课件：超微颗粒的物理特性概述.ppt

2、 矫顽力 在磁学性能中，矫顽力的大小受晶粒尺寸变化的影响最为强烈。 磁场含有的能量与场的平方及其体积成比例，一个单独的平行自旋畴的静磁能量可以分解成更小的、方向排列相反的畴而被降低。这种有利的能量降低将使小畴继续分裂成更小的畴，直到能量无法减小为止。 静磁能和畴壁之间的竞争限制了材料分解成无限小的畴，因为在形成多畴时要消耗能量来形成畴壁。 因此，当样品尺寸小到某一个临界尺寸时，样品不能分裂为多畴以获得有用的能量分布，此时只能有一个磁畴。 由于单畴粒子中没有可以移动的畴壁，反磁在单畴粒子中必须通过自旋转动产生，因此单畴粒子相对多畴粒子有较大的矫顽力。 对于大致球形的纳米微粒，纳米微粒尺寸高于某一临界尺寸时，矫顽力Hc随尺寸减小而增加，达到最大值后反而下降。 对应最大值的晶粒尺寸相当于单畴的尺寸。一般为几纳米到几百纳米。 另外，从图中可以看出：矫顽力随着温度的提高而降低。 如下图粒径与矫顽力之间的关系。粒径为65nm的纳米Ni微粒。矫顽力很高，χ服从居里—外斯定律。（这与传统材料不一致，说明粒径降低在一定范围内可以提高矫顽力，阻止铁磁体向顺磁体转变）； 而粒径小于15nm的Ni微粒，矫顽力Hc—0，这说明它们进入了超顺磁状态，磁化率χ不再服从 居里—外斯定律。 （矫顽力降低，促进 铁磁体向顺 磁体转变） *当纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力Hc与平均晶粒尺寸D的关系为： Hc ＝C／D 式中，C是与材料有关的常数， 可见，纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力随晶粒尺寸D的减小而增加。 *当晶粒尺寸小于某一尺寸后，矫顽力随晶粒的减小急剧降低。此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为： Hc ＝C D6 C 为与材料有关的常数，与实测数据相符合。 矫顽力的尺寸效应可以用图来定性解释。晶粒直径D有三个临界尺寸。 当DDc时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程，Hc相对较小； 当DDc时，粒子为单畴，但在dcDDc时，出现非均匀转动，Hc随D的减小而增大； 当dthDdc时，为均匀转动区，Hc达极大值。 当Ddth时，Hc随D的减小而急剧降低，直至达到超顺磁性。 微粒的Hc与直径D的关系 Dc dc dth 纳米微粒高矫顽力有两种模型解释： 一致转动模式和球链反转磁化模式。 一致转动磁化模式： 当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴， 每个单磁畴的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁，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，即具有较高的矫顽力。 实验表明，纳米微粒的矫顽力Hc测量值与一致转动的理论值不相符合。 例如， 粒径为65nm的Ni微粒矫顽力其矫顽力测量值为： Hcmax≈1.99×104(A/m)。 这远低于一致转动的理论值， Hc ＝ 4K/3Ms ≈ 1.27×105(A/m)。 球链反转模型： 有人认为，纳米微粒Fe，Fe3O4和Ni等的高矫顽力的来源应当用球链模型来解释，纳米微粒通过静磁作用形成链状。 他们采用球链反转磁化模型来计算了纳米Ni微粒的矫顽力。 设n＝5，则Hcn≈4.38×104(A/m)，大于实验值Hcmax≈1.99×104(A/m) ，引入缺陷修正后，矫顽力可以定性解释上述实验事实。 3、居里温度下降 居里温度Tc：为物质磁性的重要参数。通常与交换积分Je成正比，并与原子构型和间距有关。 对于薄膜，理论与实验研究表明，随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。 原因：对于纳米微粒，由于小尺寸效应和表面效应，表面原子缺乏交换作用，尺度小还可能导致微粒内部原子间距变小，这都使交换积分下降，因此具有较低的居里温度。 例如： 85 nm粒径的Ni微粒，居里温度约350℃，略低于常规块体Ni的居里温度(358℃)。 Ni超顺磁性临界尺寸为6.7 nm。 具有超顺磁性的9 nm Ni微粒，在高磁场下(9.5×105A/m)使部分超顺磁性颗粒脱离超顺磁性状态。 其居里温度如下图 9nm样品在260℃附近σs-T存在一突变，这是由于晶粒长大所致。根据突变前σs-T曲线外插可求得9 nm样品Tc值近似为300℃，低于85nm的Tc值(350℃)，因此可以定性地证明随粒径的下降，纳米Ni微粒的居里温度有所下降。 原因：纳米微粒原子间距随粒径下降而减小造成的。 5nm Ni点阵参数比常规块体收缩2.4%。 (比饱和磁化强度）σs-T曲线确定居里温度 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。 每个微粒的电子可以看成一个体系，电子数的宇称可为奇或偶。 对于一价金属的微粉，一半粒子的宇称为奇，另一半为偶； 两价金属的粒子的宇称都为偶。 电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。 纳米磁性金属的χ值通常是常规金属的20