1、毕业论文开题报告应用物理学纳米铁磁性粒子物理特性研究一、选题的背景与意义11纳米粒子的性质纳米粒子是指粒度在1100NM之间的粒子（纳米粒子又称超细微粒）。属于胶体粒子大小的范畴。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。可以预见，纳米粒子应具有一些新异的物理化学特性。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是，它表面积占很大比重，而表面原子既无长程序又无短程序的非晶层。可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒径小，表面曲率大，内部产生很高的GI
2、LIBS压力，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使它具有下列四个方面的效应。1体积效应2表面效应3量子尺寸效应4宏观量子隧道效应12纳米粒子的应用纳米粒子表面活化中心多，这就提供了纳米粒子做催化剂的必要条件。目前，用纳米粒子进行催化反应可以直接用纳米微粒如铂黑、银、氧化铝、氧化铁等在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中做催化剂，可大大提高反应效率，利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应触媒，燃烧效率可提高100倍；催化反应还表现出选择性，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5NM以下时选择性急剧变化，醛分解得到控制，生成酒精的选择性急剧上升。在磁性材料方面有许多应用，例如可以
3、用纳米粒子作为永久磁体材料，磁记录材料和磁流体材料。13铁磁性，是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁2磁性纳米粒子布法罗大学研究小组所开发的这种磁性纳米粒子大小只有6纳米，很容易在细胞间扩散。研究人员首先将纳米粒子固定在细胞膜上，然后利用高周波磁场对其加热，从而刺激细胞。鉴于这种方法可以比较大范围均匀地刺激细胞，科学家认为该方法今后可以在人体内应用。研究人员目前已证明该方法可以打开钙离子通道，激活通过细胞培养的神经细胞，甚至可以操纵微小线虫的运动。当研究人员将磁性纳米粒子固定在线虫的口部，开始线虫只是爬来爬去
4、。不过，当科学家将磁性纳米粒子加热至34摄氏度后，就能够控制线虫的前进和后退了。该研究小组还发明了一种荧光探针，能够根据荧光强度的变化，来测量纳米粒子是否被加热到34摄氏度，这种荧光探针可以说是一个纳米温度计。这项研究具有广泛的应用价值，比如在癌症治疗中，科学家可针对选定的蛋白质或特定组织进行远程操作，从而开发出新型癌症治疗方法。此外在糖尿病治疗方面，也可以远程刺激胰腺细胞释放胰岛素。该方法还可应用于某些因刺激不足导致的神经系统疾病。科学家表示这种方法非常重要，由于该方法只会加热细胞膜，而细胞内的温度没有发生变化，因此不会导致细胞死亡。通过开发这种方法，科学家能够利用磁场在体外和体内刺激细胞，
5、帮助理解细胞的信号网络，以及控制动物的行为。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1铁磁粒子的定义，特点，性质及其各向异性能2纳米铁磁性粒子21什么是纳米铁磁性粒子及磁畴22满足LLG方程23满足LANGEUIN方程3结论全文，写出看文献后自己的想法三、研究的方法与技术路线由于是纳米级粒子，只需用经典力学就可；同时用LLG方程和LANGEUIN方程证明四、研究的总体安排与进度12010年12月17日前，填写任务书、文献综述、文献翻译、开题报告，上传到毕业论文系统22010年12月24日前,修改文献综述和开题报告。32011年4月4日前，完成毕业论文初稿。42011年4月29日前，毕业论文定稿。五
6、、主要参考文献【1】张三慧大学物理学清华大学出版社【2】物理学词典下册科学出版社1988【3】LIU,YISELLMYER,DJSELLMYER,DJSHINDO,DAISUKEEDSHANDLOOKOFADVANCEDMAGNETICMATERIALS2006【4】YUEJINZHU,1XIANYU,1ANDSHUFENGZHANG1,2ENERGYBARRIEROFMAGNETIZATIONREVERSALINAMAGNETICWIREWITHDEFECTSPHYSICALREVIEWB78,1444112008【5】SHUFENGZHANGANDSTEVENSLZHANGGENERALI
