浅析纳米磁性材料及其应用

2021-01-25太原科技大学材料科学与工程学院山西太原市030024

石河子科技 2021年3期

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原市，030024）冯凯

1 引言

磁性材料一直是国防以及工业重要的支出和基础，它的应用非常广泛，尤其是在信息存储以及数据的传输的是不可或缺的组成部分。主要广泛的使用在电子信息、自动控制、通讯以及家电领域。尤其是在当前的微机时代，信息化的发展朝向比较的小、轻等方向发展。对于磁性的材料而言，已经经历了晶态、非晶态、纳米微晶态等发展阶段。尤其是在2000年以后，美国政府已经向美国的国会提交了增加纳米科技的研究费用，主要的依据则是巨磁电阻效应显示出巨大的经济效益和社会效益。其中的产值预计超过1千亿美元[1]。

2 磁性纳米微晶材料及其应用

2.1 磁性纳米的微晶材料及其应用

对于磁性的纳米微晶材料大致上可以分为纳米微晶永磁材料与纳米微晶软磁材料两大类。

2.1.1 纳米微晶永磁材料

在进行继1967年SmC06第一代的稀土的永磁性的材料研发之后，在1972年第二代的Sm2C07稀土永磁材料后，在1983年的时候，高性能、低成本的第三代的稀土永磁材料NdFeB之后变诞生了，这个材料进一步的奠定了稀土永磁的霸主地位。1993年日本所产的稀土永磁产值首次的超过永磁铁，根据相关估计，2025年全球的烧结的NdFeB的产值达到300亿美元，并在此过程中，超过永磁氧化铁，而且在正常的情况下，对于烧结的NdFeB的磁性为永磁铁氧体的12倍，因此在一定的相似的情况下，体积、重量均将大减小。进而实现高效率以及低能耗的目的。对于这种的纳米微晶永磁材料主要使用在微型电机、自动化办公用品、自动的控制领域同时也是稀土永磁研究以及应用的重要方向[2]。

2.1.2 纳米微晶软体材料

对软磁的材料发展状态，分别是晶态、非晶态、纳米微晶态，对于现阶段的纳米微晶态而言，性能上十分的优异，具有高磁导电率、低损耗以及较高的磁化强度。主要的应用范围是在开关电源、变压器、传导器这些都可以实现小型化以及高频化，最重要的是多功能化近年来发展非常迅猛[3]。

2.2 磁性纳米微材料及其应用

磁性的纳米颗粒最早使用在纳米磁性的材料中，从实际的应用中可以大致上分为：①磁记录性的介质;②磁性液体；③磁性药物;④吸波材料。

磁性材料和信息化、自动化、机电一体化、国民经济等方面息息相关。对于现代的磁记录而言，目前还是信息工业的主体，大趋势则是为大容量、小尺寸、密度高以及价格低等特点，同时再此基础上为了提高磁记录的密度，对已经从微米慢慢的向亚微米过渡，比方说对于性能比较好的CR02磁铁粉尺寸大约是200*35nm，对于合金磁粉的尺寸为80nm，对于纳米磁性颗粒的研究不但是对于磁记录的工业所需，而且具有一定的基础性的研究的意义。比方说小尺寸效应，量子尺寸效应‘宏观量子隧道效应等他们的研究都是以纳米微粒是主要的研究对象[4]。

磁性纳米颗粒在医学上作为靶向药物，细胞的分离、磁控造影等医学医疗应用，有的已经进入了临床试验阶段。

2.3 磁性纳米有序阵列及其应用

磁性的记录进一步发展演化为“量子磁盘”主要采用的量子雕刻方法，配合化学电镀等工艺，将磁性的纳米线进行有序的排列，进而在实际上构成纳米有序的阵列，利用各个磁纳米线方向的不同，进行有序的排列，构成纳米有序排列，利用磁纳米各向异存储特性，当实际的线间距为10μm的时候，记录密度预计可以达到400GB/IN，这就相当于每平方米存储的20万部的《红楼梦》，这一研究成果正在不断的向商品化成果进行转化，预计在未来可以达到的实际产值为600亿美元[5]。

3 磁性纳米结构材料及其应用

对于纳米性的结构材料而言，大体上可以分为两大类。①人工合成的纳米的材料，如薄膜、多层膜、隧道结等。②天然的纳米结构的材料,钙钛矿型化合物。

在具体的多层薄膜及隧道的结果上，当实际的薄膜厚度及间距之间的电子平均自由度相当的时候，所表现出来的运输特性和后期的电子的自旋取向有关，呈现出一种巨磁电阻效应，巨磁电阻特征主要是基于电子的磁性纳米结构和电子自选方向运输相关的特性有关，随着磁盘密度的不断增加，现在已经超过了65GB/in^2,其中主要的核心点在于其运用了巨磁电阻效应的磁头进行数据的读取，对于巨磁电阻的效应的产值已经达到了100亿美元/年，磁性随机存储器材会在未来有大量的商业化用途，预计产值可以达到千亿美元。

电子磁性纳米构件是20世纪末最具影响力的重大成果，除了巨磁电阻效应的读出磁头外，MRAM、磁传感器、全金属晶体管等一些比较新型的研究技术正在方兴未艾，现代的自选电子学已经成为比较青睐的学科。1993年，人们在后期的钙钛型化合物等天然纳米的结构材料中发现了庞磁电阻效应，再此基础上人们又发现了巨磁熵变，巨磁伸缩效应，受到人们的广泛关注，另外从基础的研究角度出发，钙钛型化合物是一种比较特殊的高温超导发的氧化材料，属于一种比较强的关联体，它和磁学以及运输学同样的引人注目[6]。