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文献综述
1.1纳米磁性材料的概述
纳米磁性材料大致可分为3大类:一是纳米颗粒,二是纳米微晶,三是纳米结构材料[1]。根据其结构大小分为：纳米颗粒型，可作为磁记录介质、磁流体、磁性药物载体及吸波材料等；纳米微晶型，如纳米微晶永磁材料、纳米微晶软磁材料等；纳米结构型包括人工纳米结构材料(薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道膜)和天然纳米结构材料(钙钛矿型化合物)等。根据磁性材料的物相可分：固相磁性纳米材料和液相磁性纳米材料等。根据应用的角度,磁性纳米材料可分为：纳米微晶软磁材料、纳米微晶永磁材料、纳米磁记录材料、磁性液体、颗粒膜磁性材料、巨磁电阻材料等。纳米磁性材料的磁单畴尺寸、超顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等在1～100nm范围内,具有奇异的超顺磁性和较高的矫顽磁场[2][3]。20nm的纯铁微粒的矫顽磁场是大块铁的1000倍；当粒径在50～200nm之间时,矫顽磁场和饱和磁化强度均达到最大值,且具有单畴特性。
磁性纳米材料的特点有量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。
量子尺寸效应:材料的能级间距是和原子数N成反比的,因此,当颗粒尺度小到一定的程度,颗粒内含有的原子数N有限,纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散,纳米半导体微粒则存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道,能隙变宽。当这能隙间距大于材料物性的热能,磁能,静电能,光子能等等时,就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。
小尺寸效应:当粒子尺度小到可以与光波波长,磁交换长度,磁畴壁宽度,传导电子德布罗意波长,超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时,原有晶体周期性边界条件破坏,物性也就表现出新的效应,如从磁有序变成磁无序,磁矫顽力变化,金属熔点下降等。
宏观量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力,称为量子隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中,发现宏观磁学量如磁化强度,磁通量等也具有隧道效应,这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限[4]。
1.2尖晶石结构磁性材料的概述
尖晶石型铁氧体作为一种磁性材料其工作频率高，磁谱特性好，目前已广泛应用于互感器件、磁芯轴承、转换开关、信息储存、磁流体、微波吸收及医疗诊断等方面[5][6]。尖晶石型磁性材料MFe2O4(M=Mn2 、Zn2 、Cu2 、Ni2 、Mg2 和Co2 等)种类繁多。尖晶石结构化合物一般具有3种结构:正尖晶石结构、反尖晶石结构和混合尖晶石结构[7],其中正尖晶石结构为单斜晶系,反尖晶石结构为立方晶系,而实际上大多数尖晶石结构化合物趋于混合型结构。图1(a)和(b)分别为反尖晶石结构和正尖晶石结构化合物的晶胞。反尖晶石结构化合物的分子式可写为AB2X4,其中X(O、S、F等)构成一个面心立方晶格,阳离子填充在八面体或四面体的中心。每个晶胞有2个A位和4个B位不同的阳离子阳离子,空间群为Fd3m。正尖晶石结构化合物的空间群为复杂的单斜P2/c，B位金属离子与相邻O离子的键长可分成两组,导致B位金属离子可大体分为多电荷与少电荷两群,如低温相Fe3O4中的B位Fe离子,其电荷差约0.2e,相对应价态数为 2.4和 2.6。进入尖晶石结构，可能有多种电荷组合,为研究者提供了一个庞大的实验体系。当颗粒尺寸为纳米级时，每个粒子可看成一个单磁畴，其多种电磁特性或物理特性即发生变化并表现出超顺磁性。尖晶石型复合氧化物可以作为磁性材料[8]、催化材料、隐身材料[9]等应用,纳米技术的开发又为发展新材料提供了新的途径,大大地丰富了材料科学。
1.3铬基硫族尖晶石结构磁性材料概述
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