磁性纳米粒子的制备与应用

磁性纳米粒子的制备与应用

孙超

（上海大学 环境与化工工程学院，上海200444）

摘要： 磁性纳米材料（magnetic nanoparticle）是由Fe，Co，Ni等过渡金属及其氧化物组成的打下尺度介于1~100nm间的一种新型功能材料，磁性纳米材料具有磁性特征，还具有纳米材料的独特效应和生物亲和性，因而成为目前生物医学研究的热点之一。本文简要介绍了磁性纳米颗粒的制备方法，和目前磁性纳米颗粒在医用载药方面的研究进展。

关键词：磁性纳米材料；氧化铁；载药

Preparation and Application of Magnetic

Nanoparticles

Sunchao

(School of Environmental and Chemical Engineering， Shanghai University， Shanghai 200444，

China)

Abstract: Magnetic nanoparticles are a kind of magnetic material with diameter of l～1 00nm，which are made of transition metal and their oxide such as Fe、Co、Ni and so on．They are new type of functional materials with characterization of special effect，magnetic responsibility and bioaffinity，and have been one of hot spots in recent biomedicine research．This paper introduces the preparation of magnetic nanoparticles and some recent studies about drug loading of magnetic nanoparticles in medicine。

Key words: Magnetic nanoparticles；Iron oxide；Drug loading

1.引言

磁性纳米材料作为一种新型的功能材料，因其同时兼具纳米材料的独特效应、磁响应性和生物亲和性等，近年来被广泛研究，特别是在生物医学、生物工程等领域的应用引起了各国研究者的高度重视，成为生

物医药研究领域中的一个研究热点(如图1)。

图1 磁性纳米颗粒示意图

磁性纳米材料是大小尺度在1~100nm的磁性材料，如Fe3O4，

Nd2Fe14B/a-Fe，CoPt3等[1-3]，其中最具有广泛应用前景的磁性纳米材料为铁氧体纳米材料。铁氧体是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物。一般可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种。如尖晶石型铁氧体的化学分子式为MeFe2O4，其中Me为离子半径与二价铁离子相近的二价金属离子（Mn2+，Zn2+，Co2+）等[4]，随着替代金属种类和数量不同，可以有多种不同组成的复合物，这些磁性纳米材料最突出的性质就是此特性，当磁性颗粒粒径变小时，磁性颗粒会丧失大块材料的铁磁性或亚铁磁性，表现为顺磁性，在外加磁场的作用下产生的磁矩与外加磁场一致，进而受到外加磁场的吸引。粒径的改变也导致矫顽力的显著变化，当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小到6nm时，其矫顽力反而降低到零，没有剩磁，在一定温度范围内呈现出超顺磁性，这时磁相互作用很弱。在交变磁场中还存在磁导率频散，磁粘滞性，磁损耗而发热等现象。这些性质使得在生物医药方面有很宽的应用范围。

在最近几年，在磁性纳米粒子上的研究很多都集中在氧化铁及其复合物的性能及应用上，通过精确控制磁性纳米粒子的合成过程和表面功能基团可以控制复合粒子物理化学性能，胶体稳定性以及它们的生物活性。一般可用作生物药物载体的磁性纳米粒子的尺寸都很小，同时很具有很强的磁性。

Fe3O4和y-Fe2O3因具有很好的生物相容性和生物分散性，目前是磁性纳米粒子中典型的代表材料。Fe3O4的磁性主要来源于在八面体和四

面体间隙中的Fe3+的反磁矩耦合。

2.制备方法简介

目前，合成磁性纳米粒子的主要方法有以下几种：

2.1物理方法

物理方法即利用物理手段如机械研磨等使反应前驱体发生反应生成所需的纳米晶。例如气相沉积法和电子束刻蚀法，然而这些方法很难将颗粒尺寸控制在纳米范围。

(1)气相沉淀法

这种合成方法主要用于合成一维的氧化铁纳米结构，这个过程是基于对分子前驱体的催化辅助的化学气相沉积过程。在基体表面的金颗粒的存在催化着氧化铁纳米粒子的生长。在低压力的情况下，Fe3+的热分解部分导致Fe3+转变为Fe2+，并且在一定温度下形成纳米结构的Fe3O4薄膜[5]。

(2)电子束光刻蚀法

这个物理方法主要是在一束电子束的照射下将铁的纳米粒子转变为氧化铁纳米粒子，电子束发射到覆盖有一层铁颗粒的表面，在电子束所聚集的高温下，铁转变为氧化铁纳米颗粒（Fe3O4）[6-7]。

2.2化学方法

化学方法主要是通过化学反应使反应物离子均匀混合，在相对低的温度下得到纳米尺寸产物。利用化学法制备纳米材料是目前最常用的制备方法。化学法较多，主要有化学共沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法，微乳液法、自蔓延高温合成技术、机械化学合成法、共沉淀催化相转化法。其中溶胶凝胶法、化学共沉淀法和微乳液法等均为近几年来发展起来制备铁氧体纳米粉体的新方法。这些方法各有优缺点，使用条件不同，得到的纳米材料的性能不尽一致。

(1)化学共沉淀法

该法是最早采用的液相化学反应合成金属氧化物纳米颗粒的方法，它是在有两种或多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，这种多元体系的溶液经过沉淀反应后，可得到成分均一的沉淀，实验结果具有很强的重复性。目前普遍使用的方法是按照方程式Fe2++2Fe3++80H--Fe3O4+4H2O为原理进行的。通常是将Fe2+与Fe3+的前驱物盐(氯化物，硝酸盐，硫酸盐)溶液以l：2的比例混合后，用过量的NH4OH或NaOH在一定温度和pH值下高速搅拌进行沉淀反应，控制pH值在8—11范围内，以一定速度均匀通入干净的压缩空气(或含氧气体)，待溶液控制在50---70℃，即能沉淀出前驱体沉淀物，经锻烧后就得到具有铁磁性的磁性纳米材料。。

但是粒子的饱和磁化强度一般低于块体90 emu/g为30．50 emu/g之间。在空气中极不稳定，很容易氧化或溶解在酸性基质中。Kim等[8]采用此法在碱性溶液中成功地合成了粒径范围在2～14nm之间的CoFe2O4纳米粒，并发现随着处理温度升高其粒径增大。该方法具有操作方便、设备简单和成本较低等优点，但沉淀过程中易分层，以致沉淀物的组成常偏离原始配方，还经常出现胶状沉淀，难以过滤和洗涤，热处理中的团聚较严重。基于此方法制取的微粒易于凝聚对其进行改进从而开发出各种化学共沉淀的复合方法。Suwalka等[9]报道采用NH3H2O溶液作沉淀剂，完全可以将Ni2+、Zn2+、Fe2+、CO2+共沉淀下来，制备出不同粒径球状纳米铁氧体。