7、ZATIONOFTHELANDAULIFSHITZGILBERTEQUATIONFORCONDUCTINGFERROMAGNETSDOI101103/PHYSREVLETT102086601【6】侯伯俊编电工基础第六章第五节【7】黄才光，禹红主编电路基础【8】高阳编著先进材料测试仪器基础教程【9】蔡永超主编电工基础【10】毛卫民，朱景川，郦剑等著金属材料结构与性能毕业论文文献综述应用物理学纳米铁磁性粒子物理特性综述1研究历史11纳米粒子的性质纳米粒子是指粒度在1100NM之间的粒子（纳米粒子又称超细微粒）。属于胶体粒子大小的范畴。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间
8、，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。可以预见，纳米粒子应具有一些新异的物理化学特性。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是，它表面积占很大比重，而表面原子既无长程序又无短程序的非晶层。可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒径小，表面曲率大，内部产生很高的GILIBS压力，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使它具有下列四个方面的效应。1体积效应2表面效应3量子尺寸效应4宏观量子隧道效应12纳米粒子的应用纳米粒子表面活化中心多，这就提供了纳米粒子做催化剂的必要条件。目前，用纳米粒子进行催
9、化反应可以直接用纳米微粒如铂黑、银、氧化铝、氧化铁等在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中做催化剂，可大大提高反应效率，利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应触媒，燃烧效率可提高100倍；催化反应还表现出选择性，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5NM以下时选择性急剧变化，醛分解得到控制，生成酒精的选择性急剧上升。在磁性材料方面有许多应用，例如可以用纳米粒子作为永久磁体材料，磁记录材料和磁流体材料。13铁磁性，是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。因为铁是具有铁
10、磁性物质中最常见也是最典型的。钐SAMARIUM，钕NEODYMIUM与钴的合金常被用来制造强磁铁。铁磁理论的奠基者，法国物理学家PE外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。1928年WK海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。1930年F布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列
11、。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化1。材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。铁磁性当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料“记忆“了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度CURIETEMPERATURE。如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性
