1、“磁性材料的现状与未来”,都有为 南京大学,报告提纲一。磁性材料的基本概念二。磁滞回线表征的磁性材料三。交叉耦合效应的磁性材料,一。磁性材料的基本概念,基本磁学量： 饱和磁化强度，Bm,Ms 剩磁 Br 矫顽力 Hc 磁导率 损耗 Pw 磁能积 (BH)m 矩磁比 Br/BmK, ，Tc,金属颗粒与铁氧体颗粒制备成磁带的磁滞回线,Br,Hc,Bm,磁滞回线,电性：金属与非金属磁性材料二大类,矫顽力随颗粒直径的变化,材料磁性分二类：1.结构非灵敏性量,主要由组成所决定：Tc;Ms;K;2.结构灵敏性量，与微结构关系密切：Hc;Br;Pw,Bethe-Slater 曲线（1930/1933）Eex
2、=-2JexSiSj; Jex 交换积分；ra 原子间距；rd d壳层半径,-Fe,纯金属,反铁磁序,铁磁序,J.M.D.Coey,P.A.I.Smith,J MMM 200,1999,405,Magnetic nitrides,Bethe-Slater-Neel curve,Slater-Pauling 曲线；（巡游电子理论）3d过渡族元素合金的磁矩随3d电子数的变化。 Heuslers: A2MnB: Co2MnSi; AMnB: NiMnSb,磁性合金 3d 3d-4f,氧化物磁性材料,1.铁氧体：亚铁磁序 尖晶石型：MnZn;NiZn;MgZn;石榴石型: Y3Fe5O12;.六角晶型
3、: M型：Sr(Ba) Fe12O9;W;Y;Z;X型. 2.CrO2:铁磁性 3.钙钛矿型：双交换耦合型ABO3(LaMnO3);A3B2O7;A2BB”O6;. 4.硫族化合物： FeCr2S4,自旋系统中五种类型的交换作用,磁性材料发展进程,铁磁,亚铁磁,3d-4f 低维FM/AFM 耦合 交叉,磁性材料的分类与演变,从磁特性来分类，主要可分二大类：一。以磁滞回线为主要特性表征的磁性材料：永磁，软磁，矩磁，磁记录，二。以交叉效应为基础的磁性材料：磁致收缩材料，磁光材料，旋磁材料，磁制冷材料,多铁性材料,超构材料与器件，自旋电子学材料与器件,材料-结构与器件完美的结合成为新材料特色磁性材料
4、的内涵在不断的发展中。新的磁性材料体系探索有机磁性材料,Coey J.M.D. ,J. Alloys and compounds 326(2001)2,全球每年人平均磁性材料消耗量如下,常用的磁性材料 硅钢 MnZn , NiZn铁氧体 非晶态 NiFe,FeCo,CoCr薄膜 Co-Fe2O3粉体 CrO2粉体 AlNiCo SmCo,NbFeB (Sr,Ba)铁氧体,J.M.D.Coey, J.Alloys and Compounds 326(2001)26，,二。磁滞回线表征的磁性材料：永磁，软磁，磁记录，,1。永磁材料 碳钢 AlNiCo;MnAl;FeCrCo;FePt;CoPt 铁
5、氧体：Sr(Ba)Fe12O19 稀土永磁SmCo5; Sm2Co17;Sm-Fe-NNd2Fe14B,磁性材料的矫顽力(Hc)随时代的演化,产量（T）,2010年永磁材料产值对比,全世界主要永磁材料的产量与产值,NdFeB,Ferrite,第一代SmCo5 (60年代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第三代 Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？,*(-)(BH)m理论值。 SmFeN; SmFeC； 1:12; 3:29; 纳米复合稀土永磁（BH)m(理论） 800（kJ/m3)，1988年？ 工艺：速凝；氢爆；双合金,永磁材料在小轿车中的应用,永磁电机与软磁芯感应电机性能对
6、比,效率（ 6-8%）,体积（ 70%）,重量（ 40%）,Oliver G., et al., Adv.Mater,2011,23,821,近10年世界风力发电量与2009年各国所占份额,美国,德国,中国,西班牙,其他,近10年中，每3年风电量增加1倍，2009年为159213MW,2020年估计全球为1900GW 3MW的风力发电机需1.5T的稀土永磁,Oliver G., et al., Adv.Mater,2011,23,821,稀土永磁薄膜,MEMS；传感器等应用中要求微米级膜厚的永磁薄膜。 薄膜永磁材料：永磁铁氧体；MnBi; MnAlC; R-Co; NdFeB; Pt-Co/F
7、e - 通常采用磁控溅射;激光沉积等工艺制备。SmCo5 160kJ/m3 ; Sm2Co17 136kJ/m3；NdFeB 240kJ/m3； （ Pt/Fe）n 320kJ/m3,NdFeB,2.软磁1.Fe；FeSi;FeAl;FeSiAl；FeCoFeNi: 78Ni22Fe; 79Ni16Fe5Mo2. 非晶态合金；纳米微晶态合金3.软磁铁氧体：立方晶系：MnZn;NiZn;MgZn六角晶系：W、Y、Z 平面六角4.铁粉芯：Fe；FeSi；FeSiAl颗粒表面包覆有机、无机粘接剂5.颗粒膜：Co-Fe-Hf-O;,软磁材料是应用最广，品种丰富的一类磁性功能材料，主要产品分三类 1。高
