特种功能磁性材料.ppt

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1、特种功能磁性材料一、磁记录材料二、磁液体材料三、磁制冷材料四、磁致伸缩五、巨磁阻材料六、磁光材料七、磁性半导体,一、磁记录材料,磁记录原理磁信号的记录方式磁头及材料磁记录介质及材料磁泡,定义：所谓磁记录是在磁记录介质上，对应要记录下的信息，记录下不同的残留磁化强度。基本原理：单磁畴微粒子的磁化方向分布的变化，转化为一个个微小永磁体相应的磁极的方向及强度，此永磁体位即最小记录单元。,由单磁畴微粒子形成微小永磁体的过程,借助微小永磁体进行数字信号记录的原理,磁记录原理,磁记录的构成要素及记录再生原理,硬盘的写入:磁头线圈通电，产生磁场，然后将磁场作用于盘片上的一个记录位。盘片上涂有磁性物质，这些磁

2、性物质是由无数的“磁畴”组成的，在外部的磁场作用下，原来杂乱的磁介质内部磁畴开始取向，对外显示磁性。当外部的磁场消失时，由于铁磁性物质的特性，磁畴的方向不会回到从前的状态，因而该记录位具有了“剩磁”，这就是磁记录的方式。当要改变磁记录位的信息时，只要对它施加反向磁场，如果该磁场足够强，就可以重新改变内部的磁畴排列方向，同时该记录位对外的磁性也会改变。,举例：硬磁盘记录原理,IBM硬盘的发展,提高记录密度的途径：盘面和磁头,磁阻（MR）磁头,巨磁阻（GMR）磁头,隧道磁阻（TMR）磁头,热搅动导致宏观极性消失,犬牙交错的磁性颗粒产生磁转变噪音,超顺磁效应的表现,磁体粒子的尺寸为纳米级,水平记录,

3、垂直记录,将数据数据由水平方式的平躺变成直立于硬盘表面，使磁头在转速不变的情况下，扫描过的数据量更大，从而提高了硬盘的存储密度。,数字磁记录方式-水平/垂直记录,问题：介质的热不稳定性、磁头不完全写入、介质噪声等！,用途：是实现电信号和磁信号之间相互转换的电磁能量转换器件。磁记录中实现信息记录和再生功能的关键部件。,磁记录之磁头概述,磁头材料应具备的条件汇总如下：（1）磁导率及饱和磁化强度要高（对输入信号灵敏度高，输出信号大）；（2）矫顽力低（高效率）；（3）电阻率高（降低高频范围的涡流损耗）；（4）耐磨性强（长寿命）；（5）小型、轻量（使用方便、长寿命、降低磁阻）；（6）加工性好。,块体型磁

4、头（Mn-Zn铁氧体）,MIG(metal in gap)型磁头（由仙台斯特、坡莫合金等合金膜复合而成）,积层型磁头（由仙台斯特、坡莫合金等合金膜积层），用于高频,磁头,电磁感应型,非电磁感应型,环形磁头,薄膜磁头（坡莫合金薄膜），用于高频,垂直磁化用薄膜磁头，用于高密度记录,磁电阻效应磁头，用于高灵敏度再生,光方式,交流电流方式,磁记录之磁头种类,一、合金磁头材料 含钼坡莫合金(4wt%Mo-17%Fe-Ni)磁芯材料：饱和磁化强度比铁氧体磁心材料高出很多，因而具有很好的写入特性。但耐磨性差，不能用于VTR等录像带运动速度很高的场合。电阻率较低，即使在中频下，由涡流造成的磁导率下降也十分显著

5、，因此通常采用薄膜层叠结构。坡莫合金系磁心用薄膜现在主要用电镀、溅射镀膜等方法制作。仙台斯特合金(Fe-9.6%Si-5.4%Al系)磁芯材料：导磁率与高镍的Fe-Ni合金相当，Hv达500，饱和磁感应强度约1T，电阻率11010-8m。该合金制备的磁头具有高的耐磨性和优良的高频特性。是四磁头录像技术中普遍应用的磁头材料。缺点是对合金成分的变化非常敏感，又硬又脆，难加工，使磁头价格昂贵。二、铁氧体磁头材料 以Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体为主，电阻率比大部分金属磁性材料至少要高3个数量级，因此损耗较低，可用在高频领域。硬度Hv达600700，耐磨性高，主要用于制作录像机、数字磁带机、磁盘机和磁鼓

