磁性功能材料-納米磁性材料的制備方法課件

四納米磁性材料的制備方法四納米磁性材料的制備方法1納米磁性材料可以表現(xiàn)在多個層次上，即

零維的磁性納米粒子；

一維的磁性納米絲；

二維的磁性納米膜；

塊狀的磁性納米粒子復(fù)合物。納米材料的制備方法可分為兩大類：由上到下，即由大到小，將塊材破碎成納米粒子，或?qū)⒋竺娣e刻蝕成納米圖形等。由下到上，即由小到大，將原子，分子按需要生長成納米顆粒，納米絲，納米膜或納米粒子復(fù)合物等。納米磁性材料制備方法分類納米磁性材料可以表現(xiàn)在多個層次上，即

零維的磁性納米粒子；

2這里是另一種分類法，實際工作中會有更多創(chuàng)造變化。下面介紹一些具體實例這里是另一種分類法，實際工作中會有更多創(chuàng)造變化。下面介紹一些3由上到下，機械破碎法用高能球磨，超聲波或氣流粉碎等機械方法，可以將微粉制備成納米粒子。對難熔金屬或不能進行化學反應(yīng)的材料，機械法較實用。缺點是粒度分級難，表面污染重。用高能球撞擊金屬材料表面，可使表面納米化，提高抗磨損，抗腐蝕能力，而且表面與體材料為同一材料，沒有表層剝落問題。此法機理主要是產(chǎn)生大量缺陷，位錯，發(fā)展成交錯的位錯墻，將大晶粒切割成納米晶。由上到下，機械破碎法用高能球磨，超聲波或氣流粉碎等機4PP21stcontactP1PP22ndcontactP1VacuumvSampleVibrationgeneratorsample機械法表面納米化LocalizedsevereplasticdeformationRepeatedMulti-directionalLoading每一次撞擊產(chǎn)生一組位錯PP21stcontactP1PP22ndcontact5Treatedsurface50

m截面觀察從表面到內(nèi)部，位錯密度逐步減少Treatedsurface50m截面觀察從表面到內(nèi)部62nmb=1/3[111]cbc將大晶粒切割成納米晶粒的

是位錯墻bb2nmb=1/3[111]cbc將大晶粒切割成7由上到下，刻蝕法。將大面積的薄膜用化學，電子束，離子束刻蝕，甚至在掃描隧道顯微鏡等設(shè)備下用原子搬運的方法制備納米點，納米線或其他納米圖形。這是常用于微電子的光刻機由上到下，刻蝕法。將大面積的薄膜用化學，電子束，離子束刻蝕，8離子束刻蝕機離子束刻蝕機9刻蝕法生產(chǎn)的GMR磁頭，長度僅為50納米

刻蝕法生產(chǎn)的GMR磁頭，長度僅為50納米10可用于原子搬運之類工作的是SPM類，如掃描隧道電鏡，原子力顯微鏡等?？捎糜谠影徇\之類工作的是SPM類，如掃描隧道電鏡，原子力顯11由下到上，即從原子，分子開始生長。如在制備過程中不產(chǎn)生化學反應(yīng)，就稱物理法。常用的有霧化法，濺射法，蒸發(fā)法，非晶晶化法等。如在制備過程中產(chǎn)生化學反應(yīng)的就稱為化學法，常用的有金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)，溶膠-凝膠法(sol-gel)，水熱法，共沉淀法等。由下到上，即從原子，分子開始生長。如在制備過程中不產(chǎn)12氣相凝聚法在充有惰性氣體的真空室，將金屬加熱蒸發(fā)成原子霧與惰性氣體碰撞失去動能，在液氮冷卻的棒上沉淀，將此粉末刮下收集。氣相凝聚法在充有惰性氣體的真空室，將金屬加熱蒸發(fā)成原子霧與惰13霧化法霧化法指真空中金屬熔體流束在四周環(huán)形超聲氣流等的沖擊下分散成霧化的，微小的液滴，再在冷卻的底板或收集器上凝固成納米粒子。這是規(guī)模生產(chǎn)金屬納米粒子的有效方法。超聲噴嘴的設(shè)計是重要的。霧化法霧化法指真空中金屬熔體流束在四周環(huán)形超聲氣流等14蒸發(fā)法蒸發(fā)法指在低壓的惰性氣體中加熱金屬，形成金屬蒸汽。再將金屬蒸汽凝固在冷凍的底板上形成納米粒子，或在其他單晶，多晶底板上形成納米薄膜。按加熱金屬的方法可分為：電子束加熱（如分子束外延MBE）,激光束加熱PLD，電阻絲或電阻片加熱等。蒸發(fā)法蒸發(fā)法指在低壓的惰性氣體中加熱金屬，形成金屬蒸15MBE/SPM/MOKE/M?ssbauerSpectrometerVT-SPMLED/AESM?ssbauerSpectrometerMOKEMBE/EBERHEED分子束外延設(shè)備MBE/SPM/MOKE/M?ssbauerSpectro16在Si(111)7×7基底上用MBE生長的0.21ML的Mn納米點,可見到Mn納米點自組裝于有層錯的位置。（30×30nm2）Mn納米點在Si(111)7×7基底上用MBE生長的0.21ML的Mn17濺射法