8、磁导率材料: i10000，电感元件；抗电磁干扰（EMI)；滤波器；宽带脉冲变压器 2。低功耗材料 ：高饱和磁通密度，宽频、宽温、低损耗开关电源变压器; 变压器 3。电力工业用的软磁材料,发展趋势：高频，低损耗，宽温,功率铁氧体,金属纳米微晶软磁材料,非晶磁性合金分三类： 1。【过渡金属类金属(B,C,Si,P)】合金,如:FeSiB 2。【稀土过渡族】合金,如：NdFeB 3。【过渡族过渡族】合金，如FeZr(B),CoZr(B) 纳米微晶软磁材料系列：,Petzold J.J MMM 242(2002084,磁导率,饱和磁化强度,各类软磁材料性能的对比,纳米晶Fe-M-B-Cu合金 (NA
9、NOPERM),纳米晶(Fe,Co)-M-B-Cu合金(HITPERM),Co-基非晶合金,Mn-Zn铁氧体,Makino A,et al.,Mat.Trans. JM.36(1995)924,FeCo合金,硅钢,Fe-基非晶合金,e (f=1kHz),纳米晶Fe-Si-Nb-Cu合金（FINEMET)商品牌号,据随机各向异性模型：交换相关长度 Lex = (A/), K1 /N1/2 (N-交换作用范围内的晶粒数)。 Herzer, G. IEEE MAG26(2001)1397,薄膜传感器,1-2GHz; Q10,软磁颗粒膜,非晶、纳米晶软磁材料因低电阻率的禀性只能应用在低频段，为了增加电
10、阻率以利于高频段的应用，可采用磁性颗粒镶嵌在绝缘的薄膜(氧、氮、碳等化物）中而构成软磁颗粒膜，例如： Co(Fe)-Al(Zr)-O; Co-Pd-Al-O; CoFeB-SiO2 ; (Fe,Co)-M-O 其工作频率可高达兆赫频段 软磁颗粒膜可应用于：射频电感器；超高密度磁记录磁头；微型高频滤波器、变压器,Makino A, et al., Nano-Structured Mat.12(1999)825,3.磁记录材料,纵向模式 - 垂直模式 全息模式,磁记录进展,读出磁头：环型磁头；AMR各向异性薄膜磁头； GMR磁头； TMR磁头记录密度提高千倍，每兆位磁盘价格下降千倍 记录介质：颗粒
11、型； 薄膜型； 分立型 记录方式：纵向； 垂直； 全息,写入与读出磁头,感应式读写磁头,磁电阻式读出磁头,录音；录像；录码音频；视频；脉冲 高Ms,高，低Hc铁氧体；金属 各向异性磁电阻效应；GMR; TMR,纵向磁记录,垂直磁记录,自组装nm颗粒介质,图案型介质,图7。磁记录密度与记录模式、介质的关系以及发展趋势,Osaka T,et al.,Electrochimica Acta, 50,2005, 4576,由于超顺磁性尺寸的限制，KVkT,纵向磁记录密度已接近极.2005年希捷公司已推出110Gbit/in2 的硬盘。另一个方式是采用垂直记录的模式，已推出200Gbit/in2 的记录
12、密度，近期可望达到400Gbit/in2 ，远期目标为1TB/in2.现研究采用热辅助磁记录（TAR)方式，用高矫顽力磁记录材料，来提高记录密度,如FePt/FeRh 交换耦合薄膜等，采用垂直记录模式可望达到10Tbit/in2。,10GB微型硬盘,日立2005,If one particle is one bit and the gap is also 4 nm, number of bits per square inch will be(2.54X107)2/82 = 1.0X1013 = 10 TbitIf 8 nm particles are chosen, the density
13、will be 2.5 Tbit,4 nm monodisperse FePt particles,Sun et al, Science, 287 (2000) 1889.,Longitudinal to Perpendicular Magnetic Recording model.,S.Y. Chou Proceedings of the IEEE85(1997)652 R.F.Pease and S.Y. Chou ,Proceedings of the IEEE96(2008)248,Schematic of nanoimprint lithography consisting of 1