6、的磁头铁心。饱和磁感应强度低，因此在提高记录密度方面有困难。目前应用最多最普遍的是多晶热压铁氧体，其最大缺点是磁头缝隙附近容易产生剥落，从而导致磁记录质量的下降。采用单晶和取向铁氧体抗剥落性得到显著改善，但增加了磁头制造工艺的难度。,磁记录之主要磁头材料,三、非晶态磁头材料 晶体磁各向异性为零，由于不存在晶界及晶格缺陷引起的内应力，因此矫顽力很低。薄膜化可使涡流损耗变得很小，明显改善高频特性。已开发出耐磨性、耐腐蚀性均优良的实用型非晶态磁头材料，如Co-Nb-Zr（金属-金属系）、Co-Fe-Si（金属-非金属系）。四、微晶薄膜磁头材料 典型的体系为Fe-M(Nb,Ta,Zr,Hf,Ti,V等

7、)-X(N,C,B)，由溅射沉积法形成非晶态膜，而后加热形成微晶，通过晶粒微细化，达到磁致伸缩。通过添加X，来抑制晶粒生长，与上述M元素一起实现热稳定性，从而获得更大的饱和磁化强度，用其制作的磁头要比非晶材料更适合高矫顽力磁性介质的高密度特性。五、多层膜磁头材料 将超薄膜周期性积层获得。以Fe-C/Ni-Fe多层膜为例，由于多层膜效应抑制了柱状晶生长（抑制了磁各向异性），微晶化实现了低磁致伸缩。Bs高达2T，Hc也很低，但耐热性差，在500热处理后晶粒长大，软磁性能变坏。六、磁电阻磁头材料 因坡莫合金(Ni90Fe10)的磁各向异性小，磁电阻系数大，因此仍是沿用至今的MR磁头材料。,高出力,高

8、记录密度,低噪声,高可靠性,1）饱和磁通密度（Bs）大2）矩形比(Br/Bs)大(Br：残留磁通密度)3）矫顽力（Hc）在磁头可允许的范围内尽可能大4）作为磁化反转的单位(小磁体)的体积尽量小，而且其大小和分布均匀5）磁学特性分布均匀，随机偏差小6）表面平滑，耐磨损、耐环境优良7）磁学特性对于加压、加热等反应不敏感8）化学的、机械的耐久性优良9）不容易带电,磁记录之磁记录介质概述,用途：磁带，磁盘，磁卡等记录介质材料：颗粒状涂布介质发展到薄膜型介质记录方式：纵向记录；垂直记录基本要求：见下表。,磁记录之磁记录介质材料,一、颗粒状涂布介质结构,磁性粉要求：单畴(0.041m)，针状(磁晶各向异性

9、好，矫顽力高),-Fe2O3粉末制备方法（见左图）形态特征：0.60.8微米，长短轴比为6的针状颗粒，颗粒小记录性能好基本性能：矫顽力1900028000 A/m，居里点675。Co的加入提高了材料的矫顽力(78000A/m)，但居里温度有所下降(520)。,颗粒状涂布的优点：生产速度快，产量高，成本低；能过磁性组分和非磁性组分的调整可控制介质的性能。缺点：磁性颗粒占涂层体积的20%-40%，使得涂层的磁性能和记录性能变差；厚度很难小于1微米，硬盘介质的厚度很难小于0.25微米;颗粒分散性难以控制。,二、薄膜介质,磁性液体,定义,种类,特性,制备,应用,二、磁性液体,定义磁性液体(简称磁液)就

10、是把用表面活性剂处理过的超细磁性微粒高度分散在基液(载液)中形成的一种磁性胶体溶液.又称磁流体或铁流体.磁性液体由强磁性微粒、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地小，以致可以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。对金属微颗粒，通常小于6nm。为了得到稳定的磁性液体，强磁性微粒必须足够小，如对铁来说，微粒直径要小于3纳米；对Fe3O4来说，直径不能大于10纳米。选择合适的表面活性剂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

11、质，使颗粒和基液浑成一体。对表面活性剂总的要求是，活性剂的一端能吸附于微粒表面，形成很强的化学键，另一端能与基液溶剂化。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。,按其所用的磁性微粒分,铁氧体型,金属型,复合型,其他类型,种类,我国自行开发的部分氧化物磁液种类及性能,基本特性,磁 性,流动性,独特的,磁学特性,流体力学,光学特性,声学特性,决定磁性液体基本特性的因素是磁性胶体、分散溶剂以及二者之间的不同组合。,磁液表现出超顺磁性，本征矫顽力为零，无剩磁。磁液在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。当由外部施加磁场时，磁性液体内部的压力会因磁化而上升。无外加磁

12、场且磁性胶体的浓度低时，呈牛顿流动特性。当施加静态的强磁场时，磁性液体的黏度一般会增加，并呈现非牛顿流动特性。因此可通过磁场控制黏度。磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大。在垂直于磁性液体界面的方向施加磁场，由该磁场产生的静磁能可使界面扩张，而使表面张力减小。,磁性液体在磁场中显示磁力线分布的图形,超声波在磁液中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性。,当光通过稀释的磁液时，会产生光的双折射效应和双向色散现象。,磁致热对流：即在磁场中磁液被加热时，其自然对流除重力场影响外还要加上0JH的影响（J 为温度梯度造成的磁化强度变化，H 为磁场强度）。,磁液的稳定性,超细磁液微粒的稳定性,