12、质叫作磁致伸缩MAGNETOSTRICTION。铁磁质的自发磁化铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在上世纪初才开始认识的。1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴，由于各个区域磁畴的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。外斯的假说取得了很大成功，实验证明了它的正确性，并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。在分子场假说的基础上，发展了自发磁化（SPON
13、TANEOUSMAGNETIZATION）理论，解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为。铁磁性铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程又称感磁或充磁只不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。实验证明，铁磁质自发磁化的根源是原子正离子磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。与原子顺磁性一样，在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。例如铁的3D状态有四个空位，钴的3D状态有三个空位，镍的3D态有二个空位。如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来，将会得到较大磁矩，理论上铁有4B，钴有3B，镍
14、有2B。可是对另一些过渡族元素，如锰在3D态上有五个空位，若同向排列，则它们自旋磁矩的应是5B，但它并不是铁磁性元素。因此，在原子中存在没有被电子填满的状态D或F态是产生铁磁性的必要条件，但不是充分条件。故产生铁磁性不仅仅在于元素的原子磁矩是否高，而且还要考虑形成晶体时，原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利。这是形成铁磁性的第二个条件。根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换。对于过渡族金属，原子的3D的状态与S态能量相差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起S、D状态电子的再分配。这种交换便产生一种交换能EEX与交换积分有关，此交换能有可能使相邻原子内D
15、层末抵消的自旋磁矩同向排列起来。量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时A0，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。外斯分子场就是这样得名的。2磁性纳米粒子布法罗大学研究小组所开发的这种磁性纳米粒子大小只有6纳米，很容易在细胞间扩散。研究人员首先将纳米粒子固定在细胞膜上，然后利用高周波磁场对其加热，从而刺激细胞。鉴于这种方法可以比较大范围均匀地刺激细胞，科学家认为该方法今后可以在人体内应用。研究人员目前已证明该方法可以打开钙离子通道，激活通过细胞培
16、养的神经细胞，甚至可以操纵微小线虫的运动。当研究人员将磁性纳米粒子固定在线虫的口部，开始线虫只是爬来爬去。不过，当科学家将磁性纳米粒子加热至34摄氏度后，就能够控制线虫的前进和后退了。该研究小组还发明了一种荧光探针，能够根据荧光强度的变化，来测量纳米粒子是否被加热到34摄氏度，这种荧光探针可以说是一个纳米温度计。这项研究具有广泛的应用价值，比如在癌症治疗中，科学家可针对选定的蛋白质或特定组织进行远程操作，从而开发出新型癌症治疗方法。此外在糖尿病治疗方面，也可以远程刺激胰腺细胞释放胰岛素。该方法还可应用于某些因刺激不足导致的神经系统疾病。科学家表示这种方法非常重要，由于该方法只会加热细胞膜，而细
17、胞内的温度没有发生变化，因此不会导致细胞死亡。通过开发这种方法，科学家能够利用磁场在体外和体内刺激细胞，帮助理解细胞的信号网络，以及控制动物的行为。参考文献【1】张三慧大学物理学清华大学出版社【2】物理学词典下册科学出版社1988【3】LIU,YISELLMYER,DJSELLMYER,DJSHINDO,DAISUKEEDSHANDLOOKOFADVANCEDMAGNETICMATERIALS2006【4】YUEJINZHU,1XIANYU,1ANDSHUFENGZHANG1,2ENERGYBARRIEROFMAGNETIZATIONREVERSALINAMAGNETICWIREWITHDEF
