页/共40页第二十一页，共40页。MRAM与现行与现行(xinxng)各存储器的比较（各存储器的比较（F为特征尺寸）为特征尺寸）技术DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256G
10、B256GB180MB/cm2256 GB速度150MHz150MHz913MHz500 MHz单元尺寸25F2/bit2F2/bit2F2/bit联接时间10ns10ns1.1ns2ns写入时间10ns10s10ns擦除时间1ns10s10ns保持时间2.4s10years无穷无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6V5V0.6-0.5V1V开关电压0.2V5V50 mVMRAMDRAM第21页/共40页第二十二页，共40页。磁性半导体材料磁性半导体材料磁性半导体材料磁性半导体材料(cilio)(cilio)是自旋电子学是另一是自旋电子学是另一是自旋电子学是另一是自旋电
11、子学是另一大类大类大类大类第22页/共40页第二十三页，共40页。磁性磁性磁性磁性(cxng)(cxng)纳米复合物纳米复合物纳米复合物纳米复合物由于其材料的选择剪裁，性能调节余地很大，可以在各不同的领域找到合适的材料配方。因此对纳米隐身(ynshn)材料同样应是研究重点，比如，纳米磁性复合颗粒薄膜研究，纳米磁性多层膜的研究。现仅举其他磁性材料的几个例子：是非常有实用价值的研究是非常有实用价值的研究(ynji)方向方向第23页/共40页第二十四页，共40页。由非晶态由非晶态由非晶态由非晶态FeSiBFeSiB退火，通过掺杂退火，通过掺杂退火，通过掺杂退火，通过掺杂CuCu和和和和NbNb控制控
12、制控制控制(kngzh)(kngzh)晶粒尺度，成为新型的纳米晶软磁材料晶粒尺度，成为新型的纳米晶软磁材料晶粒尺度，成为新型的纳米晶软磁材料晶粒尺度，成为新型的纳米晶软磁材料第24页/共40页第二十五页，共40页。纳米晶软磁的变化规律完全纳米晶软磁的变化规律完全纳米晶软磁的变化规律完全纳米晶软磁的变化规律完全(wnqun)(wnqun)不不不不同于常规软磁材料：矫顽力很小，磁导率同于常规软磁材料：矫顽力很小，磁导率同于常规软磁材料：矫顽力很小，磁导率同于常规软磁材料：矫顽力很小，磁导率很高。很高。很高。很高。第25页/共40页第二十六页，共40页。软磁纳米软磁纳米(n m)晶机制在于晶机制在于
13、 纳米晶粒间的交换耦合作用纳米晶粒间的交换耦合作用(zuyng)(zuyng)将有效抵消局部的，无规的各向异性，平均各向异性能密度将有效抵消局部的，无规的各向异性，平均各向异性能密度：因为因为=K1/N,=K1/N,此交换长度范围内含有晶粒数此交换长度范围内含有晶粒数N=(Lex/D)3N=(Lex/D)3，故有，故有=K1(D/Lex)3/2,=K1(D/Lex)3/2,而铁磁交换长度又有关系而铁磁交换长度又有关系Lex=(A/Lex=(A/K K)1/2)1/2，当晶粒尺度当晶粒尺度DD小于小于LexLex时，其无规各向异性可示为时，其无规各向异性可示为=K14D6/A3,=K14D6/A
14、3,即即与与DD是六次方的关系，相应磁导率是六次方的关系，相应磁导率 随纳米粒子随纳米粒子DD的减小，也以六次方关系增加。的减小，也以六次方关系增加。第26页/共40页第二十七页，共40页。性能性能性能性能(xngnng(xngnng)比较比较比较比较第27页/共40页第二十八页，共40页。纳米纳米纳米纳米(n m(n m)双相复合双相复合双相复合双相复合硬磁硬磁硬磁硬磁理论表明，纳米级的软磁和硬磁颗粒复合理论表明，纳米级的软磁和硬磁颗粒复合(fh)(fh)将综合软磁将综合软磁MsMs高，硬磁高，硬磁HcHc高的优点获得磁能级比现有最好高的优点获得磁能级比现有最好NdFeBNdFeB高一倍的新
15、高一倍的新 型型 纳纳 米米 硬硬 磁磁 材材 料料第28页/共40页第二十九页，共40页。磁能级的预期值几乎磁能级的预期值几乎(jh)比现有值比现有值高一倍高一倍第29页/共40页第三十页，共40页。其机理是在硬磁粒子和软磁粒子其机理是在硬磁粒子和软磁粒子其机理是在硬磁粒子和软磁粒子其机理是在硬磁粒子和软磁粒子界面界面界面界面(jimin)(jimin)产生交换弹性耦合产生交换弹性耦合产生交换弹性耦合产生交换弹性耦合第30页/共40页第三十一页，共40页。以直径为以直径为以直径为以直径为DD的软磁球被硬磁介质包围的软磁球被硬磁介质包围的软磁球被硬磁介质包围的软磁球被硬磁介质包围(bowi)(