13、选择好包覆磁液微粒的表面活性剂。,正确选择基液：低蒸发速率、低黏度、高化学稳定性、耐高温、抗辐照。,抗氧化能力,防凝聚,磁液的制备,基本条件,制作工艺,颗粒尺寸应小于临界尺寸(10 nm),颗粒在溶剂中要达到一定的表面活性化要求,磁性氧化物超微粒子的制作,超微颗粒的分散处理（胺系表活剂）,磁性金属超微粒子的制作,一般以磁铁矿等铁氧体氧化物为主体，由金属盐类水溶液通过共沉淀法制成超微粒。,由固体反应所得的铁氧体,球 磨,分 级,含表面活性,剂的油中,铁氧体,金属的醇盐,溶于乙醇,加水分解,构,成,金属蒸发,凝 聚,分 级,含适量氧的,稀薄气体中,含胺系界面活性剂的煤油,吹入氨气,滴入铁羰基化合物

14、,相同氨气流下,温度上升到130以上,氮化铁的超微粒子分散液,加热到90,具有适合浓度的铁羰基化合物,浓缩,尺寸均匀的Fe3N4超微 颗粒的磁液,其他方法：金属的蒸发凝聚、金属羰基化合物的热分解、金属醇基化合物的分解析出、利用电火花腐蚀（问题多）,磁性液体的应用,旋转轴动态密封 磁性液体旋转轴动态密封技术是磁性液体较成熟也是最重要的应用之一，现已广泛应用于X-射线转靶衍射仪、单晶炉、大功率激光器、计算机等精密仪器的转轴密封。其结构原理见图1。磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。,

15、太空人宇航服头盔转动密封应用,图2.磁性液体阻尼器件,阻尼器件 利用磁性液体作为旋转与线性阻尼器，以阻尼不需要的系统振荡模式。与一般阻尼介质相比优点在于可挤占籍助外磁场定位。例如在步进马达中使用磁性液体阻尼来消除系统的振荡与共振，使马达精确定位。另外在防振台中使用磁性液体阻尼，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。扬声器 将磁性液体注入扬声器的音圈气隙对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散，因此加入磁性液体可以提高扬声器的承受功率，在同样结构条件下可使输入功率提高2倍，同时改善频率响应，提高保真度。磁性液体用于

16、金属膜扬声器性能更佳。目前国内许多厂家生产磁性液体扬声器，生产线和磁性液体均从国外进口。若能将磁性液体国产化，必将带来非常可观的收益。,选矿分离 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（图3）。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。,磁性液体选矿分离示意图,开关 图4为磁性液体无摩擦开关示意图。水银和磁性液体装在一个不导电的容器中，利用外磁场改变水银在容器中的位置，来达到接通和断开电流的目的。图5为不需动力的新型磁性液体离心开关示意图。磁性液体密封在转轴上的非磁性容器中。当转轴静止时，磁性液体位于容器下部，传

17、感器检测不到它；当轴转动时，离心力使磁性液体分布于容器内壁，传感器检测到磁性液体并引发开关动作。,图4.无摩擦开关,图5.新型离心开关,精密研磨和抛光 磁性液体研磨是利用磁性液体的浮力将微米级的磨料悬浮于液体表面，与待抛光的工件紧密接触。不论工件的表面形状多么特殊，均可用此技术精密抛光。另外还可用来研磨高级Si3N4陶瓷球（图6），效率比传统方法高40倍。传感器 目前有两种商用磁性液体传感器：一种是在石油勘探工业中用来测量钻头的加速和倾斜（图7），另一种是在建筑工业中用来检测地下管道的倾斜（图8）。,图6.磁性液体研磨,图7.磁性液体倾角计,图8.倾斜传感器,主要特点：1.在磁场作用下，可以被

18、磁化；2.具有液体的流动性，可以运动。3.在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。当光波、声波在其中传播时会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性，此外介电性质也会呈现各向异性。这些都是有别于通常液体的奇异性质。,磁悬浮列车,上海磁悬浮列车 平均时速300公里/小时，最高时速430公里/小时,工程上对磁液的基本要求,（1）在使用的温度范围内，具有长期的稳定性。,（2）尽可能有高的饱和磁化强度和起始磁导率。,（3）一般要求是有低黏度和低蒸汽压，但对阻化器件要求具有一定黏度。,（4）在重力场、电场、磁场以