18、ECTSPHYSICALREVIEWB78,1444112008【5】SHUFENGZHANGANDSTEVENSLZHANGGENERALIZATIONOFTHELANDAULIFSHITZGILBERTEQUATIONFORCONDUCTINGFERROMAGNETSDOI101103/PHYSREVLETT102086601【6】侯伯俊编电工基础第六章第五节【7】黄才光，禹红主编电路基础【8】高阳编著先进材料测试仪器基础教程【9】蔡永超主编电工基础【10】毛卫民，朱景川，郦剑等著金属材料结构与性能本科毕业设计（20届）纳米铁磁性粒子摘要【摘要】本文目的是介绍纳米铁磁性粒子的性质以及分析形
19、成这些性质的原因。本文通过对铁磁性和纳米铁磁性粒子的定义的分析以及运用LLG和朗之万方程分析纳米铁磁性粒子的磁导率，阐述了纳米铁磁性粒子的各向异性能和磁化率，论证了铁磁性粒子的总能量是磁化作用概率函数和外部场作用的结果以及居里定律，得出了铁磁性粒子的总能量和不同温度下的磁导率。【关键词】纳米铁磁性；各向异性能；磁导率；LLG方程；朗之万方程。ABSTRACT【ABSTRACT】PURPOSEOFTHISARTICLEISTOINTRODUCETHECHARACTEROFNANOFERROMAGNETICPARTICLESANDTOANALYSISTHEREASONSOFHAVETHISCHAR
20、ACTERTHISARTICLEANALYSISTHEDEFINITIONOFMAGNETICPROPERTIESANDNANIFERROMAGNETICPARTICLES,ANDUSEOFLLGANDLANGEVINEQUATIONANALYSISINGOFPERMEABILITYNANOFERROMAGNETICPARTICLESITELABORATESANISOTROPICENERGYANDMAGNETICSUSCEPTIBILITYOFNANOFERROMAGNETICPARTICLESANDITDEMONSTRATESTHETOTALENERGYOFFERROMAGNETICPART
21、ICLESISRESULTOFMAGNETIZATIONPROBABILITYFUNCTIONANDTHEROLEOFTHEEXTERNALFIELD,ANDCURIELAWINCONCLUSION,ITOBTAINEDTHETOTALENERGYOFNANOFERROMAGNRTICPARTICLESANDTHEPERMEABILITYONDIFFERENTTEMPERATURE【KEYWORDS】NANOFERROMAGNETIC；ANISOTROPYENERGY；PERMEABILITYLLGEQUATIONLANGEVINEQUATION。目录摘要3ABSTRACT10目录111铁磁晶
22、体及其各向异性能611铁磁性6111铁磁性的概念12112铁磁性物质12113铁磁性的起因1212铁磁晶体13121铁磁晶体磁性结构的周期单元131211磁晶胞131212铁磁质的特性13122铁磁性理论1413磁晶能152纳米铁磁性粒子1621什么是纳米铁磁性粒子1622LLG方程18221LLG方程的应用举例18222GILBERT运动方程2123朗之万方程22231顺磁性理论23232LANGEVIN顺磁性243总结251铁磁晶体及其各向异性能11铁磁性111铁磁性的概念所谓铁磁性是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，
23、这些区域的合磁矩的定向排列程度也会随之增加到某一极限值的现象。而各种磁性材料中铁是最广为人知的，因此将这种性质命名为铁磁性。至今依然有人认为铁磁性这个概念包括了任何在没有外部磁场时显示磁性的物质。但是通过对不同显示磁性的物质及其磁性的更深刻认识，学者们对这个概念做了更精确的定义。即一个物质的原胞中所有的磁性粒子都指向它的磁性方向时才被称为是铁磁性的。如果只有部分离子的磁场指向其磁性方向，则被称为亚铁磁性。如果其磁性离子所指的方向正好是相互抵消的则被称为反铁磁性。物理的磁性现象存在一个临界温度，此温度下才会显示磁性。对于铁磁性和亚铁磁性物质，此温度被称为居里温度；对于反铁磁性物质，此温度被称为尼
