“磁性材料的现状与未来---2013

“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μ损耗Pw磁能积(BH)m矩磁比Br/BmK,λ，Tc金属颗粒与铁氧体颗粒制备成磁带的磁滞回线BrHcBm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;λ2.结构灵敏性量，与微结构关系密切：Hc;Br;μ;PwBethe-Slater曲线（1930/1933）Eex=-2JexSiSj;Jex交换积分；ra—原子间距；rd–d壳层半径元素FeCoNiGd居里温度(K)10431404631289γ-Fe纯金属反铁磁序铁磁序J.M.D.Coey,P.A.I.Smith,JMMM200,1999,405MagneticnitridesBethe-Slater-NeelcurveSlater-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3d3d-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: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;A2B’B”O6;….4.硫族化合物：FeCr2S4自旋系统中五种类型的交换作用年代金属磁性材料非金属磁性材料BC1400Fe1751Ni1773Co1900FeSi1905磁畴和分子场理论1909人工合成铁氧体1921FeNi1932AlNiCo反铁磁理论1935尖晶石铁氧体1946软磁铁氧体生产1948亚铁磁理论1949旋磁性理论1951微波铁氧体，钙钛矿磁性化合物1952BaFe12O191956YIG(石榴石)，平面六角铁氧体1960Fe3O4型磁性液体1967SmCo5CrO2,RFeO3,磁泡1970FeSiB非晶态合金1972Sm2Co171975Fe/Ge/Co,TMR1976nm—Fe,Co室温磁制冷(Gd)实验1983Nd2Fe14B1988GMR,Finemet1993量子磁盘，65Gb/in21994CMR,庞磁电阻效应1997巨磁卡效应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CoeyJ.M.D.,J.Alloysandcompounds326(2001)2全球每年人平均磁性材料消耗量如下永磁铁氧体80克稀土永磁1克软磁铁氧体40克电工钢0.25m2非晶态磁性材料几厘米硬盘1/16th读出磁头1/8th软盘1/4磁带1m2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AlNiCoSmCo,NbFeB(Sr,Ba)铁氧体J.M.D.Coey,J.AlloysandCompounds326(2001)2－6，二。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NdFeBFerrite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？第一代第二代第三代第四代稀土永磁SmCo5Sm2Co17Nd2Fe14B?晶体结构CaCu5型六角晶系六角或菱方结构四方晶系低对称晶系Js(T)＝oMs1.141.251.61.8Tc(oC)727920320300HA(T)25-446.577(BH)m(kJ/m3)200(259)*250(310)462(512)600*(--)(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比效率（6-8%）体积（70%）重量（40%）OliverG.,etal.,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1900GW3MW的风力发电机需1.5T的稀土永磁OliverG.,etal.,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/Fe----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/m3-6-4-20246-1.2-0.60.00.61.20H(T)//filmfilm470oCdeposition+590oCannealingJ(T)NdFeB2.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。高磁导率材料:μi10000，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牌号PW1(PC30)PW2(PC40)PW3(PC44)PW4(PC50)PW5f(kHz)15～10025～200100～300300～1MH1～3MHz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:FeSiB2。【稀土－过渡族】合金,如：NdFeB3。【过渡族－过渡族】合金，如FeZr(B),CoZr(B)纳米微晶软磁材料系列：年代70年代80年代90年代金属软磁材料非晶纳米微晶块体非晶年代198819901998牌号FINEMETNANOPERMHITPERM组成Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1(FeSiCuNbB)Fe90Zr7B3(Fe-M-Cu-B)(Fe,Co)88M7B4Cu1M=Zr,Nb,Hf,TaPetzoldJ.JMMM242(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(NANOPERM)纳米晶(Fe,Co)-M-B-Cu合金(HITPERM)Co-基非晶合金Mn-Zn铁氧体MakinoA,etal.,Mat.Trans.JM.36(1995)924FeCo合金硅钢Fe-基非晶合金μe(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/K),K~K1/N1/2(N-交换作用范围内的晶粒数)。Herzer,G.IEEEMAG26(2001)1397薄膜传感器1-2GHz;Q~10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MakinoA,etal.,Nano-StructuredMat.12(1999)8253.磁记录材料磁记录介质之进展量子磁盘氧化物薄膜金属薄膜BaM(50-100nm)(1986)FeNiCo(10-20nm)(1978)CrO2(0.4µm)(1967)Co-γ-Fe2O3(0.3-0.6µm)(1961)γ-Fe2O3(1µm)（1954）针状γ-Fe2O3,立方(1939)Fe3O4立方(1930)钢丝Polsem（1898）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μ，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OsakaT,etal.,ElectrochimicaActa,50,2005,4576由于超顺磁性尺寸的限制，KV~kT,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2005Ifoneparticleisonebitandthegapisalso4nm,numberofbitspersquareinchwillbe(2.54X107)2/82=1.0X1013=10TbitIf8nmparticlesarechosen,thedensitywillbe2.5Tbit4nmmonodisperseFePtparticlesSunetal,Science,287(2000)1889.LongitudinaltoPerpendicularMagneticRecordingmodel.S.Y.ChouProceedingsoftheIEEE85(1997)652R.F.PeaseandS.Y.Chou,ProceedingsoftheIEEE96(2008)248Schematicofnanoimprintlithographyconsistingof1).imprintand2).patterntransferFormassproductionBit–Patternedmedia(Quantizedmagneticdisk)Patternedmagneticnanostructuresgiveusnewfreedomincontrollingmagneticmaterialproperties.量子磁盘SUL-SoftmagneticunderlayerJ.P.Wang,NatureMaterials4(2005)191Tiltedmagneticmedia2005Year100Gb/in2.~1$/Mbyte~1c/Mbyte三。交叉耦合效应的磁性材