19、及非均匀磁场中具有高度稳定性，并且无明显的凝聚、不发生沉淀和分层。,（5）有很好的热学性。,（6）无毒性。,磁制冷材料,磁制冷产生背景磁制冷原理磁制冷材料磁制冷的应用,磁制冷产生背景,1、传统制冷的危害,本世纪开始，传统制冷剂氟氯碳类化合物的使用造成地球的保护伞大气臭氧层的严重破坏。1984年科学家们首先在南极上空发现了臭氧层空洞，最近在北极上空也发现了臭氧层空洞。,大气中臭氧每减少1%，照射到地面上的紫外线就增加2%，皮肤癌的发病率则增加约4%，此外还会损害人的免疫系统。臭氧层破坏也是全球气候变化的一个重要因素。,1987年80多个国家参加签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书规定，为了防

20、止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂。,到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。,因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术。,2、解决途径,本世纪二十年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。随后许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁致冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。磁致冷技术，是指以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术。其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应（MCE），即磁致冷材料等温磁化时间向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸收热量，达到

21、制冷的目的。,磁制冷技术,制冷过程：不断地将热量从被冷却的物体中取出并将其转移的过程。,磁热效应(MCE)是磁性材料的一种固有特性，它是将外磁场的变化所引起的材料自身磁熵改变,同时伴随着材料吸热放热过程。,原理：当作用有外磁场时,该材料的磁熵值降低并放出热量，反之，当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸收热量。衡量材料磁热效应的参数为等温磁熵变和绝热温度。,磁制冷原理,熵S是系统无序性的量度。当系统经历的过程绝热时，系统的熵变为0。容易理解对磁介质来说，影响其熵变的主要因素有两个：一是磁介质本身的温度T；二是施于磁介质的外磁场B。因此，我们可以将磁介质的熵S看成是由两部分组成：一部分受温度的影响

22、，成为热熵，用ST表示；另一部分受磁场B的影响，成为磁化熵，用SB表示；于是系统的熵S=sT+SB.当介质绝热磁化时，介质的磁场由0绝热增达到某一数值，介质内的分子磁矩的排列将由混乱无序到趋于与磁场B同向平行排列，即系统的磁化熵（无序性）减少了，sB 0。,这表明磁介质分子的热运动的剧烈程度增加，介质的温度升高。可见，绝热磁化会使磁介质的温度升高。当绝热去磁时，即在绝热条件下，使介质的磁场迅速下降为0时，介质中的分子磁矩平行于外磁场的方向的排列状态便不能维持，而又将逐步恢复到磁化前的混乱状态，即无序性增加，sB变大（sB0）。由于s=0，故sT0。即受热运动影响的无序性减少，介质的温度降低。可

23、见，绝热去磁可以使磁介质的温度降低。根据这种原理来获得低温的方法称为绝热去磁制冷法，通常又简称磁制冷。,工程技术中的磁制冷装置如图：,磁制冷材料,磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。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。根据磁性材料的性质和各种磁制冷机对材料 的要求的不同，磁性材料在制冷工业中的应用主要有三个方面，即用于20K以下温区的顺磁性工质和用于20K以上温区的铁磁性物质，以及用作15K以下代替铅的蓄新冷饮料。目前，磁致冷材料的研究主要集中于近室温附近。磁致冷所用的制冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的合金或化合物，尤其是室温磁致冷几乎全是采用稀土金属

24、Gd或Gd基合金。低温磁致冷所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和Dy3Al5O12(DAG)单晶。使用GGG或DAG等材料做成的低温磁致冷机属于卡诺磁致冷循环型，起始致冷温度分别为16K和20K。,超低温(10K)的磁制冷材料:顺磁盐,如铁铵钒铬钾钒等,主要是利用它们的绝热去磁来获得超低温.,低温(1080K)的磁制冷材料:La系金属及其合金,如NdErTm等,主要利用其居里温度附近的磁热效应来制冷,中温(80250K)的磁制冷材料:纯Dy以及一些非晶合金,如Rx(T1,T2)1-x(R为La系金属,T1,T2为过渡族金属),利用其居里温度附近的磁热效应来制冷,室温

25、的磁制冷材料:Gd,Ga,Ge等元素的化合物,磁制冷材料的分类,与传统制冷相比，磁致冷单位制冷率高，能耗、运动部件少，工作频率低，可靠性高，特别是无环境污染，因而被誉为绿色致冷技术。磁致冷应用范围广泛，从K、mK及到室温以上均适用。在低温领域，磁致冷技术在制取液氮、液氦、尤其是绿色能源液氢方面有较好的应用前景；在高温特别是近室温领域，磁致冷在冰箱、空调及超市食品冷冻系统方面有广阔的应用前景。,磁制冷的优点,磁制冷技术的应用磁制冷冰箱,冰箱的原理：冰箱的制冷系统是一个完全密闭的系统，在系统充有制冷剂，如R12、R134a、R600a，这些就是我们常说的氟里昂。这些制冷剂是在系统内经过相变过程，然