24、尔温度。112铁磁性物质铁磁性物质是指易于磁化的物质如铁、钴、镍，在室温下的磁化率可达310数量级。当把它们移近磁铁处，磁铁的磁场会使它们产生磁化感应，靠近磁铁N极的端就成为S极。铁磁性物质在外部磁场的作用下磁化后，即使外部磁场消失，依然能保持其磁化状态具有磁性，这就是所谓自发性的磁化现象。其磁化率为正值。但当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和，其H变小。磁化就是要让磁性材料中磁畴的磁距方向变得一致。当对外不显磁性的材料被放进另一个强磁场中时，就会被磁化，但是，不是所有材料都可以磁化的，只有少数金属及金属化合物可以被磁化。113铁磁性的起因近代量子理论较好地解释了铁磁性的起因（1）铁磁质内存
25、在着很多自发磁化的小区域，即磁畴。各个磁畴的形状和大小不一，大致来说，每个磁畴大约占315M10的体积，约有1510个原子。每个磁畴都有一定的磁矩，由电子自旋磁矩自发取向一致产生，与电子的轨道运动无关。（2）在外磁场作用下，磁畴发生变化，这变化分为两步1）外磁场较弱时，凡是磁矩方向与外磁场相同或相近的磁畴都要扩大自己的体积；2）外磁场较强时，每个磁畴的磁矩方向都不同程度地向外磁场方向靠拢，外磁场越强，取向作用也越强。（3）磁畴的外移及磁矩的取向是不可逆的，当外磁场减弱或消失时磁畴不按原来规律逆着退回原状，这就解释了磁滞的成因。（4）由于磁畴起因于电子自旋磁矩的自发有序排列，而热运动又是有序排列
26、的破坏者，因此，每种铁磁质都有一个临界温度，当温度高于此值时磁畴不复存在，铁磁质变为普通顺磁质；当温度降到低于此值时则又还原为铁磁质。这一临界温度又叫居里点。12铁磁晶体121铁磁晶体磁性结够1211磁晶胞一般铁磁质的磁晶胞即通常的晶胞，两者没有区别。但对于反铁磁质晶体如OMN，在奈耳温度下由于相邻原子的自旋磁矩趋于反平行排列，要在经过一个原子间距，磁矩才又回复相同，因此，磁晶胞的晶格常数为通晶胞晶格常数的二倍，一个磁晶胞等于8个通常的晶胞。1212铁磁质的特性铁磁质的主要特点可归结为三个方面（1）高性为介质的磁导率，等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即通常使用的是磁介质的相对磁导率R
27、，其定义为磁导率与真空磁导率0之比，即B/H。根据不同需要，铁磁质的值可有不同定义。例如有时吧定义为起始磁化曲线上个点的斜率，即定义DB/DH。高值是铁磁质应用特别广泛的一个主要原因。可以说，一切希望使用较小传导电流激发强大磁场的装置几乎都要采用铁磁材料。在各种电机、变压器、电磁铁中放置铁心就是常见实例。在线圈中置入高铁心可以大大提高自感，实际上也可归结为用较小传导电流获得强大磁场。（2）非线性利用铁磁质的非线性可以制成各种非线性磁性元件，例如铁磁功率放大器、铁磁稳压器、铁磁倍频器及无触点继电器等。但是铁磁质的非线性也往往造成电机、变压器设计上的麻烦和运行上的问题。非线性还会导致铁心线圈的自感
28、不是常数，设计和使用铁心线圈是应该注意。（3）磁滞在铁磁性或亚铁磁性物质中，磁感应强度或磁化强度随磁场强度变化而发生的，且与变化率无关的不完全可逆的变化。铁磁质的磁滞特性使永磁铁的制造成为可能。与电磁铁不同，永磁铁无需传导电流，因而使用方便并可免去因传导电流通过导线所带来的能量损耗。由于这些优点永磁铁被广泛用于小型电机、扬声器、耳机及电学仪表中。122铁磁性理论为了解释铁磁性物质在一定温度以下出现自发磁化、磁化强度和外磁场的非线性关系等，远在量子力学给出恰当的微观理论之前，外斯提出了唯象的所谓分子场或平均场理论和磁畴假设。分子场理论认为铁磁质内部具有某种极为强大的、类似外磁场作用的所谓分子场，
29、它和整块磁体的磁化强度M成比例，可写作M，为分子场常数。因此，在外磁场H中，使铁磁质磁化的有效场MHHFFE。在某一特征温度以下，即使没有外场H0，分子场M也将使原子磁矩有序地平行排列起来，自发达到饱和磁化状态，其强度还随温度降低而增大。这一特征温度叫铁磁居里温度FT，它和分子场场数成比例。当温度升高超过铁磁居里温度TFT，自发磁化即行消失，铁磁性即转变为顺磁性。一般，另外还存在一个叫顺磁居里温度PTFT,在这以上，磁化率与温度的关系可表示为PTTE，（TPT），这叫居里外斯定律。实验证明，在FT附近自发饱和磁化强度M可表示为M（T）（FTT），（TFT）。其中033，它们对应立方晶胞的六个边
