目前世界市場超過200億美元的磁性產(chǎn)業(yè)已是現(xiàn)代工業(yè)的一塊基石。近30年來磁性工業(yè)取得了十分迅速和突破性進(jìn)展,其重要標(biāo)志是多學(xué)科間的密切合作與滲透,將磁性科學(xué)的研究不斷推向深入,一些新概念、新原理、新現(xiàn)象不斷涌現(xiàn),新材料與新應(yīng)用也不斷增多;由于新的生產(chǎn)工藝技術(shù)的不斷采用,使傳統(tǒng)材料得以更新提高,成為一個(gè)活躍的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域并進(jìn)入了高新技術(shù)行列。
隨著當(dāng)代科技的迅速發(fā)展,磁性產(chǎn)品及其磁性理論(以下統(tǒng)稱磁性科技)不斷創(chuàng)新,尤其近年來出現(xiàn)了許多值得關(guān)注的前沿態(tài)勢,從而推動(dòng)了它在國民經(jīng)濟(jì),國防建設(shè)諸領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。
一、對傳統(tǒng)磁性理論的挑戰(zhàn)
磁學(xué)是研究物質(zhì)
磁性材料的一門學(xué)科,屬物理學(xué)的范疇,凝聚態(tài)物理的一個(gè)分支。然而在新近的發(fā)展過程中卻遇到了新的挑戰(zhàn),以下列舉三個(gè)例證。
1.磁電子學(xué)的興起
磁學(xué)一出現(xiàn)就具有很強(qiáng)的實(shí)用性,所以它的發(fā)展就同物理學(xué)、固體化學(xué)、電子學(xué)密切結(jié)合而向前邁進(jìn)的。本世紀(jì)初物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)—量子論和相對論的建立,使鐵磁理論從唯象進(jìn)到了微觀,也為真空電子學(xué)發(fā)展到固體電子學(xué)奠定了基礎(chǔ)。
磁學(xué)研究具有交換作用的電子自旋系統(tǒng)的合作磁性行為,而電子學(xué)是研究帶有正或負(fù)電荷的載流子系統(tǒng)的電行為的?？墒墙陙?納米科學(xué)技術(shù)和介觀物理學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了一些需要磁學(xué)和電子學(xué)聯(lián)合作用才能解釋的新現(xiàn)象、新原理和新器件,如1988年發(fā)現(xiàn)的比各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)的電阻變化大得多的巨磁電阻(GMR)效應(yīng),前者的電阻變化(△R/R)值為1% 2%,后者高達(dá)60%;1993年又在類鈣鈦石型結(jié)構(gòu)的稀土錳氧化物中觀測到了龐磁電阻(Colossal magnetoresistance ,CMR)效應(yīng),它的電阻變化又比GMR大,其△R/R值可達(dá)到103 106;新近發(fā)現(xiàn)的隧道結(jié)巨磁電阻(Tunneling magnetoresistance,簡稱TMR)效應(yīng),已引起世界各國的極大關(guān)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(xué)和電子學(xué),而且將在小型化和微型化高密度記錄讀出頭、隨機(jī)存取存儲器和傳感器中獲得重要應(yīng)用。又如納米磁粉、磁膜的介觀磁性都涉及到了復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)、磁有序系統(tǒng)的電子微結(jié)構(gòu)理論計(jì)算、微磁顯微與模型。
所以磁電子學(xué)的產(chǎn)生是以GMR、CMR和TMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及材料研究和器件應(yīng)用為基礎(chǔ)的。我國在磁電子學(xué)方面的多層膜、顆粒膜、類鈣鈦礦型氧化物的GMR和磁光效應(yīng),層間耦合研究上取得了進(jìn)展,在高密度記錄、磁光信息存儲、汽車,數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)控制系統(tǒng)中有著十分廣泛而重要的應(yīng)用,是這類高新技術(shù)的基礎(chǔ),國外正由基礎(chǔ)研究向應(yīng)用、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。
微電子、光電子、光電子學(xué)都是利用了電子導(dǎo)電的群體行為,而電子所具有的自旋卻未得到發(fā)揮。采用自旋結(jié)構(gòu)技術(shù)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(jié)構(gòu)的厚膜技術(shù)(圖1),其結(jié)果就是一個(gè)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(xué)力驅(qū)動(dòng)的有源器件。