【正文】 ? 納米金屬 Fe(8nm)飽和磁化強(qiáng)度比常規(guī) αFe低40％ 。 ? 原因：納米材料界面原子排列比較混亂 、 原子密度低 ， 磁交互作用減小 。 ? 下圖為不同晶粒尺寸的鐵酸鎳軟磁材料的磁化曲線 。圖中縱坐標(biāo)為比飽和磁化強(qiáng)度 σs。 ? a、 b、 c、 d分別代表晶粒為 1 23和 54nm的樣品：樣品的比飽和磁化強(qiáng)度 σs隨著晶粒尺寸的減小而急劇下降 。 因此 ，晶粒越小 ， 比表面積越大 ，σs減小得越多 。 因此龐大的表面對磁化是非常不利的 。 ? 抗磁性到順磁性的轉(zhuǎn)變 ? 由于納米材料顆粒尺寸很小 ， 這就可能一些抗磁體轉(zhuǎn)變成順磁體 。 ? 例如 ， ? 金屬 Sb通常為 抗磁性 的 (χ= ?105/g 0)。 ? 但是 ， ? Sb的 納米晶 的磁化率 (χ =?104 /g 0)，表現(xiàn)出 順磁性 。 ? 這是由于納米微粒獨(dú)特的 界面效應(yīng) 引起的 。 ? 順磁到反鐵磁的轉(zhuǎn)變 ? 當(dāng)溫度下降到某一 特征溫度 （ 奈爾溫度 ）時 ， 某些納米晶順磁體轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁體 。 ? 這時磁化率 χ隨溫度降低而減小 ， 且?guī)缀跖c外加磁場強(qiáng)度無關(guān) 。 ? 例如 ， 粒徑 為 10nm 的 FeF2 納米晶在78~66K范圍從順磁到反鐵磁體的轉(zhuǎn)變等 。單晶只有 2K。 ? 與 晶界原子近鄰配位數(shù) 、 原子間距和近鄰原子種類有關(guān) 。 ? 8 、 巨 磁 電 阻 效 應(yīng) (Giant MagoResistive， GMR) ? 由磁場引起材料電阻變化的現(xiàn)象稱為磁電阻或磁阻 (Magoresistance)效應(yīng) 。 磁電阻應(yīng)用磁場強(qiáng)度為 H時的電阻 R(H)和零磁場時的電阻 R(0)之差 ΔR與零磁場的電阻值 R(0)之比或電阻率 ρ之比來描述： ? 具有各向異性的磁性金屬材料 ， 如 FeNi合金 ， 在磁場下電阻會下降 ， 磁電阻變化率約為百分之幾 。 ? ? ? ? ? ?? ?0 00 ? ?? ?=?= HR RMR? 所謂 巨磁電阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小 ， 一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高 10余倍 。 ? 1986年 ， 德國格林貝格爾利用納米技術(shù) ， 對“ Fe/Cr/Fe三層膜 ” 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究 。 ? 他們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)調(diào)節(jié)鉻 (Cr)層厚度為某一數(shù)值時 ， 在兩鐵 (Fe)層之間存在反鐵磁耦合作用；在一定的磁場和室溫條件下 ， 可觀察到材料電阻值的變化幅度達(dá) ％ ；在后來的實(shí)驗(yàn)中 ，他們再通過降低溫度 ， 觀察到材料電阻值的變化幅度達(dá) 10％ 。 ? 1988年法國巴黎大學(xué)費(fèi)爾教授等設(shè)計了一種鐵 、 鉻相間的 “ Fe/Cr多層膜 ” 。 在溫度為、 2T磁場的條件下 ， 觀察到材料電阻值下降達(dá) 50％ ， 使用微弱的磁場變化就使材料電阻發(fā)生急劇變化 ， 比一般的磁電阻效應(yīng)大一個數(shù)級 ， 這種大的磁電阻效應(yīng)稱為巨磁電阻效應(yīng) 。 ? 特別指出的是 ， 巨磁電阻是在納米材料體系中發(fā)現(xiàn)的 ， 反鐵磁性的 Cr膜與鐵磁性的 Fe膜構(gòu)成的多層膜是在 GaAs(001)基片上外延生長得到的金屬超晶格結(jié)構(gòu) ， 各層膜的厚度為納米級的 。 ? 格林貝格爾 、 費(fèi)爾獲 2022年諾貝爾物理獎 ? 1992年 Berkowtz與 xiao等人分別發(fā)現(xiàn)納米Co粒子嵌在 Cu膜中的顆粒膜存在巨磁電阻效應(yīng) 。 ? 在 CoAg， FeAg等顆粒膜中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻現(xiàn)象 。 ? 為了避免室溫下納米磁性粒子出現(xiàn)超順磁性 ，鐵磁粒子的直徑最好控制在 幾納米到 l0nm左右 。 ? Co— Ag， Fe— Ag， Fe— Cu等顆粒膜的 巨磁電阻效應(yīng)與含 Fe、 Co鐵磁粒子體積百分?jǐn)?shù) 之間的關(guān)系 。 見圖 ?