纳米材料与技术-纳米磁性材料
第十章 纳米磁性材料
一、材料的磁性
二、纳米微粒的磁学性能 三、纳米固体材料的磁学性能 四、纳米磁性材料
一、材料的磁性
1. 材料的磁现象
① 天然磁石：主要成分为Fe 3O 4，属于一种尖晶石结构的铁氧体，其显著特点是具有吸铁的能力，称为永磁材料，也称为硬磁或恒磁材料。
慈(磁)石的发现、磁石吸铁的发现、磁石指南和最早磁指南器(司南)的发明、指南针的发明和应用、地球磁偏角的发现、地球磁倾角的利用、磁在医药上的应用、北极光地球磁现象和太阳黑子、太阳磁现象的记载等，都是中国最早发现、发明、应用和记载的。
② 1820年，奥斯特发现电流产生磁场：
距导线r 米处的磁场强度H 为： H = I / 2π r (A/m)
1 A/m = 4 ? 103 Oe (Oersted)
? 材料在外加磁场 H （直流、交变或脉冲磁场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度B ，单位为T(Tesla)或韦伯/米2 (Wb/m 2)。 1T = 1 Wb/m 2
1T = 104 Gauss
μ：磁导率，为材料的本征参数 μ0：4 ? 10-7 亨利/米
③ 其他表征磁性材料的参数：
相对磁导率：μr = μ / μ0 磁化率：χ = μr – 1 磁化强度：M = χH
2. 材料磁性的微观机理 ① 基本概念：
磁偶极子：线度小至原子的小磁铁，可等效为环绕电路流动的电荷，如电子绕原子核的运动、电子的自旋、旋转的电子核等。
磁偶极矩P m ：真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩。
磁矩m ：P m 与μ0的比值，单位为A·m 2。
② 材料的宏观磁性：由组成材料的原子中电子的磁矩引起，产生磁矩的原因有二：
i ）电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩m o 。
ii ）每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩m s ，它比m o 大得多。
故每个电子可看成一个小磁体，具有永久的m o 和m s 。
Bohr 磁子μB = e?/2m e
每个电子的m s ≈ μB ， m o 受不断变化方向的晶格场作用，不能形成联合磁矩。
? 原子是否具有m ，取决于其具体的电子壳层结构。若有未被填满的电子壳层，其电子的m s 未被完全抵消，则原子具有永久m 。
3. 材料磁性的分类
材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应，具体可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性（均为弱磁性）、铁磁性和亚铁磁性（均为强磁性）。
① 抗磁性（Diamagnetism ）：在外加磁场存在时，外磁场会使材料中电子的轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩，其方向与外磁场方向相反，故名抗磁性。
常见材料：Bi 、Zn 、Ag 、Mg 等金属，Si 、P 、S 等非金属，许多有机高聚物以及惰性气体。
② 顺磁性（Paramagnetism ）：有些材料（Al ，Pt 等）的m s 和 m o 没有完全被抵消，每个原子都有一个永久m ，但在无外磁场作用时，各个原子的m 无序排列，材料表现不出宏观的磁性；而在有外磁场作用时，各个原子m 会沿外磁场方向择优取向，使材料表现出宏观的磁性，称其为顺磁性。
H
B 00 μμ==真空中
常见材料：稀土金属，Fe族元素的盐类，Mn、Cr、Pt、N2、O2等。
抗磁性和顺磁性材料一般看作是无磁性的，因为它们只有在外磁场存在时才被磁化，而磁化率又极小。
③铁磁性（Ferromagnetism）：
26Fe、27Co、28Ni、39Y、66Dy等材料在外磁场作用下，会产生很大的磁化强度，外磁场去除后仍能保持相当大的永久磁性，故而得名。
具有铁磁性的材料的磁化率可高达106，使得磁化强度M (M = χH )远大于磁场强度H。
④反铁磁性（Antiferromagnetism）：
MnO，Cr2O3，CoO，ZnFeO4等材料，其相邻原子或离子的磁矩作反方向平行排列，总磁矩为零。
⑤亚铁磁性（Ferrimagnetism）：
对于含铁酸盐的陶瓷磁性材料，即铁氧体（Ferrite），其宏观磁性类似于铁磁性，但是其磁化率和饱和磁化强度比铁磁性材料低一些，称为亚铁磁性。这类铁氧体的电阻率较高，适于制作电导率低的磁性元件。
材料的铁磁理论
一般铁磁性材料的磁化率χ和磁导率μ很大，其磁化强度M( = χH )和磁感应强度 B ( = μH )与磁场强度H 之间不是单值函数关系，而显示磁滞现象（Hysteresis Loop）。
铁磁材料具有一个磁性转变温度：居里温度T C T < T C时，表现出铁磁性；
T > T C时，铁磁性消失而呈现顺磁性。 磁畴（magnetic domain）假说：
铁磁材料的自发磁化是按区域分布的，各个自发磁化区域称为磁畴。
铁磁材料在一定温度范围内（0 K到T C）存在与外加磁场无关的自发磁化，导致自发磁化的相互作用力为材料内部的分子场，原子磁矩在分子场作用下克服热运动的无序效应，自发地平行一致取向
—分子场假说（Heisenberg证明了分子场是量子交换相互作用的结果，这种交换作用纯属量子效应。可见铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用）。
该假说已被随后的理论和实验所证明：每个磁畴的线度为1-100μm，约含1015个原子，每一磁畴内原子的磁矩沿同一方向排列。
由于铁磁材料在温度高于T C时铁磁性消失，这表明热运动能破坏了分子场对原子磁矩有序取向的作用能，在T C处两种作用能相等。
铁磁材料的居里温度T C正比于交换积分，居里温度的本质是铁磁材料内静电交换作用强弱在宏观上的表现，交换作用越强，就需要越大的热能才能破坏这种作用，宏观上就表现出越高的居里温度。
材料具有铁磁性的条件为：
必要条件：材料原子中具有未充满的电子壳层，即有原子磁矩。
充分条件：交换积分大于零。
4. 铁氧体磁性材料
①含义：铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料，它的磁性与铁磁性有相同点，都具有自发磁化强度和磁畴；不同之处在于，铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，因此铁氧体磁性来自两种不同的磁矩：一种磁矩在一个方向相互整齐排列，另一种磁矩在相反的方向排列。这两种磁矩方向相反，大小不等，两种磁矩之差不等于零，就产生了自发磁化现象，故铁氧体磁性又称亚铁磁性。
②按结构分类
铁氧体材料有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钙铁矿型和钨青铜型等6种，前三种最为重要。
i) 尖晶石型铁氧体(面心立方结构)的通式为Me2+Fe23+O42-，其中Me2+为Fe、Ni、Mn、Zn、Ba、Pb、Mg等二价金属离子，也可以是几种离子的混合物，如Mg1-x Mn x等，因此其组成和磁性能宽广。
ii) 石榴石型（立方晶系）的通式为R33+Fe53+O122-，式中的R3+为三价的稀土离子等。
iii) 磁铅石型的通式为Me2+Fe123+O192-，其中的Me2+为Ba2+、Sr2+、Pb2+ 等二价金属离子，此种六角晶系铁氧体具有高的磁晶各向异性，矫顽力高，适宜制备永磁材料。其片层结构具有很好的吸波性能。
③按磁滞回线特征分类
i) 软磁材料
ii) 硬磁材料（永磁材料）
iii) 矩磁材料
这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软，而是指磁学性能上的硬和软。
磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性，其特征是具有4种主要磁特性：(1)高的矫顽力(矫顽磁场)H c。矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使其剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度，它是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度；(2)高的最大磁能积(BH)m。最大磁能积是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度；(3)高的剩余磁通密度B r和高的剩余磁化强度M r。它们是具有空气隙的永磁材料在气隙中磁场强度的量度；(4)高的稳定性，即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。
软磁材料：矫顽力H c小，磁导率 高，磁损耗低，饱和磁感应强度大，电阻率高。主要用于电感线圈、变压器的磁芯、录音磁头、磁放大器等。
