磁性纳米材料的特性分析

磁性材料是古老而用途十分广泛的一种功能材料，通常认为磁性材料是由过渡元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。随着纳米合成与表征技术的不断发展，各种纳米尺度的磁性材料被合成和应用。磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性块材，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，如：磁单畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、交换作用长度以及电子平均自由程等大致处于1～100 nm量级，当磁性体的尺寸与这些物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质，主要可归纳如下：

1）单磁畴结构

宏观磁性块材在自由能最小的平衡状态下，为了降低退磁能，通常会形成多磁畴结构，即产生多个磁畴和畴壁，而磁畴和畴壁又分别具有一定的能量；当宏观磁性块材的尺寸减小到纳米级时，退磁能的减小程度已经比不上畴壁能的增大程度，因而，在一定的纳米尺度下，磁性纳米材料自由能最小的平衡状态不再是具有畴壁的多磁畴结构，而是没有畴壁的单磁畴结构。

2）超顺磁性

纳米材料的尺寸小到一个临界值时便进入超顺磁状态，此时磁化率不再服从“居里—外斯定律”；当磁畴体积小到可以受热振动影响而呈现混乱排列时，在外加磁场下其磁化曲线表现出可逆的剩磁和矫顽力均为零的特征，并且呈现普适磁化曲线，其磁化率远高于一般顺磁物质，这种磁性称为超顺磁性。对于某些材料还会产生超铁磁性或超反铁磁性。

3）矫顽力

纳米材料尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现较高的矫顽力Hc。一般来说，随着纳米材料的尺寸变小，饱和磁化矫顽强度Ms变小，矫顽力增大；这种高矫顽力现象可通过“一致转动模式”来解释；一致转动模式认为当材料的尺寸小到某一值时，每个粒子就是一个单磁畴，要使单磁畴消磁，必须使粒子整体磁矩反转，这需要很大的反向磁场，即具有较高的矫顽力。(www.xing528.com)

4）饱和磁化强度

饱和磁化强度通常可以显示出纳米材料尺寸的变化特征。随着材料尺寸的减小，饱和磁化强度会降低；然而，当尺寸进一步减小到某一程度，饱和磁化强度会增加。饱和磁化强度降低的可能原因有：①金属磁性材料表面的氧化层；②纳米材料表面的超顺磁相；③纳米材料表面配位体造成的磁矩冻结；④纳米材料表面自旋钉扎。

5）居里温度

居里温度Tc与交换积分A成正比，并与原子构型和间距有关。对于纳米磁性材料，因小尺寸效应和表面效应而导致纳米材料的本征和内部的磁性变化，因此具有较低的居里温度。根据铁磁性理论，对于镍纳米材料，原子间距减小会导致A的减小，从而导致Tc随材料尺寸的减小而降低。

6）表面磁结构

材料的表面原子比体内原子的对称性更低，因而导致材料表面磁性及其他特性不同于内部。对于体相材料，表面的影响很小，可以忽略。而对于纳米材料，表面的影响不能忽略；表面磁结构不同于体内磁结构是一些强磁性纳米材料的重要特征。