龙春泉等[10]以FeCl3·4H2O、FeCl3·6H2O、BaCl2·2H2O、Na2CO3和氨水为原料，采用化学共沉淀—溶盐法制备纳米级沉淀前驱体Fe3O4和BaCO3混合粉，前驱体再和一定量NaCl混合在750℃一起焙烧2h可得到性能良好的纳米钡铁氧体。NaCl在焙烧过程中主要起助溶剂的作用，不参与生成物的化学反应，生成的铁氧体单畴粒子分散在NaCl熔融态中，不易聚集成较大的晶粒，同时在前驱制备分离中利用ｒ-Fe3O4的磁性，改善了胶状沉淀难于过滤和洗涤的问题。因此比较容易得到分散性好的产物。杨等[11]研究了共沉淀机械研磨法制备铁氧体的新方法，该方法是以氨水为沉淀剂，以一定比例的铁、钡、钴、锌的硝酸盐金属混合物溶液为原料，经化学共沉淀法得到纳米前驱物，通过冷冻干燥后，与NaCl及5mm钢球一起放到球磨机中碾磨20h，其中前驱物与NaCl重量比为l：4。前驱物为所添加金属的无定型氢氧化物或氧化物，其颗粒间的粘结力较弱，经与NaCl充分碾磨后，通过机械力打开了非化学键键合的纳米颗粒。使其充分分散在NaCl中，再于1200℃煅烧2h，洗涤从而得到纳米铁氧体粉末。

(2)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法也是化学溶液共沉积法，是利用金属醇盐的水解和聚合反应制备金属氧化物的均匀溶胶，再浓缩成透明凝胶，凝胶经过干燥，热处理等后续步骤地处理，最终可以得到氧化物的超微粉。在溶

胶-凝胶法中通过控制调节工艺条件，可以制备出粒径大小均匀，尺寸在纳米微米级别，分布均匀，化学活性大的单组分或多组分分子级混合物，以及可以制备出传统方法不能或者难以制备出的产物等，这其中涉及到对凝胶-溶胶法中的主要参数如：pH值，反应温度，反应时间，溶液浓度等的控制。所获得的晶体晶形的状况取决于凝胶热处理的过

程[12-13]，对于凝胶过程中的羟化和缩合，以及动力学方面的控制都可以对晶体的结构和形貌产生影响，尤其是pH，温度和盐溶液的浓度等

条件[11，14-15]，这种方法的主要优点是能够对晶粒的结构和尺寸进行一定的控制(如图2)。

图2 椭球形多晶F e3O4（2b），ｒ-F e2O3（2c）和球形Fe3O4（3b）的SEM图溶胶-凝胶法很容易在溶液中添加表面活性剂下进行反应，随后晶体的成核和晶体生长将被控制，易于聚沉的盐溶液也将避免产生，最终形成纳米颗粒，然而表面活性剂的使用将对纳米颗粒的表面形貌和表面价态产生一定的影响，但对其结构不会造成很大影响[16]。通过使用多元醇能够控制晶粒的生长，确保形成纳米颗粒的高结晶度，并且可以防止中间相的产生。

(3)微乳液法

微乳液是由油，水，表面活性剂组成的透明，各向同性，低黏度的热力学稳定体系，其中不溶于水的非极性物质作为分散介质，反应物水溶液为分散相，表面活性剂为乳化剂，形成油包水或者水包油型微乳液，反相胶束的尺寸由水和表面活性剂的比例决定[17]。

图3 微乳液法一般的工艺流程

两种水-油微乳液体系混合后，其胶束间不断碰撞，经破裂和复合，最后在胶束中形成沉淀，加入丙酮和乙醇等溶剂破乳，离心，过滤和洗涤即得到产物。微乳胶束如同纳米粒子形成的微反应器。上图为其一般的工艺流程。通过微乳液法制的颗粒一般粒子形貌是多样的，即粒子形貌，粒径大小不均匀。Kodak等[18]利用微乳和共沉淀结合的方法成功合成了Mn．Zn铁氧体纳米微粒。十六烷三甲基胺(CTAB)为表面活性剂，合成主要步骤是以正己醇为油相，溴化Mn、Zn、Fe硫酸盐的混合液为水相，配制成微乳液，与NaOH沉淀剂反应后再加入氧化剂H2O2继续反应一段时间即得到目标产物，其粒径为7-25nm。CTAB与正己醇的质量比对产物的粒径影响较大。王雪松等[19]以Span80和Tween60作为复合乳化剂(质量比为2：3)，正己醇作为表面活性剂，溶于120#汽油中，于25o C搅拌下滴加四甲基氢氧化铵水溶液制备透明澄清的W／O型微乳液；然后滴加含有Mg2+和Fe3+(摩尔比为l：2) 的溶液至pH= 11生成复合氢氧化物；采用加热蒸出

汽油、加破乳剂的方法将复合氢氧化物从体系中分离出来，分离物经高温煅烧、脱水、晶化制得了纳米尖晶石型MgFe2O4，其平均粒径为22.4nm。

(4)热分解法

在含有表面活性剂的高沸点有机溶剂中，加热可分解的有机金属化合物，是制备单散磁性纳米晶的有效方法[30]。例如将铁和N-亚硝基-β-苯核铵配合物的辛胺溶液注射到热的三辛胺中[20]，

得到包覆单层胺的ｒ-Fe2O3(如图4)由Fe(CO)5分解得到，通过改变Fe(CO)5和油酸的比例，控制磁性粒子大小在4-16nm[21]。

图4 非水相热分解制备磁性氧化铁纳米粒子

(5)相转化法

相转化法是以M2+盐和Fe3+盐为原料，按MFe2O4的化学计量比混合制成水溶液，在共沉淀剂及适宜pH值条件下，采用沸腾回流强迫水解法在短时间内制备纳米级铁酸盐的方法。李东风等[22]采用氧化．共沉淀相转化法，低温液相制各出了锰锌软磁铁氧体纳米粉体，即以低碳铁皮溶于硫酸制得二价铁溶液，在NaOH及氧气的双重作用下制得a-FeOOH的悬浮液，往悬浮液中加入一定量的锰、锌的硫酸盐溶液。并以NaOH调节溶液的pH值，形成共沉淀。而后移入沸腾回流装置内进行相转化，即得纳米锰锌软磁铁氧体粉体，其粒径约为20nm。同时实验也研究了共沉淀的pH值对生成物的化学组成和磁性的影响：当共沉淀的pH值为13时，共沉淀最完全，相转化程度最高，晶化最好，所制备的锰锌铁氧体粉体的磁性最强。总体上，这种方法具有反应速度快，反应条件较温和，工艺设备简单的制备方法，具有潜在的工业生产价值。3.磁性纳米材料在生物医学上的应用

磁性纳米材料由于具有纳米材料的独特的效应，如量子尺寸效应，表面效应，小尺寸效应以及隧道效应等，同时具有磁性材料的磁特性。在交变磁场中也具有磁导率频散，磁粘滞性和磁致发热等现象，另外，经过表面物理处理或生物修饰的磁性纳米材料具有低毒性，亲和性，生物相容性等优点，使得其在生物医学方面的具有潜在的应用前景。

