磁性基本特性及奈米磁性材料应用.doc

磁性基本特性及磁性材料應用 杜怡君、張毓娟、翁乙壬、蘇怡帆、陳世毓、梁哲銘、葉巧雯、吳信璋、卓育泯 國立台灣大學化學系 本篇內容介紹磁性材料特性與其應用，主要分為三部份。第一部分簡單介紹磁性材料基本特性。第二為磁性材料之應用；包含(1)磁性金屬奈米線具備小尺寸及優良之磁、電阻等特性；因可作為高密度之磁性儲存媒介；(2)生物醫學上大多使用磁性奈米材料於核磁共振成像；近年來，將生醫材料應用於高熱試劑，並透過外加磁場的準確定位，磁性奈米材料陡然成為身價百倍的腫瘤治療新寵；(3)磁性液體材料具有完全密封及無漏，其可應用於太空衣的頸部接合的密封上，磁光效應之應用（如磁場感測器、光電元件、揚聲器等）醫療、血清製造等等重多方面的應用；(4)興新磁性材料EuNbO2N具有巨磁應答(Magnetoresponses)特性；(5)磁性陶瓷材料。最後藉由日常生活中不可獲缺的物品「耳機」來探討磁性物質對生活的影響。 關鍵詞：磁性奈米材料、磁性液體、磁應答(Magnetoresponses)、磁性陶瓷、耳機  磁性物質1 杜怡君 將物質置於外加磁場H時，其磁化強度M將產生變化，兩者之關係可表示為：M = χH ；χ為物質磁化率(magnetic susceptibility)，其表示物質被磁化之難易程度，物質依磁化率大小可分為五類： 順磁性(Paramagnetic)物質 順磁性物質在未受磁場影響下，每原子內部磁矩為散亂分佈，其淨磁矩為零。所以對外無法顯示出巨觀的磁性；但當有外加磁場時，每個各別的磁偶極矩受到一力矩作用，而使其朝磁場方向轉動排列。順磁性的磁化係數(數量級約在10-3~10-5。所以巨觀下只能顯現出微弱的磁性。順磁性物質多與溫度T有密切關係，遵守χ= C/T (Curie Law) C:居禮常數，T為絕對溫度。當升高溫度，熱擾動之動能會增加，導致原子磁矩的方向不易轉成與外加磁場同方向，因此在固定磁場下，磁化率與溫度成反比。常見顯現順磁性的導電金屬如銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)等材料。 圖1-1：順磁性物質磁矩排列方式以及磁化率倒數與溫度的關係 反磁性(Diamagnetic)物質 反磁性物質的淨磁偶極矩為零，電子軌道和自旋運動所造成的磁偶極矩的平均總和為零。當材料受到外來磁場作用，外加磁場使得物質電子軌道運動產生改變的連帶效應，因而會感應出與磁場一反向的淨磁偶極矩。反磁性一般都非常微弱，其磁化率 0，數量級約為10-5，且磁化率與磁場、溫度皆無關係。所有材料都具有反磁特性，常見之導電金屬如銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)等材料。 圖1-2：反磁性抗磁圖及磁化率倒數與溫度的關係 鐵磁性(Ferromagnetic)物質 鐵磁性材料在未受外加磁場影響之下，內部之原子磁矩排列整齊且方向一致，但各單一磁區內原子磁矩雖排列一致，可是每個磁區的排列方向卻不一定同向，所以總磁矩仍然為零；但此類物質受到外加磁場時，只需在很小的磁場作用下，鐵磁物質之特性就能夠表現出來了。χ＞0，數量級約為101~106，此時此物質可被磁化至飽和狀態，即使移去外加磁場，材料仍保有沿磁場方向之磁化。若這時想將鐵磁材料恢復到原先未磁化之狀態，就必須再加一反向磁場，才能將淨磁化降到零。因為內部某些磁矩已自發地趨向於前一次磁場的方向。鐵磁性物質遵守χ= C/T-Tc (Curie-Weiss Law) 。當在溫度低於Tc時，為鐵磁性；而高於Tc時，因為熱擾動之動能增加，使磁矩不易再維持同一方向，因而呈現出順磁性。具有鐵磁性的元素不多(Fe、Co、Ni)，但具有鐵磁性的合金(如Nb-Fe-B)和化合物(如龐磁阻化合物)卻各式各樣。 圖1-3：鐵磁性物質磁矩排列方式以及磁化率倒數與溫度的關係 反鐵磁(Anti-ferromagnetic)物質 反鐵磁性也屬弱磁性，與順磁性同樣顯示一小正磁化率，但溫度對磁化率的影響有明顯特徵，反鐵磁性物質有一臨界溫度T，T稱為Neel溫度，當溫度大於Neel溫度時，其磁化率與溫度的關係與順磁性物質相似，溫度高於TN 磁矩會因受熱擺脫晶格排列與磁矩間作用力之限制，磁矩則成散亂排列，滿足Curie-Weiss Law；當溫度小於Neel溫度時，磁矩成逆平行排列，正向與反向磁矩彼此相抵消，磁化率隨溫度下降而變小，並逐漸趨於穩定值，所以反鐵磁性物質在溫度剛好等於Neel溫度時，磁化率為最大值。 圖1-4：反鐵磁性物質磁矩排列方式以及磁化率倒數與溫度的關係 陶鐵磁性(Ferrimagnetic)物質 陶鐵磁性物質在受外加磁場影響下，所表現出的巨觀磁性與鐵磁性物質相當，只是磁化率的數量級低於鐵磁性物質的磁化率，大約10~103，但其內部的磁矩結