五、纳米信息存储材料
    当材料的晶粒进入纳米尺寸时，具有比通常结构下的同成分的材料特殊得多的磁学性能，其磁结构从多畴区变为单畴区，其矫顽力达到最高值，用它制作磁记录材料可以大大提高信噪化，改善图象质量，而且可以达到信息记录高密度化。
    纳米磁性多层薄膜（多层膜巨磁电阻材料）是一种有巨大潜力的信息存储介质。多层膜又称组分调制合金（CMA），它是提一种金属或合金沉积在另一种金属或合金上构成的成分和结构周期性变化、相邻两层厚度之和（称为调制波长λ）为纳米尺寸的材料。多层膜巨磁电阻效应的产生机理主要为自旋相关散射，即散射矩阵依赖于传导电子自旋相对被散射的局域磁矩的取向，控制纳米材料中磁性体的磁化状态，以改变材料的电阻率。1988年法国巴黎大学的肯特教授首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应（GMR），美国、日本、西欧大力投入进行研究开发，1994年IBM公司首先研制成功巨磁电阻效应的读出磁头，磁电子器件具有巨大的市场和高科技所带来的高利润。新一代的自旋阀型多层膜将有更高的灵敏度、更好的热稳定性并能加工得更薄，可再生和大批量生产。现在，仅巨磁电阻效应高密度读出磁头的市场就达到10亿美元，已经大规模工业生产，磁存储器的市场预计为1000亿美元。
    迄今为止，纳米磁性多层膜已有350多个研究系列，实验存储密度已达65Gb/in2。纳米巨磁电阻（GMR）材料可使计算机磁盘存储能力提高30倍左右，使每平方英寸的存储能力增加到100亿位。
    纳米GMR材料已引起越来越多的科学家和企业家的重视，利用纳米GMR可使计算机磁盘存储能力大大提高。美国BMR的科家发现了一种在低磁场下产生GMR的方法。利用溅射方法制得纳米多层膜，然后将膜迅速退火，该材料在低磁场呈现大的GMR效应，将大大增高数据存储器件的容量。
    俄罗斯科学家已开发出制备Ni，Cu，Al，Ag，Fe，Sn，Mg，Mn，Pt，Au，Mo，W，V以及稀土金属等纳米级金属超细粉末的生产工艺。熔点在1500℃以上的所有金属都可获得纳米级超细粉末。Fe-Ni超细颗粒制作高密度金属磁带，已进入实用阶段。正在研制典型的垂直磁记录介质——纳米级六角晶系铁氧体，其高频特性优于γ-Fe2O3，化学稳定性优于金属磁粉，成为新型的磁记录介质。
    颗粒膜巨磁电阻材料是颗粒镶嵌在薄膜中所构成的复合材料，颗粒的组成与薄膜的组成在制备条件下应不互溶，属于非均相组成的材料。其呈现巨磁电阻效应的最佳铁磁组成约为15%～25%（体积分数），铁磁颗粒尺寸小于10nm。颗粒膜的组份可以是金属、绝缘体、半导体、超导体，共有十几种组合，每种又可有众多类型。颗粒膜的性质除取决于组成外，还密切关联于微结构，如颗粒尺寸、形态、所占的体积分数以及界面构型等因素。目前颗粒膜巨磁电阻效应的研究主要是二大材料系列。一是银系，如Co-Ag，Fe-Ag，FeNi-Ag，FeCo-Ag等；二是铜系，如Co-Cu，Fe-Cu，Fe-CoCu等，退火过程颗粒膜中微结构的变化对巨磁电阻效应有着显著的影响。
    纳米颗粒合金薄带巨磁电阻材料，与形成颗粒膜的条件一样，选择热力学不相固溶的二元或多元相组成，对于磁性颗粒体系，其中一种组成必须是铁磁材料，目前研究最多的熔淬颗粒体系Co-Cu系统。纳米颗粒合金薄带的巨磁电阻效应机制与颗粒膜相同，均源于自旋相关的散射，并以界面散射为主，巨磁电阻效应的大小与相应组成的Fe-Cr颗粒膜相近，当χ=18.9时，磁电阻MR=26%（4K）。
 

    目前已实用化的隧道结巨磁电阻材料是磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属（FM/I/FM）结构。隧道电导与铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应（TMR）。而隧道结通常是由铁磁薄膜、非磁性绝缘膜所构成的三明治结构，例如Fe/Al2O3/Fe，其中Al2O3绝缘层厚度小于10nm，目前报道的室温巨磁电阻效应约为18%。隧道结膜的TMR磁头已问世，它的灵敏度比磁电阻磁头高出10倍，比GMR高出数倍，并可能比其先实用化。
    1994年以来，在类钙钛矿结构Mn系氧化物中发现无论是外延的薄膜还是单晶、多晶块状材料均有庞磁电阻效应（CMR），称为钙钛矿结构庞磁电阻材料。例如外延薄膜Nd0.7Sr0.3MnO3-δ在温度为60K、磁场为6366.2kA/m下的磁电阻ΔR/RH为1.06×106%；烧结块状材料Nd0.65Sr0.35MnO3在低于30K，外场为3979kA/m下，其电阻率从103Ω·m下降到10-4Ω·m。这种材料可能在HDD存储技术中得到重要应用。