在肿瘤治疗方面，磁性纳米材料的发展提供了有效的药物输送方法，甚至可以通过个性化的制备，获得针对不同肿瘤细胞的个性化功能的药物体系，从而有效治疗[23-27]。

通过外部磁场在定点部位可以利用磁性力将血液中流动的磁性纳米载药颗粒聚集在特定的部位，从而，药物可以针对肿瘤细胞作用，并且这些磁性纳米颗粒没有其他不利毒性。在载药过程必须面对的问题是装载药物多少，有效释放性，装载后的水溶性以及生物相容性，在装载后磁性纳米粒子的磁性强弱等问题，一般磁性纳米颗粒都要经过亲水性聚合物如右旋糖酐的包覆修饰，以增加颗粒的水溶性和在水中的分散性。化疗作用的药物分子一般是通过化学键或者是离子键和外层的高聚物相接连的[28-31]，这个过程是复杂的，涉及到多个步骤，结果可能导致药物的装载量有限，并且在数个小时内药物就会释放掉，所以药物从载药系统中的快速释放将会造成治疗的效果地下，尤其是肿瘤的化疗过程，因为化疗过程需要将药物积聚在目标组织区域，而快速释放将会加剧这一目地困难。将磁性纳米颗粒包覆在一些可持续释放的高聚物药物或者一些高聚物修饰层如:PLGA或者PLL等中后将会对核心的磁性纳米颗粒的磁性造成一定的损失(约40%的磁性)[32-39]。Tapan等[40]通过油胺，普朗尼克包覆的磁性氧化铁颗粒很好的解决了这一问题，他们认为疏水性药物嵌入包覆在氧化铁外层的油胺分子中，普朗尼克分子通过键接在外层的油胺分子上保证了整体磁性颗粒的水溶性和分散性，具体过程如下图示意。作者报道这种合成磁性纳米颗粒的过程，可以不降低核心氧化铁的磁性同时能过装载大剂量的非水溶性的抗癌药物分子。

图5 氧化铁磁性纳米颗粒的形成与载药过程示意图

4 结论与展望

目前制备磁性纳米颗粒的制备方法有很多，通过本文所介绍的物理和化学方法均可获得粒晶均匀，形貌良好且大小在纳米级别的磁性纳米颗粒，其中物理方法中对于尺寸的控制不如化学方法，所以主要集中于化学制备方法。其次主要讨论了目前制备方法中的主流制备方法，如溶胶-凝胶法，水热法，化学共沉淀法和相转变法，并给出了各种方法中突出的研究事例，通过这些研究事例我们可以得知磁性纳米粒子具有纳米材料的独特的效应，如量子尺寸效应，表面效应，小尺寸效应以及隧道效应等，同时具有磁性材料的磁特性，而且经过表面物理处理或生物修饰的磁性纳米材料具有低毒性，亲和性，生物相容性等优点[41-43]，这些在生物方面的性能使得磁性纳米颗粒在载药方面具有很宽广的前景。

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常见纳米材料的制备技术

东华大学研究生课程论文封面 教师填写： 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 注：本表格作为课程论文的首页递交，请用水笔或钢笔填写。

常见纳米材料的制备技术 1 概述 纳米材料是指材料的任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料，广义来讲，数百纳米的尺度亦可称为纳米材料。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能，纳米材料的性能往往由量子力学决定。按照纳米材料的空间形态可以将其分为4类：三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子被称为零维纳米材料；纳米纤维为一维纳米材料；纳米膜（片、层）可以称为二维纳米材料；而有纳米结构的材料可以称为三维纳米材料。目前只有纳米粉末实现了工业化生产（如碳酸钙、氧化锌等），静电纺纳米纤维的产量能够满足实验的需求，其它纳米材料基本上还处于实验室研究阶段[1]。 2 常见的纳米材料 2.1 零维纳米材料 指空间中三个维度的尺寸均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。纳米球全称“原子自组装纳米球固体润滑剂”，是具有二十面体原子团簇结构的铝基合金，是一种新型纳米/非晶合金固体抗磨自修复剂，采用急冷方法制备抗磨剂粉体，在合金从液体到固体的凝固过程中，形成纳米晶/非晶的复合结构，利用粒度控制的方法对抗磨剂粉末进行超微细化处理而成。该材料具有高硬度、高强度，并具有一定的韧性等性能，在多种减摩自修复机制的综合作用下呈现优良的减摩和抗磨性能，可以起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。 2.2 一维纳米材料 一维纳米材料指空间中有二维处于纳米尺度的材料，如纳米纤维、纳米棒、碳纳米管等。 静电纺纳米纤维是目前唯一一种能够连续制备纳米纤维的技术，它是利用高压电场力将纤维从导电溶液中抽拔出来，在抽拔过程中纤维被拉伸变细、溶剂挥

磁性纳米材料的应用

磁性纳米材料的应用 磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料，既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高，又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质，可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热。基于这些特性，磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面。 （一）生物分离 生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用（如抗原-抗体和亲和素 -生物素等）来实现对靶向性生物目标的快速分离。 传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程，这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低，接触有毒试剂，很难实现自动化操作。磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性，在外加磁场下纳米颗粒被磁化，一旦去掉磁场，它们将立即重新分散于溶液中。因此，可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能，从而达到分离的目的，如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等，具有快速、简便的特点，能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。此外，由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性，不仅能实现被检测物的分离与富集，而且能够使检测信号放大，具有重要的应用前景。 通常磁分离技术主要包括以下两个步骤：（ 1）将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上；（2）利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。 ①细胞分离：细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离，如采用微滤、超滤和超滤离心等方法。这些方法虽然操作简单，但是特异性差，而且纯度不高，制备量偏小，影响细胞活性。但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性，如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体（如抗体、荧光物质和外源凝结素等），利用它们与目标细胞特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。 磁性纳米材料作为不溶性载体，在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物，利用它们与目标细胞的特性结合，在外加磁场作用下将细胞分离。 温惠云等的地衣芽孢杆菌实验结果表明，磁性材料 Fe3O4 的引入对地衣芽孢杆菌的生长没有影响；Kuhara等制备了人单克隆抗体anti-hPCLP1,利用 anti-hPCLP1 修饰的磁纳米颗粒从人脐带血中成功分离了成血管细胞，PCLP1 阳性细胞分离纯度达到了 95%。 ②蛋白质分离：利用传统的生物学技术（如溶剂萃取技术）来分离蛋白质程序非常复杂，而磁分离技术是分离蛋白分子便捷而快速的方法。 基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等可与目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团 , 使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性地分离目标蛋白质。 王军等采用络合剂乙二胺四乙酸二钠和硅烷偶联剂KH-550寸磁性Fe3O4粒 子进行表面修饰改性 , 并用其对天然胶乳中的蛋白质进行吸附分离。结果表明 , 乙二胺四乙酸通过化学键合牢固地结合在磁性粒子表面 , 并通过羰基与蛋白质反应, 达到降低胶乳氮含量的目的。 ③核酸分离 经典的DNA/RN分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法，这些方法的缺点是耗时多，难以自动化，不能用于分析小体积样品，分离不完全。