30、。由于存在交互作用，当自旋磁矩都指向这六个方向中的一个时，它们就最容易一致排列。因此铁晶体中的方向就是晶体最容易磁化的方向。当施加如图1（A）和（B）所示的沿【100】向的磁场H时，磁畴壁就会发生偏移，结果导致磁化方向与外场H所测到的MH特性曲线，可以看出，晶体在不到001T的外场下就会迅速磁化并达到饱和。磁晶能需要符合晶体的对称性的要求，因此，其表达式与晶体类型有关。以下以钴和铁为例。钴属六角晶系，六重轴是易磁化方向。因此磁晶能可以表示为磁化方向同易磁化方向所成偏角的函数。钴的磁晶能式子4221SINKSINKU。是磁化方向与六重轴的偏角。铁的晶体属立方晶系，三个立方轴即是易磁化方向。铁的磁
31、晶能式子11KU23222112212323222212K1K（212323221221）1、2、3为磁化方向对立方晶轴的方向余弦。1K、2K和11K、12K都是正值，分别称为钴和铁的磁晶各向异性系数。磁晶能最大的方向叫难磁化方向。从上式看出，钴的所有与六重轴垂直的方向（/2）都为难磁化方向；铁则只有晶胞的对角线方向（1321）为难磁化方向。磁晶各向异性的来源是原子（或离子）的自旋轨道的耦合作用。一般来说，晶体的对称性高（如立方晶系），则磁晶各向异性小；晶体的对称性低（如六角晶系），则磁晶各向异性大。磁性粒子在基态的轨道量子数L0时的各向异性也很小。铁磁单晶体，当改变磁化方向时会引起体积的形状
32、的变化；反过来当受到形变时，磁化方向、磁畴结构也会改变这叫磁滞伸缩。它主要和磁晶各向异性能有关这个能量是磁化方向相对于晶轴所成角度的函数；当磁化方向改变导致各向异性能增大时，晶体即跟着变形，使相对于变形后的晶轴，各向异性能减小，且减小值超过形变引起弹性势能的增加值，以利于总能量降低，达到新的稳定态。2纳米铁磁性粒子21什么是纳米铁磁性粒子纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米数量级的微型颗粒，它的尺度大于原子团簇，小于通常的微粉，一般在1100NM之间。这样小的物体只能用高分辨的电子显微镜观察。纳米颗粒与原子团簇不同，它们一般不具有幻数效应，但具有量子效应，表面效应和分形聚集特性等。简单来说，纳米铁磁性粒
33、子就是指直径在1100NM之间的铁磁性粒子。某些纳米粒子具有特殊的磁性如NA、K的团簇是铁磁性，本体为超顺磁性；FE、CO、NI的团簇表现为超顺磁性，而本体却表现为铁磁性。纳米铁磁性粒子在小于一定大小时，会失去其稳定的磁序（变成超级顺磁性）；在这一大小的颗粒都将磁矩保持在一定方向的各向异性能变得与热能相仿。按照经典电磁学两个临近的磁偶极趋于指向相反的方向（导致反铁磁性物质）。但是在铁磁性物质中它们趋于指向同一方向。其原因是泡利不相容原理两个自旋相同的电子不能占据同一位置，因此它们会感觉到附加的排斥力，降低其电静势能。这个能量差别被称为交换能，它导致邻近的电子排列成同向。在长距离上（数千离子）交
34、换能的作用逐渐被经典偶极相对排列的趋势掩盖，这是在平衡（没有磁性的）情况下铁磁性物质的偶极总的来说不排列起来的原因。在没有磁性的铁磁性物质中其磁偶极被分割在外斯畴中。每个外斯畴内部短距离地磁偶极排列指向同一方向，但是在长距离上不同外斯畴的磁偶极的排列不一致。不同外斯畴之间的边界被称为畴壁，畴壁内原子之间的指向逐渐更改。因此一块铁一般没有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一个足够强的外部磁场中，所有外斯畴会沿着这个磁场排列，在外部磁场消失后这些外斯畴会继续保存其同一的指向。这个磁场与外部磁场之间的关系由一条磁滞曲线描写。虽然这个排列整齐的外斯畴的能量不是最低的，但是它非常稳定。在海底的磁铁矿会上百万
35、年地指向它形成时的地磁场方向。通过加热再在没有外部磁场的情况下冷却磁铁的磁场会消失。温度升高后热振荡（或熵）与铁磁性的偶极排列竞争。温度高于居里点后晶体内发生二级相变，整个系统无法磁化，在有外部磁场的情况下这时铁磁性物质显示顺磁性。在居里点下对称破缺，外斯畴形成。居里点本身是一个阀值，理论上这里的磁化率为无穷大，虽然这里没有磁化，但是在任何长度范围内均有类似外斯畴的自旋波动。尤其是使用简化了的伊辛自旋模型来研究铁磁性相变对统计物理学的发展起了巨大作用。在这里平均场理论明显地无法正确地预言居里点上的现象，需要被重正化群理论取代。当铁磁性物质处于外磁场中时，那些自发磁化方向与外磁场方向所成角度较小