硬磁材料（永磁材料）：剩磁B r大，矫顽力H c大，最大磁能积(BH)max大等。最重要的铁氧体硬磁材料为钡恒磁BaFe12O19，它比金属硬磁材料的优点是电阻大、涡流损失小、成本低，主要用于扬声器、拾音器、助听器、示波器等。
矩磁材料：其磁滞回线近似为矩形，矫顽力H c小，磁损耗小等，可用作记忆元件、开关元件或逻辑元件（利用其两个剩磁态+B r和-B r表示计算机中的“1”和“0”状态）。
铁氧体永磁材料是以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料，其特点是电阻率高，特别有利于在高频和微波中应用。如钡铁氧体(BaFe12O19)和锶铁氧体(SrFe12O19)等，以Fe2O3及SrO或BaO为原料，通过陶瓷工艺方法制造而成，外形有圆形、圆柱形、方形、瓦形等。
5. 稀土永磁材料
永磁材料是在一指定空间可产生恒定磁场的材料。永磁体既可以单独使用，也可以与其他铁磁性或非铁磁性材料组成磁路，进而成为磁器件。
永磁材料性能的提高，可使器件尺寸变小。稀土永磁材料是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料--是以钐、钕等稀土族元素和钴、铁等铁族元素为主要成分组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。
1983年，钕—铁—硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料问世，是永磁材料领域中的一个巨大进步，其高性能可能带来高新技术产业中的磁器件高效化、小型化和轻型化。
1967年，SmCo5——第一代稀土永磁材料
1972年，Sm2Co17——第二代稀土永磁材料
1983年，高性能、低成本的第三代稀土永磁材料Nd2Fe14B3问世，奠定了稀土永磁材料在永磁材料领域的霸主地位。
1993年，日本稀土永磁材料产值首次超过永磁铁氧体。
2000年，全球烧结NdFeB的产值达30亿美圆，超过永磁铁氧体。
永磁体最基本的作用是在某一特定的空间中产生一恒定的磁场，维持此磁场并不需要任何外部电源。
标志永磁材料好坏的参数有许多，最重要的是最大磁能积(BH)max，磁能积越大，材料每单位体积所产生外磁场的能量就越大。目前商品NdFeB永磁材料的最大磁能积(BH)max达440 kJ/m3，比碳钢的2 kJ/m3提高几百倍，是永磁铁氧体的12倍，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。
由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异的特性，从而在特定空间中产生同样磁通量所需的磁体体积明显减小，已给永磁应用带来革命性的变化。
第三代稀土永磁钕铁硼（NdFeB）是当代磁体中性能最强的永磁体，它不仅具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积、高性能价格比等特性，而且容易加工成各种尺寸。现已广泛应用于航空、航天、电子、电声、机电、仪器、仪表、医疗技术及其它需用永磁场的装置的设备中，特别适用于研制高性能、小型化、轻型化的各种换代产品，在各国的极大重视下发展极为迅速。
二、纳米微粒的磁学性能
1. 超顺磁性
铁磁性的特点在于一个磁化了的物体会强烈地吸引另一个磁化了的物体，即铁磁性物质对磁场有很强的磁响应，在磁场撤去后仍然保留磁性；而顺磁性则是当把物质放到磁场中时，物质在平行于磁场的方向被磁化，而且磁化强度与磁场成正比(极低温、极强磁场除外)，也就是说顺磁性物质只有很弱的磁响应，并且当撤去磁场后，磁性会很快消失。
超顺磁性则兼具前两者的特点，超顺磁性物质在磁场中具有较强的磁性(磁响应)，当磁场撤去后其磁性也随之消失。
?纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，这时磁化率χ不再服从常规的居里-外斯定律。
例如:α-Fe、Fe3O4和α-Fe2O3粒径分别为5nm、16nm 和20nm时变成顺磁体。Ni粒径小于15nm时，矫顽力H c→0，说明进入了超顺磁状态。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。
?超顺磁状态的原因：由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。
2. 矫顽力：纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力H c。
如用惰性气体蒸发冷凝的方法制备的纳米Fe微粒，随着颗粒变小，饱和磁化强度Ms有所下降，但矫顽力却显著地增加。大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍；但若进一步减小其尺寸到约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。
高矫顽力的解释：
一致转动模式：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴，每个单磁畴纳米微粒成为一个永久磁铁，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，即超顺磁状态的纳米微粒具有较高的矫顽力。
球链反转磁化模式：球链使磁性增强（球面缺陷将削弱磁性）。
?利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。而利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。3. 居里温度：由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。
可证明随粒径的下降，纳米Ni微粒的距离温度有所下降。
纳米微粒内原子间距随粒径下降而减小，原子间距减小将导致交换积分的减小，从而使反映交换作用强弱的居里温度随粒径减小而降低。
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。
偶数电子数—颗粒具有抗磁性；
奇数电子数—颗粒具有顺磁性。
电子数为奇或偶数的粒子的磁性随温度变化还有不同的变化规律。
三、纳米固体材料的磁学性能
1. 材料磁性与材料结构的关系
磁化强度M( = χH )、磁化率χ（= μr– 1）等磁性参量与物质的晶粒大小、形状及缺陷等密切相关；居里温度T c等与物质中的相分布（组成、数量）有关系。纳米固体材料较之常规多晶、非晶材料，有独特的结构。
①磁结构?（磁化特点）?独特的磁性
如纳米晶Fe：每个纳米Fe粒为一个单的铁磁畴，相邻晶粒的磁化受晶粒的各向异性和磁交互作用的共同影响，由于晶粒的取向很混乱，使材料中磁化交互作用仅限于几个晶粒的范围，没有长程的交互作用。不象常规Fe晶体中可通过磁畴壁的运动来实现磁化。
②组成结构?新的磁特性
i）颗粒组元：纳米级颗粒有高的矫顽力H c和低的T c；尺寸d小于某临界值时出现超顺磁性；χ与d的关系取决于颗粒中电子数的奇偶性，等等。
ii）界面组元：结构与粗晶粒差别很大，其本身的磁性独特：磁各向异性能小于晶粒内部，T c比大块多晶的低，等等。
故：纳米微晶＋庞大界面?纳米材料独特的磁性
2. 纳米材料的磁特性
①饱和磁化强度Ms
②磁性的转变
③超顺磁性
④磁相变
⑤居里温度Tc
⑥巨磁电阻效应
①饱和磁化强度Ms
纳米晶Fe也有铁磁性，但其Ms比常规Fe材料低。铁的Ms取决于短程结构，纳米晶Fe的界面的短程序与常规Fe材不同，如原子间距较大等，使其Ms降低。故Ms的下降表明庞大的界面对材料的磁化不利（畴壁运动受阻）。
②磁性的转变
i）抗磁性?顺磁性（随粒径的下降）
金属Sb（χ < 0）?纳米晶Sb（χ > 0）
ii) 顺磁性?反铁磁性（随温度的下降）
纳米晶顺磁体?反铁磁体
（χ与外场H无关，与T成正比）
对纳米晶FeF2，界面中原子配位小，原子间距大，导致其晶界的T N降低，使纳米晶FeF2块体的T N有个分布。
③超顺磁性
纳米结构材料的界面体积分数很大，界面的磁各向异性常数小于晶粒内部，使得磁有序较易实现，超顺磁性易出现。
如：α-Fe2O3纳米粉体，在室温下有明显的超顺磁性。
④磁相变
传统粗晶Er为hcp结构，在100K以下由于电子间的静电交换作用和晶粒磁各向异性共同作用，产生三类不同的磁相变。
T a=85K时，出现纵向正弦磁结构，
T b=52K时，成为基面调制结构，
T c=19K时，为沿C轴有净磁矩的螺旋铁磁结构。
（超顺磁性）
?该磁相变的情况在纳米微晶Er材料（晶粒12-70nm，密度50%-75%）中有所改变：i) 通过缓慢蒸发制备的纳米微晶Er，很难找到温度较高的两个相变点，但超顺磁性可观察到。ii) 经快速蒸发过程制备的纳米微晶Er 材料，3个相变点仍然存在，但对应的温度有变化，超顺磁性也可观察到。
解释：a．超顺磁性：可用稀土族元素的无相互作用粒子模型，在温度Tc以下（热扰动小）出现磁有序，有宏观净磁矩。b．较高温度相变点的移动、消失：可能与纳米晶粒的有效各向异性和交换相互作用有关。Er的相变对磁各向异性与交换相互作用项之间的细微平衡很敏感，在纳米微晶中，由于晶界和微晶粒内部局域环境的畸变，将使上述平衡发生移动，从而影响Er的磁相变。