磁性纳米材料的模板法制备研究

磁性氧化物纳米材料的模板法制备研究 摘要磁性氧化物纳米材料的模板制备方法，主要内容包括:模板法的基本原理,模板的制备,利用电沉积法、溶胶凝胶沉积法和化学还原法在模板上制备磁性纳米线及纳米多层结构的技术。 关键词磁性氧化物纳米材料模板法 磁性纳米材料是20 世纪80 年代出现的一种新型磁性材料。磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，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,例如：磁单 畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。在人们所熟知的大量磁性材料中，由于不能同时满足高饱和磁化强度和稳定性高的要求，饱和磁化强度高但稳定性低的材料应用在一定程度上受到了限制。目前可选作磁性金属氧化物微粒的仅有少 数几种，主要为三氧化二铁（Fe 2O 3 ）、MFe 2 O 4 (M=Co，Mn，Ni)、四氧化三铁（Fe 3 O 4 ）。纳米 科技的发展，使这些磁性材料的应用成为可能，目前，磁性材料纳米化已成为材料科学的一个发展趋势。 磁性纳米材料的制备手段有物理法和化学法，而模板法[1]是由美国科罗拉多州立大学化学系Martin教授领导的研究组在20世纪80年代首创性地将其应用于磁性纳米材料的合成。模板合成是将具有纳米结构、价廉易得、形状容易控制的物质作为模子，通过物理或化学的方法将相关材料沉积到模板的孔中或表面，而后移去模板，得到具有模板规范形貌与尺寸的纳米材料的过程。 1 两种重要模板 用作模板的材料主要有两种:多孔阳极氧化铝模板及痕迹刻蚀聚合物模板,前者孔率较高,且膜孔孔径大小分布均匀; 后者膜孔孔径大小分布较广,且分布不均匀。 1. 1 多孔阳极氧化铝模板（AOO） 是通过电化学氧化的方法在纯铝表面形成的具有高度规整结构的氧化铝薄膜。其研究历史已有40 多年,最早主要用于铝及铝合金的耐腐蚀处理及染色,20世纪80年代Martin 等人首次将其用于纳米材料合成。AAO模板通常采用两步阳极氧化法制备[2-3]。此法所得AAO 模板孔道为六角柱形、垂直膜面呈有序平行排列,孔密度高达1011cm-2,孔径可在4～200nm范围内方便地调节,孔深可达几十到上百微米。AAO模板还具有孔径单分散、耐高温、强度高的特点,是迄今应用最为广泛的模板。AAO 模板的制备过程:首先是99. 99 %的纯铝在酸性条件下进行第一次氧化,后将生成的氧化铝膜在酸性溶液中腐蚀掉,然后以同样的条件进行第二次阳极氧化。得到的AAO 膜经扩孔后可沉积金属及氧化物。 1. 2 痕迹刻蚀聚合物模板 用核裂变碎片轰击6～10μm 厚的聚碳酸酯、聚酯或聚乙烯醇等高分子膜,使膜出现损伤,然后用化学法使损伤痕迹腐蚀发展成纳米孔道即得痕迹刻蚀聚合物模板聚合物模板的纳米孔呈圆柱形,孔径一般为10～200 nm ,孔密度109cm-2,其孔道不如AAO规整,有交错现象,孔轴与膜表面夹角有时可达30°且无序分布,导致所制纳米点阵的各向异性降低。但聚合物模板柔韧性好,不像AAO 模板那样脆,且在高酸性条件下能维持较长时间,因此应用也相当广泛。 2 几种基于模板的合成方法 2.1 电化学沉积法 电化学沉积指金属的阴极还原沉积,适合在模板的纳米孔道内制备金属纳米线。首先在模板的一面通过溅射或真空镀膜等方法制备一层金属薄膜作阴极,通过控制电压、电流、温

纳米材料制备方法综述

纳米材料制备方法综述 摘要：纳米材料由于其特殊性质，近年来受到人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。纳米材料的制备方法按物态一般可归纳为气相法、液相法、固相法。目前，各国科学家在纳米材料的研究方面已取得了显著的成果。纳米材料将推动21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展, 对生产力的发展产生深远的影响。 关键字：纳米材料，制备，固相法，液相法，气相法 近年来，纳米材料作为一种新型的材料得到了人们的广泛关注。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，具有表面与界面效应，量子尺寸效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而纳米具有很多奇特的性能，广泛应用于各个领域。为此，本文综述了纳米材料制备的各种方法并说明其优缺点。 目前纳米材料制备采用的方法按物态可分为：气相法、液相法和固相法。 一、气相法 气相法是将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长低维纳米材料的方法。气相法主要包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），在某些情况下使用其他热源获得气源，如电阻加热法，高频感应电流加热法，混合等离子加热法，通电加热蒸发法。 1、物理气相沉积（PVD） 在PVD过程中没有化学反应产生，其主要过程是固体材料的蒸发和蒸发蒸气的冷凝或沉积。采用PVD可制备出高质量的纳米材料粉体。PVD可分为制备出高质量的纳米粉体。PVD可分为蒸气-冷凝法和溅射法。 1.1蒸气-冷凝法 此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热物质（如金属等），使其蒸发汽化, 然后在气体介质中冷凝后形成5-100 nm的纳米微粒。通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。此方法制备的颗粒表面清洁，颗粒度整齐，生长条件易于控制，但是粒径分布范围狭窄。 1.2溅射法 用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气(40～250Pa)，两电极间施加的电压范围为0.3～1.5kv。由于两极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原产从其表面蒸发出来形成超微粒子．并在附着面上沉积下来。用溅射法制备纳米微粒有许多优点:可制备多种纳米金属，包括高熔

纳米磁性材料

重庆科技学院课程结业论文 课程名称：磁性材料 论文题目：纳米磁性材料的发展与应用 院（系）冶金与材料工程学院 专业班级金属材料工程071班 学生姓名罗新中 学生学号 2007440375 任课教师陈登明老师 成绩：，评语： 2010年 7 月 2日

纳米磁性材料的发展与应用 罗新中 2007440375 摘要：论文介绍了纳米磁性材料的结构和性能，对纳米磁性材料在一些领域的应用原理进行了详细的阐述，评述了纳米器件的发展和应用前景，同时对纳米磁性材料的发展给出了一些自己的看法。 关键词：纳米；磁性材料；磁性器件 1 前言 纳米磁性材料技术早在20世纪70年代就被应用于共沉制造磁性液体材。1988年，法国巴黎大学教授研究组首先在Fe/Cr纳米结构的多层膜中发现了巨磁电阻效应，引起国际上的反响。此后，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术中的应用投入很大的力量，兴起纳米磁性材料的开发应用热。纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，主要是与磁特性相关的物理长度恰好处于纳米量级，例如磁单畴尺寸、超顺磁磁性临界尺寸、交换作用长度等大致在1nm～100nm量级，当磁性材料结构尺寸与这个物理长度相当时，就会呈现出反常的磁学性质从纳米材料的结构特征我们可将其分为3大类： 1．纳米颗粒型，如磁记录介质、共沉磁性液体、电渡吸收材料； 2．纳米微晶型，如纳米微晶永磁材料、纳米、微晶软磁材料； 3．磁微电子结构材料，如薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道结等。 2 纳米颗粒型 2.1 磁存储介质材料 近年来，随着信息量的飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有着密切的关系，例如，要求每lcm 可记录1000万条以上的信息，那么，一条信息要记录在lmm～lOmm 中，至少具有300阶段分层次的记录，在1mm ～lOmm中至少必须有300个记录单位。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高纳米磁性微粒的尺寸极小，具有单磁畴

