目前世界市場超過200億美元的磁性產業已是現代工業的一塊基石。近30年來磁性工業取得了十分迅速和突破性進展,其重要標志是多學科間的密切合作與滲透,將磁性科學的研究不斷推向深入,一些新概念、新原理、新現象不斷涌現,新材料與新應用也不斷增多;由于新的生產工藝技術的不斷采用,使傳統材料得以更新提高,成為一個活躍的工業應用領域并進入了高新技術行列。
隨著當代科技的迅速發展,磁性產品及其磁性理論(以下統稱磁性科技)不斷創新,尤其近年來出現了許多值得關注的前沿態勢,從而推動了它在國民經濟,國防建設諸領域中的廣泛應用。
一、對傳統磁性理論的挑戰
磁學是研究物質
磁性材料的一門學科,屬物理學的范疇,凝聚態物理的一個分支。然而在新近的發展過程中卻遇到了新的挑戰,以下列舉三個例證。
1.磁電子學的興起
磁學一出現就具有很強的實用性,所以它的發展就同物理學、固體化學、電子學密切結合而向前邁進的。本世紀初物理學的兩大基礎—量子論和相對論的建立,使鐵磁理論從唯象進到了微觀,也為真空電子學發展到固體電子學奠定了基礎。
磁學研究具有交換作用的電子自旋系統的合作磁性行為,而電子學是研究帶有正或負電荷的載流子系統的電行為的。可是近年來,納米科學技術和介觀物理學的發展出現了一些需要磁學和電子學聯合作用才能解釋的新現象、新原理和新器件,如1988年發現的比各向異性磁電阻(AMR)效應的電阻變化大得多的巨磁電阻(GMR)效應,前者的電阻變化(△R/R)值為1% 2%,后者高達60%;1993年又在類鈣鈦石型結構的稀土錳氧化物中觀測到了龐磁電阻(Colossal magnetoresistance ,CMR)效應,它的電阻變化又比GMR大,其△R/R值可達到103 106;新近發現的隧道結巨磁電阻(Tunneling magnetoresistance,簡稱TMR)效應,已引起世界各國的極大關注。IBM和富士公司已研制出△R/R為22%和24%的TMR
磁性材料,它們不但涉及磁學和電子學,而且將在小型化和微型化高密度記錄讀出頭、隨機存取存儲器和傳感器中獲得重要應用。又如納米磁粉、磁膜的介觀磁性都涉及到了復雜的動力學、磁有序系統的電子微結構理論計算、微磁顯微與模型。
所以磁電子學的產生是以GMR、CMR和TMR效應的發現及材料研究和器件應用為基礎的。我國在磁電子學方面的多層膜、顆粒膜、類鈣鈦礦型氧化物的GMR和磁光效應,層間耦合研究上取得了進展,在高密度記錄、磁光信息存儲、汽車,數控機床、自動控制系統中有著十分廣泛而重要的應用,是這類高新技術的基礎,國外正由基礎研究向應用、開發和產業化方向發展。
微電子、光電子、光電子學都是利用了電子導電的群體行為,而電子所具有的自旋卻未得到發揮。采用自旋結構技術的雙極自旋晶體管就是采用一種由鐵磁性—非磁性—鐵磁性金屬(F1-N-F2)三層幾何結構的厚膜技術(圖1),其結果就是一個具有依賴于F1和F2磁化方向的雙極電壓(或電流)輸出的三端電流偏置器件,它是一種在非磁性層中自旋極化電子以有效塞曼能描述的熱力學力驅動的有源器件。這種新型磁性晶體管顯示出了許多獨特的優越性能,如做成邊長為100nm的芯片,其集成度為硅器件的100倍,GaAs的10 100倍;功耗可低至0.5 W;開關時間按近1ns;溫度穩定性高;它可以有效地進行電流放大,應用到非易失性RAM、邏輯、LSI等裝置上作為新型計算機和信息系統的重要組成部分。
2.分子磁性理論的建立