14、).imprint and 2). pattern transfer For mass production,Bit Patterned media (Quantized magnetic disk) Patterned magnetic nanostructures give us new freedom in controlling magnetic material properties.,量子磁盘,SUL-Soft magnetic underlayer,J.P.Wang,Nature Materials4 (2005)191,Tilted magnetic media,2005Yea
15、r 100Gb/in2. 1$/Mbyte 1c /Mbyte,三。交叉耦合效应的磁性材料:1.超（构）材料2. Magpol3. 高温磁制冷材料4. 自旋电子学,磁,光,电,热,力,磁光、力、电、热、铁电、声、生物、医学、催化,自旋电子学,磁致收缩,磁热效应,磁光效应,光磁效应,多铁性,光,微波,旋磁效应,化 学,生 物,1. 超（构）材料,能带结构-光子晶体-声子晶体-超（构）材料（Metamaterial),光频段超构材料各种设计,Veselago V.G. Narimanov E.E.,Nature materials 5,2006,759,各种电感的图案,Olivier Acher,
16、 JMMM,321,2009,2093,Olivier Acher, JMMM,321,2009,2093,超构材料可产生0，0n2=; n=,Au,Ag,Metamaterial,TNIM-Tunable Negative Index Material,P.He et al., APL.93,2008,193505,CRLH-SIW 型 超构天线; CRLH-SIW-Composite right/left-handed substrate Integrated waveguide,Yuandan Dong et al., Proc.IEEE.100,2012,2271,共振型的天线,Yua
17、ndan Dong et al., Proc.IEEE.100,2012,2271,2.Magpol,Magpol-Magnet filler-polymer matrix composites (聚合物磁性复合材料）Morphing soft magnetic composites-在外电、磁、光、热、化学等作用下可以变形。在医学器件，机械人，遥控，航空航天等领域应用广泛。,Vinh Quang Nguyen et al.,Adv. Mater.24,2012, 4041,Smart materials:Magnetostrictive materials;Piezoceramics,Sha
18、pe memory alloys(SMAs),Vinh Quang Nguyen et al.,Adv. Mater.24,2012, 4041,Vinh Quang Nguyen et al.,Adv. Mater.24,2012, 4041,3.高温磁制冷材料,从相变的角度高温磁制冷材料大致上分二类 1。利用一级相变的磁性材料铁磁- 反铁磁相变：FeRh, Pr1/2Sr1/2O3结构相变导致的磁熵变：Gd5(SiGe)4; MnFePAs; La(Fe,Si)13 ； Gd5 Ge1.9Si2Fe.1;钙钛矿磁性化合物 磁熵变大，但存在磁滞与热滞。 2。利用二级相变的磁性材料铁磁顺磁相变
19、:Gd, RAl,部分钙钛矿化合物可逆，但磁熵变较低,Magnetocaloric effect- magnetic entropy change,Schematic diagram of magnetic refrigerator,Prototype of Magneto-refrigerator,June 23, 2004,4.自旋电子学,1988年巨磁电阻效应 2007年度诺贝尔物理奖 磁电子学 半导体自旋电子学 自旋转矩STT-MRAM、RF振荡器 自旋霍尔效应,2007年度诺贝尔物理学奖巨磁电阻效应,Albert Fert （法国）(1938-3-7),Peter Grnberg（德
20、国） (1939-5-18),GMRGiant Magnetoresistance (GaAs/001Fe/001Cr)n MBE 法 Fe-磁性金属 Cr-非磁性金属,(Fe/Cr）n多层膜的巨磁电阻效应 Baibich, A.Fert et al., Phys.Rev.Lett.61(1988)2472,RKKY,The thickness of non-magnetic spacer layer.,J- The interlayer exchange coupling parameter,H.Zabel, Superlattices and Microstructures,46(2009