纳米微晶材料的磁性与晶粒尺度、界面原子分数以及界面原子结构之间的关系仍需进一步阐明。⑤居里温度Tc
纳米晶材料具有较低的Tc（磁畴小，静电交换作用弱）：如：85nm的Ni的Tc比常规粗晶的低8℃；
70nm的Ni的Tc比常规粗晶的低40℃。
Tc的降低不单纯是由于大量界面引起时，晶粒组元也会有所贡献。
⑥巨磁电阻效应
I. 磁电阻：具有各向异性的磁性金属材料，在磁场下电阻下降的现象称为磁阻效应。
?R一般约为百分之几。
磁电阻效应具有各向异性：来自各向异性的散射，如自旋-轨道耦合和低对称性的势散射中心。
各向异性磁电阻：坡莫合金（Ni81Fe19）的磁电阻在5K时为15%，RT时仍有2.5%。
磁电阻效应主要用于读出磁头、传感器和磁电阻型随机存取存储器（MRAM）。
II . 巨磁电阻效应（GMR）
磁性金属和合金一般都有磁电阻现象(在一定磁场下电阻改变的现象)。而巨磁电阻是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。
巨磁电阻效应是近20年来发现的新现象。1986年，德国的Crunberg 教授首光在Fe/Cr/Fe多层膜中观察到反铁磁层间耦合。1988年，法国巴黎大学的Albert Fert 教授研究组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应：?R = -50%，比一般磁电阻效应大一个数量级，且为负值，各向同性。
这在国际上引起了很大的反响。20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Ag，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag 和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应，由于巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量。?是在纳米材料体系（人工纳米结构磁性金属膜）中发现的！
i) 人工超晶格、多层膜的GMR
?(100)GaAs基片上用MBE生长单晶(100)Fe/Cr/Fe三层膜和(Fe/Cr)超晶格薄膜，发现当Cr层为9 ?厚时，在4.2 K下当所加外场为20kOe（相邻Fe层磁矩平行排列）及不加外场（相邻Fe层磁矩反平行排列）时，前者的电阻只有前者的一半（?R = -50%）。（1988年）
)0(
)0(
)
(
<
-
=
?
R
R
H
R
R
后有研究表明(Fe/Cr)超晶格在 1.5 K时，?R达-220％。在铁磁层（Fe、Co、Ni及合金）和非磁层（3d、4d及5d非磁层金属）的多层膜中，许多具有GMR效应。
解释：磁性金属多层膜GMR效应依赖相邻铁磁层的相对取向，而外磁场的作用不过是改变相邻铁磁层的相对取向，这说明电子的输运与电子的自旋散射相关。
在与自旋有关的s-d散射中，当电子的自旋与铁磁金属的自旋向上3d子带（多数自旋）平行时，其平均自由程长，相应的电阻率低；而当电子的自旋与自旋向下的3d子带平行（即与多数自旋反平行）时，其平均自由程短，相应的电阻率高。
因此，当相邻铁磁层的磁矩反铁磁耦合时，在一个铁磁层受散射较弱的电子（即其自旋方向平行于多数子带电子的自旋方向）进入另一铁磁层后必受较强的散射（其自旋方向仅与少数子带电子的自旋方向平行），故对所有传导电子而言均受到较强的散射；而当相邻铁磁层的磁矩在磁场的作用下趋于平行时，自旋向上的电子在所有铁磁层中均受到较弱的散射，相当于短路状态。此即基于Mott模型对GMR效应的简单解释。
自旋阀（Spin Valve）结构：在通常的磁性多层膜中存在较强的层间反铁磁耦合作用，GMR必须在非常高的饱和外磁场（10到20 kOe）下才能达到，所以MR的灵敏度很小。人们就通过各种人为的方式使不存在(或很小)交换耦合的相邻铁磁层的磁矩在一定磁场下从平行排列变到反平行排列到相反变化，此即自旋阀结构。
Spin阀通常分为两种基本方式：一种是被非磁层分开的两软磁层之一用反铁磁层（FeMn，NiO）通过交换作用钉扎；另一种是具有不同矫顽力Hc的两铁磁层（一软一硬）用非磁层分开。
在Spin阀中.未被钉扎的软磁层或低Hc的磁铁层在较小的磁场的作用下，其磁矩能较自由的反转，因此在较小磁场下能使系统的电阻率变化很大，从而使其MR 的灵敏度很高。目前应用开发大都采用Spin阀结构。
ii) 颗粒膜的GMR
在人工纳米结构磁性金属膜中，除超晶格和多层膜之外，还有一类重要的颗粒膜：将纳米微粒镶嵌在互不固溶的薄膜中所形成的复合薄膜。其具有微粒和薄膜的双重特性及其交互作用。
?最近的研究集中在Cu、Ag为基体，与Fe、Co、Ni 金属和合金所构成的两大颗粒膜系列。
在颗粒膜中，铁族元素新占的体积百分比约为15-25%，低于形成网络状结构的逾渗阀值，即保持Fe 以微粒形式嵌于薄膜之中。微粒的最佳尺寸为几个到几十个纳米，如此尺寸的铁磁颗粒在RT下处于超顺磁态，在膜内一般呈无规分布的。
对颗粒膜的GMR也可用自旋相关的散射来解释，并以界面散射为主。理论表明颗粒膜的GMR与磁性颗粒的直径成反比，即与颗粒的表面积成反比。
问题：由于铁磁颗粒RT下处在超顺磁态，获得GMR 效应需非常高的饱和外场。
?颗粒小，顺磁态；颗粒大，大于电子平均自由程，散射中心减少，使GMR效应下降。须获得最佳的颗粒尺寸和体积百分数，提高工作温度，降低外加磁场等。
颗粒膜中的巨磁电阻效应目前以Co-Ag体系为最高，在液氮温度可达55％，室温可达20％，而目前实用的磁性合金仅为2％-3％，但颗粒膜的饱和磁场较高，降低颗粒膜磁电阻饱和磁场是颗粒膜研究的主要目标。
颗粒膜制备工艺比较简单，成本比较低，一旦在降低饱和磁场上有所突破将存在着很大的潜力。已在FeNiAg颗粒膜中发现最小的磁电阻饱和磁场约为30 A/m，这个指标已和实用化的多层膜比较接近，从而为颗粒膜在低磁场中应用展现了一线曙光。
iii) 氧化物的庞磁阻效应（CMR）
过渡金属阳离子都有未满的d壳层，具有磁矩m。在其氧化物中，阳离子因被氧离子隔离而无直接的交换作用，但可通过阳离子的激发电子态发生超交换作用，形成磁有序结构。由于电子局域，这类磁有序氧化物具有很高的电阻率。
1994年，在钙钛矿结构Mn系氧化物中，如Nd0.7Sr0.3MnO3，在60 K下，H为80 kOe时，?R/R H达1.06?106 % ；Nd0.65Sr0.35MnO3中低于30 K时，外场为50 kOe下，其ρ从103Ω·m 下降到10-4Ω·m。
一定范围的磁场使其从顺磁性或反铁磁性变为铁磁性，同时氧化物从半导体的导电性?金属性，从而使其ρ产生几个数量级的变化。
近年来在La-Ca-Mn-O 系的材料中发现了CMR效应，加磁场后的电阻变化率?R/R H可达到103-106。
这种材料的铁磁性的根源是双交换相互作用，而且磁性转变与绝缘体-金属转变相邻近。
Mott转变：氧化物材料因温度或压力改变所引起的绝缘体到金属的相变，由电子关联导致。
iv) 隧道巨磁电阻效应（Tunneling magnetoresistance -- TMR）
将隧道电导与铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应（隧道磁电阻）。
两铁磁层的磁化方向平行（P）和反平行（A）时的
电阻为R P、R A，则隧道磁电阻为：
―磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属‖（FM / I / FM）隧道结，若两铁磁电极的磁化方向平行，一个电极中的多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带的电子也将进入另一电极的少数自旋子带的空态；若两电极的磁化方向反平行，则一电极中的多数自旋子带的电子自旋与另一电极中少数自旋子带的电子的自旋平行，于是隧道电导过程中一个电极中的多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必然在与两电极磁化方向平行时的电导有所差别。
?Fe/Al2O3/Fe磁隧道结的TMR在室温及4.2 K下分别为15.6%、23%。
在较小的外磁场下，Hc小的铁磁层的磁化方向首先反转，实现TMR的极大值。故磁隧道阀的磁场灵敏度很高，Fe/Al2O3/Fe的磁场灵敏度为8% /Oe，Co/Al2O3/Co的磁场灵敏度为5% /Oe。
这是多层膜GMR及氧化物CMR远难企及的。
?巨磁电阻效应的应用
在多层膜巨磁电阻效应被发现后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头。利用巨磁电阻效应的读出磁头将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5 Gbit／in2，最近报道为40 Gbit／in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。
由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化、廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣的工作条件等优点。