36、的磁畴的体积随着外加磁场强度的增大而扩大，并使得磁畴的磁化方向进一步趋向外磁场方向。另一部分自发磁化方向与外磁场方向所成角度较大的磁畴的体积则逐渐缩小，这时铁的磁质对外呈现宏观铁磁性。当外磁场增大时，上述效应相应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和。由于在每个磁畴中个单元磁矩已排列整齐，因此具有很强性质在居里温度以下，铁磁或亚铁磁材料内部存在很多各自具有自发磁矩，且磁矩成对的小区域。他们排列的方向紊乱，如不加磁场进行磁化，从整体上看，磁矩为零。这些小区域即称为磁畴。铁磁体中相邻磁畴的自发磁化方向是不相同的，但他们的方向不是突然改变而是逐步过渡。这些自旋方向逐步过渡的若干原子平面所构成的过渡
37、层叫畴壁。当有外磁场作用时，磁畴内一部分磁矩转向外磁场方向，使得与外磁场方向一致的总磁矩增加，这类磁畴得到增大，而其他磁畴变小，结果是磁化强度增高。增高随着外磁场强度的进一步增大，磁化强度也增大，但即使磁畴内的磁矩取向一致，成为单一磁畴区，其磁化方向与外磁场方向也不是完全一致的。只有当外磁场强度增加到一定程度时，所有磁畴中磁矩的磁化方向才能全部与外磁场方向完全一致。此时，铁磁体就达到磁饱和状态，即成饱和磁化。一旦达到饱和磁化后，即使磁场减小到零，磁矩也不会回到零，残留下一些磁化效应。这种残留磁化值称为残余磁感应强度以符号BR表示。饱和磁化值称为饱和磁感应强度BS。若加上反向磁场，使剩余磁感应强
38、度回到零，则此时的磁场强度称为矫顽磁场强度或矫顽力HC。22LLG方程带有GILBERT阻尼项的LANDAULIFSHITZ方程，又称LANDAULIFSHITZGILBERT（LLG）方程，是微磁学中的基本运动方程。221LLG方程的应用举例LLG方程最直接的一种应用是描述磁矩进动过程，即受微波场影响的磁矩围绕恒定外场的进动过程。根据铁磁材料的物理学研究经验，结合铁磁材料的具体情况，能够合理简化LLG方程的求解过程，较容易得到铁磁材料的磁导率。以下仅就LLG方程在各向同性球形铁磁颗粒和单轴异向性二维铁磁薄膜中的具体应用进行简单初步的探讨。LLG方程的矢量形式一般表示为DTDMMAHMDTDM
39、（11）其中H为磁场强度矢量，M为磁化强度矢量，为电子旋磁比的绝对值，为GILBERT阻尼系数。遵循微分方程求解惯例，方程（11）的求解从最简单的情形出发，考虑均匀的各向同性无穷大铁磁材料。磁矩的进动过程受到稳横磁场HE（或为外加直流磁场，或为内建各向异性场）和微波磁场H（INT0EH，且HEH0）的共同作用。方程的求解将给出微波磁化强度M（INT0EM）和微波磁场H的关系。在此处为方便计算，我们选用用直角坐标系，当然这个计算也可以在极坐标系中完成；将进动轴（HE）的方向定为正方向，由此磁场强度H和对应的磁化强度M可表示为HKHHJHIHZEYX（12）MKMMJMIMZEYX13其中ME为对
40、应于HE的稳恒磁化强度。而HX、HY、HZ和MX、MY、MZ分别为H和M在空间直角坐标系各个坐标轴方向的分量。将（12）和（13）代入到方程（11）中，可以得到ZEYXZYXZYXHHKKMMMMKJIKMJMI0MIZYXZYXMIMIMIMMMMKJ0IM（14）整理得XYYXZEXXZYZZEYZYXHMHMHHMHMMHMMHHMMMM00IXYYXZXZYZZYMIMMIMMIMMIMMMIMMMIM00M（15）对于高频铁磁进动，|H|EH，0MM，因此可以略去二级小项，则（15）式可以化简为00I0000XYEXXYEYZYXMMIMMIMHMHMHMHMMMM（16）即可分为以
41、下三个式子0I0000ZXEXXYYYEYXMMMMIHMHMMIMMMIHMHMM（17）又由于SMM0M（SM为饱和磁化强度），上式可化简为0I00ZXMYXYMYXMHMIMIHMIM（18）其中E0H，0SMMM。由上式解得IIIIIHIHXMYMX000M2202200MIHIIHIYMX（19）220000MIHIIIIIHIHIXMXMYMY2200IHIYM（110）由于HHXM1；00000I1AAI10000IAAI（111）由式（18）到（111）容易得到2202222202220M04111J2202222202220411M（112）2202222202220A411