可以看出 ， 在一定的體積百分?jǐn)?shù)下巨磁電阻出現(xiàn)極大值 。 ? 巨磁電阻呈現(xiàn)極大值的原因可作如下分析： ? 當(dāng) Fe、 Co顆粒體積百分?jǐn)?shù) 較小時 ， 影響巨磁電阻的因素有 3個方面： ? 一是散射中心減少 電導(dǎo)提高 ? 二是顆粒之間間距大于電子平均自由程 ,電導(dǎo)提高 ? 三是顆粒尺寸下降 電導(dǎo)下降 ? 前兩個因素引起巨磁電阻下降 ， 最后一個因素引起巨磁電阻升高 ， 前二者的權(quán)重大 ，總巨磁電阻較低； ? 顆粒體積百分?jǐn)?shù)較高時 ， 顆粒尺寸變大 ， ? 當(dāng)顆粒尺寸大于電子平均自由程 ， 甚至形成了磁疇 ， 這時大尺寸顆粒成為影響巨磁電阻的主要因素 ， 它導(dǎo)致了巨磁電阻的下降 。 ? 因此 ， 在一定的顆粒體積百分?jǐn)?shù)下 ， 巨磁電阻呈現(xiàn)極大值 。 ? 巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于 硬磁盤 的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭 （ Read Head） 。 這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少 ， 從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高 。 ? 1994年 ， IBM公司 研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭 ， 將磁盤記錄密度一下子提高了 17倍 ， 從而在與光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位 。 ? 巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個重要方面是 微弱磁場探測器 。 ? 瑞士蘇黎土高工在實(shí)驗(yàn)室研制成功了納米尺寸的巨磁電阻絲 ， 他們在具有納米孔洞的聚碳酸脂的襯底上通過交替蒸發(fā) Cu和Co并用電子束進(jìn)行轟擊 ， 在同心聚碳酸脂多層薄膜孔洞中由 Cu、 Co交替填充形成幾微米長的納米絲 ， 其巨磁電阻值達(dá)到 15％ ， 這樣的巨磁電阻陣列體系飽和磁場很低 ， 可以用來探測 10－ 11T的磁通密度 。由上述可見 ， 巨磁阻較有廣闊的應(yīng)用情景 。 ? 納米材料的磁學(xué)特性起源于多種效應(yīng) 。 ? 例如 ， ? 磁有序態(tài) 向 磁無序態(tài)的轉(zhuǎn)變 （ 超順磁性 ） 源于 小尺寸效應(yīng) （ 磁各向異性能 ） ； ? 高矯頑力 也源于 小尺寸效應(yīng) （ 單疇臨界尺寸 ） ； ? 而 量子尺寸效應(yīng) 則是納米材料 磁化率增大 的主要原因； ? 鐵磁質(zhì)居里溫度降低 則來源于 界面效應(yīng) 。 磁學(xué)性能的應(yīng)用 ? 納米微粒尺寸進(jìn)入一定臨界值時就轉(zhuǎn)入超順磁性狀態(tài)，例如 α Fe、 Fe304和 α Fe203粒徑分別為 5nm、 16nm、 20nm時轉(zhuǎn)變?yōu)槌櫞判?。另外納米顆粒材料還可能具有高的矯頑力、巨磁電阻、 magocaloric效應(yīng)等性能。因此可用于制備磁致冷材料、水磁材料、磁性液體、磁記錄器件、磁光元件、磁存儲元件及磁探測器等磁元件。 、 力學(xué)性能 實(shí)驗(yàn)表明，納米材料（納米固體材料）的硬度的變化表現(xiàn)出以下特點(diǎn)： 1）總體來說，硬度隨粒徑的減小而增長； 2）當(dāng)晶粒尺寸很小時，硬度隨粒徑的減小而降低，發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界粒徑依材料而定，有一些材料硬度先是隨著 d1/2線性增長，然后在某一粒徑開始達(dá)到一平臺； 3）在納米范圍內(nèi)， HallPetch關(guān)系式中的斜率KH要比一般尺寸材料小得多 ； HallPetch關(guān)系式是單晶和多晶材料位錯塞積理論基礎(chǔ)上，總結(jié)出來的屈服應(yīng)力 (或硬度 )與晶粒尺寸的關(guān)系： 其中 σ為 %屈服應(yīng)力， σ0為移動單個位錯所需克服的點(diǎn)陣磨擦力， kH為常數(shù)， d是平均晶粒直徑， n為晶粒尺寸指數(shù)，通常為 1/2。 按照 HallPetch關(guān)系式，由于晶粒尺寸的減小，納米材料的強(qiáng)度或硬度應(yīng)該提高。但該式有局限性，即強(qiáng)度不能無限制地增大而超過理論值。 nh dK?= 0