一维磁性纳米阵列材料闫种可剖析

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1、 报告人：闫种可报告人：闫种可 导导 师：秦丽溶师：秦丽溶一维磁性纳米阵列材料磁记录介质的发展一维磁性纳米线阵列的研究现状一维磁性纳米线列的磁学性质磁性纳米线阵列的潜在应用基于AAO的一维磁性纳米线阵列的制备计算机磁盘的结构硬盘的存储密度在不同的时间磁记录密度增长图硬盘的存储密度在不同的时间磁记录密度增长图水平磁记录与垂直磁记录中磁介质排列的原理图水平磁记录与垂直磁记录中磁介质排列的原理图水平磁记录与垂直磁记录中磁介质排列的原理图水平磁记录与垂直磁记录中磁介质排列的原理图近年来在高密度磁记录方面的研究热点主要是垂直磁记录，其中一个重大的突破就是量子磁盘，磁存储密度高达量子磁盘扫描电镜图量子磁盘

2、扫描电镜图量子磁盘示意图量子磁盘示意图一维磁性纳米阵列的研究现状一维磁性纳米阵列的研究现状 由于磁性纳米线阵列在高密度垂直磁记录领域有着诱人的应用前景 最近几年有关磁性纳米阵列制备这方面的研究日趋活跃。1985年，日本M.shiraki小组，制备并研究了铁、钴、镍纳米线阵列的磁特性，但他们制备的纳米线并不是有序的。1993年，Whitney和C.Lchien等人在高分子模板中用电化学制备方法沉积镍、钴纳米线阵列，研究并发现制备的磁性纳米线阵列具有高矫顽力、高矩形比的磁学特性，磁性纳米线阵列在超高密度磁存储方面的潜在应用引起人们的广泛关注。2000年 于冬亮等人阳极氧化铝膜内电沉积制得钴纳米线阵

3、列制备出高度有序的钴纳米线阵列 对其结构和性能进行研究表明 钴纳米线是一种密排六方结构 其阵列体系具有高的矫顽场和矩形比 可预期用来作为良好的垂直磁记录材料2003年 Pham-Huu等首次在多壁碳纳米管中制备了 纳米线 讨论了退火条件对纳米线形貌和结晶的影响 并对其磁学性能进行了表征磁记录介质的发展趋势与要求 磁记录是当今应用面最广的一种信息记录方式，它可以记录一切可转换成电讯号的信息。磁记录介质具有记录密度高、稳定可靠、可反复使用、可记录频率范围宽、信息写入后可马上读出、价格便宜等优点，目前已被广泛应用于广播、电视、电影、文化教育、医疗卫生、自动控制、地质勘探、电子计算技术、军事技术、宇宙

4、航行和家庭娱乐等领域。垂直磁记录介质要求:磁记录的密度，是由磁记录介质的性能所决定的。作为一种优异的磁记录介质，它应该具有良好的磁性 磁记录介质属于永磁材料，它之所磁记录介质属于永磁材料，它之所以能长期保存记录的信息，是依靠材料以能长期保存记录的信息，是依靠材料的剩余磁感应强度。这就要求介质具有的剩余磁感应强度。这就要求介质具有足够高的矫顽力，以防止磁化后自退磁足够高的矫顽力，以防止磁化后自退磁和外磁场的干扰，避免记录信息的消失。和外磁场的干扰，避免记录信息的消失。但矫顽力的大小应与使用的磁头所能产但矫顽力的大小应与使用的磁头所能产生的磁场大小相匹配。一般要求介质的生的磁场大小相匹配。一般要求

5、介质的HcHc在在600oe600oe左右左右;但在高密度记录时使用但在高密度记录时使用的介质的的介质的HcHc已高达已高达 2000oe2000oe左右。左右。（a)高矫顽力Hc 这样的磁记录介质在第二象限的退磁曲线的形状变得更方，可以提高高频记录的输出。一般要求 Hc/Hc0.8 磁性纳米线阵列可以作为一种可能的高密度垂磁性纳米线阵列可以作为一种可能的高密度垂磁性纳米线阵列可以作为一种可能的高密度垂磁性纳米线阵列可以作为一种可能的高密度垂直磁记录介质，它的理论记录可以高达直磁记录介质，它的理论记录可以高达直磁记录介质，它的理论记录可以高达直磁记录介质，它的理论记录可以高达400Gb/in4

6、00Gb/in400Gb/in400Gb/in有有有有望将磁记录介质的存储密度上升一个新的台阶望将磁记录介质的存储密度上升一个新的台阶望将磁记录介质的存储密度上升一个新的台阶望将磁记录介质的存储密度上升一个新的台阶(c)矩形比 要尽可能高基于AAO的一维磁性纳米阵列的制备 一维磁性纳米材料主要是指磁性材料的纳米棒、纳米线和纳米管，以及以它们为结构单元组成的复合体系。(a)电化学沉积法 这种方法主要用在高分子模板或氧化铝模板中制备各种金属纳米线(b)无电沉积法 无电沉积是通过电化学还原剂将金属从溶液中沉积到表面(c)化学聚合法 化学聚合法是将模板浸入到含有单体和聚合物引发剂的溶液中，使单体在模板

7、孔洞内生成高聚物纳米线。(d)溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是指先利用化学水解的方法制备出溶胶体系，把AAO模板放入溶胶中一段时间，由于AAO模板孔壁带负电荷，而溶胶一般带正电荷，因此溶胶由于其热力学不稳定性很容易被吸附而沉积在孔中形成纳米管、纳米线和纳米棒。基于基于AAOAAO的一维磁性纳米阵列的制备的一维磁性纳米阵列的制备Al氧化铝氧化铝AuNi利用不通电解液制备的氧化铝模板正面的利用不通电解液制备的氧化铝模板正面的SEMSEM图图:(a)25nm (b)45nm (c)90nm (d)225nm电化学沉积制备纳米线装置示意图电化学沉积制备纳米线装置示意图电化学沉积金属纳米线阵列流程图电化学沉