1985年美國猶他州立大學的化學家米勒和美國俄亥俄州立大學的物理學家艾普林等人同時發現了一種非金屬磁性的物質,并稱作“分子磁性物質”,其作用機理與金屬磁有很大的不同,而且有些分子磁物質根本就沒有金屬原子,它具有重量輕、韌性好的特性,有的看起來透明或像塑料一樣,其磁性可以通過化學反應或光來控制(金屬磁是通過電來控制的),但分子磁物質只能在低溫下保持磁性。然而在1996年1月東京大學的學者發現一種有機染料普魯士蘭卻可以在負3℃下保持磁性,該磁性可通過化學反應來開關。1995年我國四川師范大學林展如教授用化學方法合成了一種新型高分子磁性化合物—金屬高分子
磁性材料,其磁導率( )幾乎與頻率無關,比重極輕。
目前科學家們正在積極探求用電來控制分子磁性物質特性的方法,一旦成功必將給計算機、電子學、醫學等眾多行業帶來巨大變革。
有機鐵磁體的出現,擴展了
磁性材料的視野,打破了傳統的無機物所專有的金屬的傳導性、超導性和鐵磁性這三大電磁特性,是對傳統的磁性起源、交換作用等磁學基本理論的挑戰;通常,磁性是由未滿電子殼層的3d和4f金屬、合金及其化合物所具有,而C、H、O、N等有機元素則是S或P電子的閉殼層,常呈現抗磁性。要使有機物質具有磁性必須引入未配對的順磁中心(如各種過渡金屬離子、有機自由基、極化子等具有自旋的準粒子及其組合等),并以某種方式引入順磁中心間的相互作用,使順磁中心自旋趨于一致。實踐證明已獲得的有機磁體可分為分子晶體、聚合物、電荷轉移復合物和金屬有機絡合物四大類。但它們只在低溫下有磁性,沒有實用價值。Miller和Epstein現已開發出由非磁釩外包裹有機分子四氫乙烯(即TCNE)在75℃下都保持磁性的有機磁體。法國制成的普魯士蘭化合物在42℃時將其粘到其他磁體上(該化合物是有機團包圍的釩和鉻原子),因它們的原子是呈剛性晶板排列,增強了電子間的相互作用使其自旋取向一致。在室溫下起作用的有機磁能彎曲,可作高密度磁性數據存儲,改進人造心臟中的磁性閥。
新近日本大阪府立大學杉本教授等用含氟原子的苯醌衍生物(TCNQF4)及其與原子團陰離子的絡合物,在室溫25℃下合成了C、H、N和F組成的純有機化合物。
有機磁的出現揭示出了許多生物之謎。
3.磁宏觀量子效應(QTM)
所謂磁宏觀量子效應是指原子內的許多磁性電子(指3d和4f殼層中的電子)以隧道效應方式穿透能壘導致磁化強度的變化,特別在極低溫度(<10K)下發生經典到量子的轉變。
1991 1992年Barcelona大學的Tejada實驗組和IBM的Awschalom小組在實驗上觀察到了磁矩的量子隧道效應,標志著QTM研究正在進入凝聚態物理研究的最前沿。一般講QTM有三種情形:(1)磁性單疇粒子或磁性粒子簇的M2的量子隧道效應;(2)反磁化過程中的量子成核,尤其適于鐵磁性薄膜中;(3)磁疇壁的量子相關行為或磁性孤粒子。
QTM的最直接應用是在量子器件,比如SOUID的約瑟夫森結,因此QTM在量子測量上有著廣泛的應用前景,在基礎理論研究和實驗技術上也具有巨大潛力。
QTM的前景在于未來信息的存儲,1950年以來存儲1bit所需的原子數,從1019個(1950年)下降到109個(1990年),到2010年只需103個(相當于半徑1nm的顆粒)。由于元件減少,熱干擾增加,因此只能在低溫下工作,若溫度為幾K時則可在半徑1nm元件內存儲30年不變。所以用QTM可界定微電子元件的尺寸,使存儲密度大大提高。美國明尼蘇大學Stephe等提出了65Gb/in2量子磁盤的構想,比目前最高的磁存儲密度大兩個數量級以上。