26、后进行热量传递，如液体蒸发为气体时需要吸收热量，气体凝结为液体时放出热量，就象水一样，加热时会蒸发出来，变成水蒸汽，当热量散去后水蒸汽会变会水一样。由于在制冷系统中需要在低温状态下吸收热量，如在-30度环境下，这样的温度，采用水作为制冷剂肯定不行，如果水结成冰就不能流动，因此要采用其它的物质。,另外，由于蒸发温度与压力有极大的关系，压力高时蒸发温度也高，压力低时蒸发温度也低，如同在高原环境中一样，烧水时极容易开，但水温并不高。所以在制冷系统中，还要采用不同的压力进行区别，如在蒸发过程中采用低压，这样温度就低，在冷凝过程中采用高压，从而生成高温才能将热量排出。为此，在制冷系统中必须有以下部件：压

27、缩机-产生压差，并维持制冷剂的流动，冷凝器-形成高温高压区，并将制冷剂的热量排向外界环境中，毛细管-维持高压和低压之间的压差，并允许制冷剂流通，蒸发器-形成低温低压区，并能从同围环境中吸收能量，也就是冰箱进行制冷。作为冰箱还必须有保温层才行，如果没有一个密闭并保温的环境，冰箱内的温度很难降低，因此需要进行热量隔绝。另外考虑到系统过程中的许多因素，还应设计有贮液器来调整制冷剂的量，设计干燥过滤器来处理制冷剂中的水份和制冷系统中的渣，保证制冷系统能正常运行。,系统见图,1.压缩机 2.冷凝器 3.干燥过滤器 4.毛细管 5.蒸发器 6.保温层,为了对冰箱进行温度控制，还必须设计有温度控制器，当达到

28、温度要求后，制冷系统就会停止制冷，防止冰箱内温度过低，浪费能量。制冷系统的工作过程如下：当压缩机启动时，就将制冷剂从蒸发器端抽到冷凝器端，使制冷剂变成高温高压的气体，然后经过冷凝器后，变成高温高压液体，经过干燥过滤器后，吸收制冷剂中的水份，然后流过毛细管，变成低温低压的制冷剂液体，它在蒸发器中通过吸收热量，变成气态制冷剂，最后再由压缩机吸走。从而不断如此循环，达到制冷效果。,磁制冷冰箱,根据实验得知，电冰箱和空调装置使用的制冷剂氟利昂会污染环境，而用磁制冷原理制作的冰箱这不仅不会破坏环境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。因此，磁制冷技术是一项很有发展前途的技术。,目前，磁致冷

29、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研究开发列为本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。,磁制冷材料制冷过程:不断地将热量从被冷却的物体中取出并将其转移的过程.目前在工程中常用的制冷方式有:(1)利用气体的膨胀产生冷效应达到制冷的目的,(2)利用物质相变,如熔化升华汽化磁相变等所产生的吸热效应而实现制冷(3)利用半导体的温差电效应而实现制冷.低温区(小于20K),高温区(大于20K),气体膨胀方式最低温度极限(液氦0.7K)磁热效应(MCE)是磁性材料的一种固有特性,它是将外磁场的变化所引起的材料自

30、身磁熵改变,同时伴随着材料吸热放热过程.原理如下:当作用有外磁场时,该材料的磁熵值降低并放出热量,反之,当去除外磁场时,材料的磁熵值升高并吸收热量.衡量材料磁热效应的参数为等温磁熵变和绝热温度.磁制冷的优点:对大气臭氧层无破坏作用,无温室效应,磁性工质的磁熵密度比气体大,因此制冷装置可以做得更紧湊;用电磁体或超导体及永磁体提供所需的磁场,无需压缩机;没有运动部件的磨损问题,机械振动及噪声较小,可靠性高,寿命长,热效应高,可达到卡诺循环的30%60%,而气体的制冷只达到5%10%.磁制冷材料的分类超低温(10K)的磁制冷材料:顺磁盐,如铁铵钒铬钾钒等,主要是利用它们的绝热去磁来获得超低温.低温(

31、1080K)的磁制冷材料:La系金属及其合金,如NdErTm等,主要利用其居里温度附近的磁热效应来制冷,中温(80250K)的磁制冷材料:纯Dy以及一些非晶合金,如Rx(T1,T2)1-x(R为La系金属,T1,T2为过渡族金属),利用其居里温度附近的磁热效应来制冷室温的磁制冷材料:Gd,Ga,Ge等元素的化合物磁制冷技术发展历史1881年,E.Warburg发现在铁中存在磁热效应1907年,P.Langevin发现恒磁体绝热去磁过程中,其温度会降低.1926年,Debye和Giauque都预言可以用磁热效应致冷,随后,Giauque和Macdougall于1933年用Gd2(SO4)3.8H