8、积金属纳米线阵列流程图去掉部分AAO的Ni纳米线阵列分叉结构的Ni纳米线一维纳米阵列的磁性一维纳米阵列的磁性直径直径直径直径30nm Fe30nm Fe30nm Fe30nm Fe纳米线阵列的纳米线阵列的纳米线阵列的纳米线阵列的SEMSEMSEMSEM与与与与XRDXRDXRDXRD单质Fe纳米阵列直径直径直径直径30nm Fe30nm Fe30nm Fe30nm Fe纳米线阵列磁滞回线纳米线阵列磁滞回线纳米线阵列磁滞回线纳米线阵列磁滞回线Hc(Oe)Hc(Oe)外场方向 Hc(Oe)Mr/MsH（）24100.87H（）4700.10影响磁性纳米线磁性能的主要能量因素影响磁性纳米线磁性能的主

9、要能量因素 磁晶各向异性磁晶各向异性:磁性随单晶体的晶轴方向不同而有所差别，磁性随单晶体的晶轴方向不同而有所差别，这种现象存在于任何铁磁晶体中故亦称为天然这种现象存在于任何铁磁晶体中故亦称为天然各向异性，与材料的本征特性相关。各向异性，与材料的本征特性相关。由形状引起的的能量各向异性称为形由形状引起的的能量各向异性称为形状各向异性，它来源于退磁能。状各向异性，它来源于退磁能。纳米线间的静磁耦合作用纳米线间的静磁耦合作用形状各向异性：形状各向异性：不同直径Fe纳米阵列的磁性不同直径Co纳米阵列的磁性随角度的变化直径直径直径直径20202020、30303030、40nm40nm40nm40nm的

10、的的的CoCoCoCo纳米线纳米线纳米线纳米线在在在在0 0 0 0、30303030、60606060、90909090度的磁滞回线度的磁滞回线度的磁滞回线度的磁滞回线直径直径直径直径20202020,30303030,40nm,40nm,40nm,40nm的的的的CoCoCoCo纳米阵列矫顽力随角度的变化纳米阵列矫顽力随角度的变化纳米阵列矫顽力随角度的变化纳米阵列矫顽力随角度的变化 纳米线直径纳米线直径较小较小时时(55nm)(55nm)趋于趋于单畴结构单畴结构，磁，磁化过程通过单畴内原子磁矩的化过程通过单畴内原子磁矩的一致转动一致转动来完成来完成 纳米线直径纳米线直径较大较大时趋于时趋于

11、多畴结构多畴结构，磁化过程通，磁化过程通过过磁畴壁移动磁畴壁移动来实现来实现。由于形状各向异性由于形状各向异性多层磁性纳米线阵列的磁性直直径径60nm Ni/Fe60nm Ni/Fe 多层纳米线多层纳米线阵列的磁滞回线阵列的磁滞回线外场方向Hc(Oe)Mr/MsH（）602 0.235H（）100 0.0136直径直径直径直径 60nm Co/Fe 60nm Co/Fe 60nm Co/Fe 60nm Co/Fe 多层纳米线的磁滞回线多层纳米线的磁滞回线多层纳米线的磁滞回线多层纳米线的磁滞回线外场方向外场方向Hc(Oe)Mr/MsH（）703 0.405H（）2010.0266直径直径直径直径

12、 40nm Ni/Co 40nm Ni/Co 40nm Ni/Co 40nm Ni/Co 多层纳米线的磁滞回线多层纳米线的磁滞回线多层纳米线的磁滞回线多层纳米线的磁滞回线外场方向Hc(Oe)Mr/MsH（）6020.333H（）3600.155磁性纳米线阵列的潜在应用磁性纳米线阵列的潜在应用 新型多层纳米线阵列的开发是今后多层纳米阵列的一个重要研究方向。如铁磁金属/超导体多层纳米线、颗粒纳米线等。高密度磁记录介质高密度磁记录介质 自旋电子学的发展受到磁记录的大力推动，自旋电子学的发展受到磁记录的大力推动，19941994年年IBMIBM公司公司研制出研制出巨磁电阻巨磁电阻读出磁头，将磁盘的记录

13、密度提高了读出磁头，将磁盘的记录密度提高了1717倍倍，该，该技术迅速推广到磁记录领域。也正是在磁记录方面的应用的推技术迅速推广到磁记录领域。也正是在磁记录方面的应用的推动，使得巨磁电阻效应这一现象逐渐发展成为自旋电子学这门动，使得巨磁电阻效应这一现象逐渐发展成为自旋电子学这门新学科。该效应在新学科。该效应在磁随机存储器、量子计算磁随机存储器、量子计算领域等方面也有巨领域等方面也有巨大应用前景。大应用前景。自旋电子学自旋电子学 目前主流的数据储存手段为传统磁记录硬盘，存在着耗电量高、不耐震和运转噪音大等缺点。业内公司IBM最近宣布，他们计划用10年时间开发出一种名为“赛道”存储器来取代目前的传统磁记录硬盘以解决传统硬盘存在的问题。这种新型存储器具有比传统硬盘无可比拟的优点，如体积更小、质量更轻、没有机械传动零件及运转马达、省电(充一次电便可使用数周时间)、使用寿命长(达10年)、储存密度高(是现在的100倍)等，因此赛道存储器硬盘极有可能成为传统硬盘的终结者。赛道存储器