关于磁性纳米材料的研究应用

关于磁性纳米材料的研究应用 文献综述 姓名：于辉 学号：2013155048 学院：理学院 专业：材料化学 年级：2013级

关于磁性纳米材料的研究应用 【前言】 磁性纳米材料的应用可谓涉及在机械，电子，光学，磁学，化学和生物学领域的应用前景，纳米科学技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题。 下一世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性设计出顺应世纪的各种新型的材料和器件，通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品[1]。磁性纳米材料将成为纳米材料科学领域一个大放异彩的明星，在新材料，能源，信息，生物医学等各个领域发挥举足轻重的作用。 磁性纳米材料由于其独特的磁学性能、小尺寸效应，在化学设计与合成、表面功能化方法,及其在核磁共振成像、磁控治疗、磁热疗和生物分离等领域都有应用[2]。

【磁性纳米材料的发展历程和现状】 （一）关于磁性纳米材料 纳米材料又称纳米结构材料,是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料(1-100nm),或由它们作为基本单元构成的材料,是尺寸介于原子、分子与宏观物体之间的介观体系,因此,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性，而纳米磁性材料和纳米磁性又分别是纳米科学技术和纳米物性的一个组成部分。 （二）关于颗粒磁性的研究 颗粒的磁性，根据磁畴理论与实验表明:当磁性微粒处于单畴尺寸时,矫顽力将呈现极大值[3]。铁磁材料,在应用上,可以作为高矫顽力的永磁材料和磁记录材料。由于颗粒磁性与其尺寸有关,若尺寸进一步减小,颗粒将在一定的温度范围内将呈现出超顺磁性。利用微粒的超顺磁性,提出了磁宏观量子隧道效应的概念,并研制成了磁性液体。非晶态磁性材料的诞生为磁性材料增添了新的一页,也为纳米微晶磁性材料(纳米微晶软磁材料、纳米复合永磁材料)的问世铺平了道路。（三）磁性纳米材料的特点和制备方法[4] 磁性纳米材料有量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应的特点。 制备方法： <1>磁流体的制备方法 物理法：研磨法、热分解法、超声波法。 化学法：化学沉淀法、水热法。 <2>磁性微粒的制备方法 分散法、单体聚合法。 <3>纳米磁性微晶的制备方法 非晶化法、深度塑性变形法。 <4>纳米磁性结构复合材料的制备方法 溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、磁控溅射法和激光脉冲沉积法。 （四）磁性纳米材料的应用范围[4] 磁记录方面的应用、纳米永磁材料方面的应用、纳米软磁材料方面的应用、纳米吸波材料领域的应用、生物医学领域的应用、金属有机高分子磁性材料方面的应用。

磁性纳米材料论文

1 磁性纳米材料的定义和进展 纳米材料又称纳米结构材料,是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料(1 - 100nm) ,或由它们作为基本单元构成的材料,是尺寸介于原子、分子与宏观物体之间的介观体系,因此,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性。而纳米磁性材料和纳米磁性又分别是纳米科学技术和纳米物性的一个组成部分。 颗粒的磁性,理论上始于20 世纪初期发展起来的磁畴理论,理论与实验表明:当磁性微粒处于单畴尺寸时,矫顽力将呈现极大值。铁磁材料,如铁、镍、钻等磁性单畴临界尺寸大约处于l0 nm 量级,在应用上,可以作为高矫顽力的永磁材料和磁记录材料。由于颗粒磁性与其尺寸有关,若尺寸进一步减小,颗粒将在一定的温度范围内将呈现出超顺磁性。利用微粒的超顺磁性,人们在50 年代开始对镍纳米微粒的低温磁性进行了研究,提出了磁宏观量子隧道效应的概念,并在60 年代末期研制成了磁性液体。60 年代非晶态磁性材料的诞生为磁性材料增添了新的一页,也为80 年代纳米微晶磁性材料(纳米微晶软磁材料、纳米复合永磁材料) 的问世铺平了道路。80 年代以后,在理论与实验二方面,开始对纳米磁性微粒的磁宏观量子隧道效应进行研究,现已成为基础研究的重要课题之一。如1988 年首先在Fe/ Cr 多层膜中发现了巨磁电阻效应,叩开了新兴的磁电子学的大门,为纳米磁性材料的研究开拓了新的领域[2 - 4 ] 。 2 磁性纳米材料的特点 量子尺寸效应: 材料的能级间距是和原子数N 成反比的,因此,

当颗粒尺度小到一定的程度,颗粒内含有的原子数N 有限,纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散,纳米半导体微粒则存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道,能隙变宽。当这能隙间距大于材料物性的热能,磁能,静电能,光子能等等时,就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。 小尺寸效应:当粒子尺度小到可以与光波波长,磁交换长度,磁畴壁宽度,传导电子德布罗意波长,超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时,原有晶体周期性边界条件破坏,物性也就表现出新的效应,如从磁有序变成磁无序,磁矫顽力变化,金属熔点下降等。 宏观量子隧道效应:微观粒子具有穿越势垒的能力,称为量子隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中,发现宏观磁学量如磁化强度,磁通量等也具有隧道效应,这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限。 3 磁性纳米材料的应用 由于纳米磁性材料具有多种特别的纳米磁特性,可制成纳米磁膜(包括磁多层膜) 、纳米磁线、纳米磁粉(包括磁粉块体) 和磁性液体等多种形态的磁性材料,因而已在传统技术和高新技术、工农业生产和国防科研以及社会生活中获得了多方面的广泛而重要的应用