濺射法是目前制備納米薄膜使用最普遍的方法之一。是在充氬的真空室中，以所需金屬靶材為陰極，薄膜底板為陽極，兩極間輝光放電形成的氬離子在電場作用下沖擊陰極靶材，將其濺射到底板上形成薄膜。在第二章已有詳細介紹，在此不多重復(fù)。濺射法濺射法是目前制備納米薄膜使用最普遍的方法之一。18濺射制備的多層膜截面高分辨電鏡觀察。濺射制備的多層膜截面高分辨電鏡觀察。19這是用于制備磁性隧道結(jié)的多靶濺射臺這是用于制備磁性隧道結(jié)的多靶濺射臺20非晶晶化法

前提是先有非晶態(tài)薄帶或薄膜，再控制退火條件，使其晶化成納米尺度的納米晶。如對非晶態(tài)軟磁合金FeSiB中加入Nb,Cu,控制了晶化過程中的成核和晶粒長大，是易于大量生產(chǎn)納米軟磁的重要方法。非晶態(tài)制備，是將熔態(tài)金屬以每秒一百萬度的速度快速降溫，阻止其晶化而獲得。非晶晶化法21化學法：溶膠凝膠法(sol-gel)溶膠凝膠法是20世紀60年代發(fā)展起來的制備玻璃陶瓷的新工藝?，F(xiàn)常用于制備納米粒子?；驹硎菍⒔饘俅见}或無機鹽在一定溶劑和條件下控制水解，不產(chǎn)生沉淀而形成溶膠。然后將溶質(zhì)縮聚凝膠化，內(nèi)部形成三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再將凝膠干燥焙燒，去除有機成分，最后得到所需的納米粉末材料，如將溶膠附著在底板上，則可得納米薄膜。金屬醇鹽是金屬與乙醇反應(yīng)生成的M-O-C鍵的有機金屬化合物M(OR)n，M是金屬，R是烷基或丙烯基。易水解。化學法：溶膠凝膠法(sol-gel)溶膠凝膠法是2022溶膠凝膠法幾例有機法（異丙醇鋁）制備Ni65Fe31Co4/Al2O3納米復(fù)合顆粒材料異丙醇鋁去離子水加硝酸至PH=1.2(85oC)攪拌10分鐘按Ni65Fe31Co4配制保持酸性30分鐘后開始凝膠轉(zhuǎn)變50小時成干凝膠干膠粉在60ml/min氫氣下熱處理得Ni65Fe31Co4/Al2O3納米復(fù)合顆粒材料溶膠凝膠法幾例有機法（異丙醇鋁）制備Ni65Fe31Co4/23用溶膠凝膠法制備ZrO一維納米線列陣：10克氧氯化鋯+50ml乙醇攪拌，加入6mol/l的HCl調(diào)至PH=2.攪拌10小時再陳化24小時得溶膠。浸入一維納米線的制備模板后取出，干燥1小時，再在500度恒溫4小時，即可得ZrO一維納米線列陣。用溶膠凝膠法制備Zn鐵氧體與α-Fe2O3隧穿顆粒膜：