利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（magnetic random access memory - MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息--非挥发性存储器（nonvolatile memories）：当电源断开之后，原来存储的信息不会被―挥发‖掉。此外其存、取时间可低于3ns，优于静态存储器（SRAM），存储密度高于动态存储器（DRAM ）。MRAM还具有抗辐射、低成本、长寿命等优点，成为可与半导体随机存储器（DRAM，SRAM）和铁电存储器等相竞争的新型内存储器，其商业化生产的年产值可望超过千亿美圆，这也是美国克林顿政府大幅度增加纳米科技经费的主要依据。
此外，利用自旋极化效应的自旋晶体管设想亦被提出来了。
自旋电子学
自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics（利用spin transport electronics的前缀及字尾组合而成），是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。当初系美国军方研究机构（Defense Advanced Research Project Agency -- DARPA）于1994年开始支持发展的项目，其目的是创造新一代的电子器件。由于自旋有两个状态（up and down），因此利用到自旋的器件将比传统只利用到电荷的器件有更强的功能。目前已发展出的器件是利用与自旋有关的隧穿效应以及巨磁阻（GMR）效应来作磁场侦测器，以及磁随机存取内存（MRAM）。
目前，自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料（如半导体）中主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用，已吸引了半导体、磁性及光电器件专家等一同来研究在金属、半导体、超导体及异质结中电子传导的自旋动力学。
当前，半导体自旋电子学研究可分为两个领域：即半导体磁电子学（SME）和半导体量子自旋电子学（SQSE）。
SME: 主要是利用磁性半导体材料(Diluted magnetic semiconductor -- DMS)或者半导体与磁性材料的复合材料，把磁性功能引入半导体以执行一些新的功能。例如，由此可研制光学隔离器、磁传感器以及非挥发性内存等新的半导体器件，而且这些都可以集成到平常的半导体器件和电路中。如果磁性和自旋可以通过光或电场来控制，将光学、磁学和电学性质结合起来，就可以发展出自旋场效应晶体管、自旋发光二极管以及自旋共振隧穿器件等全新的磁-光-电一体化的多功能新器件。
SQSE:主要是利用半导体中电子自旋的量子力学特性。例如许多非磁性半导体中的自旋相对于电子极化有比较长的相干时间，并且可以被光场或电场控制，所以在一个量子力学系统中很容易实现自旋控制。这种性质可以促进新的固体量子信息处理器件的发展，如太赫兹光开关、调制器、加密/解码器以及量子比特等等。从这个意义上看，半导体中的自旋正在预示着一个经典物理、
A A
P R R
R TMR -
=
量子物理和应用技术发展的新领域。
自旋电子器件可以分为电子自旋器件、光子自旋器件和量子自旋器件三类。与传统的半导体器件相比，自旋电子器件具有稳定性好、数据处理速度快、功率损耗低以及集成密度高等优点，其发展依赖于对固体材料与自旋的基本相互作用，以及半导体维度、缺陷和能带结构对其性质影响的深刻理解。
对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的有两个重要的物理学原理：
i) 自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。
ii) 是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，可通过局域磁场、外加电场、甚至通过偏振光进行操作。这是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。
尽管对自旋电子学的基本原理和概念的研究非常吸引人，但在人们能够制造出自旋电子学应用器件之前，还有许多障碍需要克服。例如，自旋电子学的一个基本要求是在电子材料中产生和长时间保持大的自旋极化电流。要实现这一点尚需继续努力。事实上，把足够大的自旋极化电流引入半导体材料也是一个问题。对于量子计算，人们要求精密的自旋纠缠控制及利用局域磁场操纵单一自旋。对此至今尚没有特别好的想法。在自旋电子学的应用变成现实之前，还有大量的基本物理问题需要研究。
自旋电子学领域虽然发展非常快，但是距离真正利用自旋自由度还有很长的路要走。如果我们能够了解和控制半导体、半导体异质结以及铁磁体中的自旋自由度，发展高品质的自旋电子器件将具有巨大的潜力，甚至将可能发明出人们现今无法预期的新器件。
四、纳米磁性材料
磁性材料是国民经济、国防工业的重要支柱和基础，应用十分广泛，尤其在信息存储、处理与传输中正成为不可或缺的组成部分，广泛用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。信息化的发展?小、轻、薄、多功能化，要求磁性材料有高性能、新功能。
纳米技术使古老的磁学变得年轻活跃，磁性材料已进入了纳米磁性材料的新纪元。
纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产、应用十分广泛的一类功能材料。纳米磁性材料的特性不同于常规磁性材料，其原因在于与磁性相关联的物理特征长度恰好处于纳米量级，如磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、交换作用长度、电子平均自由程等，大致处于1-100nm量级。当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学与电学性质。利用这些新特性，已涌现出一系列新材料与众多应用。
磁性材料已经经历了晶态、非晶态、纳米微晶态、纳米微粒与纳米结构材料的发展阶段。
1. 纳米磁性微晶材料
纳米微晶永磁材料、纳米微晶软磁材料
2. 纳米磁性微粒材料
磁记录材料、磁性液体、磁性药物、吸波材料
3. 纳米磁性有序阵列
4. 纳米磁性结构材料
人工纳米磁性结构材料、天然纳米磁性结构材料
1. 纳米磁性微晶材料
大致分为纳米微晶永磁材料和纳米微晶软磁材料。
①纳米微晶永磁材料
烧结NdFeB虽性能超群，但难以加工成异型永磁体，Tc偏低（593K），最高工作温度约为450K，化学稳定性较差，易被腐蚀和氧化，价格高于铁氧体。而纳米微晶的快淬NdFeB磁粉和纳米复合（双相）稀土永磁材料以及新型稀土永磁材料恰好适于制备微型、异型粘结永磁体。
纳米微晶粉体主要作为粘结永磁体的原材料，具有较好的热稳定性（化学稳定性、抗氧化）和耐腐蚀性，适用于微电机等小型、异型、尺寸精度要求高的永磁器件。 快淬NdFeB磁粉除制作粘结永磁体外，还可作为制备高性能烧结NdFeB永磁体的添加剂。
除各向同性的快淬NdFeB磁粉外，各向异性的HDD （氢化—歧化—脱氢）工艺制备的磁粉最高性能已达(BH)m = 208 kJ/m3。该值虽低于NdFeB块体，但高于铁氧体5-8倍，且稀土含量减少了2/3，生产成本得以降低。
?提高性能是研究热点。
快淬NdFeB合金薄带中，铁磁相Nd2Fe14B呈等轴型纳米微晶，平均晶粒尺寸约为30nm，晶粒外包裹一层厚约1-2nm的高Nd缺B的非晶相。
②纳米微晶软磁材料
软磁材料经历了晶态（金属磁性材料）、非晶态（铁氧体）、纳米微晶态的历程。
纳米微晶金属软磁材料性能优异：高磁导率、低矫顽力、宽频带、低损耗、高饱和磁化强度等，远优于铁氧体。
从磁畴理论出发，软磁材料在配方尚需注意两点：
磁各向异性和晶粒粗化（减小颗粒尺寸）。
一般纳米软磁材料采用非晶晶化法，即在非晶的基体上有相当大体积百分数的纳米微晶存在。
非晶材料通常采用熔融快淬的工艺，Fe-Si-B是一类重要的非晶态软磁材料，如果直接将非晶材料在晶化温度进行退火，所获得的晶粒分布往往是非均匀的，为了获得均匀的纳米微晶材料，日本首先在Fe-Si-B合金中再添加Nb、Cu元素，Cu、Nb均不回溶于FeSi合金，添加Cu有利于生成铁微晶的成核中心，而Nb有利于细化晶粒。FeSiB合金中加入Cu、Nb快淬成非晶态后，再在晶化温度以上进行退火处理使非晶材料转变为微晶材料，其典型成分为Fe73.5CuNb3Si13.5B9 。
1988年牌号为Finemet的著名纳米微晶软磁材料问世了：其晶粒尺寸约10nm，具有优异的软磁特性：磁导率高达105H/m（亨利/米），既有Fe基非晶材料的高饱和磁化强度（为1.30 T ），又有Co基非晶材料优良的高频特性（作为工作频率为30KHz的2KW开关电源变压器，重量仅为300g，体积仅为铁氧体的1/5，效率高达96％），而价格仅为Co基非晶材料的1/4~1/5。
