纳米磁性材料与器件的研究和应用前景

作者：   来源：   时间：2007-01-18 10:32:00.0

    1.前言 

　　纳米（Nanometer ，简称nm），是一种几何尺寸的度量单位。1纳米为1微米的千分之一，1米的十亿分之一，约等于4?/FONT>5个原子的大小。在上个世纪的大部分时间里，人们时而热衷于飞机、坦克、人造卫星等宏观世界，时而又徜徉在原子、电子和基本粒子等微观世界中。通常，1微米以上为宏观尺度，小于0.1纳米则为微观尺度，在这两者之间，称为介观尺度。正是由于对介观物理的研究，人们才得以发现纳米世界。现在我们所说的纳米尺度，一般按照国际上的标准概念，是指0.1?/FONT>100 nm的范围。 

　　纳米技术是指从纳米尺度上研究、制备与控制材料结构的技术。所谓从纳米尺度上控制材料结构的技术，是指通过操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，产生新的物质，或制造新器件的技术。  

　　采用纳米技术制造的磁性材料及器件，称为纳米磁性材料和纳米磁性器件，后者又可称为磁电子器件。 基本上，纳米磁性材料可分为两类：一类是本身具有纳米结构的磁性材料；另一类是用纳米颗粒作为添加剂改性的磁性材料。纳米磁性材料可以是磁粉、磁体、细丝、薄带或磁性薄膜，也可以是磁性液体、涂料、浆料或其它复合材料。  

　　本文简要介绍了纳米磁性材料的基本概念，报道了国内外纳米磁性材料和器件的研究开发动向，最后指出了纳米磁性材料和器件的应用前景，以及产业化所必须注意的一些问题。 

　　2.纳米磁性材料的研发动向  

　　目前，国内外制备纳米颗粒的方法大体上可分为三类：物理法、化学法和机械法。物理法有：等离子焙烧法、电弧法、激光蒸发法等；化学法常见的有：溶胶--凝胶法、共沉淀法、喷雾法、醇盐水解法、水热法、超临界流体干燥法、碳氢化合物催化分解法等；机械法在制备纳米合金方面应用较多，此外，磁性液体中纳米颗粒的研磨也属机械法。有的机械法中也涉及一些化学反应。

　　2.1纳米软磁材料 

　　纳米软磁铁氧体---中科院山西煤化所姚志强博士等人采用超临界流体干燥法制备了10-20 nm的 MnZn铁氧体，可望实现高导性能；电子科技大学采用共沉淀法，正在探索制备NiZn铁氧体纳米粉料的试验；还有一些单位在NiZn铁氧体中添加某种纳米氧化物，以降低烧结温度，可制成低温共烧NiZn铁氧体浆料，用于片式电感等； 纳米晶软磁合金---采用快淬、雾化等工艺，可制造非晶和微晶合金，再经热磁取向，可将晶粒细化到20-50nm，此时μi可达8-100万甚至更高，是普通软磁铁氧体的几倍、几十倍！晶粒越细、磁导率就越高。目前非晶带材厚度可做到20-50μm、宽1.5-1000mm，处理成纳米晶薄带后，可用作电子变压器，以替代高μi软磁铁氧体，还可做成低频应用的EMI元件，也可用于电力变压器，具有体积小、功耗低的特点，可节能30 %以上。

　　2.2纳米永磁材料  

　　纳米永磁铁氧体---哈尔滨船舶学院张密林教授于1996年就开始采用溶胶--凝胶法制备Ba铁氧体永磁纳米粉；中科院山西煤化所姚志强博士采用超临界流体干燥法制得60-80 nm的Ba铁氧体永磁，可提高内禀矫顽力，降低烧结温度；最近有人在Sr铁氧体永磁材料中添加纳米硅基氧化物，磁感应强度提高约10%，最大磁能积可提高5-8 %，其研究成果令人振奋。  

　　纳米稀土永磁---日本住友特殊金属公司、中科院金属所等国内外一些科研机构目前均投入相当大的人力和资金，研发纳米稀土永磁材料，研究的重点是探索纳米工艺条件和纳米结构，相分布、晶粒尺寸、相界面与磁性能之间的关系；研究纳米复合稀土永磁材料中硬磁相和软磁相之间的磁性交换耦合机制。我所近几年来应用SC工艺、HDDR工艺等纳米技术，制造高性能烧结和粘结NdFeB等方面做了大量开拓性工作。 

　　2.3纳米磁记录介质  

　　纳米磁记录介质---研究表明，纳米磁记录磁粉可提高录音和录像磁带的信噪比，粒度在30-80 nm 的Fe、Co、Ni金属磁带，比普通带的记录密度提高10-100倍！用磁控溅射或液相外延等薄膜（厚度为几个nm）工艺形成的纳米磁性阵列，可做成量子磁盘，实现超高密度的信息存储，目前国外已达到的存储信息量是普通盘的100万倍以上。2000年全世界磁记录产品销售达1000亿美元，是磁性行业中市场规模最大的。因此，纳米磁记录介质的研发是很有前途的。 

　　2.4 纳米磁性隐身材料  

　　吸波材料——由于电磁兼容技术的发展和隐形武器的需求，纳米吸波材料的研究自然成了国内外高度重视的热门课题之一。纳米MnZn、NiZn铁氧体、铁粉芯（羰基铁）、磁粉、铁磁纤维、磁片、磁砖、油漆、涂料、胶带及各种元器件和复合材料，都有可能用于隐形飞机、坦克、舰船等武器平台；建造微波暗室，防雷达虚象、天线旁瓣以及抑制方舱及仪器、线缆的信号泄漏和干扰信号等，均为纳米磁性隐身材料提供了用武之地； 

　　屏蔽材料——以前的电磁屏蔽材料大都采用铜网和镀锌铁板等，目前研发的纳米包封铁磁纤维、非晶和纳米晶软磁合金是一类理想的屏蔽材料，可望得到较为广泛的应用。 

　　2.5 磁性液体： 

　　早期的“纳米” 早在八十年代，国内外不少单位投入相当人力、财力，研究磁性液体，这是早期的纳米材料，九所研制成功的磁性液体及应用成果曾获国家创造发明三等奖。 

　　2.6纳米薄膜与器件  

　　1988年以来，三巨材料的问世以及应用研究，出现了磁电子器件这一新概念、新名词，三巨材料是指：巨磁阻抗（GMI）材料及器件——其交流阻抗随外磁场而变化；巨磁电阻（GMR）材料——其电阻率随外磁场而变化；巨磁致伸缩材料——其几何尺寸随外磁场而伸缩变化； 以上材料均采用薄膜、超薄膜、多层膜、颗粒膜技术形成纳米结构，用于薄膜读出磁头、磁性隧道结非易失存储器、机械运动量及电流量传感器、磁声纳、磁声表面波器件、超声波换能器、致动器、薄膜变压器、自旋晶体管（全金属晶体管）以及永磁薄膜、软磁薄膜、微波多晶、单晶薄膜及器件等。上述纳米器件亦可称为磁电子器件。  

　　3.大有可为的应用前景——九所的切入点 

　　磁性吸波材料,磁性传感器,微电子机械系统（MEMS）用的纳米磁性材料及器件,高导和低温烧结软磁铁氧体,大功率微波铁氧体