磁性纳米材料的研究进展

磁性纳米材料的研究进展 Progress of magnetic nanoparticles 李恒谦﹡贾雪珂李艳周康佳 （合肥工业大学，安徽宣城） （Hefei University of Technology, Xuancheng, Anhui, China) 摘要：纳米技术是近年来发展起来的一个覆盖面极广、多学科交叉的科学领域。而磁性纳米材料因其优异的磁学性能，也逐渐发挥出越来越大的作用。随着科学工作者在制备、应用领域的拓展逐渐深入，也使得纳米材料的外形、尺寸的控制日趋完善。因此，磁性纳米材料在机械、电子、化学和生物学等领域有着广泛的应用前景。文章综述磁性纳米材料的制备方法、性能及其近年来在不同领域的应用状况。 关键词：磁性；纳米；制备；性能；应用 Abstract: Nanotechnology is developed in recent years as a kind of science with wide coverage and multidisciplinary. Magnetic nanoparticles also play an increasing role due to its excellent magnetic properties．As scientists research take them deeper along the aspects of synthesis and application．the control of shape and dimensions of magnetic nanoparticles has become more mature．Therefore, magnetic nanoparticles have wide application propects in machinery, electronics, chemistry, biology, etc. In this paper，the synthesis method is discussed, the character is mentioned and the application of magnetic nanoparticles is summarized． Keywords：magnetic；nanoparticles；synthesis；character; application 1.引言 磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，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，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。 纳米表征技术是高新材料基础理论研究与实际应用交叉融合的技术。对我国高新材料产业的发展有着重要的推动作用，其在全国更广泛的推广应用，能加速我国高新材料研究的进程，为我国高新技术产业的发展作出更大的贡献。在纳米表征技术下，磁性纳米材料的应用日显勃勃生机。例如磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防，国民经济的方方面面紧密相关，磁记录材料至今仍是信息工业的主体。 磁性纳米材料的应用可谓涉及到各个领域。在机械，电子，光学，磁学，化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生将对人类社会产生深远的影响。并有可能从根本上解决人类面临的许多问题。特别是能源，人类健康和环境保护等重大问题。下一世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性设计出顺应世纪的各种新型的材料和器件，通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品。已出现可喜的苗头，具备了形成下一世纪经济新增长点的基础。磁性纳米材料将成为纳米材料科学领域一个大放异彩的明星，在新材料，能源，信息，生物医学等各个领域发挥举足轻重的作用。 2.制备 在人们所熟知的大量磁性材料中，由于不能同时满足高饱和磁化强度和稳定性高的要求，饱和磁化强度高但稳定性低的材料应用在一定程度上受到了限制。目前可选作磁性微粒的仅有少数几种，主要为金属氧化物，如三氧化二铁（Fe2O3）、MFe2O4(M为Co，Mn，Ni)、四氧化三铁（Fe3O4），二元和三元合金，如金属铁、钴、镍及其铁钴合金、镍铁合金，以及钕

纳米磁性材料的制备和研究进展综述教案资料

纳米磁性材料的制备和研究进展综述 一．前言 纳米材料又称纳米结构材料 ,是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料 (1-100 nm) ,或由它们作为基本单元构成的材料 ,是尺寸介于原子、分子与宏观物体之间的介观体系。磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。因此 ,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性。 司马迁《史记》记载黄帝作战所用的指南针是人类首次对磁性材料的应用。而今纳米磁性材料广泛应用于生物学，磁流体力学，原子核磁学，机体物理学，磁化学，

天文学，磁波电子学等方面。随着雷达、微波通信、电子对抗和环保等军用、民用科学技术的,微波吸收材料的应用日趋广泛 ,磁性纳米吸波材料的研究受到人们的关注。纳米磁性材料也对人们的生产与生活带来诸多的利益。 本次综述，主要针对磁性纳米材料的制备方法和研究进展两个问题进行阐述。首先，介绍磁性纳米材料的发展历史，可以追溯到黄帝时期。其次，介绍磁性纳米材料的分类。------再次，重点介绍磁性纳米材料是怎么制备的。其制备方法一般分为三大类：1.由上到下，即由大到小，将块材破碎成纳米粒子，或将大面积刻蚀成纳米图形等。2.由下到上，即由小到大，将原子，分子按需要生长成纳米颗粒，纳米丝，纳米膜或纳米粒子复合物 3. 气相法、液相法、固相法等。第四、介绍磁性纳米材来噢的现状和发展前景。最后，将全文主题扼要总结，并且找出研究的优缺点和差距，提出自己的见解。 二、主题 1、纳米磁性材料的发展史 磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料，磁性是物质的基本属性之一。人们对物质磁性的认识源远流长，早在公元前四世纪,人们就发现了天然的磁石(磁铁矿Fe3O4),，据传说，那是黄帝大战蚩尤于涿鹿，迷雾漫天，伸手不见五指，黄帝利用磁石指南的特性，制备了能指示方向的原始型的指南器，遂大获全胜．古代取其名为慈石，所谓“慈石吸铁，母子相恋”十分形象地表征磁性物体间的互作用。人们对物质磁性的研究具有悠久的历史,是在十七世纪末期和十八世纪前半叶开始发展起来的。1788年,库仑(Coulomb)把他的二点电荷之间的相互作用力规律推广到二磁极之间的相互作用上。1820年,丹麦物理学家奥斯特(Oersted)发现了电流的磁效应;同年法国物理学家安培(Ampere)提出了分子电流假说,认为物质磁性起源于分子电流。

磁性纳米材料的化学合成_功能化及其生物医学应用

第25卷第2期大学化学2010年4月 今日化学 磁性纳米材料的化学合成、功能化 及其生物医学应用 侯仰龙 (北京大学工学院先进材料与纳米技术系北京100871) 摘要从纳米材料的生长动力学模型出发,讨论磁性纳米材料的控制合成原理。总结磁性纳米材料的化学设计与合成、表面功能化及其在核磁共振成像和多模式影像等方面的应用研究最新 进展。 磁性材料在信息存储、传感器和磁流体等传统学科领域有着重要的应用。近年来,随着纳米材料科学与技术的发展,纳米磁性材料的应用开发日益引起人们的关注,特别是在提高信息存储密度、微纳米器件和生物医学领域的应用潜力巨大。本文将从纳米磁学开始,回顾磁性材料的基本概念、化学设计与合成、表面功能化及其在生物医学领域的潜在应用[1]。 1纳米磁学 在磁场中,铁磁体的磁化强度M或磁感应强度B与磁场强度H的关系可用曲线来表示。当外磁场作周期变化时,铁磁体中的磁感应强度随磁场强度的变化而形成一条闭合线,即磁滞回线,图1(a)为铁磁物质磁滞现象的曲线。一般说来,铁磁体等强磁物质的磁化强度M(或B)不是磁场强度H的单值函数而依赖于其所经历的磁状态。以磁中性状态为起始态,当磁状态沿起始磁化曲线磁化时,此时磁化强度逐渐趋于饱和,曲线几乎与H轴平行,将此时的磁化强度称为M s。此后若减小磁场强度,则从某一磁场强度开始,M随H的变化偏离原先的起始磁化曲线,M的变化落后于H。当H减小至0时,M并未同步减小到0,而存在剩余磁化强度 M r 。为使M减至0,需加一反向磁场,称为矫顽力H c 。反向磁场继续增大时,磁体内的M将沿 反方向磁化到趋于饱和(M s),反向磁场减小至0再施加正向磁场时,按相似的规律得到另一支偏离反向起始磁化曲线的曲线。当外磁场完成如上变化时,铁磁体的磁状态可由图1(a)所示的闭合回线描述。当温度高于居里点时,磁性材料将变成顺磁体,其磁性很容易随周围磁场的改变而改变。如果温度进一步提高,或者磁性颗粒的粒度很小时,即便在常温下,当尺寸达到临界畴时,材料中电子的热运动将逐渐占主导作用,热运动引起的扰动能超过磁能,使得原有的磁有序发生无序化,该现象称为超顺磁现象,如图1(b)所示,此时材料矫顽力和剩磁为0。对于纳米颗粒的超顺磁转变温度,称为B loc k i n g温度。其磁学性质随尺寸的变化,如图2所示,与块体磁性材料的多畴结构相比,纳米颗粒具有单畴结构,当颗粒尺寸小于临界畴尺寸时,纳米颗粒的磁自旋将无序排列。在单畴区域,矫顽力随着颗粒尺寸的增加而增加,在颗粒 1