32、2O作为介质时进行了绝热退磁的首次实验,达到了0.53K0.1K超低温.1949年Giauque获得诺贝尔化学奖1976年Brown首次采用金属Gd为磁制冷介质,在7T磁场下进行了室温磁制冷实验,开创了室温磁制冷的新纪元.1997年美国Ames实验室的和等发现Gd(SixGe1-x)系合金的巨磁热效应,臭氧层破坏及其危害,臭氧层是指距地球表面10至50公里的大气层中由臭氧构成的气层。臭氧是一种气体，其分子结构为三个氧原子，即O3。臭氧层的主要功能在于吸收来自宇宙的紫外线，使地球上的万物免受紫外线幅射的危害，所以，臭氧层被称之为地球的保护伞。但如今，臭氧层已被人类严重破坏，本世纪开始人类大量使用

33、高度稳定的合成化合物，如空调器、冰箱工业、溶剂、航空航天用制冷剂、喷雾剂、清洗剂中含氯氟烃化合的挥发出来，通过复杂的物理化学过程与臭氧发生化学反应而将其摧毁。,1984年科学家们首先在南极上空发现了臭氧层空洞，最近在北极上空也发现了臭氧层空洞，臭氧层破坏的直接后果是使太阳辐射的紫外线长趋直入，危害人类及其他生物。科学家们证实：大气中臭氧每减少1%，照射到地面上的紫外线就增加2%，皮肤癌的发病率则增加约4%，此外还会损害人的免疫系统，使人们罹患白内障和呼吸道疾病的可能性增大，同时，也损害海洋生物，阻碍植物生长。最近的环境科学研究结果表明：臭氧层破坏也是全球气候变化的一个重要因素。,。,1987年

34、80多个国家参加签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书规定，为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂，我国于1991年6月加入这个国际公约并作出规定，到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术。1987年80多个国家参加签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书规定：,为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂，我国于1991年6月加入这个国际公约并作出规定，到2010年我国

35、将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术,一条解决途径,本世纪二十年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。随后许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁致冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。磁致冷，是指以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术。其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应（MCE），即磁致冷材料等温磁化时间向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸收热量，达到制冷的目的。与传统制冷相比，磁致冷单位制冷率高，能耗、运动部件少，工作频率低，可靠性高，特别是无环境污染，因而被誉为绿色致冷

36、技术。磁致冷应用范围广泛，从K、mK及到室温以上均适用。在低温领域，磁致冷技术在制取液氮、液氦、尤其是绿色能源液氢方面有较好的应用前景；在高温特别是近室温领域，磁致冷在冰箱、空调及超市食品冷冻系统方面有广阔的应用前景,磁制冷技术,1976年布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质，在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验，由于采用超导磁场，无法进行商品化。20世纪80年代以来人们对磁致冷工质开展了广泛的研究工作，但磁熵变均低于Gd。1996年在RmnO3钙钛矿化合物中获得磁精变大于Gd的突破，1997年报道Gd5(Si2Ge2)化合物的磁熵变可高于金属Gd-倍，高温磁致冷正一步步走向实用化。据报道1997年

37、美国已研制成以Gd为磁致冷工质的磁致冷机。如将磁致冷工质纳米化，可能用来展宽致冷的温区.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Gd3Ga5012(GGG)型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.515K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Cd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时其磁梢变高于GGG，从而成为1530K温区最佳的磁致冷工质。,目前，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

38、把磁致冷技术研究开发列为本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。,磁致伸缩效应：使消磁状态的铁磁体磁化，其尺寸形状会发生变化。,沿磁场方向伸长的为正磁致伸缩，缩短的为负磁致伸缩。,磁致伸缩逆效应：由于形状变化，致使磁化强度发生变化的现象。,二、磁致伸缩,2.产生机制,磁致伸缩的原因除了单纯的偶极子相互作用外，还要考虑自旋间各种类型的相互作用。磁致伸缩是多种因素平衡的结果。,1.唯象理论,磁致伸缩现象在单晶体中明显存在，并且各向异性较强。,3.与磁致伸缩效应相关的有重要实用意义的物理效应：,（1）磁致伸缩效应。（2）磁致伸缩逆效应。（3）长