42、MJ22022222002M412（113）在1A（对于三维材料不一定成立）的情况下，以上两式可进一步简化为2202222022022022220220M0441MJ（114）220222200222022220220A424MMJ（115）将上述推导用于有限尺度的实际磁性材料时，还需要考虑到由于有限尺度带来的退磁效应。此时，磁场的矢量HEFF表示应变化为ZZZEYYYXXXEFFMMNHHMNHMNH0H（116）（14）式则相应变化为ZZZEYYYXXXZYXZYXMMNHHMNHMNHMMMMKJIKMJMIM00IZYXZYXMIMIMIMMMMKJ0IM（117）而（17）式变化为0
43、0000000XYXZXEXYZYEYZYXMMIMMIMHMMNNHMHMMNNHMMMMI（118）对于球形颗粒，由于其退磁因子N，因此118式其实和（17）式有同样的形式。对于具有单轴异向性的二维铁磁薄膜，可以定义薄膜平面为XY平面，并将Y轴取为易磁化轴方向和外场施加的方向，动态磁场H则在X方向。在此情况下，MKMJMIMZSX（119）考虑到退磁效应，HKMJHZEFFIH（120）此处，MX、MZ为微波磁化强度M的分量，KEEFFHHH包括外加稳恒磁场和各向异性场的贡献。利用上文同样的方法，将（119）和（120）两式代入到LLG方程（11）中，容易得到XMZZMXMIHMIMIM0
44、0I（121）从上式可以方便的计算出IIHMMMMX0222020021M11（122）忽略其中的小项，可以分解得到磁性薄膜中磁导率的最终形式2022022020220M112022022022020222030M1222221MMMMMMMMMM（123）尽管上述两个实例在材料条件设置上进行了一些简化，但是实际应用的效果表明从这两个实例中推导出来的磁导率表示式还是具有相当的广泛性。222GILBERT运动方程以力矩MEFFH表示的动力学效果的理论论述，施加磁矩M，有效场EFFH。力矩按照晶格旋转电子磁矩。根据量子理论，联合磁矩M角动量是M，是系统旋磁比率。力矩等式EFFHMMT（21）叙述了
45、围绕有效场的磁矩运动。方程（21）描述了磁矩的旋磁进动，叙述了角动量随时间T的变化速率等于力矩。平衡角动量随时间的变化，这样力矩就为零。为了描述磁矩运动，平衡也是包括粘滞减幅期的。我们可以从一个消散的，加到有效场的项TM得出结果。这个消散的项是成比例与归纳速率TM，成为一个已知的常量。GILBERT运动方程是TMHMMTEFF（22）方程（21）和（22）保持|M|为常量。用更方便的表示方法，GILBERT方程是TMMMHMTMEFF（23）其中引进了GILBERT减幅常量M。方程（23）右边的第一项描述了旋磁进动，第二项描述了向着有效领域的旋磁进动的减幅项。平衡是磁矩平行于有效场和力矩MEF
46、FH，且为零。平衡时，总的磁性GIBBS自由能达到空间极小值。总的磁性GIBBS自由能是交换能、磁致伸缩能、磁性结晶度各向异性能和塞曼能的总和。在连续性理论中，磁矩方向是由磁化作用矢量M来描述的。M是单位体积的磁矩。铁磁性粒子的总能量是磁化作用概率函数M（R）和外部场HEXT作用的结果E（M，HEXT）【MHMEXT0KD0231II2SFMH2MMA】DV（24）其中MS是自发磁化作用，MI是磁化作用矢量M的ITH分量。A是交换常量，KF是磁晶结晶度各向异性能密度。退磁场HD由磁性容量电荷方面表示，由于异成分的含有磁性部分和磁性表面电荷MN的磁化作用概率函数，在结晶分界线和含单位表面法向量N的自由表面。有效场是方程（24）的负的磁差导数。23朗之万方程短时间范围内，热运动效应能够被当做数字上的、方程（23）中有效场地增加无规则热域。这导致了LANGEVIN方程TMMMHHMTMTHEFF（35）其中是GILBERT减幅常量。在熔炼的炉中，无规则场THH描述了磁性系统热偶。它解释了磁性极化偏振的相互作用，微观自由度是引起磁化作用概率函数的波动。假定波动发生在一个比固有的时间范围更快的时间范围，该固有时间范围是由旋磁比率和有效场给出的。该固有时间范围是由跟随着LARMOR频率的GILBERT运动方程给出的。EFFH（36）热量场假定一个GAUSSIA