以檸檬酸為絡(luò)合物，去離子水為溶劑，ZnO和Fe(NO3)3.9H2O為原料，配置成溶膠后在70度恒溫形成凝膠和干凝膠，1100度預(yù)燒4小時，粉碎并在1000kg/cm2下壓片，再1400度熱處理2.5小時可得以α-Fe2O3為隧穿勢壘的半金屬Zn鐵氧體的隧穿顆粒膜用溶膠凝膠法制備ZrO一維納米線列陣：用溶膠凝膠法制備Zn鐵24化學共沉淀法通過化學反應(yīng)將溶液中的金屬離子共同沉淀下來。先將金屬鹽類按比例配好，在溶液中均勻混合，再用強堿作沉淀劑，將多種金屬離子共同沉淀下來。圖示Fe3O4納米粒子的共沉淀制備：將二價鐵離子和三價鐵離子的氯化物溶液在氫氧化鈉強堿的作用下沉淀?；瘜W共沉淀法通過化學反應(yīng)將溶液中的金屬離子共同沉淀下2550年前就用此法制備的納米磁性粒子觀察磁疇50年前就用此法制備的納米磁性粒子觀察磁疇26金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)將金屬有機物汽化后混合引入真空反應(yīng)室，在熱的作用下誘發(fā)氣相反應(yīng)，有機物分解，形成金屬納米粒子或薄膜，如有氧氣氛存在，則可形成金屬氧化物。常用的金屬有機物是M-(tmhd)2,3M-(thd)等。(有機部分-(thd)是四甲基-庚烷酮)金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)將金屬有機物汽27磁性液體制備充分利用了納米粒子的表面效應(yīng)，即表面成分的變異和吸附。將長鏈，如脂肪酸的親水性羧基–COOH吸附在磁性納米粒子表面，而親油性的烴基CnH2n+1與磁性液體的基液如聚苯醚連接，起到界面活性劑的作用。典型的界面活性劑有油酸，酰亞胺，聚胺等。將磁性納米粒子制備成磁性液體的方法磁性液體制備充分利用了納米粒子的表面效應(yīng)，即表面成分28磁性液體在磁場梯度中集聚磁性液體在磁場梯度中集聚29磁性微球制備納米磁性粒子通過表面活化劑與單克隆抗體，酶，藥物，基因結(jié)合，稱為磁性微球磁性微球制備納米磁性粒子通過表面活化劑與單克隆抗體，酶，藥物30

一維磁性納米絲這是近年來發(fā)展很快的研究內(nèi)容，制備納米絲列陣的方法一般先要制備圓柱形列陣孔的模板，在這些模板孔中可以用物理制膜（濺射，蒸發(fā)等），化學制膜（MOCVD法,溶膠凝膠法，共沉淀法等）獲得相當均勻的各類材料,如單晶，多晶，多層膜等一維納米絲列陣。而制備模板的方法也有多種，如徑跡蝕刻高聚物模板，分子篩膠束型模板，碳納米管模板等，但以陽極氧化鋁模板法為最普遍。