    温度和磁场是影响巨磁电阻材料性能的两个重要因素。发掘低磁场和室温下性能优越的磁电阻材料是当前的研究方向。日本最近开发成功巨磁阻新材料，不均匀构造MnSbGaAs多层薄材料，在室温条件下使用永磁体级的磁场即可由良导体转变为绝缘体，在室温下0.5T磁场中有超过10000%的超巨磁阻效应。
    巨磁电阻材料易使器件小型化、廉价化，主要用于高密度记录读出磁头、磁传感器、随机存贮器、磁光信息存储以及汽车、数控机床、自动控制系统自动测量、卫星定位、导航系统、家用电器、商标识别、磁性开关等。1997年以巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世；GMR自旋阀（GMRSV）磁头成为计算机硬盘驱动器（HDD）存储容量达到100Gb的关键技术；IBM和富士通公司已分别制成ΔR/R为22%和24%的隧道结巨磁电阻TMR材料，为HDD今后的发展带来新的应用。由于巨磁电阻材料的不断发展，预计21世纪可以实现1.55Gb/cm2存储密度和0.5ns的存储速度。
    六、纳米巨磁致伸缩材料
    物体在磁场中磁化时会沿着磁化方向发生伸长或缩短，这一现象叫做磁伸缩效应。60年代初，美国海军军械实验室的科技工作者发现Tb，Dy等稀土金属单晶物质在低温下会产生巨大的磁致伸缩效应，称之为巨磁致伸缩效应。这种材料的最大特点是伸缩量比原有的磁性材料大得多，能量密度高，居里温度高，适于高温环境。利用多层膜技术如果膜层的厚度在铁磁交换作用距离内，纳米膜层由于交换耦合，将对外呈现一致的磁化特性，其性能参数取各层材料的平均值。实际应用希望能在较小的磁场下获得大的磁致伸缩性能，通常利用多层膜技术。将膜层的厚度控制在铁磁交换作用距离内，纳米膜层由于交换耦合，将对外呈现一致的磁化特性，其性能参数取各层材料的平均值。
    纳米巨磁致伸缩材料具有很高的能量转换效应，能产生很大的机械力，弹性模量随磁场有很大的变化，抗压强度很高，是优异的换能材料，应用前景十分广阔。目前在声纳、传感器、超声发生器、微距器等方面已得到实际应用。
    七、纳米吸波材料
    将纳米材料作为吸收剂制成涂料，不仅对电磁波吸收性能好，而且涂层薄，吸收频带宽。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米磁性超细微颗粒对电磁波具有强烈的吸收能力，这是由于纳米磁性超细微颗粒处于表面的原子数非常多，大大增强了纳米材料的活性，在电磁场的辐射下，原子、电子运动加剧，形成共振，使电磁能转化为热能，从而增大了对电磁波的吸收。已经研制成功可能属于纳米材料的一种“超黑色”的吸波材料，对雷达波的吸收率可达99%。
    国内外研究的纳米电磁波吸收材料主要有纳米金属与合金吸收剂、纳米氧化物吸收剂、纳米SiC吸收剂、纳米铁氧体吸收剂、纳米石墨吸收剂、纳米Si/C/N和Si/C/N/O吸收剂、纳米金属膜/绝缘介质膜吸收剂、纳米导电聚合物吸收剂、纳米氮化物吸收剂等。
    纳米材料对电磁波的强烈吸收作用，其最重要的应用之一是纳米隐身吸波材料。国外作为吸波材料用的纳米磁性材料最成功的应用例子，莫过于用于军事隐身涂料。用纳米级的羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器装备上，使该装备具有隐身性能。因为纳米超细粉末具有很大的比表面积，能吸收电磁波，同时纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波长，对波的透过率很大，因此不仅能吸收雷达波，也能吸收可见光和和红外线，由它制成的涂层在很宽的频带范围内可以逃避雷达的侦察，同时也有红外隐身作用。现在，隐身涂料作为隐身技术的关键技术之一，已不仅仅用于飞机、导弹，最新的发展是几个主要工业大国家和军事强国已开始将隐身涂料技术应用于海军舰艇、隐身装甲车、隐身水雷、隐身火炮、隐身坦克、隐身车辆、隐身雷达、隐身通讯系统、隐身工程、隐身工事、隐身机器人、隐身作战服和红外隐身照明弹等技术装备上。
    纳米材料因其在电磁波吸收方面具有突出的表现，在较宽的频谱范围里呈现较大吸收，可作为一种微波毫米波乃至光波的全波段隐身材料，必将取代传统的常规铁氧体材料，成为新一代隐身吸波材料。

参考文献：
〔1〕 沈保根，等.〔J〕.中国稀土学报，2004，22（1）：28-32.
〔2〕 刘献民，等. 〔J〕.材料导报，2004，18（5）：8-10.
〔3〕 张世远. J〕.磁性材料及器件，2004，35（4）：1-5.