39、冈-本多效应：由于压力作用，磁化强度发生变化。（4）E效应：由于磁场作用使弹性模量降低的现象。（5）K效应：由于磁场作用使压缩系数变化的现象。（6）G效应：由于磁场作用使弹性系数变化的现象。（7）魏德曼效应：沿着圆管磁致伸缩材料的轴向通以电流，同时沿该轴向施加磁场，则圆管周边扭曲的现象.,（8）魏德曼逆效应：使圆管状磁致伸缩材料沿管轴发生周向扭曲，同时沿轴向施加交变磁场，则沿圆周出现交变磁化的现象。,（9）阶跃效应：对某些超磁致伸缩材料进行预伸缩，并按一定时间间隔施加磁场，则磁致伸缩量呈阶跃式变化，磁导率也会发生变化。（10）磁致伸缩波的发生及传输效应：若在细长高磁导率材料的一端发生磁场变化d

40、H/dT，则磁致伸缩也会随时间变化，即发生磁致伸缩波（弹性波转化为超声波）。,巨磁阻(GMR)效应和超巨磁电阻(CMR)效应,对金属及半导体施加磁场会引起电阻变化，这种现象称为磁电阻(magnetoresistance,MR)效应.表征磁电阻大小的物理量为MR比,其定义由磁电阻系数=(RH-R0)/R0=(H-0)/0给出，其中RH(H)为磁场为H时的电阻（率）。R0（0）为磁场为零时的电阻（率）。,材料有不同的磁阻，其原因可来自：电荷受洛仑磁力的作用而改变其行进路径造成电荷与晶格间散射几率增加，此时（H）大于零；受磁矩在磁场下电子自旋与磁矩间散射状态改变的影响，若样品是铁磁性材料，其磁矩对电

41、荷自旋的散射几率会因为外加磁场的增加而减小，此时（H）小于零；其他物理原因。,(a)纵磁阻效应(产生的电流与磁场平行）,磁阻效应,(b)横磁阻效应(产生的电流与磁场垂直),1988年，Baibich等人在由Fe,Cr交替沉积而 形成的多层膜中，发现了超过50%的MR比，这远远超过了多层膜中Fe层MR比的总和，故称这种现象为巨磁电阻（giant magnetoresistance,GMR）效应。,1993年，Helmolt等人又在钙钛矿结构的稀土锰氧化物中观测到超巨磁阻（colossal magnetoresistance)效应。,新近发现的隧道结巨磁电阻（tunneling magnetore

42、sistance）效应，进一步引起世界各国的极大关注。,1995年，美国将GMR效应列为当年凝聚态物理中五个研究热点的首位。,目前已发现具有GMR效应的材料主要有多层膜、自旋阀、颗粒膜、非连续多层膜、氧化物超巨磁电阻薄膜。GMR、CMR、TMR效应将在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器中获得重要应用。,金属超晶格GMR效应,在满足下列三个条件的前提下，人们发现了金属超晶格GMR效应：（1）在铁磁性导体/非磁性导体超晶格中，如下页图所示，构成反平行自旋结构（零磁场）。相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变。铁磁性层：Fe CoNi及由这些元素构成的合金；非磁性导体层：

43、CuAgAu等贵金属；Cr（）金属超晶格的周期（每一重复层的厚度）应比载流电子的平均自由程短如Cu中电子的平均自由程大致在nm左右，实际上，Cr及Cu等非磁性导体层的厚度一般都在几纳米以下（）自旋取向不同的两种电子（向上和向下），在磁性原子上的散射差别必须很大,(a)零磁场时,（b）超过饱和磁场Hs时,图GMR多层膜的自旋配置,证实：铁磁性层的自发磁化Ms，在零磁场下为反平行排列，而在饱和磁场Hs以上的外加磁场下，自发磁化变为平行排列.而GMR效应正是与这种转变过程相关联典型的金属超晶格系统有：Co/Cu,(Co-Fe)/Cu,Co/Ag,(Ni-Fe)/Cu,(Ni-Fe)/Ag,(Ni-F

44、e-Co)/Cu,(Ni-Fe-Co)/Cu/Co等,超晶格巨磁阻效应完全不同于坡莫合金（Ni-Fe合金）及Ni-Co合金所显示出的各向异性磁致电阻效应其主要依据是：（）电阻变化率大（巨磁电阻效应）；（）负效应（随磁场增强，电阻只是减小而不是增加）一般的磁致电阻效应有纵效应和横效应之分，前者随磁场的增强电阻增加，后者随磁场的增强电阻减小而GMR效应则不同，不管H垂直I,还是H平行I，磁场造成的效果都是使电阻减小（）电阻变化与磁化强度磁场间所成的角度无关,（）GMR效应对于非磁性导体隔离层的厚度十分敏感随非磁性导体隔离层厚度的增加，电阻变化趋于缓慢（）具有积层数效应以Fe/Cr，Co/Cu系超晶