继Fe-Si-B纳米微晶软磁材料后，20世纪90年代Fe-M-B、Fe-M-C、Fe-M-N、Fe-M-O等系列纳米微晶软磁材料如雨后春笋破土而出，其中M为Zr、Hf、Nb、Ta、V等元素，例如组成为Fe85.6Nb3.3Zr3.3B6.8Cu13的纳米坡莫材料。继Finemet之后，90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列（称为“Nanoperm”）。退火后，这类合金形成的bcc相，晶粒尺寸为10~20nm，饱和磁化强度可达1.5～1.7T，磁导率达到48000（lkHz）。日本的Alps Electric Co．一直在开发Nanoperm族合金，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。
纳米微晶软磁材料目前沿着高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频高压器、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等，它将成为铁氧体的有力竞争者。新近发现的纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应，又为它作为磁敏感元件的应用增添了多彩的一笔。
2. 纳米磁性微粒材料
是最早进入应用的纳米磁性材料，从应用的角度大体可分为磁记录材料、磁性液体、磁性药物和吸波材料四类。
①纳米磁记录材料
磁记录发展的总趋势是大容量、小尺寸、高密度、高速度、低价格。为提高磁记录密度，磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米、亚微米进入到纳米尺寸。
磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。
作为磁记录单位的磁性粒子的大小必须满足以下要求：颗粒的长度应远小于记录波长；粒子的宽度(如可能，长度也包括在内)应该远小于记录深度；一个单位的记录体积中，应尽可能有更多的磁性粒子。
性能优良的CrO2磁粉尺寸约为200 35nm（须为单磁畴针状微粒，体积尽量小，但不得小于变成超顺磁性的临界尺寸：约10nm）。高密度金属磁带的铁或其合金磁粉的尺寸约20nm；钡铁氧体（掺Co、Ti的BaFe12O19）磁粉的尺寸约40nm。
近年来，氮化铁、碳化铁等纳米磁粉。
②磁性液体
磁性液体，又称铁磁流体(ferrofluid)，既有一般磁体的磁性，又具有液体的流动性，是由纳米级的磁性颗粒通过表面活性剂均匀地分散在载液中形成的稳定胶体体系。
常用的磁性液体采用纳米铁氧体颗粒制成，磁性液体是一种稳定的胶体体系，因此即使在重力、离心力或强磁场的作用下，磁性液体也不产生分离现象，磁性颗粒不析出、不团聚。
纳米磁性液体是由纳米颗粒包覆一层长链的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中而构成的稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其他液体所没有的磁控特性。
磁性液体是1965年美国航空与航天局为解决太空服头盔转动密封问题而率先研究成功的。当时帕彭首先采用油酸为表面活性剂，把它包覆在用球磨法制备的超细Fe3O4微粒上(直径约为10nm)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体。
磁性液体的问世引起了国际磁学界的密切关注，各国竞相开展深人研究。现在，无论在基础研究还是在实际应用上都取得了令人瞩目的进展。国外在20世纪70年代磁性液体材料已商品化，在航天航空、冶金机械、化工环保、仪器仪表、医疗卫生、国防军工等领域获得广泛应用。据不完全统计，现在各国每年应用这种功能材料的元器件数量已达数千万件。
磁性液体是由纳米级（10nm以下）的强磁性微粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系，由强
磁性微粒、基液以及表面活性剂三部分组成。
生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，以致在基液中作无规则的布朗运动，这种热运动足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子间电、磁的相互凝聚作用，在重力和电、磁场的作用下能稳定存在，不产生沉淀和凝聚。例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为10nm，对金属微颗粒，通常大于6nm。在这样小的尺寸下，强磁性颗粒已丧失了大块材料的铁磁或亚铁磁性能，呈现没有磁滞现象的超顺磁状态，其磁化曲线是可逆的。
选择合适的表面活性剂（具有长链的高分子）是制备磁性液体的关键。表面活性剂包覆在微粒表面，具有以下作用：1. 防止磁性颗粒的氧化；2. 克服范德瓦尔斯力所造成的颗粒凝聚；3. 削弱静磁吸引力；4. 改变磁性颗粒表面的性质，使颗粒和基液浑成一体。
对表面活性剂总的要求是，活性剂的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，形成很强的化学键，另一端应和基液亲和、能与基液溶剂化。
由于基液不同，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、二酯基、聚苯基、硅油基、氟碳基等磁性液体。不同基液的磁性液体要选择不同的表面活性剂，有时甚至需要两种以上的表面活性剂。
磁性液体的主要应用
i) 旋转轴动态密封
旋转轴转动部分的动态密封一直是工程界较为困难的课题。磁性液体用于旋转轴的动态密封是较为理想的一种方式。
利用磁性液体可以被磁控的特性，人们利用环状永磁体在旋转轴密封部件产生环状的静磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场中形成磁性液体的“O”形环，可以进行真空、加压、封水、封油等情况下的动态密封。
这种磁性液体的“O”形环没有磨损，可做长寿命的动态密封，目前已广泛用于机械、电子、仪器、宇航、化工、船舶等领域，这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。
在电子计算机中，为防止尘埃进入硬盘损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。
在精密仪器的转动部分，如X射线衍射仪中转靶部分的真空密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。
ii) 新润滑剂
通常润滑剂易损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸很小，不会损坏轴承，而基液亦可用润滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。
增进扬声器功率。在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空气高5-6倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1倍。磁性液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据扬声器的结构，选用合适黏滞性的磁性液体，可使扬声器具有较佳的频响曲线，它还可使高功放扬声器的体积大大缩小。
iii) 阻尼器件
磁性液体具有一定的粘滞性，利用此特性可以阻尼掉不希望系统中产生的振荡模式。
例如，步进电机是用来将电脉冲转换为精确的机械运动，其特点是迅速地被加速与减速，因此，常导致系统呈振荡状态。为了消除振荡而变为平滑的运动，仅需将少量磁性液体注入磁极的间隙中，在磁场作用下磁性液体自然地定位于转动部位，就可阻尼步进电机的余振，使步进电机平滑地转动、精确地定位。
用磁性液体所构成的减震器可消除极低频率的振动，可消除外界振动噪音的干扰，以确保精密仪器（天平，光学设备等）正常工作。
iv) 矿物分离
利用磁性液体的表观比重随外磁场的变化而改变的特点，可用来筛选比重不同的非磁性矿物。物体在磁性液体中的浮力是随着磁性液体的磁化状态而改变的，因此可采用梯度磁场，控制磁场的强弱就可分离不同比重的非磁性金属与矿物。
磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，以致在磁性液体中的物体将会浮起，好像磁性液体的视在密度随着磁场增加而增大，利用此原理可设计出磁性液体密度计。磁性液体对不同密度的物体进行密度分离，控制合适的磁场强度可使低于某密度值的物体上浮，高于此密度的物体下沉，原则上可用于矿物分离。比重差别在10%左右的矿物可用此技术较好地分离，一般采用水基磁性液体，可重复使用。
例如，使高密度的金与低密度的砂石分离，亦可用于城市废料中金属与非金属的分离。
?磁性液体还有许多其他用途，如仪器仪表中的阻尼器、磁控阀门、磁性液体研磨、定位润滑剂、磁性液体的光学与微波器件、磁件显示器、火箭和飞行器用的加速计、磁性液体发电机、射流印刷用的磁性墨水，无声快速的磁印刷、医疗中的造影剂等等，今后还可开拓出更多的用途。
磁性药物方面：
