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稀土元素独特的电子结构及物理化学性质为稀土元素的广泛应用提供了基础,而稀土纳米材料无疑能在原有的基础上赋予稀土一系列新的特性,大大提高稀土材料的性能。当今,新型高性能纳米材料的研制与开发成为材料科学与工程领域公认的研究热点和极富生命力的研究方向,而稀土纳米材料的研究又是其中富有战略意义的焦点。因此稀土纳米材料的研究和开发具有重大意义!
从实验和理论分析中发现,纳米材料的电子结构是决定其物理化学性质的关键因素之一,因此我们的研究内容是在制备出稀土纳米材料的基础上对其电输运性质和磁性质进行研究,对比颗粒尺度不同的稀土纳米晶和多晶、单晶的性质变化。从量子理论和固体理论出发,特别是从电子结构上解释纳米晶与单晶、多晶的不同。
论文首先对重稀土金属、纳米材料以及重稀土金属纳米材料作了概述。
第二章讨论了重稀土金属的磁性相变,以朗道相变理论为基础,以铁磁——顺磁相变为例,对相变温度附近体系自由能及磁性参量的变化进行了详细的推导,得出在一级近似下一级和二级磁相变中磁化率倒数随温度的变化规律。
论文第三章对比研究了用放电等离子烧结技术制备的纳米晶块体材料与多晶块体材料的磁性。研究发现,通常情况下纳米晶的磁化强度较单晶和多晶减弱,居里温度降低。随纳米晶晶粒的进一步减小,实验发现了新现象。我们认为在温度低于居里温度时,样品内部由于存在大量晶界、晶面原子,使得晶界、晶面原子之间的距离、磁矩的取向等不一致,从而可能导致在同一温度下多个磁性相共存。
第四章对纳米晶和多晶电输运性质的测量发现,平均粒径10nm的纳米晶,其电阻率增大了一个量级。这一现象说明平均粒径10纳米的纳米晶中能带结构发生了显著变化,无序化导致导带中出现带尾,处在带尾中的电子处于定域态,失去了导电能力,使得剩余电阻率大大增加,导致电阻率整体增大了一个数量级。另外,随温度的升高,电阻率在不同温区的变化率不同,反应出不同磁有序对电阻率的影响不同。
文中还对用霍尔效应实验和反射光谱实验两种方法测得的Tm的电子密度值作了比较。由霍尔效应实验得到的电子密度nH比用反射光谱实验中等离体振荡频率计算得到的电子密度nf,小8个数量级。这证明反射光谱实验中等离体振荡所对应的是样品中所有价电子,而霍尔效应实验中测量的是对电导有贡献的载流电子,是费米面附近的一小部分电子。
论文第五章还计算了重稀土金属的饱和磁化强度,并与低温下实验得到的饱和磁化强度值作了比较,两者结果基本一致,说明实验是可靠的。
论文最后一部分还对TiNi合金的电输运性质和磁性质作了研究。TiNi合金通常不显示铁磁性,但纳米晶TiNi合金中存在弱的铁磁相,显示样品中有少量铁磁性晶粒,这些晶粒很可能存在于无序的晶界或晶面结构中。在降温过程中TiNi合金在180K附近发生奥氏体到马氏体的相转变,升温过程中在230K附近发生马氏体到奥氏体的相转变。相变过程引发电、磁参量突变,这使测量电、磁参量随温度的变化规律成为研究结构相变的实验方法。