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纳米材料的新颖磁性与应用

纳米材料的新颖磁性与应用. Research and Application of Novel Magnetic Properties of Nanostructured Materials. 朱慧源 20 系 PB05206248 指导老师：刘之景. 纳米材料即三维空间尺寸中至少有一维处于 1 — 100nm 的材料。. 单磁畴 超顺磁性 高矫顽力 计算 实验 模型. 纳米材料一些特殊的磁学性质及可能的理论解释. 我们通过理论计算来论证. (1) 单磁畴结构. 下图是铁磁体未分畴与分畴后的自发磁化矢量分布简单图示：.

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纳米材料的新颖磁性与应用

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Presentation Transcript

  1. 纳米材料的新颖磁性与应用 Research and Application of Novel Magnetic Properties of Nanostructured Materials 朱慧源 20系 PB05206248 指导老师：刘之景

  2. 纳米材料即三维空间尺寸中至少有一维处于1—100nm的材料。 单磁畴 超顺磁性 高矫顽力 计算 实验 模型

  3. 纳米材料一些特殊的磁学性质及可能的理论解释纳米材料一些特殊的磁学性质及可能的理论解释 我们通过理论计算来论证 (1)单磁畴结构

  4. 下图是铁磁体未分畴与分畴后的自发磁化矢量分布简单图示：下图是铁磁体未分畴与分畴后的自发磁化矢量分布简单图示： (a)未分畴 (b)分畴

  5. 表面退磁场能 对于铁，Mδ=1.71×106A·m-1,所以 =1.8×10 6J·m-3 设L=0.01m，则晶体表面单位面积的退磁场能为: = ×（L×1）=1.8×10 4 6J·m-2 分畴后，（b）图知，片状磁畴表面仍然有交替变化磁极出现， 设磁畴宽度为D,则此时表面退磁场能为： D = 2 =2×0.8521×10-7 D=1.7×10-7

  6. 磁畴壁能 • 分畴后出现畴壁能，设晶体表面单位面积长宽均为一个单位长度，其大小等于1，厚为L,则沿长度方向可分为1/D个磁畴，并有1/D个畴壁，每个畴壁面积为L，则晶体中畴壁总面积为L×1/D=L/D,则单位面积中的畴壁能量代入公式 = 为单位面积磁畴壁能量 =1.7×10-7 D+ 求其最小值 得 所以

  7. 对于铁， =1.71×106A·m-1 =1.59×10-3J·m-2 L=0.01m，所以分畴后E=5.6J·m-2 比较知，分畴前后， 纳米磁性材料与宏观材料有许许多多的独特性质， 很多也是单磁畴结构的原因所致。

  8. (2)奇异的超顺磁性与较高的矫顽力 • 单磁畴时，材料自发磁化，磁矩都排列在易磁化方向 材料内部的各向异性能与热运动能相比拟时 易磁化方向就会作无规律变化 (a)铁磁性 (b)顺磁性 即宏观上显示超顺磁性

  9. 以直径为9nm的镍为例 磁有序的弛豫时间 k为各项异性常数 V为晶粒的体积。 对于9纳米的镍在T=631K时，各向异性常数K为5.8×10-2J。 由此可得 约为 10-11s =4.18×10-17s 由麦克斯韦平均自由程公式和平均热速率公式 为有效直径 n为分子数密度 =7 10-17s

  10. 可见磁有序的弛豫时间与热运动近似处于同一数量级，从而从另一个角度证明了此时的各向异性能与热运动能可以相比拟，显示超顺磁性。

  11. 用Origin作图得曲线

  12. 实验论证 • 不同尺度和形貌的普鲁士蓝近似物晶体 如图

  13. 磁滞曲线

  14. 磁性纳米材料的应用 • 利用磁场与磁性纳米材料相互作用合成新颖的纳米材料

  15. 磁性纳米材料的应用 • 以合成四氧化三铁单晶为例

  16. 简单的模型 纳米磁性材料拥有易磁化轴，外有磁场的介入， 就有可能使粒子沿着易磁化轴的方向聚集、融合、生长

  17. 同时，在溶液中，离子定向移动产生电流，当磁场在垂直于电流方向有分量时，会产生洛仑兹力——Q*V*B，在磁场的作用下，反应体系中带电荷的基团（表面活性剂、无机离子、带电荷的胶团）可能受到洛仑兹力(Q*V*B)的扰动，呈现出与无磁场是不一样的分布情况，从而产生不同的吸附 如下图

  18. 应用 • 强磁场下在砷化镓衬底下自组装四氧化三铁纳米颗粒，并观测到沿磁力线方向上磁性颗粒的长程有序； • 利用1T磁场把磁性铁微球排列成整齐的六方堆积； • 利用磁场成功合成很多纳米磁性颗粒和指引碳纳米管的定向排列； • 在磁场辅助下通过简单的水热一步合成制备出结构复杂的珍珠链状磁铁矿和白铁矿微米线/棒。

  19. 近期science上发表的重要文章报道了 利用不同尺寸 纳米材料磁学性能不同进行 污水治理和复杂混合物分离的新技术。

  20. 自下而上 (bottom-up) • 介观晶体 (mesocrystal) • 自组装 (self-assemble) （A）颗粒 （B）介观晶体

  21. 引用文献 • 1]H.Zeng, J.Li, J.P.Liu. “Exchange-coupled nanocomposite magnets by nanoparticle self-assembly” [J] • Nature,2002.420:395-398. • [2]H.L.Sun, H.T.Shi, F.Zhao, L.M.Qi.“Shape-dependent magnetic properties of low-dimensional nanoscale Prussian blue agalogue SmFe(CN)6·4H2O” [J] • Chem.Commun.,2005.(DOI:10.1039/b507240a) • [3]C.B.Rong, D.R.Li, V.Nandwana.“Size-dependent Chemical and Magnetic Ordering in L10-FePt Nanoparticles”[J] • Adv.Mater.,2006,18:2984-2988.(DOI:10.1002/adma.200601904) • [4]D.B.Yu, X.Q.Sun, J.W.Zou. “Oriented Assembly of Fe3O4 Nanoparticles into Monodisperse Hollow Single-Crystall Microspheres”[J] • J.Phys.Chem.B.,2006,110(43):21667-21671.(DOI:10.1021/jp0646933) Nature Science Adv.Mater. J.Am.Chem.Soc. Cryst.Growth

  22. Thanks for your attention!

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