磁性纳米颗粒作为抗癌药物磁性载体（靶向药物）、细胞磁分离介质材料（细胞分离）、磁控造影剂、激光磁艾滋病毒检测仪等医疗应用也是当前生物医学的热门课题，有的已进入临床试验。
磁性纳米颗粒的磁光、磁声及微波（吸波）特性的研究，也可开拓出新型的功能器件。
磁性纳米微粒除了上述应用外，还可作光快门、光调节器(改变外磁场、控制透光量)、复印机墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等。
3. 纳米磁性有序阵列
磁记录材料进一步发展的方向是所谓“量子磁盘”，采用电子刻蚀、化学电镀等工艺将磁性纳米线进行有序排列，构成纳米有序阵列，利用磁纳米线形状各向异性的存储特性，当线间距为10nm时，记录密度预计可达400Gb/ in2，相当于每平方英寸可存储20万部《红楼梦》。现正向商品化方向发展，预计年产值可达400亿美元。?纳米有序阵列在传感器、场致发光等方面也有前途。
巨磁阻丝：在聚碳酸脂膜上腐蚀出规则排列的纳米孔洞，用电沉积方法将纳米Co粒子填充进去，再在其上镀一层Cu膜。重复形成多层膜，在膜垂直方向、聚碳酸脂同心孔洞中形成由Co/Cu粒子交替排列的几微米长的纳米丝。此丝在RT下有明显的GMR 效应，H 可达15-20％，可作为微弱磁场探测器等（可探测10-11T 的磁通密度）。
4. 纳米磁性结构材料
纳米结构材料可归纳为二大类：
(1) 人工纳米结构材料
薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道结等
(2) 天然纳米结构材料
如钙钛矿型化合物等?磁性颗粒膜是由强磁性的颗粒镶嵌在不相固溶的介质中而生成，
主要有二类：
i) 金属—绝缘体型，如Fe-SiO2等
高H c，可作为高密度磁记录介质；
磁光效应中，比连续膜更高的磁光优值；
还具有隧道效应带来的磁电阻效应。
ii) 金属—金属型，如Co-Cu，Co-Ag等（Ag或Cu非磁性薄膜基体上镶嵌纳米级的铁磁Co颗粒）
GMR效应?磁传感器中应用（磁电阻对外磁场的线性敏感度）
与自旋有关的输运现象?开拓磁电子学的新领域GMR效应基于电子在磁性纳米结构中与自旋相关的输运特性，开创自旋电子学的新学科，开拓了新应用领域。
?钙钛矿型结构是ABO3化合物中数量最多、研究最广的。理想的钙钛矿结构属立方晶系，但许多属于这类结构的晶体却变型为四方、正交晶系，这种变型与晶体的压电、热释电和非线性光学性质有密切关系，已成为一类十分重要的技术晶体。
以CaTiO3为例说明，它属正交晶系，每个晶胞中Ca处于体心位置，Ti处于顶点位置，O原子位于每条棱的中心位置，O原子和Ca原子联合起来形成面心正交点阵，Ti原子处在氧原子的八面体空隙中，配位数为6，Ca原子配位数为12。
?从基础研究角度看，钛钙矿型化合物属强关联体系，一系列基本问题尚未弄清；
?从应用研究角度看，钛钙矿型化合物是一类重要的高温超导氧化物、铁电、压电材料，它的磁学与输运性质同样引人注目。
? 1993年，在钙钛矿型化合物等天然纳米结构材料中发现了CMR效应，继而又发现了巨磁熵变、巨磁致伸缩效应等。
磁致冷：首先给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向齐排列（磁熵变小），然后再撤去磁场，使磁矩的方向变为紊乱（磁熵变大），这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。
所谓磁致冷就是利用磁性体的磁矩在无序态和有序态之间来回交换的过程中，磁性体放出或吸收热量的冷却方法。为了达到高效率，要求磁致体产生的磁熵变化大、晶格的热振动小、热传导率高以及具有高的电阻率。
纳米磁致冷材料：当包含纳米磁性微粒的材料放到磁场中时，其磁矩沿磁场方向排列，磁序（自旋有序）的增加将导致自旋体系磁熵的减小。当与周围环境没有热交换时，自旋熵的减小，将由晶格熵的增加获得补偿，这将导致材料温度升高。这一效应可以用来将一个热源的热量转移到另一物体上，这就是利用自旋系统磁熵变的制冷方式。
磁绝热退磁致冷技术：把在大约1开(K)的起始温度的顺磁盐放在外加的强磁场中磁化，所放出的磁化热传到顺磁盐周围环境中，温度保持不变。然后把顺磁盐同周围环境隔离，处于绝热状态，再去掉或剧减外加磁场，顺磁盐转变为退磁状态，原子磁矩从磁有序转变为磁无序，这就需要吸收能量，但是已处于绝热状态的顺磁盐不能从周围环境吸取能量，便只有从顺磁盐自己的原子运动中吸取能量，这样就使顺磁盐的分子运动减弱而使温度降低。这种磁绝热退磁过程进行多次便可使顺磁盐温度降低到一定的程度。一般说来，利用顺磁盐的绝热退磁方法可以使顺磁盐温度降低到毫开(mK)范围或毫开(mK)量级。
将样品置于绝热条件下并撤去磁场，系统就会等熵地降温；反复此步骤，便可得到低温。与通常的压缩气体式制冷方式相比较，它具有效率高、功耗低、燥声小、体积小、无污染等优点。
磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，即一般称谓的制冷剂或制冷工质。磁致冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的材料或化合物，尤其是室温磁致冷几乎全是采用稀土金属Gd或Gd基材料。
低温磁致冷装置具有小型化和高效率等独特优点，用磁致冷材料代替传统制冷剂，不仅可以减少环境污染，还可以节约电能，且致冷材料可以重复使用。磁致冷是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，若取代目前使用氟里昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰柜及空调器等，可以消除由于生产和使用氟里昂类制冷剂所造成的环境污染和大气臭氧层的破坏，因而能保护人类的生存环境，具有显著的环境和社会效益。
磁致冷发展的趋势是由低温向高温发展，20世纪30年代利用顺磁盐作为磁致冷工质，采用绝热去磁方式成功地获得mK量级的低温。20世纪80年代采用Gd3Ga5O12(GGIG)型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.5-15K的磁致冷；20世纪90年代用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子，由于Fe离子与Gd离子间存在超交换作用，使局域磁矩有序化，构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时其磁熵变高于GGIG，从而成为15-30K温区最佳的磁致冷工质。
含铁的钆镓石榴石(GGIG)纳米复合材料是15-30K 温区最佳的磁致冷材料，展宽了利用自旋系统磁熵变进行制冷的温度区间。该材料的熵变比常规材料的提高了3-4倍，使其磁致冷温度大大提高，加之其热损耗小、没有剩余磁化，很可能成为未来制冷技术中的关键材料。
1996年在La1-x Ca x MnO3 (x ≈ 0.2-0.33)钙钛矿型磁氧化物中获得磁熵变大于Gd的突破，1997年报道新型磁致冷材料Gd5Si4Ge2化合物的磁热效应大、磁熵变可高出金属Gd一倍，且使用温度可以从30K左右调整到290K。如将磁致冷工质纳米化，可展宽致冷的温区?RT下致冷。美国已成功开发出第一台室温磁致冷样机。
从目前美国室温磁致冷技术研究进展情况看，在3到5年内，室温磁致冷技术有可能在汽车空调系统中得到实际应用，并将进一步开发家用空调和电冰箱等磁致冷装置。现在磁致冷材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，这些发达国家都把磁致冷技术的研究开发列为21世纪初的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈，都想抢先占领这一高新技术领域。
巨磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Materials - GMM)
材料在磁场作用下发生长度或体积的变化，这种现象称磁致伸缩。
巨磁致伸缩材料是上世纪80年代末新开发的新型功能材料，主要是指稀土－铁系金属间化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约100~1000倍，因此被称为稀土巨磁致伸缩材料。
上世纪70年代铽镝铁磁致伸缩材料（Terfenol-D）的研制成功，实现磁、电能－机械能的高效转换，对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用，开辟了磁致伸缩材料的新时代。
巨磁致伸缩材料开始主要用于声纳，目前已广泛应用于致动器、石油、高能微型功率源、换能器、卫星定位系统、智能电喷阀、微型助听器、超声洗衣机、医疗器械、传感器、阀门控制、精密车床、机器人、蠕动马达、阻尼减振、延迟器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等，是军民两用的高附加值功能材料，具有
广阔的市场前景。
纳米材料与技术思考题2016
纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象
7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料
纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用
纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用中国绿色节能环保网点击数：269 发布时间：2010年3月22日来源：中国节能住宅网 纳米技术是二十世纪80年代末诞生并正在崛起的新技术,主要是指在0.1~100nm尺度范围内,研究物质组成体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用,其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子,研制出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品。纳米技术是高度交叉的综合性学科,它主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学、纳米机械学。纳米技术已应用于建筑材料、光学、医药、半导体、信息通讯、军事等领域。目前,纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术。 纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。利用纳米材料的随角异色现象开发的新型涂料,利用纳米材料的自洁功能开发的抗菌防霉涂料、PPR供水管,利用纳米材料具有的导电功能而开发的导电涂料,利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能,利用纳米材料可大大提高塑料管材的强度等。由此可见,纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。 近年来,国内外开始探索纳米材料和纳米技术在建材中的发展及应用工作,并取得了一些可喜的成果,现分类介绍如下: 1纳米技术在建筑涂料中的应用 涂料是建筑物的内衣(内墙涂料)和外衣(外墙涂料),国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材(特别是建筑涂料)方面的应用已经显示出了它的独特魅力。 同一种纳米粒子在不同粒径下会有不同的作用,不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起
纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
纳米材料科学与技术
聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress
纳米材料综述要点
纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。
图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成
纳米技术的应用与前景
纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理
石墨烯纳米材料及其应用
墨烯纳米材料及其应
二?一七年十二月
摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签
石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov
纳米材料与技术作业
纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产
纳米材料及其应用前景
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米技术知识材料
纳米技术知识材料 一、纳米（nano meter,nm）： 一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 二、纳米科学技术（nanotechnology）： 纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 三、纳米材料（nano material）与纳米粒子（nano particle）： 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 四、几种典型的纳米材料： a) 纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂，利用甚高的比表面与活性可以显著得提高催化效率，例如，以微径小于微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍；超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水，超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用，从而生成碳纤维。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性粒子作为磁记录介质。随着社会的信息化，要求信息储存量大、信息处理速度高，推动着磁记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20）纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，其记录密度可达4’106～4’107位/厘米（107～108位/英寸），即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。
纳米科学与技术
深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订
课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常
压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管
纳米材料的定义(精)
纳米材料的定义、特点和应用前景 中国科学院上海硅酸盐研究所作者：张青红 图1 图2 图3 什么是纳米材料？ 纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使
体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料的特点？ 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 纳米材料的应用前景 纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基因DNA具有双螺旋结构，这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒，选择性的吸附或作用在不同的碱基对上，可以“照亮”DNA的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯笼”，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳米晶粒，在DNA分子上贴上了标签。目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于人类。2001年以来，国内也有一些纳米企业和纳米产品，如“纳米冰箱”，“纳米洗衣机”。这些产品中用到了一些“纳米粉体”，但冰箱和洗衣机的核心作用任何传统产品相同，“纳米粉体”赋于了它们一些新的功能，但并不是这类产品的核心技术。因此，这类产品并不能称为真正的“纳米产品”，是商家的销售手段和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。 下面我们选用几副插图来说明纳米材料。 图一：二氧化钛纳米管。多种层状材料可形成管状材料，最为人们所熟悉的是碳纳米管。图一为二氧化钛纳米管的透射电镜照片，这种管是开口、中空管，比表面积能达到400m2/g，可能在吸附剂、光催化剂等方面有应用前景。 图二：晶内型纳米复相陶瓷，颜色较浅的大晶粒内部有一些深色的颗粒，在陶瓷收到外力破坏时，这些晶内的深色颗粒像一颗颗钉子，抑制裂纹扩散，起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。 图三：二氧化钛纳米颗粒的透射电镜照片。可以看出二氧化钛仅为7纳米左右。人们不仅要问：如此小的纳米颗粒肉眼能否看到？商家提供的“纳米粉体”能看得到吗？如此小的晶粒用肉眼是看不到的，可以借助于电子显微镜来看。由于这些晶粒聚集在一起，我们可以看到聚集后的粉体，除了能感觉到“纳米粉体”更膨松外，不借助科学的表征方法，我们难以区别它们。 在材料科学家和其他科学家经过不懈努力后，取得了重大突破，在一些先进国家相继建立了受控聚变实验装置，进行科学实验。更令人兴奋的是，受控核聚变经过近半个世纪的努力，它的科学可行性已由现有的实验结果外推确认，图2为其实验装置Tokamak示意图。而最具说服力的实验是1991年11月JET和1993年12月TFTR的D-T实验，证明受控核聚变已不是可望而不可及的幻想，而是经过努力可望在本世纪中叶付诸应用的有效能源。
