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材料前沿丨低维磁性材料

已有 1520 次阅读 2020-6-12 17:35 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记

磁性材料是一类古老而又年轻的基础功能材料。早至春秋战国时期我们祖先发明的司南(图1),近到支撑近现代工业的各类机电装备,磁性材料贯穿了人类的文明史。迄今,以永磁材料、软磁材料、磁存储材料等为代表的多种磁性材料不仅在航空航天、核能工业等军工和民用高技术领域发挥着不可替代的关键作用,而且广泛地应用于医疗装备、交通运输、信息的存储和传输等日常生活中。


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图1 根据东汉时期思想家王充写的《论衡》仿制的司南模型


时至今日,磁性材料的人均使用量已经成为社会现代化的重要标志之一。近年来,纳米科学与技术的快速发展为磁性材料注入了新的活力。一方面,传统磁性材料如永磁材料、软磁材料等在自身结构实现纳米化之后展现出一系列新的物理和化学性能,特别是有别于传统大块粗晶材料的内禀和外禀磁学性能,开辟了新的应用领域。另一方面,低维磁性材料的出现及其所蕴藏的奇异性质极大地丰富了磁性材料家族。如磁性薄膜材料中发现的巨磁电阻效应和隧道磁电阻现象(图2)等推动了自旋电子学的发展,相关应用使磁记录效能实现了惊人飞跃,成果获2007年诺贝尔物理学奖。


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图2 巨磁电阻效应和隧道磁电阻。法国科学家艾尔伯-费尔和德国科学家皮特-克鲁伯格被授予2007年度诺贝尔物理学奖,以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。


低维磁性材料具有与传统三维磁性材料截然不同的重要特性。随着磁性材料的维度降低,量子效应随之增强,低维磁性材料显示出完全不同于传统磁性材料的量子特征,导致比三维材料体系具有更加丰富多彩的新奇量子效应。同时,受限磁结构可以使得原本在三维材料中可忽略的界面效应、尺寸效应、维度效应和拓扑效应展现出来。由于空间维度的降低,电子的电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间的关联与耦合也会被局域加强,使得自旋量子态对磁场、电场、应力场、光场和温度场等外场的响应更加丰富和更加显著,从而有助于实现多样化的高灵敏量子调控;既有助于揭示相关量子效应的物理本质,促进凝聚态物理学的发展,又有助于制备新型的磁性功能材料和获得可行的量子调控途径,为设计新型微电子与信息技术器件提供重要的原理储备;进而丰富受限小量子体系的量子调控的物理内涵,并为发展具有超高密度、超快速度和超低功耗的下一代信息功能器件提供科学基础及部分应用技术(图3)。


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图3 硬盘存储密度的发展趋势图(HGST, 2013)。插图是希捷(Seagate ST33232A硬盘和磁头)。


随着低维磁性材料的制备、表征和相关理论研究等方面突飞猛进的发展,对本领域形成的最新成果的及时梳理和总结已成为磁性材料和磁性学科发展的必然需求。低维磁性材料一书正是在这一背景下应运而生的。全书涵盖了磁性材料的磁学基础知识、特性、分类与应用以及低维磁性材料的基本特性、制备方法、微结构表征。在此基础上,详细介绍了低维永磁材料、低维软磁材料、低维磁存储材料和自旋电子学相关的多种低维磁性材料。对低维磁性材料的研究及其在传统工业、民用、生物医学、军事和交通等领域的应用具有直接的参考或指导作用(图4)。


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图4 低维磁性材料研究内容及应用



作者简介


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《低维磁性材料》

(低维材料与器件丛书/成会明 总主编)

王荣明,岳明 等 著

责任编辑:翁靖一

北京:科学出版社,2020.5

ISBN:978-7-03-064036-9


全书共分七章,具体包括三个部分:第一部分包括第1章,是磁学和磁性材料的基础知识,具体包括磁学基本参量、物质磁性起源、铁磁性材料的能量和磁畴、磁性材料的磁效应、磁性材料的分类和应用以及低维磁性材料概述。第二部分包括第2章和第3章。第2章介绍了低维磁性材料,包括零维纳米颗粒、一维纳米棒/线以及二维纳米薄膜的典型物理和化学制备技术;第3章介绍了针对低维磁性材料的各种表征方法。第三部分包括第4章到第7章,分别针对低维永磁材料、低维软磁材料、低维磁存储材料和自旋电子学相关的多种低维磁性材料等四类典型的低维磁性材料给予详细阐述,内容涉及磁性材料的相关理论、材料制备和表征技术、材料性能和应用等。


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