45、格为例，在层以下，随积层数增加，MR比增加（逐渐趋于最大）,磁光1.磁光效应：透明的铁磁性材料中的光透射、光反射时，光与自发磁化相互作用，会发生特异的光学现象，称此为磁光效应。光属于电磁波，为横波，电场和磁场分别在各自的固定面上振动，称此面为偏光面。磁光效应包括：（1）塞曼效应对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象为塞曼效应。从应用的角度来看，还属于有待开发的领域。,（2）法拉第效应光和原子磁矩相互作用而产生的现象。当Y3Fe5O12一些透明物质透过直线偏光时，若同时施加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角度射出，该现象为法拉第效应。若施加与入射光垂直的磁场，入射光将分裂为沿原

46、方向的正常光束和偏离原方向的异常光束，为科顿莫顿效应。,法拉第效应,入射光,磁场H,正常光线,异常光线,科顿莫顿效应,（3）克尔效应当光入射到被磁化的物质，或入射到外磁场作用下的物质表面时，其发射光的偏振面发生旋转的现象。,记录位,非记录位 记录位,光盘利用磁克尔效应进行光磁记录的原理,直线偏振光,记录层,磁化,反平行磁化,这种为非接触式、大容量记录介质,非晶态磁光记录介质的优点是：不存在晶界等相对于磁畴的障碍物，不产生反转磁畴的变形等。多晶体的MnBi的克尔旋转角大，是很有吸引力的材料，但由于多晶体再生时，造成较大的噪音，作为第一代光磁记录介质未被采用，最近又重新引起人们的兴趣。为了保存大量

47、信息，需要高密度、高速度、高效率、低价格的记录与存储。因此目前磁光盘正与磁记录、相变型可重写光盘处于激烈的竞争中。于是人们正在开发进行磁光盘用新型记录介质的开发（例如：金属超晶格多层膜、磁性石榴石等）。,磁光效应材料,磁盘由在圆盘状基表面附着磁记录介质层构成。由于其高存储容量、随机存取容易、迅速等优点，已成为数字式记录、存储媒体的主要形式。,磁光效应材料光盘磁光盘以光热磁原理进行记录、再生、属于可擦除重写型光存储器，即可通过光热磁，将不必要的信息擦除，并改写为必要的信息，目前所用的材料主要为锝(Tb)、铁、钴等构成的非晶态合金膜。（向多层膜方向发展）,光磁记录具有下述特征：（1）记录密度高（1

48、07-1010bit/cm2);（2）可擦除重写;（3）非接触式，从而可靠性高;（4）随机寸取;（5）光盘可自动装卸；（6）可用于多道记录及全息照相存储.,光磁记录的原理磁光效应是基于光与物质的磁化（或磁场）相互作用，而使光学参数发生变化的现象。,读出或再生原理：利用克尔效应或法拉第效应读出。读出时激光不能使记录介质过热，其加热功率要比记录时的功率低。,光盘,记录膜,气体激光器,半导体激光器,光调制器,透镜,光束分离器,光检出器,随机反射镜,聚焦透镜,记录时，利用激光的高能量，再生（读取）时，利用激光反射信号的检出（克尔效应）.,光磁记录介质应具备的特性：（1）满足垂直磁化的的条件；（2）作为

49、能稳定的保持微小磁畴结构的条件；（3）再生灵敏度高；（4）记录灵敏度高；（5）低噪音；（6）化学、结构等稳定；（7）便于大面积均质成膜。,TbFeCo磁光材料具有下列优势：（1）在近红外能长期使用；（2）可容易垂直磁化；（3）非晶态结构，可避免晶界等造成的再生噪音；（4）居里温度200度，与半导体激光功率可良好的对应。,玻璃成分B2O3BaO,BaO,Fe2O3（Ba铁氧体成分）,+,CoO,TiO2（矫玩力调整）,熔融急冷凝固,Ba铁氧体薄片,结晶化,Ba铁氧体磁性粉,+,下一代光磁记录材料为提高记录密度，采用短波长的光，重点集中在在短波长区具有较大克尔旋转角的材料，主要为含有Nd及Pr的非

50、晶态稀土(R)-Fe-Co合金膜、Bi置换磁性石榴石、Pt/Co多层膜（超晶格膜，磁性与非磁性界面效应，可以开发出新的性能和功能）.,超高密度信息记录的新技术：激光技术透镜聚焦.超纳米加工及分析测试技术：扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)等.采用可提高写入和读取密度的磁超分辨技术和磁畴扩大再生技术。短波长用法拉第旋转器件用材料：含Tb的顺磁性玻璃、含Pb的反磁性玻璃，含Eu的顺磁性玻璃.,光盘存储材料光存储技术的发展：以光为笔，以感光片为纸的照片；以光为探头，以胶卷为长卷的电影、电视等，这些光存储的中大多采用的是可见光，多用化学物质的感光技术。而光盘存储是现