這種新型磁性晶體管顯示出了許多獨(dú)特的優(yōu)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(guān)時(shí)間按近1ns;溫度穩(wěn)定性高;它可以有效地進(jìn)行電流放大,應(yīng)用到非易失性RAM、邏輯、LSI等裝置上作為新型計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng)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(xué)的化學(xué)家米勒和美國俄亥俄州立大學(xué)的物理學(xué)家艾普林等人同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種非金屬磁性的物質(zhì),并稱作“分子磁性物質(zhì)”,其作用機(jī)理與金屬磁有很大的不同,而且有些分子磁物質(zhì)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(xué)反應(yīng)或光來控制(金屬磁是通過電來控制的),但分子磁物質(zhì)只能在低溫下保持磁性。然而在1996年1月東京大學(xué)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)一種有機(jī)染料普魯士蘭卻可以在負(fù)3℃下保持磁性,該磁性可通過化學(xué)反應(yīng)來開關(guān)。1995年我國四川師范大學(xué)林展如教授用化學(xué)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(dǎo)率( )幾乎與頻率無關(guān),比重極輕。
目前科學(xué)家們正在積極探求用電來控制分子磁性物質(zhì)特性的方法,一旦成功必將給計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、醫(yī)學(xué)等眾多行業(yè)帶來巨大變革。
有機(jī)鐵磁體的出現(xiàn),擴(kuò)展了
磁性材料的視野,打破了傳統(tǒng)的無機(jī)物所專有的金屬的傳導(dǎo)性、超導(dǎo)性和鐵磁性這三大電磁特性,是對傳統(tǒng)的磁性起源、交換作用等磁學(xué)基本理論的挑戰(zhàn);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(jī)元素則是S或P電子的閉殼層,常呈現(xiàn)抗磁性。要使有機(jī)物質(zhì)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(jī)自由基、極化子等具有自旋的準(zhǔn)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(shí)踐證明已獲得的有機(jī)磁體可分為分子晶體、聚合物、電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物和金屬有機(jī)絡(luò)合物四大類。但它們只在低溫下有磁性,沒有實(shí)用價(jià)值。Miller和Epstein現(xiàn)已開發(fā)出由非磁釩外包裹有機(jī)分子四氫乙烯(即TCNE)在75℃下都保持磁性的有機(jī)磁體。法國制成的普魯士蘭化合物在42℃時(shí)將其粘到其他磁體上(該化合物是有機(jī)團(tuán)包圍的釩和鉻原子),因它們的原子是呈剛性晶板排列,增強(qiáng)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(jī)磁能彎曲,可作高密度磁性數(shù)據(jù)存儲,改進(jìn)人造心臟中的磁性閥。
新近日本大阪府立大學(xué)杉本教授等用含氟原子的苯醌衍生物(TCNQF4)及其與原子團(tuán)陰離子的絡(luò)合物,在室溫25℃下合成了C、H、N和F組成的純有機(jī)化合物。
有機(jī)磁的出現(xiàn)揭示出了許多生物之謎。
3.磁宏觀量子效應(yīng)(QTM)
所謂磁宏觀量子效應(yīng)是指原子內(nèi)的許多磁性電子(指3d和4f殼層中的電子)以隧道效應(yīng)方式穿透能壘導(dǎo)致磁化強(qiáng)度的變化,特別在極低溫度(<10K)下發(fā)生經(jīng)典到量子的轉(zhuǎn)變。
1991 1992年Barcelona大學(xué)的Tejada實(shí)驗(yàn)組和IBM的Awschalom小組在實(shí)驗(yàn)上觀察到了磁矩的量子隧道效應(yīng),標(biāo)志著QTM研究正在進(jìn)入凝聚態(tài)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(yīng);(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(guān)行為或磁性孤粒子。
QTM的最直接應(yīng)用是在量子器件,比如SOUID的約瑟夫森結(jié),因此QTM在量子測量上有著廣泛的應(yīng)用前景,在基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(shù),從1019個(gè)(1950年)下降到109個(gè)(1990年),到2010年只需103個(gè)(相當(dāng)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(shí)則可在半徑1nm元件內(nèi)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(xué)Stephe等提出了65Gb/in2量子磁盤的構(gòu)想,比目前最高的磁存儲密度大兩個(gè)數(shù)量級以上。