16、bowi)做模型做模型做模型做模型以以SmCo/Fe为例，计算了反磁化形核场与粒子直径的关系为例，计算了反磁化形核场与粒子直径的关系(gun x),表明在粒径小于表明在粒径小于3纳米时，形核场可高达纳米时，形核场可高达19.5T.第31页/共40页第三十二页，共40页。可以用多种模型可以用多种模型可以用多种模型可以用多种模型(mxng)(mxng)作类似计算，作类似计算，作类似计算，作类似计算，第32页/共40页第三十三页，共40页。高频(opn)，微波纳米磁性材料由于纳米粒子(lz)或薄膜尺度小于电的趋肤厚度，非常有利于在高频应用。除要求磁导率高外，如也高，则可为隐身吸波材料，如低，损耗小，
17、则可为高频软磁，电感材料。第33页/共40页第三十四页，共40页。大块材料大块材料(cilio)使用频率与磁导使用频率与磁导率的率的假设其共振机制是由材料的磁晶各向异性场决定假设其共振机制是由材料的磁晶各向异性场决定(judng)的自然共振的自然共振(1)同时，对于由磁化强度转动引起的磁导率，易轴无规分布同时，对于由磁化强度转动引起的磁导率，易轴无规分布(fnb)时表示为：时表示为：(2)SnoekSnoekSnoekSnoek极限极限极限极限第34页/共40页第三十五页，共40页。(1)x(2),得到得到(d do)：(3)可见可见(kjin)，对一确定的材料，对一确定的材料为一常数为一常数
18、(chngsh)对对Ni-Zn铁氧体：铁氧体：只要存在立方各向异性，任何铁氧体不可能有高于只要存在立方各向异性，任何铁氧体不可能有高于snoek极限极限的磁导率的磁导率f(MHz)11205602801405102040第35页/共40页第三十六页，共40页。纳米薄膜的平面各向异性可以纳米薄膜的平面各向异性可以(ky)突破这个极突破这个极限限设平面(pngmin)各向异性的易平面(pngmin)与c轴垂直设磁化强度在平面内转动(zhun dng)的各向异性场为 Ha1 ；场为磁化强度转出这个平面的各向异性Ha2 ；则这种平面各向异性的大块材料的自然共振频率为：(4)对于易轴在面内无规分布的多晶
19、材料，在面内的转动磁化率：(5)(4)x(5),得到：(6)实验证实，平面铁氧体自然共振发生的频率确实高于snoek极限。第36页/共40页第三十七页，共40页。因因 此此：使用纳米量级的薄膜材料，可使使用纳米量级的薄膜材料，可使Snoek极限极限 增增大大 倍，对于倍，对于(duy)，的的FeNi 合金薄膜，线度比：合金薄膜，线度比：=2000 时，时，=63.345。（当膜厚为（当膜厚为 10 nm时，时，则圆形薄膜的直径则圆形薄膜的直径(zhjng)应为应为 20 m）当粒子当粒子(lz)(lz)尺度及间距均小于交换耦合长度时，粒子尺度及间距均小于交换耦合长度时，粒子(lz)(lz)间的
20、交换作用将使粒子间的交换作用将使粒子(lz)(lz)的各向异性平均掉，且将粒子的各向异性平均掉，且将粒子(lz)(lz)磁化强度耦合在一起，使整个薄膜的大大减小，磁化强度耦合在一起，使整个薄膜的大大减小，大大提高。大大提高。采用高饱和磁化强度的材料可使采用高饱和磁化强度的材料可使进一步提高进一步提高第37页/共40页第三十八页，共40页。(FeCo)-Zr2O5 (FeCo)-Zr2O5 纳米颗粒膜，纳米颗粒膜，在在1 1，260260，320320，比常规预想比常规预想(yxing)(yxing)提高了二个量级。提高了二个量级。举举举举 例例例例第38页/共40页第三十九页，共40页。高频高频(o pn)薄膜电感薄膜电感当纳米粒子或薄膜的高频磁导率高而低，损耗小时，这对解决电感器的小型化，集成化很重要。对材料的具体要求是，电阻率高，在2000MHz以上仍有高的磁导率和低的损耗，至200度仍有好的温度(wnd)稳定性。这就要求材料的磁共振频率fr高于2GHz：fr=/2(4MsHk)1/2,为旋磁比。因此就要选择合适的Ms,Hk和。第39页/共40页第四十页，共40页。