下面介紹模板制備方法NiFe絲Co單晶絲一維磁性納米絲NiFe絲Co單晶絲31徑跡蝕刻高聚物模板核裂變碎片輻照使高分子聚酯或聚碳酸酯薄膜產(chǎn)生損傷性凹坑，再經(jīng)化學處理而形成分布隨機，孔徑均勻的圓柱形納米模板。這類模板的最小孔徑為10納米。由于核輻照有發(fā)散性，并不能保證孔與模板面的垂直。徑跡蝕刻高聚物模板核裂變碎片輻照使高分子聚酯或聚碳酸32分子篩型有序模板前面曾提到表面活性劑高聚物，一端親水，一端親油。當加到有無機前驅(qū)物的溶液中時，親油端會因水的排斥而浮到水面，表面活性劑濃度增加到使水面上的親油端飽和后，親油端只能在溶液內(nèi)聚集成膠束，膠束內(nèi)為親油端，膠束外為親水端，以降低能量。膠束可形成球狀，柱狀，層狀的周期性排列。膠束之間為有無機前驅(qū)物的溶液所包圍。對此進行干燥以去除溶液水，再加熱燒去有機物，則形成由無機壁構(gòu)成的介孔分子篩。也可以當成模板。分子篩型有序模板前面曾提到表面活性劑高聚物，一端親水33碳納米管模板法以碳納米管本身作為碳源而參與反應(yīng)，形成原碳納米管為基本形狀的一維實心納米線。這種方法尚沒有用于磁性材料納米線制備。碳納米管模板法以碳納米管本身作為碳源而參與反應(yīng)，形成原碳納米34二次陽極氧化法制備Al2O3模板將厚度為0.5mm以下的高純鋁片作500度真空退火2小時并作電化學拋光處理。以此作電極在H2SO4或H2C2O4電解液中作恒溫恒壓陽極氧化十余小時，再在6wt%H2PO4和1.8wt%H2CrO4混合液中將形成的氧化膜層完全溶解。對此鋁片用同樣的條件作二次陽極氧化2-4小時，可得如圖所示的模板。二次陽極氧化法制備Al2O3模板將厚度為0.5mm以下的高純35進一步制備雙通模板將上述模板在20%HCl和0.1MCuCl2混合液中去除剩余的鋁，再用5wt%H2PO4去除底部密實的氧化鋁障礙層，則可得如圖所示的雙通模板。進一步制備雙通模板將上述模板在20%HCl和0.1MCuCl36這是一個實際控制孔徑尺寸的條件這是一個實際控制孔徑尺寸的條件37自組裝為六角密排有序列陣的機理氧化初期形成致密氧化層---障礙層，一定條件下其厚度不變。其后的陽極氧化是靠電場作用下的離子擴散。由于氧化鋁的體積大于鋁的體積，較厚的氧化層內(nèi)體積膨脹產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在電場，應(yīng)力和酸性介質(zhì)的共同作用下，氧化膜的薄弱點發(fā)生選擇性溶解破壞，形成多孔結(jié)構(gòu)，應(yīng)力的均勻作用使孔按六角密排自組裝時能量最低。目前的進展顯然還難以真正應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化自組裝為六角密排有序列陣的機理氧化初期形成致密氧化層38設(shè)計一種新的制備方法，這本身就是重要的創(chuàng)造性工作。許多重要材料的發(fā)現(xiàn)就是從新的制備方法開始的。因此，本章介紹的內(nèi)容只是引導(dǎo)入門，工作中應(yīng)開闊思路，舉一反三，有自己的創(chuàng)新。比如：設(shè)計一種新的制備方法，這本身就是重要的創(chuàng)造性工作。許多重要材39這是利用單晶解理面小角切面的晶面臺階制備一維納米絲這是利用單晶解理面小角切面的晶面臺階制備一維納米絲40致謝講義中引用了盧柯研究員，李發(fā)伸教授，張立德教授，成昭華研究員，韓秀峰研究員，吳光恒研究員，蔣致誠教授,沈健博士，張信義博士，馬躍博士等的研究結(jié)果，照片或圖表，在此一并致謝。致謝講義中引用了盧柯研究員，李發(fā)伸教授，張立德教授41思考題順磁性，超順磁性，自旋玻璃態(tài)都表現(xiàn)為宏觀上的磁無序，試述其差異點。（如何從實驗上區(qū)分他們？）試述磁性粒子矯頑力隨粒子尺寸的變化規(guī)律及其原因。磁交換作用在實際納米磁性材料中有特殊的重要性，試舉三例。思考題順磁性，超順磁性，自旋玻璃態(tài)都表現(xiàn)為宏觀上的磁無序，試42課程回顧一磁性物理的基礎(chǔ)

晶場中的原子磁矩；物質(zhì)的各種磁性；磁有序的基本相互作用；磁各向異性與磁致伸縮；磁疇與技術(shù)磁化過程。

二磁性薄膜的制備、性能和應(yīng)用

磁疇和疇壁；各向異性和磁化過程；磁存儲；超薄膜磁性和交叉效應(yīng)；磁性薄膜的制備和生長。

三磁場中電荷-自旋的輸運性質(zhì)

磁性物質(zhì)中的磁電阻與霍爾效應(yīng)；長程交換耦合；巨磁電阻(GMR)和隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)；龐磁電阻（CMR）效應(yīng)和強關(guān)聯(lián)電子體系；從磁電子學到自旋電子學。

四納米磁性和磁性納米結(jié)構(gòu)

納米磁性研究的發(fā)展歷程；納米磁性材料的基本特征；納米磁性材料的制備方法，介紹一些具體納米磁性材料：零維磁性顆粒、磁性液體和磁性微球，一維納米線，二維納米膜，納米復(fù)合材料：納米軟磁，納米復(fù)合硬磁，納米高頻材料。課程回顧一磁性物理的基礎(chǔ)

晶場中的原子磁矩；物43由此可見磁學是一門既古老又年輕的學科

磁性是從宇宙天體到基本粒子普存的學科

磁學是與國民經(jīng)濟密切相關(guān)的學科

磁學內(nèi)容是不斷與諾貝爾獎得主結(jié)緣的學科由此可見磁學是一門既古老又年輕的學科

磁性是從宇宙天體到基44對磁學有重大貢獻的諾貝爾獎得主從1902年度的塞曼(P.Zeeman)洛論茨(H.A.Lorentz)到后來的居里夫婦