磁性纳米材料的特性、发展及其应用

2011412690 应用化学董会艳 题目纳米材料的磁学性质、发展及其应用前景 内容摘要：磁性纳米材料的特性不同于一般的磁性材料，当与磁性相关联的特征物理长度恰好出于纳米量级，以及电子平均自由路程等大致处于1~100nm量级，或磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学与电学性质。不同分类的磁性纳米材料有着大不相同的特性。从纳米科技诞生的那一刻起就对人类产生着深远的影响。同时磁性材料一直是国民经济，国防工业的重要支柱与基础，与此同时在信息化高度发展的今天，磁性纳米材料的地位显的更加的重要与不可替代。 关键词：磁性，纳米，磁性纳米材料，应用 Abstract：Characteristics of magnetic nanomaterials is different from the general magnetic materials and magnetic properties associated with the characteristics of the physical length of just for the nanoscale, and the electron mean free path, etc. generally in the 1 ~ 100nm orders of magnitude, or magnetic body size and characteristicsphysical length is quite showing the anomalous magnetic and electrical properties. Different classification of magnetic nanomaterials differ materially from those features. The moment of the birth of nanotechnology on humans with far-reaching impact. Magnetic materials has been an important pillar and foundation of the national economy, defense industry, at the same time in the development of information technology today, the status of magnetic nanomaterials significantly more important and irreplaceable. Key words：Magnetic ，Nano ，Magnetic nanomaterials，Application 前言：在社会发展和科技进步的同时，磁性纳米材料的研究和应用也有了很大的突 破。磁性纳米材料在于与磁性相关联的特征物理长度恰好出于纳米量级，例如，磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸以及电子平均自由路程等大致处于1~100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学与电学性质。 当磁性微粒处于单畴尺寸时, 矫顽力将呈现极大值。铁磁材料, 如铁、钻等磁性单畴临界尺寸大约在l0 nm 量级,可以作为高矫顽力的永磁材料和磁记录材料。由于颗粒磁性与其尺寸有关, 如果尺寸进一步减小, 颗粒将在一定的温度范围内呈现出超顺磁性。利用微粒的这个特性, 人们在开始对镍纳米微粒进行低温磁性研究, 并提出磁宏观量子隧道效应的概念, 随后在60年代末期研制成了磁性液体。80 年代以后, 在理论与实验二方面, 开始研究纳米磁性微粒的磁宏观量子隧道效应,在1988 年首先在Fe/ Cr 多层膜中发现了巨磁电阻效应, 也为磁性纳米材料的研究奠定了更夯实的基础。 正文 磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因在于与磁性相关联的特征物理长度恰好出于纳米量级，例如，磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1~100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学与电学性质。利用这些新特性已涌现出一系列新材料，尤其在信息存储，处理与传输中已成为不可或缺的组成部分，广泛地应用于电信，自动控制，通讯，家用电器等领域，信息化发展的总趋势是向小，轻，薄以及多功能方

1纳米铁氧体磁性材料的制备

材料科学前沿 题目：纳米铁氧体磁性材料学院：理学院 班级：Y130802 姓名：陈国红 学号：S1*******

摘要：铁氧体纳米磁性材料是一类非常重要的无机功能材料，其应用涉及到电子、信息、航天航空、生物医学等领域。综述了纳米结构铁氧体磁性材料化学制备方法的研究进展，以及它们的应用，分析了其存在的问题，展望了研究和开发纳米结构铁氧体磁性材料的新性能和新技术的应用前景。 关键词：纳米磁性材料；铁氧体；制备；应用

铁氧体是从20世纪40年代迅速发展起来的一种新型的非金属磁性材料。与金属磁性材料相比，铁氧体具有电阻率大、介电性能高、在高频时具有较高的磁导率等优点。随着科学技术的发展，铁氧体不仅在通讯广播、自动控制、计算技术和仪器仪表等电子工业部门应用日益广泛，已经成为不可缺少的组成部分，而且在宇宙航行、卫星通讯、信息显示和污染处理等方面，也开辟了广阔的应用空间。在生产工艺上，铁氧体类似于一般的陶瓷工艺，操作方便易于控制，不像金属磁性材料那样要轧成薄片或制成细粉介质才能应用。由于铁氧体性能好、成本低、工艺简单、又能节约大量贵金属，已成为高频弱电领域中很有发展前途的一种非金属磁性材料 l铁氧体的晶体结构 铁氧体作为一种具有铁磁性的金属氧化物，是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物。实用化的铁氧体主要有以下几种晶体类刑 1．1尖晶石型铁氧体 尖晶石型铁氧体的化学分子式为MnFe 20 4 或M0Fe 2 3 ，M是指离子半径与二价 铁离子相近的二价金属离子(Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mg2+、Co2+等)或平均化学价为 二价的多种金属离子组(如Li 0.5Fe 0.53 )。以Mn2+替代Fe2+所合成的复合氧化物 MnFe 20 4 称为锰铁氧体，以Zn2+替代Fe2+所合成的复合氧化物ZnFe 2 4 称为锌铁氧体。 通过控制替代金属，可以达到控制材料磁特性的目的。由一种金属离子替代而成的铁氧体称为单组分铁氧体。由两种或两种以上的金属离子替代可以合成出双组 分铁氧体和多组分铁氧体。锰锌铁氧体(Mn—ZnFe 2O 4 )和镍锌铁氧体(Ni—ZnFe 2 4 ) 就是双组分铁氧体，而锰镁锌铁氧体(Mn—Mg—ZnFe 2O 4 )则是多组分铁氧体。 1．2磁铅石型铁氧体 磁铅石型铁氧体是与天然矿物——磁铅石Pb(Fe 7.5Mn 3.5 Al o.5 Ti 0.5 )0 19 有类似晶 体结构的铁氧体，属于六角晶系，分子式为MFe l20 19 或Bao·6Fe 2 3 ，M为二价金 属离子Ba2+、Sr2+、Pb2+等。通过控制替代金属，也可以获得性能改善的多组分铁氧体。 1．3石榴石型铁氧体 石榴石型铁氧体是指一种与天然石榴石(Fe，Mg) 3A1 2 (Si0 4 ) 3 有类似晶体结构