21、)541,equivalent circuit,Motts two current model for bulk materials,magnetic metal,M,R,巨磁电阻的物理本质是自旋极化电子流的输运性质，从而发展出以调控自旋为核心的自旋电子学。,自旋阀( Spin valve),多层膜的饱和磁场太高，磁场灵敏度低，为此采用自旋閥结构。自由层（低矫顽力磁性薄膜，如：Ni 80Fe20 合金）非磁层（如铜等非磁层薄膜）铁磁层 （磁性薄膜,NiFe; FeCo)钉扎层（反铁磁层，如：FeMn;MnIr),隧道磁电阻效应 TMR（Tunneling magneto-resistance)
22、 FM/I/FM,TMR=2P1P2 / (1+P1P2). P -自旋极化率,Lee,Y.Met al.,A.P.L. 90(2007) 212507,CoFeB/MgO/CoFeBTMR RT:500% 5K:1010%,磁电子学,与自旋相关的输运性质 磁致电阻效应 AMR,GMR,TMR,CMR- 应用读出磁头MRAM磁传感器,自旋电子学 （GMR,TMR,CMR）磁电子学 半导体自旋电子学磁电阻效应传感器 自旋FET高密度磁头 自旋LEDMRAM 逻辑元件 自旋晶体管 量子计算机分子自旋电子学,e,TMR芯片的应用.,TMR芯片, 每年200亿人民币磁性传感器市场,MRAM ; Spi
23、n Transistor,Nonvolatility, increased data processing speed, decreased electric power consumption, increased integration densities , and anti-irradiation,emitter,base,collector,Spin transistor: three-terminal,bipolar device,Spin-Transfer Torque MRAM (STT-MRAM),Yiming Huai, AAPPS Bulletin Dec.18(2008
24、)33,最近报道采用电压调控自旋的MeRAM,具有低能耗、高密度的优点，可望成为全新的芯片，将现在的微机磁盘与芯片合二为一。,MRAM磁动态随机储存器优点：非易失性；抗辐射性；高集成度；高运算速度；低功耗；长寿命与DRAM比：非易失性；抗辐射性；高运算速度。与Flash比：低功耗；长寿命；存取速度比Flash快千倍。因此，MRAM除做内存外，尚可做外存。MgO绝缘层隧道结的研究成功；自旋转矩（Spin-transfer torque)的实际应用，显著加快MRAM的实用化。,() 2-4 GHz,Spin-torque oscillator-RF Device,D.Houssameddine e
25、t al.,Nature materials 6(2007)447,半导体自旋电子学自旋注入极化电子的传输与控制检测,自旋自由度,电荷自由度,半导体自旋电子学,M.E. Flatte Nature vol462/26/419(2009),Charge switching,Spin switching,Ebit = kTln223 meV Volatility Non-resist radiation,Low Power Non-Volatility Resist high radiation,源,漏,门 V=0,V0,Rashba 效应,FM,电场,高电阻态,低电阻态,Spin FET 优点:
26、 功耗低，速度快,S.Datta and B.Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665(1990),半导体自旋电子技术很可能引起信息技术革命性变革，成为引领未来的新一代微电子技术 创造新的信息时代,以往的微电子技术仅仅利用电子具有电荷这一个自由度，从而奠定信息社会的基础，如今，半导体自旋电子学将同时利用电子具有电荷与自旋这二个自由度，必将推动电子学、光子学和磁学三者完美的融合。 逻辑运算、存储、通信三个功能将能集成在单个芯片上，从而形成功能强大、超高速、低功耗、抗辐射的全新的芯片。,巨磁电阻效应,各向异性磁电阻效应,激光,集成电路,电话,大规模计算,关联电子态,BCS超导理论,量子力学,计算机,通讯,国家安全,能源,交通,娱乐,医学,结束语继金属与合金后，20世纪50年代起，铁氧体崛起为新一代磁性材料，8090年代是磁性材料发展史上辉煌的一页：(3d-4f)稀土磁性材料；非晶，纳米晶磁性材料等问世，开创了磁性材料新纪元，现在，需要扩展其应用，精益求精提高其性能，此外，磁的交叉耦合效应，尤其是自旋电子学发展十分迅速，为多学科交叉的高科技战略制高点，值得重视。 多学科交叉是今后发展的总趋势,谢谢,美丽的青海湖,
