超微颗粒的磁性
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第246页（3129字）
超微颗粒的尺度介于原子、分子团簇与块状物体之间，通常泛指尺度约为1～100nm之间的微小颗粒。
“超微”的含意并非单纯指尺寸微小，还有随着颗粒尺寸的减小，量的变化在一定条件下会引起理化性质的质变。例如磁性超微颗粒处于单畴临界尺寸时会呈现矫顽力的极大值，当进一步减小尺寸时又会使矫顽力趋于零而呈现超顺磁性。
从功能材料的角度出发，当颗粒尺寸减小到一定临界尺寸时，声、光、电、磁、热以及催化等性质会呈现出与大块物体质的差异，这标志着颗粒尺寸对某一性质而言已进入超微粒的范畴。“超”的含义则表明它已具有与大块物体显着不同的特性。
超微颗粒与原子团簇之间目前尚无严格的分界线，广义的超微颗粒亦包含原子团簇，反之原子团簇的尺度已扩展到超微颗粒的范围。原子团簇不具有平移对称性，仅具有点群对称性，通常尺度为1nm之内，而超微颗粒则具有平移对称性，也许可作为二者的分界线。
20世纪30年代，人们从磁畴理论出发，预言颗粒尺寸小于某临界尺寸时会呈现磁单畴体，Kittel曾设想了各种单畴体的磁构型，对单畴临界尺寸进行了粗糙的估算，单畴尺寸通常为10nm量级。磁畴理论对铁磁材料宏观磁性与磁化过程的了解与解释起了重要的推动作用。50年代人们从微磁学的理论出发更为严格地处理了磁单畴的问题。
当磁性颗粒处于单畴状态时，磁壁将消失，反磁化过程将以磁化矢量转动方式进行，从而呈现出由磁各向异性(磁晶各向异性，形状各向异性)所决定的高矫顽力。在理论指导下，60年代人们热衷于研究高性能的微粉永磁体。
当磁性颗粒尺寸进一步减小时，与体积成正比例的磁晶各向异性能亦随之减小，当环境的热能与其相当或更大时，颗粒内的磁化矢量在热扰动下将作混乱的无规取向，从而导致剩磁与矫顽力均为零的超顺磁性状态。
此时颗粒聚集体的特性十分类似于无相互作用的磁性原子集合体的顺磁性，磁化强度随磁场、温度的变化同样服从朗之万理论、无磁滞现象。所不同的，颗粒中通常含有105量级的原子数，所以冠以“超”字以示区别。
对超顺磁性的研究具有实际应用的价值，30年代人们利用Fe3O4胶体用来观察磁畴结构，60年代美国研制成磁性液体，目前已成为磁性材料中别具风格的新分支，美、英、日、俄等国已批量生产，中国亦有不少单位进行研制与少量生产，目前已成功地应用于旋转轴密封如真空、充压、防尘、封油等密封器件中以及各类阻尼器件、润滑、研磨、扬声器等。
磁记录是信息存储、处理的重要手段，自从1898年发明钢丝录音以来，发展十分迅速。
磁记录发展的总趋势是大容量、高密度、高速度、低价格。由于磁记录密度近似地与矫顽力的平方根成正比例，为了提高记录密度必须提高记录介质的矫顽力。
此外，磁记录介质的本征信噪比与磁层中单位体积的颗粒数的平方根成正比，减小颗粒尺寸有利于提高颗粒在磁层中的堆积密度。因此颗粒型磁记录介质发展的方向是颗粒细微化。颗粒的细微化不仅可以获得高矫顽力，而且还有利于获得均匀的薄磁层、光滑的表面和高的信噪比。40年代，商业上首先用γ-Fe2O3磁粉作为磁记录介质，通常γ-Fe2O3颗粒呈针形，长轴约为0．5μm，短轴比约为10∶1，经过50多年的改进，目前颗粒尺寸已减少到0．2μm，每克磁粉可含2500兆个微颗粒，使视频信噪比提高5～6dB，近年来采用在惰性气体中进行蒸发冷凝的物理方法，制成尺寸约为20nm的超微金属(合金)球状颗粒，它比γ-Fe2O3类型磁粉具有更好的磁特性。
80年代起，在垂直磁记录的推动下，以Ti、Co、Sn等离子代换的六角晶系钡铁氧体备受人们重视，用于磁记录的典型颗粒尺寸直径为50nm，厚度为20nm，其高频特性优于Co-γ-Fe2O3磁粉，化学稳定性优于金属磁粉，现已成为新型的磁记录介质。
除小尺寸效应外。
对超微颗粒有时还必须考虑量子效应。30年代已有人提出了量子尺寸效应的物理概念；60年代初期，日本久保首先从理论上较为严格地处理了量子尺寸效应。
理论上表明，当颗粒尺寸小到与一些物理特性长度，例如电磁波波长、传导电子波长、超导体的相干长度等相当或更小时，通常准连续的金属能带将会成为分立的能级，假如平均能级间距与热能、静电能、静磁能、超导能隙以及光子等能量相当或更大时，颗粒系统将呈现宏观物体所不具有的一系列新效应。例如，超微颗粒的磁化率，比热与颗粒中所含的电子奇偶数有关，光谱线产生蓝移，导电金属可转变为电绝缘体等现象。
量子尺寸效应有力地促进了超微颗粒的研究，而成为超微颗粒研究史上的重要里程碑。
1959年，Bean与livingston曾提出宏观量子隧道效应的概念，用来定性地解释超细镍微颗粒为什么在低温会继续保持超顺磁性。80年代有人从理论上计算了单畴微颗粒磁化强度通过势垒的隧道几率。90年代曾采用扫描隧道显微镜技术控制纳米尺度磁性超微颗粒的沉积，用量子相干磁强计研究低温条件下微颗粒磁化率对频率的依赖性，实验结果表明在低温确实存在磁的宏观量子隧道效应。
量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。
超微颗粒的比表面积与颗粒直径成反比例，随着颗粒尺寸的减少，表面原子的比例将显着地增加，表面效应将不容忽略。50年代人们就注意到表面原子具有比体内更低的对称性，因此将会存在表面磁各向异性。70年代人们研究了铁氧体超微颗粒表面自旋钉扎效应，不同的表面吸附物可以显着地改变超微颗粒的表面各向异性，实验表明表面磁结构不同于体内，可以生成非共线的磁结构，例如NiFe2O4微颗粒表面包覆一层表面活性剂油酸后，发现表面自旋被强烈地钉扎，在液氮温度下，强磁场下仅磁化到75%。
80年代以后人们开始研究金属磁性超微颗粒的表面(界面)效应，以及它对磁化过程的影响。
目前国际上对超微颗粒磁性研究的热点是小尺寸效应、表面效应以及量子效应，其应用的背景是高密度磁记录材料、磁性液体、微粉永磁、吸波材料以及磁性超微颗粒在催化领域中的应用。
国内将“纳米材料科学”列入“八五”攀登计划，磁性纳米材料的研究则是其中主要内容之一。此外对原子团簇磁性的研究涉及到基本磁性与铁磁性的来源，亦为国际上引人瞩目的课题。
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(南京大学博士生导师都有为教授撰)