纳米磁性材料及器件的进展

综述与动态 纳米磁性材料及器件的进展 马昌贵 （西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000） 摘 要：概述了国内外纳米磁性材料及器件研究与开发的进展。具体介绍纳米磁性粒子、铁基纳米晶软磁合金、稀土永磁快淬磁粉、人工格、纳米磁性丝、射频用复合软磁材料的制备工艺、主要性能及其在磁记录、传感器、磁电子器件中的应用。 关键词：纳米材料；软磁合金；稀土永磁；人工格；磁电子器件；自旋阀 中图分类号：TM271 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2002)05-0036-05 收稿日期：2001-06-28 1 实用型纳米磁性材料 1.1 最早实用化的纳米磁性粒子 对微细、超微细磁性粒子的基础研究，大约始 于1970年代。当初，多以纯铁（α-Fe ）为研究对象，目的是想制出高矫顽力（H c ）的磁记录介质；制备工艺几乎都是采用化学沉积法。后来，运用真空蒸镀、溅射等技术，将这项研究工作向实用化阶段推进了一大步。 最早实用的纳米磁性材料，应当从美国宇航局和国家金属研究所开发成功的金属粒子磁性液体算起。 大家知道，磁性液体（又叫铁磁流体）是把纳米级的磁性颗粒通过表面活性剂，均匀地分散到载液中形成的稳定胶状体物质；已在宇航服、轴承、硬磁盘机（HDD ）的密封和扬声器减震等方面得到广泛应用。磁性液体的基本参数是饱和磁化强度（M s ），其大小主要由构成胶体的磁性粒子的性质决定。最初的磁性颗粒，是采用真空化学汽相沉积（CVD ）或球磨法制得的金属（Fe ，Co ，Ni ）或合金粒子，平均粒径5～7nm ，制成的磁性液体的s 0M μ=120～150mT 。后来，又制成了低成本的氧化物（Fe 3O 4等）粒子磁性液体，其s 0M μ≈40mT 。为了提高材料性能，对高M s 氮化铁做了很多的研究。例如，把用等离子体CVD 法制得的ε-Fe x N 粒子（直径2～10nm ）分散在甲苯中，制出的磁性液体s 0M μ=220mT 。 提高磁记录密度，需要高H c 记录介质和高饱和磁感应强度（B s ）高磁导率(μ)磁头材料。采用共沉淀、水热合成等方法制出的纳米级Co 代换γ-Fe 2O 3、Co-Ti 代换的BaFe 12O 19氧化物粒子磁粉，利用真空蒸发、溅射等工艺制成的金属纳米粒子磁粉、连续薄膜介质相继投放市场，推动了高密度音视频磁记录装置和HDD 的快速发展。 1.2 铁基纳米晶软磁合金 正式以纳米磁性材料命名并迅速投入批量生产的，是日立金属（株）于1988年开发成功的铁基纳米晶软磁合金，商品名Finemet [1]。这是在Fe-Si-B 基础合金中同时添加Nb 和Cu 元素，先用快淬工艺将熔融合金甩成非晶薄带，然后在其晶化温度（≈550℃）进行热处理，生成由直径10～14nm Fe-Si 体心立方微晶埋在剩余未晶化非晶母体中的合金，标称成分为Fe 73.5Si x B 22.5－x -Nb 3Cu 1（通常x =13.5或16.5）。由于这种新型合金的软磁性能明显优于同类非晶材料（高e μ，高B s ，低磁芯损耗），故而受到广泛的重视，很快被用作饱和电抗器、共模扼流圈、高频大功率变压器等磁芯材料。在这种合金中，Nb 和Cu 的同时存在，对晶粒细化和阻止非磁性硼化物的生成起了重要作用。 在Finemet 开发成功后不久，日本阿尔卑斯（株）采用射频溅射工艺，又制成了Fe-M-C(M=Zr ，Hf ，Nb ，Ti ，Ta ，V 等)纳米晶薄膜合金，商品名“Nanomax ”[2]。这种溅射态薄膜合金仍系非晶材料，在550℃左右退火处理约20min ，便生成由α-Fe 和MC 构成的多晶体。MC 的平均粒径1～3nm ，均匀地分散在粒径不到10nm 的α-Fe 相中。Nanomax 具有B s =1.4～1.7T ，i μ(1MHz)=5000～6000，H c =4.8～7.96A/m ，s λ≈0，耐热温度高达700℃，因此，它们首先被用来制作高频磁记录磁头，如VTR 和R-DAT 用MIG 磁头，其记录特性

磁性纳米材料的制备及应用前景

磁性纳米材料的制备及应用前景 摘要：磁性纳米材料因其具有独特的性质，在现代社会中有着广泛的应用，并越来越受到人们的关注。本文主要介绍了磁性纳米材料的制备及应用前景，概述了纳米磁性材料的制备方法，如机械球磨法，水热法，微乳，液法，超声波法等，总结了纳米磁性材料在实际中的应用，并对其研究前景进行了展望。 Abstract: magnetic nanomaterials due to their unique properties, in the modern society has a wide range of applications, and people pay more and more attention. This paper mainly introduces the magnetic nanometer material preparation and application prospect of nano magnetic materials, summarized the preparation methods, such as mechanical ball milling method, hydrothermal method, microemulsion, liquid method, ultrasonic method, summarizes the nanometer magnetic materials in practical application, and the research prospect.

前言 纳米材料因其尺寸小而具有普通块状材料所不具有的特殊性质，如表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，从而与普通块状材料相比具有较优异的物理、化学性能。磁性纳米材料由于其在高密度信息存储，分离，催化，靶向药物输送和医学检测等方面有着广泛的应用，已经受到了广泛关注。磁性复合纳米材料是以磁性纳米材料为中心核，通过键合、偶联、吸附等相互作用在其表面修饰一种或几种物质而形成的无机或有机复合材料。由于社会的发展和科学的进步，磁性纳米材料的研究和应用领域有了很大的扩展。磁性材料在信息存储、传感器和磁流体等传统学科领域有着重要的应用。随着纳米材料科学与技术的发展，纳米磁性材料的应用开发日益引起人们的关注，特别是在提高 信息存储密度、微纳米器件和生物医学领域的应用潜力巨大。目前普遍采用化学法制备铁氧体磁性纳米颗粒，具体有溶胶～凝胶法、化学共沉淀法等，而由于生物合成的磁性纳米颗粒表现出更优良的性质。 1.磁性纳米材料的特点 量子尺寸效应：材料的能级间距是和原子数N 成反比的，因此，当颗粒尺度小到一定的程度，颗粒内含有的原子数N 有限，纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，纳米半导体微粒则存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能隙变宽。当这能隙间距大于材料物性的热能，磁能，静电能，光子能等等时，就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。 小尺寸效应：当粒子尺度小到可以与光波波长，磁交换长度，磁畴壁宽度，传导电子德布罗意波长，超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时，原有晶体周期性边界条件破坏，物性也就表现出新的效应，如从磁有序变成磁无序，磁矫顽力变化，金属熔点下降等。 宏观量子隧道效应：微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中，发现宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也具有隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限。 2. 磁性复合纳米材料的制备方法 2.1水热合成法 水热合成法是液相中制备纳米粒子的一种新方法。一般是在100~300摄氏度温度下和高气压环境下使无机或有机化合物与水化合，通过对加速渗透析反应和物理过程的控制，得到改进的无机物，再过滤，洗涤，干燥，从而得到高纯，超细的各类微粒子。研究发现以FeC13为铁源，AOT为表面活性剂，N2H4·H20（50%）为还原剂水热合成 Fe3O4纳米颗粒时，反应温度和时间，表面活性剂和还原剂浓度对最终产物的尺寸形貌、分散性和磁性有明显影响。还有通过调节水热反