纳米材料与技术
纳米材料与技术 (2007-05-15 16:05:21) 转载 1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出：“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹?”今天，这个美好的愿望已经开始走向现实。目前，人 类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三 维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特 性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。 0．2纳米材料的研究历史 人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限(肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。到目前为止，人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解，一些学科 领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间 科学等。微观指原子、分子，以及原子内部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。
19世纪末到20世纪初，人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。 相对而言，在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当肤浅，被誉为有待开拓的“处女地”。近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质，也不同于微观体系的奇异现象。下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。 1 000年以前。当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。 1861年，随着胶体化学(colloidchemistry)的建立，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。 20世纪初，有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。
纳米材料在实际生活中的应用
在现实生活中，纳米技术有着广泛的用途。 １、超微传感器传感器是纳米微粒最有前途的应用领域之一。纳米微粒的特点如大比表面积、高活性特异物性、极微小性等与传感器所要求的多功能、微型化、高速化相互对应。另外，作为传感器材料，还要求功能广、灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、选择性好、耐负荷性高、稳定可靠，纳米微粒能较好地符合上述要求。 ２、催化剂在化学工业中，将纳米微粒用做催化剂，是纳米材料大显身手的又一方面。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药有效催化剂；超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细的镍粉、银粉的轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极可以增大与液相或气体之间的接触面积，增加电池效率，有利于小型化。 超细微粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器，作为吸附氢气的储藏材料。还可作为陶瓷的着色剂，用于工艺美术中。 ３、医学、生物工程尺寸小于１０纳米的超细微粒可以在血管中自由移动，在目前的微型机器人世界里，最小的可以注入人的血管，它一步行走的距离仅为５纳米，机器人进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞噬病毒，杀死癌细胞。这些神话般的成果，可以使人类在肉眼看不见的微观世界里享用那取之不尽的财富。 ４、电子工业量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作，因此它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外，量
子元件还可以使元件的体积大大缩小，使电路大为简化，因此，量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。目前，风靡全球的因特网，如果把利用纳米技术制造的微型机电系统设置在网络中，它们就会互相传递信息，并执行处理任务。不久的将来，它将操纵飞机、开展健康监测，并为地震、飞机零件故障和桥梁裂缝等发出警报。那时，因特网亦相形见绌。 5、“会呼吸”的纳米面料。 纳米是一种基于纳米材料的化学处理技术，纳米布料是用一种特殊的物理和化学处理技术将纳米原料融入面料纤维中，从而在普通面料上形成保护层，增加和提升面料的防水、防油、防污、透气、抑菌、环保、固色等功能，可广泛应用于服装、家用纺织品以及工业用纺织品。 经过纳米技术处理的布料及图示 * 将经纳米技术处理之布料覆盖在水杯口上. 将少量清水倾倒于布料表面. * 清水凝聚成水珠, 在布料表面流动. 清水不会渗入布料纤维内. 经瑞典纳米技术处理后的产品特点： 防水:未经处理的织物防水特性指标为1(完全湿透)，而经过处理的防水特性指标为5(没有沾湿)。 防油:未经过处理的织物的防油特性指标为0,而经过处理的防油特性指标为6(最高为8)。 防污:经过瑞典纳米技术处理后的织物,在污渍附著上有非常明显的降
纳米材料与技术复习思考题
" 一、填空：（每空 1 分，总共 30分） 1. 纳米尺度是指 1~100nm。 2. 纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学。 3. 纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。 4. 当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称 为低维材料。 5. 一维纳米材料中电子在 2 个方向受到约束，仅能在 1 个方向自由运动，即 电子在 2 个方向的能量已量子化。一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广 ； 泛关注的，又称为量子线。 6. 1997 年以前关于 Au、Cu、Pd 纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因 是材料的密度偏低。 7. 纳米材料热力学上的不稳定性表现在纳米晶粒容易长大和相变两个方 面。 8. 纳米材料具有高比例的内界面，包括晶界、相界、畴界等。 9. 根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为：水溶液溶胶-凝胶法和醇盐溶胶-凝胶法 10. 隧穿过程发生的条件为 |Q| > e/2 。 11. 磁性液体由三部分组成：磁性颗粒、表面活性剂和基液。 * 12. 随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向 短波方向移动，即蓝移。 13. 光致发光指在一定波长光照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入 低能级被空穴捕获而发光的微观过程。仅在激发过程中发射的光为荧光。 在激发停止后还继续发射一定时间的光为磷光。 14. 根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：扶手椅型、锯齿型、螺旋型 15. STM 成像的两种模式是恒电流模式和恒高度模式。 ] 二、简答题：（每题 5分，总共 45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些 答：主要有两种技术：Top down（由上而下）的方法和 Bottom up（由下而上）的方法（2 分）；Top down 由上而下的方法是一种采用物理和化学方法对宏观物质的超细化的纳米科技的研究方法。Bottom up 由下而上的方法，以原子、分子、团簇等为基元组装具有特定功能的器件、材料。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。 … 2、纳米材料的分类 答：纳米材料通常按照维度进行分类。 超细粒子，团簇→ 0 维材料 纳米线或管→ 1 维纳米材料